Однофазний мостовий випрямляч

Однофазний мостовий випрямляч

Мета роботи: дослідити однофазний мостовий випрямляч при роботі на навантаження різного типу в керованому і некерованому режимах.

 

Опис лабораторного обладнання

Лабораторна робота виконана у вигляді вмонтованого в лабораторний стенд макету, на якому зображені принципова та монтажна схеми досліджуваного пристрою. На принциповій схемі зображені точки підключення вимірювальних приладів та позначені їх типи.

Схема живиться від власного понижувального трансформатора, який вмонтовано в блок живлення. Система імпульсно-фазового керування виконана у вигляді окремого блоку.

Домашнє завдання

1. Вивчити роботу однофазного мостового випрямляча. Уміти накреслити форму його вихідної (випрямленої) напруги в некерованому та керованому режимах.

2. Ознайомитись з особливостями роботи однофазного випрямляча в керованому режимі на активне та активно-індуктивне навантаження.

3. Ознайомитись зі схемними модифікаціями керованого випрямляча та їх особливостями.

 

Послідовність виконання роботи

1. Скласти схему у відповідності з рис. 2.1,а. Ввімкнути лабораторний пристрій та його блоки живлення і системи керування. Зняти покази всіх приладів для максимального струму І₂ в режимі активного навантаження (ключ К₂ замкнутий).

2. Скласти схему у відповідності з рисунком 2.1,б. Зняти залежність середнього значення випрямленої напруги від кута керування α в режимах активного та активно-індуктивного навантаження. Дані вимірів занести в таблицю 1. Кут α вимірювати в режимі активного навантаження. Перехід від одного режиму до іншого здійснювати шляхом перемикання ключа К₂. Зняти осцилограми випрямленої напруги для кутів α=36°, 90° та 126° ел.

3. Для обох режимів п.2 зняти осцилограми напруги на тиристорі VT1 для вказаних значень кутів α.

4. Скласти схему за рисунком 2.1,в. Зняти осцилограми випрямленої напруги та струму мережі живлення в режимі активного та активно-індуктивного навантаження для кутів α₁=36° ел. та α₂=126° ел.

5. Скласти схему за рисунком 2.1,г. Зняти осцилограми тих же кривих, що й в п.3.

Таблиця 2.1

Характер навантаження

0°

18°

36°

54°

72°

90°

108°

126°

144°

162°

180°

Rd

Ud

Rd +Ld

Ud

 

 

Рисунок 2.1. Робочі схеми досліджень

Вказівка!

Струм первинної обмотки І₁ трансформатора обчислити за допомогою коефіцієнта трансформації:

Числове значення n обчислити з відношення:

де: U₁=220 В – напруга мережі живлення,

U₂ – напруга вторинної обмотки трансформатора виміряна в режимі його холостого ходу.

Зміст звіту

 

1. За даними п.1 розрахувати типову потужність трансформатора та коефіцієнт його використання. Порівняти отриманий результат з теоретичним.

2. Для кожної з досліджуваних схем побудувати в єдиній системі координат отримані осцилограми.

3. Побудувати експериментальні та розрахункові залежності в одній системі відліку. Окремо побудувати пару кривих для резистивного навантаження і окремо для активно – індуктивного. Пояснити розбіжність отриманих залежностей.

4. Зробити висновки за результатами роботи.

 

Контрольні запитання

 

1. Чому мостову схему випрямляча називають двотактною?

2. Чим пояснюється поява в кривій випрямленої напруги частини від'ємних напівперіодів напруги живлення в разі роботи випрямляча на активно-індуктивне навантаження?

3. Чим пояснюються зміни в режимі роботи випрямляча в кожній зі схемних модифікацій?

 

Література

Основна

1. Полупроводниковые выпрямители/ Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И., Кочетков В.Д., Крылов С.С., Курносов Б.Д., Мосткова Г.П., Кырков В.В., Толкачов А.И. под ред. Ф.И. Ковалева и Мостковой Г.П. – 2 изд., переработанное.- М.: Энергия, 1978 – 448 с.

2. Руденко В.С. Основы преобразовательной техники. Учебник для вузов / Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. – М,: Высшая школа, 1980.- 423 с.: ил.

Рекомендована

1. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники./Розанов Ю.К. – М.: Энергоиздат., 1992 – 296 с. ISBN 5-283-00681-6.

2. Руденко В.С. Промислова електроніка. Підручник для вузів./ Руденко В.С., Ромашко В.Я., Трифонюк В.В. – Київ.: Либідь, 1993. – 432 с.- ISBN 5-325-00332-1.

 

 

Лабораторна робота № 2

Комбіновані схеми випрямлячів

Мета роботи: Дослідити особливості роботи трифазної двомостової послідовної схеми випрямляча

 

Дані макету

Опір навантаження:

Опори шунтів: , , .

 

Домашні завдання

1. Ознайомитись з поняттям електромагнітної сумісності перетворювачів електричної енергії різного типу.

2. Ознайомитись з основними схемами трифазних комбінованих випрямлячів, їх перевагами та недоліками.

3. Знати особливості роботи трифазних мостових випрямлячів.

 

Зміст звіту

1. За даними п. п. 1, 2, 3 побудувати в єдиній системі відліку осцилограми фазних струмів первинної та вторинної обмоток трансформатора.

2. Визначити гармонічний склад струмів первинної обмотки трансформатора для усіх трьох дослідів. За визначеним гармонічним складом побудувати спектри отриманих кривих. Порівняти отримані спектри з точки зору елект­ромагнітної сумісності випрямлячів з мережею живлення.

3. Зробити висновки за результатами виконаної роботи.

 

Контрольні запитання

1. Що таке електромагнітна сумісність вторинних джерел живлення?

2. В чому полягає негативний вплив трифазних випрямлячів на мережу живлення?

3. Вказати існуючі методи покращення електромагнітної сумісності трифазних випрямлячів з мережею живлення.

 

Література

Основна

1. Полупроводниковые выпрямители/ Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И., Кочетков В.Д., Крылов С.С., Курносов Б.Д., Мосткова Г.П., Кырков В.В., Толкачов А.И. под ред. Ф.И. Ковалева и Мостковой Г.П. – 2 изд., переработанное.- М.: Энергия, 1978 – 448 с.

 

Рекомендована

1. Руденко В.С. Основы преобразовательной техники. Учебник для вузов / Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. – М,: Высшая школа, 1980.- 423 с.: ил.

Лабораторна робота №3

Трифазні випрямлячі

Мета роботи Дослідження трифазних випрямлячів при роботі на навантаження різного типу.

 

Домашнє завдання

1. Вивчити та знати принцип роботи трифазного однотактного та симетричного і несиметричного трифазних мостових випрямлячів. Уміти викреслити миттєву діаграму випрямленої напруги для кожної зі вказаних схем для кута вмикання тиристорів α = 0° ел.

2. Ознайомитись з особливостями роботи керованих трифазних випрямлячів, зазначених в п.1. Уміти накреслити миттєві діаграми випрямленої напруги для різних значень кутів вмикання тиристорів.

3. Розрізняти особливості роботи кожного з випрямлячів на різні типи навантажень.

4. Засвоїти методику вимірювання залежності середнього значення випрямленої напруги від кута α вмикання тиристорів.

Зміст звіту

Послідовність виконання пунктів цього розділу та їхній зміст однаковий для кожної з досліджуваних схем випрямлячів.

Дані для розрахунків: опір навантаження Rd=20 Ом; опір шунта Rш=0,2 Ом. Фазна напруга вторинної обмотки трансформатора Uф=20В, лінійна напруга U2л=35В.

1. Викреслити в єдиній системі відрахунку залежності Ud(α), отримані дослідним шляхом та за допомогою аналітичних виразів Ud=f(α) досліджуваної схеми випрямляча. Пари кривих, отримані для одного й того ж типу навантаження, будувати окремо одна від одної. Пояснити причини неспівпадання однотипних залежностей.

2. Побудувати в єдиній системі відрахунку (як показано на рис.2.16, рис. 2.20 та рис. 2.26) отримані осцилограми. Будувати для кожного кута окремо. Пояснити відмінність осцилограм, отриманих для одного й того ж кута, для різних типів навантаження.

3. Викреслити осцилограму напруги та струму роторної обмотки двигуна постійного струму та пояснити причину зміни форми цих кривих порівняно з аналогічними осцилограмами, побудованими в п.2.

4. Зробити висновки за отриманими результатами роботи.

 

Контрольні запитання

1. Які із схем випрямлячів відносять до трифазних? В чому подібність та відмінність таких випрямлячів?

2. Який головний недолік трифазної однотактної схеми випрямляча?

3. В чому полягають переваги трифазної мостової схеми випрямляча?

4. Чому в режимі резистивного навантаження регулювальна залежність трифазних керованих випрямлячів складається з двох частин?

5. В чому полягають відмінності в роботі трифазних керованих випрямлячів на роторну обмотку двигуна постійного струму?

6. Чому змінюється кількість пульсацій в кривій випрямленої напруги трифазного несиметричного керованого випрямляча при зміні кута α?

 

 

Теоретичні відомості

Трифазні випрямлячі можуть бути зібрані за трьома схемами, вигляд яких зображено на рисунку 2.15, рисунку 2.18 та рисунку 2.23 даного розділу.

Схема рисунка 2.15 називається трифазною однотактною і є найбільш простою. Вона має ряд особливостей і використовується для живлення низьковольтних обмоток збудження синхронних двигунів середньої та великої потужності. Використовується також у комбінованому варіанті як кероване джерело струму зварювання агрегатів типу ТД, які дозволяють здійснювати зварювальні роботи в режимі безперервного струму та імпульсному режимі, коли струм дуги підтримується пакетом з кількох півперіодів фазної напруги і між якими існує нульовий проміжок. Система імпульсно-фазового керування (СІФК) забезпечує регулювання як кількості півперіодів в пакеті, так і тривалість нульового проміжку між ними.

 

Рисунок 2.15. – Трифазний однотактний керований випрямляч

 

Розглянемо особливості роботи трифазного однотактного випрямляча, схема якого отримала назву схеми Міткевича. Тиристори випрямляча увімкнуті послідовно у вторинні обмотки трансформатора. Тому робочим є тільки один півперіод фазної напруги цих обмоток. Саме за цієї причини випрямляч класифікується як однотактний. Це означає, що струм вторинних обмоток є пульсуючим і має нульову гармонічну складову, яка створює постійне магнітне поле, що підмагнічує осердя трансформатора. Таке додаткове підмагнічування негативно впливає на його роботу, викликаючи перегрівання обмоток та зростання втрат в осерді. Для запобігання зростанню додаткових втрат, встановлена потужність трансформатора повинна на 30-40% перевищувати потужність навантаження, що є головним недоліком випрямляча.

Діоди в некерованому, а тиристори в керованому випрямлячеві можуть бути з'єднанні або в анодну, або катодну групу. На рисунку 2.15 має місце з'єднання в катодну групу, коли катоди усіх тиристорів з’єднані між собою струмопровідною шиною і їхній потенціал за будь-яких умов залишається однаковим. Це означає, що кожен з тиристорів буде вмикатись лише на тому відрізку часу, на якому потенціал його аноду набуватиме найвищого значення. На рисунку 2.16,а,б ці інтервали позначені відрізками 0₁0₂, 0₂0₃ та 0₃0₄. Тривалість кожного інтервалу складає третину періоду і в сумі вони формують повний період випрямленої напруги. Тобто ця напруга має три пульсації кожна з яких формується частиною позитивного півперіоду фазної напруги вторинних обмоток трансформатора. При з'єднанні тиристорів в анодну групу випрямлена напруга формуватиметься від’ємними півперіодами, а її полярність на навантаженні зміниться на протилежну.

Діаграма випрямленої напруги (див. рисунок 2.16,б) характерна для діодної схеми випрямляча і її середнє значення визначається з виразу:

, (2.10)

де: - діюче значення фазної напруги вторинної обмотки трансформатора.

Співвідношення (2.10) отримане за умови суміщення початку відрахунку з амплітудою однієї з пульсацій випрямленої напруги. Коефіцієнт «три» перед інтегралом визначає кількість таких пульсацій на періоді.

Формування напруги, наведеної на діаграмі рис. 2.16,б можливе лише за умови перемикання діодів в точках 0₁, 0₂ та 0₃, тобто в точках їх природньої комутації.

В керованому випрямлячеві подавати вмикаючі імпульси на керуючі електроди тиристорів потрібно також лише на визначених інтервалах. Наприклад, вихід імпульсу, який повинен вмикати тиристор VT1, за межі

 

 

Рисунок 2.16. – Часові діаграми роботи трифазного однотактного випрямляча

інтервалу 0₁0₂ не забезпечуватиме його вмикання. Те ж саме стосується фази вмикаючих імпульсів тиристорів VT2 та VT3. Саме за цієї причини початок відрахунку фазового кута α здійснюється в трифазних випрямлячах від точок природної комутації, як це показано на рисунку 2.16,в.

На рисунку 2.16, г,д наведені діаграми випрямленої напруги для різних значень цих кутів. За умови резистивного навантаження для кутів α<30°ел. випрямлена напруга не матиме нульових значень, тобто залишається безперервною. Якщо кут α зростає і стає більшим тридцяти градусів, то в кривій випрямленої напруги з’являються нульові проміжки і вона стає переривчатою. Очевидно, що залежність середнього значення випрямленої напруги від кута α буде на обох інтервалах різною.

На першому інтервалі, за умови ел. середня напруга як функція α визначатиметься з виразу:

(2.11)

За умови ел. залежність середнього значення випрямленої напруги від кута α матиме вигляд:

, (2.12)

де: - середнє значення випрямленої напруги діодного випрямляча, або керованого за умови α=0°ел.

У виразах (2.11) та (2.12) початок відрахунку співпадає з напругою фази а, тому нижня межа інтегралу зсунута вліво на кут π/6 оскільки відрахунок кута α, як зазначалось вище, здійснюється від точки природної комутації.

В режимі активно – індуктивного навантаження, який в електроенергетиці є найбільш поширеним, аналітична залежність середньої напруги від кута α залишається незмінною в усьому діапазоні регулювання кута α і визначається виразом (2.11). Пояснюється це тим, що незалежно від значень кута α, в кривій випрямленої напруги будуть відсутні нульові проміжки, місце яких, при кутах α більших граничного значення, займатимуть частини від’ємних півперіодів фазної напруги вторинних обмоток трансформатора, як це показано на рисунку 2.16,ж. Наявність цих ділянок обумовлена накопиченою в індуктивності Ld енергією, яка продовжує утримувати тиристори відповідних фаз у відкритому стані. Тобто працюючий тиристор залишається відкритим незалежно від полярності фазної напруги, до моменту вмикання тиристора наступної фази. Як наслідок, напруга на навантаженні стає знакоперемінною і при подальшому зростанні кута вмикання її середнє значення може змінити знак. Ця властивість використовується для рекуперативного заторможення двигунів постійного струму керованого автоматизованого електроприводу рухомої частини транспортних засобів. Більш детально перехід випрямляча в режим інвертора, веденого мережею, розглянуто в теоретичних положеннях до першої лабораторної роботи.

Струм навантаження залишається неперервним і є практично згладженим, як це зображено на рисунку 2.16,з. Його рівень визначається за законом Ома.

(2.13)

Що стосується методики дослідного визначення залежності U_d=f(α), то вона має ряд особливостей, обумовлених складністю фіксації точок відліку кута α на кривій випрямленої напруги. Така задача може бути розв’язана за допомогою двопроменевого осцилографа шляхом фіксації струму та напруги будь-якого з тиристорів випрямної схеми.

В лабораторній роботі використовується тиристор VT3 або VT5 для решти схем випрямлячів. Діаграми усіх тиристорів ідентичні за формою і лише зсунуті в часі одна відносно одної на третину періоду. Тому, для зручності, на діаграмах рисунка 2.17 зображені осцилограми струму і напруги тиристора VT1.

Очевидно, що за умови α=0°ел. момент появи пульсації струму співпадає з точкою 0₁ природної комутації, так само як і задній фронт цієї ж пульсації співпадає з точкою 0₂ природної комутації тиристора наступної фази. Для трифазних схем максимум тривалості відкритого стану тиристора чи діода складає третину періоду, тобто 120°ел. Сумістивши передній фронт імпульсу струму із вибраним початком відрахунку на екранній сітці осцилографа, визначаємо масштаб для кута α. На другому каналі осцилографа фіксується напруга тиристора, яка забезпечує стабілізацію розгортки зображення на обох каналах осцилографа, а також дозволяє уточнювати значення кута α та контролювати зміну миттєвої напруги на закритому тиристорі. Так, точка відліку 0₁ співпадає на цій кривій з моментом початку позитивного півперіоду лінійної напруги Uас, як це показано на усіх діаграмах рисунка 2.17.

Ускладнення форми зворотної напруги тиристора при зростанні кута α пояснюється появою нульових інтервалів в кривій випрямленої напруги. Так, після вимкнення тиристора VT1 до нього прикладається напруга Uа власної фази оскільки тиристори інших фаз залишаються закритими. В момент вмикання VT2 і впродовж усього часу його увімкнутого стану, до тиристора VT1 прикладається лінійна напруга u ab. При вимкненні VT2 до VT1 знову прикладається фазна напруга u a до моменту увімкнення тиристора VT3, що спричиняє появу на тиристорі VT1 лінійної напруги u ac.

 

Рисунок 2.17. – Осцилограми струму та напруги тиристора VT1 для різних значень кутів його вмикання

Послідовність чергування напруг на закритому тиристорі VT1 зображена на останній діаграмі рисунка 2.17, отриманій для кута α=90°ел, для якої тривалість нульових проміжків в кривій випрямленої напруги складає шістдесят електричних градусів (див. також діаграми рисунка 2.16).

Розглянемо роботу трифазного мостового керованого випрямляча. Його принципова електрична схема наведена на рисунку 2.18, а миттєві діаграми – на рисунку 2.19.

Для з’ясування особливостей формування випрямленої напруги та послідовності перемикання тиристорів, розглянемо спочатку роботу схеми на резистивне навантаження для кута α=0°ел., тобто в режимі некерованого випрямляча, коли тиристори працюють як звичайні діоди і перемикаються в точках природної комутації.

Рисунок 2.18 – Принципова схема трифазного мостового керованого випрямляча (схема Ларіонова)

 

Схема складається з двох груп тиристорів: «Катодної» та «Анодної». Верхню, «катодну», утворюють тиристори VT1, VT3 та VT5, нижню «анодну», тиристори VT2, VT4 та VT6. З попередніх розділів відомо, що в катодній групі потенціал катодів усіх трьох тиристорів завжди однаковий. Те ж саме стосується потенціалів анодів нижньої групи тиристорів. Оскільки схема мостова, тобто двотактна, то робочими є обидва півперіоди фазної напруги вторинних обмоток трансформатора. Тобто точок природної комутації на періоді цієї напруги буде шість, як це зображено на діаграмі рисунка 2.19,а.

 

 

Рисунок 2.19 – Діаграми роботи трифазного мостового некерованого випрямляча

 

Якщо заземлити нульову точку вторинних обмоток трансформатора (див. рисунок 2.18), то розподіл потенціалів в схемі випрямляча можна розглядати відносно цієї точки. Тоді, на інтервалі 0₁0₂, найвищий позитивний потенціал матиме фаза а і в катодній групі увімкнеться тиристор VT1, який своїм анодом підключений до цієї фази. Через відкритий тиристор катодна шина і відповідно затискач «1», до якого під’єднано опір навантаження, отримує потенціал фази а – Uа. На тому ж інтервалі найвищим від’ємним буде потенціал фази b. Як наслідок, вмикається тиристор VT6, який катодом підключений до вказаної фази. Через відкритий тиристор VT6 анодна шина і нижній затискач «2» отримує потенціал фази b. До навантаження прикладається різниця потенціалів між затискачами «1» і «2», тобто:

Таким чином на інтервалі 0₁0₂ до навантаження прикладається лінійна напруга Uab вторинних обмоток трансформатора.

На наступному інтервалі 0₂0₃ потенціал фази а залишається найвищим позитивним і тиристор VT1 утримується у відкритому стані. В той же час, в анодній групі вмикається тиристор VT2, який своїм катодом підключений до фази С, потенціал якої на вказаному інтервалі стає найнижчим. Як наслідок, до навантаження прикладається лінійна напруга Uac:

З часових діаграм фазної напруги видно, що на наступному інтервалі 0₃0₄ до навантаження буде прикладатись напруга u _bc, що обумовлено перемиканням струму в катодній групі з тиристора VT1 на тиристор VT3. Причому вимкнення тиристора VT1 є наслідком вмикання VT3. Через цей тиристор до катодної шини буде прикладатись більш високий потенціал фази b. В той же час, починаючи з моменту 0₃, потенціал фази а стає нижчим порівняно з фазою b. Як наслідок, до тиристора VT1 прикладається від’ємна анодна напруга і він вимикається.

Такий алгоритм перемикання тиристорів зберігається в усіх точках природної комутації, тобто вимикання тиристора попередньої фази є наслідком вмикання тиристора, підключеного до наступної фази. Якщо черговий тиристор за будь-якої причини не увімкнеться, то працюючий тиристор залишатиметься відкритим до моменту зміни знаку прикладеної до нього фазної напруги, що спостерігається в керованому випрямлячеві за умови .

За аналогією, на інтервалі 0₄0₅ в точці 0₄ струм з тиристора VT2 перемкнеться на тиристор VT4 і до навантаження прикладатиметься напруга Uba:

Ця напруга сформована від’ємним півперіодом лінійної напруги u _ab, взятим з протилежним знаком як це зображено пунктиром на рисунку 2.19,б.

На двох останніх інтервалах, що завершають період, тобто інтервалах 0₅0₆ та 0₆0₇ зберігаються ті ж правила та порядок перемикання тиристорів внаслідок чого до навантаження прикладатиметься лінійна напруга u _ca та u _cb відповідно.

Середнє значення випрямленої напруги, як і у випадку трифазного однотактного випрямляча, визначається через площу однієї пульсації, яка на рисунку 2.19,б заштрихована, шляхом суміщення початку відрахунку з її амплітудою:

, (2.14)

де: U_2л – діюче значення лінійної напруги вторинної обмотки трансформатора.

Вираз (2.14) розкривається наступним чином:

(2.15)

Отримане співвідношення між середнім значенням випрямленої напруги та діючим значенням вхідної лінійної напруги випрямляча має місце у випадку α=0°ел., тобто некерованому режимі його роботи.

Часові діаграми роботи трифазного мостового керованого випрямляча зображені на рисунку 2.20. Послідовність перемикання тиристорів залишається незмінною з тією різницею, що момент вмикання кожного з них зсувається в бік запізнення відносно точок природної комутації на визначений кут α. Внаслідок такого зсуву форма випрямленої напруги і відповідно площа пульсацій буде змінюватись, що забезпечує зміну середнього значення випрямленої напруги.

У випадку резистивного навантаження в кривій випрямленої напруги за певних значень кута α будуть з’являтись нульові проміжки. Тобто, як і в попередній схемі, трифазний мостовий керований випрямляч має дві регулювальні залежності. На рисунок 2.20,б,в,г наведені часові діаграми випрямленої напруги для вказаних значень кутів α. Як видно з діаграми, кут α=π/3 є граничним для даної схеми випрямляча.

Визначимо залежність середнього значення випрямленої напруги від кута α. На інтервалі зв'язок між вказаними величинами визначається з виразу:

(2.16)

де: - середнє значення випрямленої напруги, отримане для кута α=0°ел.

За початок відліку прийнято момент появи позитивного півперіоду лінійної напруги u _ab, який формує першу пульсацію випрямленої напруги і площа якої у виразі (2.16) обчислюється за допомогою означеного інтегралу.

 

Рисунок 2.20. – Часові діаграми роботи трифазного мостового керованого випрямляча

 

Застосувавши ту ж методику, на інтервалі залежність середнього значення випрямленої напруги від кута α визначатиметься з виразу:

(2.17)

Вирази (2.16) та (2.17) необхідно використовувати при побудові теоретичної регулювальної характеристики випрямляча. Слід також пам’ятати, що ці залежності отримані для ідеальної схеми випрямляча коли спадом напруги на тиристорах та явищем комутації, обумовленим індуктивністю розсіювання трансформатора, нехтують. Тому та ж експериментальна залежність, особливо у випадку низьковольтного навантаження, розташується нижче теоретичної, оскільки враховуватиме втрату напруги на навантаженні за рахунок спаду на тиристорах та завдяки явищу комутації, коли струм з працюючого тиристора на наступний перемикається не миттєво і обидва тиристори певний, нетривалий, час залишаються відкритими, шунтуючи навантаження.

Діаграми рис.2.20 відображають особливості роботи випрямляча на резистивне навантаження. У випадку активно-індуктивного навантаження випрямляч проявляє ті ж властивості, що і попередні схеми. Тобто суттєвих змін зазнає струм навантаження і, відповідно, струм тиристорів, а зміна знаку у кривій випрямленої напруги починається з кутів . При цьому миттєва напруга залишається безперервною в усьому діапазоні її регулювання, а залежність середнього значення від кута α визначається виразом (2.16).

Часові залежності струмів та напруг випрямляча в режимі роботи на активно-індуктивне навантаження наведені на рис. 2.21.

Більш цікавим є випадок коли в якості навантаження використовується роторна обмотка двигуна постійного струму (ДПС) з незалежним збудженням.

Як відомо [11],[14] напруга, яка прикладається до роторної обмотки двигуна врівноважується в усталеному режимі його роботи спадом напруги на опорі Rp якірного кола та протие.р.с. Ер, яка наводиться в обмотках ротора при його обертанні в електромагнітному полі, що створюється обмоткою збудження.

. (2.18)

Протие.р.с. роторної обмотки ДПС визначається з виразу:

, (2.19)

де: К – конструктивна стала двигуна,

Ф – постійний потік, що створює обмотка збудження,

ω – кутова частота обертання ротора.

Магнітний потік Ф обмотки збудження залишається сталим за будь-яких режимів роботи двигуна. Тому, за умови сталих обертів, величина Е_р також залишається сталою.

 

Рисунок 2.21. – Миттєві діаграми роботи трифазного мостового випрямляча на активно – індуктивне навантаження

 

Кількість обертів ротора двигуна залежить від його струму та прикладеної напруги:

(2.20)

Якщо з метою регулювання двигун підключений до керованого випрямляча, то до його роторної обмотки буде прикладатись пульсуюча напруга глибина пульсації якої залежатиме від кута α.

Наявність вищих гармонік в кривій випрямленої напруги змінює рівняння рівноваги двигуна:

(2.21)

де: U_d та I_d - середнє значення випрямленої напруги та струму.

, - змінна складова випрямленої напруги та струму.

Очевидно, що:

В той же час змінна складова випрямленої напруги врівноважується спадом напруги, що виникає в колі ротора внаслідок протікання змінної складової струму , тобто:

(2.22)

Протие.р.с, що виникає на індуктивності ротора частково компенсується полем додаткових полюсів двигуна, котушки яких вмикаються зустрічно – послідовно з якірною обмоткою.

Що стосується першого доданку у виразі (2.22), то його величина залежить від глибини пульсацій струму , яка визначається через коефіцієнт пульсації:

(2.23)

де q – номер гармоніки змінної складової струму

- амплітуда q-ї – гармоніки цього ж струму.

Як правило, К_П визначається за основною гармонічною складовою. В цьому випадку її номер не проставляється.

За малих кутів α струм залишається безперервним, глибина його пульсацій незначна, отже і коефіцієнт пульсацій за основною гармонікою буде значно меншим одиниці. Враховуючи відносну малість опору R_р, в режимі безперервного струму першим доданком у виразі (2.22) можна знехтувати, тобто:

(2.24)

Діаграми випрямленої напруги та струму у цьому випадку набувають вигляду, зображеному на рис. 2.22.

За умови сталого кута α, внаслідок зміни механічного моменту на валу двигуна, струм його ротора також буде змінюватись. Зі зростанням навантаження зростатиме лише постійна складова струму I_d. Змінна складова та випрямлена напруга залишатимуться незмінними. Сталість середньої напруги U_d означає зменшення кількості обертів ротора двигуна до величини, яка забезпечує зниження проти е.р.с. Е_р на величину приросту спаду напруги I_d·R_d.

 

Рисунок 2.22. – Часові діаграми напруги та струму роторної

обмоткидвигуна в режимі безперервного струму.

 

Якщо механічне навантаження зменшується, то струм I_d знижується і ротор двигуна збільшує швидкість обертання, примушуючи зростати Е_р до потрібного рівня. Це означає, що за умови автоматичного регулювання кількості обертів ротора двигуна, для дотримання умови ω=const, система автоматичного керування повинна підлаштовувати кут α до рівня, який забезпечує компенсацію лише приросту постійної складової спаду напруги на резистивному опорі роторної обмотки. При цьому Е_р залишатиметься сталою, а отже і число обертів буде сталим. Таке регулювання називається автоматичним регулювання за проти е.р.с. двигуна і є найбільш поширеним в системах керованого автоматизованого електроприводу постійного струму.

Якщо збільшувати кут α, то двигун може перейти в режим, коли струм в його роторній обмотці стане перервним. Такий режим роботи є найважчим для двигуна, особливо малої потужності, опір роторних обмоток яких має досить велике значення.

На інтервалах пауз миттєвий струм дорівнює нулеві. Виходячи з рівняння (2.22), нулеві буде дорівнювати і миттєва випрямлена напруга . При цьому середній струм та напруга нульовими не будуть, хоча матимуть дуже низький рівень. Так само ненульовим буде і протие.р.с. Е_р двигуна. Умовою переривчастого струму є нерівність:

 

(2.25)

 

Пояснюється вона наступним чином. Регулювальна характеристика випрямляча отримана за умови безперервного струму та напруги на навантаженні і не враховує в них нульових проміжків. В той же час ротор двигуна продовжує обертатись, як на інтервалах імпульсів струму, так і на інтервалах його пауз. Тобто проти е.р.с. Е_р залишається нерозривною і заповнює нулеві проміжки в кривій випрямленої напруги, як це зображено на часових діаграмах рис. 2.23.

Рисунок 2.23. – Часові діаграми напруги та струму випрямляча в режимі перервного струму ротора двигуна

 

На інтервалах пауз має місце вибіг двигуна, тобто змінюється характер протікання його електромеханічних процесів. В результаті форма протие.р.с. двигуна на цих інтервалах наближається до експоненти, що підтверджується дослідними осцилограмами.

Для трифазного мостового випрямляча нульові паузи в кривій струму роторної обмотки з’являються при кутах α 70° ел. При подальшому зростанні α середнє значення випрямленого струму зменшується і при кутах α>90° ел. двигун зупиняється. В його роботі виникає так звана «глуха зона» регулювання, коли кут α змінюється, а вал двигуна залишається нерухомим. Ця зона лежить в межах , тобто в діапазоні, на якому можливе рекуперативне заторможення двигуна. Така особливість характерна для двигунів малої потужності, повний опір роторної обмотки яких має достатньо велике значення. В двигунах середньої та великої потужності «глуха зона» регулювання суттєво звужується, що пояснюється незначною індуктивністю роторної обмотки, а також компенсуючим впливом обмоток додаткових полюсів.

В промислових зразках силових перетворювачів, призначених для живлення двигунів, в яких не передбачена можливість їх рекуперативного заторможення, регулювання кута α здійснюється за принципом (), тобто в зворотному напрямку. Система керування в цьому випадку фазує вмикаючі імпульси з лінійною, а не фазною напругою, зсуваючи їх тим самим у бік випередження на 30°ел. Такий спосіб дозволяє вирішити проблему плавного пуску та розгону двигуна, уникнути ударних механічних навантажень на його валу і вийти за межі «глухої зони» регулювання електроприводу.

Рисунок 2.24 пояснює цей спосіб регулювання на прикладі формування керуючого імпульсу першого тиристора.