Описание виртуальной лабораторной установки

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

 

к лабораторной работе по курсу «Силовая электроника в системах управления и контроля ЛА»

 

 

Кумертау 2015

Составитель:

УДК 681.5

 

Исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Силовая электроника в системах управления и контроля ЛА»/ Уфимск. гос. авиац. техн. унив-т; Сост. Тузбеков Р.М. – Кумертау, 2015. – 19 с.

 

 

В методических указаниях приведено описание лабораторной работы, во время которой студенты исследуют внешнею (нагрузочною) и энергетические характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку с обратным диодом без учета коммутации. При этом используется программный пакет MatLab6.х.

Методические указания предназначены для студентов направления 12.03.01 «Приборостроение» и специальности 24.05.06 «Системы управления летательными аппаратами».

 

Табл.2. Ил.20. Библиогр.: 3 назв.

 

Рецензенты: д-р техн. наук

 

Содержание

 

 

1.Цель работы………………………………………………………...….4

2. Теоретическая часть……………………………………..……………4

2.1. Импульсные источники питания постоянного тока ………………4

2.2. Энергетические характеристики импульсных источников питания......7

3.Описание виртуальной лабораторной установки…………………………….9

4. Порядок проведения лабораторной работы…………………………………12

5. Содержание отчета……………………………………………………………15

6. Контрольные вопросы………………………………………………………..19

Список литературы………………………………………………………….1

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

 

Цель работы

 

Целью работы является: исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку с обратным диодом без учета коммутации; экспериментальное определение основных параметров и характеристик исследуемых устройств.

 

2. Теоретическая часть.

 

На летательных аппаратах (ЛА)с первичной системой электроснабжения (СЭС) переменного тока напряжением 115/200 В или 115 В с частотой 400 Гц в качестве вторичной системы используется СЭС постоянного тока с номинальным напряжением 27 В, которая получает энергию от первичной с помощью статических преобразователей (СП) переменного тока в постоянный. В качестве СП используются полупроводниковые выпрямительные установки (ВУ). В настоящее время ВУ реализуются на полупроводниковых диодах, тиристорах, симисторах и оптотиристорах.

Выпрямительной установкой или просто выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока [4,8].

В общем случае ВУ состоит из следующих основных элементов (рис.2.1,а): трансформатора ТР, вентильной группы или схемы ВГ, сглаживающего фильтра СФ, стабилизатора напряжения СТН. К выходу ВУ подключается нагрузка R_H. В регулируемом ВУ (рис.2.1,б) вентильная группа раелизуется на тиристорах (ТВГ), управление которыми осуществляется с помощью управляющего устройства (УУ). В зависимости от назначения и требований к ВУ отдельные элементы схемы могут отсутствовать.

Полупроводниковые выпрямители классифицируются по различным признакам. По числу фаз источника переменного напряжения различают выпрямители однофазного и трехфазного тока. По числу раз протекания тока в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора за один период напряжения сети различают однотактные и двухтактные выпрямители.

По выходной мощности выпрямители подразделяются на микромощные (до 1 Вт), малой мощности (1-10 Вт), средней мощности (10-100 Вт), повышенной мощности (100-1000 Вт) и большой мощности (свыше 1000 Вт). По возможности регулирования (стабилизации выходного напряжения) выпрямители делятся на нерегулируемые и регулируемые (тиристорные) [8].

Рис.2.1. Структурная схема выпрямителей:

а – нерегулируемого; б - регулируемого.

 

Основные схемы однофазных выпрямителей приведены на рис.2.2: однополупериодная однотактная (а), двухполупериодная с нулевым выводом (б), двухполупериодная мостовая (в), с удвоением напряжения (г). Наибольшее применение в бортовых СЭС из однофазных схем выпрямителей нашли мостовая и схема с нулевым выводом. Временные диаграммы работы однополупериодной однотактной схемы выпрямителя и двухполупериодных схем мостовой и с нулевым выводом приведены соответственно на рис.2.3,а,б.

Основными эксплуатационными параметрами и характеристиками выпрямителей, определяющими работу вентилей и трансформатора, являются:

1. Среднее значение выпрямленного напряжения и тока U_d, I_d:

. (2.1)

 

2. Коэффициент преобразования схемы:

. (2.2)

 

3. Полная мощность на входе ВУ или расчетная мощность первичной обмотки трансформатора:

S₁ = U₁·I₁, (2.3)

где U₁, I₁ -действующие значения напряжения и тока на входе ВУ;

Рис.2.2. Основные схемы однофазных выпрямителей:

а – однополупериодная; б – двухполупериодная с нулевым выводом;

в - двухполуперидная мостовая; г – с удвоением напряжения.

 

4. Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора:

S₂ = U₂·I₂, (2.4)

5. Расчетная типовая мощность трансформатора:

. (2.5)

6. Активная мощность, потребляемая выпрямителем из сети:

P₁= I₍₁₎₁U₁Cosφ₍₁₎, (2.6)

где I₍₁₎₁ - основная гармоника первичного тока, φ₍₁₎- угол сдвига между I₍₁₎₁ и U₁.

7. Коэффициент мощности выпрямителя:

, (2.7)

где коэффициент искажений, коэффициент сдвига.

Рис.3. Временные диаграммы работы схем выпрямителей:

а – однотактной однополупериодной; б – двухполупериодной

мостовой и с нулевым выводом.

 

8. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения и тока

, , (2.8)

где U_(n)m, I_(n)m– амплитудные значения выпрямленного напряжения и тока гармонической составляющей «n» порядка.

Основными характеристиками выпрямителя являются:

1. внешняя характеристика выпрямителя:

U_d = f (I_d), при U₂=cоnst. (2.9)

2. регулировочная характеристика управляемого выпрямителя

U_d = f (β), при R_н = const, U₂=const, (2.10)

где β – угол регулирования (отпирания тиристоров) выпрямителя.

В таблице приведены основные эксплуатационные параметры однофазных ВУ при работе на активную нагрузку.

 

Табл.2.1.

Схема выпрямителя	Параметры
Ud	KПU	ηcx	Uоб.m	ST	S1	S2
Однофазная однополупериодная	0,45U2	1,57	0,405	U2m	3,09Pd	2.69Pd	3.49Pd
Однофазная двухполупериодная с нулевым выводом	0,9U2	0,667	0,81	2U2m	1,34Рd	1.11Pd	1.57Pd
Однофазная мостовая	0,9U2	0,667	0,81	U2m	1,11Рd	1,11Pd	1,11Pd

 

Применение однофазной однополупериодной схемы выпрямления ограничивается следующими ее недостатками: большим коэффициентом пульсаций и низкой частотой основной гармоники выпрямленного напряжения; большим значением S_т, вызванным явлением вынужденного намагничивания сердечника трансформатора. Достоинством схемы является ее простота, малое количество вентилей. В связи с этим однополупериодная схема применяется, как правило, с емкостным фильтром при работе на мощность до 10 Вт.

Достоинствами однофазной схемы выпрямления с нулевым выводом являются лучшее использование трансформатора по сравнению с предыдущей схемой, более высокая частота пульсаций и величина выпрямленного напряжения, относительно небольшое количество диодов. К недостаткам относятся высокое обратное напряжение на вентилях, повышенное значение типовой мощности трансформатора, необходимость вывода средней точки его вторичной обмотки и симметрирование полуобмоток для исключения вынужденного намагничивания. Достоинствами однофазной мостовой схемы выпрямления по сравнению с рассмотренными являются: низкая типовая мощность трансформатора и относительно небольшое обратное напряжение на вентилях, отсутствие явления вынужденного намагничивания трансформатора. Недостатком этой схемы является удвоенное количество вентилей по сравнению со схемой с нулевым выводом, что увеличивает суммарное падение напряжения на вентилях и снижает КПД схемы, особенно при низком значении выпрямленного напряжения. Однофазные выпрямители применяются, как правило, на мощности до 1 кВт. Для обеспечения равномерной загрузки фаз бортовой СЭС или промышленной трехфазной сети при потреблении от нее мощности свыше 1 кВт применяют трехфазные выпрямители, которые имеют и лучшие эксплуатационные параметры и характеристики по сравнению с однофазными. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения требуются дополнительные устройства, так как для питания бортовых устройств обычно требуется стабильное напряжение с малыми пульсациями. Снижение пульсаций достигается с помощью называются сглаживающих фильтров (СФ), которые делятся на пассивные и активные [8]. На рис.2.4 приведены схемы пассивных фильтров, которые делятся на индуктивные (а), емкостные (б) или комбинированные (в).

Рис.2.4. Схемы сглаживающих фильтров выпрямителей:

а – индуктивного; б – емкостного; в – комбинированного.

 

Степень сглаживания выпрямленного напряжения фильтром оценивается его коэффициентом сглаживания К_сг, определяющимся отношением коэффициента пульсаций К_{п (вх)} на входе фильтра к коэффициенту пульсаций К_п(вых) на его выходе:

, (2.11)

где U_(1)m(вых) - амплитуда основной гармоники пульсаций на выходе фильтра, U_d(вых) – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе фильтра.

Преобразовав выражение для К_сг, получим:

, (2.12)

где К_ф – коэффициент фильтрации, η_ф - коэффициент передачи постоянной составляющей с входа фильтра на его выход, характеризующий падение напряжения на фильтре. При небольших потерях в фильтре можно считать, что К_сг ≈ К_ф. В качестве элементов сглаживающих фильтров используются дроссели, конденсаторы и резисторы. Наиболее часто в бортовых источниках питания применяются индуктивный, емкостной и Г-образный индуктивно-емкостной (комбинированный) фильтры. Сглаживающее действие индуктивного фильтра основано на возникновении в дросселе L_d ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению выпрямленного тока, при этом сопротивление дросселя переменной составляющей тока большое, а постоянной весьма мало. Сглаживающее действие емкостного фильтра основано на накоплении энергии в электрическом поле конденсатора C_ф в моменты, когда выпрямленное напряжение больше напряжения на конденсаторе. В интервале времени, когда напряжение на конденсаторе больше выпрямленного напряжения, вентили выпрямителя запираются, а цепь нагрузки питается от конденсатора. Конденсатор имеет весьма малое сопротивление для переменной составляющей и бесконечно большое для постоянной составляющей выпрямленного напряжения. При повышенных требованиях к пульсации выпрямленного напряжения используются многозвенные фильтры, представляющие собой последовательное соединение отдельных звеньев (простых фильтров). Для многозвенных фильтров общий коэффициент фильтрации К_фоб определяется как произведение коэффициентов фильтрации отдельных звеньев:

К_фоб = К_ф1∙К_ф2∙К_ф3∙…∙К_фn. (2.13)

В соответствии с существующими требованиями напряжение на выходе ВУ при изменении напряжения ее питания (СЭС) или величины нагрузки, должно поддерживаться (регулироваться) в определенных пределах. В этих случаях широкое применение нашел фазоимпульсный метод регулирования выходного напряжения выпрямителей. Для его реализации в качестве вентиля используются тиристоры. Изменяя угол отпирания тиристоров β можно регулировать (стабилизировать) среднее значение выпрямленного напряжения. Структурная схема регулируемых выпрямителей приведена на рис.2.1,б. В связи с тем, что напряжение на выходе может регулироваться в широких пределах, регулятор и стабилизатор напряжения отсутствуют, однако при этом предъявляются повышенные требования к сглаживающим фильтрам.

Регулировочная характеристика для однофазной схемы с нулевым выводом на тиристорах при работе на активную нагрузку имеет вид:

, (2.14)

где U_d0– среднее значение выпрямленного напряжения при b=0°.

При работе на активно-индуктивную нагрузку при непрерывном токе нагрузки регулировочная характеристика имеет вид:

. (2.15)

 

Описание виртуальной лабораторной установки

Виртуальная лабораторная установка для исследований, предусмот­ренных содержанием работы, показана на рис. 1.1, она содержит:

· источник синусоидального напряжения (220 V, 50 Hz);

· однофазный трансформатор (Transformer);

· однофазный диодный мост (UniversalBridge);

· активно-индуктивную нагрузку (R, L);

· обратный диод (Diode);

· измерители мгновенных токов в источнике питания (I1) и нагрузке

· (I Load);

· измеритель мгновенного напряжения на нагрузке (ULoad);

· блок для измерения гармонических составляющих тока питания

· (FourierI1);

 

Рис. 1.1 Модель однофазного выпрямителя

 

· блок для измерения гармонических составляющих тока нагрузки

· (FourierI0) и аналогичный блок для измерения гармонических составляющих напряжения на нагрузке (FourierU0);

· блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока вцепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);

· блок для наблюдения и измерения мгновенных значений величин,которые выбраны в поле Measurement соответствующих блоков (Multimeter);

· блок для измерения амплитудного значения тока первой гармоники

· и ее фазы в цепи питания (Display 1);

· блок для измерения средних значений тока и напряжения на нагрузке (Display 2).

Окно настройки параметров источника питания показано на рис. 1.2.

В полях настройки задаются:

· амплитуда напряжения в вольтах (Peakamplitude, V);

· начальная фаза напряжения в градусах (Phase, deg);

· частота напряжения в герцах (Frequency, Hz).

Параметр Sampletime задает дискретность задания напряжения. Такой параметр имеется во многих библиотечных блоках, он должен быть согласован с временем дискретизации при задании параметров моделирования (рис 1.10). При моделировании аналоговых систем его можно установить равным нулю.

Рис. 1.2 Окно настройки параметров источника питания

Рис. 1.3Окно настройки параметров трансформатора

 

Окно настройки параметров трансформатора показано на рис. 1.3. В полях окна настройки вводятся номинальная мощность и частота транс­форматора (Nominalpowerandfrequency), параметры первичной и вто­ричной обмоток (Winding 1 parameters, Winding 2 parameters) и параметры ветви намагничивания (Magnetizationresistanceandreactance). Параметры схемы замещения трансформатора приведены к относительным (безраз­мерным) величинам.

Для определения относительных параметров трансформатора необ­ходимо рассмотреть его схему замещения.

Обобщенная схема замещения трансформатора показана на рис.1.4.

Эта схема замещения представлена как идеальный трансфор­матор с вынесенными элементами, характеризующими потери в обмотках (Rl, R2, R3), потоки рассеяния обмоток (LI, L2, L3) и цепь намагничивания трансформатора (Lm, Rm).

 

Рис. 1.4. Обобщенная схема замещения трансформатора

Преимущество задания параметров трансформатора в относи­тельных величинах состоит в том, что для первичной и вторичных обмоток они оказываются равными (рис. 1.4). Кроме того, относи­тельные параметры ветви намагничивания тоже равны между со­бой. В приложении П1 приведены данные трансформаторов и выра­жения для определения их относительных параметров. В лаборатор­ной работе исследуется двухобмоточный трансформатор. В этом случае в поле параметров для третьей обмотки введен нуль.

Рис. 1.5. Окно настройки параметров выпрямителя

Окно настройки параметров выпрямителя показано на рис. 1.5.

В полях настойки заданы:

· количество ветвей моста (2) (Numberofbridgearms);

· конфигурация входных и выходных портов (Portconfiguration);

· параметры демпфирующих цепей (Snubberresistance, Snubbet

· capacitance);

· типчо.тупроводникрвых приборов в универсальном мосте (Power

· Electronicdevice);

· динамическое сопротивление диодов в открытом состоянии в омах

· (Ron, Ohms);

· индуктивность диода в открытом состоянии в генри (Lon, Н);

· пороговое напряжение на диоде в открытом состоянии в вольтах

· (Forwardvoltage, V).

· В поле Measurement выбраны величины, которые измеряются бло­ком Multimetr.

Окно настройки параметров нагрузки показано на рис. 1.6. Для ре­ализации активно-индуктивной нагрузки в последовательной R, L, С цепи в двух первых полях (Resistance R, Ohms, Inductance L, H) устанавлива­ется значение активного сопротивления в омах и индуктивности в генри, в третьем поле (Capacitane С, F) — бесконечность (inf).

В окне настройки параметров блока FourierI1 (рис. 1.7) устанавли­вается частота, равная частоте питающего напряжения, и номер первой гармоники.

Блоки FourierI0, FourierU0 измеряют постоянные составляющие вы­ходного тока и напряжения. При двухполупериодноы выпрямлении ос­новная частота выходного напряжения (тока) равна удвоенной частоте источника (f = 100).

В поле (Harmonicn) задается номер гармоники. В данном случае измеряется постоянная составляющая (n = 0).

Окно приборов Display для измерения значений исследуемых про­цессов показано на рис. 1.8. В первом поле задается формат пред­ставления измеряемых значений.

Второе поле (Decimation) определяет периодичность вывода значе­ний в окне Display.

Параметр Sampletime задает дискретность вывода измеряемых значений. Этот параметр должен быть согласован с временем дискре­тизации при задании параметров моделирования (рис. 1.10). При мо­делировании аналоговых систем его можно установить равным нулю.

Окно настройки блока Multimeterпоказано на рис. 1.9.

В левом поле (Available) высвечиваются все напряжения и токи универсального моста, так как они заданы в окне настройки блока рис. 1.5.

В правом поле (Selected) отражены те переменные, которые изме­ряет блок (эти значения перенесены из левого поля в правое кнопкой Select).

Переменные правого поля можно измерить на выходе блока внешни­ми приборами. При включенном флажке Displaysignalsatsimulationstop мгновенные значения этих величин отражаются в графическом окне блока по окончанию очередного моделирования.

Рис. 1.6. Окно настройки параметров нагрузки

Рис. 1.7 Окно настройки блока FourierI1

Рис. 1.8Окно настройки блока Display

Рис. 1.9 Окно настройки блока Multimeter

 

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: