Р г а н и з а ц и я р а б от
Скачать 0.52 Mb.
|
4. Содержание отчета1. Наименование и цель работы. 2. Схема установки. 3. Основные сведения о тиристоре и измерительных приборах. 4. Результаты опытов и расчетов. 5. Основные расчетные формулы. 6. Графические материалы на миллиметровке (временные диаграммы, векторная диаграмма, угловая характеристика). 7. Заключение о соответствии результатов расчета и опыта. 5. Контрольные вопросы1. На чем основан принцип работы управляемого выпрямителя? 2. Как работает тиристор? 3. В чем преимущество импульсного воздействия на управляющий электрод тиристора? 4. Как происходит формирование управляющих импульсов в схеме управляемого выпрямителя?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Цель работы 1). Ознакомление с устройством и принципом действия источников бесперебойного электропитания на базе статических преобразователей. 2). Экспериментальное исследование основных элементов статического преобразователя: конвертора, однофазного инвертора. 1. Краткие теоретические сведения Источники бесперебойного электропитания широко применяются при организации электроснабжения электрических приемников особой группы первой категории. Они обеспечивают электропитание при отказах основных источников за счет энергии, накопленной в аккумуляторной батарее. Структурная схема однофазного статического преобразователя приведена на рис.4.1. Основными элементами однофазного преобразователя являются: конвертор К, инвертор И, входной (Ф1) и выходной (Ф2) фильтры, а также измерительный орган ИО и модулятор ширины управляющих импульсов МШИ.  Рис.4.1 Конвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения аккумуляторной батареи в регулируемое постоянное напряжение. Изменяя выходное напряжение конвертора, можно поддерживать неизменным выходное напряжение преобразователя при изменении его тока нагрузки или входного напряжения. Эту функцию автоматически выполняет регулятор напряжения преобразователя, который включает в свой состав конвертор, МШИ и ИО.   Рис.4.3 Рис.4.2 Инвертор служит для преобразования постоянного напряжения в переменное частотой 50 Гц. Инвертор чаще всего выполняется по мостовой схеме (рис.4.2). Транзисторы работают в ключевом режиме и включаются попарно, как показано на диаграмме рис.4.3: VT1, VT4 и VT2, VT3. В результате ток первичной обмотки трансформатора меняет свое направление каждые полпериода, и в выходной обмотке трансформатора будут наводиться двухполярные импульсы, форма которых будет повторять диаграмму на рис.4.3. Последовательность включения пар транзисторов, а также длительность их включенного состояния определяются импульсами управления, которые подаются на базы транзисторов от независимой схемы управления. Инверторы с таким способом управления силовыми транзисторами принято называть инверторами с независимым возбуждением. Из диаграммы рис.4.3 видно, что после закрытия пары транзисторов и перед открытием очередной пары выдерживается пауза (tп). Если установить tп =0, то вследствие инерционности процесса закрытия транзисторов в коммутационный период все четыре транзистора будут открыты, а источник питания замкнут накоротко через транзисторы, которые перегружаются, поэтому схему управления транзисторами проектируют таким образом, чтобы tп >0 . Переключающие импульсы тока на базы транзисторов должны подаваться от источников, гальванически не связанных между собой, что обеспечивается применением специальных драйверных схем. Транзисторы инверторов шунтируются диодами VD1-VD4, которые обеспечивают протекание тока при подключении активно-индуктивной нагрузки. Для получения синусоидального напряжения на выходе преобразователя после инвертора устанавливаются LC фильтры – Ф2. С целью улучшения кривой напряжения и уменьшения массы фильтров преобразователя оптимизируют величину tп инвертора. Степень приближения формы кривой к синусоидальной характеризуется коэффициентом нелинейных искажений КН:  где UН — действующее значение несинусоидальной кривой напряжения на выходе инвертора; U1 — действующее значение ее первой гармоники. Для чисто синусоидального сигнала КН=0, чем меньше КН, тем меньше масса фильтра Ф2. Действующее значение выходного напряжения инвертора:  Для прямоугольной формы напряжения (tп =0) КН=0.484. В общем случае tп≠0 и для таких сигналов (рис.4.4) вводится понятие коэффициент заполнения импульса выходного напряжения (q) q=(T—2tП)/T, где Т — период изменения напряжения. При введении паузы tП    ,и, следовательно Рис.4.4  Анализ зависимости КН от q показывает, что минимальное значение КН=0,27 получается при ширине импульса q=0,74 (пауза 43,4°). Учитывая, что при ширине импульса q=0,66 (пауза 60°) КН=0,312 и мало отличается от минимального значения, используют инверторы с q=0,66, так как при этом полностью исключается третья гармоника, а пятая и седьмая ослабляются, что значительно облегчает фильтрацию.  Рис.4.5 Приближение формы кривой выходного напряжения инвертора к синусоидальной в мостовой схеме может быть достигнуто и при многократной коммутации транзисторов во время полупериода основной частоты. Если при этом интервалы проводимости транзисторов VТ1 и VТ4 (VТ2 и VТ3) мостовой схемы в течение полупериода изменять по синусоидальному закону (рис.4.5), то при числе импульсов, равном девяти, кривая выходного напряжения будет содержать высшие гармоники, начиная с восемнадцатой. При таком техническом решении масса фильтра снижается, но сильно усложняется схема системы управления. Так как потери при коммутации транзисторов пропорциональны числу коммутаций, то к.п.д. инверторов по мере возрастания повторяемости импульсов снижается. При изменении нагрузки инверторов и напряжения питающей сети выходное напряжение инвертора будет изменяться в широких пределах. Поэтому для стабилизации напряжения инверторов применяют регуляторы напряжения, которые в соответствии с характером воздействия на инвертор можно разделить на два класса: регуляторы, осуществляющие амплитудное регулирование напряжения без изменения формы кривой выходного напряжения, т. е. стабилизирующие его одновременно по действующему, среднему и амплитудному значениям; регуляторы, осуществляющие широтное регулирование, стабилизирующие одно из значений выходного напряжения (среднее, действующее или амплитудное) при изменении формы кривой. Напряжение инвертора без изменения формы кривой в большинстве случаев стабилизируется путем включения на вход инвертора (И) (рис.4.1) конвертора (К). Силовая часть регулируемого конвертора (рис.4.6) состоит из транзисторов VТ1 и VТ2, диаграмма управления которыми похожа на рис.4.3.  Рис.4.6 Силовые транзисторы управляются таким образом, что оказываются поочередно открытыми в течение части полупериода qT/2 (Т - период управляющих импульсов). Когда открыт один из транзисторов, например VT1, ток протекает через обмотку 1 трансформатора. При этом напряжение на выходе инвертора Uвых=  Uп,так как  , то Uвых=3Uп. К напряжению Uп добавляется ЭДС, наводимая в обмотках  и  . В оставшуюся часть полупериода (1-q)Т/2 оба транзистора закрыты и напряжение на выходе будет равно напряжению на входе Uп. Среднее значение напряжения за периодUвых cp =  (1+2q) Uп.Изменяя коэффициент заполнения q, можно регулировать выходное напряжение конвертора от Uп до 3Uп. Конденсаторы на выходе и входе сглаживают пульсации напряжения, а дроссель сглаживает пульсации тока, потребляемого конвертором. Регулирует величину q управляющих импульсов конвертора МШИ по сигналу от измерительного органа ИО. Схема стабилизации напряжения преобразователя работает следующим образом. Допустим, что к преобразователю подключили дополнительную нагрузку, тогда из-за дополнительного падения напряжения на фильтре Ф2 и транзисторах инвертора напряжение на выходе преобразователя уменьшится. Это снижение напряжения зафиксирует ИО и выдаст сигнал в МШИ, вследствие чего МШИ увеличит q. Напряжение на выходе конвертора повысится, а, следовательно, повысится напряжение на выходе инвертора и преобразователя, т.е. восстановится до исходного значения. 2. Описание схем моделирования В работе исследуются две схемы: модель инвертора (рис.4.7) и модель конвертора (рис.4.8), обе схемы набраны в программной среде Multisim 10. Схема на рис. 4.7 состоит из инвертора на транзисторах U1-U4 , формирователя управляющих импульсов (МШИ) и контрольно-измерительных приборов. МШИ включает в свой состав: источник опорного напряжения V2, программируемый потенциометр R2, генератор пилообразного напряжения XFG2, два компаратора U5,U6 и два трансформатора T5,T (для переворота фазы на 1800). Потенциометр R2 является интерактивным элементом и позволяет изменять в процессе моделирования опорное напряжение, подаваемое на вход компаратора, и как следствие, изменять q управляющих импульсов инвертора. T1 T2 T3 U1 2N5672 U2 2N5672 U3 2N5672 U4 2N5672 V1 30 V C1 330µF T4 T5 XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ T6 D2 1N3663 D3 1N3663 D4 1N3663 D5 1N3663 R3 10Ом R4 10Ом R5 10Ом R6 10Ом XFG2 XDA1 THD U5 COMPARATOR_VIRTUAL UCOMP X Y X>Y R2 500Ом Key=A 80% V2 12 V XSC2 A B Ext Trig + + _ _ + _ U6 COMPARATOR_VIRTUAL UCOMP X Y X>Y T R1 150Ом XSC3 A B Ext Trig + + _ _ + _ Рис.4.7. Инвертор Для изменения величины сопротивления необходимо установить указатель мыши в область R2 и, нажав левую кнопку мыши, переместить ползунок потенциометра. Положение ползунка 100% соответствует q=1. На вход Y компаратора подается постоянное напряжение, на вход X пилообразное напряжение с амплитудой 12В, частотой 400Гц, причем пилообразные напряжения на компараторы U5, U6 подаются в противофазе. Когда сигнал на входе X больше, чем сигнал на входе Y, на выходе формируется постоянный потенциал, при увеличении напряжения на входе Y продолжительность выходных импульсов будет возрастать. Нагрузка к инвертору R1 подключается через трансформатор T6. Осциллограф XSC3 позволяет наблюдать форму сигналов на входе компаратора U5, а XSC2 - сигналы на выходах компараторов. Осциллограф XSC1 контролирует напряжение на выходе инвертора. К выходу также подключен измеритель нелинейных искажений XDA1. D1 1N3663 U1 2N5629 U2 2N5629 V1 30 V C1 50µF L1 500µH U4 COMPARATOR_VIRTUAL UCOMP X Y X>Y R4 500Ом Key=A 20% V2 12 V XSC2 A B Ext Trig + + _ _ + _ U5 COMPARATOR_VIRTUAL UCOMP X Y X>Y XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ R3 300Ом XFG1 D2 1N3663 U3 Тр. конвертора 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R1 20Ом R2 20Ом XMM1 Рис.4.8. Конвертор Схема конвертора включает модулятор ширины импульсов МШИ, собранный на элементах: V2-источник постоянного напряжения; R4- интерактивный элемент; XFG1-генератор пилообразного напряжения; U4, U5-компараторы. Схема МШИ конвертора работает аналогично схеме МШИ инвертора. Многообмоточный трансформатор U3 имеет 4 одинаковые обмотки, соединенные последовательно. Осциллограф XSC2 контролирует сигналы управления силовыми транзисторами U1, U2. Осциллограф XSC1 подключен к выходу конвертора, нагруженному на сопротивление 300 Ом. Выходное напряжение конвертора контролируется вольтметром XMM1. 3. Программа работы 1). Провести моделирование режимов работы инвертора с помощью программного эмулятора электронных схем Multisim 10. Снять и построить зависимости: -коэффициента нелинейных искажений от величины q; -напряжения на выходе инвертора от сопротивления нагрузки 70-1000 Ом; -зарисовать форму выходного напряжения для q=0.9 и q=0.2. 2). Провести моделирование режимов работы конвертора. Снять и построить зависимость напряжения на выходе конвертора от величины q. 4. Порядок работы 1). Ознакомьтесь с программой моделирования Multisim. 2). Запустите среду моделирования Multisim и откройте файл «Инвертор» из директории, указанной преподавателем. 3). Проверьте соответствие схемы моделирования схеме, приведенной на рис.4.7, при необходимости внесите соответствующие коррективы. Номинальное сопротивление нагрузки инвертора 150 Ом. 4). Для номинального значения сопротивления нагрузки измерьте значения коэффициента нелинейных искажений выходного напряжения инвертора для значений q равных 0-1 с шагом 5%. Величину q задавать с помощью резистора R2. Примечание. Для изменения какого - либо параметра элемента необходимо установить указатель мыши на элемент и нажать правую кнопку мыши, в открывшемся меню выбрать подменю «свойства» и установить требуемые параметры. Установку параметров проводить при отключенном положении выключателя моделирования. Для изменения параметра виртуального потенциометра R2 (R4) необходимо подвести указатель мыши к потенциометру, откроется ползунок потенциометра, установить указатель мыши на ползунок и, нажав левую кнопку мыши, перемещать ползунок. 5). Установите q=0.7, изменяя сопротивление нагрузки инвертора от 70 Ом до 1000 Ом, построить зависимость выходного напряжения инвертора от сопротивления нагрузки. 6). Для номинального значения сопротивления нагрузки зарисовать форму выходного напряжения для q=0.9 и q=0.2. 7). Запустите среду моделирования Multisim и откройте файл «Конвертор» из директории, указанной преподавателем. 8). Проверьте соответствие схемы моделирования схеме, приведенной на рис.4.8, при необходимости внесите соответствующие коррективы. 9). Снимите зависимость выходного напряжения конвертора для значений q равных 0-1 с шагом 5%. Величину q задавать с помощью резистора R4. 5. Содержание отчета 1). Цель работы. 2). Электрические схемы моделирования инвертора, конвертора. 3). Таблицы измерений. 4). Построенные зависимости. 5). Выводы по работе. 6. Контрольные вопросы 1) Опишите способ стабилизации выходного напряжения статического преобразователя. 2) Как влияет величина tп инвертора на коэффициент нелинейных искажений? 3) Каково назначение диодов инвертора? 4) Как изменится максимальное напряжение конвертора, если число витков обмоток W3 и W4 будет в 2 раза больше, чем число витков обмоток W1 и W2? ЛИТЕРАТУРА 1. Савелов А.А. Энергосиловое оборудование аэропортов: учеб. пособие. - М.: МГТУ ГА, 2000. 2. Савелов А.А. Электросветотехническое оборудование аэродромов: Пособие по изучению дисциплины. – М.: МГТУ ГА, 2010. 3. Синдеев И.М., Савелов А.А. Системы электроснабжения воздушных судов: - М.: Транспорт, 1990. СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа № 1. Исследование генератора постоянного тока параллельного возбуждения………………………………………………………...4 Лабораторная работа № 2. Исследование резонансного регулятора яркости………………………………………............................................................16 Лабораторная работа № 3. Исследование управляемого тиристорного выпрямителя ………………......................................................................................23 Лабораторная работа № 4. Исследование статических преобразователей электроэнергии…………………………………………..........................................29 |
