ТУСУР, основы преобразовательной техники (лабораторные работы + контрольная работа №2)

Лабораторная работа № 1 «Исследование однофазных выпрямителей»

Цель работы: исследование однофазных выпрямителей с выводом средней точки и мостового на идеализированных моделях при активной нагрузке без фильтра и с Г-образным LC-фильтром.

Программа работы

1. Собрать схему выпрямителя со средней точкой без фильтра, как показано на рис. 3.6. Необходимые параметры взять из табл. 3.1 согласно номеру варианта.

Рис. 3.6

Выбор варианта для лабораторных работ осуществляется по общим правилам с использованием следующей формулы:

V = (N × K) div 100,

где V – искомый номер варианта,

N – общее количество вариантов, div – целочисленное деление,

при V = 0 выбирается максимальный вариант,

K – код варианта

Таблица 3.1 – Исходные данные к лабораторной работе № 1

Величина сопротивления нагрузки R_d рассчитывается из следующих соотношений:

U₂  = U₁ / k_тр

U_d= 0,9U₂ ;

R_d   = U_d / I_d

Сопротивления резисторов, выполняющих роль шунтов, R₁ = R₂ = R₃ = 0, 01 Ом.

Диоды и трансформатор идеализированные.

Внутренние сопротивления амперметров принять равными нулю, внутренние сопротивления вольтметров принять равными бесконечности.

2. Экспериментально для схемы на рис. 3.6 с помощью вольтметров и амперметров замерить действующие значения напряжений первичной и вторичных обмоток трансформатора U₁ и U₂ , среднее значение напряжения на нагрузке U_d , действующие значения токов первичной и вторичных обмоток I₁ и I₂ , среднее значение тока нагрузки I_d. В отчете привести схему с показаниями приборов.

Экспериментально с помощью осциллографа замерить амплитуду обратного напряжения на диодах U_m обр  и амплитуду переменной составляющей выпрямленного напряжения U_(2)m . За величину U_(2)m приближенно можно считать половину полного размаха пульсаций кривой выпрям­ленного напряжения, как показано на рисунке 3.7.

Рис. 3.7

Используя экспериментальные данные, составить основные расчет­ные соотношения для исследуемой схемы выпрямителя. Результаты офор­мить в виде табл. 3.2.

Таблица 3.2 – Результаты исследования выпрямителя со средней точкой при активной нагрузке

Теоретические соотношения взять из табл. 3.1 [1].

3. Экспериментально с помощью осциллографа получить диаграммы напряжений и токов u₁ , u_d , i₁ , i_VD1 , i_VD2 .

В отчете представить диаграммы, синхронизировав их с напряжением u₁.

Диаграммы токов снимаются в виде напряжений на низкоомных резисторах (шунтах) R₁ , R₂ , R₃ .

4. Собрать схему выпрямителя со средней точкой с LC-фильтром, как показано на рис. 3.8.

Рис. 3.8

Параметры схемы оставить прежними (т. е. из табл. 3.1). Для расчета фильтра использовать формулы (6.5–6.7) и пример 2 из [1].

Значение индуктивности сглаживающего дросселя принять пример­но в два раза больше критического значения. В этом случае можно считать, что для выпрямителя нагрузка носит индуктивный характер.

5. Экспериментально для схемы на рис. 3.8 произвести измерения подобно проведенным в п. 2. Результаты оформить в виде табл. 3.3.

Таблица 3.3 – Результаты исследования выпрямителя со средней точкой при индуктивной нагрузке

В табл. 3.3 k_п и k_пвых – это коэффициенты на входе и выходе фильтра соответственно.

6. Для схемы на рис. 3.8 повторить задание по п. 3.

7. Для схемы на рис. 3.8 экспериментально получить зависимость коэффициента пульсаций на нагрузке k_пвых от тока нагрузки. Ток нагрузки изменять от заданного в табл. 3.1 до значения, в десять раз меньшего.

8.  Сделать подробные выводы о проделанной работе.

Лабораторная работа № 2 «Исследование трехфазных выпрямителей»

Цель работы: исследование трехфазных выпрямителей мостового и с выводом средней точки с индуктивным фильтром при учете индуктив-ностей рассеяния трансформатора.

Программа работы

1. Собрать схему трехфазного мостового выпрямителя с дросселем фильтра L_ф , как показано на рис. 3.9. Необходимые параметры взять из табл. 3.4 согласно номеру варианта.

Для расчета индуктивности дросселя L_ф использовать формулу (6.3) из [1].

Диоды идеализированные.

Таблица 3.4 – Исходные данные к лабораторной работе № 2 (мостовой вы­прямитель)

Внутренние сопротивления амперметров и активные сопротивления обмоток трансформатора принять равными нулю, внутренние сопротивле­ния вольтметров принять равными бесконечности.

Сопротивления резисторов, выполняющих роль шунтов, R₁ ... R₆ = 0, 001 Ом.

Рис. 3.9

2. Рассчитать внешнюю характеристику выпрямителя, используя формулы (4.12) и (4.13) из [1] с учетом того, что a= 0, ∆U_r = 0, U_пр = 0.

3. Экспериментально с помощью соответствующих вольтметра и ам-перметра получить внешнюю характеристику, изменяя величину сопротивления нагрузки от R_d до Rd^/ ( Rd^/ = 10R_d ).

Рассчитанную и экспериментальную внешние характеристики при­вести в отчете на одном рисунке совместно.

4. Установить сопротивление нагрузки Rd^/ и с помощью вольтметров и осциллографа определить соотношения U₂ / U_d, U_{m обр} / U_d.

Сравнить полученные соотношения с расчетными из табл. 3.1 [1].

5. Установить сопротивление нагрузки R_d  и с помощью амперметров определить соотношение I₂ / I_d.

Сравнить полученное соотношение с расчетным.

6. При величине сопротивления нагрузки R_d  снять диаграммы соответствующих токов с помощью осциллографа и низкоомных резисторов R₁ ... R₆ . В отчете диаграммы привести, синхронизировав их с напряжени­ем uA0.

7. Экспериментально с помощью осциллографа замерить амплитуду переменной составляющей напряжения на сопротивлении нагрузки  R_d .

Проверить получившийся коэффициент сглаживания фильтра, используя формулу (6.1) из [1] (величину k_п взять из табл. 3.1 [1]).

8. Собрать схему трехфазного выпрямителя с выводом средней точки с дросселей фильтра L_ф , как показано на рис. 3.10. Необходимые параметры взять из табл. 3.5 согласно номеру варианта.

Рис. 3.10

Таблица 3.5 – Исходные данные к лабораторной работе № 2 (выпрямитель с выводом средней точки)

9. Для схемы трехфазного выпрямителя с выводом средней точки на рис. 3.10 выполнить задания по п. 2…7 программы настоящей работы.

10. Сделать подробные выводы по проделанной работе.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2 «РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ»

Задание для контрольной работы

Выбор варианта контрольной осуществляется по общим правилам с использованием следующей формулы:

V = (N × K) div 100,

где V – искомый номер варианта,

N – общее количество вариантов, div – целочисленное деление,

при V = 0 выбирается максимальный вариант,

K – код варианта.

Варианты схем выпрямителей приведены на рисунке 4.1.

По номеру варианта схема и исходные данные для контрольной ра­боты выбираются по таблицам 4.1–4.3.

Рис. 4.1 – Схемы управляемых выпрямителей

Таблица 4.1 – Варианты заданий для выполнения контрольной работы

Таблица 4.2 – Исходные данные параметров входного и качества выходного напряжений

Таблица 4.3 – Исходные данные выходных параметров выпрямителя

В таблицах 4.2, 4.3 приняты следующие обозначения:

U₁ – действующее значение напряжения питающей сети (т. е. напряжения первичной обмотки трансформатора). В трехфазных схемах это фазное напряжение при соединении обмоток трансформатора в звезду;

∆U₁ – диапазон изменения напряжения питающей сети;

L_s – индуктивность рассеяния (фазы) трансформатора, приведенная к вторичной стороне;

k_пвых – коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке (на выходе фильтра);

f - частота питающей сети;

U_d – выпрямленное напряжение (нагрузки);

I_d – ток нагрузки.

В качестве примера составим задание для контрольной работы для варианта № 54 (4-я строка и 6-й столбец из табл. 4.1):

схема на рисунке 4.1, г;

U₁ = 220 В ± 15%;

f = 50 Гц;

Ls = 1, 0 мГн;

k_пвых = 0,05;

U_d = 15 В;

I_d = 3 А.

В контрольной работе необходимо рассчитать электрические пара­метры всех компонентов схемы выпрямителя.

Требования к оформлению контрольной работы такие же, как и к оформлению отчетов по лабораторным работам.

Методические указания по выполнению контрольной работы

1. Привести схему электрическую принципиальную и исходные дан­ные с расшифровкой обозначений.

2. Записать в общем виде выражения регулировочной и внешней ха­рактеристик для рассчитываемой схемы выпрямителя.

Для регулировочной характеристики ориентироваться на формулы (2.5), (2.11), (3.1) и (3.3) из [1].

Для внешней характеристики ориентироваться на формулу (4.13) с учетом соотношений (4.6), (4.10), (4.11) и (4.12) из [1].

Здесь и далее в тексте контрольной работы все вновь вводимые обо­значения обязательно расшифровывать.

3. Определить минимальное требуемое значение напряжения вторичной обмотки трансформатора U_2min . При этом активным падением напряжения и падением напряжения на полупроводниковых приборах пренебречь и учесть, что минимальное значение угла управления a_min составляет: 30° для однофазных выпрямителей и 10° – для трехфазных.

4. Рассчитать коэффициент трансформации трансформатора, используя минимальное значение напряжения питающей сети U_1min и минимальное требуемое значение напряжения вторичной обмотки трансформатора U_2min.

5. Рассчитать значение угла управления a_max  (при максимальном значении напряжения питающей  сети и  минимальном значении  тока нагрузки I_dmin = 0,1I_d ).

6. Определить угол коммутации g из формулы (4.5) [1] (для однофаз­ных выпрямителей)

Для трехфазных выпрямителей аналогичная формула выглядит сле­дующим образом: ...

При расчете g следует использовать максимальные значения напря­жения вторичной обмотки трансформатора и угла управления.

7. Рассчитать коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя (т. е. на входе фильтра):

для однофазных схем: ...

для трехфазных схем: ...

8. Рассчитать требуемый коэффициент сглаживания по формуле (6.1) и величину индуктивности сглаживающего дросселя по формуле (6.3) из [1].

9. Построить  внешние  характеристики  выпрямителя  при  углах управления a_max и a_min .

10. Рассчитать основные электрические параметры элементов схемы:

– для трансформатора – действующие значения токов вторичной и первичной обмоток, расчетную мощность;

– для полупроводниковых приборов – средние значения токов и амплитуды обратных напряжений.

11. Привести диаграммы изменения во времени при a = a_max следующих величин:

– напряжения первичной обмотки трансформатора (с этой диаграммой синхронизировать все остальные);

– напряжений на полупроводниковых приборах;

– напряжения на дросселе;

– тока вторичной обмотки трансформатора;

– токов полупроводниковых приборов.