МУ к л.р. по электронике Исследование управляемого

Лабораторная работа № 6
Исследование управляемого выпрямителя
на тиристорах
Цель работы: Ознакомиться с конструкцией и принципом действия управляемых
полупроводниковых
приборов-тиристоров;
ознакомиться
с
методикой
формирования управляющих импульсов и регулирования их фазы; изучить
возможность применения управляемых выпрямителей в строительной технике.
Краткие теоретические сведения:
Тиристоры - полупроводниковые приборы, имеющие три р-п перехода,
обладающие односторонней проводимостью р-п-р-п (рис. 1).
Тиристоры выпускаются двух видов - диодные и триодные. Триодные тиристоры в отличие от диодных имеют управляющий электрод, наличие которого
позволяет, не меняя анодного напряжения, изменять его напряжение включения.
Тиристоры могут переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.
В открытом состоянии сопротивление тиристора незначительно, падения
напряжения на нем составляет около 1В при токах в десятки ампер. В закрытом
состоянии его сопротивление составляет десятки миллионов Ом, т.е. практически
не пропускает ток при напряжениях до сотен вольт. Переход из закрытого
состояния в открытое происходит практически скачком, при подаче на
управляющий электрод управляющего сигнала.
На рис. 1а представлена структурная схема триодного тиристора с чередующейся проводимостью р-п-р-п. Внутренний слой типа “n”, именуемый базой,
значительно шире других и является эмиттером электронов, внешний слой типа
"р"- анод и типа "n"- катод - низкоомныи и является эмиттером дырок и
электронов.
Наружный слой типа "р" (анод) через термокомпенсирующие прокладки
(молибден-алюминий) припаивается к корпусу кристаллодержателя. От наружного ,"n"-слоя и от общего (внутреннего) "р”- слоя делаются отводы
(электроды), именуемые соответственно катодом и управляющим электродом.
При включении тиристора в прямом направлении внешние "n-р" переходы "i1" и
“iз" оказываются смещены в прямом направлении (открыты), а средний переход
“i2” смещен в направлении обратной проводимости (закрыт).
В результате по цепи "Rн - тиристор" будет протекать небольшой ток обратной
проводимости среднего перехода "i2". Если напряжение на аноде ,"uа превысит
напряжение включения uвкл, произойдет процесс "лавинного пробоя" среднего
перехода "i2", его сопротивление резко уменьшится, и через тиристор потечет ток,
величина которого ограничивается сопротивлением нагрузки Rн .
Величина напряжения включения «uвкл» зависит от тока через управляющий
электрод "iy".
Напряжение включения имеет максимальное значение, когда ток iy= 0.
При увеличении управляющего тока ,"iy" величина “Uвкл” уменьшается. При
открытом тиристоре управляющий ток может быть снят, тиристор при этом
остается открытым благодаря существующей внутренней положительной
обратной связи между переходами.
Закрыть тиристор можно только отключением анодного напряжения. В
выпрямительных схемах его выключение происходит в момент прохождения
анодного напряжения через ноль.
Управлять тиристором целесообразно началом его открывания, т.е. подачей
на управляющий электрод короткого положительного импульса надлежащих
параметров. Закрывается тиристор уменьшением анодного напряжения до нуля.
Изменяя момент начала открытия тиристора можно изменять средние значения
выпрямленного тока, а следовательно, и выходное напряжение выпрямителя.
Наиболее рациональным способом управления началом переключения тиристора
следует считать импульсно-фазовой способ, при котором на управляющий
электрод подаются положительные импульсы напряжения, фаза которых
относительно анодного напряжения может изменяться в пределах 0... 150°.
Если управляющие импульсы подаются с малым сдвигом по фазе, то тиристор откроется в начале каждого полупериода - среднее значение выпрямленного
напряжения „uср." будет велико, т.е. соответствовать схеме выпрямления на
диодах. Если управляющие импульсы подаются с большим сдвигом по фазе, то
тиристор откроется в конце каждого полупериода - среднее значение
выпрямленного напряжения „uср." будет мало.
На рис. 16 показана вольтамперная характеристика тиристора, определяющая зависимость
Ja=f(Ua) при Jy=const
На рис. 2 показано графическое изображение тиристоров с управлением, как
по катоду, так и с управлением по аноду.
Если управляющий электрод выведен от "р"-области (базы), то на него
должен подаваться положительный импульс, а если от "n"-области, то отрицательный.
Коэффициент усиления по мощности у тиристоров достигает 10 ÷ 12 степени. Тиристоры в управляемых выпрямителях применяют для плавного регулирования мощности потребителей постоянного тока, частоты вращения
двигателей, тока заряда аккумуляторов и т.д., в строительстве их используют для
управления частотой вращения мощных реверсивных двигателей подъемных
механизмов и для управления током сварочных аппаратов.
Распространенным способом реверсивного управляющего преобразователя
для средних и мощных двигателей постоянного тока (П.Т.) является преобразователь, собранный по трехфазной мостовой перекрестной схеме при
якорном управлении. Он состоит из двух выпрямительных блоков на тиристорах
и двух дроссельных фильтров, а также системы импульсно-фазового управления
(СИФУ) (рис.3).
Частотное регулирование вращения асинхронных двигателей осуществляется с помощью управляемого выпрямителя и инвертора, преобразующего
постоянное напряжение выпрямителя в трехфазное переменное напряжение
регулируемой частоты.
Это вызвано тем, что при изменении частоты необходимо менять напряжение
на обмотке статора, чтобы магнитный поток двигателя оставался неизменным.
Выбор тиристоров определяется нагрузкой. Если нагрузка не зависит от
направления вращения, то выбор тиристоров будет идентичен для любого из
блоков реверсивного преобразователя.
Тиристор выбирается по среднему значению тока, протекающего через него.
(При номинальном моменте двигателя и трехфазном выпрямлении Jт ср =Jдв.ном/3)/.
Далее по максимальному обратному напряжению (u обр.масс) определяется класс
тиристоров (существует 9 классов тиристоров, которые определяются через
каждые сто вольт).
u обр. масс = Ki · К2 Едв., где К1 = 1,25 коэффициент защиты.
К2 = 1,45 коэффициент схемы.
Едв =ЭДС холостого хода двигателя.
Учитывая, что для двигателя величина пульсаций на выходе выпрямителя
ограничивается в пределах 2 - 5%, необходимо предусматривать реакторы, а
форму тока можно считать прямоугольной. Режим тока при этом условно
считают непрерывным. Расчет проверяется по величине потерь в тиристоре (при
∆РТ <∆ Рдоп. - тиристор выбран правильно)
где ∆Рдоп - допустимые данные по справочнику.
∆рт - расчетные потери мощности.
Учитывая, что тиристор при пуске двигателей должен пропустить двукратный
пусковой ток, определяем окончательный выбор тиристора и необходимость в
применение его воздушного охлаждения. Полный расчет электропривода с
двигателем постоянного тока приводится в литературе [3].
Методические указания к выполнению лабораторной работы
Описание лабораторной работы
Исследуется маломощный тиристорный выпрямитель с импульсно-фазовым
способом управления выходным напряжением и током, принципиальная схема
которого представлена на рис. 4
Он состоит из двух основных блоков: силового и блока управления. В
силовой блок относят: силовой трансформатор (обмотки W2 а-0 и W2 б-0);
триодные тиристоры VS1 и VS2; шунтирующие цепи С4 R9 и С5 R10. По существу
это двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. Шунтирующие цепи
защищают тиристоры от перенапряжений, возникающих при переходных
процессах в обмотках W2 трансформатора.
В блок управления входят: фазовращающий мост, состоящий из двух половин
обмотки W4 и цепи C1R1; формирователь управляющих импульсов, состоящий из
транзисторов VT1 и VT2, работающих в ключевом режиме, дифференцирующих
цепей С2 R6 и С3 R7 и выпрямительных диодов VD3 и VD4,обеспечивающих
поочередное открывание тиристоров; двухполупериодный мостовой выпрямитель
на диодах VD5 – VD8 с реостатно-емкостным фильтром R11 C6, предназначенным
для питания транзисторов.
Принцип работы заключается в следующем.
При изменение сопротивления резистора R1, изменяется фаза синусоидального управляющего напряжения u y1-2 на угол Q относительно подаваемого
силового напряжения u2 . С помощью диодов VD1 и VD2 на входы транзисторов
подаются напряжения с соответствующей полярностью для их открытия.
Транзисторы подключены к источнику питания от выпрямителя VD 5 – VD8. Так
как на входы транзисторов подаются напряжения большой величины, то на
выходе транзисторов форма кривой имеет вид трапеции. Выходные напряжения
транзисторов дифференцируются с помощью цепочек С2 R6 и С3 R7 и подаются на
управляющие электроды тиристоров.
Диоды VD3 и VD4 при этом шунтируют отрицательные импульсы, подавая на
управляющие электроды тиристоров только положительные. Тиристоры
откроются в момент совпадения напряжений анодного в прямом направлении и
положительного импульса на управляющем электроде.
Временные диаграммы напряжений на всех элементах схемы представлены на
рис. 5
Порядок проведения лабораторной работы
1. Включить лабораторную установку в работу выключателем SB1 „ Сеть".
2. Рукоятку переключателя резистора SB3 установить в положение "4".(ө=9О°)
3. Переключатель SB2 установить в положение «1».
4. Включить осциллограф в сеть - 220 V и, подавая на его вход напряжения
исследуемых клемм, зарисовать формы следующих осциллограмм при Q=90°:
u 2 а-о,u 2 б-о - напряжения на вторичной обмотке трансформатора;
u1-2 - напряжения на выходе фазосдвигающей цепи;
u3-4; u5-4 - напряжение на входе транзисторов uвxVT1; uвхVT2;
u6-4; u7-4 - напряжение на выходе транзисторов uвыхVT1; uвыxVT2;
u8-4; u9-4- напряжение на выходе дифференцирующих цепей;
u8-11; u9-11 - напряжение на управляющих электродах тиристоров yvs1; yvs2
u0 -10 - напряжение на нагрузке uн.;
u2 а-11; u2 б-11-напряжение на тиристорах uvs1; uvs2.;
Тумблер переключения синхронизации осциллографа должен находиться в
положении "внутрь". При зарисовке осциллографом должны соблюдаться два
условия:
- должна быть общая ось ординат;
- по оси абсцисс для всех осциллограмм выдержан один и тот же масштаб
длительности периодов.
5. Снять регулировочную характеристику выпрямителя uH=f(Q) при RH=const.
Поворачивая рукоятку переключателя SB3 резистора R1 на фиксированные
положения от 1 до 6 и учитывая градуировку R1 (Q), записываем показания
вольтметра постоянного тока V1 и вольтметра переменного тока V2 в таблицу.
Опыт производить для семи значений R1 и двух значений нагрузки.
По полученным данным построить зависимость uH=f(Q) для RH1 И ZH2.
Вторая нагрузка включается переключателем SB2.
6. Измерить коэффициент пульсации выпрямленного напряжения uн при различных
углах сдвига фазы управляющих импульсов и двух значений нагрузки Кn =f(Q) для
RH1 и ZH2.
По показаниям вольтметров определяем коэффициент пульсации по формуле
для каждого фиксированного положения R1. а рассчитанные значения заносим в
таблицу.
Kn =~u0-2/ u0= 2u/u0,
где ~u0-2 - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения,
~u- действующее значение, измеренное вольтметром переменного тока(V1)
u0=uH - средневыпрямленное напряжение, замеренное вольтметром постоянного
тока(V2).
Полученные данные Кn заносятся в таблицу и строится зависимость
Kn=f(Q).
Положение R1
Угол Q
~uн
Rн1
=uн
Кп
~uн
=uн
Rн2
Кп
1
2
3
4
5
6
7
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180°
Содержание отчета
Отчет должен быть выполнен согласно установленным правилам кафедры и
содержать: цель работы; краткие теоретические сведения; схему лабораторной
работы, выполненную карандашом под линейку с соблюдением ГОСТ (а) на
обозначение элементов; осциллограммы, зарисованные с осциллографа: таблицу
измерений и расчетов; графики зависимостей uH=f(Q) и Кn =f(Q); кpaткиe выводы
по проделанной работе.
Контрольные вопросы
1. Принцип действия тиристора и его структурная схема.
2. Графическое обозначение тиристоров.
3. По каким параметрам выбирается тиристор для управляемых выпрямителей.
4. Импульсно фазовый способ управления средним значением выпрямленного
напряжения и тока.
5. Назначение дифференцирующих цепей.
6. Назначение шунтирующих цепей тиристора.
7. Как отражается значение коэффициента пульсации на работу двигателя
включенного в качестве нагрузки выпрямителя.
8. Обратное напряжение на тиристоре.
9. В чем отличие схем регулирования частоты вращения двигателей постоянного
тока от асинхронных двигателей и их применение в строительстве,
10. Выводы по проделанной работе.