Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
(ВлГУ)
Институт инновационных технологий
Факультет механико-технологический
Кафедра автоматизация технологических процессов
Методические указания к лабораторным работам
По дисциплине
Преобразовательная техника
Составитель: Н.Г.Рассказчиков
Владимир 2013г
Лабораторная работа №1
Исследование однофазных управляемых выпрямителей.
Цель работы: компьютерное моделирование однофазных управляемых выпрямителей.
Моделирование выполняется в системе компьютерной математики Matlab с использованием Simulink. Каждый студент выполняет виртуальное моделирование схемы выпрямителя (рис. 1, 2) в соответствии с номером в списке студенческой группы (табл. 1). В вариантах с 1 по 10 конденсатор Сd при моделировании исключить.
Предполагается, что студент знаком с системой Matlab и с основами имитационного моделирования в Simulink.
Принцип действия управляемых выпрямителей
Принцип действия выпрямителей рис. 1, а-е рассмотрен в [1-3]. Выпрямители с управлением на первичной стороне (рис. 1, ж, з) применяются в тех случаях, когда выходные параметры: напряжение или ток нагрузки не могут быть обеспечены без последовательного или параллельного соединения тиристоров. На интервале 
(рис. 3) тиристоры заперты, и ток нагрузки замыкается через диоды V 3,…, V 6 (рис. 1, ж), благодаря энергии, накопленной в индуктивности нагрузки Ld. Вторичная обмотка трансформатора замкнута диодами и напряжение на нагрузке равно нулю. В момент 
отпирается тиристор V 1 и трансформатор подключается к напряжению сети. При этом диоды V 4, V 5 запираются, а через диоды V 3, V 6 нагрузка подключается ко вторичной обмотке трансформатора. В момент 
напряжение сети меняет полярность, к тиристору V 1 прикладывается отрицательное напряжение и он выключается. На интервале 
ток нагрузки замыкается через диоды V 3,…, V 6. В момент времени 
отпирается тиристор V 2. При этом диоды V 3, V 6 запираются, а через диоды V 4, V 5 нагрузка подключается к обмотке трансформатора. В момент 2π тиристор V 2 запирается, т.к. напряжение сети меняет полярность. На интервале 
ток нагрузки замыкается через диоды V 3,…, V 6. В момент 
отпирается тиристор V 1 и процессы повторяются.
Рис. 1. Схемы однофазных управляемых выпрямителей
Рис. 2. Однофазные выпрямители
с повышенным коэффициентом мощности
 |
В схеме выпрямителя (рис. 2, а) в начале каждого полупериода входного напряжения u с (рис. 2, в) до момента () подачи сигнала управления тиристоры V 1 (V 3) заперты, при этом цепь нагрузки замыкается через диоды V 0, V 4 либо V 0, V 2 соответственно и коэффициент трансформации равен k т1= w 2/ w 1. При угле отпирания α тиристор V 1 (либо V 3) открывается и коэффициент трансформации становится равным k т2 = 2 w 2 / w 1. Таким образом, коэффициент трансформации в момент отпирания тиристора скачкообразно возрастает в п раз, где п = k т2 / k т1. В данном случае п = 2. При включении тиристора коммутирующий диод V 0 запирается, т.к. к нему прикладывается напряжение обратной полярности. На рис. 2, в на верхней диаграмме показана очередность работы вентилей. Временные диаграммы для схемы рис. 2, б имеют такой же вид. Очередность работы вентилей показана на нижней диаграмме рис. 2, в. Действительно на интервале α (0– ) ток проводят диоды V 4, V 5 (полярность напряжения вторичной обмотки показана на рис. 2, б без скобок). В момент отпираются тиристор V 2 и диод V 5. В момент 
тиристор V 2 запирается и на интервале 
работают диоды V 6, V 3. В момент отпирается тиристор V 1 и ток протекает через диод V 6 и тиристор V 1.
Порядок выполнения работы
1. Запустить Matlab и Simulink. Построить виртуальную Simulink-модель выпрямителя в соответствии с индивидуальным заданием (табл. 1). Для чего из соответствующих разделов библиотек выбрать и переместить в окно модели необходимые блоки. Выполнить соединения блоков между собой, подключить измерительные приборы и контрольные устройства.
Таблица 1
| Вариант | 1, | 2, | 3, | 4, | 5, | 6, | 7, | 8, | 9, | 10, 20 |
| Номер рисунка схемы | 1, а | 1, б | 1, в | 1, г | 1, д | 1, е | 1, ж | 1, з | 2, а | 2, б |
2. Задать параметры моделирования.
3. Настроить параметры источника питания, трансформатора, нагрузки, выпрямителя и системы управления. Для всех вариантов принять:
· частоту питающей сети 50 Гц;
· напряжения первичной u 1 и вторичной u 2 обмоток трансформатора 220 В и 50 В соответственно;
· номинальную Р н мощность трансформатора 1000 Вт;
· относительные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора R 1 = R 2 = 0,1;
· относительные индуктивности рассеивания первичной и вторичной обмоток трансформатора L 1 = L 2 = 0,5;
· параметры ветви намагничивания трансформатора Rm = 400 и Lm = 400;
· активное сопротивление нагрузки Rd ном= 10 Ом;
· индуктивность нагрузки Ld = 100 мГн;
· емкость конденсатора Сd =2000 мкФ.
4. Для номинального значения сопротивления нагрузки Rd изменяя угол α построить регулировочную характеристику Ud α = f (α). Результаты измерений занести в таблицу.
5. Изменяя сопротивление нагрузки Rd для α = 0 измерить:
· ток Id и напряжение Ud нагрузки;
· среднее I а ср и действующее I а д значения тока тиристора;
· амплитуду I 1(1)max и фазу φ1 первой гармоники тока источника питания;
· снять временные диаграммы токов id, ia, i 2, i 1 и напряжений ud, u ак для режимов прерывистого и непрерывного тока нагрузки.
6. Повторить измерения п. 5 для углов α = 60°, 120°. Результаты занести в таблицу. Количество измерений и расположение точек должны быть такими, чтобы были видны особенности характеристик.
7. Для каждого значения сопротивления нагрузки по полученным данным рассчитать:
· полную мощность, потребляемую выпрямителем от источника питания по первой гармонике:
(ВА);
· активную мощность, потребляемую выпрямителем от источника питания по первой гармонике:
(Вт);
· мощность нагрузки:
(Вт);
· коэффициент мощности 
и кпд:
, 
,
где 
– полная мощность, потребляемая от источника; I 1 – действующее значение тока, потребляемого от источника; U 1н = 220 В.
Результаты вычислений занести в таблицу.
8. По результатам, занесенным в таблицу, построить:
· нагрузочные характеристики выпрямителя Ud = f (Id) для различных значений α;
· энергетические характеристики выпрямителя:
, 
.
9. Для одного из углов α и Rd ном определить отношение Id / I a ср и Id / I a д и сравнить с теоретическими значениями [1].
10. При работе на 
нагрузку снять зависимость первой амплитуды тока 
от угла включения 
.
Содержание отчета
1. Схема виртуальной установки.
2. Выражения для расчета основных характеристик.
3. Временные диаграммы переходного и установившегося режимов работы выпрямителя.
4. Нагрузочные характеристики 
.
5. Регулировочная характеристика 
.
6. Энергетические характеристики.
7. Зависимость .
8. Результаты вычислений Id / I a ср и Id / I a д.
9. Выводы по работе.
Контрольные вопросы для допуска к работе
1. Какие стандартные блоки необходимы для построения виртуальной модели заданного выпрямителя, и в каких разделах библиотек Simulink они хранятся?
2. Как задаются параметры элементов, используемых для построения виртуальной модели?
3. Какие измерительные блоки используются при выполнении лабораторной работы и в каких разделах библиотек Simulink они хранятся?
4. Поясните назначение кнопок панели инструментов осциллографа. Как настраиваются параметры осциллографа?
5. Как определить параметры первой гармоники тока источника питания, среднее и действующее значения тока вентилей?
6. Как задавать значения угла отпирания тиристоров α и изменять сопротивление нагрузки? В каком диапазоне изменять Rd?
7. Как установить параметры моделирования (симуляции)? Параметры каких блоков модели должны быть согласованы с параметрами решателя?
8. Какие характеристики выпрямителя снимаются в лабораторной работе? Как измеряются параметры характеристик?
9. Нарисуйте временные диаграммы для исследуемого выпрямителя. Приведите кривую напряжения анод-катод для указанного режима работы.
10. Как выглядят внешние (нагрузочные) характеристики исследуемого выпрямителя для различных значений углов α?
11. Изобразите регулировочную характеристику исследуемого выпрямителя.
