Указания к выполнению работы

Лабораторная работа 4. Иследование трехфазного реверсивного управляемого выпрямителя

Цель работы: Исследование реверсивного трехфазного мостового управляемого выпрямителя при работе на различные виды нагрузки:

1. анализ работы реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя в выпрямительном режиме на активно-индуктивную нагрузку;

2. анализ работы реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя в выпрямительном режиме на активную нагрузку с противо-ЭДС;

3. анализ работы реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя в инверторном режиме на активно-индуктивную нагрузку.

 

Схема моделирования

В лабораторной работе используется виртуальная установка (рис. 4.1) для исследования реверсивного трехфазного мостового управляемого выпрямителя при работе на различные виды нагрузки.

В ее состав входят:

· Источник трехфазного синусоидального напряжения (Three-Phase Source).

· Трехфазный тиристорный мост (Universal Bridge).

· Активно-индуктивная нагрузка (R,L).

· Измерители мгновенных токов в источнике питания (I 1) и нагрузке (I Load), мгновенного напряжения на нагрузке (U Load).

· Блок для измерения гармонических составляющих тока питания (Fourier I1), постоянной составляющей (среднего значения) тока нагрузки (Fourier I0), напряжения на нагрузке (Fourier U0).

 

Рис. 4.1. Модель реверсивного трехфазного мостового преобразователя

· Блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope).

· Блок для наблюдения и измерения мгновенных значений величин, выбранных в поле Measurement соответствующих блоков (Multimeter).

· Блок для измерения амплитудного значения первой гармоники тока и фазы в цепи питания (Display), средних значений тока и напряжения на нагрузке (Display 1), среднего и действующего тока тиристора (Display 2).

В лабораторной работе в качестве источника используется источник трехфазного синусоидального напряжения (Three-Phase Source). Окно настройки его параметров показано на рис. 4.2. В полях настройки задается действующее значение линейного напряжения (Phase-to-phase rms voltage (V)).в вольтах, начальная фаза напряжения (Phase angle of phase A (Degrees))в градусах, частота напряжения (Frequency, Hz) в герцах, соединение фаз источника (Internal connection), внутренние параметры источника (сопротивление в Омах и индуктивность в Генри).

Рис. 4.2. Окно настройки параметров источника питания

Рис. 4.3. Окно настройки параметров тиристорного выпрямителя

Окно настройки параметров выпрямителя показано на рис. 4.3, в его полях задано количество ветвей моста (Number of bridge arms), параметры цепей переключения тиристоров (Snubber resistance, Snubber capacitance), тип полупроводниковых приборов в универсальном мосте (Power Electronic device); динамическое сопротивление (Ron, Ohms), индуктивность (Lon, H) и начальное напряжение (Forward voltage, V) на диоде в открытом состоянии

В поле Measurement выбираются величины, измеряемые блоком Multimeter.

Окно настройки параметров нагрузки показано на рис. 4.4. Для реализации активно-индуктивной нагрузки в последовательной R- L-C цепи в двух первых полях (Resistance R, Ohms, Inductance L, H) устанавливается значение активного сопротивления в Омах, индуктивности в генри, в третьем поле (Capacitance C, F) устанавливается бесконечность (inf).

В окне настройки параметров блока Fourier I1 (рис. 4.5) устанавливается частота, равная частоте питающего напряжения, и номер первой гармоники.

 

Рис. 4.4. Окно настройки параметров нагрузки

Рис. 4.5. Окно настройки блока Fourier I 1

Блоки Fourier I0, Fourier U0 измеряют постоянные составляющие выходного тока и напряжения. Основная частота выходного напряжения (тока) в мостовом трехфазном выпрямлении равна трем удвоенным частотам источника (f =300). В поле (Harmonic n) задается номер гармоники. При измерении постоянной составляющей устанавливается п = 0.

Окно приборов Display для измерения значений исследуемых процессов показано на рис. 4.6. В первом поле задается формат представления измеряемых значений. Второе поле (Decimation) определяет периодичность вывода измеряемых значений в окне Display. Параметр Sample time задает дискретность вывода измеряемых значений. При моделировании аналоговых систем его можно установить равным нулю.

Рис. 4.6. Окно настройки блока Display

Окно настройки блока Multimeter показано на рис. 4.7. В левом поле (Available) высвечиваются все напряжения и токи универсального моста, так как они заданы в окне настройки блока рис. 4.3. В правом поле (Selected) отражены те переменные, которые измеряет блок (эти значения перенесены из левого поля в правое кнопкой «>>»). Переменные правого поля можно измерить на выходе блока внешними приборами.

Рис. 4.7. Окно настройки блока Multimeter

Окно настройки блока Ideal Switch показано на рис. 4.8. Модель ключа Ideal Switch состоит из последовательно соединенных резистора R_on и ключа SW. Блок логики управляет работой ключа. Включение прибора происходит в случае, если на управляющий вход подан единичный положительный сигнал (g > 1). Выключение прибора происходит при уменьшении управляющего сигнала до нуля (g = 0). В поле Internal Resistance Ron (Ohms) задается сопротивление во включенном состоянии (Ом). В поле Initial state (0 for 'open', 1 for 'closed') устанавливается начальное состояние: параметр задается равным 0 для открытого состояния ключа и 1 для закрытого состояния. В поле Snubber resistance Rs (Ohm) задается сопротивление демпфирующей цепи (Ом). В поле Snubber capacitance Cs (F) задается емкость демпфирующей цепи (Ф). Show measurement port (Показать измерительный порт): при установленном флажке на пиктограмме блока появляется выходной порт m, на котором формируется векторный Simulink-сигнал из двух элементов. Первый элемент - ток ключа, второй - напряжение ключа.

Рис. 4.8. Окно настройки блока Ideal Switch

Switching system – система ключей, меняющих полярность ЭДС.

Блок То Workspace предназначен для передачи исследуемого сигнала в рабочее пространство Matlab 7.0.1 с последующей обработкой пакетом расширения Signal Processing Toolbox для исследования гармонического спектра тока потребления. Окно настройки параметров блока показано на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Окно параметров блока To Workspace

В первое поле окна настройки (Variable name) введено название переменной для записи измеренного вектора в рабочее пространство. Во втором поле (Limit date points to last) вводится предельное число шагов моделирования, то есть определена длина вектора (количество записанных значений исследуемой переменной). Длина вектора должна быть связана как с частотой (периодом) исследуемого сигнала, так и со временем поля Sample time. Частота исследуемого сигнала в рассматриваемом случае равна 50 Гц (период 0,02с). При времени считывания сигнала 2е-4 на периоде считывается 100 точек. Из этого следует, что в рабочую область при длине вектора 200 будут записаны два последних периода исследуемого сигнала.

Получение спектра описано в лабораторной работе № 3.

Указания к выполнению работы

1. Ознакомиться с виртуальной установкой для исследования регулировочных характеристик реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активно - индуктивную нагрузку и нагрузку с противо-ЭДС.

2. Исследование регулировочной характеристики реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя в выпрямительном режиме осуществляется на модели (рис. 4.1) при нулевом значении противо-ЭДС (на вход Ideal Switch4 подается «0») и изменении угла управления от 0 до 120 градусов с шагом 20 градусов. Результаты моделирования занести в табл. 4.1 для каждого значения угла управления.

Таблица 4.1.

Исследование регулировочной характеристики выпрямителя при нулевом значении противо-ЭДС

Измерения
, град	, В

3. Исследование регулировочной характеристики реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя в выпрямительном режиме осуществляется при ненулевом значении противо-ЭДС (задается преподавателем) (на вход Ideal Switch и Ideal Switch 4 подается «1») и изменении угла управления от 0 до 120 градусов с шагом 20 градусов. Результаты занести в табл. 4.2 для каждого значения угла управления.

Таблица 4.2.

Исследование регулировочной характеристики выпрямителя при ненулевом значении противо-ЭДС

Измерения
, град	, В

 

4. Исследование внешних характеристик реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя при работе на нагрузку с противо-ЭДС осуществляется изменением величины противо-ЭДС нагрузки от 100 В до 0 В с шагом 20 В. Внешние характеристики снимаются для трех значений угла управления выпрямителем (  = 0°, 30°, 60°), при этом моделирование проводится для каждого значения противо-ЭДС и угла управления. Результаты моделирования заносятся в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Исследование внешних характеристик выпрямителя

Данные

Измерения

Вычисления

, град

E, В

Uн, В

Iн, А

I1(1)max, А

φ1, град

IVSср, А

IVSд, А

UVSmax, В

IVSmax, А

S1(1), ВА

P1(1), Вт

Pн, Вт

 

5. Исследование регулировочной характеристики реверсивного трехфазного управляемого выпрямителя в инверторном режиме осуществляется на модели (рис. 4.1) (на вход Ideal Switch подается «0», на вход Ideal Switch 4 подается «1») при изменении угла управления от 90 до 110 градусов с шагом 10 градусов. Характеристики снимаются для трех значений ЭДС нагрузки 200, 300, 400 В. Результаты моделирования занести в табл. 4.4 для каждого значения угла управления.

Таблица 4.4.

Исследование регулировочной характеристики инвертора

Данные		Измерения						Вычисления
, град	E, В	Uн, В	Iн, А	I1(1)max, А	φ1, град	UVSmax, В	IVSmax, А	S1(1), ВА	P1(1), Вт	Pн, Вт

 

Амплитуда первого тока в источнике питания и начальная фаза этого тока определяются по показаниям Display, ток и напряжение в цепи постоянного тока инвертора определяются по показаниям Display1. Следует обратить внимание, что при положительном токе, напряжение в цепи постоянного тока отрицательно. Кроме того, фаза тока в цепи питания сдвинута относительно напряжения питания на -110 градусов. Все это свидетельствует о том, что энергия передается из цепи постоянного тока в цепь переменного тока.

6. Исследование спектрального состава тока, генерируемого инвертором в сеть, осуществляется при одном значении угла управления (задается преподавателем) в пакете расширения Signal Processing Toolbox. В рабочую область записывается исследуемый сигнал под именем rev_3f. Используя описанные выше средства просмотра сигнала, можно просмотреть спектр исследуемого сигнала. По результатам измерений заполняется левая часть таблицы 4.5. При этом , - значения, определенные из полученного спектра,  - ток, считывается с дисплея в амперах.

Таблица 4.5

Исследование спектрального состава потребляемого тока

Измерения			Вычисления
		(А)		……

Расчетная часть

 

1. Вычислить значения полной и активной мощности, потребляемой выпрямителем в выпрямительном режиме от источника питания по первой гармонике и значение мощности по выражениям:

  (ВА), , .

2. Вычислить значения полной и активной мощности, генерируемой выпрямителем в инверторном режиме в сеть переменного тока по первой гармонике и значение мощности по выражениям:

  (ВА), , .

3. Рассчитать абсолютные значения гармонических составляющих тока в амперах по формуле:

,

где - номер гармоники, - амплитуда тока –ой гармоники в амперах, , - значения, определенные из полученного спектра,  - ток, считанный с дисплея в амперах. Результаты занести в таблицу 4.5.

Содержание отчета

1. Схемы установки (электрическая и виртуальная).

2. Выражения для расчета основных характеристик.

3. Построенная по результатам табл. 4.3 внешняя характеристика управляемого выпрямителя .

4. Построенные регулировочные характеристики  (по таблицам 4.1, 4.2, 4.4).

5. Построенные энергетические характеристики выпрямителя в выпрямительном режиме () и в инверторном режиме ()

6. Спектральный состав тока потребления (по таблице 4.5).

7. Сравнение полученных результатов с теоретическими зависимостями.

8. Выводы по работе.

 

Контрольные вопросы

1. Какими основными параметрами характеризуется трехфазный реверсивный управляемый выпрямитель?

2. Что такое угол управления; диапазон изменения для разных режимов работы?

3. Объяснить назначение структурных элементов схемы.

4. Явление опрокидывания инвертора. При каких условиях возникает и его возможные последствия?

5. Что такое угол коммутации. Его влияние на форму кривой выпрямленного напряжения?

6. В чем отличие работы управляемого выпрямителя на противо-ЭДС?

7. Объясните построенные характеристики инвертора.

8. Какие высшие гармонические составляющие присутствуют в спектре тока, потребляемого из сети?

9. Нарисуйте кривую выходного напряжения выпрямителя в выпрямительном режиме с противо - ЭДС и активно-индуктивной нагрузкой при небольшом конечном значении индуктивности.

10. От каких факторов зависит фазовый сдвиг первой гармоники тока I₁.