Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активную и активно – индуктивную нагрузку при разных углах и Lв

Студент гр № 533 д.т.н. профессор

Бутова Д.С. Кулик В.Д.

 

Санкт-Петербург

2013г.

Содержание

стр.

Задание на курсовую работу……………………………………………………..3

1. Исследование трёхфазного управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку………………………………………………….………..…...4

Исследование трёхфазного управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку при разных углах и Lγ…………………..………..….…6

Кривые зависимостей амплитуд управляемого выпрямителя при работе на активную ………………………………………………….…..……….……...12

2. Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активно – индуктивную нагрузку………………………………………...……..13

Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активно – индуктивную нагрузку при разных углах и Lв….……………...15

Кривые зависимостей амплитуд управляемого выпрямителя при работе на активно – индуктивную нагрузку…...……………..…………………….….20

3. Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на нагрузку с противо ЭДС………………………………………………………...22

Расчёт напряжения источников питания……………………………….…….22

Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на нагрузку с противо ЭДС при разных углах регулирования….…………...24

Построение зависимости величины противоЭДС, возникающей в двигателе, от угла регулирования………………………………………………………..27

4. Влияние управляемого выпрямителя на промышленную сеть …...……….29

5. Исследование аномальных режимов управляемого выпрямителя....….…..32

Полный отказ в работе одного плеча моста Т1…..…………………………..33

Включение тиристора аномальным импульсом α_1-6=45⁰ α₁=0⁰......………….37

Асимметрия импульсов управления по причине нарушений работы СИФУ……………………………………………………………...…………….41

Вывод……….…………………………………………………..…………………45

Список используемой литературы…………………………….………………..46

 

 

 

Задание

Рассчитать и исследовать тиристорный трехфазный мостовой выпрямитель при различной нагрузке на двигатель постоянного тока при нормальных и аномальных режимах работы.

 

 

Данные двигателя (вариант №2)

 

 

Мощность - 14 000 Вт

Напряжение - 440 В

Номинальная частота вращения - 1500 об/мин

Максимальная частота вращения - 3500 об/мин

КПД - 88%

Сопротивление обмотки якоря Rя - 0.294 Ом

Индуктивность обмотки якоря Lя - 11 мГн

Сопротивление обмотки возбуждения Rв - 96 Ом

 

 

 

I. Исследование трёхфазного управляемого выпрямителя при работе при активно-индуктивной нагрузке.

 

1. Нормальный режим работы (сопротивление обмотки возбуждения).

 

1.1 рассчитать и построить переходные процессы (i_в=f(t)) при заданных параметрах обмотки возбуждения и L_γ=0.1L_я, α=0.

 

Схема выпрямителя показана на рис. 1.1. Из схемы видно, что при её рассмотрении следует учитывать влияние на показатели схемы коммутационных процессов, реально происходящих в схеме. Ввиду наличия индуктивностей, которые учитываются приведёнными ко вторичной обмотке трансформатора реактивными сопротивлениями L_γ.

 

L_γ=0.1L_я=0.1*11*10^-3=0.0011 Гн

R_H=R_В=96 Ом

Т4

Т2

Т6

Lγ

Lγ

Lγ

 

 

Рис.1.1 Принципиальная схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку.

	Ucb Uab Uac Ubc Uba Uca

Рис. 1.2. Кривые мгновенных линейных напряжений.

γ

 

Рис.1.3. Кривая выходного напряжения U_d, при L_γ=0.011 Гн

 

Рис.1.4.Кривая мгновенного значения тока i_d

 

Ввиду наличия индуктивностей, которые приводятся ко вторичной обмотке трансформатора реактивными сопротивлениями Lγ, каждый переход с одного вентиля на другой происходит в течении угла коммутации γ. Коммутация начинается в точках естественного включения вентелей.

 

Коммутационные явления в схеме выпрямителя приводят к возрастанию фазового сдвига потребляемого тока относительно напряжения питающей сети. Влияние индуктивности в цепи переменного тока проявляется в том, что при подаче отпирающего импульса на очередной тиристор индуктивные сопротивления Xγ затягивают процесс уменьшения до нуля тока проводящего тиристора и нарастания до значения I_н тока тиристора, вступающего в работу. В результате на интервале коммутации γ в проводящем состоянии одновременно находятся 3 тиристора выпрямителя. Эти тиристоры создают короткозамкнутый контур для вторичной обмотки трансформатора.

 

 

1.2 рассчитать и построить регулировочные характеристики при Lв=(0; 10²; 10³).

Определить амплитуды, состав гармоник при трёх значениях α=0; 60; 75.

 

 

Рис.1.6 Регулировочная характеристика при активно-индуктивной нагрузке и

(1), (2), (3).

 

Из рис.1.6 видно, что диапазон регулирования выпрямителем при чисто активной нагрузке составляет от 0º до 120º.

При активно-индуктивной нагрузке при L_В=100*Lя диапазон изменения угла α лежит в пределах от 0º до 104º. Уменьшение диапазона изменения угла регулирования объясняется тем, что при α ≥ 90º площадь положительного значения напряжения будет равна площади нижнего, и согласно критерию равенства площадей (S_L1 = S_L2) среднее значение выпрямленного напряжения будет равно нулю.

 

Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активную и активно – индуктивную нагрузку при разных углах и Lв

 

Активная нагрузка при разных улах:

 

I,А

U,В

Ic,А

Ia,А

Ib,А

 

Рис.1.7 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активной нагрузкой, при угле управления тиристорами 0º,

Lγ =0.0011Гн, L_B=0 Гн, и Rн=Rв (Ud=440 В):

а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.

б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.

в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.

 

При моделировании выпрямителя, нагружённого активным сопротивлением, можно заметить, что напряжение на нагрузке и сетевые токи имеют не синусоидальную форму. Следовательно, они содержат высшие гармоники. Из рисунка 1.7(а) следует, что выпрямленное напряжение имеет только четные гармоники кратные 6 (это 6, 12, 18) и постоянную составляющую (нулевую гармонику). Сетевой ток содержи только нечетные гармоники (это 1, 5, 7 ,11, 13 и др.).

 

I,A

U,В

Ic,А

Ia,А

Ib,А

Рис.1.8 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 60º,

Lγ =0.0011Гн, L_B=0 Гн, (Ud=440 В):

а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.

б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.

в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.

 

Система управления настраивается таким образом, чтобы импульсы подавались на те тиристоры, потенциал анода которых в рассматриваемый момент времени имел наивысшее значение по отношению к потенциалу анода остальных тиристоров. Например, когда потенциал точки а имеет наибольшее положительное значение по отношению к потенциалу точки b, импульсы управления подаются на тиристоры Т1, Т4, эти тиристоры откроются. Ток потечет по цепи a– Lа – a’ – T1 – R_н – T4 – b’ – Lв –b. Далее, несмотря на то, что потенциал точки а станет более положительным по отношению к потенциалу точки с, тиристор Т2 не откроется, т.к. на него не был подан импульс управления. Открывание тиристора Т2 произойдет только в момент, когда на него подадут импульс управления.

 

I,A

U,В

Ic,А

Ib,А

Ia,А

Рис.1.9 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 75º,

Lγ =0.001Гн, L_B=0 Гн, (Ud=440 В):

а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.

б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.

в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.

Амплитуды гармоник (В), входящих в состав выпрямленного напряжения. L_B=0

 

№ гармоники
α
	434.83	28.66	9.24	5.17	3.27				53.40	36.40	21.97
	370.9	102.46	31.57	28.81	20.25
	349.9	110.59	33.45	35.52	16.61
	273.03	109.92	66.02	39.49	22.62
	181.32	109.17	53.43	35.49	26.46
	105.91	109.88	43.75	26.76	21.75
	48.30	72.76	30.96	20.24	15.43
	2.45	4.76	4.38	3.91	3.48

.

Амлитуды гармоник (А), входящих в состав фазного тока.

 

№ гармоники
α
	5.06	1.09	0.59	0.39	0.33
	2.50	1.17	0.57	0.50	0.34
	1.12	0.78	0.47	0.28	0.24

 

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения (нулевая гармоника) и амплитуда первой гармоники сетевого тока, с увеличением угла уменьшаются до нуля. Это объясняется тем, что пульсация напряжения с увеличением угла α повышается, действующее значение напряжения убывает.

В качестве нагрузки которого используется чисто активное сопротивление и можно сказать, что выпрямитель при углах управления 0º ≤ α < 60º работает в режиме непрерывных токов, то есть импульсы управления подаются на тиристоры, когда значение их тока не равно нулю.

При углах управления α = 60º управляемый выпрямитель работает в граничном режиме. Это значит, что импульсы управления подаются на тиристоры в момент снижения их тока до нуля.

В диапазоне угла управления 60º < α ≤ 120º выпрямитель работает в режиме прерывистого тока. Такой режим наступает в том случае, если импульсы управления подаются на тиристоры после снижения их токов до нуля.

 

 

Активно-индуктивная нагрузка при L_B=10²*L_я. и разных углах:

 

I,A

U,В

Ic,А

Ib,А

Ia,А

 

Рис.1.10 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 0º,

Lγ =0.001Гн, L_B=1.1 Гн, (Ud=440 В):

а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.

б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.

в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.

 

Из рисунка 1.10 следует, что выпрямленное напряжение имеет только четные гармоники кратные 6 (это 6, 12, 18) и постоянную составляющую (нулевую гармонику). Сетевой ток содержи только нечетные гармоники (это 1, 5, 7 ,11, 13 и др.).

 

I,A

U,В

 

Ic,А

Ib,А

Ia,А

Рис.1.11 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 60º,

Lγ =0.001Гн, L_B=1.1 Гн, (Ud=440 В):

а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.

б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.

в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.

 

	U,В

I,A

Ic,А

Ib,А

Ia,А

 

Рис.1.12 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 75º,

Lγ =0.001Гн, L_B=1.1 Гн, (Ud=440 В):

а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.

б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.

в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.

 

Амплитуды гармоник (В), входящих в состав выпрямленного напряжения.

 

№ гармоники
α
	95.20	118.67	56.27	37.32	28.52
	418.34	56.7	32.22	21.92	13.18
	371.2	102.08	32.45	28.2	21.53
	350.07	110.61	33.30	35.96	16.96
	273.25	110.62	66.25	39.03	22.94
	180.94	109.06	53.57	35.84	27.02
	95.14	118.69	56.37	37.33	28.53
	17.09	202.04	67.69	39.70	30.12
	1.24	76.60	18.15	11.80	8.79
	0.02	0.29	0.09	0.05	0.04

.

Амлитуды гармоник (А), входящих в состав фазных токов.

№ гармоники
α
	2.38	0.47	0.33	0.20	0.18
	1.02	0.21	0.17	0.09	0.11
	0.46	0.17	0.05	0.09	0.08

 

Из таблиц видно, что постоянная составляющая выпрямленного напряжения (нулевая гармоника) и амплитуда первой гармоники сетевого тока, с увеличением угла уменьшаются до нуля. Это объясняется тем, что пульсация напряжения с увеличением угла α повышается, действующее значение напряжения убывает.

 

 

Активно-индуктивная нагрузка при L_B=10³*L_я. и разных углах:

U,В

I,A

Ic,А

Ib,А

Ia,А

Рис.1.13 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 0º,

Lγ =0.001Гн, L_B=11 Гн, (Ud=440 В):

а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.

б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.

в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.

При увеличении индуктивности пульсации тока сглаживаются, соответственно увеличивается постоянная составляющая тока на нагрузке. Но переходной процесс затягивается. На рис 1.9 с индуктивностью 11 Гн переходной процесс длится 0,6с.

При угле управления α = 0^о на тиристоры будет подаваться импульсы управления в момент естественной коммутации вентилей. В таком случае при положительном потенциале точки а’ относительно точки b’ к анодам тиристоров Т1 и Т4 будет приложен положительный потенциал, а к их катодам – отрицательный, что приведет к их открываю. Ток будет протекать по цепи a –La – a’ – T1 – R_н –Lн – T4 – b’ – Lв – b.

Далее точка b становиться более положительна по сравнению с точкой с. Из-за этого разность потенциалов у линейного напряжения u_ac становиться большей по сравнению с остальными напряжениями. В этот момент подаются импульсы управления на тиристоры Т1 и Т2. Возникает контур коммутации встречно току тиристора Т4. Ток Т4 снижается до нуля и тиристор закрывается. После этого ток начинает протекать по контуру

a– La – a’ – T1 – R_н –Lн – T2 – c’ – Lc– c .

 

 

I,A

U,В

Ic,А

Ib,А

Ia,А

 

Рис.1.10 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 60º,

Lγ =0.001Гн, L_B=11 Гн, (Ud=440 В):

а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.

б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.

в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.

 

I,A

U,В

 

Ia,А

Ic,А

Ib,А

 

Рис.1.13 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 75º,

Lγ =0.001Гн, L_B=11 Гн, (Ud=440 В):

а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.

б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.

в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.

 

Исследуем работу выпрямителя при 60º < α ≤ 120º (рис.1.12). Для рассмотренного случая (α = 75º,) в момент времени, когда потенциал точки а’ больше потенциала точки b’ и ток проводят тиристоры Т1, Т4 по цепи a – Ra – La – a’ – T1 – R_н –Lн – T4 – b’ – Lв – Rв – b. В момент времени t1 (рис. 1.12а) когда потенциал точки а становиться более положителен по отношению к потенциалу точки с, ток проводиться по прежнему тиристорами Т1 и Т4. Это происходит благодаря накопленной электромагнитной энергии в катушке индуктивности W_L= . В момент времени t2 (рис. 1.12а), когда u_bc становится более положительным по сравнению с напряжением u_ab, к тиристору Т4 должно приложиться запирающее напряжение. Но в катушке индуктивности чтобы поддержать течение тока в предыдущем направлении возникает ЭДС самоиндукции, которая преодолевает линейное напряжение u_bс до тех пор пока на тиристор Т2 не подадут импульс управления, момент t3 .После этого возникнет контур коммутации в – Rв – Lв – в’ – T4 – T2 – с’ – Lс – Rс – с, встречный току Т4, который впоследствии зарывается.

На рис. 1.13 3 гармоника третья гармоника напряжения больше, чем первая. Средне выпрямленное напряжение на нагрузке = 110В Но благодаря большой индуктивности ток на нагрузке практически не имеет пульсаций. При угле регулировании ›60⁰ происходит рекуперация энергии в сеть.

 

Амплитуды гармоник (В), входящих в состав выпрямленного напряжения, при L_B=10³*L_я.

№ гармоники
α
	436.33	25.96	7.07	3.68	2.51
	419.25	55.95	31.87	22.09	13.79
	368.09	107.33	34.98	29.61	23.07
	348.35	114.70	35.12	37.39	17.77
	274.91	111.52	66.77	39.33	23.32
	186.33	107.38	52.59	35.26	26.67
	102.6	119.20	56.19	37.24	28.5
	40.87	109.7	53.19	35.53	26.78
		47.14	23.07	15.82	12.19
	5.51	18.75	8.53	6.21	5.24
	0.03	0.14	0.07	0.05	0.04

Амлитуды гармоник (А), входящих в состав тока фазы а,b,c

№ гармоники
α
	0.48	0.10	0.07	0.04	0.03
	0.15	0.04	0.06	0.04	0.05
	0.08	0.05	0.05	0.06	0.05

 

 

В результате гармонического анализа, проведенного для различных углов управления, мы получили зависимости величин гармоник тока сети и напряжения на нагрузке от угла α. Протекание высших гармоник по обмоткам генераторов, питающих сеть, вызывает в них дополнительные потери и нагрев. Дополнительные потери создаются так же в передающих линиях и промежуточных трансформаторах. Падение напряжения от высших гармоник на линиях передач и промежуточных трансформаторах вызывает искажение формы питающего напряжения , что отрицательно сказывается на работе других потребителей. Искажение формы питающего напряжения особенно ощутимо, когда мощность сети соизмерима с мощностью силового преобразователя.

 

1.3 Рассчитать и построить внешние характеристики при L_γ=(0; 0.1; 0,5)L_я Гн

 

Рис.1.14 Внешняя характеристика управляемого выпрямителя при разных индуктивностях рассеивания Lγ

 

Уменьшение напряжения на нагрузке с увеличением её тока связано с повышением коммутационных падений напряжения в виду роста угла коммутации γ. Коммутационные явления в схеме выпрямителя приводят к возрастанию фазового сдвига потребляемого тока относительно напряжения питающей сети. Влияние индуктивности в цепи переменного тока проявляется в том, что при подаче отпирающего импульса на очередной тиристор индуктивные сопротивления Xγ затягивают процесс уменьшения до нуля тока проводящего тиристора и нарастания до значения I_н тока тиристора, вступающего в работу. В результате на интервале коммутации γ в проводящем состоянии одновременно находятся 3 тиристора выпрямителя. Эти тиристоры создают короткозамкнутый контур для вторичной обмотки трансформатора.

В процессе выполнения моделирования выпрямителя подразумевалось, что преобразователь подключён к промышленной сети через, понижающий напряжение, трансформатор. На практике любой трансформатор обладает индуктивность рассеивания. Чем больше угол γ тем меньше среднее выпрямленное напряжение на нагрузке. Коммутационные процессы сказываются на форме выпрямленного напряжения u_d и уменьшении его среднего значения Ud.

.

 

 

2.Аномальный режим работы.

Под аномальным режимом работы выпрямителя понимаются режимы, вызванные отказом в работе одного или двух вентилей моста, а так же ложными (аномальными) импульсами их управления с углами, отличающимися от заданного значения, которые попадают на управляющие электроды из-за коммутационных процессов или по причине нарушений в работе СИФУ.

В начале исследования аномальных режимов определимся условными положительными направлениями фазных токов. Положительные направления фазных токов совпадают с направлениями от точек а`, b’, c’ соответственно к точкам a, b, c (см рис 2.1)

Отрицательные – имеют противоположенные направления: от точек a, b, c к точкам a’, b’, c’. В дальнейшем будем пользоваться этими условными направлениями фазных токов. В этом разделе сравним три способа диагностики управляемых выпрямителей:

1) способ диагностики, основанный на спектральном анализе кривой выходного напряжения

2) способ, основанный на совместном анализе кривых мгновенных значений фазных токов и выходного напряжения выпрямителя.

3) способ, основанный на гармоническом анализе и визуальной оценке кривых фазных токов.

В данном случае задача состоит в определении вентиля вышедшего из строя.

 

 

Рис 2.1 Схема управляемого выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой