1. Цель работы

Выполнение лабораторной работы имеет целью ознакомиться со свойствами управляемых полупроводниковых вентилей-тиристоров, изучить принцип действия и практически ознакомиться с работой двухполупериодного выпрямителя на тиристорах, овладеть навыками исследования режимов работы управляемого выпрямителя при активной нагрузке и навыками отображения этого режима на временных диаграммах и на графике регулировочной характеристики

2. Задание

2.1. Зарисуйте с экрана осциллографа кривые выпрямленного напряжения при различных значениях угла управления а, при активной нагрузке.

2.2. Экспериментально снимите и постройте регулировочную характеристику выпрямителя Uср(а) при активной нагрузке.

2.3. Сделайте выводы:

- об изменении величины среднего значения выпрямленного напряжения Uср на выходе выпрямителя в функции от угла управления а ;

- об изменении формы выпрямленного напряжения на временных диаграммах, поясняющих работу управляемого выпрямителя;

- о причинах плавного сдвига фазы напряжения управления на выходе фазовращателя;

- об изменении коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения в зависимости от изменения угла управления;

- о возможностях применения управляемого выпрямителя на производстве и в бытовых электрических приборах.

3. Особенности правил и мер безопасности при проведении экспериментальных исследований

3.1. Перед включением стенда для исследования однофазного управляемого выпрямителя на тиристорах типа ЭС 16 и осциллографа проверьте заземление корпусов. Без заземления работа со стендом ЭС 16 запрещается. Выполняется лаборантом или преподавателем.

3.2. Вес измерения напряжений, снимаемых с гнезд Гн1 и Гн2 стенда ЭС16, производите только надежно изолированным проводом, так как эти гнезда находятся под напряжением 220В, 50 Гц.

4. Описание лабораторной установки

Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называют управляемыми выпрямителями.

С помощью управляемых выпрямителей плавно регулируют скорость двигателей постоянного тока, величину тока нагревательных устройств, электролитических ванн, при зарядке аккумуляторов, осуществляют плавное гашение освещения в зрелищных предприятиях, регулируют ток возбуждения синхронных генераторов » т.п.

Электрическая структурная схема управляемого выпрямителя такая же, как и у неуправляемого, но вместо неуправляемых вентилей используются управляемые и, в частности, тиристоры, а также в схеме присутствует блок управления вентилями.

Тиристор - полупроводниковый прибор, имеющий не менее трёх р- n переходов и два или более выводов от его электродов. На рис. 1а показана структу­ра тиристора, имеющего выводы от трёх электродов: анод А, катод К и управ­ляющий электрод УЭ. На рис. 1б показано изображение и обозначение тиристора на электрических схемах, а на рис. 1в - примерная вольтамперная характеристика, так как для реальной Iпрном>>Iуд>>Iпрзакр и Uпр>>U пр. Вольтамперная характеристика (ВАХ) (рис. 1в) тиристора иллюстрирует основные свойства этого полупроводникового прибора.

Если к аноду прибора подключить минус источника постоянного напряжения, а к катоду - плюс, то электронно-дырочные переходы 1 и 3 (см. рис. 1а) будут заперты, а переход 2 открыт. В этом случае тиристор оказывается в запер­том состоянии, которое не может быть изменено воздействием на цепь управ­ления, т.е. подачей положительного напряжения на управляющий электрод (относительно катода). При отрицательном напряжении на аноде подача на­пряжения в цепь управления ЗАПРЕЩЕНА. При обратном напряжении Uобр вольтамперная характеристика (рис. 1в) тиристора примерно такая же, как и у диода (у некоторых типов тиристоров обратная ветвь соответствует характери­стике стабилитрона- лавинные тиристоры, или повторяет прямую ветвь - симметричные тиристоры).

Если к структуре (рис. 1а) тиристора приложено прямое напряжение Uпр (плюс на аноде, а минус на катоде), то переходы 1 и 3 будут открыты, а переход 2 - заперт. При отсутствии управляющего сигнала, т.е. напряжения на управляющем электроде, тиристор остается в запертом состоянии, а напряжение ис­точника приложено к переходу 2.

Pис. 1. Тиристор: а - структура тиристора; б - условное обозначение; в - вольтамперная характеристика

Если УЭ закоротить с катодом (Iy=0) и плавно увеличивать величину прямого напряжения Uпр , то через тиристор будет протекать очень малый ток утечки (единицы, десятки мкА). При достижении Uпр , некоторой величины Uпер сопротивление тиристора резко уменьшается, ток через него резко возрастает до величины, ограниченной сопротивлением нагрузки (тиристор отпирается). Если по цепи УЭ-К пропустить небольшой ток управления Iу1 (рис. 1в), то напряжение, при котором произойдет отпирание тиристора, уменьшается. Наконец, при некотором токе управления Iy3 , называемом током спрямления Iпер тиристор отпирается при очень малом напряжении (единицы В) и вольтамперная харак­теристика становится подобной характеристике неуправляемого вентиля.

Обычно в качестве номинального анодного напряжения выбирают величину, значительно меньшую значения Uпер ( Uпрu никогда не доводят до величины Uпер , а если это случается, то тиристор не сгорит, а просто откроется самостоятельно без сигнала управления).

В качество номинального тока управления выбирают величину значительно большую тока спрямления Iспр . В этом случае при наличии анодного на пряжения и отсутствии тока управления, тиристор будет заперт. Его отпирание может произойти только при наличии положительного анодного напряжения и тока управления. Причем, для отпирания тиристора достаточно чтобы в цепи УЭ-К прошел кратковременный импульс тока. В открытом состоянии тиристор может находиться сколь угодно долго. Наличие или отсутствие тока Iу , в этом случае на него не влияет.

Для запирания (выключения) тиристора необходимо каким-либо образом снизить анодный ток до величины, меньшей тока удержания Iуд (рис. 1в). Запирание тиристора происходит при переходе тока тиристора Iпр через 0 - это необходимое и достаточное условие его запирания.

Основные классификационные параметры тиристоров:

1. Класс - определяет номинальное рабочее напряжение Uпр = Uобр ( 1-й класс -100 В, 2-й класс - 200 В, 10-й класс - 1000В и т.д.).

2. Номинальный прямой ток Iпр (среднее значение).

3. Прямое падение напряжения Uпр(среднее значение).

4. Время выключения (восстановления управляющих свойств) - t выкл. Отечественной промышленностью выпускаются тиристоры с напряжени­ем от 150 В до 1200 В, током от 10 мА до нескольких сотен ампер, временем выключения от 20до 150 мкс. Величина Uпр=0,5-2В; Iспр=0,01-0,1А; Iуд=0,05-0,5А.

Двухполупериодный управляемый выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис.3 ) можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включенных на один и тот же на­грузочный резистор Rн .

Управление моментом отпирания (включения) тиристора во времени осуществляется за счет сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора. Такой сдвиг фаз называ­ется углом отпирания а , а способ управления называют фазовым.

Величину а изменяют с помощью фазовращающей RC цепи, которая позволяет изменить угол а от 0 до 180° (см. рис 3). Угол управления а измеряется в угловых единицах, т.е. долях периода синусоидальной функции, а не в единицах времени. Это позволяет исключить влияние частоты на масштаб по оси абсцисс.

Так как оптимальной формой управляющих сигналов для тиристоров является короткий импульс с крутым фронтом, то для их формирования и сдвига их во времени служат специальные импульсно-фазовые системы управления (СИФУ). Они обеспечивают четкое отпирание тиристора, а также уменьшение нагрева управляющего электрода тиристора. Обеспечение изменения выпрям­ленного напряжения в требуемых пределах изменением угла управления а осуществляют ручным или автоматическим способом.

В лабораторной установке сдвиг управляющих импульсов по отношению к анодному напряжению производят с помощью мостового фазовращателя вручную изменением величины R3..10 . При изменении сопротивления перемен­ного резистора R фаза напряжения Ucd , являющегося выходным напряжением мостового фазовращателя, при постоянной амплитуде плавно изменяется от 0 до 180. Естественно, что с увеличением угла управления резко увеличиваются пульсации выпрямляемого напряжения. Поэтому регулируемые выпрямители требуют более мощных сглаживающих фильтров.

Регулировочная характеристика управляемого двухполупериодного выпрямителя определяется зависимостью величины среднего значения выпрямленного напряжения Ucp от угла а на интервале изменения величины a от 0 до П.

где Uср=0,9 U2 - среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при a=0 .

Построенная но выражению (1) регулировочная характеристика однофазного управляемого выпрямителя (для Lн=0) имеет вид, показанный на рис.2.

К недостаткам управляемых выпрямителей можно отнести относительно сложную систему СИФУ, создание выпрямителем в электропитающей сети больших высокочастотных помех, самопроизвольное отпирание по аноду при перенапряжении в сети, необходимость применения более мощных сглаживающих фильтров.

Рис 2. Пример регулировочной характеристики однофазного управляемого выпрямителя

Лабораторная установка включает в себя:

Стенд ЭС 16 для исследования регулируемого выпрямителя на тиристорах (рис. 3), состоящий из двухполупериодной схемы выпрямителя на тиристо­рах с выводом средней точки трансформатора и схемы управления тиристо­рами СИФУ, измерительные приборы.

2. Осциллограф для снятия с его экрана кривых выпрямленного напряжения нагрузки при различных значениях угла управления а .

В схеме управляемого выпрямителя (рис.3) в качестве выпрямительных элементов используются управляемые вентили-тиристоры VSI и VS 2. Катоды тиристоров объединены в общую точку и соединены с нагрузкой, а аноды при соединены к копнам вторичных обмоток трансформатора TV с выведенной средней точкой. Вторичная обмотка благодаря средней точки создает систему напряжений, смещенных относительно друг друга на 180 эл. градусов.

Рис. 3. Схема двухполупериодного управляемого выпрямителя на тиристорах с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора

В тот полупериод, когда потенциал одного из концов вторичной полуобмотки выше потенциала средней точки обмотки трансформатора, потенциал анода тиристора VS 1выше по отношению потенциала катода и, следовательно, тиристор VS 1 способен пропустить ток через нагрузку выпрямителя.

Тиристор VS 2 в этот полупериод заперт, т.к. в это время у него потенциал катода потенциала анода.

В другой полупериод полярность напряжения на обмотках трансформатора изменится и тиристоры поменяются ролями.

Подавая на управляющий электрод тиристора импульс тока управления, фазу которого относительно фазы анодного напряжения можно менять с помо­щью фазовращателя, получим регулируемое среднее значение напряжения в цепи нагрузки.

Угол управления а в данной схеме можно изменять в пределах от 0" до 150' переключателем, изменяя величину активного сопротивления фазовраща­теля, образованного обмотками трансформатора, конденсатором C 1 и резисторами R 1- R 10 .

Нагрузка выпрямителя подсоединяется между общей точкой катодов тиристоров и нулевой (средней) точкой трансформатора.

В данной схеме исследуется выпрямитель с активной нагрузкой (резистор R18 ) Включение активной " R " нагрузки осуществляется переключателем S 1.

Величины среднего значения выпрямленного напряжения Ucp и тока Icp контролируются приборами, расположенными на передней панели стенда ЭС16.

При снятии осциллограммы выпрямленного тока при заданных углах а устанавливают развертку осциллографа таким образом, чтобы положительная полуволна занимала на экране осциллографа 6 клеток {масштаб 30" в каждой клетке) В этом случае при зарисовке о экрана осциллографа изображения выпрямленного напряжения (Ги12 Ги13) при активной нагрузке и разных углах управления а получим изображение, подобное показанному на рис. 4, по которому довольно точно можно определить величину а .

Рис. 4. Определение угла а по осциллограмме напряжения u ( t )

5. Порядок выполнения работы

5.1. Ознакомьтесь с конструкцией различных типов тиристоров по стенду с об­разцами.

5.2. Подготовьте к работе осциллограф и исследуйте стенд ЭС16, подключив их к сети 220 В 50 Гц. Установите развертку осциллографа так, чтобы полпериода сигнала с гнезд 12-13 стенда [t=T\2=1\(50*2)=0,01c] уместилось в шести крупных клетках экрана (по 30" в каждой клетке). Уровень сигнала по вертикали установите в пределах экрана осциллографа.

5.3. Снимите и постройте регулировочную характеристику Ucp(a) - зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Ucp от угла управления о при активной нагрузке для чего:

а) переключатель поставьте в положение " R " (см. рис. 3 - подключается нагрузка к выпрямителю в виде резистора R 18), ручку установки величины со противления нагрузки Rн - в положение «20 Ом» переключатель сопротивления фазовращателя R - в положение 1 (оно соответствует минимальному сдвигу фазы фазовращателя);

б) изменяя значения угла а с помощью переключателя ВЗ (см. рис. 3 - переключаются резисторы R 3... R 10 фазовращателя), снимите по вольтметру значения Ucp

Результаты измерений занесите в таблицу:

в) постройте расчетную регулировочную характеристику управляемого выпрямителя и при активной нагрузке по результатам эксперимента (см табл.)

5.4. Зарисуйте с экрана осциллографа и объясните форму кривой выпрямленного тока (Гн12-Гн13) при активной нагрузке и разных углах управления а

6. Содержание отчета

В отчете по лабораторной работе студент должен представить:

1. Цель работы.

2. Схему лабораторной установки (рис.3)

3. Таблицу измеренных данных.

4. Регулировочные характеристики (расчетную и снятую экспериментально)

5 Осциллограммы выпрямленного тока.

6 . Перечень применённых измерительных приборов с краткой их характе­ристикой.

7 Выводы с объяснением характера экспериментальных зависимостей и осциллограмм. Схемы и графики должны соответствовать требованиям ЕСКД.

7. Контрольные вопросы

1. Назначение и примеры применения управляемого выпрямителя

2. Принцип работы тиристора.

3. Принцип работы управляемого выпрямителя.

4. Вольтамперная характеристика тиристора

5. Достоинства и недостатки регулируемых выпрямителей

6 Как зависит величина пульсаций выпрямленного напряжения от угла управления а ?

7 Покажите на осциллограммах угол а и среднее значение выпрямленного напряжения