В данной статье представлена разработка лабораторного стенда «Управляемый выпрямитель», служащего для проведения занятий у студентов.
Ключевые слова: выпрямленное напряжение, управляемый выпрямитель, угол регулировки, переменный ток, стенд.
На данный момент, предприятия, занимающиеся производством лабораторных стендов, делают акцент на крупные лабораторные комплексы. Для выполнения лабораторной работы на таком стенде, требуется 3–3.5 часа сборки физической модели на наборном поле, в связи, с чем остается мало времени на снятие характеристик, что негативно сказывается на учебном процессе. Стоимость такого стенда, изготовленного в условиях предприятия, составляет от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч рублей.
Поэтому, более удобными являются специализированные стенды, на которых электронное устройство практически собрано. Тогда исследование и снятие характеристик производится при минимальном количестве коммутаций.
Выпрямителям называют устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Потребность в подобном приборе возникает при питании потребителя постоянным током, а источником энергии является источник переменного тока.
В управляемых выпрямителях используются вентили, у которых проводящее состояние наступает только после подачи сигнала на управляющий электрод. Обычно применяются однооперационные тиристоры — МСТ. Иногда, для уменьшения вредного влияния на сеть мощного преобразователя, используют полностью управляемые вентили, запираемые тиристоры или транзисторы IGBT.
Применение данного выпрямителя обусловлено решением задачи управления средним значением выпрямленного напряжения Ud. Это объясняется необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке при условии перемены тока нагрузки или напряжения питающей сети, а также регулирования напряжения на нагрузке для обеспечения требуемого режима ее работы.
В данном выпрямителе вентили открываются не в момент естественной коммутации, а с задержкой α, α— это угол управления (регулирования). Таким образом, выпрямленное напряжение Ud будет менять значение при изменении угла регулировки.
Если управляемый выпрямитель работает только как выпрямитель и не используется в инверторном режиме, то нагрузка индуктивного характера обычно шунтируется дополнительным вентилем. Нулевой вентиль обрезает отрицательную часть выходного напряжения Ud, поэтому форма выпрямленного напряжения на вентиле, аналогична напряжению на активной нагрузке.
Лицевая панель стенда
По мере усложнения аппаратуры возрастает роль дизайна в конструировании, он не только позволяет создать эстетически совершенную, удобную, экономичную и эффективную в потреблении микроэлектронную аппаратуру, но и непосредственно связан с её эксплуатационной надёжностью.
Отдельное внимание было обращено на разработку наглядного и удобного наборного поля представленного на рис. 1.
На рис.1. приняты следующие условные обозначения: БС — блок синхронизации; РИ — регулятор импульса; Ф — формирователь; ФСУ — фазосдвигающее устройство.
Рис. 1. Лицевая панель и функциональная схема стенда
Условия эксплуатации прибора зависят от вида помещения, в котором он расположен. По условиям эксплуатации, зависящим от вида помещения или укрытия, проектируемое устройство, относится к третьей категории, т. е. эксплуатация прибора должна быть возможна в неотапливаемых закрытых помещениях с естественной вентиляцией.
Также данную лицевую панель можно использовать как функциональную схему устройства, необходимую в дальнейшем для построения принципиальной схемы.
Функциональная схема устройства состоит из 3 основных блоков. А именно, вентильного блока, блока системы управления и блока нагрузки.
Вентильный блок преобразователя состоит из 4 тиристоров, а также 2 диодов.
Блок системы управления служит для регулировки угла управления.
Блок нагрузки состоит из постоянной и изменяемой нагрузки.
Измерения проводятся на однофазном мостовом управляемом выпрямителе, который может работать по схеме включения с полным, а также не полным числом управляемых вентилей, использованием активной и активно — индуктивной нагрузки, а также подключением нулевого вентиля.
Принципиальная схема устройства
На рис. 2. представлена принципиальная схема устройства.
Рис. 2. Принципиальная схема устройства
Как видно из данного рисунка подключение понижающего трансформатора к схеме выпрямления происходит через разъемы XS1 и XS2. Схема представляет собой вентильный блок, состоящий из 4 оптотиристоров и 2 диодов с подключенной системой управления, при помощи переключателей SA2 и SA3 происходит изменение схемы включения с полного числа управляемых вентилей на неполное. Имеются измерительные и ограничительные резисторы, последние располагаются на контрольные точки и служат для защиты от короткого замыкания. Снятие характеристик может происходить как при активной, так и активно — индуктивной нагрузке с нулевым вентилем. Присутствуют амперметр и вольтметр.
К исходным данным при расчете элементов заданной схеме можно отнести следующие значения: Id = 1 А, Iкз = 24 мА, Uвх эфф = 28 В, F=50 Гц.
В данном расчете необходимо посчитать номиналы ограничительных и измерительных резисторов, а также индуктивность и сопротивление нагрузки.
Номинал измерительных резисторов выбирается из условия:
.
Исходя из данного условия, измерительные резисторы были выбраны с номиналом 0.47Ом.
Имитационное моделирование управляемого выпрямителя производилось в программе Micro — CAP 11 (рис.3), измерение мгновенного и среднего значения напряжения, а также его зависимость от угла регулировки представлено на рис.4.
Рис. 3. Мостовой управляемый выпрямитель
Рис. 4. Зависимость выходного напряжения от угла регулировки
Вывод
В ходе выполнения работы была проведена разработка, расчет элементов и моделирование однофазного мостового управляемого выпрямителя с возможностью регулировки выходного напряжения.
Литература:
1. Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е., Промышленная электроника: Учебник для вузов. Под ред. В. А. Лабунцова. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 320 с.
- Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: Учебник для вузов. — Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2004. — 664 с.
- Семенов В. Д., Мишуров В. С. Основы преобразовательной техники. Учебное методическое пособие. — Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования. 2002.- 132 с.
