Что представляет собой нагрузочная характеристика выпрямителя

Основные характеристики выпрямителей

· Номинальное напряжение постоянного тока — среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев — U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.

· Номинальный выпрямленный ток I0 — среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.

· Напряжение сети Uсети — напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети -220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10%.

· Пульсация — переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

· Частота пульсаций — частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой-однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

· Коэффициент пульсаций — отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0%) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p%). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

· Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) — отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

· Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя — изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой (или просто — двухполупериодной), двухполупериодной мостовой (или просто — мостовой, реже называется как «схема Греца»), и схема удвоения (умножения) напряжения (схема Латура). Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова. Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей.

Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

· Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U0 — напряжение постоянного тока до фильтра, I0 — среднее значение выпрямленного тока, p0 — коэффициент пульсаций на входе фильтра.

· Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр — обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс — максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

· Определяющие выбор трансформатора: U2 — действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 — действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр — расчетная мощность трансформатора.

Основные характеристики различных схем выпрямления.

Сравнение схем выпрямления и ориентировочный расчет выпрямителя можно сделать, используя данные из таблицы.

* Значение емкости конденсатора рассчитано для P0% = 10%

Задавшись значением напряжения на выходе выпрямителя U0 и значением номинального тока в нагрузке (среднего значения выпрямленного тока) I 0, можно без труда определить напряжение вторичной обмотки трансформатора, ток во вторичной обмотке, максимально допустимый ток вентилей, обратное напряжение на вентилях, а также рабочее напряжение конденсатора фильтра. Задавшись необходимым коэффициентом пульсаций, можно рассчитать значение емкости на выходе выпрямителя.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

U2 — Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Uн — Напряжение на нагрузке.

Uн0 — Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Как видно на осциллограммах напряжение с вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.

Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

U2 — Напряжение на одной половине вторичной обмотки трансформатора

Uн — Напряжение на нагрузке.

Uн0 — Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора (или одну со средней точкой).

Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде — с другой половины обмотки, через другой вентиль.

Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.

Недостатки: Более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Мостовая схема выпрямителя

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Uн — Напряжение на нагрузке.

Uн0 — Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Основная особенность данной схемы — использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.

При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки — вентиль V2 — верхний вывод нагрузки — нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V3 — нижний вывод вторичной обмотки — обмотка. При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки — вентиль V4 — верхний вывод нагрузки — нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V1 — верхний вывод вторичной обмотки — обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.

Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.

Недостатки: Увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.

Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления:

На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом, основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное — с двухполупериодной.

На правой схеме получается двуполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме. Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления.

Схема удвоения напряжения

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Uн — Напряжение на нагрузке.

Отличительной особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора «заряжается» один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки — другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах (на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем.

Преимущества: Вторичную обмотку трансформатора можно расчитывать на значительно меньшее напряжение.

Недостатки: Значительные токи через вентили выпрямителя, Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двухполупериодных выпрямителей.

Эта же схема может использоваться еще в двух вариантах:

Левая схема предназначена для получения двух напряжений питания одной полярности, правая — для получения двуполярного напряжения с общей точкой.

Во втором варианте схемы характеристики выпрямителя соответствуют характеристикам однополупериодного выпрямителя.

Многофазные выпрямители применяются, как правило, только в промышленной и специальной аппаратуре.

Обычно в промышленной аппаратуре применяются трехфазные выпрямители двух типов — трехфазный выпрямитель и выпрямитель Ларионова.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

ФА, ФС, ФВ — напряжения на вторичных обмотках трехфазного трансформатора.

U va Uvb Uvc напряжение, на нагрузке получаемое с соответствующего вентиля.

Uн — Суммарное напряжение на нагрузке.

Выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три вентиля имеют общую нагрузку.

Если рассмотреть осциллограммы напряжения на нагрузке при отключенном конденсаторе для каждой из трех фаз, то можно заметить, что напряжение на нагрузке имеет такой же уровень пульсаций, как и в схеме однополупериодного выпрямления. Сдвиг фаз (т.е. сдвиг по времени) напряжений выпрямителей между собой в результате даст в 3 раза меньший уровень пульсаций, чем в однофазной однополупериодной схеме выпрямления.

Достоинства: Низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения.

Недостатки: Так же как и в однофазной однополупериодной схеме выпрямления, низкий КПД, нерациональное использование трансформатора. Данный выпрямитель неприменим для обычной однофазной сети.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

Этот выпрямитель представляет собой мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку. Соединяя в себе достоинства мостового выпрямителя и трехфазного питания, он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без сглаживающего конденсатора или с небольшой его емкостью.

Недостатки: Увеличенное количество вентилей. Выпрямитель также не может быть применен для работы в однофазной бытовой сети.

Выпрямители для безтрансформаторного питания аппаратуры

Безтрансформаторные выпрямители являются простейшими неавтономными источниками постоянного тока. Они применяются при напряжениях близких к напряжению сети или превышающих его в 1,5 — 2,5 раза и токах до нескольких десятков миллиампер.

Ограниченное применение безтрансформаторных выпрямителей объясняется в первую очередь требованиями техники безопасности, так как оба полюса выпрямленного напряжения гальванически связаны с сетью. Второй недостаток таких выпрямителей — отсутствие гибкости при выборе выпрямленного напряжения. Для радиоаппаратуры можно использовать в качестве безтрансформаторных выпрямители: Однополупериодный, мостовой, удвоения напряжения. Основные характеристики такие же как и в случае с трансформаторным питанием. Сетевое напряжение подключают к точкам подключения вторичных обмоток трансформаторов (вместо трансформатора).

Безтрансформаторные схемы опасны для использования!

Для питания малогабаритной портативной аппаратуры с токами до 15-20 миллиампер можно применять однополупериодные или мостовые схемы с гасящими конденсаторами.

В этой схеме конденсатор Сгас выполняет роль «безваттного» реактивного сопротивления, образующий с активным сопротивлением нагрузки своеобразный делитель напряжения.

Реактивное сопротивление гасящего конденсатора указано в формуле.

Данная схема может найти применение для заряда малогабаритных аккумуляторов радиоприемников, радиостанций и радиотелефонов.

При конструировании и эксплуатации выпрямителя также необходимо соблюдать осторожность!

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Нагрузочная характеристика выпрямителя снимается тем же методом, который описан выше. В стабилизи-рованном выпрямителе эта характеристика в рабочем диапазоне выходных токов представляет прямую линию, практически параллельную оси абсцисс, имеющую весьма малый наклон. Так, например, в выпрямителе типа ВВС-1 при изменении тока нагрузки от 0 до 100 ма выходное напряжение изменяется а 0 1 %, что составляет 1 в на 1000 в. Измерить такое понижение напряжения прибором со шкалой на 1000 или 1500 в невозможно, и измерение выполняется с помощью измерительного потенциометра с делителем. Обычно это производится в лабораторных условиях отделом технического контроля.  [2]

Нагрузочная характеристика выпрямителя строится в прямоугольной системе координат по данным табл. 11.1. По оси ординат откладывают значение выпрямленного напряжения, а по оси абсцисс — величину выпрямленного тока.  [4]

Расчет нагрузочной характеристики выпрямителя производится следующим образом.  [6]

Что представляет собой нагрузочная характеристика выпрямителя .  [7]

Для снятия нагрузочной характеристики выпрямителя нужно изменять ток нагрузки переменным сопротивлением R2 и отмечать соответствующие значения выпрямленного напряжения.  [8]

Схема для снятия нагрузочной характеристики выпрямителя остается тякгш же, как к для измерения пульсации, только при этом не требуется лампового вольтметра или осциллографа. Как видно на рисунке, при увеличении потребляемого тока выходное напряжение уменьшается. Это обусловлено увеличением падения напряжения в обмотках силового трансформатора, вентилях и на дросселе фильтра.  [10]

При массовом производстве осуществляется выборочная проверка нагрузочной характеристики выпрямителя и измерение его стабильности.  [11]

По данным, записанным в табл. 12.1, в прямоугольной системе координат строят нагрузочную характеристику выпрямителя .  [12]

Испытаниям подвепгаются и источники электропитания. В процессе испытаний снимается нагрузочная характеристика выпрямителя и определяется коэффициент пульсаций.  [13]

Испытаниям подвергаются и источники электропитания. В процессе испытаний снимается нагрузочная характеристика выпрямителя и определяется коэффициент пульсаций.  [14]

На рис. 5.6 приведена схема простого выпрямителя для зарядки аккумуляторов на б и 12 В для переносных ламп, автомобилей и электрокар. Сопротивления трансформатора и диодов обеспечивают такой наклон нагрузочной характеристики выпрямителя , что номинальный зарядный ток аккумулятора протекает при номинальном выходном напряжении, когда напряжение на один элемент равно 2 В, ток, равный 50 % номинального значения, — при напряжении 2 4 В / элемент и ток, равный 25 % номинального — при 2 65 В / элемент.  [15]

4. Нагрузочные характеристики выпрямителей

Нагрузочные характеристики любого источника тока (генератора, усилителя, выпрямителя), вследствие конечного значения внутреннего (выходного) сопротивления, всегда носят «падающий» характер (рис. 7, а, б).

Сопротивление нагрузки на выходе выпрямителей может носить чисто активный характер, также может иметь емкостную или индуктивную составляющие, В этом случае говорят о нагрузке с емкостной или индуктивной реакцией.

В случае, если на выходе выпрямителя включен конденсатор С (рис. 8), то при отключенном сопротивлении нагрузки (I_н = 0) конденсатор зарядится до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора и это напряжение в дальнейшем будет сохраняться без изменения. Пульсация напряжения при этом будет отсутствовать.

При подключении сопротивления нагрузки, конденсатор периодически будет разряжаться на сопротивление нагрузки. Появится переменная составляющая напряжения, которая будет возрастать с увеличением тока в нагрузке.

В случае, если на выходе выпрямителя включен дроссель L (рис. 9), то при отключенном сопротивлении нагрузки (I_н = 0) действие его не сказывается.

При подключении сопротивления нагрузки на дросселе появится ЭДС самоиндукции, пропорциональная величине и скорости изменения тока через дроссель, которая будет уменьшать переменную составляющую.

При наличии в фильтре дросселей и конденсаторов действие их будет сказываться одновременно.

5. Измерения

1. Ознакомиться с расположением приборов на рабочем месте согласно схеме рис. 10. Установить элементы коммутации в исходное положение.

2. Отчитаться в подготовке к работе. Предъявить заготовку протокола испытания. Получить указания преподавателя о элементах фильтра L и C и схеме выпрямителя для измерения нагрузочных характеристик. Получить разрешение на включение питания.

Определение основных параметров схем выпрямления и фильтра

3. Подключить к первичной обмотке однофазного трансформатора напряжение сети, а ко вторичной – однофазную однополупериодную схему выпрямления. Элементы фильтра должны быть выключены. Установить I_н = 300 mА. С помощью осциллографа проверить форму напряжения на выходе схемы выпрямления. Измерить основные параметры схемы выпрямления: U_II, U₀, U₁, ƒ.

Величина напряжения U_II указана в табл. 1. Снизить ток нагрузки до минимального значения, включить элементы фильтра, заданные преподавателем. Вновь установить ток нагрузки I_н = 300 mА и измерить U_1вых. Результаты измерений занести в табл. 1.

Отметить в протоколе значения I_н, L, С, принятые при измерении. Отключить элементы фильтра.

Школа МATLAB. Урок 15. Исследование однофазного активного выпрямителя

Основной задачей активного однофазного выпрямителя (АВ_1) является преобразование переменного однофазного напряжения питающей сети в постоянное, компенсация искажений потребляемого тока и компенсация фазового сдвига тока сети относительно напряжения сети. По сути, АВ_1 выполняет практически ту же функцию, что и ККМ [1], но с использованием других технических средств. Основным показателем энергоэффективности АВ_1, как и ККМ, является коэффициент мощности (Power Factor, PF), который определяется отношением активной мощности к полной:

В однофазной сети полная мощность может превышать активную по двум причинам:

• нагрузка имеет активно-реактивный характер;
• нагрузка нелинейна и вызывает появление гармонических составляющих в токе.

Способы и алгоритмы управления АВ_1

Принципиальная схема активного однофазного выпрямителя (АВ_1) представлена на рис. 1а. Она содержит однофазный мостовой полупроводниковый коммутатор (ПК), выполненный на четырех транзисторных ключах VT1–VT4 с обратными диодами VD1–VD4. В диагональ моста, образованного транзисторными ключами, включен источник однофазного переменного напряжения с последовательной индуктивностью (дросселем). Активные потери в дросселе и полупроводниковых приборах инвертора, как и ранее [1, 2], учтены сопротивлением r. В цепь постоянного тока включена нагрузка. Она представлена конденсатором фильтра с параллельно включенным резистором. В однофазном мостовом полупроводниковом коммутаторе используются в основном два способа управления силовыми ключами: симметричный и поочередный.

Рис. 1. Полупроводниковый коммутатор с симметричным управлением и его структуры на коммутационных интервалах

Последовательность образования структур ПК на коммутационных интервалах в течение периода коммутации при симметричном способе переключения показана на рис. 1б, в. В этом случае на нагрузке формируются разнополярные импульсы в течение каждой полуволны модулирующего сигнала.

Последовательность образования структур ПК на коммутационных интервалах в течение периода коммутации при поочередном способе переключения показана на рис. 2а–г. Интервал времени, в течение которого нагрузка подсоединена к сети с помощью диагонально расположенных транзисторов, назовем импульсом, а интервал времени, когда сеть закорочена на индуктивность с помощью верхних (VT1, VT3) или нижних (VT2, VT4) транзисторов, назовем паузой. При положительной полуволне модулирующего напряжения в течение импульса открыты диагональные транзисторы VT1, VT4 (рис. 2а), а в течение паузы поочередно включаются то верхние по схеме транзисторы VT1, VT3 (рис. 2в), то нижние VT2, VT4 (рис. 2г). При отрицательной полуволне модулирующего напряжения в течение импульса открыты диагональные транзисторы VT3, VT2 (рис. 2б), а в паузе алгоритм переключения транзисторов не изменяется.

Рис. 2. Структуры полупроводникового коммутатора с симметричным управлением

Таким образом, при любом знаке входного модулирующего сигнала в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста. Этим достигаются одинаковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме.

При поочередном способе переключения на нагрузке формируются однополярные импульсы в течение каждой полуволны модулирующего сигнала.

Алгоритмы управления АВ_1 аналогичны тем, которые подробно рассмотрены в [1, 2] применительно к импульсному регулятору постоянного напряжения и корректору коэффициента мощности.

Аналитическое исследование АВ_1

Первоначально рассмотрим независимый алгоритм управления [1, 2], позволяющий оценить физику работы АВ_1 и его предельные возможности. Анализ АВ_1 осуществляется в соответствии с функциональной схемой, показанной на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема АВ_1

Первая гармоника ЭДС на зажимах А и В может быть представлена в комплексном виде следующим выражением:

где U_d — напряжение на нагрузке; φ_m — фаза входного модулирующего синусоидального сигнала по отношению к напряжению сети; m — коэффициент модуляции. Символическое уравнение, составленное в соответствии со вторым законом Кирхгофа для АВ_1, запишется в виде:

где x = ωL = 2πf₁L — индуктивное сопротивление дросселя на частоте питающей сети.

Рассмотрим физику работы АВ_1, используя векторную диаграмму в комплексной плоскости. При этом в синхронно вращающейся системе координат обозначим вещественную ось комплексной плоскости через X, а мнимую — через Y. Направим вектор · U₁ напряжения сети по вещественной оси, тогда

На векторной диаграмме показано, что активный выпрямитель в зависимости от соотношения величин напряжения сети U₁ и ЭДС Е₀₁ может потреблять из сети положительную (индуктивную) (рис. 4а) либо отрицательную (емкостную) мощность (рис. 4б). Поэтому, изменяя коэффициент модуляции, можно менять коэффициент мощности АВ_1.

Рис. 4. Векторная диаграмма АВ_1

В синхронно вращающейся системе координат при совмещении вещественной оси с вектором напряжения сети уравнения (1, 2) запишутся в виде:

где U₁ — амплитуда фазного напряжения сети; E_x E_y — амплитуды первых гармоник фазных ЭДС АВ_1.

Для полного описания АВ_1 систему уравнений (3) следует дополнить уравнением энергетического баланса между сетью и нагрузкой и уравнением Кирхгофа для цепи постоянного тока.

где C, R — емкость конденсатора фильтра и сопротивление нагрузки. Совместное решение уравнений (3, 4) позволяет получить замкнутые аналитические выражения для расчета статических характеристик АВ_1.

Регулировочные характеристики, представляющие зависимости выходного напряжения от коэффициента и фазы модуляции, в установившемся режиме рассчитываются по уравнению:

— полное сопротивление дросселя в цепи переменного тока.

Токи и мощности АВ_1 рассчитываются по уравнениям:

При преобразовании уравнений к относительным единицам (per units, pu) в качестве базовых единиц примем U_b = U₁, I_b = U₁/z, P_b = U_bI_b, тогда (5–7) преобразуются к виду:

Из уравнения (8) следует, что напряжение на нагрузке при постоянных параметрах АВ_1 зависит как от коэффициента модуляции m, так и от фазы модуляции φ_m. Определим фазу модуляции, при которой напряжение на нагрузке максимально. Для этого возьмем производную от U_d по φ_m и приравняем ее к нулю. Предельная для любого значения сопротивления нагрузки R величина выходного напряжения достигается при единственном значении фазы входного модулирующего синусоидального сигнала по отношению к напряжению сети φ_m = –arctgx/r. Для этого значения ниже рассчитаны основные характеристики активного однофазного выпрямителя при следующих параметрах: r = 0,4 Ом, x = 1,57 Ом, z = 1,583 Ом, U₁ = 310 В.

Регулировочные характеристики для различных значений сопротивления нагрузки, рассчитанные по уравнению (8), приведены на рис. 5. Из них следует, что предельное напряжение на нагрузке растет с увеличением сопротивления нагрузки R. Коэффициент модуляции m, при котором достигается максимальное предельное значение выходного напряжения, уменьшается с ростом сопротивления нагрузки.

Рис. 5. Регулировочные характеристики АВ_1 при независимом алгоритме управления

Зависимости активного и реактивного токов, рассчитанные по (9), представлены на рис. 6. Отрицательный реактивный ток является индуктивным (рис. 4). На рис. 6 видно, что условие PF ≈ 1 соблюдается только при определенных постоянных значениях. Например, для АВ_1 с выбранными параметрами (r = 0,4 Ом; x = 1,57 Ом; z = 1,583 Ом; U₁ = 310 В) и с сопротивлением нагрузки R = 20 Ом это условие соблюдается при m = 0,8 (рис. 6), для напряжения на нагрузки U_d(pu) = 2,6.

Рис. 6. Электромагнитные характеристики АВ_1 при независимом алгоритме управления

Зависимости активной и реактивной мощности в питающей сети переменного тока, а также мощности в нагрузке от коэффициента модуляции, рассчитанные по уравнениям (10), приведены на рис. 7. Эти зависимости показывают, что при рассмотренном независимом алгоритме управления АВ_1 имеет достаточно низкий КПД во всем диапазоне изменения коэффициента модуляции.

Рис. 7. Энергетические характеристики АВ_1 при независимом алгоритме управления

Виртуальная лабораторная установка АВ_1 при независимом алгоритме управления и ее характеристики

Виртуальная лабораторная установка для исследования активного однофазного выпрямителя с независимым алгоритмом управления показана на рис. 8. Модель АВ_1 содержит силовые блоки, блоки управления, блоки измерения и блоки передачи сигналов внутри модели и в рабочую область МATLAB. Разработка модели осуществлялась при использовании структурно-функциональных (пакет Simulink) и виртуальных (пакет расширения Sim Power System) блоков. Представление результатов моделирования реализуется программными и инструментальными средствами МATLAB [7]. Время симуляции составляет 2 с, шаг дискретизации Max Step Size = 10 –4 .

Рис. 8. Виртуальная лабораторная установка для исследования АВ_1 с независимым алгоритмом управления

Каждый блок пакетов Simulink и Sim Power System имеет окно настройки основных параметров. Библиотеки основных блоков, составляющих модель, их названия, пиктограммы и параметры приведены в таблице 1.

В блоке Subsystem 1 (рис. 9) последовательно вычисляются:

• амплитуда напряжения сети;
• амплитуда первой гармоники тока сети;
• среднее напряжение на нагрузке;
• средний ток нагрузки.

Рис. 9. Блок вычисления

По проведению симуляции строятся зависимости напряжения на нагрузке и полного тока в сети. Для построения этих зависимостей служит программа, помещенная в листинге 1. Сами характеристики для R = 20 Ом представлены на рис. 10. Сравнение этих характеристик с рассчитанными аналитически (рис. 5) показывает их достаточно хорошее совпадение.

Рис. 10. Регулировочные характеристики АВ_1

Зависимости относительных активного и реактивного токов и мощностей (см. уравнение 10) строятся программой (листинг 1), в которой построение графиков изменено в соответствии с листингом 2. Эти характеристики представлены на рис. 11.

Листинг 1.

Рис. 11. Электромагнитные характеристики АВ_1

Листинг 2.

Исследования, приведенные выше, свидетельствуют о том, что при независимом алгоритме управления АВ_1 может обеспечить требование PF = 1 только при фиксированных значениях коэффициента модуляции, напряжения на нагрузке и сопротивления нагрузки и имеет достаточно низкий КПД во всем диапазоне изменения коэффициента модуляции. Поэтому при построении схемы управления АВ_1, рассчитываемого на работу с изменяющимся сопротивлением нагрузки, приходится отказаться от независимого алгоритма управления.

Для обеспечения PF = 1 при изменении сопротивления нагрузки следует использовать скользящее токовое управление (алгоритмы T_I_d * или I_d * _I_d * «токовый коридор» [1, 2]). В этом случае заданный ток в сети в определенном масштабе должен повторять форму напряжения сети. Формирование заданного тока в сети показано на рис. 3. Здесь напряжение сети делится на амплитуду напряжения сети и затем умножается на заданный ток. В результате на входе системы управления (СУТ) заданный ток сети будет синусоидальным, совпадающим по фазе с напряжением сети.

В синхронно вращающейся системе координат (x — вещественная ось, y — мнимая) при совмещении вещественной оси с вектором напряжения сети токи в сети при PF = 1 определятся из уравнения:

При введении базовых и относительных единиц U(pu) = U/U_b; I(pu) = I/I_b; U_b = U₁; I_b = U_b/z; z =

уравнение баланса мощности для АВ_1 в относительных единицах запишется в виде:

По уравнению (11) строятся внешние (нагрузочные) характеристики активного выпрямителя.

Семейство нагрузочных характеристик представляет собой зависимости напряжения нагрузки от тока в нагрузке при различных заданных токах в сети питания. Эти зависимости представлены на рис. 12, они являются гиперболическими и расположены тем выше, чем больше заданный ток сети.

Рис. 12. Внешние (нагрузочные) характеристики АВ_1 со скользящим токовым алгоритмом управления

Если АВ_1 строится так, чтобы одновременно с поддержанием коэффициента мощности близким к единице он выполнял бы еще и функцию стабилизатора выходного напряжения, то электромагнитные характеристики АВ_1 при различных значениях заданного напряжения на выходе строятся по уравнению:

Эти характеристики показаны на рис. 13.

Рис. 13. Электромагнитные характеристики АВ_1 со скользящим токовым алгоритмом управления

Виртуальная лабораторная установка АВ_1 со скользящим токовым алгоритмом управления и ее характеристики

Виртуальная лабораторная установка для исследования активного однофазного выпрямителя с токовым управлением и стабилизацией выходного напряжения показана на рис. 14.

Рис. 14. Виртуальная лабораторная установка для исследования АВ_1 со скользящим токовым алгоритмом управления

Время симуляции равно 0,7 с, шаг дискретизации — Max Step Size = 1e-5. Каждый блок пакетов Simulink и Sim Power System имеет окно настройки основных параметров. Модель АВ_1 содержит силовые блоки, блоки управления, блоки измерения и блоки передачи сигналов внутри модели и в рабочую область МATLAB. В системе управления реализован алгоритм I * _d _ I * _d [1, 2].

Рис. 15. Блок управления полупроводниковым коммутатором

В блоке Sine Wave задается фаза потребляемого из сети тока относительно сетевого напряжения. В блоке Hist_Control (рис. 15) реализован симметричный способ управления полупроводниковым коммутатором; мгновенные значения напряжения и тока в сети, а также напряжения и тока нагрузки измеряются блоком Multimeter. В блоке Subsystem 1 вычисляются:

• амплитуда напряжения сети;
• амплитуда тока сети;
• среднее напряжение нагрузки;
• средний ток нагрузки.

Библиотеки блоков, отличающих эту модель от предыдущей (рис. 8), их названия, пиктограммы и параметры приведены в таблице 2.

Релейный контур тока подчинен контуру стабилизации напряжения с ПИД-регулятором. Для получения электромагнитных и энергетических характеристик во всем диапазоне изменения тока нагрузки преобразователя в модели переключатель Manual Switch устанавливается в нижнее положение, в блоке Repeating Sequence1 формируется линейно изменяющийся сигнал.

При этом скорость изменения сигнала подбирается достаточно низкой, чем и достигается установившийся режим работы преобразователя при различном токе нагрузки.

Для построения электромагнитных и энергетических характеристик служит программа, помещенная в листинге 3.

Листинг 3.

Электромагнитные и энергетические характеристики АВ_1 со скользящим токовым алгоритмом управления и стабилизацией выходного напряжения приведены на рис. 16. Мгновенные значения напряжения и тока в питающей сети и тока в нагрузке показаны на рис. 17. Гармонический состав тока в питающей сети представлен рис. 18.

Рис. 16. Электромагнитные и энергетические характеристики АВ_1 со скользящим токовым алгоритмом управления и стабилизацией выходного напряжения

Рис. 17. Мгновенные значения напряжения и тока в питающей сети

Рис. 18. Гармонический состав тока в питающей сети

Результаты модельного исследования АВ_1 со скользящим токовым алгоритмом управления и стабилизацией выходного напряжения показали, что во всем диапазоне изменения тока нагрузки напряжение на выходе остается неизменным, равным заданному, коэффициент мощности — постоянным (PF = 1), а КПД достаточно высоким (η = 0,95–0,98).

Заключение

Материал, представленный в данном уроке, как и во всех предыдущих, позволяет использовать разработанные виртуальные лабораторные установки для всестороннего исследования однофазного активного выпрямителя. Совпадение результатов теоретического анализа и модельного эксперимента является доказательством адекватности модели. Дальнейшие исследования АВ_1 могут касаться переходных процессов при включении и выключении, набросе и сбросе нагрузки, квазиустановившихся и переходных процессов в полупроводниковых приборах. Все эти и многие другие задачи могут быть решены путем расширения методик измерения и представления результатов, подробно описанных в цитируемой литературе [3–8].