Параметрический источник тока

Лабораторная работа 45

Источники питания электродных

Металлургических установок

Цель работы

Изучение принципов работы и экспериментальное исследование характеристик параметрического источника тока (ПИТ) и полупроводниковых выпрямителей.

Необходимые теоретические сведения

Параметрический источник тока

Источники энергии в электрических цепях принято рассматривать как источники ЭДС и источники тока. К источникам ЭДС обычно относят источники электромагнитной энергии, в которых ЭДС не зависит или практически не зависит от тока, идущего от источника в приемник, и внутреннее сопротивление R_вн которых мало. К источникам тока обычно относят источники электромагнитной энергии, в которых ток не зависит или практически не зависит от напряжения на зажимах приемника. Они имеют малую внутреннюю проводимость и, следовательно, большое внутреннее сопротивление R_вн.

Одним из типов источников тока является параметрический источник тока (ПИТ), который нашел применение в ряде электротехнологических установок, например, с вакуумными дуговыми печами. При работе таких установок требуется стабилизация выходного тока, что и обеспечивает ПИТ.

Принципиальная электрическая схема однофазного ПИТ и векторные диаграммы для токов и напряжений при различных видах нагрузки приведены на рис.45.1.

Для электрической схемы (рис.45.1) справедлива следующая система уравнений, составленных по законам Кирхгофа:

(45.1)

Решение этой системы уравнений дает следующее выражение для комплексного действующего значения тока нагрузки при

. (45.2)

Рис.45.1. Параметрический источник тока:

а – принципиальная схема; б – векторные диаграммы токов

и напряжений для активной нагрузки; в – векторные диаграммы токов и напряжений для активно-индуктивной нагрузки

Из выражения 45.2 видно, что значение тока в сопротивлении Z_н зависит от величины линейного напряжения, сопротивления реактивных элементов и не зависит от параметров нагрузки. По фазе ток всегда опережает напряжение на угол p/2. Модуль и фаза напряжения на нагрузке определяются сопротивлением нагрузки

. (45.3)

На рис.45.1, б построены векторы токов и напряжений при различных положениях точки N, когда нагрузка Z_н чисто активная, то есть Z_н = R_н.

Если Z_н = 0, что соответствует режиму короткого замыкания в фазе А, точка N совпадет с точкой А, и фазные напряжения и возрастут до линейных ( , ). В этом режиме вектор тока опережает вектор на угол p/2, а вектор тока отстает от вектора на угол p/2.

Из векторной диаграммы видно, что в режиме короткого замыкания в фазе Н токи во всех трех фазах равны между собой и образуют систему обратной последовательности.

Если , то точка N совпадает с нулевой точкой трехфазного источника питания с симметричной системой фазных напряжений. В этом случае напряжения на элементах Z_н, L, C будут равны фазным напряжениям, токи I_н, I_L, I_c равны по величине и образуют систему обратной последовательности.

При точка N располагается вне треугольника линейных напряжений. Напряжения на элементах L, C равны линейному U_Л, а напряжение на нагрузке Z_н равно . Токи вовсех трех фазах образуют симметричную систему токов прямой последовательности. При данном значении сопротивления параметрический источник тока является одновременно и симметрирующим устройством.

При размыкании нагрузки (Z_н = ∞) сопротивления Х_L и Х_С окажутся соединенными последовательно, что соответствует режиму резонанса напряжений в фазах и .. Напряжение на нагрузке стремится к бесконечно большому значению. Поэтому режим холостого хода для параметрического источника тока является аварийным.

Отметим, что при активном характере нагрузки ( ) точка N перемещается по прямой, совпадающей с осью вещественных значений. Если нагрузка активно-емкостная, точка N будет перемещаться по кривой, расположенной слева от вертикальной оси, и напряжение на индуктивном элементе окажется больше, чем на емкостном. Для активно-индуктивной нагрузки точка N смещается вправо от вещественной оси и напряжение на емкости С превысит напряжение на индуктивности L (рис.45.1, в). Между векторами напряжения и тока появится угол φ_н.

В реальном источнике реактор имеет не только индуктивное, но и активное сопротивление, обусловленное наличием активных потерь, как в обмотке, так и в сердечнике дросселя. Питание нагрузки осуществляется, как правило, через трансформатор. Вследствие нелинейности характеристики намагничивания трансформатора обрыв нагрузки приводит к конечному росту напряжения на первичной обмотке трансформатора, примерно до 1,35 U_ном. Из-за опасности перенапряжения на элементах ПИТ отключается защитой от сети.

В трехфазном варианте ПИТ представляет собой комбинацию трех однофазных источников, подключенных к сети с соблюдением кругового чередования фаз (рис.45.2).

Для питания приемников постоянного тока к ПИТ подключается неуправляемый выпрямитель, выполненный по любой известной схеме.

Регулирование тока нагрузки, подключенной к ПИТ, можно осуществить разными способами:

1) ступенчатым изменением числа витков первичной обмотки трансформатора;

2) плавным регулированием тока за счет встречно-параллельного подключения к нагрузке тиристоров.

Возможны и другие способы регулирования, например, изменением напряжения на входе ПИТ и др.

Расчет параметрического источника тока можно выполнить по следующим формулам:

1. Электрическое сопротивление конденсаторной батареи

,

где w= 2pf – круговая частота напряжения питающей сети, рад/с; – емкость конденсаторной батареи, Ф.

2. Ток в нагрузке

,

где U_л – линейное напряжение питающей сети.

3. Расчетное напряжение на конденсаторах

,

где – относительное напряжение короткого замыкания на зажимах трансформатора; » 0,07; U_ном = U_ф – фазное напряжение питающей сети.

4. Реактивная мощность конденсаторной батареи

,

где .

5. Индуктивность дросселя

.

6. Расчетное напряжение дросселя

.

7. Расчетный ток дросселя

.