ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ Зав кафедрой ТЭВН проф., д-р.ф.-м. н...
123 downloads
214 Views
583KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ Зав кафедрой ТЭВН проф., д-р.ф.-м. наук _____________Лопатин В.В. «____» ___________ 2005 г.
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ИЗМЕРЕНИЯ Методические указания к лабораторным работам для студентов направления 140200 «Электроэнергетика»
Томск –2005
ЭСВТ ЭЛТИ
621.315.619 Высоковольтные испытательные установки и измерения: Методические указания к лабораторным работам для студентов специальности 140201 «Высоковольтная электроэнергетика и электротехника» и направления 140200 «Электроэнергетика». - Томск: изд. ТПУ, - 47 с.
Составитель:
Рецензент:
доц., канд. техн. наук Ю.Н. Леонтьев, доц., канд. техн. наук Д.В. Жгун доц., канд. техн. наук Синебрюхов А.Г.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры техники и электрофизики высоких напряжений «____» ____________2005 г.
Зав. кафедрой ТЭВН проф. д-р ф.-м. наук
Лопатин В.В.
2
ЭСВТ ЭЛТИ
1. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ВЫСОКОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ 1.1. Общие сведения Высоковольтная изоляция электрических установок в условиях эксплуатации подвергается постоянно действующему рабочему напряжению. Кроме этого, высоковольтная изоляция подвергается воздействию внутренних и грозовых перенапряжений. Возможность надежной работы изоляции в условиях воздействия рабочих напряжений и возникающих перенапряжений проверяется путем проведения испытаний электрической прочности изоляции. Для проведения таких испытаний в лабораториях используются источники высокого напряжения переменного, постоянного и импульсного напряжения. Установки высокого напряжения промышленной частоты могут имитировать условия работы изоляции в нормальном рабочем режиме и при некоторых воздействиях внутренних перенапряжений. Методы испытания и значения испытательных напряжений нормируются ГОСТ 1516-76. Испытаниям подвергается каждый вновь разработанный тип электрооборудования (типовые испытания), а также каждое изделие при его выпуске заводом-изготовителем (контрольные испытания). Целью этих испытаний является проверка соответствия электрической прочности изоляции электрооборудования требованиям ГОСТа. Кроме того, в процессе эксплуатации изоляции проводятся регулярные плановые испытания изоляции (профилактические испытания). Необходимость этих испытаний связана с постепенным ухудшением диэлектрических свойств изоляции, вызванных электромагнитными, тепловыми и химическими воздействиями окружающей среды. Испытания изоляции коммутационными импульсами или напряжением промышленной частоты (50 Гц) позволяют проверить ее способность выдерживать расчетные значения внутренних перенапряжений. Форма апериодического коммутационного импульса имеет время подъема напряжения до максимума 250 мкс, а длительность импульса 2500 мкс. Длительность импульса определяется временем от начала до момента, когда напряжение понижается до половины максимального значения. Такими импульсами положительной и отрицательной полярностей могут проводится испытания всех видов изоляции электрооборудования на номинальные напряжения до 500 кВ. Для отдельных видов электрооборудования установлены специальные формы коммутационных импульсов, в том числе колебательные импульсы. Применение для испытаний коммутационных импульсов той или иной формы оговаривается в стандартах на электрооборудование. В настоящее время коммутационными импульсами испытывается оборудование на напряжение 330 кВ и выше. Нормированные значения напряжений коммутационных импульсов для оборудования 330 кВ и 500 кВ приведены в ГОСТ 1516.1-76, а для оборудования 750 кВ в ГОСТ 20690-75. Для 3
ЭСВТ ЭЛТИ
оборудования на напряжение до 330 кВ испытания коммутационными импульсами заменяются испытаниями переменным напряжением промышленной частоты. Такая замена допускается также для электрооборудования на 330 кВ и выше. Коммутационные импульсы различной формы получают с помощью так называемых генераторов апериодических и колебательных импульсов, собранных на базе испытательных трансформаторов, каскадов трансформаторов или генераторов импульсных напряжений. Принципиальная электрическая схема испытания изоляции высоким напряжением промышленной частоты приведена на рис.1.1.
Рис. 1.1. Электрическая схема для испытания изоляции напряжением промышленной частоты В схеме испытания источником высокого переменного напряжения (Т1) может быть испытательный трансформатор или каскад, состоящий из двух или трех последовательно соединенных трансформаторов, в зависимости от необходимого уровня испытательного напряжения. Мощность источника высокого напряжения, определяемая по длительно протекающему току через объект, должна быть достаточной, чтобы обеспечить постоянство испытательного напряжения на объекте при его испытании. Регулятор напряжения (РН) должен обеспечивать необходимую скорость подъема напряжения, оговоренную ГОСТ на проведение испытания, а мощность его должна быть не менее мощности, развиваемой на объекте испытания. Основное назначение защитного сопротивления (R1) – ограничивать крутизну среза напряжения на выводах трансформатора и демпфировать колебания напряжения в цепи «объект - испытательный трансформатор» при перекрытии или пробое объекта испытания. С этой целью его величину выбирают достаточной для сглаживания начального распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора – (0,1÷1,0) Ом на 1 В номинального напряжения. Это сопротивление ограничивает также броски тока при пробое на объекте. Делитель напряжения (R3- R4) вместе с осциллографом предназначен для контроля формы и измерения величины испытательного напряжения на объекте. Параллельно объекту включается измерительный шаровой разрядник(F), который может служить для измерения напряжения на объекте, 4
ЭСВТ ЭЛТИ
градуировки делителя напряжения и вольтметра (Р), включенного на стороне низкого напряжения испытательного трансформатора. Шаровой разрядник служит также для ограничения опасных превышений напряжения в процессе проведения испытаний. Шаровой разрядник подключается через сопротивление (R5), которое служит для демпфирования колебаний в цепи «шаровой разрядник - испытательный трансформатор» при разрядах на шарах и для уменьшения износа (эрозии) рабочих поверхностей шаров. В ряде случаев необходимо измерение тока при испытании изоляции. С этой целью в цепь заземления объекта включается амперметр или сопротивление шунта (R2), напряжение с которого подается на осциллограф. При испытании изоляции допускается включение напряжения толчком, если его величина не превышает 40 % от испытательного. Затем напряжение на объекте плавно, со скоростью 3 % от испытательного, поднимается до величины испытательного напряжения. Подъем напряжения контролируется по вольтметру. С целью защиты испытуемого объекта от случайного чрезмерного повышения напряжения шаровой разрядник устанавливается на пробивное напряжение, равное (1,1÷1,2) испытательного. После достижения величины требуемого испытательного напряжения и осуществления требуемой ГОСТ одноминутной выдержки (для внутренней изоляции) или без выдержки (для внешней изоляции) напряжение на объекте должно быть снижено до 40 % испытательного или менее и после этого отключено. Аналогично производится, если это необходимо, измерение разрядного напряжение объекта. Разница состоит в том, что в этом случае напряжение поднимается до разряда на объекте. 1.3 Порядок выполнения работы 1. Подготовить таблицу для записи необходимых исходных данных и результатов измерений. 2. Записать значения давления, температуры и определить величину влажности воздуха при испытании. 3. Для заданных изоляторов по ГОСТ определить значения испытательных напряжений промышленной частоты при нормальных атмосферных условиях. 4. Определить величины испытательных напряжений с учетом влажности и плотности воздуха. 5. Провести испытания изоляторов в сухом состоянии и оценить результаты испытаний. 6. Измерить разрядное напряжение взятых изоляторов в сухом состоянии. Разрядное напряжение определить как среднее значение из 3-х измерений. Определить запас электрической прочности изоляторов в сухом состоянии.
5
ЭСВТ ЭЛТИ
1.4 Контрольные вопросы 1. Каковы условия работы и особенности конструктивного исполнения испытательных трансформаторов? 2. В чем смысл испытания изоляции напряжением промышленной частоты и коммутационными импульсами? 3. В чем причина влияния относительной плотности воздуха на значение разрядных напряжений? 4. Нарисовать принципиальную схему каскада из двух, трех трансформаторов. 5. В чем заключается основное преимущество каскада перед одиночным трансформатором на то же самое напряжение? 6. Можно ли запитывать первичные обмотки второго и третьего трансформаторов каскада от сети, если нельзя, то как осуществляется их подключение к питающему напряжению? 7. Как определяется необходимая мощность трансформатора при испытании на переменном напряжении? 8. Какова роль сопротивлений R1 и R5 в схеме испытания изоляции? 2. АНАЛИЗ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ 2.1 . Общие сведения Во многих областях науки и техники требуются источники энергии постоянного тока. Потребителям энергии постоянного тока являются радиотехнические устройства, ускорители заряженных частиц, установки электронно-ионной технологии, установки для испытания высоковольтной изоляции различного электрооборудования и т.д. Постоянное напряжение для испытания электрооборудования получают преобразованием переменного тока высокого напряжения с помощью выпрямительных устройств, использующих вентильные свойства электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов. Основными элементами схем выпрямления и схем выпрямления с умножением напряжения являются: источник переменного тока высокого напряжения; выпрямительное устройство, преобразующее переменный ток в постоянный; сглаживающий фильтр, предназначенный для уменьшения величины пульсации переменного тока; нагрузка. Выбор схемы для получения постоянного напряжения в каждом конкретном случае определяется требованиями, предъявляемыми к форме и величине напряжения на нагрузке, и имеющимся в наличии оборудованием (трансформаторы, конденсаторы, выпрямители). Схемы выпрямления можно классифицировать по следующим признакам: - по форме выпрямленного напряжения (одно – и двухполупериодные схемы); 6
ЭСВТ ЭЛТИ
- по числу фаз вторичной обмотки трансформатора )одно -, двух- и трехфазные схемы); - по схеме соединения выпрямителей (мостовая схема, схемы с последовательным или параллельным соединением выпрямителей); - по соотношению величины выходного напряжения к величине входного напряжения (схемы выпрямления, схемы выпрямления с умножением напряжения). Выходные характеристики любого выпрямительного устройства определяются схемой их включения и характером нагрузки. В настоящей работе рассматриваются следующие схемы выпрямления и схемы выпрямления с умножением напряжения: однополупериодная однофазная; двухполупериодная мостовая; трехфазная однополупериодная; трехфазная двухполупериодная; однополупериодная с удвоением напряжения; двухполупериодная с удвоением напряжения; однокаскадная схема удвоения напряжения; однополупериодная с утроением напряжения. Анализ и сравнение схем выпрямления целесообразно проводить по следующим параметрам: - по средним значениям напряжения и тока нагрузки (Uср, Iср); - по действующим (эффективным) значениям напряжения и тока нагрузки (Uэф, Iэф); - по коэффициенту формы тока I эф K ср = ; I ср - по коэффициенту постоянной составляющей тока - Кп (Кп = Iср/Imax); - по коэффициенту обратного напряжения – Кобр (Кобр = Uобр/Uср); по коэффициенту использования обмотки трансформатора по мощности - Ктр
K тр =
Р ср Р2
=
2 U ср
nU 2эф2
,
где n – число фаз трансформатора; U 2эф2 - эффективное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора. 2.1.1. Однополупериодная однофазная схема выпрямления при работе на активную нагрузку Однополупериодная схема выпрямления для получения постоянного тока в нагрузке представлена на рис. 2.1. На этом же рисунке представлена диаграмма изменения напряжения на сопротивлении нагрузки для схем рис. 2.1, а и рис. 2.1, б. соответственно.
7
ЭСВТ ЭЛТИ
Рис. 2.1. Схемы однополупериодного выпрямления: а – без фильтра; б – с фильтром и соответственно диаграммы напряжения (в и г) на нагрузке В схеме рис.2.1,а ток через нагрузку протекает только в течение одного полупериода (когда открыт выпрямитель V1) и создает на нагрузке импульс напряжения. В течение второго полупериода выпрямитель закрыт, ток через нагрузку не протекает и на нагрузке напряжение равно нулю (рис. 2.1.в). Среднее и действующее значения напряжения на нагрузке можно определить интегрированием кривой Uн(t) в пределах периода. 1 T/2 U ср = ∫ U ⋅ sinωt ⋅ dt ≈ 0,38U m ; Т 0 m
U эф =
1T/2 2 2 ∫ U m ⋅sin ωt⋅dt ≈ 0,5U m , T 0
где Т – период переменного напряжения; Um – амплитудное значение напряжения. Пульсация напряжения равна единице, а величина обратного напряжения выпрямителя равна Uобр = Um.
δU =
U max − U min = 1. U max
С целью уменьшения пульсации и увеличения среднего и действующего напряжений в схему включается емкость фильтра (рис.2.1,б). В этом случае в течение второго полупериода, когда выпрямитель закрыт, емкость Сф разряжается на Rн и создает на нем напряжение
8
ЭСВТ ЭЛТИ −
U( t ) = U m e
t R н Сф
.
Величина пульсации при наличии сглаживающего фильтра будет меньше, чем в схеме рис.2.1,а, и зависит от величины Rн и Сф. Обратное напряжение будет равно Uобр ≅ 2Um. Схемы однополупериодного выпрямления достаточно просты и могут выполняться на напряжение до 100 кВ, но при малом сопротивлении нагрузки для обеспечения малой величины пульсации для фильтра требуются конденсаторы большой емкости. 2.1.2. Двухполупериодная мостовая схема выпрямления (схема Герца) В схеме двухполупериодного выпрямления четыре выпрямителя образуют мост, в одну диагональ которого включается сопротивление нагрузки и при необходимости параллельно нагрузке сглаживающий фильтр (Сф), а к другой диагонали подключается трансформатор (рис.2.2).
Рис. 2.2. Схемы двухполупериодного выпрямления: а – без фильтра; б – с фильтром и соответственно напряжения (в и г) на нагрузке В течение положительного полупериодеа переменного напряжения трансформатора выпрямители V1 и V3 открыты, а выпрямители V2 и V4 закрыты. Через нагрузку протекает ток и создает на ней напряжение, пропорциональное току. В течение отрицательного полупериода открыты выпрямители V2 и V4 и закрыты выпрямители V1 и V3. Через нагрузку протекает ток того же знака, что и в первом случае. Таким образом, через нагрузку протекает ток одного знака в течение всего периода переменного напряжения трансформатора и создает на нагрузке напряжение, пропорциональное току (рис. 2.2, в) 9
ЭСВТ ЭЛТИ
Среднее и действующее значения напряжений на нагрузке будет в этом случае равны: U ср ≈ 0,636U m , U эф ≈ 0,709U m . Однако величина пульсаций напряжения будет такой же, как и в схеме однополупериодного выпрямления (рис. 2.1, а) без фильтра. При включении в схему фильтра (рис. 2.2, б) диаграмма напряжения на нагрузке будет иметь вид, показанный на рис. 2.2, г. Величина пульсаций напряжения в этом случае будет меньше, чем в схеме однополупериодного выпрямления (рис. 2.1, б) при одинаковых значениях Rн и Сф. Обратное напряжение выпрямителей в схеме с фильтром (рис. 2.2, б) и без него (рис. 2.2, а) будет одинаковым и равным Uобр ≈ Um. Преимуществами двухполупериодной схемы являются большой коэффициент использования мощности трансформатора, меньший коэффициент обратного напряжения выпрямителей, меньшая величина пульсаций напряжения при наличии фильтра. Недостатками таких схем являются: большее внутреннее сопротивление схемы, большое число выпрямителей. 2.1.3. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления В трехфазной однополупериодной схеме сопротивление нагрузки, а при необходимости и сглаживающий фильтр включаются между нулевой точкой обмотки трансформатора, соединенной в звезду, и соединенными вместе анодами или катодами выпрямителей (рис. 2.3). Ток через выпрямители протекает, если потенциал анода более положителен, чем потенциал катода рассматриваемого выпрямителя в схеме. Диаграмма напряжения на трансформаторе показана на рис. 2.3, в, а диаграмма напряжения на нагрузке от каждой из фаз и суммарное напряжение показаны на рис. 2.3, г и 2.3, д соответственно. Среднее и действующие значения напряжений на нагрузке в схеме без фильтра соответственно равны:
U ср ≈ 0,826U m ,
U эф ≈ 0,841U m ,
где Um –амплитудное значение фазного напряжения трансформатора. Пульсация напряжения в схеме без фильтра составляет 50 % от амплитудного значения. Использование фильтров в этих схемах позволяет получить практически постоянное напряжение без пульсаций. Достоинствами этой схемы являются достаточно малая величина пульсаций напряжения на нагрузке и высокая частота пульсаций по сравнению с ранее рассмотренными схемами. К недостаткам следует отнести низкий коэффициент использования выпрямителей по току и низкий коэффициент использования вторичной 10
ЭСВТ ЭЛТИ
обмотки трансформатора по мощности. Обратное напряжение выпрямителей не превышает линейного значения напряжения трансформатора. 2.1.4. Трехфазная двухполупериодная схема выпрямления (схема Ларионова) С целью снижения пульсаций тока в нагрузке и увеличения его по абсолютной величине можно применять трехфазную мостовую схему (рис.2.4), пунктиром показано подключение емкости фильтра. Схема допускает соединение вторичной обмотки трансформатора в звезду или треугольник. Ток через нагрузку в течение времени Т/6 протекает через два выпрямителя. Например, в момент времени t0 (рис. 2.4, б) ток протекает через открытые выпрямители V1 и V6, а в момент t1 – через открытые выпрямители V1 и V5 и т. д. Выпрямители открываются тогда, когда потенциал анодов в схеме будет более положителен, чем потенциал катодов. Через каждый выпрямитель схемы ток протекает в течение времени 2Т/3 (рис. 2.4, в). В нагрузке протекает суммарный ток, создающий напряжение на нагрузке, диаграмма которого показана на рис. 2.4, г. Как видно из диаграммы, напряжение на нагрузке в схеме без фильтра пульсирует от 1,5Um до 3U m . Среднее и действующее значения напряжения на нагрузке для этой схемы равны соответственно
U ср ≈ 1,652U m ,
U эф ≈ 1,678U m ,
где Um –амплитудное значение фазного напряжения трансформатора.
11
ЭСВТ ЭЛТИ
Рис. 2.3. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления: а – схема без фильтра; б – с фильтром; в – диаграмма напряжения трансформатора; г и д – диаграммы напряжения на нагрузке от каждой фазы и суммарное напряжение соответственно Достоинством схемы является очень малая глубина пульсаций и высокая частота их. Даже при отсутствии сглаживающего фильтра величина пульсаций не превышает 13 % от амплитудного значения напряжения. Недостатками схемы являются относительно невысокий коэффициент использования вторичной обмотки трансформатора по мощности и малый коэффициент использования вентилей по току.
12
ЭСВТ ЭЛТИ
Рис. 2.4. Трехфазная двухполупериодная схема выпрямления: а – электрическая схема; б – диаграмма напряжения трансформатора; в и г – диаграммы напряжения на нагрузке от каждой фазы суммарного напряжения соответственно 2.2. Схемы выпрямления с умножением напряжения Рассмотренные схемы выпрямления целесообразно использовать при получении постоянного напряжения выше 100 кВ. На более высокие напряжения такие схемы получаются громоздкими, менее надежными и достаточно дорогими по следующим причинам. 1. Выпрямители не выпускаются на большие напряжения. Использование же последовательного включения нескольких выпрямителей требует применения делителей для выравнивания потенциалов по элементам выпрямительного устройства, что усложняет схему, увеличивает габариты и уменьшает надежность работы его. 2. Получение постоянного напряжения с малыми пульсациями требует использования емкостного сглаживающего фильтра, Величина пульсаций тем меньше, чем больше емкость конденсаторов, используемых для фильтров, Изготовление конденсаторов большой емкости на высокое напряжение – дело сложное, поэтому необходимо использовать последовательно-параллельное включение конденсаторов сглаживающего фильтра. Это увеличивает габариты, стоимость схемы и снижает надежность работы. Значительно проще и дешевле получать высокое напряжение с использованием схем выпрямления с умножением напряжения на нагрузке относительно величины входного напряжения. Принцип создания таких схем 13
ЭСВТ ЭЛТИ
основан на использовании элементов с относительно низкими электрическими параметрами, работающих при жестко заданных потенциалах в схеме. Различают насколько схем такого типа: схемы выпрямления с удвоением напряжения, схемы выпрямления с утроением напряжения, схемы выпрямления с каскадным умножением напряжения. Основными элементами этих схем являются источник высокого переменного тока, выпрямители и конденсаторы. 2.2.1. Однополупериодная схема выпрямления с удвоением напряжения На рис. 2.5, а представлен вариант однополупериодной схемы выпрямления с удвоением напряжения. В данной схеме, если выпрямитель выдерживает броски тока при включении, ограниченные индуктивностью трансформатора, то можно не использовать токоограничивающие сопротивления в цепи выпрямителя. Напряжение на нагрузке получается пульсирующим от 0, когда выпрямитель V открыт, до 2Um, когда выпрямитель V закрыт.
Рис. 2.5. Однополупериодная схема с удвоением напряжения: а – электрическая схема, б – диаграмма напряжения трансформатора (1) и на нагрузке (2) Диаграмма изменения напряжения трансформатора и на нагрузке представлена на рис. 2.5, б. Обратное напряжение на выпрямителе в закрытый период достигает величины 2Um, а напряжение на конденсаторе не превышает Um. Недостатками такой схемы являются большая пульсация напряжения на нагрузке и большое внутреннее сопротивление схемы, поэтому нагрузочная характеристика имеет крутопадающий вид. 2.2.2. Двухполупериодная схема выпрямления с удвоением напряжения В данной схеме (рис. 2.6) в положительный полупериод переменного тока через выпрямитель V1 заряжается конденсатор С1. Одновременно ток протекает по нагрузке Rн и частично разряжается конденсатор С2.
14
ЭСВТ ЭЛТИ
Рис. 2.6. Двухполупериодная схема с удвоением напряжения: а – симметричная схема, б – несимметричная схема, в и г – соответствующие диаграммы напряжения трансформатора (1) и на нагрузке (2) В отрицательный полупериод через выпрямитель V2 подзаряжается конденсатор С2. В то же время ток протекает по нагрузке и частично разряжается конденсатор С1. Схема может работать в симметричном режиме (рис. 2.6, а) и несимметричном режиме относительно земли (рис. 2.6, б). В первом случае может использоваться трансформатор с одним высоковольтным выводом, а во втором случае с двумя высоковольтными выводами. Диаграммы напряжения на трансформаторе (1) и на нагрузке (2) для симметричного и несимметричного режимов даны на рис. 2.6, в и 2.6, г соответственно. Конденсаторы С1 и С2 выполняют роль сглаживающего фильтра в схеме и выбираются каждый на напряжение Um, а выпрямители должны выбираться в данной схеме на Uобр = 2Um. Такая схема позволяет получать удвоенное напряжение на нагрузке относительно входного напряжения при относительно малой величине пульсаций. Основное достоинство этой схемы заключается в том, что она может работать в двух режимах: симметричном и несимметричном. 2.2.3. Однокаскадная схема удвоения напряжения Данная схема является составным элементом каскадного умножения напряжения при получении сверхвысоких постоянных напряжений (рис. 2.7). Конденсатор С2 выполняет роль сглаживающего фильтра и заряжается пульсирующим напряжением, изменяющимся от 0 до 2Um через выпрямитель V2. Это напряжение достигает своего максимального значения, когда выпрямитель V1 закрыт, и складывается из напряжения трансформатора и напряжения на конденсаторе С1. Пульсация напряжения на нагрузке зависит от 15
ЭСВТ ЭЛТИ
величины емкости конденсатора С2 и величины сопротивления нагрузки Rн. Выпрямители в схеме работают поочередно, в различные полупериоды переменного напряжения трансформатора. Выпрямители должны быть рассчитаны на обратное напряжение, равное 2Um. Конденсатор С1 должен иметь рабочее напряжение, равное Um, а конденсатор С2 – равное 2Um. Достоинством такой схемы является малая величина пульсаций напряжения на нагрузке Кроме того, используя пульсирующие напряжения на выпрямителях V1 и V2, которые меняются от 0 до 2Um и сдвинуты относительно друг друга на 180°, можно эту схему использовать для получения каскадного умножения напряжения.
Рис.2.7. Однокаскадная схема умножения напряжения: а – электрическая схема, б – диаграмма напряжения трансформатора (1), на нагрузке (2) и на выпрямителе V1 (3) 2.2.4. Однополупериодная схема выпрямления с утроением напряжения на нагрузке Схема, представленная на рис. 2.8, позволяет получить утроенное значение напряжения на нагрузке относительно входного напряжения Um.
Рис. 2.8. Схема утроения напряжения: а – электрическая схема. б – диаграмма напряжения трансформатора (1) и на нагрузке (2) При воздействии переменного напряжения трансформатора в один из полупериодов выпрямители V1 и V2 открыты и конденсаторы С1 и С2 заряжаются до Um каждый. В другой полупериод, когда выпрямители закрыты, напряжение на нагрузке представляет из себя сумму напряжение трансформатора и двух последовательно соединенных конденсаторов. Как 16
ЭСВТ ЭЛТИ
видим из диаграммы (рис. 2.8, б), напряжение на нагрузке пульсирует от Um до 3 Um. В этой схеме выпрямители должны выдерживать напряжение, равное 2 Um, а конденсаторы должны иметь рабочее напряжение Um. Недостатком данной схемы является то, что она имеет большое внутреннее сопротивление. 2.3. Описание программы Работа выполняется в редакторе WorkBench, который позволяет моделировать электрические схемы с заданными параметрами и производить измерения тока и напряжения в процессе их работы. Вид рабочего окна показан на рис.2.9.
Рис.2.9 Вид рабочего окна программы WorkBench. Запуск работы схемы осуществляется нажатием левой кнопки «мыши» переключателя, находящегося в верхнем правом углу рабочего окна (рис.2.9, поз.1). Запуск схемы следует осуществлять на 1-2 секунды (время работы схемы показывается в нижней части рабочего окна- рис.3.1,поз.9). а затем останавливать работу нажатием кнопки Pause, или выключением переключателя. Все схемы содержат следующие элементы:
17
ЭСВТ ЭЛТИ
- Источники переменного напряжения (один или несколько) около которых обозначены их величина (действующее значение напряжения) и частота (рис.2.9, поз.2). - Диоды D (рис.2.9, поз.3); - Пассивные элементы из которых используются активные сопротивления R рис.2.9, поз.4 и емкости С (рис.2.9, поз.5); - Измерительные устройства: двухканальный осциллограф (рис.2.9, поз.6), вольтметр V (рис.2.9, поз.7), амперметр А (рис.2.9, поз.8) и могут работать в режиме непрерывного измерения постоянного и переменного сигнала. Вольтметр измеряет среднее значение напряжения. Изменение параметров всех элементов осуществляется при двойном нажатии на них левой кнопкой «мыши», и ввода необходимых параметров с клавиатуры. Окно осциллографа также появляется после двукратного нажатия на его изображение на схеме. Осциллограф может работать в двух режимах изображения экрана: обычном и расширенном. В обычном режиме работы можно визуально проследить измеряемый сигнал и визуально определить его параметры. Сигнал может подаваться на два независимых друг от друга канала: Сhannel A, Сhannel B. Каждый канала может измерять переменный (АС) и постоянный (DC) сигнал (нажата кнопка АС или DC). Нажатием кнопки D можно убрать измеряемый сигнал с экрана осциллографа. Чувствительность каждого канала можно изменять независимо друг от друга в пределах меняется независимо друг от/дел друга в пределах от 10 μВ до 5 кВ/дел. Развертку по времени (Time base) можно менять от 0,1 нс/дел до 1 с/дел. Нажатие кнопки Expand позволяет перевести экран осциллографа в расширенный режим работы. Внешний вид осциллографа в обычном режиме показан на рис.2.10.
Рис.3.2 Внешний вид экрана осциллографа в обычном режиме. В расширенном режиме работы (рис.2.11) имеется возможность при остановке работы просмотреть всю длительность сигнала с помощью полосы прокрутки и проводить его обработку, т.е. изменять чувствительность как по оси времени, так и по оси напряжения. Точное измерение сигнала осуществляется с помощью маркеров 1 и 2, находящихся в верхней части экрана осциллографа соответственно красного и синего цвета, которые перемещаются при помощи «мыши». Непосредственно под экраном находятся три табло в которых отображаются измеряемые величины. В первом табло отображаются значения величины времени -Т1, и напряжения на каналах А и 18
ЭСВТ ЭЛТИ
В- VA1,VB1 измеренные в месте положения маркера 1. Во втором табло- то же, измеренное в месте положения маркера 2. В третьем табло приводятся разности значений времени и напряжения, измеренный в точке 1 и 2. Нажатие кнопки Reduce приводит экран осциллографа в обычный вид (рис.2.10). Нажатие кнопки Reverse позволяет изменить цвета изображения сигнала (черный) и экрана осциллографа (белый) на обратные: белый и черный соответственно.
Рис.2.11 Внешний вид экрана осциллографа в расширенном режиме. Пример расшифровки обозначений на рис.3.3: Чувствительность по времени- 0,1 с/дел. Канал А работает в режиме измерения постоянного сигнала (кнопка DC ). Изображение канала В отключено (кнопка D). Чувствительность по амплитуде каналов А и В 100 В/дел. Измерения проведенные в месте нахождения маркера 1: время от начала работы схемы Т1=0,59935 с, величина напряженияVA1=2,98249 В. В месте положения маркера 2: Т2=0,6651 с, VB1=138,839 В. Соответственно разница Т2-Т1=0,06575 с, VA1-VA2=135,857 В. 2.4. Порядок работы Запустить программу с рабочего стола, дважды нажав на иконку Wewb32. После загрузки программы для открытия файлов необходимо нажать кнопку File в верхнем левом углу экрана, затем выбрать позицию Open. В появившемся окне войти в папку Лаб_ВВИУ и выбрать требуемый файл. В дальнейшем, для открытия следующих файлов можно воспользоваться нажатием клавиши . Внимание. При открытии последующих файлов на запрос программы о сохранении изменений в данной файле отвечать нет. 4.1 Открыть файл 1 (однополупериодная схема выпрямления). 19
ЭСВТ ЭЛТИ
а) Определить длительность одного полупериода колебаний напряжения при помощи осциллографа. Измерения проводить на канале В. б) Определить число пульсаций выпрямленного напряжения за период переменного напряжения, используя канал А осциллографа. Зафиксировать при помощи вольтметра V значение напряжения на нагрузке. 4.2 Открыть файл 2 (однополупериодная схема выпрямления с фильтром) а) Определить напряжение на нагрузке при R=∞ (сопротивление отключено от основной схемы). б) подключить к схеме нагрузку R с последовательно включенным амперметром А и снять внешнюю, нагрузочную характеристику схемы выпрямления Uн=f(Iн) при постоянной величине емкости С (провести 5-6 измерений). Величину сопротивления R изменять в пределах от 1 до 50 кОм. Результаты измерений занести в таблицу. в) измерить величину пульсаций напряжения δU=f(C) при постоянном значении сопротивления нагрузки R=1-50 кОм (провести 5-6 измерений). Величину емкости С изменять в пределах от 1 до 10 мкФ. Результаты измерений занести в таблицу. 4.3
Открыть файл 3 (двухполупериодная мостовая схема) и выполнить требования п. 4.1,б 4.4 Открыть файл 4 (двухполупериодная мостовая схема с фильтром) и выполнить требования п. 4.2а,б 4.5 Открыть файл 5 (трехфазная однополупериодная схема) и выполнить требования п. 4.1,б 4.6 Открыть файл 6 (трехфазная однополупериодная схема с фильтром) и выполнить требования п.4.2а,б 4.7 Открыть файл 7 (трехфазная двухполупериодная схема) и выполнить требования п. 4.1б 4.8 Открыть файл 8 (трехфазная двухполупериодная схема с фильтром) и выполнить требования п. 4.2а,б. Примечание: В данной схеме при снятии нагрузочной характеристики R≤5 кОм, С≤1 мкФ. 4.9 Открыть файл 9 (однополупериодная схема с удвоением напряжения) и измерить напряжение на нагрузке при R=∞. Подключить нагрузку и снять внешнюю (нагрузочную) характеристику Uн=f(Iн). Результаты занести в таблицу. Напряжение на нагрузке измерять при помощи осциллографа. 4.10 Открыть файл 10 (двухполупериодная схема с удвоением напряжения) и выполнить требования п. 4.9. 4.11 Открыть файл 11(однокаскадная схема с удвоением напряжения) и выполнить требования п. 4.9. 4.12 Открыть файл 12 (однополупериодная схема с утроением напряжения) и выполнить требования п. 4.9. Напряжение на нагрузке измерять при помощи осциллографа.
20
ЭСВТ ЭЛТИ
2.5 Содержание отчета В отчете должны быть приведены схемы выпрямления и схемы выпрямления с умножением напряжения и соответствующие диаграммы напряжения, значения напряжения трансформатора и на нагрузке, таблицы с результатами измерений. Построить зависимость δU = f(Сф) для схемы по пункту 4.2, в. Построить внешние характеристики для схем по пунктам 4.2, 4.4, 4.6, 4.8, 4.9-4.12. Характеристики по пунктам 4.2, 4.4, 4.6, 4.8 строить на одной координатной плоскости, а характеристики по пунктам 4.9-4.12 строить на другой координатной плоскости. При построении характеристик напряжение и ток выразить в относительных единицах. U I U∗ = н , I∗ = н . Uб Iб За базисную величину Iб принять минимальное значение тока Iн для соответствующей схемы. Напряжение нагрузки, соответствующее базисному току данной схемы, полагать равным – Uб. Определить коэффициенты умножения напряжений на нагрузке относительно напряжения трансформатора для схем по пунктам 4.9-4.12. Сделать выводы по работе, ответить на контрольные вопросы 2.6. Контрольные вопросы 1. Что такое обратное напряжение и прямой ток выпрямителя? 2. От чего зависит величина и частота пульсаций напряжения на нагрузке? 3. Пути снижения пульсаций напряжения на нагрузке. 4. Что такое внешняя (нагрузочная) характеристика схемы? 5. В чем заключаются трудности использования простейших схем выпрямления для получения высоких напряжений более 100 кВ? 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КАСКАДНОГО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА 3.1 Общие сведения Известны всего два способа преобразования низкого напряжения в высокое и сверхвысокое постоянное напряжение: электростатические генераторы с механическим транспортером зарядов и различные устройства, включающие в себя повышающие трансформаторы и выпрямители переменного тока. Область применения электростатических генераторов ограничена сравнительно небольшой их мощностью (порядка нескольких киловатт), а также теми случаями, когда КПД установки не имеет 21
ЭСВТ ЭЛТИ
первостепенного значения. Во всех других случаях для получения высокого постоянного напряжения приходится использовать ту или иную комбинацию повышающих трансформаторов и выпрямителей. Для получения постоянного напряжения требуемого значения, при относительно небольшой амплитуде напряжения, можно использовать последовательное включение нескольких выпрямителей (каскадов) при фиксированной разности потенциалов на них. Высоковольтные генераторы постоянного напряжения, основанные на этом принципе, получили название каскадных генераторов. Каскадный генератор постоянного тока – один из наиболее распространенных в настоящее время источников высокого и сверхвысокого постоянного напряжения. Традиционная область использования каскадных генераторов – это питание различной электрофизической аппаратуры и, в первую очередь, высоковольтных ускорителей различных типов. Они успешно используются также для питания электротехнических устройств и для испытаний высоковольтной аппаратуры, работающей при постоянном напряжении. В зависимости от типа связи между каскадами и способа питания каскадов выпрямителей от источника питания различают каскадные генераторы с емкостной или индуктивной связью с последовательным питанием каскадов. В настоящее время наиболее детально изучены каскадные генераторы с емкостной связью между каскадами и последовательным питанием от источника. Генераторы, собранные по такой схеме, обычно принято называть генераторами Кокрофта-Уолтона (рис. 3.1). Такие генераторы позволяют получать в настоящее время постоянное напряжение порядка 4÷5 МВ при мощности свыше 100 кВт. При последовательном питании ток от источника протекает к последующим каскадам через емкостное сопротивление связи предыдущих каскадов. В таких генераторах внутреннее сопротивление схемы возрастает нелинейно с ростом числа каскадов. При этом наблюдается зависимость распределения напряжения по каскадам генератора от тока нагрузки. Достоинством таких генераторов является постоянство напряжения на элементах каскада независимо от его расположения. В основе работы каскадного генератора лежит принцип зарядки емкостей каждого последующего каскада пульсирующим напряжением на выпрямителях. При приложении синусоидального напряжения трансформатора к схеме потенциал точки 0′ будет изменяться по закону ϕ0′ = Umsinωt (рис. 3.2). В течение первой половины положительного полупериода потенциал ϕ1′ может быть больше ϕ0. Выпрямитель V1 будет открыт и конденсатор С1′ будет заряжаться
22
ЭСВТ ЭЛТИ
до напряжения UС1′= ϕ1′-ϕ0′. Пока открыт выпрямитель V1 ϕ1′-ϕ0=0. Следовательно, UС1′= -Umsinωt. В процессе работы генератора в стационарном режиме без нагрузки конденсатор С1′ зарядится до UС1′ = -Um. В течение второй половины положительной полуволны потенциал ϕ0′ начнет уменьшаться и потенциал ϕ1′ станет меньше потенциала ϕ0. Выпрямитель V1 закроется. Характер изменения потенциала в точке 1′ будет ϕ1′= UС1′-ϕ0′ = -Um+ Umsinωt. При дальнейшем изменении потенциала точки 1′ в течение первой половины отрицательной полуволны ϕ1′ станет меньше ϕ1и выпрямитель V2 откроется. Напряжение на выпрямителе V1 U0-1′=ϕ1′-ϕ0= -Um + Umsinωt будет приложено к конденсатору С1 и зарядит его в процессе работы генератора до UС1 = - 2Um, т.е. ϕ1= -2Um. В течение второй половины отрицательной полуволны ϕ0′станет возрастать и, следовательно, ϕ1′>ϕ1.Выпрямитель V2 закроется. Когда потенциал ϕ0′ станет снова положительным и будет возрастать, то в какое-то время ϕ1