Методичка на тему Энергетическая электроника
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2014-12-18Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению индивидуальной расчетно-графической работы
по курсу "Энергетическая электроника"
Если при выполнении расчетно-графической работы у студента возникают затруднения, он может обратиться в университет за консультацией.
Вариант выполняемой расчетно-графической работы студент определяет по последним цифрам шифра зачетной книжки.
расчетно-графическую работу студент должен выполнять в отдельной тетради или на формате А4, на обложке тетради или титульном листе должны быть указаны фамилия, имя и отчество студента, курс, группа, наименование учебной дисциплины, номер учебного шифра студента.
В работе на каждой странице должно быть оставлено свободное поле шириной около 4 см, на котором преподаватель, проверяющий расчетно-графическую работу, в случае необходимости, записывает свои рекомендации или замечания.
Пояснительный текст, формулы и расчеты в работе должны быть написаны разборчиво, желательно черной пастой. Схемы и графики следует выполнять простым карандашом. Условные графические обозначения элементов схем должны соответствовать ГОСТам.
Сложные графические зависимости следует выполнять на миллиметровой бумаге, соблюдая требования ГОСТов. Буквенные обозначения и наименования каждой величины должны быть представлены в единицах СИ.
Вычисление каждого параметра необходимо начинать с указания использованного учебного или другого пособия и производить в следующем порядке:
записать формулу, по которой вычисляют величины параметра;
привести значения каждого условного обозначения;
подставить в формулу числовые значения и вычислить величины;
результат вычислений записать в единицах СИ.
Ответы на теоретические вопросы следует формулировать кратко и ясно, указывая источники, которые использованы при подготовке.
В конце расчетно-графической работы необходимо привести список использованных источников.
В случае невыполнения требований данных методических указаний представленная на рецензию расчетно-графическая работа не будет зачтена.
Задача 1
Рассчитать параметры преобразовательного трансформатора (ПТ) и вентильного комплекта (ВК) неуправляемого выпрямителя (НВ). По рассчитанным параметрам выбрать тип вентиля. Изобразить схему выпрямителя и временные диаграммы токов и напряжений, считая, что выпрямленный ток идеально сглажен. исходные данные для расчета НВ приведены в таблице 1. принимать при расчете НВ величину напряжения короткого замыкания ПТ Uкз = 8% и пренебрегать активными сопротивлениями в цепях выпрямителя. Частота питающей сети fc = 50 Гц.
Определить: 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
.
Изобразить: 
; 
; 
; 
; 
; Uвен (t).
Задача 2.
Изобразить схему реверсивного преобразователя по данным табл.2, выбрав группу (перекрестную или встречно-параллельную) преобразователя и способ управления реверсивными вентильными группами. Вычислить для значения IdH и углов управления α, заданных в табл.2, следующие параметры:
углы коммутации γ,
коэффициенты пульсаций по первой гармонике Kn (1),
коэффициент мощности Км.
считая, что выпрямленный ток идеально сглажен, для α=0 и трех заданных значений угла управления α построить внешние характеристики, а также для α1 построить временные зависимости U2 (t), Ud (t), ia (t), Uвен (t). Для инверторного режима построить ограничительную характеристику, принимая d=wtв. выбрать тип вентиля, рассчитав необходимые для этого параметры. Частота питающей сети fc = 50 Гц. Пояснить особенности работы преобразователя при использовании выбранного способа управления.
Задача 3.
Выбрать тип и определить параметры сглаживающего фильтра выпрямителя. Изобразить схему выпрямителя и сглаживающего фильтра. Исходные данные для расчета приведены в табл.3. Нагрузка носит импульсный характер. Частота питающей сети fc = 50 Гц.
Вопрос 1. Перечислить требования к системам управления преобразователя, ведомыми сетью. Охарактеризовать синхронные и асинхронные системы управления.
Изобразить структурную схему синхронной (вариант 1¸5 (предпоследняя цифра № зачетной книжки)) или асинхронной (вариант 6¸0 (предпоследняя цифра № зачетной книжки)) системы импульсно-фазового управления (СИФУ).
Описать работу СИФУ с горизонтальным способом регулирования угла управления (варианты 1, 2, 6, 8, 0 (последняя цифра № зачетной книжки), или с вертикальным способом регулирования угла управления (варианты 3, 4, 5, 7, 9 (последняя цифра № зачетной книжки). Описать назначение каждого блока системы управления и принцип СИФУ работы в целом.
Вопрос 2. Перечислить основные параметры, характеризующие стабилизатор напряжения. Перечислить дестабилизирующие факторы, воздействующие на напряжение питания электронных устройств.
Начертить схему силовых цепей компенсационного стабилизатора напряжения заданного типа и описать его работу (вариант - последняя цифра № зачетной книжки):
(варианты 1-2) - последовательного типа с линейным регулированием;
(варианты 3-4) - параллельного типа с линейным регулированием;
(варианты 5-6) - понижающего типа с импульсным регулированием;
(варианты 7-8) - повышающего типа с импульсным регулированием;
(варианты 9-0) - инвертирующего типа с импульсным регулированием;
Привести достоинства, недостатки и области применения заданного типа стабилизатора напряжения.
основная Литература
1 Руденко В.С. та ін. Промислова електроніка: Підручник / В.С. Руденко, В.Я. Ромашко, В. В Трифонюк. -К.: Либідь, 1993. - 432с.
2 Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высш. шк., 1982. - 496с.
3 Чиженко И.М., Руденко В.С., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. - М.: Высшая школа, 1981. - 423 с.
4 Источники электропитания РЭА. справочник. Под ред.Г.С. Найвельт.к Б. Мазель.Ч.И. Хусаинов М.: - Радио и связь 1985.
Методические указания
1 При выполнении задачи 1 для определение действующего фазного напряжения U2 сетевой обмотки преобразовательного трансформатора следует воспользоваться уравнением внешней характеристики выпрямителя в относительных единицах [3]:
(1)
гдеU*dH - среднее выпрямленное напряжение выпрямителя при нагрузке, отнесённое к среднему выпрямленному напряжению Ud0 неуправляемого выпрямителя при холостом ходе, U*d = Ud/Ud0;
I*d - средний выпрямленный ток выпрямителя, отнесённое к среднему выпрямленному току IdН неуправляемого выпрямителя при номинальной нагрузке I*d = Id /IdН,
Id - средний выпрямленный ток выпрямителя;
IdH - номинальный средневыпрямленный ток выпрямителя.
a - угол управления управляемого выпрямителя;
В - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя:
для мостовой схемы выпрямителя в=0,7;
для двухфазной однотактной схемы В=0,35;
для трёхфазной однотактной схемы В=0,87;
для трёхфазной мостовой В=0,5;
Uk% -напряжение опыта короткого замыкания преобразовательного трансформатора в процентах от номинального напряжения:
Здесь Хт - индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, приведённое к числу витков первичной обмотки;
I1H и U1H - номинальный ток и напряжение первичной обмотки преобразовательного трансформатора соответственно;
Для неуправляемого выпрямителя при номинальном токе нагрузки IdH выражение (1) принимает следующий вид:
(2)
По вычисленному значению U*dH и заданной величине UdH определяется 
и далее номинальное действующее фазовое напряжение U2H схемной обмотки трансформатора. Так, для однофазного мостового и двухфазного однотактного выпрямителей 
для трёхфазной однотактной 
для трёхфазного мостового соединения схемной обмотки трансформатора в “звезду" 
при соединении схемной обмотки в “треугольник” 
Действующий ток вторичной обмотки выпрямительного трансформатора, поскольку выпрямительный ток идеально сглажен, с достаточной для инженерных расчётов точностью можно определить для однотактных схем выпрямления по выражению 
где m2 - число фаз схемной обмотки трансформатора.
В однофазной мостовой схеме выпрямления I2 = idH, в трёхфазной мостовой линейный ток схемной обмотки для соединения Y/Y 
для соединения 
в мостовых схемах выпрямления действующий линейный ток сетевой обмотки выпрямительного трансформатора определяется по выражению 
где KT - коэффициент трансформации трансформатора. 
для Y/Y 
или 
U1л - действующее линейное напряжение сетевой обмотки трансформатора; U2л - действующее линейное напряжение схемной обмотки трансформатора.
Действующий ток сетевой обмотки преобразовательного трансформатора двухфазного однотактного выпрямителя находят по выражению 
, трехфазного нулевого - 
.
Расчёт мощности сетевой S1 и схемной S2 обмоток выпрямительного трансформатора вычисляют по формуле S = m UI
где m - число фаз обмотки;
U - действующее напряжение фазы обмотки;
I - действующий ток фазы обмотки;
типовую мощность ST трансформатора по выражению ST= (S1+S2) /2.
Коэффициент использования преобразовательного трансформатора определяют по формуле 
где Pd = Ud0Idн.
Углы коммутации g тока в выпрямителях при U2=U2HOM вычисляют из следующих уравнений:
для двухфазной однотактной схемы
(3)
для однофазной мостовой схемы
(4)
для трёхфазной однотактной и для трёхфазной мостовой схем
(5)
где XT - индуктивное сопротивление обмоток преобразовательного трансформатора, приведённое к числу витков схемной обмотки,
;
U2н и I2н - номинальные фазные действующие напряжение и ток схемной обмотки трансформатора (соединённой в “звезду”);
Примечание: в формулах 3, 4, 5 для режима выпрямления (a<90о) следует брать знак “+” перед дробью в правой части уравнения, а для инверторного режима (a>90о) - знак “-” перед дробью в правой части уравнения.
Коэффициент Км мощности выпрямителя вычисляют по выражению 
где Кн- коэффициент искажения формы кривой потребляемого из сети переменного тока (коэффициент не синусоидальности);
- коэффициент сдвига первой гармоники тока.
При индуктивности Ld нагрузки, стремящейся к бесконечности коэффициент несинусоидальности:
для однофазного мостового и двухфазного однотактного выпрямителей 
для трёхфазного мостового 
для трёхфазной нулевой 
Угол j сдвига первой гармоники при Ld®¥ равен j = a + g / 2
Средний ток вентиля в однофазной мостовой и двухфазной однотактной схемах равен 
в трёхфазной мостовой нулевой схемах 
Выбор вентиля по току должен быть произведён по следующей методике. В нормальном режиме работы выпрямителя максимальное обратное напряжение Uобр на вентиле без учета коммутационных перенапряжений составит: 
для однофазного мостового выпрямителя; 
для двухфазного однотактного выпрямителя; 
для трёхфазных выпрямителей.
Выбор вентиля для рассчитываемого выпрямителя необходимо производить по допустимому повторяющемуся напряжению с учётом коммутационных перенапряжений и возможных колебаний напряжения питающей сети. Полагая, что коммутационные перенапряжения составят не более 20-30% от амплитудного линейного напряжения 
схемной обмотки преобразовательного трансформатора, а колебания напряжения питающей сети не превысят +10%, выбор вентилей по напряжению следует производить по величине повторяющегося напряжения (1,3¸1,4) U2лm.
По допустимому прямому среднему току выбор вентилей следует производить с учетом требуемого запаса, то есть рассчитанное значение не должно превышать 0,7¸0,8 допустимого 
.
При выполнении задачи 2 выбор встречно-параллельной или перекрёстной схемы реверсивного преобразователя определяется числом комплектов вторичных обмоток преобразовательного трансформатора, поскольку схема соединения обмоток трансформатора задана.
Для одного комплекта вторичных обмоток реверсивный преобразователь может быть выполнен только по встречно-параллельной схеме. Для двух комплектов вторичных обмоток преобразовательного трансформатора реверсивный преобразователь выполняют по перекрёстной схеме.
При совместном согласованном управлении реверсивными вентильными группами преобразователя должна быть предусмотрена установка разделительных дросселей (уравнительных реакторов).
При раздельном управлении реверсными вентильными группами реверсного преобразователя установка уравнительных реакторов не требуется.
Расчеты при выполнении задания 2 выполняются с использованием формул, приведенных выше для задачи 1. Действующее фазное напряжение U2 схемной обмотки трансформатора следует определять из выражения (1), принимая 
и 
.
Угол коммутации, в зависимости от схемы преобразователя, вычисляют по выражениям (3) - (5).
Коэффициент Кп (q) пульсации выпрямленного напряжения для q - й гармоники можно вычислить по выражению:
(6)
гдеР - пульсность схемы преобразователя (число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети).
Входная характеристика ведомого инвертора должна быть построена (и предпочтительно строить) в относительных единицах.
Ограничительную характеристику ведомого инвертора следует строить, используя следующее аналитическое выражение:
или, в относительных единицах,
где w - круговая частота сети переменного тока. w =2p f (1/сек);
tв - паспортное время выключения выбранного типа тиристора.
Ограничительную характеристику ведомого инвертора следует строить на семействе внешних характеристик реверсивного преобразователя в области его работы в инверторном режиме.
выбор сглаживающего фильтра выпрямителя необходимо производить, учитывая мощность выпрямителя, а также характер и сопротивление нагрузки.
В мощных выпрямителях, когда PdH = UdHIdH порядка нескольких киловатт и больше, необходимо использовать индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра определяется по выражению [1].
(7)
где Rd -активное сопротивление нагрузки выпрямителя (в мощных выпрямителях величина Rd составляет доли ома);
Kп (1) - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения на выходе фильтра по первой гармонике.
В выпрямителях малой мощности (на токи до 1 ч 1,5 ампер) следует использовать простейшие ёмкостные фильтры.
Для двухполупериодных выпрямителей величина ёмкости сглаживающего конденсатора может быть вычислена по выражению
(8)
В выпрямителях при токах нагрузки более 1А целесообразно применять
Г - образный индуктивно-ёмкостной LC - фильтр.
Величина индуктивности 
- фильтра определяют из условия обеспечения непрерывности тока в ней [1]. Тогда
(9)
где 
или а= (р ω) ¤ Кп (1) вх,
Величина ёмкости 
- фильтра находится после выбора дросселя из зависимости [2]
(10)
где Кф - коэффициент фильтрации фильтра.
В тех случаях, когда сопротивление нагрузки выпрямителя составляет несколько тысяч Ом, следует использовать Г - образный активно-ёмкостной фильтр (RC) [1].
Величину активного сопротивления r фильтра обычно берут равной 
, а величину С - фильтра находят из выражения
. (11)
Если нагрузка носит импульсный характер, емкость выходного конденсатора выбирать такой, чтобы обеспечить требуемые параметры тока нагрузки. Если задано допустимое искажение импульса тока, выраженное в допустимом уменьшении тока нагрузки за время действия импульса
, то 
. (12)
При использовании в качестве единиц измерения в формулах времени в секундах, тока - в амперах, напряжения - в вольтах, емкость конденсатора будет вычислена в фарадах.
Выбор унифицированных элементов схем (вентилей, конденсаторов, дросселей) необходимо производить по профессиональной справочной литературе.
2. Выпрямление и инвертирование электроэнергии. Назначение и области применения выпрямителей и инверторов.
3. Коммутация вентилей естественная и принудительная. Примеры
4. Характеристики неуправляемых вентилей.
5. Характеристики управляемых вентилей.
6. Выравнивание токов вентилей и напряжения на вентилях.
7. Перенапряжения на вентилях. Причины возникновения и способы защиты от них.
8. Инверторы, ведомые сетью и автономные инверторы. Отличительные признаки. Области применения.к выполнению индивидуальной расчетно-графической работы
по курсу "Энергетическая электроника"
Общие указания по выполнению расчетно-графических работ
Перед выполнением работ студент должен, прежде всего, ознакомиться с методическими указаниями и выучить необходимый теоретический материал в рекомендуемых литературных источниках. расчетно-графическую работу выполняют в соответствии с данными указаниями.Если при выполнении расчетно-графической работы у студента возникают затруднения, он может обратиться в университет за консультацией.
Вариант выполняемой расчетно-графической работы студент определяет по последним цифрам шифра зачетной книжки.
расчетно-графическую работу студент должен выполнять в отдельной тетради или на формате А4, на обложке тетради или титульном листе должны быть указаны фамилия, имя и отчество студента, курс, группа, наименование учебной дисциплины, номер учебного шифра студента.
В работе на каждой странице должно быть оставлено свободное поле шириной около 4 см, на котором преподаватель, проверяющий расчетно-графическую работу, в случае необходимости, записывает свои рекомендации или замечания.
Пояснительный текст, формулы и расчеты в работе должны быть написаны разборчиво, желательно черной пастой. Схемы и графики следует выполнять простым карандашом. Условные графические обозначения элементов схем должны соответствовать ГОСТам.
Сложные графические зависимости следует выполнять на миллиметровой бумаге, соблюдая требования ГОСТов. Буквенные обозначения и наименования каждой величины должны быть представлены в единицах СИ.
Вычисление каждого параметра необходимо начинать с указания использованного учебного или другого пособия и производить в следующем порядке:
записать формулу, по которой вычисляют величины параметра;
привести значения каждого условного обозначения;
подставить в формулу числовые значения и вычислить величины;
результат вычислений записать в единицах СИ.
Ответы на теоретические вопросы следует формулировать кратко и ясно, указывая источники, которые использованы при подготовке.
В конце расчетно-графической работы необходимо привести список использованных источников.
В случае невыполнения требований данных методических указаний представленная на рецензию расчетно-графическая работа не будет зачтена.
Задача 1
Рассчитать параметры преобразовательного трансформатора (ПТ) и вентильного комплекта (ВК) неуправляемого выпрямителя (НВ). По рассчитанным параметрам выбрать тип вентиля. Изобразить схему выпрямителя и временные диаграммы токов и напряжений, считая, что выпрямленный ток идеально сглажен. исходные данные для расчета НВ приведены в таблице 1. принимать при расчете НВ величину напряжения короткого замыкания ПТ Uкз = 8% и пренебрегать активными сопротивлениями в цепях выпрямителя. Частота питающей сети fc = 50 Гц.
Определить:
Изобразить:
Задача 2.
Изобразить схему реверсивного преобразователя по данным табл.2, выбрав группу (перекрестную или встречно-параллельную) преобразователя и способ управления реверсивными вентильными группами. Вычислить для значения IdH и углов управления α, заданных в табл.2, следующие параметры:
углы коммутации γ,
коэффициенты пульсаций по первой гармонике Kn (1),
коэффициент мощности Км.
считая, что выпрямленный ток идеально сглажен, для α=0 и трех заданных значений угла управления α построить внешние характеристики, а также для α1 построить временные зависимости U2 (t), Ud (t), ia (t), Uвен (t). Для инверторного режима построить ограничительную характеристику, принимая d=wtв. выбрать тип вентиля, рассчитав необходимые для этого параметры. Частота питающей сети fc = 50 Гц. Пояснить особенности работы преобразователя при использовании выбранного способа управления.
Задача 3.
Выбрать тип и определить параметры сглаживающего фильтра выпрямителя. Изобразить схему выпрямителя и сглаживающего фильтра. Исходные данные для расчета приведены в табл.3. Нагрузка носит импульсный характер. Частота питающей сети fc = 50 Гц.
Вопрос 1. Перечислить требования к системам управления преобразователя, ведомыми сетью. Охарактеризовать синхронные и асинхронные системы управления.
Изобразить структурную схему синхронной (вариант 1¸5 (предпоследняя цифра № зачетной книжки)) или асинхронной (вариант 6¸0 (предпоследняя цифра № зачетной книжки)) системы импульсно-фазового управления (СИФУ).
Описать работу СИФУ с горизонтальным способом регулирования угла управления (варианты 1, 2, 6, 8, 0 (последняя цифра № зачетной книжки), или с вертикальным способом регулирования угла управления (варианты 3, 4, 5, 7, 9 (последняя цифра № зачетной книжки). Описать назначение каждого блока системы управления и принцип СИФУ работы в целом.
Вопрос 2. Перечислить основные параметры, характеризующие стабилизатор напряжения. Перечислить дестабилизирующие факторы, воздействующие на напряжение питания электронных устройств.
Начертить схему силовых цепей компенсационного стабилизатора напряжения заданного типа и описать его работу (вариант - последняя цифра № зачетной книжки):
(варианты 1-2) - последовательного типа с линейным регулированием;
(варианты 3-4) - параллельного типа с линейным регулированием;
(варианты 5-6) - понижающего типа с импульсным регулированием;
(варианты 7-8) - повышающего типа с импульсным регулированием;
(варианты 9-0) - инвертирующего типа с импульсным регулированием;
Привести достоинства, недостатки и области применения заданного типа стабилизатора напряжения.
основная Литература
1 Руденко В.С. та ін. Промислова електроніка: Підручник / В.С. Руденко, В.Я. Ромашко, В. В Трифонюк. -К.: Либідь, 1993. - 432с.
2 Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высш. шк., 1982. - 496с.
3 Чиженко И.М., Руденко В.С., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. - М.: Высшая школа, 1981. - 423 с.
4 Источники электропитания РЭА. справочник. Под ред.Г.С. Найвельт.к Б. Мазель.Ч.И. Хусаинов М.: - Радио и связь 1985.
Методические указания
1 При выполнении задачи 1 для определение действующего фазного напряжения U2 сетевой обмотки преобразовательного трансформатора следует воспользоваться уравнением внешней характеристики выпрямителя в относительных единицах [3]:
гдеU*dH - среднее выпрямленное напряжение выпрямителя при нагрузке, отнесённое к среднему выпрямленному напряжению Ud0 неуправляемого выпрямителя при холостом ходе, U*d = Ud/Ud0;
I*d - средний выпрямленный ток выпрямителя, отнесённое к среднему выпрямленному току IdН неуправляемого выпрямителя при номинальной нагрузке I*d = Id /IdН,
Id - средний выпрямленный ток выпрямителя;
IdH - номинальный средневыпрямленный ток выпрямителя.
a - угол управления управляемого выпрямителя;
В - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя:
для мостовой схемы выпрямителя в=0,7;
для двухфазной однотактной схемы В=0,35;
для трёхфазной однотактной схемы В=0,87;
для трёхфазной мостовой В=0,5;
Uk% -напряжение опыта короткого замыкания преобразовательного трансформатора в процентах от номинального напряжения:
Здесь Хт - индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, приведённое к числу витков первичной обмотки;
I1H и U1H - номинальный ток и напряжение первичной обмотки преобразовательного трансформатора соответственно;
Для неуправляемого выпрямителя при номинальном токе нагрузки IdH выражение (1) принимает следующий вид:
По вычисленному значению U*dH и заданной величине UdH определяется
Действующий ток вторичной обмотки выпрямительного трансформатора, поскольку выпрямительный ток идеально сглажен, с достаточной для инженерных расчётов точностью можно определить для однотактных схем выпрямления по выражению
где m2 - число фаз схемной обмотки трансформатора.
В однофазной мостовой схеме выпрямления I2 = idH, в трёхфазной мостовой линейный ток схемной обмотки для соединения Y/Y
Действующий ток сетевой обмотки преобразовательного трансформатора двухфазного однотактного выпрямителя находят по выражению
Расчёт мощности сетевой S1 и схемной S2 обмоток выпрямительного трансформатора вычисляют по формуле S = m UI
где m - число фаз обмотки;
U - действующее напряжение фазы обмотки;
I - действующий ток фазы обмотки;
типовую мощность ST трансформатора по выражению ST= (S1+S2) /2.
Коэффициент использования преобразовательного трансформатора определяют по формуле
Углы коммутации g тока в выпрямителях при U2=U2HOM вычисляют из следующих уравнений:
для двухфазной однотактной схемы
для однофазной мостовой схемы
для трёхфазной однотактной и для трёхфазной мостовой схем
где XT - индуктивное сопротивление обмоток преобразовательного трансформатора, приведённое к числу витков схемной обмотки,
U2н и I2н - номинальные фазные действующие напряжение и ток схемной обмотки трансформатора (соединённой в “звезду”);
Примечание: в формулах 3, 4, 5 для режима выпрямления (a<90о) следует брать знак “+” перед дробью в правой части уравнения, а для инверторного режима (a>90о) - знак “-” перед дробью в правой части уравнения.
Коэффициент Км мощности выпрямителя вычисляют по выражению
где Кн- коэффициент искажения формы кривой потребляемого из сети переменного тока (коэффициент не синусоидальности);
При индуктивности Ld нагрузки, стремящейся к бесконечности коэффициент несинусоидальности:
для однофазного мостового и двухфазного однотактного выпрямителей
Угол j сдвига первой гармоники при Ld®¥ равен j = a + g / 2
Средний ток вентиля в однофазной мостовой и двухфазной однотактной схемах равен
Выбор вентиля по току должен быть произведён по следующей методике. В нормальном режиме работы выпрямителя максимальное обратное напряжение Uобр на вентиле без учета коммутационных перенапряжений составит:
Выбор вентиля для рассчитываемого выпрямителя необходимо производить по допустимому повторяющемуся напряжению с учётом коммутационных перенапряжений и возможных колебаний напряжения питающей сети. Полагая, что коммутационные перенапряжения составят не более 20-30% от амплитудного линейного напряжения
По допустимому прямому среднему току выбор вентилей следует производить с учетом требуемого запаса, то есть рассчитанное значение не должно превышать 0,7¸0,8 допустимого
При выполнении задачи 2 выбор встречно-параллельной или перекрёстной схемы реверсивного преобразователя определяется числом комплектов вторичных обмоток преобразовательного трансформатора, поскольку схема соединения обмоток трансформатора задана.
Для одного комплекта вторичных обмоток реверсивный преобразователь может быть выполнен только по встречно-параллельной схеме. Для двух комплектов вторичных обмоток преобразовательного трансформатора реверсивный преобразователь выполняют по перекрёстной схеме.
При совместном согласованном управлении реверсивными вентильными группами преобразователя должна быть предусмотрена установка разделительных дросселей (уравнительных реакторов).
При раздельном управлении реверсными вентильными группами реверсного преобразователя установка уравнительных реакторов не требуется.
Расчеты при выполнении задания 2 выполняются с использованием формул, приведенных выше для задачи 1. Действующее фазное напряжение U2 схемной обмотки трансформатора следует определять из выражения (1), принимая
Угол коммутации, в зависимости от схемы преобразователя, вычисляют по выражениям (3) - (5).
Коэффициент Кп (q) пульсации выпрямленного напряжения для q - й гармоники можно вычислить по выражению:
гдеР - пульсность схемы преобразователя (число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети).
Входная характеристика ведомого инвертора должна быть построена (и предпочтительно строить) в относительных единицах.
Ограничительную характеристику ведомого инвертора следует строить, используя следующее аналитическое выражение:
или, в относительных единицах,
где w - круговая частота сети переменного тока. w =2p f (1/сек);
tв - паспортное время выключения выбранного типа тиристора.
Ограничительную характеристику ведомого инвертора следует строить на семействе внешних характеристик реверсивного преобразователя в области его работы в инверторном режиме.
выбор сглаживающего фильтра выпрямителя необходимо производить, учитывая мощность выпрямителя, а также характер и сопротивление нагрузки.
В мощных выпрямителях, когда PdH = UdHIdH порядка нескольких киловатт и больше, необходимо использовать индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра определяется по выражению [1].
где Rd -активное сопротивление нагрузки выпрямителя (в мощных выпрямителях величина Rd составляет доли ома);
Kп (1) - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения на выходе фильтра по первой гармонике.
В выпрямителях малой мощности (на токи до 1 ч 1,5 ампер) следует использовать простейшие ёмкостные фильтры.
Для двухполупериодных выпрямителей величина ёмкости сглаживающего конденсатора может быть вычислена по выражению
В выпрямителях при токах нагрузки более 1А целесообразно применять
Г - образный индуктивно-ёмкостной LC - фильтр.
Величина индуктивности
где
Величина ёмкости
где Кф - коэффициент фильтрации фильтра.
В тех случаях, когда сопротивление нагрузки выпрямителя составляет несколько тысяч Ом, следует использовать Г - образный активно-ёмкостной фильтр (RC) [1].
Величину активного сопротивления r фильтра обычно берут равной
Если нагрузка носит импульсный характер, емкость выходного конденсатора выбирать такой, чтобы обеспечить требуемые параметры тока нагрузки. Если задано допустимое искажение импульса тока, выраженное в допустимом уменьшении тока нагрузки за время действия импульса
При использовании в качестве единиц измерения в формулах времени в секундах, тока - в амперах, напряжения - в вольтах, емкость конденсатора будет вычислена в фарадах.
Выбор унифицированных элементов схем (вентилей, конденсаторов, дросселей) необходимо производить по профессиональной справочной литературе.
Вопросы самопроверки по курсу “Энергетическая электроника"
1. Роль и назначение вентильных преобразователей электроэнергии.2. Выпрямление и инвертирование электроэнергии. Назначение и области применения выпрямителей и инверторов.
3. Коммутация вентилей естественная и принудительная. Примеры
4. Характеристики неуправляемых вентилей.
5. Характеристики управляемых вентилей.
6. Выравнивание токов вентилей и напряжения на вентилях.
7. Перенапряжения на вентилях. Причины возникновения и способы защиты от них.
9. Принудительная коммутация тиристоров. Основные принципы и схемы.
10. Однополупериодная схема выпрямителя, работающая на активную и активно - индуктивную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
11. Двухполупериодная схема управляемого выпрямителя с нулевой точкой (двухфазная нулевая), работающая на активную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
12. Двухполупериодная схема управляемого выпрямителя с нулевой точкой (двухфазная нулевая), работающая на активно - индуктивную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
13. Двухполупериодная схема выпрямителя с нулевой точкой (двухфазная нулевая), работающая на емкостную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
14. Двухполупериодная схема управляемого выпрямителя с нулевой точкой (двухфазная нулевая), работающая на двигатель постоянного тока. Работа, характеристики и расчет.
15. Мостовая однофазная схема управляемого выпрямителя, работающая на активную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
16. Мостовая однофазная схема управляемого выпрямителя, работающая на активно - индуктивную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
17. Мостовая однофазная схема выпрямителя, работающая на емкостную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
18. Мостовая однофазная схема управляемого выпрямителя, работающая на двигатель постоянного тока. Работа, характеристики и расчет.
19 Несимметричные схемы умножения напряжения. Работа, характеристики и расчет.
20 Симметричные схемы умножения напряжения. Работа, характеристики и расчет.
21. Трехфазная схема управляемого выпрямителя с нулевой точкой, работающая на активную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
22. Трехфазная схема управляемого выпрямителя с нулевой точкой, работающая на активно - индуктивную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
23. Шестифазная схема управляемого выпрямителя с уравнительным реактором, работающая на активно - индуктивную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
24. Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя, работающая на активную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
25. Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя, работающая на активно - индуктивную нагрузку. Работа, характеристики и расчет.
26. Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя, работающая на двигатель постоянного тока. Работа, характеристики и расчет.
27. Инверторы, ведомые сетью. Области применения. Работа, характеристики и расчет.
28. Коммутационные процессы в мощных преобразователях, вызванные индуктивностью трансформатора. Влияние на характеристики преобразователей.
29. Сложные схемы выпрямителей. Назначение, области применения и принципы построения.
30. Реверсивные выпрямители. Работа, характеристики и расчет.
31. Непосредственные преобразователи частоты. Работа и характеристики
32. Стабилизаторы напряжения и тока. Классификация и общие характеристики.
33. Параметрические стабилизаторы напряжения и тока. Общие характеристики и методы расчета.
34. Стабилизаторы компенсационные. Принципы построения и основные структурные схемы. Общие характеристики
35. Компенсационные стабилизаторы последовательного типа. Регулирующие элементы СН. Работа, характеристики и расчет.
36. Компенсационные стабилизаторы параллельного типа. Схемы сравнения и усиления СН. Работа, характеристики и расчет.
37. Компенсационные стабилизаторы последовательного типа в интегральном исполнении. Достоинства и недостатки, пути повышения нагрузочной способности СН.
38. Импульсные стабилизаторы. Основные характеристики.
39. Стабилизаторы тока. Работа, характеристики и расчет.
40. Сглаживающие фильтры. Работа, основные характеристики и схемы, расчет.
41. Порядок расчета маломощного выпрямителя с емкостной реакцией фильтра.
42. Порядок расчета маломощного выпрямителя с индуктивной реакцией фильтра.
43. Активные сглаживающие фильтры. Работа, характеристики и расчет.
44. Автономные инверторы. Назначение и принципы построения.
45. Импульсные регуляторы постоянного тока. Широтно-импульсные и частотно-импульсные способы регулирования.
46. Системы управления тиристорными преобразователями. Горизонтальный способ управления. Формирователи импульсов.
47. Системы управления тиристорными преобразователями. Вертикальный способ управления.
48. Системы управления тиристорными преобразователями. Цифровой способ управления.
Литература
1. Руденко В.С. та ін. Промислова електроніка: Підручник / В.С. Руденко, В.Я. Ромашко, В. В Трифонюк. -К.: Либідь, 1993. - 432с.2. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная техника. - К.: Вища шк., 1983. - 431с.
3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высш. шк., 1982. - 496с.
4. Полупроводниковые выпрямители / Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. - М.: Энергия, 1978. - 448с.
Приложения
Приложение 1Система управления преобразователями, ведомым сетью.
[Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная техника. - К.: Вища шк., 1983.]
Система управления преобразовательным устройством, ведомым сетью, предназначена для формирования импульсов управления определенной формы и длительности, распределения их по фазам и изменения момента подачи их на управляющие электроды тиристоров.
Так как после отпирания тиристора цепь управления не оказывает влияния на его состояние и он запирается только тогда, когда его анодный ток становится меньше тока удержания, для управления тиристором достаточны короткие импульсы.
Требования, предъявляемые к системам управления полупроводникового преобразователя, определяются типом вентиля, примененного в преобразователе, режимом работы преобразователя (выпрямительный, инверторный, реверсивный, нереверсивный) и видом нагрузки, на которую работает преобразователь.
Системы управления, в которых управляющий сигнал имеет форму импульса, а фаза этого импульса может регулироваться, называются импульсно-фазовыми (СИФУ). Системы управления могут быть синхронными и асинхронными
Основные требования к системам управления:
1. Достаточная для надежного открывания вентиля амплитуда напряжения и тока управляющего импульса.
2. Высокая крутизна фронта управляющих импульсов.
3. Диапазон регулирования. Определяется типом преобразователя, режимом его работы и характером нагрузки.
4. Симметрия управляющих импульсов по фазам. асимметрия обычно не должна превышать 1,5...2,5°.
5. Длительность импульса управления должна быть такой, чтобы за время его действия анодный ток тиристора достиг тока удержания.
6. Быстродействие СИФУ не должно влиять на динамику преобразователя
Асинхронные системы импульсно-фазового управления
В асинхронных системах управления связь во времени управляющих импульсов с соответствующими точками напряжения питающей сети играет вспомогательную роль, например, служит для ограничения минимальных и максимальных значений углов управления α. Сами же управляющие импульсы получают без синхронизации напряжением сети переменного тока.Требуемый угол α управления таристорами в асинхронных системах создается как результат регулирования интервалов между импульсами (частоты их следования) в замкнутой системе с преобразователем или его нагрузкой.
Принцип построения асинхронной системы управления для трехфазного мостового управляемого выпрямителя иллюстрирует функциональная схема.
Необходимые для этой схемы шесть выходных каналов управляющих импульсов с фазовым сдвигом между ними в соседних каналах в 60о получают от распределителя импульсов РИ, запускаемого от ведущего генератора ВГ регулируемой частоты. Изменение частоты ВГ осуществляется напряжением регулятора Рf под действием напряжения уставки и напряжения датчика Д регулируемого параметра (напряжения или тока преобразователя, частоты вращения якоря двигателя и т.д.). Сигналом датчика в схеме создается параметру.
Благодаря наличию отрицательной обратной связи в схеме автоматически создаются углы управления α обеспечивающие в соответствии с уставкой требуемые значения регулируемого параметра преобразователя или его нагрузки.
Асинхронные системы управления преобразователями применяют при существенных искажениях напряжения питающей сети, в частности при значительной несимметрии трехфазных напряжений по величине и фазе. Использование в таких условиях синхронной системы невозможно ввиду получающейся недопустимой асимметрии в углах α по каналам управления тиристорами. Наиболее распространены асинхронные СУ в преобразователях, потребляющих мощность, соизмеримую с мощностью питающей сети.
Синхронные системы импульсно-фазового управления
При синхронном способе импульсно-фазового управления отсчет угла подачи импульса управления производится от определенной фазы напряжения сети, питающей преобразователь:
где
Синхронный способ управления в настоящее время является общепринятым и наиболее распространенным. Они могут быть одноканальные и многоканальные.
В синхронных системах управления момент получения управляющего импульса (т.е. угол управления α) отсчитывается от некоторой точки напряжения питающей сети (например, от момента его перехода через нуль). Такая синхронизация от напряжения питающей сети осуществляется посредством генератора опорного напряжения. Начало отсчета угла α либо совпадает с моментом синхронизации, либо сдвинуто относительно него на некоторый постоянный фазовый угол.
Горизонтальный метод управления
При горизонтальном методе управления формирование управляющего импульса осуществляется в момент перехода синусоидального напряжения через нуль, а изменение его фазы обеспечивается изменением фазы синусоидального напряжения, т.е. смещением его по горизонтали.На рис.4.1, а приведена структурная схема одного канала одноканальной системы управления, использующей горизонтальный метод управления. Принцип работы схемы заключается в следующем. Генератор переменного напряжения ГПН вырабатывает синусоидальное напряжение, находящееся в определенном фазовом соотношении с анодным напряжением вентиля данного канала (рис.4.1, б). Обычно при m2³3 в качестве переменного напряжения берут напряжение соответствующей фазы сети (для трехфазной мостовой схемы сдвинутое на 90° относительно анодного напряжения вентиля). С выхода мостового фазовращательного устройства МФУ сдвинутое по фазе напряжение поступает на формирователь импульсов ФИ, где в момент перехода синусоиды через нуль формируется управляющий импульс, который затем усиливается усилителем мощности ВК. Угол сдвига фаз регулируется изменением напряжения управления Uу. ГПН и МФУ образуют фазосдвигающее устройство ФСУ.
Рис.4.1
Структурная схема горизонтальной системы управления (а) и диаграмма, поясняющая ее работу (б).
Горизонтальный метод управления не нашел широкого распространения, так как фазовращатели чувствительны к изменению формы и частоты подаваемого напряжения, а применение в качестве регулируемого активного сопротивления транзисторов приводит к нарушению симметрии формируемых импульсов. Последний недостаток можно устранить, если применить общее регулируемое сопротивление (транзистор) для всех каналов.
Вертикальный метод управления
При вертикальном методе управления формирование управляющего импульса производится в результате сравнения на нелинейном элементе величин переменного, (синусоидального, пилообразного, треугольного) и постоянного напряжений. В момент, когда эти напряжения становятся равными и их разность изменяет знак, происходит формирование импульса. Фазу импульса можно регулировать за счет изменяя величину постоянного напряжения.фазосдвигающее устройство при вертикальном методе управления состоит из генератора переменного напряжения и узла сравнения.
Схема работает следующим образом. Генератор переменного напряжения (ГПН) запускается при поступлении с синхронизатора (С) напряжения в момент появления на тиристорах прямого напряжения, т.е. в точках естественной коммутации. С выхода ГПН напряжение пилообразной формы поступает на устройство сравнения (УС), где сравнивается с напряжением управления uy. В момент сравнения пилообразного и управляющего напряжений устройство сравнения вырабатывает импульс, который через распределитель импульсов (РИ) поступает на формирователь импульсов ФИ1 или ФИ2 и дальше через выходные каскады (ВК1, ВК2) на тиристоры выпрямителя.
Одноканальная система управления может быть выполнена и для трехфазного выпрямителя. В одноканальных многофазных системах устройство сравнения, входящее в состав ФСУ, работает с частотой в m2 раз большей, чем в многоканальных системах, что требует в дальнейшем распределения импульсов управления по каналам. Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) может быть выполнен или в одноканальном, или в многоканальном варианте. В рассматриваемой схеме, предназначенной для трехфазного мостового несимметричного выпрямителя, ГЛИН выполнен в одноканальном варианте. Схема работает следующим образом. ГЛИН запускается в моменты появления на тиристорах прямого напряжения, т.е. в точках естественной коммутации. Запуск ГЛИН обеспечивается синхронизатором (С). С выхода ГЛИН пилообразное напряжение подается на пороговое устройство (ПУ), которое срабатывает при достижении напряжения пилы значения Uп. Напряжение с выхода порогового устройства через дифференцирующую цепь (ДЦ) поступает на схемы совпадения (СС), куда также подается соответствующий импульс синхронизатора. При совпадении импульсов с выхода синхронизатора и дифференцирующей цепи выходной каскад ВК вырабатывает импульс управления, поступающий на отпирание тиристора соответствующей фазы (рис.5.1, б). Сдвиг импульса управления по фазе осуществляется путем изменения наклона пилообразного напряжения ГЛИН с помощью управляемого стабилизатора тока (УСТ). По такому же принципу может быть построена и схема управления для трехфазного мостового симметричного выпрямителя.
В связи с тем, что в системе управления, построенной по вертикальному методу, формирование импульса происходит в момент сравнения переменного и постоянного напряжений, всякое искажение формы кривой питающей сети (генератора переменного напряжения) будет приводить к ухудшению работы системы. Этот недостаток можно устранить, применяя в качестве переменного напряжение пилообразной или треугольной формы.
Системы управления, построенные по вертикальному методу, в настоящее время находят широкое распространение.
Таблица 1. Исходные данные для расчета выпрямителя. Задача №1
| Показатели | Варианты (последняя цифра номера зачетной книжки) | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
 | 460 | 115 | 60 | 230 | 80 | 48 | 230 | 460 | 115 | 60 |
 | 200 | 100 | 300 | 100 | 200 | 160 | 300 | 100 | 200 | 200 |
 | 380 | 220 | 220 | 380 | 380 | 220 | 380 | 380 | 220 | 230 |
Схема соединения обмоток | Варианты (предпоследняя цифра номера зачетной книжки) | |||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |||
 |  |  | |  |  | | |  |  | |||
| Показатели | Варианты (последняя цифра номера зачетной книжки) | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| UdH, В | 230 | 115 | 460 | 660 | 230 | 460 | 230 | 660 | 115 | 230 |
| IdH, А | 20 | 25 | 15 | 20 | 50 | 45 | 60 | 25 | 45 | 55 |
| UK,% | 8 | 7 | 8 | 7 | 9 | 10 | 8 | 10 | 7 | 8 |
| a1, эл. град. | 30 | 40 | 20 | 25 | 35 | 25 | 20 | 35 | 30 | 15 |
| a2, эл. град. | 60 | 65 | 70 | 75 | 55 | 60 | 55 | 70 | 80 | 65 |
| a3, эл. град. | 120 | 115 | 125 | 140 | 130 | 135 | 145 | 120 | 145 | 115 |
| Варианты (предпоследняя цифра номера зачетной книжки) | |||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |||
 |  |  |  | |  | | |  |  | |||
| Показатели | Варианты (предпоследняя цифра номера зачетной книжки) | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| Пульсность схемы выпрямителя | 6 | 3 | 3 | 2 | 6 | 6 | 2 | 3 | 2 | 2 |
 | 18 | 24 | 36 | 12 | 60 | 15 | 20 | 24 | 15 | 9 |
| Id. max, А | 5 | 0,4 | 0,6 | 2,5 | 2 | 1,0 | 0,8 | 0,75 | 0,25 | 2,5 |
| Id. min, А | 0,5 | 0,1 | 0,1 | 0,5 | 0,5 | 0,25 | 0,2 | 0,25 | 0,05 | 0,5 |
| Показатели | Варианты (последняя цифра номера зачетной книжки) | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| Кп (1),% | 0.08 | 0.05 | 0.2 | 0,15 | 0.09 | 0.10 | 0,05 | 0,1 | 0,05 | 0,1 |
| Кии,% | 1,5 | 1,0 | 2,0 | 1,5 | 2,5 | 1,5 | 2,0 | 1,0 | 2,5 | 2,0 |
| tи, мс | 2 | 3 | 1 | 1,5 | 2 | 3 | 1.5 | 3 | 2.5 | 1 |
