5 вариант - Задача 2,3,6,7,8. Контрольная работа по силовой электронике

5 вариант - Задача 2,3,6,7,8

ПОЛНОЕ ЗАДАНИЕ В ДЕМО ФАЙЛЕ

ЧАСТЬ ДЛЯ ПОИСКА ДУБЛИРУЮ НИЖЕ

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.И. ЛЕНИНА» Кафедра электроники и микропроцессорных систем Методические материалы по курсу «СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, часть 1» Иваново 2016 2 Составители: В. И. ШИШКОВ, В. Н. ЕГОРОВ Редактор А. И. ТЕРЕХОВ Издание включает рабочую программу, методические указания, вопросы и упражнения по курсу «Силовая электроника, часть 1», необходимые для изучения дисциплины «Силовая электроника». Материал можно использовать при подготовке к контрольным работам, курсовому проекту и при их выполнении. Работа предназначена для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» (профиль «Промышленная электроника), 27.03.04 «Управление в технических системах» (профиль «Системы и технические средства автоматизации и управления»), электромеханического факультета и факультета заочного обучения. Утверждены цикловой методической комиссией ЭМФ Рецензент кафедра электроники и микропроцессорных систем ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» 3 Содержание ВВЕДЕНИЕ....................................................................................... 4 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»............................................................................. 6 1. Выпрямители .............................................................................. 10 Методические указания к разделу 1 ............................................. 12 2. Импульсные преобразователи переменного напряжения....... 14 Методические указания к разделу 2 ............................................. 14 3. Импульсные преобразователи постоянного напряжения....... 15 Методические указания к разделу 3 ............................................. 16 4. Автономные инверторы............................................................. 16 Методические указания к разделу 4 ............................................. 18 Контрольная работа........................................................................ 19 Задача 1........................................................................................ 19 Задача 2........................................................................................ 21 Задача 3........................................................................................ 22 Задача 4........................................................................................ 23 Задача 5........................................................................................ 24 Задача 6........................................................................................ 25 Задача 7........................................................................................ 26 Задача 8........................................................................................ 27 Основные параметры, используемые в силовой электронике ... 29 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................... 31 4 ВВЕДЕНИЕ Силовая электроника, называемая ещѐ энергетической электроникой, – область электроники, где преобразовательные устройства преобразуют один вид электрической энергии в другой. Силовые электронные устройства широко используются в различных отраслях  в металлургии и химической промышленности, на транспорте, в станкостроении, горнорудном производстве, электротермии и энергетике, для электроприводов кранов и экскаваторов, в качестве источников питания роботов в гибких автоматизированных производствах и т. п. В настоящее время основой элементной базы, используемой для построения преобразовательных устройств силовой электроники, служат силовые полупроводниковые приборы – электронные ключи (вентили). Их положительные свойства (малые габариты и масса, высокие значения КПД и коэффициентов усиления мощности, быстродействие и повышенная надежность и т. п.) позволяют создавать высокоэффективные преобразователи электрической энергии. Основными видами силовых преобразователей являются: выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, импульсные преобразователи постоянного и переменного напряжений. Менее распространены  преобразователи числа фаз, формы кривой тока и др. Дисциплина «Силовая электроника» относится к базовым дисциплинам профилей «Промышленная электроника» и «Системы и технические средства автоматизации и управления». В ней изучаются принципы действия полупроводниковых преобразователей электрической энергии, их особенности, характеристики и основные схемы. Изучение дисциплины базируется на предметах физикоматематического и специального циклов: «Теоретические основы электротехники», «Математика», «Физика конденсированного состояния», «Физические основы электроники», «Твердотельная электроника» и др. 5 Материал курса «Силовая электроника» является базой для изучения последующих дисциплин: «Мехатроника», «Электронные промышленные устройства», «Информационные и управляющие микропроцессорные системы» и др., и выполнения курсового проекта и выпускной квалификационной работы. Программа курса и методические указания составлены в соответствии с требованиями федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования (ФГОС ВО) по направлениям подготовки «Электроника и наноэлектроника», «Управление в технических системах». Экзамен сдается в объеме настоящей программы после выполнения лабораторных работ и получения рецензии на контрольные работы. 6 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» Дисциплина «Силовая электроника» является частью профессионального цикла дисциплин подготовки студентов по направлению 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника». Дисциплина реализуется на электромеханическом факультете кафедрой электроники и микропроцессорных систем. Дисциплина нацелена на формирование следующих профессиональных компетенций выпускника:  способности представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики (ПК-1);  способности выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физикоматематический аппарат (ПК-2);  готовности учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3);  способности владеть методами решения задач анализа и расчета характеристик электрических цепей (ПК-4);  способности владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);  способности собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);  способности осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения (ПК-9);  готовности выполнять расчет и проектирование электронных приборов, схем и устройств различного функциональ- 7 ного назначения в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования (ПК-10);  способности разрабатывать проектную и техническую документацию, оформлять законченные проектноконструкторские работы (ПК-11);  способности собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области электроники и наноэлектроники (ПК-18);  способности строить простейшие физические и математические модели приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения, а также использовать стандартные программные средства их компьютерного моделирования (ПК-19);  способности аргументированно выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения (ПК-20);  способности налаживать, испытывать, проверять работоспособность измерительного, диагностического, технологического оборудования, используемого для решения различных научно-технических, технологических и производственных задач в области электроники и наноэлектроники (ПК-27). Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, относящихся к следующим разделам. Преобразователи электрической энергии переменного тока и напряжения. Выпрямители. Классификация силовых электронных устройств. Схемы управления (драйверы). Потери мощности и способы их снижения. Охлаждение силовых электронных приборов. Основные схемы выпрямления. Основные параметры выпрямителей при работе на активную нагрузку. Коэффициент пульсаций выпрямленного параметра и коэффициент мощности преобразователя. Влияние индуктивности нагрузки на работу преобразователя. Методы повышения коэффициента мощности. Зависимый инвертор. Умножители напряжения. Сглаживающие фильтры. Импульсные ре- 8 гулируемые преобразователи постоянного напряжения. Базовые структуры импульсных преобразователей – регуляторов постоянного тока. Электронные ключи с квазирезонансной коммутацией и их применением в преобразователях постоянного тока. Транзисторные нереверсивные импульсные преобразователи. Реверсивные импульсные преобразователи. Симметричное управление. Несимметричное управление. Поочередное управление. Импульсные преобразователи переменного напряжения Преобразователи электрической энергии постоянного тока и напряжения в энергию переменного тока и напряжения – инверторы. Автономные инверторы напряжения (АИН). Широтноимпульсный способ формирования кривой выходного напряжения АИН. Автономные инверторы тока (АИТ). Регулирование и стабилизация выходного напряжения инвертора. Входные и выходные фильтры. Резонансные инверторы. Системы управления ведомыми сетью вентильными преобразователями. Структура системы управления. Требования к импульсным устройствам. Синхронные системы синфазового управления. Цифровые фазосмещающие устройства. Особенности работы мощных преобразователей, ведомых сетью. Расширение областей работы (обеспечение работы в 4 квадрантах комплексной плоскости параметров по стороне переменного тока). Групповое соединение преобразователей. Реверсивные преобразователи. Преобразователи частоты. Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Непосредственные ПЧ. Особенности эксплуатации преобразователей электрической энергии. Рабочие и аварийные режимы работы преобразователей. Предельно допустимые и характеризующие параметры силовых полупроводниковых приборов. Аварийные режимы работы преобразователей. Защита от токов короткого замыкания. Устройства электропитания. Импульсные источники электропитания. Обеспечение электромагнитной совместимости электрооборудования. Вентильный преобразователь как элемент системы автоуправления. Светотехника. Электротехнология. Модели систем автоуправления с вентильными преобразователями. Сервисное обслуживание преобразователей электроэнергии. 9 Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации учебного процесса: лекции, практические занятия, лабораторные работы, курсовое проектирование, самостоятельная работа студента. Программой дисциплины предусмотрены следующие виды контроля: текущий контроль успеваемости в форме сдачи отчетов по семинарам, лабораторным работам, курсовому проектированию; промежуточный контроль в форме экзамена и рубежный (итоговый) контроль в форме экзамена. Общая трудоемкость освоения дисциплины составляет 8 зачетных единиц, 288 часов. Программой дисциплины предусмотрены: лекционные (58 часов), практические (30 часов), лабораторные (48 часов) занятия, курсовое проектирование (10 часов), самостоятельная работа студента (79 часов), экзамен (63 часа). 10 1. Выпрямители Общие сведения о выпрямителях, структурная схема, виды нагрузок. Основные допущения, используемые при анализе; понятие об идеальном вентиле (диоде, тиристоре, транзисторе), идеальном трансформаторе. Основные схемы выпрямления: однофазная однополупериодная, однофазная двухполупериодная со средней точкой, однофазная мостовая, трехфазная нулевая, трехфазная мостовая. 1.1. Работа выпрямителя на активную нагрузку Работа основных схем выпрямления на активную нагрузку при угле регулирования, равном нулю: электрическая схема выпрямителя, временные диаграммы напряжений и токов, вывод основных соотношений (средние значения выпрямленных напряжения и тока, максимальное обратное напряжение и среднее значение тока вентиля, действующие значения токов и напряжений обмоток трансформатора, типовая мощность трансформатора). Вынужденное намагничивание сердечника трансформатора в трѐхфазной нулевой схеме, методы устранения постоянной составляющей потока вынужденного намагничивания. Работа основных схем выпрямления на активную нагрузку при угле регулирования больше нуля: временные диаграммы токов и напряжений (id, i1 , i2 , u2 , ud, uv), режимы прерывистых и непрерывных токов нагрузки, регулировочные характеристики выпрямителя во всех режимах работы. Энергетические показатели основных схем выпрямления: высшие гармонические составляющие в цепях постоянного и переменного токов, коэффициент мощности и коэффициент пульсаций, составляющие коэффициента мощности  коэффициент сдвига и коэффициент искажения, влияние угла регулирования на коэффициент мощности. 11 1.2. Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку Влияние индуктивности нагрузки (Ld) на характер протекания рабочих процессов в выпрямителе на примере однофазных однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямления, идеальное сглаживание выпрямленного тока при Ld  . Работа основных схем выпрямления на активноиндуктивную нагрузку при угле регулирования  = 0 и индуктивности нагрузки Ld  : временные диаграммы, вывод соотношений, определяющих основные параметры трансформатора, вентилей и нагрузки. Работа основных схем выпрямления на активноиндуктивную нагрузку при угле регулирования больше нуля и Ld : временные диаграммы; регулировочные характеристики; коэффициенты искажения, сдвига и мощности, их зависимость от угла регулирования. Некоторые способы повышения коэффициента мощности преобразователя  применение нулевого диода в симметричных схемах и использование несимметричных мостовых схем выпрямления: схемы, временные диаграммы, регулировочные характеристики, основные соотношения для выбора диодов и тиристоров, коэффициент мощности. Компенсационные выпрямители: пример схемного решения и принцип работы. 1.3. Работа выпрямителя на активно-емкостную нагрузку Работа однофазных выпрямителей на активно-емкостную нагрузку: временные диаграммы и определение основных параметров  угла отсечки, амплитудного значения тока вентиля, действующих значений токов и напряжений, полной мощности вторичной обмотки трансформатора. Инженерный метод расчета однофазного мостового выпрямителя при активно-емкостной нагрузке. Схемы с умножением напряжения. 12 1.4. Сглаживающие фильтры Назначение сглаживающих фильтров, основные параметры  коэффициенты сглаживания, пульсаций, фильтрации и передачи. Основные виды пассивных фильтров  индуктивный, емкостный, Г- и П-образные фильтры. Схемы, принцип работы, выбор и расчет основных элементов, области применения различных типов фильтров. 1.5. Инверторный режим работы выпрямителя Назначение, классификация и схемы зависимых инверторов. Переход от режима выпрямления к режиму инвертирования. Рабочие процессы инверторного режима на примере одной из схем выпрямления. 1.6. Выпрямители на полностью управляемых вентилях Назначение, классификация и схемы выпрямителей на полностью управляемых (двухоперационных) тиристорах и транзисторах. Опережающее фазовое управление. Активные выпрямители – обратимые преобразователи напряжения. Широтноимпульсная модуляция выпрямленного напряжения. Принудительное формирование кривой тока, потребляемого из питающей сети. Методические указания к разделу 1 Структурная схема выпрямителя, основные схемы выпрямления, их параметры и виды нагрузок изложены в [Л1, с. 36–41; Л2, с. 7–9; Л6, с. 287–289]. Конкретные виды схем выпрямителей при работе на активную и активно-индуктивную нагрузки с временными диаграммами, выводом основных соотношений, регулировочными характеристиками и энергетическими показателями приведены: - однофазная со средней точкой в [Л1, с. 42–49, с. 53–61; Л2, с. 15–17, с. 38–41; Л6, с. 290–295, с. 317–324; Л8, с. 192–198]; 13 - однофазная мостовая симметричная в [Л1, с. 61–67; Л2, с. 24–29, с. 41–44, с. 52–53; Л6, с. 300–303, с. 324,325; Л8, с. 198, 199]; - трехфазная нулевая в [Л1, с. 70, 80; Л2, с. 17–24, с. 53, 54; Л6, с. 332–334; Л8, с. 199–205]; - трехфазная мостовая в [Л1, с. 90–96; Л2, с. 29–31, с. 57–59; Л6, с. 334–337, с. 340–343; Л8, с. 205–210]. Работа мостовых схем с неполным числом тиристоров (несимметричные схемы) дана в [Л1, с. 67–69, с. 97–99; Л2, с. 48– 52, с. 65–67]. Высшие гармоники напряжения и тока дополнительно к названным источникам описаны в [Л1, с. 104–112; Л6, с. 345–352]. Компенсационные выпрямители  [Л2, с. 55–57]. Активно-емкостная нагрузка в основном используется для выпрямителей малой мощности, т. е. однофазных со средней точкой [Л6, с. 298–300] и однофазных мостовых [Л2, с. 70–76]. При изучении выпрямителей рекомендуется освоение учебного материала начать с режимов работы вентильных схем при активной нагрузке, затем выяснить влияние индуктивности нагрузки на рабочие процессы [Л1, с. 47–49; Л2, с. 32, 33] и изучить режимы работы при активно-индуктивной нагрузке и мгновенной коммутации тиристоров. В завершение можно рассмотреть режимы работы выпрямителей при активно-емкостной нагрузке. При анализе режимов работы схем выпрямления на активно-индуктивную нагрузку достаточно рассмотреть случай идеального сглаживания тока нагрузки (режим непрерывного тока), что имеет место при Xd/Rd > (510). Общие сведения о сглаживающих фильтрах изложены в [Л2, с. 339–341; Л6, с. 295]. Конкретные виды фильтров и расчет их элементов рассмотрены: индуктивный фильтр в [Л2, с. 341, 342; Л6, с. 296], емкостный  в [Л2, с. 342; Л6, с. 298–300, с. 304, 305], Г-образный  в [Л2, с. 343, 344; Л6, с. 297, 298, с. 305, 306], П-образный  в [Л2, с. 345, 346]. 14 Общие сведения о ведомых сетью инверторах и режимах их работы изложены в [Л6, с. 353–356]. Общие сведения о выпрямителях на полностью управляемых вентилях и о процессах коррекции коэффициента мощности изложены в [Л3, с. 426–444; Л4, с. 166–170; Л5, с. 189; Л7, с. 45–54; Л8, с. 341–346]. 2. Импульсные преобразователи переменного напряжения Назначение и принцип действия преобразователя. Варианты схем преобразователей переменного напряжения. Фазовые методы регулирования переменного напряжения. Временные диаграммы при работе однофазного преобразователя на активную нагрузку, регулировочная характеристика, коэффициент мощности. Работа преобразователя на активноиндуктивную нагрузку: временные диаграммы, регулировочная характеристика, критическое значение угла управления, требования к ширине управляющих импульсов. Схемы и особенности работы трехфазных преобразователей. Недостатки и достоинства фазовых методов регулирования. Ступенчатый и фазоступенчатый методы регулирования переменного напряжения. Способы реализации, достоинства и недостатки. Широтно-импульсный метод регулирования переменного напряжения на пониженной частоте. Методические указания к разделу 2 Схемные решения, принцип работы и основные характеристики однофазных преобразователей изложены в [Л2, с. 168–173, 175, 176; Л6, с. 392–399, 402–404]. Схемы и особенности работы трехфазных преобразователей приведены в [Л2, с.173–175, с. 177; Л6, с. 399, 400]. 15 3. Импульсные преобразователи постоянного напряжения Принципы построения и классификация импульсных преобразователей постоянного напряжения (ИППН), широтно- и частотно-импульсный методы регулирования постоянного напряжения на нагрузке. Области применения импульсных преобразователей постоянного напряжения, элементная база, достоинства и недостатки различных схем. 3.1. Нереверсивные импульсные преобразователи Основные допущения при анализе, используемая элементная база. Импульсные преобразователи с последовательным ключевым элементом. Электрическая схема и временные диаграммы при работе на активно-индуктивную нагрузку и пpотивоЭДС, режимы прерывистых и непрерывных токов. Основные соотношения: средние значения напряжения и тока нагрузки, амплитуда пульсаций тока нагрузки, определение параметров граничного режима непрерывных токов. Введение шунтирующего ключа и диода для обеспечения режима рекуперации – двухстороннего обмена энергией с источником питания. Импульсные преобразователи с дополнительным дросселем и последовательным или параллельным включением ключевого элемента относительно нагрузки. Электрические схемы, принцип работы и временные диаграммы в различных режимах. 3.2. Реверсивные импульсные преобразователи Назначение реверсивного импульсного преобразователя, электрическая схема мостового преобразователя, основные законы (способы) переключения вентилей  симметричный, несимметричный, поочередный. Временные диаграммы токов и напряжений в различных режимах и при различных законах управления вентилями. Ос- 16 новные соотношения: средние значения напряжения и тока нагрузки, амплитуда пульсаций тока нагрузки, токи через вентили. Методические указания к разделу 3 Классификация, основные принципы работы и построения импульсных преобразователей постоянного напряжения изложены в [Л2, с. 129–131; Л6, с. 405–410]. Схемы, принципы работы при различных видах нагрузки и основные соотношения нереверсивных ИППН на транзисторах (двухоперационных тиристорах) приведены в [Л2, с. 133–150]. Основные схемные решения, законы переключения ключевых элементов, принципы работы реверсивных ИППН на полностью управляемых вентилях показаны в [Л2, с. 150–153]. 4. Автономные инверторы Назначение, классификация, области применения, достоинства и недостатки различных типов автономных инверторов  тока (АИТ), напряжения (АИН), резонансного (АИР). 4.1. Автономные инверторы тока Однофазный параллельный АИТ. Принципиальная схема однофазного параллельного мостового инвертора тока, принцип работы и временные диаграммы токов и напряжений, векторные диаграммы, коммутация тиристоров. Влияние тока нагрузки на рабочие процессы, вывод соотношений для внешних и входных характеристик параллельного инвертора. Определение расчетных значений токов и напряжений для выбора основных элементов инвертора  тиристоров, коммутирующего конденсатора. Трехфазный параллельный АИТ. Особенности схемы, принципа работы и рабочих процессов, диаграмма переключения и коммутация тиристоров, основные соотношения. Регулирование и стабилизация выходного напряжения АИТ. Причина изменения выходного напряжения инвертора тока, классификация основных способов стабилизации и регулирования напряжения. Применение обратных выпрямителей и 17 индуктивно-тиpистоpных регуляторов  схемы включения, принцип работы, внешние характеристики и основные соотношения. Особенности работы трехфазных последовательных и последовательно-параллельных инверторов. 4.2. Автономные инверторы напряжения 4.2.1. Однофазный мостовой инвертор напряжения на полностью управляемых вентилях Электрическая схема однофазного мостового инвертора напряжения с активно-индуктивной нагрузкой. Формирование кривой выходного напряжения в виде импульсов чередующейся полярности с длительностью в половину периода: диаграмма переключения ключей, временные диаграммы токов и напряжений. Определение средних значений токов вентилей, необходимой емкости конденсатора. Гармонический состав выходного напряжения и его улучшение с помощью закона управления ключами с дополнительными коммутациями в течение полупериода. Широтно-импульсный способ формирования и регулирования выходного напряжения (ШИР). ШИР с зависящей от параметров нагрузки формой кривой выходного напряжения: закон переключения ключей, временные диаграммы токов и напряжений. ШИР с не зависящей от параметров нагрузки формой кривой выходного напряжения: закон переключения ключей, временные диаграммы токов и напряжений. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) выходного напряжения: классификация, временные диаграммы, достоинства и недостатки. 4.2.2. Трехфазный мостовой инвертор напряжения на полностью управляемых вентилях Электрическая схема трехфазного мостового инвертора. Алгоритм переключения ключей с углом проводимости 180 эл. градусов, временные диаграммы токов и напряжений при соединении нагрузки по схемам «звезда» и «треугольник», определение действующих значений токов и напряжений нагрузки, сред- 18 них значений токов через элементы инвертора. Расчет необходимого значения емкости конденсатора. Особенности протекания рабочих процессов при алгоритме переключения ключей с углом проводимости 120 (и менее) эл. градусов. Широтно-импульсный способ формирования и регулирования выходного напряжения  алгоритм переключения ключей, временные диаграммы напряжений, гармонический состав выходного напряжения. ШИМ в трехфазном инверторе напряжения. 4.3. Резонансные инверторы Параллельный и последовательный АИР без обратных диодов: схема, принцип работы и особенности протекания рабочих процессов. Применение обратных диодов  способ компенсации реактивной мощности и получения «жесткой» внешней характеристики. Схемные решения и особенности работы АИР с обратными диодами. Методические указания к разделу 4 Назначение, классификация, области применения автономных инверторов изложены в [Л2, с. 180, 181; Л6, с. 438–440]. Однофазным параллельным инверторам тока посвящены разделы в [Л2, с. 181–190; Л6, с. 457–464]. Особенности рабочих процессов и режимов трехфазных параллельных, последовательных и последовательнопараллельных АИТ показаны в [Л2, с. 190–196; Л6, с. 463–466]. Основные способы регулирования и стабилизации выходного напряжения однофазных и трехфазных АИТ рассмотрены в [Л2, с. 204-210; Л6, с. 467-475]. Схемы, режимы работы, основные характеристики и соотношения однофазного мостового АИН на полностью управляемых вентилях даны в [Л2, с. 237–244; Л6, с. 440–442; Л8, с. 275– 286]. 19 Широтно-импульсный способ (включая и широтноимпульсную модуляцию) формирования и регулирования выходного напряжения АИН подробно рассмотрен в [Л2, с. 244–250; Л6, с. 442–447]. Схема, особенности режимов работы, способы формирования и регулирования выходного напряжения трехфазного мостового АИН при различной нагрузке изложены в [Л2, с. 250–261, с. 264–267; Л6, с. 447–452; Л8, с. 286–292]. Особенности схем и работы АИР без обратных диодов, а также назначение и режимы работы схем с обратными диодами можно изучить по [Л2, с. 214–220, с. 228, 229, с. 231–236; Л6, с. 475–477, с. 482–484]. Контрольная работа Каждый студент выполняет контрольную работу, состоящую из пяти задач. Набор задач определяется из таблицы ниже по варианту, номер которого соответствует последней цифре шифра студента (номеру зачетной книжки). Вариант Задачи 0 №1, №2, №6, №7, №8 1 №2, №3, №6, №7, №8 2 №2, №4, №6, №7, №8 3 №2, №5, №6, №7, №8 4 №1, №2, №6, №7, №8 5 №2, №3, №6, №7, №8 6 №2, №4, №6, №7, №8 7 №2, №5, №6, №7, №8 8 №2, №5, №6, №7, №8 9 №2, №4, №6, №7, №8 Необходимые данные к задачам определяются из таблиц по варианту, номер которого соответствует последней цифре шифра студента (номеру зачетной книжки) Задача 1 Для управляемого выпрямителя, подключенного к трехфазной сети переменного тока с напряжением 380/220 В, рабо- 20 тающего на активную нагрузку (схема выпрямления, напряжение Ud и ток Id нагрузки указаны в табл. 1), выполнить следующее. 1. Определить параметры тиристоров: - среднее значение тока, протекающего через вентиль; - максимальное значение обратного напряжения. 2. Определить параметры согласующего трансформатора: - действующее значение вторичного фазного напряжения; - номинальное вторичное напряжение трансформатора (см. примечание 2); - действующие значения первичного и вторичного токов; - типовую мощность трансформатора. 3. По номинальному вторичному фазному напряжению трансформатора построить регулировочную характеристику выпрямителя и определить предельные значения угла регулирования при изменении напряжения на нагрузке в диапазоне (10,1)Ud. 4. При угле регулирования из табл. 1 построить временные диаграммы напряжений сети, первичного и вторичного токов фазы трансформатора, напряжений и токов вентилей одной фазы, напряжения и тока нагрузки. Таблица 1. Данные к задаче 1 Вариант Выпрямитель Параметры нагрузки Угол регулироU вания, эл. град. d , В Id , А 0 4 Однофазный двухполупериодный со средней точкой 110 220 80 40 60 120 1 5 8 Однофазный мостовой симметричный 110 220 440 120 80 40 30 70 110 2 6 Трехфазный нулевой 110 220 250 150 45 90 3 7 9 Трехфазный мостовой симметричный 110 220 440 350 250 150 45 90 110 21 Примечания. 1. Линейное напряжение сети 380 В, фазное  220 В. Однофазные выпрямители подключаются к фазному напряжению. 2. Для получения вторичного номинального фазного напряжения (п. 3 задания) округляется до ближайшего большего, кратного 10, значение рассчитанного в п. 2 фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора (например, значение 101,2 В округляется до 110 В, что и принимается в качестве вторичного номинального напряжения). Рекомендуемая литература [Л2], раздел 1.2. Вопросы к задаче 1 1. Определите максимальное обратное напряжение на вентиле в основных схемах выпрямления (табл. 1), если фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора равно 100 В. 2. В чем заключаются преимущества мостового выпрямителя по сравнению с двухполупеpиодным со средней точкой? 3. Объясните влияние потоков вынужденного намагничивания на работу трансформатора в трехфазной нулевой схеме выпрямления. Какие существуют меры борьбы с этим явлением? Задача 2 Для управляемого выпрямителя (табл. 2), подключенного к сети переменного тока с напряжением 380/220 В и работающего на активно-индуктивную нагрузку с параметрами, указанными в табл. 2, выполнить пп. 1–4 задания к задаче 1. Таблица 2. Данные к задаче 2 Вариант Выпрямитель Параметры нагрузки Угол регулироUd , В Id , А вания, эл. град 1 Трехфазный мостовой с нулевым диодом 440 100 90 2 Однофазный со средней точкой и нулевым диодом 220 25 30 3 Однофазный мостовой симметричный 110 60 60 4 Однофазный мостовой несимметричный 220 30 120 22 Продолжение табл. 2 Вариант Выпрямитель Параметры нагрузки Угол регулироUd , В Id , А вания, эл. град 5 Трехфазный нулевой 220 110 50 80 60 30 6 Однофазный мостовой с нулевым диодом 440 20 150 7 Трехфазный нулевой с нулевым диодом 440 40 90 8 Трехфазный мостовой симметричный 220 200 60 9 Однофазный со средней точкой 110 50 45 Вопросы к задаче 2 1. Объясните, как изменятся показания вольтметра, включенного параллельно активно-индуктивной нагрузке управляемого выпрямителя с нулевым диодом при обрыве цепи нулевого диода. 2. Объясните, как и почему изменяются основные расчетные параметры вентилей и трансформатора при переходе от активной к активно-индуктивной нагрузке в основных схемах выпрямления. Задача 3 Для однофазного мостового неуправляемого выпрямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку с параметрами, указанными в табл. 3, выполнить следующее: 1) определить максимальное значение тока диода и параметры трансформатора: действующие значения тока и напряжения вторичной обмотки, типовую мощность; 2) определить необходимую емкость конденсатора для получения коэффициента пульсаций Кп = 0,1; 3) при выбранных параметрах трансформатора построить внешнюю характеристику выпрямителя Ud = f(Id) при изменении тока нагрузки в пределах Id = (0,11) Id. Примечание. Внешнюю характеристику построить в именованных единицах (вольтах, амперах). Рекомендуемая литература [Л2], раздел 1.4. 23 Таблица 3. Данные к задаче 3 Вариант 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Udн, В 5 5 12 12 15 15 24 24 36 36 Idн, А 0,05 0,1 0,15 0,3 0,2 0,35 0,3 0,6 0,45 0,9 R, Ом 14 6 16 8 15 7 13 5 12 4 Условные обозначения: Udн, Idн  напряжение и ток нагрузки; R = Rа + 2Rпр  сопротивление трансформатора и диодов. Вопросы к задаче 3 1. Объясните основные особенности работы выпрямителя на активно-емкостную нагрузку. 2. Поясните работу выпрямителя с умножением напряжения. Какой внешней характеристикой обладает такой выпрямитель? Задача 4 Для неуправляемого выпрямителя, работающего на активное сопротивление, рассчитать параметры Г-образного LC-фильтра для получения требуемого коэффициента пульсаций (табл. 4). Таблица 4. Данные к задаче 4 Вариант 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Схема выпрямления Однофазная нулевая Однофазная мостовая Трехфазная нулевая Трехфазная мостовая Rн, Ом 100 1500 200 250 50 80 100 30 80 50 Кп 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,05 Условные обозначения: Rн  сопротивление нагрузки; Кп  коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке. Рекомендуемая литература [Л2], раздел 1.3. Вопросы к задаче 4 1. Объясните назначение и принцип работы индуктивного и емкостного фильтров. Укажите области их применения. 2. Опишите основные параметры фильтров  коэффициенты сглаживания, пульсаций, передачи и фильтрации. 24 Задача 5 Для однофазного импульсного преобразователя переменного напряжения с естественной коммутацией, работающего на нагрузку с параметрами, указанными в табл. 5, выполнить следующее: 1) нарисовать возможные варианты двунаправленных силовых ключей; 2) определить критическое значение угла управления вентилями для значения cosн из табл. 5, начертить временные диаграммы рабочих процессов при угле управления, в два раза превышающем критическое значение, и при работе преобразователя на активную и активно-индуктивную нагрузки; 3) рассчитать и построить регулировочные характеристики и кривые коэффициента мощности при работе на чисто активную нагрузку; 4) показать отличия в кривых п. 3 при работе преобразователя на активно-индуктивную нагрузку. Рекомендуемая литература [Л2], раздел 3.7. Таблица 5. Данные к задаче 5 Вариант 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Uc , B 127 220 380 127 220 380 127 220 380 220 Iн, А 5 3 5 10 10 10 20 10 20 25 cos н 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,85 0,75 0,65 0,55 0,95 Условные обозначения: Uc – действующее значение напряжения сети, В; Iн – действующее значение тока нагрузки, А; cos н – коэффициент мощности нагрузки. Вопросы к задаче 5 1. Поясните, что такое критический угол управления для преобразователя переменного напряжения? 2. Как связаны критический угол управления и ширина (длительность) управляющего импульса? 3. Приведите варианты схем трехфазных преобразователей, поясните их особенности. 4. Поясните особенности ступенчатого и фазоступенчатого принципов регулирования переменного напряжения, их достоинства и недостатки. 25 5. Поясните особенности широтно-импульсной модуляции в преобразователях переменного напряжения, достоинства и недостатки такого регулирования. Задача 6 Для импульсного преобразователя постоянного напряжения на транзисторах, работающего на якорь электродвигателя (параметры источника, преобразователя и нагрузки приведены в табл. 6), выполнить следующее. 1. Выбрать и начертить схему преобразователя, обладающего возможностью работать в режиме рекуперации. 2. Начертить временные диаграммы токов и напряжений во всех элементах схемы при произвольном значении коэффициента заполнения импульсов; отдельно пояснить режим рекуперации. 3. Указать расчетные режимы работы преобразователя для выбора полупроводниковых приборов по току и напряжению. Определить средние значения токов и амплитуду напряжений приборов в этих режимах (под расчетными понимаются режимы с максимальными значениями исследуемых величин). 4. Для ограничения пульсаций тока нагрузки до заданного в табл. 6 значения (I/Iн) определить необходимую величину индуктивности цепи нагрузки. Рекомендуемая литература [Л2], разделы 3.3, 3.4. Таблица 6. Данные к задаче 6 Вариант 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Преобразователь Нереверсивный Реверсивный симм несим пооч симм несим пооч Ud , B 115 230 115 230 115 230 115 230 115 230 f, Гц 200 300 400 500 600 1000 900 800 700 600 Iн, А 20 10 10 5 8 10 20 5 10 4 Rн, Ом 0,5 2,0 1,2 4,0 1,5 2,0 0,5 4,0 1,2 5,0 I/Iн 0,1 0,15 0,2 0,1 0,2 0,2 0,1 0,15 0,2 0,1 Примечание. Схема нереверсивного преобразователя – с последовательным и шунтирующим ключевыми элементами, реверсивного – мостовая с симметричным или с несимметричным или с поочерѐдным управлением ключами. Условные обозначения: Ud – напряжение источника, В; f – частота переключения преобразователя, Гц; Iн – номинальный ток нагрузки, А; Rн – активное со- 26 противление цепи нагрузки (якоря электродвигателя), Ом; I/Iн – относительное значение максимально допустимой пульсации тока нагрузки. Вопросы к задаче 6 1. Назначение импульсных преобразователей постоянного напряжения. Основные способы регулирования напряжения на нагрузке. 2. Что означают понятия: нереверсивный, реверсивный преобразователи; рекуперация энергии? 3. Поясните и проиллюстрируйте основные законы управления реверсивным мостовым транзисторным преобразователем; отметьте их достоинства и недостатки. 4. Поясните способ ШИМ-модуляции выходного напряжения в ИППН. Задача 7 Для однофазного мостового автономного инвертора напряжения (АИН) на транзисторах, работающего на активноиндуктивную нагрузку (параметры источника и нагрузки указаны в табл. 7), выполнить следующее. 1. Начертить электрическую схему указанного инвертора. 2. При формировании кривой выходного напряжения АИН с шириной импульса на полупериоде в 180 эл. градусов: а) начертить диаграмму переключения транзисторов; б) построить временные диаграммы напряжений источника и нагрузки, токов источника, нагрузки, транзисторов и обратных диодов; в) по данным табл. 7 определить: - действующие значения напряжения и тока нагрузки; - средние значения токов транзисторов, обратных диодов, источника питания; - коэффициент мощности нагрузки; - требуемую величину емкости конденсатора фильтра. 3. При широтно-импульсном регулировании и формировании независимой от параметров нагрузки кривой выходного напряжения с шириной импульса, указанной в табл. 7, выполнить задания п. 2 данной задачи. Рекомендуемая литература [Л2], раздел 4.4. 27 Таблица 7. Данные к задаче 7 Вариант 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Rн, Ом 15 20 25 30 40 80 60 50 40 30 Lн, мГн 15 15 15 15 15 30 30 30 30 30 fн, Гц 100 150 200 250 300 300 250 200 150 100 Ud , В 110 110 110 110 110 220 220 220 220 220 Ширина импульса, эл. град. 80 100 120 140 160 160 140 120 100 80 Условные обозначения: Rн – активное сопротивление нагрузки, Ом; Lн – индуктивность нагрузки, мГн; fн – частота напряжения на нагрузке, Гц; Ud – напряжение источника питания, В. Вопросы к задаче 7 1. Каковы основные особенности автономных инверторов тока (АИТ), напряжения (АИН), резонансных инверторов (АИР)? 2. Опишите и проиллюстрируйте электрическими схемами и временными диаграммами процессы коммутации в однофазных мостовых АИТ. 3. Объясните ход входных и выходных характеристик АИТ. 4. Определите средние значения входного тока, тока в вентилях, напряжения на входе инвертора и емкость коммутирующего конденсатора однофазного мостового АИТ (Uн = 380 В, Iн = = 10 А, F = 50 Гц, соs = 0,5). 5. Какие вы знаете способы улучшения показателей выходного напряжения АИН? Задача 8 Для трехфазного мостового автономного инвертора напряжения на транзисторах (параметры сети и нагрузки указаны в табл. 8) выполнить следующее. 1. Начертить диаграмму переключения транзисторов с углом проводимости 180 эл. град. 2. Начертить временные диаграммы напряжения на нагрузке при включении ее по схемам «звезда» и «треугольник». 28 3. Определить действующие значения фазного и линейного напряжений, токи нагрузки, среднее значение тока источника питания, коэффициент мощности нагрузки, необходимую емкость конденсатора. 4. Сформировать алгоритм переключения транзисторов и начертить кривые линейных напряжений при широтноимпульсном регулировании и числе импульсов на периоде Кин (см. табл. 4). Рекомендуемая литература [Л2], раздел 4.4. Таблица 8. Данные к задаче 8 Вариант 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Rн, Ом 80 60 50 40 30 15 20 25 30 40 Lн, мГн 30 30 30 30 30 15 15 15 15 15 fн, Гц 300 250 200 150 100 100 150 200 250 300 Ud , В 220 220 220 220 220 110 110 110 110 110 Кин 4 8 4 8 4 8 4 8 4 8 Условные обозначения: Rн – активное сопротивление нагрузки, Ом; Lн – индуктивность нагрузки, мГн; fн – частота напряжения на нагрузке, Гц; Ud – напряжение источника питания, В; Кин – число импульсов напряжения на периоде при широтно-импульсном регулировании. Вопросы к задаче 8 1. Приведите алгоритм переключения транзисторов и временные диаграммы фазных и линейных напряжений трехфазного мостового АИН при угле проводимости вентилей 120 эл. град. и активной нагрузке. 2. При исходных данных предыдущего вопроса поясните влияние индуктивности нагрузки на кривые напряжений. 3. Изобразите схему и поясните принцип работы трехфазного тиристорного АИН с пофазной одноступенчатой коммутацией. 29 Основные параметры, используемые в силовой электронике α – угол управления вентильного преобразователя. α0 – статический коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общей базой. β – угол опережения; угол запирания; коэффициент усиления. γ – угол коммутации (угол перекрытия фаз); коэффициент заполнения импульсов. δ – угол восстановления. δmin – минимальный угол восстановления. ε – относительное значение установленной мощности элементов фильтра. η – коэффициент полезного действия. ϑ – временной угол. θ – угол отсечки; угол, соответствующий паузе на нагрузке. ϰ – коэффициент нагрузки. λ – угол проводимости тиристоров (транзисторов); коэффициент передачи напряжения; длительность импульса напряжения на нагрузке. μ – коэффициент глубины модуляции. ν – коэффициент искажения. ξ – расстройка резонансного контура. τ – время протекания тока через обратные диоды. φ – угол сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения. χ – коэффициент мощности. ψ – коммутационная функция. ω – угловая частота сети. ω0 – собственная угловая частота контура. В – коэффициент фазной ЭДС. С – емкость конденсатора. D – коэффициент формы тока. Е, Em, e – действующее, амплитудное и мгновенное значения ЭДС питающей сети (ЭДС двигателя постоянного тока). Н – мощность несимметрии. f – частота питающей сети (выходная частота инвертора). 30 id, Id – мгновенное и среднее значения выпрямленного тока. iа , Iа , Iam – мгновенное, среднее и амплитудное значения тока вентиля. iн, Iн, Iн max, Iн min – мгновенное, среднее, максимальное и минимальное значения тока нагрузки. ∆I – амплитуда пульсаций тока нагрузки. Iэ , Iк, Iб – токи эмиттера, коллектора и базы транзистора. iи, Iи – мгновенное и действующее значения инвертированного тока. Кп, Кф, Ксг, Кг , Ки, КL – соответственно коэффициенты пульсаций, фильтрации, сглаживания, гармоник, схемы инвертора, распределения индуктивностей. Ld, Lн – индуктивность сглаживающего дросселя и нагрузки. m – число фаз преобразователя. n – коэффициент трансформации. Р – активная мощность. р – оператор. Q – реактивная мощность. q – номер гармоники. rd, rн – активное сопротивление нагрузки в цепи выпрямленного тока и активное сопротивление нагрузки. S – полная мощность. Т – период выходной частоты; мощность искажения. uн, Uн – мгновенное и действующее значения напряжения на нагрузке. ud, Ud, Udm – мгновенное, среднее и амплитудное значения выпрямленного напряжения (напряжения источника постоянного тока). ω – число витков обмоток трансформатора. Yн – полная проводимость нагрузки. Zн – полное сопротивление нагрузки. Zс – волновое сопротивление контура. 31 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Полупроводниковые выпрямители / Е. И. Беркович [и др.]; под ред. Ф. И. Ковалева, Г. П. Мостковой. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1978. – 447 с. 2. Руденко, Владимир Семенович. Основы преобразовательной техники: учеб. для вузов / В. С. Руденко, В. И. Сенько, И. М. Чиженко. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1980. – 424 с. 3. Розанов, Юрий Константинович. Силовая электроника: учеб. для вузов / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчицкий, А. А. Кваснюк. – М.: Издат. дом МЭИ, 2007. – 632 с. 4. Зиновьев, Геннадий Степанович. Силовая электроника: учеб. пособие для бакалавров / Г. С. Зиновьев; Новосиб. гос. техн. ун-т. – 5-е изд., исп