Энергетическая электроника

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

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: ; ; ; ; ; 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 ÷ 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.

Страницы: 1, 2