ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Программа, методические указания и контрольные
задания для студентов IV курса электромеханического
и электроэнергетического факультетов (все специальности)
заочного отделения
Новосибирск
Введение
Программа курса «Промышленная электроника » соответствует программе очного вуза в объеме 140 учебных часов, из них 20 отводится на лабораторные работы.
По курсу студент выполняет одну контрольную работу и пять лабораторных работ. К лабораторным работам студент допускается после получения зачета по контрольной работе. Экзамен сдается в объеме программы.
Литература
Основная
1. Каганов И.Л. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа, 1968.
2. Изъюрова Г.И., Кауфман М.С., Приборы и устройства промышленной электроники.- М.: Высшая школа, 1975.
3. Мелешкина Л.П., Алексеева Г.Е., Фраткина М.Л. Руководство к лабораторным работам по основам промышленной электроники.- М.: Высшая школа, 1977.
4. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е.. Промышленная электроника. Энергоатомиздат 1988.
Дополнительная
1. Каганов И.Л. Промышленная электроника.- М.: Госэнергоиздат,1961.
2. Справочник электротехнический.- М.: Энергия, 1971, т. 1, 2, 3.
3. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам / Под ред, И.Н. Горюнова. – М.: Энергия, 1972.
4. Тиристоры: Технический справочник / Под ред, В.А. Лобунцова.- М.: Энергия, 1971.
5. Ю.С. Забродин «Промышленная электроника » М.: Высшая школа, 1982.
Перечень лабораторных работ
1. Исследование работы неуправляемых однофазных двухполупериодных выпрямителей.
2. Исследование трехфазных схем выпрямления.
3. Исследование однофазного управляемого выпрямителя.
|
|
4. Исследование управляемого выпрямителя трехфазного тока.
5. Исследование биполярного транзистора и одиночного усилительного каскада на транзисторе.
6. Исследование многокаскадного усилителя на транзисторах.
7. Исследование мультивибратора на транзисторах.
Тема I. Полупроводниковые приборы.
I.I. Полупроводниковый диод.
Механизм электропроводности полупроводниковых материалов. Собственная и примесная проводимости; типы примесной проводимости.
Механизм образования электронно-дырочного перехода (p-n-перехода).
Эффект выпрямления в p-n-переходе. Вольт-амперная характеристика
p-n-перехода, влияние на нее температуры. Пробой p-n-перехода (туннельный, лавинный, тепловой, поверхностный). Полупроводниковый диод и его вольт-амперная характеристика.
Разновидности и параметры полупроводниковых диодов. Выпрямительные, туннельные, фотодиоды, полупроводниковые стабилитроны. Особенности конструктивного исполнения мощных полупроводниковых диодов.
Групповое (последовательное и параллельное) соединение диодов. [ I, I.4; 2, I.4, I.5, I.6, 4.1, 4.2; 3, c. 6+12 ].
1.2. Транзисторы.
Структурная схема и принцип действия биполярного транзистора, соотношения между токами, коэффициенты передачи тока эмиттера и усиления тока базы.
Схемы включения транзисторов. Входные и выходные характеристики.
Т-образные эквивалентные схемы замещения биполярного транзистора для переменных составляющих сигнала. Влияние температуры, частоты и режима работы на характеристики и параметры транзисторов.
|
|
Представление биполярного транзистора в виде линейного четырехполюсника. h – параметры, и их связь с дифференциальными параметрами эквивалентной схемы замещения.
Технические параметры биполярных транзисторов.
Полевой транзистор. Принцип действия, выходные и проходные характеристики, основные параметры, схемы включения полевых транзисторов. типы полевых транзисторов. [ I, 2.3; 2, 4.3, 4., 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9; 3, c. 13+27 ].
1.3. Динисторы и тиристоры.
Структурная схема динистора. Физические процессы в динисторе при прямом и обратном внешнем напряжении. составляющие токов. Транзисторный аналог динистора. Условие перехода во включенное состояние. Вольт-амперная характеристика и ее основные параметры. Влияние температуры на условие переключения. Переходные процессы при включении динистора.
Физические процессы при включении тиристора по цепи управляющего электрода, условие перехода тиристора во включенное состояние.
Вольт-амперная характеристика тиристора; влияние тока управления на величину напряжения включения. Инерционность процесса включения тиристора; влияние величин тока управления на время задержки и время включения. Статические вольт-амперные характеристики цепи управления; зоны гарантированного включения. Требования к параметрам сигнала управления. Мощность потерь, тепловое сопротивление и температура перегрева структуры тиристоров. Особенности группового (последовательного и параллельного) соединения тиристоров. Типы тиристоров. [ 1, 6.6, 6.7, 6.8; 2, 4.10; 3, c 27+32 ].
Методические указания
К п 1.1. При изучении материала данной темы необходимо прежде всего уяснить, каким образом в монокристаллической структуре полупроводника возникает собственная проводимость, как удается получить материалы с электронной и дырочной проводимостью при легировании полупроводника пяти- и трехвалентными примесями соответственно. Как на границе соприкосновения двух полупроводников с различным типом проводимости образуется p-n-переход, обладающий вентильными свойствами. Необходимо обратить внимание на зависимость сопротивления p-n-перехода от величины и знака приложенного внешнего напряжения, уметь объяснить ход вольт-амперной характеристики.
|
|
Вольт-амперная характеристика диода отличается от ВАХ p-n-перехода большей величиной прямого падения напряжения и обратного тока. В реальных условиях эксплуатации нельзя превышать предельные параметры диодов (как и других приборов), поэтому следует знать такие основные понятия как, допустимое значение прямого тока, максимальная допустимая величина обратного напряжения, прямое падение напряжения, частотный и температурный рабочий диапазон и д.р. Изучая вопрос о групповом соединении полупроводниковых приборов, нужно разобраться, почему возникает необходимость выравнивать напряжения на последовательно соединенных приборах и токи через параллельно соединенные приборы, какие способы выравнивания токов и напряжений существуют.
К п.1.2, В биполярных транзисторах взаимодействуют между собой два встречно включенных p-n-перехода. Взаимодействие этих переходов, распределение токов при изменении потенциальных барьеров под действием напряжений внешних источников должны быть изучены в первую очередь. Необходимо знать, как снимаются и какой вид имеют входные и выходные характеристики транзистора в схемах с общей базой и общим эммиттером, в чем заключается их отличие, как влияет изменение температуры на ход ВАХ. Какой вид имеют Т-образные эквивалентные схемы замещения транзистора. По входным и выходным ВАХ нужно уметь определять h- параметры для каждой схемы включения и рассчитывать по ним основные внутренние параметры Т-образной схемы замещения. При изучении полевых транзисторов следует обратить внимание на тот факт, что в них используются носители одного знака (электроны или дырки), проходящие по полупроводниковому каналу. Ток через канал управляется электрическим полем, что обеспечивает весьма большое входное сопротивление и малый уровень шумов таких приборов.
К п1.3. Динисторы и тиристоры, как и диоды, являются приборами с односторонней проводимостью, однако в отличие от последних они способны находиться в закрытом состоянии и при прямом внешнем напряжении. нужно изучить особенности работы различных p-n-переходов, механизм протекания тока через четырехслойные структуры при закрытом и открытом состоянии прибора, знать условия, при которых он способен переходить во включенное состояние, объяснить ход ВАХ, ее основные параметры (прямой и обратный ток утечки, напряжение отсечки и др.). Важно уметь объяснить особенности включения тиристора по цепи управляющего электрода, влияние величины тока управления на напряжение переключения. Базовые слои включенного динистора и тиристора насыщены неосновными носителями. поскольку процесс накопления избыточных зарядов неосновных носителей инерционный, включение и выключение динисторов и тиристоров производится с конечной скоростью. При изучении динамических процессов в приборах необходимо познакомиться с тем, каким образом происходит накапливание и рассасывание избыточных зарядов в базовых областях, что такое время включения и выключения, какие факторы на них влияют.
Вопросы для самопроверки
1. Как возникает собственная проводимость в химически чистом полупроводнике? Как изменяется она при изменении температуры? Как образуется полупроводник с примесной проводимостью n-типа? p- типа?
2. Что такое p-n-переход? Как он образуется? Изобразите и объясните ход ВАХ диода.
3. Какими основными параметрами характеризуются силовые диоды? В чем особенности их конструктивного оформления?
4. Приведите структурные схемы транзисторов p-n-p и n-p-n типов. Поясните физические принципы их работы.
5. Приведите семейства входных и выходных характеристик биполярного транзистора для с ОБ и ОЭ. Покажите, как по ним опрделеяются h-параметры.
6. Изобразите низкочастотную Т-образную схему замещения биполярного транзистора.Приведите формулы, связывающие основные физические параметры (Rб, Rэ, Rк, b и a) и h-параметры.
7. Что представляет собой полевой транзистор с каналом n-типа и затвором в виде p-n-перехода? Его ВАХ? Основные параметры?
8. Объясните устройство, назначение, принцип действия тиристора. Изобразите его ВАХ при различных токах управления. Каковы необходимые условия включения и выключения тиристора?
9. Нарисуйте диаграммы изменения тока тиристора и напряжения на нем на интервалах включения и выключения. Что такое время включения? Время выключения?
Тема 2. Усилители и генераторы электрических сигналов.
2.1. Одиночные усилительные каскады.
Сущность процесса усиления электрических сигналов. Классификация усилителей. Классы усиления.
Особенности усилителей на биполярных транзисторах. Усилительные каскады по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором с активным сопротивлением нагрузки. Режим каскада по постоянному току, температурная нестабильность рабочего режима, термостабилизация положения рабочей точки, коэффициент температурной нестабильности. Эквивалентная схема замещения для переменной составляющей сигнала. Расчетные параметры каскада для области средних частот. особенности работы в области высоких и низких частот. Амплитудная,амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики.
Усилительные каскады на полевых транзисторах.
Усилители мощности, их основные параметры и характеристики, особенности использования транзисторов. Однотактные и двухтактные схемы усилителей мощности.Графический анализ усилителя мощности.
[1, 2.5; 2, 6.1, 6.4, 6.5, 6.6; 3, c. 36-54 ]
2.2. Многокаскадные усилители.
Блок-схема многокаскадного усилителя, его основные параметры и характеристики. Способы осуществления связей между каскадами. Многокаскадные усилители с RC- и трансформаторной связью.
[1, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9; 2, 6.8, 6.9, 6.10, 6.12; 3, c. 58+66, 92+104 ].
2.3. Усилители постоянного тока.
Назначение и особенности построения схем усилителей постоянного тока (УПТ). Согласование потенциальных уровней в многокаскадных УПТ. Дрейф нуля в УПТ. Балансные каскады усиления постоянного тока. Схемы УПТ в интегральном исполнении. [ 1, 2.13; 3, c.108-118; 2, 6.14 ].
2.4. Обратные связи в усилителях.
Определение обратной связи. Виды обратных связей. Структурная схема усилителя с обратными связями различных типов. Влияние обратных связей на основные параметры и характеристики усилителей. Операционные усилители. Паразитные обратные связи. [ 1, 2.11; 3, c66-74; 2, 6.2, 6.11 ].
2.5. Стабилизаторы напряжения
Принципиальная схема последовательного стабилизатора напряжения. Понятие о коэффициенте стабилизации. [ 1, 2.15; 2, 6.16 ].
Методические указания
К п 2.1. Работая над материалом этой темы, в первую очередь следует хорошо изучить схемы, принцип действия, особенности работы отдельных усилительных каскадов. Нужно уметь проводить графоаналитический анализ работы усилительного каскада: строить нагрузочную прямую, определять положение рабочей точки на семействах входных и выходных характеристик, находить, пределы изменения токов и напряжений, строить кривые коллекторного и входного токов и выходного напряжения, вычислять значения коэффициентов усиления по току и напряжению. Важно уметь нарисовать и проанализировать эквивалентную схему усилительного каскада, объяснить особенности его работы во всем; диапазоне рабочих частот, уметь получить аналитические выражения для вычисления основных параметров каскада (коэффициенты усиления по току и напряжению, входное и выходное сопротивления). Нужно уметь нарисовать и объяснить ход амплитудно- и фазочастотной характеристик каскада, отчетливо представлять, каким образом те или иные элементы схемы влияют на частотные характеристики, каким образом можно расширить диапазон рабочих частот. Учитывая сильную зависимость параметров и характеристик транзисторов от температуры, следует обратить внимание на способы температурной стабилизации режимов, познакомиться с наиболее распространенными схемами (схема с коллекторной и эмиттер ной стабилизацией) стабилизации рабочего режима, уметь получить выражение для коэффициента температурной нестабильности. При изучении усилителей мощности нужно разобраться с принципом действия однотактных и двухтактных каскадов усиления, понимать назначение и особенности работы выходного трансформатора, уметь объяснить ход амплитудно-частотной характеристики. Полезно ознакомиться со схемами бестрансформаторных усилителей мощности.
К п.2.2. В схемах многокаскадных усилителей важно знать назначение и виды междукаскадных связей (RC-, трансформаторная, резонансная, гальваническая), особенности их влияния на результирующую частотную характеристику усилителя.
К п.2.3. Рассматривая усилители постоянного тока, следует прежде всего уяснить причины нестабильности уровня выходного сигнала при неизменном входном сигнале, способы согласования потенциальных уровней в многокаскадных УПТ. Особое внимание надо обратить на параллельные балансные каскады, получившие наибольшее распространение; нужно уметь нарисовать схему такого каскада, объяснить назначение элементов схемы и принцип ее действия, изобразить и объяснить ход амплитудно-частотной характеристики, знать, что такое дифференциальные и синфазные входные и выходные сигналы и коэффициенты усиления. Желательно ознакомиться с принципами построения многокаскадных схем УПТ на базе балансных каскадов, в том числе и в интегральном исполнении.
К п.2.4. Обратные связи вводятся для улучшения параметров и характеристик усилителей, а также для расширения их функциональных возможностей. Следует отчетливо представлять, что такое положительная и отрицательная, последовательная и параллельная обратная связь, обратная связь по току и напряжению. Уметь нарисовать структурную схему усилителя, охваченного последовательной обратной связью по току и напряжению, получить аналитические выражения для входного и выходного сопротивлений, коэффициентов усиления по току и напряжению усилителей с обратной связями, показать, как влияет вид обратной связи на амплитудно-частотную характеристику и рабочий частотный диапазон усилителя. Параллельная обратная связь широко используется в операционных усилителях. Нужно уметь нарисовать структурную схему суммирующего, интегрирующего и дифференцирующего усилителей и получать выражения для выходного напряжения таких усилителей.
К п.2.5. при изучении последовательного стабилизатора напряжения следует уяснить принцип действия и уметь нарисовать схему стабилизатора.
Вопросы для самопроверки
1. Изобразите типовые схемы усилительных каскадов на биполярных транзисторах при включении последних с ОБ, ОЭ и ОК. Поясните назначение элементов схемы.
2. Что такое режим каскада по постоянному току? На примере усилительного каскада с ОЭ покажите, какие элементы схемы выдают положение точки покоя. Почему? Как влияет изменение температуры на положение рабочей точки? Каким образом можно осуществить температурную стабилизацию каскада? Что такое коэффициент температурной нестабильности?
3. Что такое амплитудно-частотная характеристика? Рабочий частотный диапазон? Какие элементы схемы определяют ход АЧХ в области низких частот? Высоких?
4. Вывести выражения для коэффициентов усиления по току и напряжению в схеме с ОЭ для области средних частот. Покажите возможные способы увеличения коэффициентов усиления.
5. Изобразите схему усилителя на полевом транзисторе с общим истоком, объясните назначение элементов схемы. Проанализируйте выражение для коэффициента усиления по напряжению.
6. Изобразите схему однотактного и двухтактного усилителей мощности. Объясните принцип их действия, используя временные диаграммы токов и напряжений. Поясните назначение выходного трансформатора. В каких классах усиления преимущественно работают однотактные и двухтактные каскады усиления мощности?
7. Изобразите различные виды междукаскадных связей в многокаскадных усилителях, укажите их достоинства и недостатки. Как меняется коэффициент усиления схемы при введении межкаскадных связей? Какой вид будет иметь АЧХ двухкаскадного усилителя, если известны АЧХ каждого из каскадов в отдельности?
8. В чем заключаются трудности построения каскадов усиления постоянного тока на транзисторах? Приведите схему параллельного балансного каскада, объясните принцип его действия. Что такое дифференциальный коэффициент усиления? Нарисуйте и объясните АЧХ УПТ.
9. Приведите структурную схему усилителя с последовательной обратной связью по напряжению. Что такое коэффициент передачи напряжения обратной связи? попытайтесь вывести выражение для коэффициента усиления по напряжению усилителя с обратной связью. Проанализируйте его. Изобразите АЧХ усилителя без ОС, с отрицательной и положительной последовательной ОС по напряжению.
10. Изобразите структурную схему усилителя с параллельной обратной связью по напряжению. Получите выражение для коэффициента усиления в общем виде. Что представляет собой суммирующий усилитель? Интегрирующий? Дифференцирующий? Какой вид будет иметь выходное напряжение интегрирующего усилителя, если на его вход подано знакопеременное напряжение без постоянной составляющей?
11. Нарисуйте принципиальную схему последовательного стабилизатора напряжения, поясните принцип действия.
Тема 3. Элементы импульсной техники.
3.1. Простейшие формирователи электрических сигналов.
Формирователи импульсов на базе одно- и двухсторонних ограничителей. Амплитудные селекторы. Дифференциальные и интегрирующие цепочки. Транзисторные ключи. [ 1, 2.14, 3.9; 2, 7.2, 7.7 ].
3.2. Триггеры
Назначение и типы триггеров. Симметричные триггеры с внешним смещением. Триггеры с эмиттерным смещением. Способы запуска триггеров. [ 1, 3.5; 2, 7.3 ].
3.3. Ждущие мультивибраторы.
Назначение ждущих мультивибраторов. ЖМ с коллекторно-базовыми связями. ЖМ с эмиттерной связью. Способы запуска ЖМ и способы регулирования длительности импульсов. [1, 3.7; 2, 7.4 ].
3.4. Мультивибраторы в автоколебательном режиме.
Мультивибратор с коллекторно-базовыми связями в автоколебательном режиме.Способ регулирования частоты повторения и длительности импульсов. Схемы с улучшенной формой выходных импульсов. [1, 3.6; 2, 7.4; 3, c.123-135 ].
3.5. Генераторы линейно-изменяющегося напряжения.
Основные параметры линейно-изменяющегося напряжения (ЛИН). Принципы получения ЛИН. Схемы генераторов ЛИН. [1, 3.8; 2, 7.6 ].
3.6. Логические устройства.
Назначение и типы логических устройств. Понятие об основных логических операциях вида НЕ, И, ИЛИ. Диодные, триодные и диодные и диодно-триодные логические элементы. [1, 3.10 ].
Методические указания
Изучая материал данной темы, необходимо обратить внимание на то, что в подавляющем большинстве устройства импульсной техники функции активного элемента выполняет транзисторный ключ. Поэтому следует прежде всего уметь изобразить схему транзисторного ключа, пояснить, в чем заключается сущность ключевого режима работы, каким образом обеспечиваются режимы отсечки и насыщения, уметь произвести расчет параметров основных схем. В исходном состоянии транзисторный ключ может быть либо закрыт. либо открыт.
Например, триггер можно рассматривать как два соответствующим образом соединенных ключа первого вида, а автоколебательный мультивибратор – два ключа второго вида. Для работы элементов импульсной техники важное значение имеют динамические параметры транзисторов, поэтому при изучении транзисторных ключей следует обратить внимание на переходе процессы включения.
Изучая тот или иной элемент импульсной техники, нужно уметь изобразить его принципиальную схему, пояснить назначение элементов схемы и принцип ее действия, нарисовать временные диаграммы напряжений. Знать способы запуска триггера (раздельный и счетный, в базовые цепи и в коллекторные) и ждущего мультивибратора. Уметь показать контуры, по которым осуществляется заряд и разряд конденсаторов, определяющих длительность импульсов, формируемых мультивибраторами, уметь получить аналитическое выражение для длительности импульса, знать способы ее регулирования. Следует представлять принцип формирования линейно-изменяющегося напряжения, уметь нарисовать и объяснить принцип действия простейших генераторов ЛИН, использующих заряд конденсаторов через резистор или стабилизатор тока с последующим разрядом через транзисторный ключ.
Желательно познакомиться с принципиальными схемами логических элементов в интегральном исполнении, а также с применением логических элементов типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ и других для создания триггеров, ждущих и автоколебательных мультивибраторов и т.д.
Вопросы для самопроверки
1. Приведите и объясните принцип действия диодных ограничителей. Укажите возможности их применения.
2. Приведите схемы дифференцирующей и интегрирующей цепочек, формулы, устанавливающие связь между входными и выходными сигналами. Как влияет соотношение между постоянной времени цепочек и длительностью входного импульса на форму выходного сигнала?
3. Приведите схему транзисторного ключа, поясните назначение элементов. Покажите на семействе выходных характеристик нагрузочную прямую и положение рабочей точки в режимах насыщения и отсечки. Условия, обеспечивающие надежное открытое и закрытое состояние транзистора.
4. Приведите типовую схему симметричного триггера с внешним смещением. Объясните принцип действия, постройте диаграммы выходных импульсов. в чем заключаются отличительные особенности раздельного и счетного запуска. приведите схему раздельного запуска в базовые цепи; счетного запуска в коллекторной цепи. каково назначение ускоряющих конденсаторов?
5. Нарисуйте схему ждущего мультивибратора и диаграммы напряжений. какие параметры схем определяют форму и длительность импульса? Что такое время восстановления? Покажите контур, по которому проходит заряд конденсатора; его разряд. Как изменяется графики напряжений, если величину емкости конденсатора увеличить, например, вдвое?
6. Приведите схему, временные диаграммы и объясните принцип действия мультивибратора в автоколебательном режиме.
7. Приведите схему и временные диаграммы напряжений простейшего генератора ЛИН с разрядным транзистором. Какие параметры схемы влияют на линейность рабочего участка формируемого напряжения? Почему? Пути повышения линейности.
8. Изобразите диодно-транзисторные схемы, выполняющие операции И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Объясните принцип их работы, полагая, например, что логические элементы трехвходовые.
Тема 4. Выпрямители переменного тока.
Назначение выпрямителей. Структурная схема выпрямителя. Классификация выпрямительных схем. Работа на активную нагрузку при идеальных вентилях и трансформаторах выпрямителей, выполненных по схемам: однофазной с выводом нулевой точки и однофазной мостовой, трехфазной с выводом нулевой точки и трехфазной мостовой. Сравнение схем выпрямления и области их применения.
Особенности работы выпрямителя на активно-емкостную и активно-индуктивную нагрузку.
Пульсации выпрямленного напряжения и тока. Сглаживающие фильтры: емкостные, индуктивные, Г-образные типа PC и LC. Коэффициент сглаживания. Выбор элементов фильтров. Рациональные области применения различных фильтров.
Влияние внутренних сопротивлений вентилей и трансформаторов на работу маломощных выпрямителей. Внешние характеристики маломощных выпрямителей. [ 1, 1.5, 1.6, 1.7, 7.6, 7.7, 7.8, 2, 5.1, + 5.8, 3, c.136-150, 154-164 ].
Методические указания
При изучении этой темы необходимо ознакомиться с основными схемами выпрямления, научиться строить временные диаграммы выходных (выпрямленных) токов и напряжений, токов вентилей, напряжения на вентилях, токов первичных и вторичных обмоток трансформаторов, уметь определять среднее и максимальное значение выпрямленного тока и напряжения, среднее и действующее значение токов вентилей, первичных и вторичных обмоток трансформаторов, максимальную величину обратного напряжения на вентиле при заданных средних значениях напряжения и тока нагрузки.
Выпрямленные напряжение и ток реального выпрямителя, кроме полезной (постоянной) составляющей, содержат еще и переменную составляющую, частота повторения которой и величина зависят от схемы силовых цепей и условий работы выпрямителя. Увеличение эквивалентной фазности выпрямителя уменьшает пульсации выпрямленного напряжения нагрузки. При работе на нагрузку емкостного характера уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения, а при индуктивной нагрузке-пульсации выпрямленного тока. Нужно уметь определять амплитуды гармоник пульсаций и коэффициент пульсаций выходного напряжения различных схем выпрямления. Следует понимать назначение и области применения типовых схем сглаживающих фильтров, уметь определять коэффициенты сглаживания пульсаций.
Внешняя характеристика выпрямителя – это зависимость среднего значения тока нагрузки.
Так как с увеличением тока нагрузки увеличиваются потери напряжения в трансформаторе, вентилях, фильтре, то напряжение на нагрузке уменьшается. Нужно уметь объяснить ход внешней характеристики при различных типах фильтров.
Вопросы для самопроверки
1. Изобразите двухполупериодную схему выпрямления однофазного тока с выводом нулевой точки и временные диаграммы токов и напряжений при активной нагрузке. какие изменения будут в диаграммах, если нагрузка станет индуктивной?
2. В чем преимущества мостовых схем перед нулевыми?
3. Постройте графики напряжения на вентиле в трехфазной нулевой и мостовой схеме. почему считается, что вторая схема обеспечивает лучшее использование вентилей по напряжению, чем первая?
4. Что такое типовая мощность трансформатора? Почему величина ее превышает мощность нагрузки? Почему при одной и той же мощности нагрузки? Почему при одной и той же мощности нагрузки типовая мощность трансформатора в мостовой схеме меньше, чем в нулевой?
5. Что такое коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения? Как он определяется?
6. Перечислите основные типы фильтров. Нарисуйте их, объясните принцип сглаживания пульсаций, получите выражения для коэффициентов сглаживания. Почему емкостной фильтр рационально применять при малых токах нагрузки, а индуктивный – при больших?
7. Что такое внешняя характеристика выпрямителя? покажите примерный ход внешней характеристики при различных фильтрах. Чем объясняется различие?
Тема 5. Управляемые вентильные преобразователи.
5.1. Управляемые выпрямители.
Работа управляемого выпрямителя однофазного тока на активную и активно-индуктивную нагрузку. Режим прерывистых и не прерывистых токов. Регулировочные характеристики. Многофазные управляемые выпрямители. Коммутационные процессы в управляемых выпрямителях, влияние угла регулирования и параметров схемы на величину угла коммутации. Внешние характеристики управляемого выпрямителя. Гармонический состав выпрямленного напряжения и первичного тока.
5.2. Зависимые инверторы.
Физическая сущность инвертирования. Зависимый инвертор как частный случай управляемого преобразователя. Переход от выпрямительного режима к инвертору. Условия коммутации вентилей. Входная характеристика инвертора. Опрокидывание инвертора. Ограничительная характеристика.
5.3. Энергетические характеристики.
Коэффициент полезного действия и входной коэффициент мощности управляемого вентильного преобразователя. Влияние величины тока нагрузки и угла регулирования на энергетические параметры преобразователя.
5.4. Реверсивные вентильные преобразователи (РВП)
Автономные инверторы (АИ)
Структурная схема РВП. Полные внешние и регулировочные характеристики.
Схема, принцип действия параллельного АИ. [ 1, 7.5, 7.8, 7.10, 7.11, 7.13, 7.14, 7.16, 7.18; 2, 5.10, 5.11; 3, c.175+181, 186+194, 195+209 ].
Методические указания
К п.5.1. управляемые выпрямители позволяют осуществить плавное регулирование среднего значения выпрямленного напряжения изменением угла регулирования a. При изучении материалов данной темы нужно научиться строить временные диаграммы токов и напряжений при различных видах нагрузки и углах a. Следует обратить внимание на то, что в многофазных схемах даже при активной нагрузке может иметь место режим непрерывных токов. Нужно уметь получить аналитическое выражение и построить регулировочную характеристику при чисто активной и чисто индуктивной нагрузке.
Коммутационные процессы рассматриваются пря Хδ= ¥. Нужно уметь нарисовать эквивалентную схему замещения на интервале ком мутации, объяснить, как выполняется переход тока с одного тирнстора на другой, как строится кривая выпрямленного напряжения на коммутационном интервале. Получить аналитическое выражение для угла коммутации, коммутационного падения напряжения и внешней характеристики управляемого выпрямителя,
Формулы анализа гармонического состава выпрямленного напряжения и первичного тока можно взять из любого учебника и запоминать не следует.
К п.5.2. Изучая зависимые инверторы, необходимо прежде всего уяснить, каким образом осуществляется перевод управляемого вентильного преобразователя в инверторный режим работы, уметь построить временные диаграммы токов напряжений, получить выражение для входной характеристики. Надо отчетливо понимать, что коммутация тиристоров в зависимом инверторе осуществляется напряжением сети переменного тока. Для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы выходящий из работы тнристор успевал восстановить свои запирающие свойства, поэтому в зависимых инверторах в отличие от управляемых выпрямителей принципиально существуют ограничения на величину угла регулирования инвертируемого тока.
Следует понимать физическую сущность ограничительной характеристики.
К п.5.3. Важнейшими энергетическими параметрами вентильных преобразователей являются коэффициент полезного действия и входной коэффициент мощности. Нужно уяснить физический сысл этих параметров, уметь нарисовать графики их зависимости от тока нагрузки при различных углах регулирования. Полезно внимательно проанализировать векторную диаграмму первичного тока управляемого преобразователя. Принципиально важно понять, что зависимый инвертор, отдавая в сеть переменного тока активную мощность, одновременно потребляет из нее реактивную. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что увеличением глубины регулирования энергетические показатели управляемого вентильного преобразователя ухудшаются.
Вопросы для самопроверки
1. Поясните, каким образом осуществляется регулирование напряжения в управляемом выпрямителе?
- Нарисуйте диаграммы выходного напряжения и тока двухполупериодного выпрямителя однофазного тока при a=90 эл.град. и активной нагрузке; при индуктивной нагрузке (Cd=¥). Чему будет равна относительная величина среднего значения выпрямленного напряжения в первом случае? Во втором?
- Нарисуйте регулировочные характеристики однофазных двухполупериодных выпрямителей при активной и индуктивной нагрузках, объясните их ход. Проделайте то же для трехфазного выпрямителя, с выводом нулевой точки. Сравните регулировочные характеристики при активной нагрузке. Чем они отличаются? Почему?
- Поясните ход внешних характеристик управляемого выпрямителя при различных значениях a для случая Cd=¥. Что произойдет с характеристиками, если увеличить Xa?
- Зависимый инвертор однофазного тока (нулевая схема) работает при Xd=¥ и Xa¹0. Приведите графики напряжения на выходе инвертора и на тиристорах, анодных токов тиристоров и тока первичной обмотки трансформатора. Как они были построены?
- Почему в инверторном режиме накладывается ограничение на минимальную величину угла опережения b? На максимальную величину тока Id? Ответить на эти вопросы, используя построенные ранее диаграммы токов и напряжений. Что такое ограничительная характеристика?
- Приведите формулу для подсчета КПД выпрямителя. как будет изменяться КПД, если при неизменном токе нагрузки увеличивать угол регулирования? Почему? Чем объясняется снижение КПД при малых токах? При больших?
- Как определяется активная мощность, потребляемая вентильным преобразователем из питающей сети? Полная мощность? Как влияет величина угла коммутации на входной коэффициент мощности? Почему (объясните это на примере выпрямителя однофазного тока)? Как влияет на входной коэффициент мощности величина угла регулирования?
Задача N 1.
Задание. Определить параметры элементов силовой схемы трехфазного управляемого выпрямителя, рассчитать и построить основные характеристики, полагая Xd=¥. Привести временные диаграммы токов и напряжений при произвольно выбранных значениях a и g, схему силовых цепей.
Вариант выбирается по последней цифре шифра студента.
Варианты заданий даны в табл.1.1, где Idн, Udн – номинальный ток и номинальное напряжение нагрузки; Cp – степень регулирования; Uk% - напряжение короткого замыкания (КЗ) трансформатора. Необходимые справочные материалы для некоторых типов тиристоров приведены в табл.1.2. Схемы выпрямителей показаны на рис.1.1, а, б
Методика расчета
При решении задачи воспользоваться литературой: [1, § 2.3а,б, 2.5а,б,в, 2.6 б;
2, § 4.3, 4.4, 4.5, 6.4, 6.5, 6.8; 3, с.13-25, 33-46 ].
1. Определяем ЭДС холостого хода выпрямителя при угле регулирования a=0;
Edo = Udн + DUxн + DUrн + DUa + DUфн = Udн + DUdн, (1.1.)