Задание 3. Выпрямители переменного тока

По таблице выбираем для варианта № 8 схему трёхфазного выпрямителя малой мощности, собранной по мостовой схеме.

Решение

4.1. Блок - схема выпрямителя. Рисунок 4.1.

 

Тр - трансформатор(Tp1). Он понижает или повышает напряжение U1 до величины U2, если это необ­ходимо для практики.

ВП - вентильный преобразователь(VD1-VD6), преобразующий напряжение (ток) переменное U2 в напряже­ние (ток) однополярное U3.

Ф - фильтр (R1-C1), пропускающий в нагрузку (Rн) постоянную оставляющую тока, и не пропускающий все­возможные гармоники. При этом напряжение в нагрузке U4 становится постоянным с небольши­ми пульсациями.

4.2. Схема электрическая принципиальная выпрямителя. Рисунок 4.2.

 

 

Диаграммы напряжений. Рисунок 4.3.

 

1 3 5

6 2 4 6

 

4.3. Описание принципа работы преобразователя.

Обмотки трансформатора соединены по способу «Звезда». К каждой фазе подключены два диода относительно фазных напряжений вклю­ченных встречно. Так диод VD1 подключен к фазе А анодом и, следовательно, будет открываться при положительной полуволне фазы А. Диод VD4 подключен к фазе А катодом и, следовательно, откроется только при отрицательной полуволне фазного напряжения Еа. Таким образом, нечетные диоды представляют собой схему однополупериодного трехфазного выпрямителя, диоды которо­го открываются при положительном напряжении на их анодах

Четная группа вентилей тоже по конфигурации напоминает схему однополупериодного трехфазного выпрямителя. Однако диоды открываются при наибольшем по величине, но отрица­тельном по знаку фазном напряжении.

На рис. 4.3. приведена схема последовательности работы вентилей мостового трехфазного выпрямителя.Каждый диод находится в открытом состояние в течение времени .

В схеме выпрямителя всегда открыты два вентиля, один в анодной и один в катодной группе. Напряжение и ток на выходе выпрямителя непрерывны, но пульсирующие. Число пульсаций за период равно шести.

Выпрямленное напряжение определяется линейным напряжением сети переменного тока.

В Г - образном фильтре рис. 4.3. используются R-C элементы, которые применяют для питания электронных устройств малой мощности. В мощных выпрямителях применяют П - образный L-C фильтр, вместо R1 применяют индуктивность и дополнительную ёмкость С 2 (на рис. 4.3 обозначена пунктирной линией).

Для более мощного выпрямителя необходимо увеличить мощность трансформатора, вентилей, фильтра. Принципиальных отличий у него нет. Если особых требований к коэффициенту пульсаций не предъявляется, то L-C фильтр можно исключить.

Задание 4. Инверторы

Из таблицы выбираем для варианта № 8 трехфазную мостовую схему ин­вертора, автономного.

Решение

5.1.Автономный инвертор является преобразователем постоянного тока в переменный ток, и его работа определяется системой управления. Они применяются в том случае, если основным ис­точником питания является солнечная батарея, аккумулятор и т.п.

Рисунок 5.1. Рисунок 5.2.

В схеме, представленной на рис. 5.1 ток протекает по нагрузке с лева направо (если выполняется неравенство Е1>Е2 или существует иная причина). Тогда для схемы справедливы уравне­ния

E1-E2 = I×R

I(E1-E2) = I² -R

P1-P2 = I² -R

Из уравнения (5.1) ясно, что мощность черпается от источника Е1 тогда, когда ток проте­кает по часовой стрелке. Если ток в цепи будет протекать против часовой стрелке (если Е2>Е1 ли­бо по иной причине), то в сеть энергию будет отдавать генератор Е2:
P 2- P 1 = I ² - R

Таким образом, направление передачи энергии зависит от направления протекания тока в цепи.

Для рис.5.2 тоже очевидно, что при заданном направлении тока энергию в сеть отдает ис­точник Е2, а источник Е1 накапливает энергию (зарядка аккумулятора). Инвертирование в этой схеме можно получить не меняя направления тока, а поменять полярность источника Е1. В этом

случае источник Е1 тоже начнет отдавать энергию в сеть.

Направление передачи энергии источника можно обеспечить, изменяя направление тока цепи относительно напряжения источника (ток и напряжения в противофазе). Направление передачи энергии от источника или к источнику можно обеспечить, изменив направление напряжения источника питания.

5.2. Блок - схема инвертора с системой управления и общее описание работы инвертора рисунок 5.3.

Е- источник постоянного тока.

ВП - вентильный преобразователь, преобразующий постоянный ток в трёхфазное переменное напряже­ние.

Ф - фильтр, пропускающий в нагрузку трёхфазное переменное напряже­ние рабочей частоты, и не пропускающий все­возможные гармоники.

Н- нагрузкой трёхфазной может быть трансформатор, двигатель и т.д.

СУ- система управления вентилями.

В автономных инверторах в отличие от зависимых ин-
верторов частота и напряжение получаемого переменно-
го тока определяются исключительно режимом работы
их управляемых вентилей.

Трехфазный мостовой инвертор. На рис. 5.4 пред­ставлена схема трехфазно­го мостового инвертора на тиристорах и диаграммы токов и напряжений на ее элементах.

В этой схеме, так же как и в однофазной, управля­ющие импульсы подаются на тиристоры с опережени­ем на угол β относительно моментов времени, соответствующих началу ком­мутации тиристоров при работе схемы в режиме не­управляемого выпрямителя (α= 0). Указанные момен­ты времени соответствуют прохождению через нуль линейных напряжений вто­ричных обмоток трансформатора, т. е. пересечению синусоид фазных напряжений Иа, Ив, и Ис.

Рис. 5.4. Трехфазный мостовой инвертор.

Рассмотрим работу схемы, считая, что ток iа, как и в выпрями­тельном режиме, идеально сглажен. На интервале ΰ₀ … ΰ₁ под воздействием напряжения источника U_d ток I_d проходит через тиристоры VS1, VS2 и вторичные обмотки трансформатора (фазы a и с). При этом мгновенное значение противо ЭДС инвертора (см. рис. 5.4,) равно разности напряжений Ис и Иа.

В момент ΰ₁, определяемый углом опережения β, который за­дается системой управления инвертора, подается управляющий импульс на тиристор VS3. Этот тиристор включается, в результате чего фазы а и в вторичных обмоток трансформатора оказываются замкнутыми накоротко и в них начинает протекать ток короткого замыкания, направленный навстречу току i_{VS 1}, протекающему че­рез тиристор VS1. Иначе говоря, начинается процесс коммута­ции, аналогичный процессу коммутации в трехфазной мостовой схеме выпрямителя, длительность которого вы­ражается углом γ. Напряжение u_d на интервале коммутации стано­вится равным напряжению Ис минус полусумма напряжений Иа и Ив.. После окончания процесса коммутации ток будут проводить тиристоры VS1 и VS3, а к тиристору VS1будет приложено обрат­ное напряжение в течение времени, определяемого углом δ β = γ + δ

Далее коммутация тиристоров идет в соответствии с их нуме­рацией, указанной на рис. 5.4. Длительность проводящего интер­вала каждого вентиля равна

(2л/3) + γ.

Напряжение источника U_{d 0} при холостом ходе инвертора свя­зано с действующим значением фазного напряжения трансфор­матора соотношением

Инвертор
выполнен по мостовой схеме и состоит из шести тиристоров

(рис. 5.4) и шести неуправляемых
вентилей,которые включены встречно-параллельно тиристорам, их ещё называют обратные диоды (на схеме не указаны).

Тиристоры обеспечивают
подачу через определенные промежутки времени импуль
сов напряжения на фазы А, В и С, т.е.
получение на выходе инвертора трехфазной системы
напряжений. Благодаря применению
вентилей, устраняются перенапряжения на элементах ин
вертора и обеспечивается независимое друг от друга
включение и выключение тиристоров.

Устройства для искусственной коммутации тиристо-
ров могут быть установлены в каждом плече моста (индивидуальная коммутация), каждой фазе (мсждуфазовая
коммутация) или же можст быть установлено общее уст
ройство для всех тиристоров (общая коммутация).

- 6. Задание 5. Системы управления преобразователями электрической энергии Из таблицы 4 выбираем для варианта 8 схему системы управления вертикального типа. Решение 6.1. Привести блок - схему и объяснить принципа работы обобщенной
схемы управления преобразователями электрической энергииРисунок 6.1.

На рис. 6.1. приведена обобщенная структура СУ. В структуре выделены некоторые функциональные блоки, характерные для; СУ силовых электронных устройств. Блок датчиков Д содержит датчики регулируемых и контролируемых параметров. Так как обычно регулируются выходные пара­метры, то часть датчиков непосредственно входит в обратную связь канала регулирования. Сигналы с этих датчиков поступают на ре­гулятор РЕГ, в функции которого входит формирование закона управления элементами силовой части. Блок ФИУ формирует импульсы управления, непосредственно поступающие на сило­вые элементы. По существу ФИУ является согласующим устрой­ством между входами силовых приборов и выходом регулятора. Сигналы регулятора обычно являются маломощными и не отве­чают требованиям, предъявляемым к импульсам управления си­ловых приборов (тиристоров, транзисторов и др.). Блок ФИУ на­зывают также драйвером.

Узлы выполняются на различной элементной базе: дискретные и интегральные электронные компоненты, электромагнитные реле. Для функционирования этих элементов требуются источни­ки электропитания часто с различными параметрами. В составе структуры имеется блок вторичных источников питания для соб­ственных нужд, называемых также источниками оперативного питания (ИОП). В ИОП используются различные виды преобразо­вателей и регуляторов, согласующих параметры входного (иногда и выходного) напряжения силовых цепей с параметрами, требу­емыми для питания элементов СУ. При питании от сети переменного тока, основой ИОП явля­ются маломощные трансформаторы с несколькими вторичными обмотками на разные напряжения. Эти обмотки подключаются к выпрямителям с выходными, обычно емкостными фильтрами.

Для стабилизации уровней выходных напряжений маломощ­ных выпрямителей используют стабилитроны или транзисторные регуляторы в дискретном или интегральном исполнениях.

Система управления силового электронного устройства обыч­но выполняет следующие функции:

формирование сигналов управления силовыми элементами си­ловой части;

регулирование выходных параметров силовой части;

включение и отключение по заданному алгоритму основных узлов силовой части;

обмен информацией с внешней средой. Текущий контроль и Диагностика устройства осуществляется блоком УКД, на вход которого поступают сигналы с датчиков контролируемых парамет­ров.

Результаты контроля диагностики поступают на блок обработ­ки информации ИНФ и затем с его выхода — на защитные уст­ройства ЗУ. Блок ИНФ также в общем случае может связывать все устройство со внешней средой. Например, в него могут поступать сигналы команд на включение, выключение, изменения режима работы. Обычно эти сигналы обрабатываются или транслируются непосредственно в блок коммутационной аппаратуры КА. С дру­гой стороны из блока обработки информации могут исходить сиг­налы о состоянии устройства, режиме его работы, информация о причине отключения или срабатывания защит и др.

Представленная на рисунке структура является обобщенной. В ней отражены характерные укрупненные функциональные бло­ки. В реальном аппарате значительная часть из них может отсут­ствовать или находиться в неявном конструктивном или функци­ональном видах. Обмен с внешней средой может осуществляться с помощью тумблеров или кнопок, а о состоянии аппарата будут давать информацию обыкновенные сигнальные лампы

Соответственно элементная база СУ часто сочетает элементы как цифровой, так и аналоговой тех­ники, которая обрабатывает непрерывные сигналы, например тока или напряжения. Эти сигналы затем снова могут преобразовы­ваться в импульсную форму.

6.2. Привести схему замещения системы управления преобразователем и
объяснить назначение всех ее элементов

Структурная схема управления однофазным инвертором представлена на рисунке 6.1.

 

В этой схеме генератор ЗГ вырабатывает синусоидальное напряжение, частота которого больше, например, частоты сети в четыре раза. Выходное синусоидальное напряжение генератора в формирователе импульсов Ф преобразуется в прямоугольные импульсы, которые являются оптимальными по форме для управления. Эти импульсы поступают в распределительное устройство РИ, где происходит распределение импульсов почетырём каналам для мостовой схемы вентильного преобразователя. Каналы 1...4 передают импульсы управления на соответствующие вентили преобразователя.

Замечание. Если частота переключений тиристоров равна fo, то частота fг генератора должна быть больше и равна fг = 4∙fo. При этом сдвиг по фазе для вентилей нужно выдержать равным π/2.

6.3. Схема электрическая принципиальная узла управления и диаграммы
напряжений, поясняющих принцип его работы.

Рис. 3.10 Однофазный инвертор напряжения на полностью управляемых элементах (тран­зисторах). б -диаграммы тока и на­пряжения, в-диаг­рамма управляющих импульсов, г -диаграмма выходногонапряжения инвертора

 

На рис. 3.10, б представлены диаграммы, иллюстрирующие работу схемы. Когда открыты транзисторы VТ1 и VТ4, напря­жение на нагрузке имеет полярность, указанную (без скобок) на рис. 3.10, б, а ток нагрузки нарастает по экспоненциальному закону. В момент ΰ = π поступают управляющие импульсы, за­пирающие транзисторы VТ1, VТ4 и отпирающие транзисторы VТ2, VТЗ. Заключение В заключении можно отметить, что задания 1…4 выполнены, на мой взгляд, в полном объёме, а неудачный раздел 6.3. 5^го задания. Причина- недостаток используемых новоизданных первоисточников. Список используемых первоисточников 1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышл«Электролнные устройства Электромеханических систем». Москва 2004.

3.Кузьмин Ю.Г. Основы электроники дисциплины «Электротехника с основами электроники» для студен