Преобразователи электрической энергии

министерство  образования российской федерации алтайский  государственный  аграрный университет  кафедра электрификации и автоматизации сельского хозяйства 
 
 
 
 
 
 
 

Преобразователи электрической энергии 
 

Пояснительная записка курсовой работы  по дисциплине     

«Электротехника с основами электроники» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Барнаул 2007

 

 

Содержание 
 

Введение 

1. Задание по курсовой работе
2. Задание 1. Классификация преобразователей электрической энергии
3. Задание 2. Параметрический стабилизатор напряжения постоянного тока
4. Задание 3. Выпрямители переменного тока
5. Задание 4. Инверторы 
6. Задание 5. Системы управления преобразователями электрической энергии

Заключение  Список используемых первоисточников 

 

 

Введение

Постоянный ток  используют в транспорте, в электрохимии, в электроприводах и т.д. Такой вид потребления электрической энергии составляет 25% от мощности потребляемого переменного тока.

В технике всегда возникает необходимость плавного регулирования скорости вращения механических устройств или изменения потребляемой мощности:

- регулирование освещения в помещениях,

- вариация скоростью вращения швейных машин,

- программное изменение скорости вращения металлообрабатывающих центров и т.п.

Выпрямители предназначены  для питания электрических устройств, принцип работы которых основан на использовании источников постоянного тока. К таким устройствам относятся все радиотехнические устройства связи промышленного и бытового назначения, электропитание автономных передвижных механизмов, промышленных установок гальваностегии, гальванопластики, электролиза и многое другое.

Кроме выпрямителей в настоящее время существует большой класс инверторов, которые  преобразуют источник тока в ток  переменной частоты. Хотя ранее эта  проблема была связана с накоплением  энергии от сети переменного тока в источник хранения энергии постоянного тока, и в часы пиковой нагрузки эта энергия перекачивается в сеть переменного тока. Такие устройства получили название инвертора ведомого сетью.

Использование полупроводниковых приборов позволило:

- уменьшить вес преобразователей в 3..7 раз ( дало возможность обходится без подъемных устройств перемещения или установки преобразователей),

- увеличить КПД в среднем на 10..40%;

- отказаться от сложного водяного или масляного охлаждение вентилей;

- получить большую экономию электроэнергии.

Так внедрение  силовых полупроводников в систему  управления насосами и компрессорами  дало экономию энергии на 30%, в транспорте 20..30%, в приводах производств, производящих бумагу, 14 % и т.д. Полупроводниковая силовая техника позволила:

- создать безинерционные преобразователи,

- увеличила долговечность устройств в несколько раз,

- повысила надежность установок,

- позволила создавать преобразователи для необычайно широкого диапазона преобразователей по мощности. Так в бытовой техники преобразователи имеют мощность от 100 Вт, а в промышленности до нескольких мегаватт.

В настоящее  время полупроводниковые преобразователи  обслуживают:

- бытовую технику,

- технику сферы обслуживания населения,

- насосные станции водоснабжения и электростанций,

- мельницы по переработки зерна,

- цементные заводы, электротранспорт,

- текстильную промышленность, центры проката металла, где потребляется мощность от 20 до 40 МВт (порядка 3000 электродвигателей),

- уменьшить стоимость преобразователя по сравнению с преобразователями на ртутных вентилях.                                      

 Это позволяет сделать вывод ,что за полупроводниковой техникой будущее. 
 
 
 

                                                                                                                                                                       

1. Задание по курсовой работе.

Зачётная  книжка № 050198.

В курсовой работе имеется пять заданий, посвященных различным электронным устройствам. В задании 1 необходимо привести классификационную структуру преобразователей электрической энергии и по ней объяснить назначение и дать краткую характеристику основных классов преобразователей. В задании 2 необходимо привести схему параметрического стабилизатора постоянного напряжения и описать принцип ее работы. В задании 3 необходимо описать принципа работы преобразователя малой и большой мощности. В задании 4 необходимо объяснить принцип инвертирования тока и напряжения. Показать схему электрическую принципиальную инвертора и диаграммы напряжений, поясняющих принцип его работы. Описать принцип работы данного преобразователя. В задании5 необходимо изобразить блок - схему и объяснить принципа работы обобщенной схемы управления преобразователями электрической энергии. Привести схему замещения системы управления преобразователем и объяснить назначение всех ее элементов. Схема электрическая принципиальная узла управления и диаграммы напряжений, поясняющих принцип его работы.

Задание выбираем по  последней цифре 8. Если вариантов больше 10, то по сумме двух последних цифр номера своей зачетной книжки. Мой номер 050198. Сложим цифры 9 + 8=17. Это и есть номер варианта во 2 задании, в остальных №8. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Задание 1. Привести классификационную структуру преобразователей электрической энергии и по ней объяснить назначение и дать краткую характеристику основных классов преобразователей.

Решение

Рисунок 2.1.   Структурная схема классификации преобразователей электрической энергии. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

- регулируемее величины U, I, f, расположенные в верхней части блоков, расположенных снизу рисунка.

- к способу коммутации относятся параметры, расположенные в нижней части блоков в этой же группе блоков. Эти параметры означают следующее:

U₁ - коммутация напряжением питающей сети (преобразователи ведомые сетью),

U₂ - коммутация напряжением приемной цепи (преобразователи ведомые напряжением нагрузки),

S - принудительная  коммутация от внешнего источника.

Нерегулируемый  выпрямитель не имеет регулируемой величины. Коммутация вентилей осуществляется под действие напряжения сети переменного тока. Собирают выпрямитель на диодах .

Выпрямитель управляемый  полностью повторяет принцип работы неуправляемого выпрямителя этой же конфигурации. Особенность работы только в том, что система управления вентилями позволяет менять время включения тиристоров или транзисторов, используемых в качестве управляемых вентилей. Каждый вентиль включается с запаздыванием по фазе на угол α. Ток в нагрузке всегда прерывистый и несинусоидальный. Вентиль выбирается точно так же, как для неуправляемого выпрямителя, но учитывается прямой скачек напряжения на открывающемся вентиле. Собирают  силовую часть выпрямителя, на тиристорах или транзисторах .

Инвертор  это преобразователь постоянного тока в переменный промышленной частоты или иной частоты. Направление передачи энергии от источника или к источнику можно обеспечить, изменив направление напряжения источника питания.                                                                                                                   Вентильный инвертор всегда работает с источником постоянного напряжения, который подключается к схеме так, чтобы он на анодах вентилей создавал положительное напряжение. Инвертор в принципе не может работать на неуправляемых вентилях.   Вентиль инвертора всегда следует открывать с опережением для того, что он не перешел в режим опрокидывания. Инверторы однофазного тока сильно меняют форму сетевого напряжения. Этот недостаток в меньшей степени проявляется в трехфазных инверторах, ведомых сетью. Отключение напряжения сети от ведомого сетью инвертора недопустимо потому, что он немедля переходит в аварийный режим работы. Ток, поступающий в сеть переменного тока, как и при однофазном инвертировании не синусоидален. 
 

   
 
 
 
 
 
 
 
 

  3. Задание 2. Параметрический стабилизатор напряжения постоянного тока

Привести схему  параметрического стабилизатора постоянного  напряжения и описать принцип  ее работы. Из таблицы 1 для варианта 17 находим,                        Е₀= 18 В; U_H = 8В; I_н=12мА.

Решение

3.1. Выбираем стабилитрон с учетом следующего. Так как стабилитрон и нагрузка включают параллельно, то по справочнику  выбираем стабилитрон     2СМ 180А с напряжением стабилизации 8В ± 5% , минимальный ток стабилизации 3 мА, максимальный ток стабилизации 15 мА. Вычисляем среднее значение напряжения стабилизации Uct ⁼ (7,6 + 8,4)/2 = 8,0 В. Вычисляем средний ток стабилитрона I _ст ⁼ (Iмин + Iмакс)/2 = (3 + 15)/2 = 9 мА. Вычисляем ток, потребляемый от источника питания I = I_н + I _ст ⁼ 12+ 9 =21 мА. 

3.2. Вычисляем величину балластного сопротивления R_б. Для чего чертим схему параметрического стабилизатора (Рисунок. 3.1) и записываем уравнение по второму закону Кирхгофа

Е₀ = I* R_б + U_ст      →    R_б =( Е₀ - U_ст )/ I =(18-8)/0,021=476 Ом

Вычисляем мощность рассеяния резистора P_н = I*U₆ =21*(18 - 8,0) =0,21Вт.        выбираем по справочнику стандартное значение с учетом допустимой мощности рассеяния резистора МЛТ-0,25 470 Ом ±5%.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 

3.3. Строим вольтамперную характеристику  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  

3.4.  Определяем дифференциальное сопротивление стабилитрона и          коэффициент стабилизации стабилизатора напряжения

Для правильного  определения дифференциального  сопротивления стабилитрона нужно через рабочую точку А стабилитрона провести касательную, взят ее отрезок и, как на гипотенузе, построить прямоугольный треугольник. Далее определить катеты этого треугольника и взять отношение катета по напряжению. К катету по току. Это и будет дифференциальное сопротивление стабилитрона. К сожалению, графически для стабилитрона этот метод не приемлем потому, что хорошие стабилитроны имеют очень небольшой наклон рабочего участка стабилитрона. Потому предлагаем использовать справочник [9], где дается дифференциальное сопротивление. Для нашего стабилитрона оно равно Ri = 180 Ом.

 Е - постоянное напряжение источника питания;                                                      ±Δ Е - абсолютное изменение напряжения источника питания в течение суток;  А - точка решения задачи, для которой ток I_о является решением уравнения составленного по второму закону Кирхгофа;                                                        Imin - минимальный ток стабилизации;                                                                       Imax - максимальный ток стабилизации.    

Этот коэффициент  показывает, во сколько раз относительные изменения не стабилизированного входного напряжения больше относительного изменения стабилизированного выходного напряжения: