Преобразователи электрической энергии

Δ Е= Еmax - Еmin=25-11=14В       Δ U_CT=U max - U min=8.4-7.6=0.8В

К_ст=(ΔЕ/E)/( Δ U_CT/ U_CT)=(14/8)/(0,8/8)=7,7 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. 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.

 

 

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

 

 
 

 
 
 
 

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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.   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: 
P2-P1 = I²-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 инверторов частота и напряжение получаемого переменного 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_VS1, 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_d0 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 импульсов напряжения на фазы А, В и С , т.е.  получение на выходе инвертора трехфазной системы напряжений. Благодаря применению  вентилей, устраняются перенапряжения на элементах инвертора и обеспечивается независимое друг от друга включение и выключение тиристоров.

  Устройства  для искусственной коммутации тиристоров могут быть установлены в каждом плече моста (индивидуальная коммутация), каждой фазе (мсждуфазовая коммутация) или же можст быть установлено общее устройство 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 энергии

Рисунок 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.