СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева»





ЗАОЧНАЯ ФОРМА ОБУЧЕНИЯ





СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА





Программа учебной дисциплины и методические указания
к выполнению контрольной работы














Рыбинск, 2014

УДК ____

Силовая электроника: Программа учебной дисциплины и методические указания к выполнению контрольной работы / Сост. О. В. Гусев РГАТУ. – Рыбинск, 2014. – 16 с. (Заочная форма обучения/РГАТУ).

Данные методические указания предназначены для выполнения контрольной работы студентами всех специальностей.

СОСТАВИТЕЛЬ:
Кандидат физико-математических наук, доцент О. В. Гусев

ОБСУЖДЕНО
На заседании кафедры электроники и промышленной электроники

РЕКОМЕНДОВАНО
Методическим Советом РГАТУ им. П.А. Соловьева

ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Силовая электроника» является приобретение студентами теоретической базы по характеристикам и принципу действия силовой преобразовательной технике. Приобретенные студентом знания, в области устройств силовой электроники, позволят им успешно решать теоретические и практические задачи в их профессиональной деятельности, связанной с проектированием, испытаниями и эксплуатацией устройств силовой электроники.
Задачами изучения дисциплины является получение студентами общего представления о процессе преобразования электроэнергии посредством статических преобразователей, основным типам статических преобразователей и принципам их управления. Полученные теоретические знания студенты студент закрепляет путем выполнения контрольной работы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

«Основные понятия и определения силовой электроники»

1. Понятие электрический вентиль. Основные схемы соединения управляемых и неуправляемых вентилей.
2. Полупроводниковые силовые приборы. Физические процессы, протекающие в pn-переходе. Отрицательное дифференциальное сопротивление.
3. Базовая классификация полупроводниковых приборов по предельно допускаемым величинам мощности, напряжению и частоты.

«Элементная база техники сильных токов»

4. Элементная база устройств силовой электроники.
5. Разновидности тиристоров, физический принцип действия и способы его коммутаций. Тиристор в силовых цепях постоянного и переменного тока. Естественная и принудительная коммутация.
6. IGBT и MOSFET транзисторы. Способы управления и системы защиты. Снабберные цепи.

«Конвертеры и зависимые преобразователи»

7. Основные элементы выпрямителей и вентильных установок
8. Классификация схем выпрямителей и их эксплуатационные характеристики.
9. Расчет типовых схем конверторов. Основные допущения при анализе.
10. Фильтрующие звенья и согласующие трансформаторы.
11. Неуправляемые однофазные схемы выпрямителей. Достоинства и недостатки.
12. Неуправляемые двухполупериодные выпрямители со средней точкой. Достоинства и недостатки. Понятие о вынужденном намагничивании трансформатора.
13. Неуправляемые мостовые выпрямители. Сравнение мостовой схемы и схемы Миткевича.
14. Инверторы. Обратимость преобразователей. Циклоконвертеры и резонансные инверторы.
15. Основные топологии. Полный, косой и полу-мостовые схемы включения.

«Цепи управления сильноточных конверторов»

16. Управляемые выпрямители. Способы регулирования выходного напряжения выпрямителя. Достоинства и недостатки способов.
17. Фазный метод регулирования выходного напряжения. Метод исключения отдельных полупериодов.
18. Способы формирования синусоидальной и аналоговой ШИМ. Усилители класса “D”. Горизонтальный и вертикальный способ управления силовыми модулями. Типовые схемы управления и их реализация.

ЛИТЕРАТУРА

а) основная литература:
1. Зиновьев, Г.С. Вентильные компенсаторы реактивной мощности,
мощности искажений и мощности несимметрии на базе инвертора напря-
жений / Г.С. Зиновьев // Современные задачи преобразовательной техники.– Киев: ИЭД АН УССР, 1975.– Ч. 2. – С. 247–252.
2. Осипов, О.И. Промышленные помехи и способы их подавления в
вентильных электроприводах постоянного тока / О.И. Осипов, Ю.С. Усы-
нин. – М.: Энергия, 1979. – 80 с.
3. Перельмутер, В.М. Системы управления тиристорными электропри-
водами постоянного тока / В.М. Перельмутер, В.А. Сидоренко. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 302 с.
4. Преображенский, В.И. Полупроводниковые выпрямители / В.И. Преображенский. – М.: Энергия, 1976. – 120 с.
5. Розанов, Ю.К. Основы силовой электроники / Ю.К. Розанов. – М.:
Энергоатомиздат, 1992. – 296 с.
6. Розанов, Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К. Роза-
нов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 632 с.
7. Руденко, В.С. Основы преобразовательной техники / В.С. Руденко,
В.И. Сенько, И.М. Чиженко. – М.: Высшая школа, 1980. – 423 с
б) дополнительная литература:
8. Данишевская, Е.Ю. Тиристорные реверсивные электроприводы по-
стоянного тока / Е.Ю. Данишевская. – М.: Энергия, 1970. – 156 с.
9. Дудкин, М.М. Интегрирующие фазосдвигающие устройства для
управления силовыми вентильными преобразователями: дис. ... канд. техн.
10. наук. / М.М. Дудкин. – Челябинск: ЮУрГУ, 2007. – 235 c. Забродин, Ю.С. Промышленная электроника / Ю.С. Забродин. – М.:
Высшая школа, 1982. – 496 с.


МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
И ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Учебный материал дисциплины достаточно полно изложен в книгах
списка основной литературы. Дополнительная литература рекомендуется с целью более глубокой проработки отдельных разделов программы для
лучшего освоения материала. Кроме этого, для поиска необходимой информации рекомендуется использование сети Интернет. Изучение дисциплины рекомендуется проводить последовательно в порядке перечисления разделов рабочей программы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Рассчитать управляемый полупроводниковый выпрямитель, схема, напряжение питания и характер нагрузки, которого представлены в таблицах 1,2. Расчет управляемого выпрямителя сводится к расчету и выбору тиристоров. Питания управляемого выпрямителя, осуществляется от трансформатора, который так же выполняет функцию гальванической развязки.
Таким образом, расчет проходит в два этапа. На первом этапе рассчитывают тиристор и по таблице 3 выбирают его тип. На втором этапе рассчитывают питающий трансформатор.
Расчет управляемого тиристора
При расчете, среднее значение тока тиристора принимают равным:
для однополупериодной схемы: Id = I’d ;
для однофазной с нулевым выводом: Id = 0,5∙I’d ;
для однофазной мостовой: Id = 0,5∙I’d ;
для трехфазной с нулевым выводом: Id = 0,33∙I’d ;
для трехфазной мостовой: Id = 0,33∙I’d ;
Амплитудное обратное напряжение на одном плече схемы выпрямления принимают равным:
• для однополупериодной схемы Uобр.max=3,14∙Ud
• для однофазной с нулевым выводом Uобр.max=3,14∙Ud
• для однофазной мостовой Uобр.max=1,57∙Ud
• для трехфазной мостовой Uобр.max=1,045∙Ud
Допустимое обратное амплитудное напряжение на вентильных элементах принимают по табл. 3.

Расчет силового трансформатора

Силовой трансформатор выбирают по расчетным значениям токов I1, I2, напряжению U2 и типовой мощности. Pтр
Расчетное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора U2ф определяют по формуле:
U2Р = КИ•КС•КА•KT•Ud
где КИ –приведен в таблице 3; КС - коэффициент запаса учитывает возможное снижение напряжения сети; КА - учитывает неполное открывание тиристоров, выбирают из диапазона 1,05:1,1; KT - учитывает падение напряжения в обмотках трансформатора и в тиристорах, принимают равным 1,05.
Расчетные значения тока вторичной обмотки определяют по формуле:
I2р= КН• К’И •Id

где КН – выбирается по таблице 4, К’И – учитывает отклонение андоного тока тиристора от прямоугольной формы, данный коэффициент принимают равным в пределах 1.05 до 1.1.
Действующее значение тока первичной обмотки:
I1р= I2р/ КТР,
где КТР – коэффициент трансформации:
КТР = U1Ф/ U2Ф

Определяют расчетную типовую мощность, кВ•А силового трансформатора:
Pтр= КS•КИ• KЗ • К’И• Ud•Id • 10-3
где KЗ - характеризует отношение мощностей для идеального выпрямителя.

Таблица 1 – Исходные данные для выполнения расчета

Вар.№ Схема управляемого выпрямителя Напряжение питания (U1) Тип нагрузки
1 Однополупериодная 220 активная
2 Однофазная с нулевым выводом 220 индуктивная
3 Однополупериодная 220 активная
4 Трехфазная с нулевым
выводом 380 индуктивная
5 Трехфазная мостовая 220 активная
6 Однополупериодная 220 активная
7 Однофазная с нулевым выводом 220 активная
8 Однофазная мостовая 220 индуктивная
9 Трехфазная с нулевым
выводом 380 активная
10 Трехфазная мостовая 380 индуктивная
11 Однополупериодная 220 активная
12 Однофазная с нулевым выводом 220 индуктивная
13 Однофазная мостовая 220 активная
14 Трехфазная с нулевым
выводом 380 индуктивная


Таблица 2 – Основные схемы управляемых выпрямителей (управляемые AC-DC преобразователи)

Однополупериодная
Однофазная с нулевым выводом
Однофазная мостовая
Трехфазная с нулевым
выводом
Трехфазная мостовая

Таблица 3 Номинальные данные управляемых тиристоров

Тип тиристора Ном. ток, А Номинальное обратное амплитудное
напряжение, В Прямое падение напряжения (амп. значение), В
Тиристоры штыревые
Т25 25 100-1400 1,9
Т50 50 100-1400 До 1,7
Т100 100 100-1400 » 1,9
Т160 160 100-1400 » 1,7
ТЗ-160 160 600-2200 » 1,9
Т151-100 100 300-1600 » 1,8
Т161 -125 125 300-1600 » 1,7
Т161-160 160 300-1600 » 1.7
Т171-200 200 300-1600 » 1.7
Т171-250 250 300-1600 » 1,7
Т171-320 320 300-1600 » 1,6
ТВ2-320 320 100-1400 » 1,8
Тиристоры лавинные штыревые
ТЛ160 160 800-900 До 1,9
ТЛ2-160 160 600-900 » 1,6
ТЛ200 200 600-900 » 1,6
ТЛ2-200 200 600-900 » 1,6
ТЛ250 250 400-1000 » 1,6
T9-100 100 400- 2200 » 1,9
T9-160 160 400-2200 » 1,5
T9-200 200 400-2200 » 1,5
Т9-250 250 400-1600 » 1,5
Т2-320 320 1000-1400 »2, 3
T3-320 320 1600-2400 » 2,3
Т500 500 100-1600 » 2,1
Т630 630 1600-2400 » 2,3

Таблица 4. Значения коэффициентов для расчета для различных схем включения тиристоров

Схема выпрямления KИ KН KЗ KИ.ОБР
KН.АКТ KН.ИНД
Однополупериодная

Однофазная
с нулевым выводом

Однофазная мостовая

Трехфазная
с нулевым выводом

Трехфазная мостовая 1.32

1.11


1.11

0.855

0.427 0.707

0.79


1.11

0.578

0.815 0.707

0.707


1

0.578

0.815 1.77

1.34


1.11

1.35

1.065 3.72

3.14


1.57

2.25

1.065


После того, как схема выпрямитель и согласующий трансформатор был рассчитан, в контрольной работе обязательно должна присутствовать его принципиальная схема и временные диаграммы тока и напряжения на нагрузке.

Пример
Выбрать тиристорный преобразователь для питания обмотки возбуждения двигателя постоянного тока. Номинальные данные двигателя: РН=14 кВ, IН= 81 А, UН =220В, UВН=110В, IВН= 10 А. Выпрямитель выбран по однофазной схеме с нулевым выводом и питается от сети переменного тока UС =220В.



Расчет
Расчет управляемого тиристора
В примере расчета на показаны временные диаграммы тока и напряжения в/на нагрузке, а так же принципиальная схема управляемого выпрямителя

1. Определяем среднее значение тока тиристора. Для однофазной схемы с нулевым выводом:
Id = 0,5∙I’d = 0,5∙10 = 5А
2. Максимальное обратное напряжение на тиристоре:
Uобр.max=3,14∙Ud = 3,14∙110 = 345,4В
3 Выбираем по таблице 2 тиристор:
Т-25: Iн=25А; Uoбр.н=600В.

Расчет трансформатора питания
Для индуктивной нагрузки в соответствии с данными таблицы 4 имеем:
1. Расчетная мощность:
Pтр= КS•КИ• KЗ • К’И• Ud•Id • 10-3= 1,34∙1,11∙1,1∙1,1∙110∙10∙10-3 = 1.98 кВ∙А.
2. Напряжение вторичной обмотки:
U2= КИ•КС•КА•KT•Ud = 1,11∙1,1∙1,1∙1,05∙100 = 155В.
По данным расчета, выбирается трансформатор.







СПИСОК ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ВОПРОСОВ

1. Вентильный эффект. Управляемые и неуправляемые вентили.
2. Классификация полупроводниковых приборов по количеству электронно-дырочных переходов.
3. Преобразовательная техника и преобразователь электроэнергии. Понятие источника вторичного электропитания.
4. Основные виды преобразования (выпрямителями, инвертирование тока преобразование частоты, преобразование числа фаз, трансформирование постоянного тока)
5. Полупроводниковые материалы и их свойства. Проводимость полупроводников.P-N переход. Собственная проводимость.
6. Элементная база устройств силовой электроники. Понятие вольтамперной характеристики и отрицательного дифференциального сопротивления
7. Тиристор и их основные разновидности. Способы включения/выключения тиристоров
8. Физический принцип действия (на примере динистора). Роль управляющего электрода.
9. Регуляторы постоянного и переменного напряжения. Их классификация. (разделительные трансформатора, измерительные, согласующие и т.д, )
10. Основные элементы выпрямителей и вентильных установок.
11. Принцип преобразования переменного тока (на примере однополупериодного выпрямителя). Недостатки схемы однополупериодного выпрямителя
12. Однофазные выпрямители с неуправляемыми вентилями (однополупериодный выпрямитель).
13. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (схема Миткевича). Достоинства и недостатки. Основные соотношения. понятие о вынужденном намагничивании трансформатора.
14. Мостовые выпрямители. Сравнение схем мостовой и схемы Миткевича. Вынужденное намагничивание трансформатора.
15. Сглаживающие фильтры (перечислить основные виды). Понятие о коэффициенте пульсации.
16. Сглаживающие фильтры (представить основные схемы). Работа выпрямителя на противо-ЭДС.
17. Управляемые выпрямители. Способы регулирования выходного напряжения выпрямителя. Достоинства и недостатки способов.
18. Управляемые выпрямители. Фазный метод регулирования выходного напряжения. Метод исключения отдельных полупериодов.
19. Регулирование на стороне переменного напряжения. использование магнитных усилителей, переключение вторичного напряжения трансформатора.
20. Фазный метод регулирования выходного напряжения. Регуляторы-стабилизаторы и встречное включение тиристоров. Фазный метод регулирования выходного напряжения. Метод исключения отдельных полупериодов.
21. Понятие инвертирования и зависимого инвертора. Формальные признаки источника и потребителя электрической энергии
22. Усилители класса “D”. Полностью управляемые ключевые элементы. IGBT и MOSFET транзисторы.












ПРИЛОЖЕНИЯ

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева



КАФЕДРА
ЭЛЕКТРОНИКИ И ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ






Контрольная работа

по дисциплине «Силовая электроника»

На тему________________________________________





Выполнил (а)___________________(ФИО)
Группа_________________________
Преподаватель___________________
Оценка_________________________
Подпись преподавателя___________
Дата____________________________




Рыбинск, 2014