Министерство образования и науки Украины

Севастопольский государственный

технический университет

Факультет Радиоэлектроники

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

для студентов специальностей 7.090801 и 7.090804 (6 семестр)

Подготовил доц. Богач Н. В.

г. Севастополь

2004 г.

Содержание

Структура системы электропитания. Источники и потребители электроэнергии. Передача электроэнергии………………………………….1

Классификация. Основные термины…………………………………………6

Классификация ВИЭП…………………………………………………………7

Структурные схемы преобразователей электроэнергии…………………….9

1. Сетевые ВИЭП……………………………………………………………..9

Сетевые ВИЭП переменного тока………………………………………12

Сетевые ВИЭП переменного тока повышенной мощности…………...13

2. Автономные ВИЭП………………………………………………………..14

Структурные схемы ВИЭП……………………………………………………15

Преобразователи, питаемые сетью. Выпрямители…………………………..19

Выпрямители…………………………………………………………………...20

Работа трансформатора без выпрямителя……………………………………23

Работа трансформатора на нагрузку через однополупериодный выпрямитель…………………………………………………………………….24

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним выводом вторичной обмотки трансформатора………………………………………….25

Мостовой выпрямитель………………………………………………………..27

Выпрямители-умножители напряжения……………………………………...28

а) Однофазная симметричная схема выпрямителя с удвоением напряжения…..…………………………………………………………………28

б) Однофазный выпрямитель с учетверением напряжения………………...28

в) Несимметричная схема с умножением напряжения с произвольным коэффициентом умножения…………………………………………………...29

Трехфазные выпрямители……………………………………………………..30

а) Трехфазные однотактные системы выпрямителей (трехфазные

системы с выводом нулевой точки вторичных обмоток трансформатора)………………………………………………………………..31

б) Мостовые схемы трехфазных выпрямителей или схемы Ларионова…...32

Регуляторы и стабилизаторы напряжения и переменного тока……………..33

Магнитные регуляторы переменного напряжения…………………………..33

Тиристорные регуляторы переменного напряжения………………………...36

Другие регуляторы, стабилизаторы…………………………………………...39

Регулируемые выпрямители…………………………………………………...39

Сглаживающие фильтры на пассивных элементах…………………………..44

LC-фильтры……………………………………………………………………..44

Транзисторные сглаживающие фильтры……………………………………..48

Стабилизаторы напряжения…………………………………………………...50

Параметрические стабилизаторы……………………………………………...52

Импульсные стабилизаторы напряжения постоянного тока………………...57

Однотактный ИСН с последовательным включением РЭ, L_ф и R_н…………58

Практическая схема простейшего однотактного ИСН с РСР

понижающего типа……..……………………………………………………...65

Автотрансформаторные схемы однотактных ИСН с РСР понижающего

типа……………………………………………………………………………..66

ИСН понижающего типа с частичной модуляцией импульсного

напряжения…………………………………………………………………….68

Однотактный ИСН повышающего типа……………………………………..69

Однотактный ИСН – инвертор полярности напряжения…………………...70

ЧИМ и ШИМ режимы работы ИСН………………………………………….71

Режим ЧИМ…………………………………………………………………….74

Преобразователи постоянного напряжения………………………………….75

Однотактные преобразователи с гальванической развязкой……………….75

Примеры применения однотактных преобразователей……………………..81

Двухтактные преобразователи………………………………………………...83

Преобразователь Роера (двухтактный преобразователь с

самовозбуждением)…………………………………………………………….84

«Звон» – паразитные ударные ВЧ колебания………………………………...89

Процессы коммутации…………………………………………………………89

«Сквозные» токи………………………………………………………………..91

Инверторы………………………………………………………………………93

Мостовые двухтактные преобразователи…………………………………….95

ВИЭП с бестрансформаторным входом………………………………………97

Усилители мощности в ВИЭП с бестрансформаторным входом…………...98

а) Однотактная схема с прямым включением диода и размагничивающей обмотки………………………………………………………………………….98

б) Мостовой однотактный усилитель мощности с прямым включением диода…………………………………………………………………………….99

в) Однотактный УМ с обратным включением диода……………………….99

г) Улучшенный однотактный мостовой УМ………………………………..100

д) Сдвоенный однотактный УМ с прямым включением диода…………...100

е) Двухтактный полумостовой УМ………………………………………….101

ж) Двухтактный мостовой УМ………………………………………………102

з) Последовательно включенные по входу полумостовые двухтактные

УМ……………………………………………………………………………..103

Особенности работы выходных трансформаторов ВИЭП с БТВ…………105

Режимы работы силовых транзисторов ВИЭП с БТВ……………………...105

Двухтактные импульсные преобразователи с самовозбуждением………..108

Преобразователь с насыщающимся трансформатором питания…………..108

Преобразователь с переключающимся трансформатором…………………103

Цепи запуска двухтактных автогенераторов………………………………..115

Двухтактные импульсные преобразователи с независимым

возбуждением…………………………………………………………………117

Основные характеристики некоторых схем транзисторных преобразователей и области их применения………………………………..124

Структура системы электропитания.

Источники и потребители электроэнергии.

Передача электроэнергии.

Электроэнергия обладает неоспоримыми преимуществами перед другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Скорость передачи электроэнергии от источника к потребителю чрезвычайно высокая, причем эта скорость не зависит от мощности потребителя. Данные свойства позволяют накапливать исходное топливо или исходную энергию у источника и создавать очень разветвленную сеть потребителей. Электроэнергию с помощью достаточно простых средств и устройств можно превратить в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую (энергию света) и т. п.

Преимущество переменного тока в том, что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать (трансформировать) почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно большая необходимость в трансформации напряжения и тока возникает при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электрический ток вырабатывается в электрогенераторах – устройствах, преобразующих энергию какого-либо вида в электроэнергию. К электрогенераторам относятся:

- гальванические элементы,

- электростатические машины,

- термобатареи,

- солнечные батареи и т. д.

Преобладающую роль сейчас играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Ротор генератора представляет собой электромагнит, ток к которому подводится по скользящим контактным кольцам. В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Статор и ротор изготавливают из специальной электротехнической стали. Зазор между ними минимален. Основная ЭДС возникает в неподвижных обмотках статора вследствие изменения магнитного потока при вращении ротора. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получить большие токи при достаточно высоком напряжении.

ГЭС	ГРЭС, ТЭС	АЭС	Автономные генераторы
Потенциальная энергия воды Кинетическая энергия воды Кинетическая энергия турбины	Потенц. энергия пара, угля, газа, мазута, горючих сланцев Кинетич. энергия пара, топлива Кинетич. энергия турбины	Потенц. энергия ядерного топлива Кинетич. энергия ядерного топлива Кинетич. энергия турбины (энергия маховика, двигателя внутреннего сгорания)	Потенц. энергия диз. топлива, бензина Потенц. энергия диз. топлива, бензина Кинетич. энергия турбины

35кВ 6кВ 220В

Генера-тор

Т

Т

Т

Т

35кВ 6кВ

11кВ 110кВ 35кВ 6кВ 380В

Потери энергии в полупроводниках пропорциональны квадрату силы тока:

,

где

,

.

Пусть на проводах падает напряжение 3.5кВ и течет ток 100А. При этом передается мощность 350кВт. Типовая мощность станций в стране составляет 10МВт (110кВ * 100А).

В реальных условиях напряжение в 1.5-3 раза больше и сечение проводов в 1.5-3 раза больше, поэтому реальные потери не превышают 3%.

Для безопасности потребителя необходимо, чтобы все блоки питания (БП) электроустройств, их корпуса имели, помимо заземления, гальваническую развязку от питающей сети.

Такую гальваническую развязку, как правило, обеспечивает трансформатор.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора создают между собой проходную емкость С_пр. Чем мощнее трансформатор, тем больше проходная емкость и проходное напряжение, импульс напряжения выше. Величина проходной емкости уменьшается с уменьшением размеров трансформатора и числа витков; ее необходимо уменьшать, т. к. она опасна для жизни и электроустройство может сгореть от импульсной помехи.

Обычно осуществляют переход (преобразование) на повышенную частоту: 50Гц преобразуются в 10-20кГц в силовых БП и в 50-100кГц – в маломощных БП.

С_пр~ .

С увеличением рабочей частоты Fраб растет кпд, т. К. Уменьшаются Wвит, Спар, Lрасс и Rобм, но увеличиваются потери на переключение силовых транзисторов.

Такие ВИЭП дороже, но у них меньше проходная емкость и есть возможность управлять U_вых, уменьшать габариты трансформатора, увеличивать КПД, получать стабилизированные ИЭП.

Однотактный трансформатор, работает одну часть периода.

Д вухтактный трансформатор, работает весь период.

П ереходные процессы в однотактном преобразователе:

Транзистор включается и выключается не мгновенно (от 0.1 до 1мкс). Чем меньше время переключения t = t2 – t1 (t2>t1), тем меньше P и А_тр:

_.

Это достигается выбором транзисторного ключа и системой управления. Типовые параметры: U_max 300В, I_max=30А, t_пер=0.1мкс, U/t=3*10⁹В/с. Если С_пр=10пФ, то

I_к=C_прU_вых/t =10^-1110⁹=10^-2(А). Ток неуправляем. Использование частот выше 100кГц не рекомендуется, т. к. при этом возникает проблема ВЧ помех.

Классификация. Основные термины.

Энергетическая электроника – это область знаний, область техники о преобразователях электрической энергии и принципах их работы.

Преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две или более электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми системами.

В зависимости от характера преобразований электрической энергии выделяют 4 категории преобразователей:

1. AC-AC -преобразователи переменного напряжения: преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, регуляторы.

2. AC-DC -выпрямители: преобразователи переменного напряжения в постоянное.

3. DC-AC –инверторы: преобразователи постоянного напряжения в переменное.

4. DC-DC –преобразователи постоянного напряжения: преобразование постоянного напряжения в постоянное с другими параметрами.

В сочетании с полупроводниковыми преобразователями (БТ, ПТ, ОБТ, тиристор, диоды) применяются и другие преобразователи:

- транзисторы,

- дроссели,

- конденсаторы,

которые помимо функций преобразования напряжения и числа фаз могут выполнять функции гальванического разделения цепей и изменения формы напряжения (фильтрации). Дроссели и конденсаторы вводятся в преобразователь для накопления и последующей отдачи электрической энергии, обеспечивая тем самым плавное и непрерывное изменение токов и напряжений в силовых цепях преобразователя, несмотря на ключевой характер работы силовых полупроводниковых приборов.

Классификация преобразователей.

Преобразователи бывают:

1. Необратимые – передающие электрическую энергию в одном направлении.

Обратимые – с совместным питанием от сети и аккумулятора. Нереверсивные – в которых полярность напряжения на стороне постоянного напряжения регулярна.

Реверсивные - в которых полярность напряжения на стороне постоянного напряжения нерегулярна.

2. Однофазные.

Многофазные –характеризуются наличием нескольких выходных каналов с напряжениями, сдвинутыми по фазе относительно

друг друга.

3. Одноканальные.

Многоканальные.

- По числу входных или выходных каналов

4. Нерегулируемые.

Регулируемые (стабилизированные).

- По соотношению параметров связуемых систем (U, I, f). В нерегулируемых преобразователях соотношение входных и выходных параметров неизменно. В регулируемых оно изменяется в заданных пределах или выходной параметр поддерживается неизменным при изменении входного напряжения в заданных пределах.

5. Однозонные.

Многозонные.

- По способу формирования и регулирования выходного напряжения (тока). В однозонных преобразователях формирование и (или) регулирование выходного U(I) осуществляется путем время-инверсной модуляции на всю глубину (амплитуду) выходного напряжения путем периодического полного отключения, а затем подключения источника питания.

В многозонных преобразователях формирование или регулирование выходного напряжения осуществляется путем частичной время-импульсной модуляции в пределах одной зоны, глубина которой в целое число раз меньше глубины (амплитуды) выходного напряжения (тока). Многозонные преобразователи называют также многоячейковыми или многофазными.

6. Однотактные.

Двухтактные.

- По характеру работы силовых ключевых элементов. В однотактных преобразователях коммутация ключевых силовых элементов один раз за период переменного напряжения, в двухтактных – два раза за период.

Классификация ВИЭП.

Одним из основных практических применений преобразователей являются ВИЭП – вторичные источники электропитания – и их системы. ВИЭП подключаются к источникам первичного электропитания, преобразуют их переменное или постоянное напряжение в ряд выходных напряжений заданной формы, номинала, диапазона измерения. Они обеспечивают работу потребителей в заданных режимах. Для выполнения этих задач в состав ВИЭП (или их систем) входит ряд дополнительных устройств:

• Блоки коммутации и блоки защиты. Обязательно присутствуют тумблер «сеть» и кнопка «пуск» внутри реле для автоматического выключения, автоматические пускатели.

• Блоки управления. К ним относятся и внутренние СУ с ОС, и блок управления, обеспечивающий алгоритм поведения ВИЭП в более общей системе.

• Блоки контроля. Осуществляется внутренний контроль в цепях ОС и внешний – для операторов.

ВИЭП классифицируются по следующим основным признакам:

1. По выходной мощности:

• микромощные, < 1 Вт,

• маломощные, 1-10 Вт,

• средней мощности, 10-100 Вт,

• повышенной мощности, 100-1000 Вт,

• большой мощности, >1 кВт.

2. По номинальному значению:

• с низким выходным напряжением, <100В,

• со средним выходным напряжением, 100-1000В,

• с высоким выходным напряжением, > 1кВ.

3. По допустимому отклонению номинала выходного напряжения:

• низкой точности, >5%,

• средней точности, 1-5%,

• высокой точности, 0.1-1%,

• прецизионные,<0.1%.

4. По пульсации (ВИЭП с выходом на постоянные токи):

• малой пульсации выпрямленного выходного напряжения, <0.1%,

• средней пульсации, 0.1-1%,

• большой пульсации, >1%.

5. По виду входной электроэнергии:

• работающие от сети переменного напряжения (одно- или многофазные),

• работающие от сети постоянного напряжения,

• работающие от комбинированной входной сети.

Различают также сетевые и автономные ВИЭП.

6. По степени постоянства выходного напряжения:

• нестабилизирующие ВИЭП,

• стабилизирующие ВИЭП.

7. По числу выходов питающих напряжений:

• одноканальные ВИЭП,

• многоканальные ВИЭП.

8. По способу стабилизации напряжения:

• с непрерывным регулированием,

• с импульсным регулированием.

9. По методу стабилизации напряжения:

• Параметрические стабилизаторы. Стабилизируют за счет использования нелинейных элементов. В устройстве ВИЭП отсутствует обратная связь.

• Компенсационные стабилизаторы. Стабилизируют за счет воздействия изменения выходного напряжения (тока) на его регулирующее устройство (элемент) через цепь обратной связи. Регулирующий элемент в этих ВИЭП может включаться как параллельно, так и последовательно с нагрузкой.