МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

А.А. МАРТЫНОВ

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебно-методическое пособие к проведению практических занятий

Санкт-Петербург

2018 г

УДК 62-83.681.513.3

М29 А.А. Мартынов.

Силовая электроника: учебно-методическое пособие к проведению практических занятий. / А.А. Мартынов. СПб.: ГУАП, 2018. 191 с.: ил.

Рецензент: кандидат технических наук Бураков М.В.;

Методические указания к проведению практических занятий являются неотъемлемой частью учебно-методического обеспечения изучаемой дисциплины и должны способствовать реализации трех основных функций практических занятий – познавательной, развивающей и воспитательной.

Методические указания к проведению практических занятий предназначены для студентов очной и заочной форм обучения, изучающих курсы «Силовая электроника», «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии», «Основы преобразовательной техники», «Энергетическая электроника», «Преобразовательные устройства систем управления», «Преобразовательная техника» и «Электромеханические и полупроводниковые преобразователи электрической энергии».

Методические указания содержат методические материалы, необходимые для подготовки и проведения практических занятий по перечисленным выше курсам.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Практическое занятие является одной из основных форм организации учебного процесса, заключающейся в выполнении обучающимися под руководством преподавателя комплекса учебных заданий с целью усвоения научно-теоретических основ учебной дисциплины, приобретения умений и навыков, опыта творческой деятельности.

Целью практических занятий для обучающихся является формирование у студентов аналитического, творческого мышления путем приобретения навыков практической деятельности по изучаемой дисциплине. Планируемые результаты при освоении обучающимися практических занятий:

• закрепление, углубление, расширение и детализация знаний, полученных в процессе лекционного обучения и самостоятельной работы;

• развитие познавательных способностей, самостоятельности мышления, творческой активности;

• овладение новыми методами и методиками расчета и исследования полупроводниковых преобразователей;

• выработка способности логического осмысления полученных знаний для выполнения заданий;

- обеспечение рационального сочетания коллективной и индивидуальной форм обучения;

- обеспечение студентам условий для проверки уровеня освоения полученных знаний;

- обеспечение преподавателю условий и возможностей контролировать уровень и эффективность самостоятельной работы студентов.

При проведении практических занятий основное внимание уделяется формированию у студентов конкретных умений и навыков, что и определяет содержание деятельности студентов на практических занятиях - решение задач, освоение и уточнение методик и методов расчета полупроводниковых преобразователей.

При подготовке к практическим занятиям студенты должны, используя конспекты лекций, методические указания, рекомендованную литературу по теме практического занятия, изучить методику решения задачи и подготовиться к ответу на контрольные вопросы.

При решении каждой задачи студенты производят выбор стандартных полупроводниковых элементов, трансформаторов, конденсаторов и дросселей, параметры которых определены в процессе расчета. Для удобства студентов в учебном пособии приведены справочные данные по этим элементам.

Каждый студент должен иметь индивидуальную рабочую тетрадь, в которую заносит результаты выполнения каждого пункта задания (схемы, диаграммы, графики, таблицы, результаты расчетов, ответы на вопросы пунктов задания и т.п.).

За 10 мин до окончания занятия преподаватель проверяет объем выполненной на занятии работы и отмечает результат в рабочем журнале.

Оставшиеся невыполненными пункты задания практического занятия студент обязан доделать самостоятельно.

После проверки рабочей тетради преподаватель может проводить устный или письменный опрос студентов для контроля усвоения ими основных теоретических и практических знаний по теме занятия (студенты должны знать смысл полученных ими результатов и ответы на контрольные вопросы). По результатам проверки рабочей тетради и опроса выставляется оценка за практическое занятие.

В таблице 1 приведены 20 тем практических занятий и их трудоемкость для дисциплин:

«Силовая электроника», «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии», «Основы преобразовательной техники», «Энергетическая электроника», «Преобразовательные устройства систем управления», «Преобразовательная техника» и «Электромеханические и полупроводниковые преобразователи электрической энергии».

С целью облегчения работы преподавателей и студентов материалы практических занятий разбиты на 3 модуля:

Модуль 1- Выпрямители -6 тем;

Модуль 2 – Инверторы -7 тем;

Модуль 3 - Вторичные источники питания -7 тем.

Каждый модуль включает в себя темы по основным разделам перечисленных выше учебных дисциплин.

Перечень тем практических занятий и их трудоемкость для любой из перечисленных выше дисциплин подбирается преподавателем в соответствии с программой этой дисциплины.

Перечень тем практические занятия

Таблица 1 – Практические занятия и их трудоемкость

№ п/п	Темы практических занятий	Формы практи-ческих занятий	Трудо-ем-кость, (час)	Модуль уч.-метод. пособия
1	Расчет параметров неуправляемого выпрямителя с сетевым трансформатором и выбор элементов выпрямителя	Решение задач	4	1
2	Расчет коэффициента пульсаций выходного напряжения управляемого выпрямителя	Решение задач	2	1
3	Расчет параметров сглаживающих фильтров	Решение задач	2	1
4	Расчет энергетических показателей управляемых выпрямителей	Решение задач	2	1
5	Расчет регулировочных и внешних характеристик управляемых выпрямителей	Решение задач	4	1
6	Методика расчета активного выпрямителя напряжения	Решение задач	6	1
7	Методика расчета зависимого инвертора	Решение задач	2	2
8	Методика расчета однофазного резонансного инвертора	Решение задач	4	2
9	Методика расчета однофазного одноплечевого инвертора напряжения	Решение задач	4	2
10	Методика расчета однофазного инвертора напряжения с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора	Решение задач	4	2
11	Методика расчета однофазного полномостового инвертора напряжения	Решение задач	4	2
12	Методика расчета однофазного полумостового инвертора напряжения	Решение задач	4	2
13	Методика расчета трехфазного инвертора напряжения	Решение задач	2	2
14	Методика расчета стабилизатора напряжения постоянного тока, выполненного по схеме однотактного преобразователя постоянного напряжения с последовательным ключевым элементом (ОППН-I)	Решение задач	4	3
15	Методика расчета стабилизатора напряжения постоянного тока, выполненного по схеме однотактного преобразователя постоянного напряжения с параллельным ключевым элементом (ОППН-II)	Решение задач	4	3
16	Методика расчета двухтактного преобразователя постоянного напряжения, выполненного по схеме с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора, ДППН-I	Решение задач	4	3
17	Методика расчета полномостовой схемы двухтактного преобразователя постоянного напряжения, ДППН-II	Решение задач	4	3
18	Методика расчета полумостовой схемы двухтактного преобразователя постоянного напряжения, ДППН-III	Решение задач	4	3
19	Методика расчета однотактного прямоходового преобразователя, ОПП	Решение задач	4	3
20	Методика расчета однотактного обратноходового преобразователя, ООП	Решение задач	4	3

1. Выпрямители

Практические занятия этого модуля проводятся по разделам курса: «Тиристорные выпрямители» и «Активные выпрямители напряжения»

Содержание этих разделах изложено в [1], [4] и в конспектах лекций.

1.1. Основные параметры, характеризующие работу тиристорных выпрямителей

Основными параметрами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются [1]:

– средние значения выпрямленного напряжения и тока, U_d, I_d, соответственно;

– коэффициент полезного действия η;

– коэффициент мощности χ;

– внешняя характеристика – зависимость напряжения нагрузки от тока нагрузки U_d=f(I_d) при постоянном и заданном значении угла регулирования α;

– регулировочная характеристика – зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования U_d=f(α);

• коэффициент пульсаций – отношение амплитуды высшей гармоники

(U_{k m}) (обычно основной) переменной составляющей выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения (U_d) (тока)

k_{п k}=U_{k m}/U_d, (1)

где k =1, 2, 3, …– номер гармоники.

Коэффициент пульсаций для первой гармоники k_п1 определяется по формуле

k_п1=U_1m/U_d. (2)

Частота каждой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения связана с частотой питающей сети f_с соотношением

f_k= kk_тm₂,

где k_т –коэффициент тактности выпрямителя;

m₂ - число фаз вторичной обмотки трансформатора.;

k =1, 2, 3, 4, …….- натуральный ряд чисел.

Работа сглаживающего фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания s, который определяется отношением коэффициента пульсаций на входе фильтра k_п1 к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k_п2:

s=k_п1/k_п2. (3)

Отметим, что важными параметрами, характеризующими работу трансформатора, являются кажущиеся расчетные мощности первичной и вторичной обмоток S_тр1, S_тр2 и установленная мощность трансформатора S_тр и их связь с выход­ной мощностью выпрямителя P_d. Значения S_тр1=m₁U₁I₁ и S_тр2=m₂U₂I₂ характеризуют одновременно допустимую мощность нагрузки обмоток при работе в линейных цепях. Отношение кажущихся расчетных мощностей обмоток S_тр1, S_тр2 и расчетной мощности трансформатора S_тр к выходной мощности выпрямителя P_d=U_{d max}I_dN, определенной при нулевом угле регулирования выпрямителя α=0, называются коэффициентами расчетной мощности обмоток первичной и вторичной, k_р.м1, k_р.м2, и трансформатора, k_р.м, соответственно.

(4)

Выражения (4) показывают, во сколько раз должна быть увеличена мощность обмоток трансформатора и трансформатора в целом, вследствие несинусоидальности их токов в выпрямительной схеме, по сравнению с линейной цепью для пе­редачи в нагрузку мощности при условии равенства нулю потерь энер­гии в обмотках.

Для выбора вентилей выпрямителя необходимо установить загрузку вентилей по току I_в.ср и напряжению U_{в.обр max}.

Коэффициент мощности выпрямителя χ определяется отношением активной мощности, потребляемой выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармоники P_c(1), к полной мощности S_с, потребляемой

выпрямителем из питающей сети:

χ= P_c(1) /S_с. (5)

В таблице 2 приведены основные расчетные соотношения параметров 8 схем полупроводниковых выпрямителей. Принятые в таблице 2 обозначения:

k_сх – коэффициент преобразования схемы выпрямления;

I₁ / I_d – относительная величина тока первичной обмотки трансформатора;

I₂/ I_d – относительная величина тока вторичной обмотки трансформатора;

S_тр1/P_d= k_р.м1 – коэффициент расчетной мощности первичной обмотки трансформатора;

S_тр2/P_d= k_р.м2 – коэффициент расчетной мощности вторичной обмотки трансформатора;

S_тр/P_d= k_р.м – коэффициент расчетной мощности трансформатора

I_в.ср/I_d – относительное значение среднего тока вентиля;

I_{в m}/ I_d – относительное значение амплитуды тока вентиля;

I_в.д / I_в.ср – относительное значение действующего значения тока вентиля по отношению к среднему значению;

k_u =U_{в.обр max}/U_d0 – относительное значение обратного напряжения на вентиле;

f_п/f_c=р – пульсность выпрямителя.

Таблица №2

Основные расчетные соотношения полупроводниковых выпрямителей

Схема выпрямле-ния	kсх	Трансформатор					Вентили						fп/fc
		I1/Id ― Id	I2/Id ― Id	Sтр1/Pd	Sтр2 / Pd	Sтр/Pd	Iв.ср/Id	Iв m/Id		Iв.д /Iв.ср	ku
Однофазный однотактный	0,45	1,21	1,57	2,69	3,49	3,09	1,0	1,0	1.57			3,14		1
Двухполу-периодный с выводом нулевой точки трансформ.	0,9	1,11 1,0	0,78 0,78	1,23 1,11	1,74 1,57	1,48 1,30	0,5	1,0	1,5 1,41			3,14		2
Однофазная мостовая	0,9	1,11 1,0	1,11 1,0	1,23 1,11	1,23 1,11	1,23 1,11	0,33	1,0		1,57 1,41	1,57		2
Трехфазная однотактная	1,17	0,49 0,47	0,58 0,57	1,25 1,21	1,48 1,48	1,37 1,35	0,33	1,0		1,75 1,73	2,09		3
Трехфазная мостовая	2,34	0,81	0,81	1,05	1.05	1,05	0,33	1,0		0,57	1,05		6
Шестифазная однотактная	1,35	0,47	0,47	1,28	1,85	1,55	0,16	1,0		0,40	2,1		6
Двойная трехфазная с уравнит. реактором	1,17	0,40	0,28	1,05	1,48	1,26	0,16	0,5		0,28	2,1		6
Кольцевая	2,34	0,81	0,57	1,05	1,48	1,26	0,16	1,0	0,40			2,1		6

Примечание:

-параметры, соответствующие активному характеру нагрузки (L_d=0), приведены в числителе, активно-индуктивному характеру нагрузки (L_d=∞) – в знаменателе;

- значение коэффициента I₁/I_d приведено для трансформатора, коэффициент трансформации которого равен 1.

Соотношения, приведенные в таблице 2, позволяют определить значение тока первичной и вторичной обмоток трансформатора, среднего и действующего токов вентилей, кажущуюся мощность первичной, вторичной обмоток и трансформатора в целом при известном значении тока нагрузки I_d и мощности нагрузки P_d.

Напрмер: Схема выпрямления трехфазная мостовая, тока нагрузки I_d=10 А.

Необходимо определить действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора I₂ и cреднее значение тока вентиля I_в.ср.

Расчет: I₂=(I₂/I_d)*I_d =0,81*10=8,1 А;

I_в.ср=(I_в.ср/I_d)*I_d= 0,33*10=3,3 А.

Аналогично следует рассчитывать и другие параметры выпрямителя.

Коммутация тока в выпрямителях – это процесс перехода тока нагрузки с одного вентиля на другой вентиль. Длительность процесса коммутации определяется углом коммутации γ.

В общем виде для любой схемы выпрямления угол коммутации можно определить по формуле

(6)

где α – угол регулирования;

x_ф=2πf_cL_ф- индуктивное сопротивление фазы сети переменного тока выпрямителя;

I_d - среднее значение тока нагрузки выпрямителя;

L_ф= L_s+ L_др – индуктивность фазы, питающей выпрямитель, приведенная к вторичной обмотке трансформатора;

L_s – индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, приведенная к вторичной обмотке трансформатора;

L_др –внешняя индуктивность, включенная последовательно с первичной обмоткой трансформатора, приведенная к вторичной обмотке трансформаьора;

При отсутствии L_др индуктивность L_ф= L_s.

Процесс коммутации тока в выпрямителе приводит к падению выпрямленного напряжения.

В общем случае падение выпрямленного напряжения, вызванное процессом коммутации, можно рассчитать по формуле:

(7)

где Х_к – фиктивное коммутационное сопротивление.

Регулировочная характеристика тиристорного выпрямителя – это зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла регулирования α, т.е. U_d=f(α). При непрерывном характере тока нагрузки (нагрузка активно-индуктивная, L_d =∞) регулировочная характеристика выпрямителя, выполненного по любой схеме, представляет собой косинусоиду при любом числе вторичных фаз.

(8)

U_d0 =k_схU_2ф– среднее значение выпрямленного напряжения при значении угла регулирования α=0^о.

При конечном значении индуктивности цепи нагрузки регулировочные характеристики отклоняются от косинусоидальной формы. Отклонение регулировочной характеристики от косинусоиды из-за появления прерывистости тока цепи нагрузки происходит при тем меньших углах регулирования, чем меньше число вторичных фаз (m₂) и чем меньше индуктивность сглаживающего дросселя (L_d).

Угол регулирования, соответствующий границе непрерывного и прерывистого характера тока нагрузки, называется граничным углом и обозначается как α_гр, а угол регулирования, при котором выпрямленное напряжение равно нулю, называется углом запирания и обозначается как α_зап.

При чисто активном характере нагрузки (L_d=0) для любой схемы выпрямления на регулировочной характеристике можно выделить два участка.

Первый участок регулировочной характеристики, 0<α<α_гр, ток нагрузки непрерывен и регулировочная характеристика имеет косинусоидальный характер (8).

На втором участке регулировочной характеристики, α_гр <α< α_зап, ток нагрузки имеет прерывистый характер и регулировочная характеристика определяется формулой

(9)

Значения углов α_гр и α_зап, определяются следующими соотношениями:

(10)

Внешняя характеристика тиристорного выпрямителя – это зависимость среднего значения напряжения нагрузки от тока нагрузки, т.е. U_d =f(I_d) при постоянном (заданном) значении угла регулирования α.

Выражение внешней характеристики выпрямителя при непрерывном характере тока нагрузки имеет вид

(11)

В выражении (11) учтены следующие падения напряжения при протекании тока нагрузки I_d:

∆U_х – индуктивное падение напряжения, вызванное явлением коммутации;

∆U_х =Х_кI_d; (12)

∆U_Rф – падение напряжения на активных сопротивлениях трансформатора и вентильного блока выпрямителя (активное падение напряжения):

∆U_Rф =k_тI_dR_ф; (13)

R_ф=R_тр+R_в.дин – сумма активных сопротивлений обмотки трансформатора R_тр и динамического сопротивления вентиля R_в.дин .

R_тр =R₂+R₁^′,

где R₂ – активное сопротивление фазы вторичной обмотки трансформатора;

R₁^' – активное сопротивление первичной обмотки, приведенное к виткам вторичной обмотки трансформатора;

∆U_RLd – падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя фильтра (R_Ld):

∆U_RLd = I_dR_Ld ;

∆U_в.пр – падение напряжения на открытом тиристоре. При холостом ходе (I_d=0) напряжение в режиме прерывистых токов

(α_гр < α) может быть подсчитано по формуле (9).

Прерывистый характер тока имеет место при значениях токах нагрузки I_d в пределах 0< I_d< I_{гр m}.

I_{гр m} – граничное значение тока нагрузки выпрямителя. Термин «граничное» означает промежуточное значение между непрерывном и прерывистым характером тока нагрузки.

(14)

где ω_c=2πf_c,

f_c – частота напряжения сети, питающей выпрямитель;

L_d – индуктивность дросселя сглаживающего фильтра цепи нагрузки выпрямителя.

Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется отношением полезной мощности, выделенной в нагрузке выпрямителя к активной мощности, потребленной выпрямителем из питающей сети

(15)

где:

Р_d - полезная мощности, выделенная в нагрузке выпрямителя;

∑ ∆Р – суммарная мощность потерь выпрямителя;

∑ ∆Р= ∆Р_тр+∆Р_др+ ∆Р_в;

∆Р_тр= ∆Р_эл+ ∆Р_м;

∆Р_тр – потери в трансформаторе;

∆Р_м – магнитные потери трансформатора (потери в магнитопроводе трансформатора);

∆Р_эл – электрические потери в обмотках трансформатора;

∆Р_др =I_d²R_L – потери в обмотке дросселя;

∆Р_в – потери в вентилях выпрямителя;

∆Р_в = k_тI_d∆U_в.пр+k_тI_в.д² R_в.дин;

I_в.д – действующее значение тока, протекающего через вентиль.

Коэффициент мощности выпрямителя определяется отношением активной мощности, потребляемой выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармоники P₁₍₁₎ к полной мощности S₁, потребляемой

выпрямителем из питающей сети [1]:

, где P₁₍₁₎ =m₁U₁I₁₍₁₎cosφ₍₁₎ – активная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармоники;

S₁= m₁U₁I₁ – полная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей сети;

m₁– число фаз сети, питающей выпрямитель;

U₁ – действующее значение напряжение фазы сети, питающей выпрямитель;

I₁ – действующее значение тока фазы сети, питающей выпрямитель;

I₁₍₁₎ – действующее значение первой гармоники тока фазы сети, питающей выпрямитель;

φ₍₁₎ – фазовый сдвиг первой гармоники тока фазы по отношению к первой гармонике напряжения фазы сети, питающей выпрямитель;

(16)

где I₁₍₁₎/I₁=k_иск – коэффициент искажения формы тока питающей сети;

cos φ₍₁₎ =k_сдв – коэффициент сдвига первой гармоники тока питающей сети по отношению к напряжению.

Для выпрямительного режима с учетом угла коммутации угол φ₍₁₎= α+γ/2

и коэффициент сдвига управляемого выпрямителя следует определять по формуле (17):

(17)

При γ<30° более точные результаты определения k_сдв дает формула

(18)

Сглаживающие фильтры применяются для сглаживания (подавления) пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, который требуется по условиям эксплуатации в устройствах, питаемых данным выпрямителем.

Коэффициент пульсации выходного напряжения любого выпрямителя (k_п1) при заданном значении угла регулирования α определяется по формуле (19):

(19)

Оценка сглаживающего действия фильтра обычно производится по величине его коэффициента сглаживания s, который следует определить по формуле (3).

Интегральный параметр фильтра L_фC_ф определяется по формуле (20)

(20)

где ω_п= k_тm₂ ω_с - угловая частота пульсаций основной гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Выражение (20) не позволяет определить значения индуктивности и емкости фильтра, так как уравнение одно, а неизвестных два. Поэтому определим сначала индуктивность фильтра.

Индуктивность сглаживающего фильтра можно рассчитать, если известна допустимая величина амплитуды тока основной гармоники переменной составляющей тока нагрузки, I_{ог m}. С целью предотвращения прерывистого характера тока цепи нагрузки необходимо выполнение условия I_{ог m}<I_{гр m}.

Требуемое значение L_d можно определить из соотношения (14), приравняв I_{ог m}=I_{гр m}:

(21)

Далее следует по справочным данным, приведенным в таблицах 50 и 51, выбрать дроссель, индуктивность которого должна быть не менее рассчитанной по формуле (21).

Требуемую емкость конденсатора фильтра можно определить, разделив интегральный параметр фильтра L_фC_ф, определенный по формуле (20), на величину индуктивности выбранного дросселя фильтра. Конденсаторы фильтра выбираются справочным данным, приведенным в таблицах 60 и 61.

Далее необходимо провести проверку фильтра на резонанс. Для исключения возможности появления резонанса необходимо, чтобы частота собственных колебаний фильтра ω_с.к была бы меньше половины частоты пульсаций напряжения ω_п, т.е.:

ω_с.к < 0,5ω_п.

(22)