Методические указания к лабораторной работе №1 Дисц. «Энергетическая электроника»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электрических станций

НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Методические указания

к лабораторной работе № 1

Дисц. «Энергетическая электроника»

Для спец. 10.01, 5 курс д/о

Киров 2000

УДК 621.311.2

Составитель : Ст. преподаватель Н.В. Петров,

каф. «Электрические станции»

Рецензент : ст. преподаватель А.В. Вычегжанин,

каф. «Электроэнергетические системы»

Подписано в печать Усл. печ. л 1,0

Бумага типографская Печать матричная

Заказ № Тираж 37 Бесплатно

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного автором

610000, Киров, ул. Московская , 36

Изготовление обложки, изготовление ПРИП

Ó Вятский государственный технический университет, 2000

Права на данное издание принадлежат Вятскому

государственному техническому университету

1.
ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1.1 Изучить принцип действия и назначение неуправляемых выпрямительных устройств.

1.2 Усвоить требования, предъявляемые к схемам выпрямления переменного тока.

1.3 Ознакомиться с методикой расчета и характеристиками схем однофазных выпрямителей.

1.4 Закрепить полученные знания о выпрямительных устройствах, выполнив лабораторную работу.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1 ВИДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передается потребителям главным образом в виде переменного (трехфазного) тока промышленной частоты (50 Гц). Однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых трехфазный ток частоты 50 Гц не годится.

Вопросами, связанными с преобразованием одного вида электрической энергии в другой, занимается область науки и техники, получившая название преобразовательной техники. Существует большое количество видов преобразования электрической энергии, из которых важнейшими являются следующие:

а) Выпрямление переменного тока

-
преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный ток. Этот вид преобразования получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические электролизные ванны, сварочные, устройства, заряд аккумуляторных батарей, радиотехническая аппаратура и т. д.), другие же потребители (электропривод, системы электрической тяги, линии передачи электрической энергии очень высокого напряжения) имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном токе;

б) Инвертирование тока

-
преобразование постоянного тока в переменный. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (аккумуляторные батареи, фотогенераторы, магнитогидродинамические генераторы и т. д.). В ряде случаев инвертирование тока необходимо при других видах преобразования электрической энергии (преобразование частоты, преобразование числа фаз);

в) Преобразование частоты

.
Обычно переменный ток частоты 50 Гц преобразуется в переменный ток непромышленной частоты. Такое преобразование необходимо для питания регулируемых электроприводов переменного тока, установок индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковых устройств и т. д.;

г) Преобразование числа фаз.

Встречается необходимость в преобразовании трехфазного тока в однофазный (для питания мощных дуговых электропечей) или, наоборот, однофазного в трехфазный. Так, например, на электрифицированном транспорте имеется контактная сеть однофазного переменного тока, а на электровозах используются для вспомогательной цепи электрические машины трехфазного тока. В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной связью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное;

д) Преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (трансформирование постоянного тока).

Подобное преобразование необходимо на ряде подвижных объектов, где источником питания является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а потребители требуют для питания постоянный ток более высокого напряжения (например, для питания радиотехнической или электронной аппаратуры). Существуют также и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формы кривой переменного напряжения). Однако эти преобразования применяются лишь в специальных установках и не нашли широкого применения.

2.2 ТИПЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕНТИЛЕЙ

Диоды имеют простейшую полупроводниковую структуру с единственным переходом, причем в силовой электронике применяются в основном высокочастотные и импульсные диоды с малыми временами переходных процессов выключения. В настоящее время в преобразовательной технике электромашинные и контактные преобразователи почти полностью вытеснены более надежными и экономичными статическими преобразователями. В статических преобразователях основным элементом является электрический вентиль. Вентилем называется элемент электрической цепи, обладающий односторонней (идеальный вентиль) или преимущественно односторонней (реальный вентиль) проводимостью. Различают следующие три типа вентилей:

а) электронные или высоковакуумные (ламповые);

б) ионные (ртутные);

в) полупроводниковые (селеновые Se
, германиевые Ge
, кремниевые Si
, арсенид-галлиевые As-
Ga
).

2.3 Кремниевые вентили

В настоящее время кремниевые вентили получили очень широкое распространение из-за ряда существенных преимуществ по сравнению с другими типами полупроводниковых диодов. К этим преимуществам относятся:

1) высокая допустимая температура окружающей среды;

2) значительные допускаемые обратные напряжения;

3) незначительные обратные токи – на несколько порядков меньшие, чем у германиевых вентилей;

4) высокие значения допустимых плотностей тока на p-
n-
переходе - 60-80 А/см2
.

Кремниевые вентили выпускаются на токи от сотен миллиампер до сотен ампер. У кремниевого вентиля исходным материалом служит обычно кремний n
-типа. Слой p
-типа создается в нем введением акцепторных примесей (алюминий или бор) путем сплавления или диффузии на глубину, примерно равную 0,1—0,15 мм. Полученный p-
n-
переход помещается в герметичный металлический или металлокерамический корпус. Разрез кремниевого вентиля на большие токи (свыше10 А) показан на рисунке 1.

а) б) в)

Рисунок 1 — Диод ВК2-200: а) конструктивный разрез; б) с радиатором воздушного охлаждения; в) диод ВК2В-350 с водяным охлаждением

Исходный монокристалл кремния 1
представляет собой диск диаметром от 10 до 20 – 25 мм и толщиной 0,35 – 0,4 мм. Кристалл кремния такой небольшой толщины механически непрочен, поэтому во избежание деформаций и трещин при колебаниях рабочей температуры к кристаллическому диску припаиваются снизу и сверху никелированные вольфрамовые или молибденовые пластинки 2,
температурный коэффициент расширения которых близок к коэффициенту расширения кремния. Эти пластинки называются термокомпенсирующими. Через нижнюю термокомпенсирующую пластинку вентильный элемент припаивается к медному основанию корпуса 3
, которое имеет винт для крепления к радиатору и одновременно служит катодным выводом. Анодным выводом служит медный жгут 4,
припаиваемый к втулке, изолируемой от корпуса стеклянным изолятором 5.

Торцы кристалла кремния покрываются эпоксидной смолой для защиты от атмосферных воздействий. Мощные вентили имеют охладители (радиаторы) при воздушном естественном или принудительном охлаждении (рисунок 1а) или водяную рубашку, приваренную к корпусу при токах свыше 150 А (рисунки 1б и 1в).

Электрические параметры кремниевых вентилей приведены в таблицах 2 – 5 Приложения А.

Условия охлаждения влияют на величину допустимой мощности, рассеиваемой в p-n
-переходе, а следовательно, на значение допустимого анодного тока. Для вентилей с водяным охлаждением величина допустимого тока нагрузки зависит от количества воды, протекающей через водяную рубашку, и ее температуры.

У полупроводниковых диодов сплавного и диффузионного типа максимально допустимое обратное напряжение Uобр. макс
обычно выбирается в 2 раза меньше пробивного, что предупреждает пробой вентиля при коммутационных перенапряжениях. Пока импульсы обратного тока, сопровождающие перенапряжения, относительно невелики и длительность их не превышает 10 – 20 мкс, пробой диодов носит обратимый характер. В противном случае пробой необратим (вентили выходят из строя).

К основным направлениям развития технологии производства различных классов диодов можно отнести:

— производство широкой номенклатуры силовых диодов Шоттки и сверхвысокочастотных диодов в диапазонах от 0,5 до 25 А и напряжений от 15 до 600 В в корпусах для поверхностного монтажа.

— наличие серий диодов, специально разработанных для специфических применений:

а) сверхвысокочастотная серия для высокочастотных источников питания и схем корректоров коэффициента мощности;

б) диоды Шоттки, предназначенные для выходных цепей ключевых источников питания с низкими выходными напряжениями. Прямое падение напряжения на диодах составляет величины от 0,3 до 0,6 В;

в) Диоды защиты от перенапряжений.

— наличие семейства сверхвысокочастотных диодов с временами восстановления порядка 25 нс для совместного применения с диодами Шоттки в высоковольтных и высокочастотных цепях.

Диоды для рассматриваемых применений базируются на технологиях Шоттки и сверхвысокочастотных технологиях. Для применений в высокочастотных узлах ключевых источников питания с высокими значениями протекающих токов выпускаются диоды с различными корпусами. Улучшенная геометрия кристалла низковольтных диодов Шоттки позволяет получить предельно высокие технические характеристики этих приборов для применения в высокочастотных низковольтных выходных цепях ключевых источников питания, в качестве обратных диодов, диодов защиты от изменения полярности и диодов для логических схем.

Рисунок 2 – Основные схемы однофазных выпрямительных устройств:

а) однополупериодная, б) мостовая, в) с выводом средней точки

Существуют три основные схемы реализации однофазных выпрямительных устройств, приведенные на рисунке 2.

При малых токах, отдаваемых в нагрузку, и невысоких требованиях к качеству выходного напряжения допустимо применять схему на рисунке 2а, в остальных случаях рекомендуется применять схемы на рисунках 2б и 2в, имеющие лучшие качественные показатели выходного напряжения и большую нагрузочную способность.

При необходимости получения на выходе выпрямительного устройства постоянного уровня напряжения с малыми пульсациями на выход выпрямителей включаются конденсаторы (рисунок 3). Часть длительности периода входного переменного напряжения конденсатор заряжается (при превышении мгновенного значения входного напряжения над уровнем напряжения на конденсаторе), а остальную часть времени периода – разряжается.

Рисунок 3 — Схема выпрямителя со сглаживающим конденсатором

Для обеспечения хорошей фильтрации помех, поступающих на вход выпрямительного устройства, устанавливают индуктивности последовательно с выходной цепью выпрямительного устройства. При этом высокочастотные помехи, возникающие при коммутациях в питающей сети, не попадают на выход выпрямителя и, соответственно, в нагрузку. Это особенно важно при питании полупроводниковых приборов. Только схемы однофазного двухполупериодного выпрямления потребляют из сети синусоидальный ток, не имеющий составляющих высших гармоник.

При оценке работоспособности выпрямительного устройства необходимо определить внешнюю характеристику, представляющую собой зависимость изменения среднего выходного напряжения от тока нагрузки. С учетом прямого сопротивления вентилей и приведенного к вторичной обмотке сопротивления трансформатора можно получить выражение:

, где — количество одновременно открытых вентилей; — средние ток и напряжение на выходе выпрямителя;

— среднее выпрямленное напряжение холостого хода выпрямителя.

Таблица 1 — Основные соотношения для однофазных схем выпрямления при работе на активную нагрузку

Схема выпрямления
Однофазная Однополупериодная
Однофазная мостовая
Однофазная с выводом средней точки

где — частота пульсаций выходного напряжения (тока); — коэффициент пульсаций ; — коэффициент пульсаций по первой гармонике ; — среднее значение выпрямленного тока; — обратное напряжение на диоде в закрытом состоянии.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1 Используя данные таблицы 1 Приложения А для заданного варианта рассчитать , , , схемы однополупериодного выпрямления изображенной на рисунке 2 (в расчетах принимать Rв
=0 Ом
для идеального диода и Rв
=0,5 Ом
для неидеального диода);

3.2 Построить внешнюю характеристику выпрямителя ;

3.3 Для схемы, приведенной на рисунке 3, рассчитать , , , , , принимая , . С учетом того, что ток через вентиль протекает в течении небольшой доли периода, заряжая конденсатор большой емкости С
, постояная времени намного превышает . При этом время его заряда пренебрежимо мало по сравнению с временем его разряда (разряд осуществляется практически по линейному закону). При этом можно воспользоваться соотношениями:

а) ;

б) ;

в) ;

г) ;

д) .

Изучение работы пассивных и активных фильтров осуществляется с помощью программы «WorkBench», работающей в среде Windows. После запуска программы необходимо с помощью манипулятора «мышь» открыть каталог, указанный преподавателем, и выбрать файл «Вентиль». Наводя курсор манипулятора «мышь» на нужные элементы схемы выпрямительных устройств и осуществляя быстрое двойное нажатие на его левую кнопку можно открывать окна «Properties» (свойства) и изменять параметры элементов. Изменение параметров элементов необходимо подтверждать нажатием кнопки «Enter» или щелчком по кнопке «Ok» в окне «Properties» данного элемента. Для измерения величин токов и напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства нужно в наборе элементов «Instruments» выбрать «Multimeter» (мультиметр) и с помощью манипулятора мышь перенести его в окно открытого приложения. Последовательно наводя курсор «мыши» на одну из клемм измерительного прибора и удерживая нажатой ее левую кнопку осуществить его подключение к входным или выходным цепям исследуемой схемы выпрямительного устройства. Выбрав в наборе элементов «Instruments» (инструменты) измерительный прибор «Oscilloscope» (осциллограф) и выполняя действия, подобные действиям с «Multimeter», перенести его в окно открытого приложения. Дважды быстро нажать на значок «Oscilloscope» и установить масштабный коэффициент развертки по горизонтали у осциллографа 0,01
s/
div (0,01 с/дел)
. Масштабный коэффициент развертки по вертикали нужно выбрать в соответствии с исходными данными расчетного варианта, указанного преподавателем. При работе с осциллографом можно использовать оба входа осциллографа и задавать для них различные масштабные коэффициенты развертки по вертикали (
mV/
div
или V/div)
. В этом случае, для просмотра результатов измерения, удобно назначить различные цвета для наблюдаемых входных величин. Для этого необходимо навести курсор на одну из подходящих к осциллографу цепей дважды быстро нажать левую кнопку «мыши» и, в открывшемся окне свойств, нажав кнопку «Set Wire Color» выбрать цвет. Выбор цвета подтвердить нажатием кнопки «Ok». После подключения измерительных приборов курсором «мышь» нажать на клавишный переключатель «Activate simulation», находящийся в верхнем правом углу открытого приложения, и записать величины переменной и постоянной составляющих входных и выходных напряжений схемы исследуемого выпрямительного устройства. Для этого, дважды быстро нажав левую кнопку «мыши» на значке «Multimeter», на открывшейся панели свойств осуществить переключение между кнопками «» и «». Для просмотра временных диаграмм напряжений с помощью осциллографа необходимо таким же образом открыть его окно свойств. Используя кнопки «AC» (измерение только переменной составляющей напряжения) и «DC» (измерение переменной и постоянной составляющих напряжения), проанализировать работу выпрямительного устройства. Для остановки процесса измерения необходимо нажать клавишный переключатель «Activate simulation» еще один раз. В отчете по лабораторной работе необходимо привести исходные данные по варианту задания, схему исследуемого выпрямительного устройства, результаты измерений и выводы.

4. Контрольные вопросы

4.1 Требования, предъявляемые к схемам выпрямления.

4.2 Классификация схем выпрямительных устройств.

4.3 Способы снижения пульсаций выходного напряжения.

4.4 Выбор параметров элементов схемы.

4.5 Способы снижения уровня помех на выходе выпрямительных устройств.

4.6 Определение внешней характеристики выпрямительных устройств.

4.7 Способы повышения мощности выпрямительных устройств.

4.8 Основные характеристики выпрямительных диодов.

5. Рекомендуемая литература

5.1 Электротехнический справочник. под. ред. И.Н. Орлова и др. Т.3 Кн.2 Раздел 60 Источники вторичного электропитания -М.: Энергоатомиздат, 1988. – с. 490-533.

5.2 Гельфанд Я.С. Выпрямительные блоки питания и зарядные устройства в схемах релейной защиты. -М.: Энергия, 1971.

5.3 Полупроводниковые приборы (Справочник) под. редакцией Н.Н. Горюнова – М.: Энергоиздат, 1982.

5.4 Нетушила А.В. Справочное пособие по электротехнике и основам электроники -М.: Высшая школа, 1986.

Приложение А

Таблица 1 — Исходные данные для расчетных вариантов

№ п/п	Напряжение питания Uвх , В	Сопротивление нагрузки Rн , Ом	Схема выпрямления	Сопротивление источника питания Zтр , Ом	Характеристика диода
1	100	25	а	0,4	идеальный
2	70	40	б	0,2	неидеальный
3	120	30	в	0,3	идеальный
4	80	20	а	0,25	неидеальный
5	40	15	б	0,1	идеальный
6	50	12	в	0,15	неидеальный
7	80	25	а	0,6	идеальный
8	60	30	б	0,5	неидеальный
9	50	30	в	0,35	идеальный
10	60	20	а	0,3	неидеальный
11	70	15	б	0,2	идеальный
12	150	45	в	0,6	неидеальный