3779

	3779	МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
		ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электрический транспорт»

ПРАКТИКУМ

по дисциплине «Силовая электроника» для обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 (140400) «Электроэнергетика и электротехника»

очной и заочной форм обучения

Составители: В.М. Руцкий А.А. Комолов

Самара

2015

УДК 621.382+621.314

Практикум по дисциплине «Силовая электроника» для обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 (140400) «Электроэнергетика и электротехника» очной и заочной форм обучения / cоставители : В.М. Руцкий, А.А. Комолов. – Самара : СамГУПС, 2014.

– 52 с.

Приведены подробные сведения о схемах и характеристиках полупроводниковых преобразовательных агрегатов. Приведены сведения по работе с программой NL5 Circuit Simulator. Практикум содержит семь лабораторных работ и три практических занятия.

Утвержден на заседании кафедры «Электрический транспорт» 06 ноября 2014 г., протокол № 3.

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.

Составители: Руцкий Владимир Михайлович Комолов Александр Александрович

Рецензенты: д.т.н., профессор кафедры «Электрический транспорт» И.П. Гордеев; к.п.н., доцент кафедры «Электрический транспорт» Е.В. Шищенко

Под редакцией составителей

Подписано в печать 28.08.2015. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 3,25. Тираж 100 экз. Заказ 233.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2015

2

ВВЕДЕНИЕ

Практикум предназначен для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавров направления «Электроэнергетика и электротехника».

Всистемах электроснабжения городского электрического транспорта одним из основных элементов являются полупроводниковые выпрямители.

Всвязи с этим в конспекте лекций по дисциплине «Силовая электроника» значительное внимание уделяется теоретическим основам работы полупроводниковых выпрямителей.

Основная задача данного практикума – предоставить студентам возможность при выполнении лабораторных на базе виртуальных математических моделей, а также на практических занятиях изучить и освоить расчет основных типов полупроводниковых выпрямителей.

Студенты должны приобрести навыки работы с электронными схемами и закрепить материал, изученный теоретически.

Виртуальные модели созданы в математическом пакете кусочно-линейного симулятора электронных схем NL5 Circuit Simulator, интерфейс которого удобен и информативен.

Практикум включает в себя семь виртуальных лабораторных работ и три практических занятия, которые взаимосвязаны. Это позволяет повысить качество изучения практически все основных схем полупроводниковых выпрямителей, применяемых в настоящее время.

Выполнение лабораторных работ и практических занятий способствует формированию у студентов следующих компетенций:

ОК-1: способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели

ивыбору путей ее достижения;

ОК-6: способность в условиях развития науки и изменяющейся социальной практики к переоценке накопленного опыта, анализу своих возможностей, готовностью приобретать новые знания, использовать различные средства и технологии обучения;

ПК-8: готовность работать над проектами электроэнергетических и электротехнических систем и их компонентов;

ПК-11: способность использовать методы анализа и моделирования линейных и нелинейных электрических цепей постоянного и переменного тока;

ПК-14: готовность обосновывать принятие конкретного технического решения при создании электроэнергетического и электротехнического оборудования;

ПК-17: готовностью разрабатывать технологические узлы электроэнергетического оборудования;

ПК-39: готовность изучать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования.

3

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЯХ

Выпрямитель в общем случае представляет собой агрегат, обобщенная структурная схема которого приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема выпрямительного агрегата с нагрузкой

Силовой трансформатор предназначен для согласования входного (сетевого)

напряжения uвх и выходного (выпрямленного) uвых напряжения нагрузки и гальванической развязки выпрямителя и питающей сети.

Блок вентилей преобразует переменное напряжение синусоидальной формы в пульсирующее напряжение одной полярности. Основными компонентами блока являются вентили – элементы с явно выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. В качестве таких элементов используют в основном диоды и тиристоры.

Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрями-

теля.

Стабилизатор уменьшает колебания напряжения на нагрузке.

Взависимости от условий работы и предъявляемых требований к выпрямителю отдельные его узлы могут отсутствовать.

В[1] предлагается классифицировать выпрямители по ряду признаков, приведенных на рис. 2.

Характер нагрузки выпрямителя может быть активным, активно-индуктивным или активно-емкостным. Выпрямитель с выходным емкостным или резистивно-емкостным фильтром считается нагруженным на активно-емкостную нагрузку, а выпрямитель с фильтром, начинающимся на индуктивность – на активно-индуктивную нагрузку.

В[2] при сравнении предельных мощностных характеристик различных типов силовых вентилей отмечаются явные преимущества силовых диодов и однооперационных тиристоров. В связи с этим в настоящем лабораторном практикуме исследуются полупроводниковые выпрямители на базе этих силовых вентилей.

Силовой диод – это двухэлектродный, неуправляемый полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий два вывода, содержащий один p-n переход и обладающий односторонней проводимостью тока. Его основное назначение – выпрямление переменного тока. Поэтому их называют выпрямительными диодами.

Вольт-амперная характеристика силового диода и его основные параметры приведены на рис. 3.

4

Рис. 2. Классификация полупроводниковых выпрямителей

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика силового диода и его основные параметры

5

IFAVm

URRM – повторяющееся импульсное обратное напряжение – максимальное обрат-

ное напряжение, которое каждый период может прикладываться к диоду, которое примерно составляет 0,7 напряжения пробоя UBR . В современных диодах оно достигает 10 кВ. URRM в сотнях вольт определяет класс выпрямительного диода. Например, если URRM = 5000 В, то диод 50 класса.

– максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток) – это ток, определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном токе частотой 50 Гц, угле проводимости 180º и заданной температуре кристалла или корпуса. Предельный ток IFAVm определяет тип вентиля, в современных выпрямительных диодах он достигает 8 кА.

UFM – импульсное прямое напряжение UFM – максимальное значение прямого напряжения, обусловленное максимально допустимым средним прямым током IFAVm Оно составляет 1...3 В;

U0 – пороговое напряжение (0,5 … 1,5В).

Тиристор – это полупроводниковый прибор, содержащий четыре слоя с разным типом проводимости, способный под действием управляющего сигнала переходить из закрытого в открытое состояние.

Вольт-амперная характеристика силового однооперационного тиристора и его основные параметры приведены на рис. 4.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика силового однооперационного тиристора и его основные параметры

6

При отсутствии тока управления (Iу = 0) тиристор закрыт для напряжения любой полярности, если его величина не превосходит напряжение переключения UB0. Обычно величина UB0 соответствует классу прибора по напряжению. В этом состоянии через тиристор протекают только прямой и обратный токи утечки.

При подаче на управляющий электрод тиристора тока управления достаточной величины прямая ветвь ВАХ тиристора спрямляется и приобретает диодный вид. Ток управления в этом случае называется током управления спрямления.

Выключается однооперационный тиристор только по цепи силовых электродов, когда его прямой ток станет меньше тока удержания (Iуд). При работе в цепи переменного тока тиристор выключается при переходе его тока через нулевое значение. В этом случае коммутация тиристора называется естественной. В других случаях, когда тиристор необходимо выключить в произвольный момент времени, коммутация тиристора называется искусственной.

Основные параметры тиристоров

IТАVт – максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток), определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном токе с частотой 50 Гц, угле проводимости 180°, допустимой температуре кристалла или корпуса и заданных условиях охлаждения. Т. е., он определяется точно так же, как и у диода. Предельный ток современных тиристоров достигает 10 кА.

URRM и UDRM – повторяющееся импульсное напряжение в обратном и прямом направлении – максимальное напряжение, которое каждый период может прикладываться к тиристору.

URRM = (0,7...0,8) UBR ; UDRM = ( 0,7 …0,8) UBO ,

где UBR – напряжение лавинного пробоя; UBO – напряжение переключения тиристора. В современных тиристорах повторяющееся импульсное напряжение достигает 10 кВ. Как и у диодов, оно определяет класс тиристора;

UTM – импульсное напряжение в открытом состоянии при протекании предельного тока, предельные значения составляют (1…3) В.

Основные параметры полупроводниковых выпрямителей, рассматриваемые в настоящем практикуме

1.Основные параметры, характеризующие качество работы выпрямителя [3]:

средние значения выпрямленного (выходного) напряженияU н.ср ;

средние значения выпрямленного (выходного) тока Iн.ср ;

коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Кп ;

частота выпрямленного напряжения fн.

2.Основные параметры, необходимые для выбора вентиля [4]:

максимально допустимый средний прямой ток вентиля IFAVm ;

7

максимальное обратное напряжение на вентилеU RRM .

3.Энергетические параметры [2]:

коэффициент использования мощности вторичной обмотки питающего трансформатора kис .

УКАЗАНИЯ ПО РАБОТЕ С ПРОГРАММОЙ NL5 CIRCUIT SIMULATOR

1. Общие сведения

Кусочно-линейный симулятор электронных схем NL5 Circuit Simulator в отличие от программ, основанных на SPICE-алгоритмах, работает с «идеализированными», максимально упрощенными компонентами, выполняющими только свои основные функции. Число параметров, необходимых для их описания, минимально, а характеристики нелинейных компонентов (усилителей, транзисторов, диодов) состоят из линейных сегментов. Интегрируется линейная схема по способу трапеций с устанавливаемым постоянным шагом интегрирования. Использование кусочно-линейных моделей существенно ускоряет расчеты, позволяя быстрее оценивать схемы.

NL5 Circuit Simulator предназначен как для студентов и начинающих радиолюбителей, так и для опытных инженеров. GUI (графический интерфейс пользователя) программы базируется на стандартной многооконной архитектуре и поддерживает большинство горячих клавиш и команд, используемых в Windows-приложениях. Остальные функции интуитивно понятны, интерфейс удобен и информативен, позволяя редактировать схему даже во время процесса симуляции.

Помимо создания и редактирования схем NL5 Circuit Simulator выполняет симуляции переходных процессов и АС анализы (методом линеаризации схем и методом «включения» источника). Результаты отображаются в виде графиков. Программа проводит различные виды обработки результатов переходных процессов и представляет данные в следующих форматах: XY-диаграмма, гистограмма, быстрое преобразование Фурье, глазковая диаграмма и т. д.

Программа NL5 Circuit Simulator является платной. Без лицензии приложение работает в демонстрационном режиме, который полностью идентичен полнофункциональному, за исключением ограничения на максимальное количество используемых в схеме компонентов – не более 20 штук. Тем не менее, демо-версия может открывать и симулировать схемы с неограниченным количеством компонентов, если они были созданы в полной версии NL5. Существуют несколько видов лицензий, отличающихся разными типами защиты, сроком действия и дополнительными возможностями: Single PC (199 долларов),

Portable (299$), Network (399$), Personal (499$).

Для всех схем полупроводниковых выпрямителей, используемых в настоящем практикуме, достаточно приложения, работающего в демонстрационном режиме.

8

Наиболее полно правила работы в программе NL5 Circuit Simulator изложены в [5]. В связи с этим далее изложены только самые общие правила работы в программе NL5 Circuit Simulator, касающиеся рассматриваемых в практикуме схем.

2. Инструменты программы NL5 Circuit Simulator

После запуска программы открывается основное окно (рис. 5).

Main Menu – основное меню. Основное меню содержит стандартный набор меню

Windows (таких как File, Edit, Window, Help) и специфичные для NL5 (Schematic, Transient, AC, Tools).

Описание команд и кнопок основного меню приведено в приложении 1.

Main Toolbar – основная инструментальная панель (рис. 6). Основная инструментальная панель обеспечивает быстрый доступ к наиболее часто используемым командам и содержит пять групп кнопок.

Описание команд и кнопок инструментальной панели приведено в приложении 1.

Рис. 5. Основное окно программы

Рис. 6. Основная инструментальная панель

Selection Bar – панель выбора (рис. 7). Панель выбора состоит из закладок, по одной на букву (только если существует компонент на эту букву). Каждая закладка содержит

9

символы компонентов с такой буквой и три общих элемента: землю, этикетку (label) и точку соединения. Закладка «All» (Все) содержит символы всех компонентов.

Рис. 7. Панель выбора

Каждый тип компонента имеет назначенную букву (letter) и символ (symbol). Например, все типы компонентов с буквой S — это ключи.

Параметры компонентов схем, используемых в настоящем практикуме, приведены в приложении 2.

Navigation Bar – панель навигации. Панель навигации отображает все открытые документы и окна, показывает активный документ и активное окно с подсвеченной иконкой.

Document Toolbars – инструментальные панели документа. Инструментальные панели документа обеспечивают быстрый доступ к часто используемым командам, относящимся к активному окну документа. В любой момент времени видна только одна панель, относящаяся к активному окну документа.

3.Симуляция

Впрактикуме работа различных схем выпрямления рассматривается как переходный процесс, так как в программе NL5 Circuit Simulator процессы во времени рассматривается как переходные.

Упрощенная диаграмма, поясняющая процесс симуляции переходного процесса, приведена на рис. 8.

Алгоритм симуляции конфигурируется в диалоговом окне Transient Settings и управляется командами Transient Control (Основное меню и инструментальная панель). Результаты симуляции схемы запоминаются в данных симуляции и одновременно отображаются в виде графика в Transient Window (окно переходного процесса). Окно Transient Data используется для конфигурирования того, какие данные симуляции следует сохранить, и как данные должны отображаться. Также данные могут использоваться в Transient Tools (инструменты переходного процесса), которые позволяют делать различные виды анализа и представление данных переходного процесса.

10