MU_po_SR_SE
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Кубанский государственный технологический университет»
Кафедра электротехники и электрических машин
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания по изучению дисциплины для студентов очной формы обучения направления
направления 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника
Краснодар
2015
Составители: канд. техн. наук, ст. преп. Н.В. Ладенко канд. техн. наук, доц. С.А. Попов
Силовая электроника: методические указания по изучению дисциплины для студентов заочной формы обучения направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника / Сост.: Н.В. Ладенко, С.А. Попов; Кубан. гос. технол. ун-т. Каф. электротехники и электрических машин. – Краснодар: 2015. – 18 с.
Изложены цели и задачи изучения дисципилны, программа дисциплины, теоретический материал, содержащий пояснени, порядок и методы выполнения самостоятельных работ, примеры задач с примерами решения, вопросы для самоподготовки.
Ил. 1. Табл. 1, Библиогр.: 3 назв.
Рецензенты:
д.т.н., профессор кафедры электротехники и электрических машин КубГТУ А.Н. Плахотнюк; главный инженер ООО «Энергетическая компания» к.т.н.
Е.В. Кочарян
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………….. |
4 |
|
1. |
Инструкция по работе с методическими указаниями……………… |
5 |
2. |
Цели и задачи изучения дисциплины………………………………… |
5 |
3. |
Основная информация о дисциплине, структура, формы итогового |
|
|
контроля………………………………………………………………… |
7 |
4. |
Теоретический материал с примерами решения задач……………… |
7 |
5. |
Вопросы для самоподготовки………………………………………… |
16 |
6. |
Список литературы……………………………………………………. |
19 |
\
ВВЕДЕНИЕ
3
Силовая электроника в общем объеме производства электротехнической промышленности занимает значимое место, поскольку необходимость регулирования частоты переменного тока сегодня особо актуальны. Поэтому технико-экономические показатели и эксплуатационные свойства этих устройств имеют важное значение для развития экономики нашей страны.
1. ИНСТРУКЦИЯ ПО РАБОТЕ
4
С МЕТОДИЧЕСКИМИ УКАЗАНИЯМИ
Самостоятельная работа аспирантов очной формы обучения предполагает изучение лекционного материала, самостоятельное изучение рекомендованной литературы, подготовку к практическим занятиям, лабораторным работам и самостоятельное решение задач.
Внастоящих указаниях рассмотрены примеры решения одной задачи. Варианты контрольных заданий задачи представлены в табл. 1 (20 вариантов). Вариант контрольного задания выбирается по списку в журнале преподавателя.
2.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Врезультате освоения данной дисциплины выпускник приобретает компетенции, знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей основной профессиональной образовательной программы направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника.
Цель дисциплины – формирование у студентов системы компетенций, знаний, умений и навыков, необходимых для расчѐта силовой электроники для электротехнических комплексов и систем.
Задачи дисциплины:
–формирование у аспирантов системы знаний о силовой электроники;
–анализ расчета элементной базы силовой электроники.
Выпускник должен обладать следующими компетенциями:
–способность использовать методы анализа и моделирования электрических цепей;
–способность проводить экспериментальные исследования в профессиональной области и обрабатывать результаты экспериментов.
В результате изучения дисциплины выпускник должен:
знать:
–методы анализа и моделирования силовых электронных цепей;
–критерии выбора измерительного оборудования и методы их приме-
нения.
уметь:
–использовать методы анализа электронных цепей;
–анализировать измерительные схемы и комплексы, выявлять узлы и системы, требующие доработки.
владеть:
– методами анализа и моделирования электронных цепей;
5
– технической документацией оборудования обеспечивающего технологические процессы.
3. ОСНОВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ДИСЦИПЛИНЕ, СТРУКТУРА, ФОРМЫ ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ
Дисциплина изучается во 3-м семестре. Объем дисциплины – 6 зачетных единиц (216 часов), в том числе 36 часов лекций, 36 часа практических занятий, 36 часа лабораторных работ, 108 часа самостоятелной работы. Итоговый контроль по дисциплине осуществляется в форме экзамена.
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ С ПРИМЕРАМИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача № 1 Расчет однофазного инвертора
Краткие теоретические сведения Инвертирование - это преобразование постоянного тока в перемен-
ный. Существует два типа инверторов: ведомые и автономные.
Ведомые инверторы (ВИ) работают на сеть, в которой есть другие источники электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются за счет энергии этой сети. Частота на выходе ВИ равна частоте сети, а напряжение — напряжению сети.
Автономные инверторы (АИ) - это инверторы, которые работают на сеть, в которой нет других источников электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются благодаря применению полностью управляемых вентилей или устройств искусственной коммутации. При этом частота на выходе АИ определяется частотой управления, а напряжение — параметрами нагрузки и системой регулирования.
Наиболее часто ведомые инверторы применяются, когда нужно отдать механическую энергию, запасенную в маховых массах электродвигателя и рабочей машины, обратно в сеть. Торможение электропривода, осуществляемое таким образом, является наиболее энергетически эффективным. Количество возвращаемой энергии может быть весьма велико.
Автономные инверторы применяются для получения регулируемой частоты в электроприводах переменного тока, а также для получения более высоких частот в электротермических и электротехнологических установках. Они являются основной частью преобразователей частоты.
Пример
6
|
Расчѐт инвертора с двухступенчатой пофазной коммутацией. Ис- |
||
ходные данные: линейное напряжение на нагрузке |
; актив- |
||
ное |
сопротивление нагрузки |
; индуктивность |
нагрузки |
|
; выходная частота f=200 Гц; напряжение источника пита- |
||
ния |
; трансформатор инвертора выполнен по схеме Y/Δ. |
||
Решение
1.Действующее значение фазного напряжения на нагрузке:
.
√ √
2. Действующее значение фазного напряжения на первичной обмотке трансформатора:
√ |
|
√ |
|
. |
|
|
|
3.Коэффициент трансформации инверторного трансформато-
ра:
.
4.Приведенное сопротивление фазы нагрузки (активное):
.
5.Приведенная индуктивность фазы нагрузки:
.
6.Действующее значение тока в фазе первичной обмотки:
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
√ |
|
|
, |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
√ |
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
; |
|||||||
|
|
|
|
|
|
; |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
. |
|||||||||||||||
7.Действующее значение тока в фазе вторичной обмотки трансформатора:
А.
8.Коэффициент мощности нагрузки:
.
9.Среднее значение тока источника питания:
.
7
10.Максимальный ток через тиристоры:
,
где |
. |
11.Типовая мощность инверторного трансформатора
.
12. Среднее и действующее значения тока обратных диодов (выбираем диоды КД226В:
).
;
.
13.Средний и действующий ток обратных диодов VD2…VD6:
;
.
14. Максимальное напряжение на коммутирующем конденсаторе в режиме холостого хода:
|
√ |
|
|
|
где |
и r – соответственно эквивалентные добротность |
|||
контура коммутации и сопротивление потерь. |
|
|||
На практике возможные напряжения |
(являющегося так- |
|||
же начальным значением |
U(0) перед коммутацией рабочих тири- |
сторов) лежат в пределах |
(1,5…2,5) . Выбираем |
.
15. Максимальное значение прямого и обратного напряжений на рабочих тиристорах VS1…VS6:
.
16. Максимальное значение прямого и обратного напряжений на коммутирующих тиристорах VS7…VS12:
.
17.Максимальное значение напряжения на обратных диодах
VD1…VD6:
18.Амплитуда перезарядного тока коммутирующего конден-
сатора |
для частот f > 100 Гц: |
||||
Принимаем |
|
. |
|
; |
|
|
|||||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
8 |
|
||
19. Определяем коэффициент ε для применяемого в схеме коммутирующего узла:
20.Критическое (предельное) значение коэффициента нагрузки характеризуется наименьшим значением угла запирания β:
21.Характеристическое (волновое) сопротивление:
22.Угол запирания:
√ |
|
√ |
|
23.Собственная угловая частота, контура коммутации:
,
где |
. |
24.Емкость коммутирующего конденсатора:
.
25.Индуктивность коммутирующего дросселя:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
26. |
Среднее |
значение тока коммутирующих тиристоров |
||||||||||||||||||||||||||||||
VS7…VS12: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
где – коэффициент затухания контура; |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
Q = 7,5 для |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
27. |
Амплитудное значение тока в фазе первичной обмотки |
|||||||||||||||||||||||||||||||
трансформатора: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
28. |
Угол сдвига фаз между первыми гармониками тока и |
|||||||||||||||||||||||||||||||
напряжения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
9
.
29.Действующее значение тока коммутирующего дросселя:
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|||||||
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
. |
||||||||||||
По среднему току |
|
|
|
|
|
|
|
и макси- |
|||||||||||||||||
мальному |
прямому и |
обратному |
напряжению |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
где |
|
– коэффициент |
|||||||||||
запаса по току; |
|
|
|
|
|
– коэффициент запаса по напряже- |
|||||||||||||||||||
нию, выбираем рабочие тиристоры VS1…VS6 типа ТК-40-2 с есте- |
|||||||||||||||||||||||||
ственным охлаждением ( |
|
|
|
А; |
В). Аналогично |
||||||||||||||||||||
выбираем коммутирующие тиристоры VS7…VS12 и обратные дио- |
|||||||||||||||||||||||||
ды VD1…VD6 типов Т2-10-3; ( |
|
|
|
А; |
|
|
|
В) и Д232 |
|||||||||||||||||
( |
|
А; |
|
|
|
В). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
В качестве коммутирующих конденсаторов выбираем конденсаторы типа К73-11А-250-0,1 на номинальное рабочее напряжение 250 В и номинальной ѐмкостью 0,1 мкФ.
Трансформатор, коммутирующий дроссель и источник питания, рассчитываем по известным методикам.
При применении в схеме инвертора цепей сброса избыточной энергии от конденсатора расчѐт производится аналогично.
Однако при этом необходимо учитывать следующее: U(0) =
; |
или |
; |
мощность, теряемая в ре- |
зисторе при отводе избыточной энергии от конденсатора, определяется из соотношения:
( ) ( ) ,
где – частота следования коммутационных процессов.
Для расчѐта коммутирующих элементов исходными данными служат напряжение источника питания (или диапазон его изменения), а также ток , протекающий через тиристор и нагрузку к моменту начала коммутации. Расчѐт элементов LC начинают с
10