ответы. СЭ. Экзаменационные вопросы по предмету сэ

• Название: Экзаменационные вопросы по предмету сэ
• Анкор: ответы
• Дата: 31.01.2023
• Размер: 1.49 Mb.
• Имя файла: СЭ.docx
• Тип: Экзаменационные вопросы; #913474
• страница: 3 из 6

Внешняя характеристика, представляет собой зависимость напря­жения на выходе от тока нагрузки: U_d = f (I_d).Графически внешние характеристики выпрямителя при разных α представляют собой семейство прямых, параллельных друг другу.

С ростом тока нагрузки выпрямителя увеличивается длительность процесса коммутации, характеризуемая одновременной работой трех вентилей. Соответственно, меняется режим работы вентильного преобразователя. В частности, при достижении величины   в схеме постоянно проводят ток три вентиля. При дальнейшем увеличении тока нагрузки в случае, если  , угол коммутации не изменяется, поскольку в схеме не возникает условий для открытия четвертого вентиля. Внешняя характеристика выпрямителя в этом режиме описывается уравнением эллипса.

Режим работы   , характеризуемый поочередной работой 3 и 4 вентилей, начинается с момента, когда   . Зависимость величины выпрямленного напряжения от тока нагрузки в этом режиме вновь становится линейной, но более круто падающей, по сравнению с нормальным 2-3 вентильным режимом работы выпрямителя.

Характеристики имеют падающий характер т.к. при увеличении тока нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, а это, в свою очередь, приведет к снижению напряжения на выходе.

Эквивалентное внутреннее сопротивление определяет степень наклона внешней характеристики и не связано с потерями энергии в выпрямителе. Так же позволяет учесть уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения за счет явления коммутации.



31. Внешняя характеристика однофазного выпрямителя

Базисным значением выпрямленного напряжения для неуправляемого однофазного выпрямителя на основании (3.5)   . Тогда относительные падения напряжения для схемы выпрямителямогут быть представлены в следующем виде /21/

 (3.36)

где   - эквивалентное активное сопротивление фазы источника.

Если в качестве источника переменного тока используется однофазный трансформатор, то его эквивалентное активное сопротивление определится активным сопротивлением фазы вторичной обмотки   и приведенным ко вторичной обмотке активным сопротивлением фазы первичной обмотки   :

 .

В качестве базисного значения тока для построения внешней характеристики выпрямителя в относительных координатах используют ток короткого замыкания схемы   (при   ), который выражается как /21/

 . (3.37)

Тогда внешняя характеристика однофазного выпрямителя в относительных координатах будет представлена зависимостью

 , (3.38)

где   .

Из (3.36) следует, что   ,   и   возрастают с увеличением   . Поэтому для однофазных выпрямителей внешняя характеристика будет представлена прямыми, определяемыми значениями   (рис. 3.15, а).

 

32. Внешняя характеристика трехфазного выпрямителя

По характеру протекания электромагнитных процессов в трехфазном выпрямителе выделяют три разных режима работы (рис. 3.15, б). Если пренебречь падением напряжения на вентилях выпрямителя и на активной нагрузке системы, то можно получить достаточно простые зависимости для его внешней характеристики для всех трех режимов работы.

В режиме I при   внешняя характеристика   линейна, а работа вентилей соответствует, рассмотренной в § 3.4. На этом режиме одновременно пропускают ток два вентиля, а третий подключается на интервале коммутации (§ 3.8.2). Уравнение внешней характеристики выпрямителя для этого режима в относительных координатах

 , (3.39)

где   ;

 .

Режим II наступает при угле коммутации тиристоров   , когда одновременно включены три вентиля. Дальнейшее увеличение нагрузки на этом режиме не вызывает увеличения угла   , который остается равным   . Однако начало процесса коммутации вентилей будет происходить с задержкой на некоторый угол   , называемый дополнительным углом регулирования, в результате чего кривая выпрямленного напряжения   будет иметь провалы, достигающие нулевых значений.

Для этого режима характерно:   ,   , а внешняя характеристика выпрямителя будет описываться уравнением

 (3.40)

На этом режиме внешняя характеристика трехфазного мостового выпрямителя имеет вид эллипса с равными полуосями (ее продолжение за режим II показан пунктиром на рис. 3.15, б).

Режим III возникает при дальнейшем росте нагрузки, когда чередуются одновременные проводимости трех вентилей, а на интервалах коммутации - четырех вентилей схемы. В этом режиме угол коммутации тиристоров вновь начинает возрастать, изменяясь в диапазоне   , а дополнительный угол регулирования, напротив, остается постоянным   . Внешняя характеристика выпрямителя вновь становится линейной и ее уравнение имеет вид:

 (3.41)

Следует отметить, что перечисленные режимы не всегда будут иметь место при изменении тока нагрузки от холостого хода до короткого замыкания.

Для трехфазного выпрямителя все три режима работы возможны при угле управления  . При   в работе выпрямителя возможны только режимы I и III. При   выпрямитель может работать только в III режиме.

33. Коэффициент мощности и КПД выпрямителя

В цепи, изображенной на рис. 12.1, имеются три прибора: ампер­метр (А), вольтметр (V) и ваттметр (Р).



Рис.12.1. Активно-реактивная цепь в сети переменного тока

Приборы измеряют действую­щие значения электрических величин. Произведение тока и напряжения, измеренных по отдельности вольтметром и амперметром, называетсякажущейся мощностью

^.

Показания ваттметра — это реальная мощность P, потребляемая из сети.

Отношение реальной мощности к кажущейся определяет коэффициентом мощности, потребляемой из сети k_m:



ля синусоидальной формы напряжения, приложенной к актив­но-реактивной цепи (то есть цепи, состоящей из резисторов и реак­тивных элементов — дросселей и конденсаторов) МОЩНОСТЬ можно опреде­лить по формуле

P =U_н i_н cosφ,

где φ — угол сдвига между напряжением и током нагрузки. Таким образом



Графически эту картину можно изобразить так, как показано на рис. 12.2.



Рис.12.2.Форма тока и напряжения Рис. 12.3. Цепь расчёта коэффи-

циента мощности

Если в сеть включена чисто активная нагрузка (например, элект­ронагреватель), сдвига фаз между напряжением и током не будет. В этом случае коэффициент мощности равен единице. Но как только по­являются реактивные элементы, коэффициент мощности снижается. Теперь выясним, как обстоит дело с коэффициентом мощности в импульсных источниках питания, у которых на входе стоит емкостной сглаживающий фильтр. Для простоты рассмотрим однополупериодную схему выпрямления (рис. 12.3).

В установившемся режиме в период разряда нагрузка питается только от заряженной емкости Сф, ток i_VD отсутствует. Напряжение u_н > u_п.

Период заряда проходит при:u_н<u_п.В это время течет зарядный ток i_VD.

При определении КПД выпрямителя следует учитывать, что понятие мощности, выделяемой в цепи нагрузки по­стоянного тока, может иметь двоякий смысл. С одной стороны—это мощность Р_d, определяемая как произведение постоянных составляющих (средних значений) выпрямленного тока I_d и напряжения U_d или

P_d = U_d I_d . (12.1)

С другой стороны, действительная полная мощность P_d, выделяемая в нагрузке, определяется как средняя мощность от мгновенных значений тока i_d и напряжения u_d в нагрузке за период повторяемости формы выпрямленного напряжения или

, (12.2)

где Т—период повторяемости формы выпрямленного напряже­ния. Разница в значениях этих мощностей обусловлена наличи­ем пульсаций в выпрямленном напряжении, следовательно, и в токе нагрузки. Так, если обозначить пульсации в виде переменных составляющих Δu_d и Δi_d то можно записать

. (12.3)

Очевидно, что в случае идеально сглаженного тока нагрузки, когда Δu_d и Δ i_d равны нулю, значения мощностей Р_d и P'_dсовпадают.

На практике мощность Р'_d при значительных пульсациях выпрямленного напряжения может быть намного больше P_d.При определении КПД выпрямителя этот факт необходимо учитывать. С энергетической точки-зрения более правильно расчет КПД вести относительно мощности P'_d, хотя иногда используется и значение P_d, рассматриваемое в некотором смысле как «полезная» мощность постоянного тока.

Основные потери активной мощности имеют место в следу­ющих частях силовых выпрямителей: в трансформаторе ΔР_т, тиристорах выпрямителя ΔP_Vs и во вспомогательных устрой­ствах (системах управления, защиты, охлаждения, сигнализации и др.) ΔР_ВСП. С учетом этих составляющих для выпрямителя с малой пульсацией токаi_d (когда можно считатьP_d ≈ P'_d)КПД определяется из следующего соотношения:

η   _. (12.4)

Изготовляемые в настоящее время выпрямители средней и большой мощности на тиристорах имеют КПД в пределах от 0,7 до 0,9 [3].

Полная мощность, потребляемая выпрямителем, на ос­новании общего определения может быть записана в виде

, (12.5)

где I_с—действующее значение несинусоидального тока, посту­пающего из сети; I_сп - действующее значение его n-й гармоники.

Коэффициент мощности выпрямителя x —это отношение активной мощности к полной, и в соответствии с формулами (12.3) и (12.4) он может быть выражен следующим соот­ношением:

 . (12.6)

Степень несинусоидальности тока в данном случае харак­теризуется коэффициентом искаженияV, определяемым как отношение действующего значения первой (основной) гармо­ники тока к действующему значению всего тока. С учетом этого коэффициента формула (12.6) принимает вид

X = vcosφ_1. (12.7)

Для несинусоидального режима помимо активной мощности Р и реактивной мощности Q вводится понятие мощности искажения Т, определяемой как

Т=  . (12.8)

Мощность искажения Т характеризует степень различия в формах кривых тока и напряжения. Для рассматриваемого случая форма кривой напряжения питающей сети — синусо­идальная, а тока—прямоугольная, поэтому мощность Т от­лична от нуля.

Из рис.12.2 видно, что для идеализированной схемы однофазного выпрямителя (при ωL_d = ∞ и угле коммутации γ = 0) ток i_с1 отстает от напряжения и_с на угол φ₁ равный углу α. Поэтому коэффициент мощности можно выразить как

X = vcosα. (12.9)

34. Простейшие сглаживающие фильтры

Переменный ток идеально выпрямить нельзя, поэтому на выходе любого выпрямителя присутствуют пульсации с частотой 50 Гц или 100 Гц. Пульсации вредно отражаются на работе питаемого устройства, и поэтому их уровень необходимо снижать. Эту задачу и выполняют  сглаживающие фильтры. 

    Сглаживающий фильтр - это устройство, позволяющее уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Сглаживающими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую. 

    Основным из параметров сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания (фильтрации), который определяется отношением коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе (рис.1): 



Рис.1. Процесс фильтрации

    Качество сглаживающих свойств фильтров (коэффициент сглаживания) можно оценить по следующей формуле:

          

    где   S - коэффициент сглаживания,

            Kп.вх - коэффициент пульсации на входе,

            Kп.вых - коэффициент пульсации на выходе.

    Для удовлетворения фильтрующих свойств необходимо выполнение условий: U₁₂<_11, U02 приблизительно равно U01.

    Коэффициент сглаживания учитывает подавление пульсаций и передачу постоянной составляющей U. Для устройств, беспрепятственно передающих постоянную составляющую, коэффициент сглаживания – это деление пульсаций между нагрузкой и фильтром (при этом считается, что Uвх приблизительно равно Uн).

    Фильтры можно классифицировать следующим образом:

1. По частотному составу различают:

а)      низкочастотные

б)      высокочастотные

2. По принципу действия:

а)      пассивные

б)      активные

3. По степени сложности:

а)      простые (однозвенные)

б)      сложные (многозвенные или резонансные);

4. По конструктивному исполнению:

а)      LC-фильтры

б)      RC-фильтры.

    При проектировании фильтров как и при проектировании других электронных систем и устройств используются общесистемные критерии оптимальности:

    - минимальная стоимость;

    - минимальная масса;

    - минимальные габариты;

    Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.

    Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр). Или можно включить дроссель, но уже последовательно с сопротивлением нагрузки (индуктивный фильтр). При этом, дроссель можно заменить на волновое сопротивление. 

    Комбинация этих элементов дает еще больший эффект сглаживания. Варианты построения различных типов фильтров приведены на рисунке 2.



Рис.2. Сложные (многозвенные) фильтры.

    Рассмотрим работу устройства на примере емкостного фильтра. Как же происходит сглаживание пульсаций? Давайте посмотрим на форму выходного напряжения, например, однополупериодного выпрямителя без фильтра, показанную на рисунке 3:



Рис.3. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя без фильтра

    На рисунке Uср - это среднее значение выпрямленного напряжения. Как видим, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное – на диаграмме присутствуют большие пульсации. Теперь подсоединим параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано на рисунке 4: 



Рис.4. Подсоединение фильтра Сф относительно нагрузки Rн

    При подключении осциллографа параллельно нагрузке выпрямителя получим следующую диаграмму работы выпрямителя с С-фильтром (рис. 5):



Рис.5. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром

    Рассмотрим полученную диаграму выходного напряжения выпрямителя. Красным цветом показана работа конденсатора в качестве сглаживающего фильтра (пилообразное напряжение). Итак, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться (в момент прихода полуволны) - короткий отрезок пилообразного напряжения на рисунке.

Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку - длинный отрезок «пилы». При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Таким образом, уровень пульсаций будет намного меньше, а Uср - выше. В данной схеме размах амплитуды пилообразного напряжения (а это тоже пульсации), напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации.