Контрольная работа 1 8 2 Контрольная работа 2 8 3 Примеры решения типовых задач контрольных заданий и экзаменационной работы 9

• Название: Контрольная работа 1 8 2 Контрольная работа 2 8 3 Примеры решения типовых задач контрольных заданий и экзаменационной работы 9
• Дата: 20.08.2022
• Размер: 7.25 Mb.
• Имя файла: 3-174.doc
• Тип: Контрольная работа; #649544
• страница: 2 из 13

2 Содержание контрольных работ

2.1 Контрольная работа № 1

Контрольная работа № 1 выполняется на компьютере. Она содержит более 100 вопросов и задач по разделам:

• 
  общие вопросы энергетической электроники;
  
• 
  непосредственные преобразователи постоянного напряжения;
  
• 
  автономные инверторы;
  
• 
  средства реализации транзисторных преобразователей;
  
• 
  преобразовательные ячейки со звеном повышенной частоты;
  
• 
  квазирезонансные преобразователи.
  

Компьютерная контрольная работа № 1 предполагает режим подготовки и режим контроля с выставлением соответствующей оценки и является подготовкой к выполнению письменной контрольной работы № 2.

Примеры решения задач и ответов на вопросы приведены в разделе 3 настоящего пособия.

2.2 Контрольная работа № 2

Контрольная работа № 2 выполняется письменно и предполагает решение трех задач по расчету электрических параметров элементов преобразователей электрической энергии (одно- или многофазных инверторов напряжения или тока, непосредственных преобразователей постоянного напряжения понижающего, повышающего или инвертирующего типа, однотактных преобразовательных ячеек и т.д.) или их отдельных функциональных узлов.

Варианты задач по контрольной работе № 2 приведены в разделе 4, а порядок выбора варианта указан в разделе 5. Примеры решения задач контрольной работы № 2 приведены в разделе 3.

3 Примеры решения типовых задач контрольных заданий и экзаменационной работы

3.1 Задачи по общим вопросам энергетической электроники

Задачи и вопросы этого раздела ориентированы на то, что студент знает и понимает:

• 
  что изучается в курсе «Энергетическая электроника»;
  
• 
  какие поколения технических систем преобразования параметров электрической энергии существовали и существуют;
  
• 
  что такое звено повышенной частоты;
  
• 
  как изменяется коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора при увеличении его рабочей частоты;
  
• 
  что такое «магнитные» материалы и на каких частотах применяются конкретные материалы;
  
• 
  что такое электромагнитная совместимость преобразователя с питающей сетью;
  
• 
  что такое корректор коэффициента мощности.
  

Пример вопроса контрольной работы № 1:
Что изучается в курсе «Энергетическая электроника»?

Необходимо выбрать правильный ответ из четырех предложенных:

а) производство и распределение электрической энергии;

б) силовые преобразователи параметров электрической энергии на базе полупроводниковых приборов;

в) электрические цепи;

г) энергетические системы.

Правильный ответ: силовые преобразователи параметров электрической энергии на базе полупроводниковых приборов, хотя эти преобразователи представляются электрическими схемами и цепями, и могут участвовать в распределении электрической энергии, а также применяться в энергетических системах.

3.2 Задачи по расчету непосредственных преобразователей постоянного напряжения (НПН)

Предполагается, что студенты понимают физику работы преобразователей. Количественные соотношения для расчета параметров элементов непосредственных преобразователей постоянного напряжения (НПН) понижающего, повышающего и полярно-инвертирующего типов приведены в Приложении 1.
3.2.1. Рассчитать электрические параметры элементов НПН понижающего типа по исходным данным: напряжение источника питания 25В, среднее напряжение на нагрузке 10В, ток нагрузки 1А при коэффициенте пульсаций напряжения на нагрузке 5 % и частоте переключения транзистора 1кГц.

Методика решения задачи.

1. Формализуем исходные данные, примем необходимые допущения и соответствующие обозначения величин, характеризующих параметры элементов силовой схемы преобразователя.

Схема НПН понижающего типа приведена на рисунке 3.1.


Рис. 3.1

Дано:

1. 
   Е = 25 В.
   
2. 
   U_н = 10 В.
   
3. 
   I_н = 1 А.
   

1.4. = 5 %.

1.5. f = 1 кГц.

----------------------

Определить: γ, L1, ∆I_L1, I_L1, C, U_с, U_VT, I_{VT макс}, U_{VD обр,}, I_{VD ср.}

Нарисовать временные диаграммы токов и напряжений, характерные для схемы.

2. 
   Основные допущения.
   
   1. 
      Будем считать все элементы идеальными:
      

• 
  транзистор и диод безинерционны, т.е. переключаются мгновенно;
  
• 
  падения напряжения на открытом транзисторе и диоде в прямом направлении равны нулю;
  
• 
  сопротивление закрытого транзистора и диода в обратном направлении равны бесконечности;
  
• 
  активное сопротивление дросселя равно нулю;
  
• 
  ток утечки конденсатора равен нулю (саморазряд конденсатора отсутствует).
  

Воспользовавшись соотношениями, приведенными в таблице (Приложение 1), определим параметры элементов схемы.

3. Относительная длительность γ открытого состояния транзистора

γ = .

4. 
   Граничное значение индуктивности дросселя, обеспечивающее непрерывность тока в нем, определяется по выражению:
   

где R _{н макс} = .
В нашем случае U_н и I_н постоянны.

Выбираем L₁ = 6 × 10^–3 Гн > L_гр.

4. 
   Определим пульсации тока в дросселе
   

6. Находим действующее значение тока дросселя

7. Определим величину емкости сглаживающего конденсатора

8. Напряжение на конденсаторе равно напряжению нагрузки

U_C1 = U_н = 10 В.

8. 
   Максимальное напряжение, прикладываемое к транзистору в закрытом состоянии
   

U_{VT макс} = Е = 25 В.

8. 
   Максимальное значение тока, протекающего через транзистор
   

8. 
   Среднее значение тока диода определяется по выражению
   

I_{VD ср} = I_н(1 – γ) = 1(1 – 0,4) = 0,6 А.

8. 
   Обратное напряжение, прикладываемое к диоду, равно напряжению источника питания
   

U_{VDобр макс} = Е = 25 В.
На рисунке 3.2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу НПН понижающего типа.


Рис. 3.2

2. 
   Непосредственный преобразователь напряжения повышающего типа, подключенный к источнику питания напряжением 48 В, обеспечивает в нагрузке ток 1 А при напряжении 96 В. На сколько следует изменить относительную длительность открытого состояния транзисторного ключа, если учесть активное сопротивление дросселя 5 Ом, работающего в режиме непрерывного тока.
   

1. 
   Формализуем задачу.
   

Схема преобразователя приведена на рисунке 3.3.


Рис. 3.3
Дано:

1. 
   Е = 48 В.
   
2. 
   U_н = 96 В.
   
3. 
   I_н = 1 А.
   
4. 
   r_L = 5 Ом
   

-------------------

Определить:

2. 
   Основные допущения:
   
   1. 
      Напряжение на конденсаторе и нагрузке идеально сглажено.
      
   2. 
      Транзистор и диод идеальны, т.е. не имеют падения напряжения в открытом состоянии и переключаются мгновенно.
      
   3. 
      Сопротивление активных потерь в схеме обусловлено только омическим сопротивлением дросселя.
      

3. Выходное напряжение идеального (преобразователь без потерь) НПН повышающего типа связано с напряжением источника питания выражением:


где γ — относительная длительность открытого состояния транзистора в идеальном преобразователе. Следовательно:


Временные диаграммы токов и напряжений, характерные для преобразователей повышающего типа, приведены на рисунке 3.4.

Рис. 3.4
Для решения задачи с учетом активного сопротивления дросселя воспользуемся регулировочными характеристиками НПН повышающего типа, приведенными на рисунке 3.5.



Рис. 3.5

3. 
   Определяем относительное сопротивление активных потерь:
   

.

3. 
   По регулировочной характеристике НПН повышающего типа для соотношения
   

, при ρ = 0,05 находим: γ* = 0,65.
6. Относительную длительность открытого состояния транзистора следует увеличить на ∆γ

3. 
   Определить амплитуду переменной составляющей напряжения нагрузки в НПН полярно-инвертирующего типа при напряжении источника питания 40В ± 50 %, если напряжение нагрузки 40В, ток нагрузки 0,4А, емкость выходного конденсатора 50мкФ, а частота переключения транзистора 1кГц.
   

1. 
   Формализуем задачу.
   

Нарисуем схему полярно-инвертирующего НПН, рис. 3.6.


Рис. 3.6

Дано:

0. 
   Е = 40В ± 50 %.
   
1. 
   U_н = 40В.
   
2. 
   I_н = 0,4А.
   
3. 
   С₁ = 50мкФ.
   
4. 
   f = 1кГц.
   

-------------------------

Определить ∆U_ВЫХ

2. 
   Основные допущения:
   

Транзистор и диод идеальны, не имеют падений напряжения в открытом состоянии и переключаются мгновенно. В закрытом состоянии сопротивление транзистора и диода равно бесконечности, токи утечки соответственно равны нулю.

Сопротивление активных потерь дросселя равно нулю r_L = 0.

Среднее значение напряжения на нагрузке при изменении Е остается постоянным за счет изменения γ.

Для решения задачи воспользуемся соотношениями, приведенными в Приложении 1.
3. Величина емкости конденсатора, установленного на выходе НПН повышающего типа, определяется выражением

С1 = (3.1)
где R_{н мин} = R_н = — величина постоянная,

а γ — изменяется в пределах от γ_мин до γ_макс при изменении напряжения питания от Е_макс до Е_мин соответственно.
γ_мин =
а γ_макс =
Е_макс = Е(1 + 0,5) = 40 × 1,5 = 60 В;
Е_мин = Е(1 – 0,5) = 40 × 0,5 = 20 В.

3. 
   Преобразуя выражение (3.1), найдем зависимость коэффициента пульсаций от γ.
   

; из этого выражения видно, что коэффициент пульсаций будет наибольшим при γ_макс, следовательно,

3. 
   Находим размах переменной составляющей напряжения нагрузки из выражения:
   

, следовательно,

∆U_вых. = U_н = 2·40·0,072 = 1,68 В.