Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) различные электрические системы и позволяет изменять параметры электрической энергии. Преобразователи электрической энергии можно классифицировать в зависимости от того, какие электрические системы они соединяют. На практике наиболее часто встречаются преобразователи электрической энергии, связывающие две электрические системы (рис. 11).  Рис. 11. Преобразователь в электрических системах Электрические системы принято делить на системы постоянного и переменного тока, причем системы постоянного тока обычно являются двухпроводными, а системы переменного тока, в свою очередь, однофазными (двухпроводными) или многофазными (многопроводными). Для таких систем можно выделить четыре класса полупроводниковых преобразовательных устройств: а) – выпрямители - преобразователи переменного тока в постоянный б) – инверторы - преобразователи постоянного тока в переменный; в) – преобразователи переменного тока в переменный ток с другими параметрами (преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, регуляторы переменного напряжения и т. п.); г) – конверторы - преобразователи постоянного тока в постоянный ток с другими параметрами. При этом необходимо учитывать направление передачи электрической энергии. Например, когда преобразователь, связывающий системы переменного и постоянного тока, обеспечивает направление потока энергии в сторону системы постоянного тока, он работает как выпрямитель, если наоборот – он работает как инвертор. На рис. 12 представлены основные классы преобразователей в случае двухпроводных систем постоянного тока и трехфазных систем переменного тока (стрелками показаны направления потока электрической энергии (ЭЭ)).  Рис. 12. Основные классы преобразовательных устройств а) – выпрямители; б) – инверторы; в) – преобразователи переменного тока; г) – преобразователи постоянного тока Иногда применяются преобразовательные устройства, представляющие собой сочетание двух или более упомянутых классов преобразователей. В ряде случаев целесообразно одни параметры электрической энергии изменять при помощи полупроводникового преобразователя, а другие - при помощи преобразователя иного типа. Такие комбинированные преобразовательные устройства часто применяются в системах переменного тока, где, например, изменение частоты производится при помощи полупроводникового преобразователя, а изменение величины напряжения - при помощи электромагнитного преобразователя - трансформатора. Все преобразователи могут быть выполнены как нерегулируемыми, так и регулируемыми, причем регулированию может подлежать один или несколько параметров передаваемой энергии: величина и форма напряжения или тока, частота, число фаз и др. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ Базисным элементом современных полупроводниковых преобразователей электрической энергии является полупроводниковый прибор дискретного (ключевого) действия. В качестве такого простейшего электрического ключа может быть использован полупроводниковый прибор, содержащий p – n – переход и обладающий односторонней проводимостью, т. е. имеющий два устойчивых рабочих состояния: «открыт» - при прямом включении и «закрыт» - при обратном включении. Такой прибор при помощи двух силовых выводов (электродов), соединённых с анодом и катодом, включается в электрическую цепь и в открытом состоянии обеспечивает прохождение тока только в одном определенном направлении, а в закрытом состоянии размыкает эту цепь. Полупроводниковый прибор может быть неуправляемым или управляемым и в этом случае, кроме двух основных электродов, он имеет еще один или несколько вспомогательных выводов для подачи управляющего сигнала. В настоящее время в силовой электронике наиболее широкое распространение получилинеуправляемые полупроводниковые приборы дискретного действия - диоды и управляемые полупроводниковые приборы - тиристоры. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый прибор с двумя силовыми электродами, состоящий из двух полупроводников р и п – типа с одним электронно – дырочнымпереходом и обладающий свойством односторонней проводимости в зависимости от полярности включения. На электрических схемах полупроводниковый диод изображается следующим графическим обозначением (рис. 13):  Рис. 13. Условное графическое обозначение (УГО) диода Работа полупроводникового диода основана на использовании электрических свойств р – п – перехода, который формируется при изготовлении диода и асимметричная проводимость которого зависит от полярности включения диода. Различают два возможных способавключения диода в электрическую цепь: 1. Прямое включение (рис. 14)– положительный полюс источника напряжения (+) соединяется с анодом диода (р – зонаполупроводника), а отрицательный полюс источника (-) соединяется с катодом диода (n – зонаполупроводника).  Рис. 14. Схема прямого включения диода В этом случае р – п – переход диода включён в прямом направлении и электрические свойства диода в этом режиме определяются прямой ветвью вольт - амперной характеристики р – п – перехода (рис. 15).  Рис. 15. Вольт - амперная характеристика диода 1 – прямая ветвь ВАХ; 2 – обратная ветвь ВАХ При этом сопротивление р – п – перехода, а следовательно и сопротивление самого диода практически равно нулю RПР ≈ 0, поэтому сила тока через диод ограничена только сопротивлением нагрузки, включённой последовательно с диодом: I ПР = U / (RПР + RН ) = U / RН . При прямом включении диод свободно пропускает электрический ток RПР ≈ 0, т. е. практически не оказывает влияния на силу тока в электрической цепи, поэтому в этом случае обычно используют выражение «диод открыт». 2. Обратное включение (рис. 16 )– положительный полюс источника напряжения (+) соединяется с катодом диода (n – зонаполупроводника), а отрицательный полюс источника (-) соединяется с анодом диода (р – зонаполупроводника).  Рис. 16. Схема обратного включения диода В этом случае р – п – переход диода включён в обратном направлении и электрические свойства диода в этом режиме определяются обратной ветвью вольт - амперной характеристики р – п – перехода (рис. 15). При этом сопротивление р – п – перехода, а следовательно и сопротивление самого диода практически равно бесконечности RОБР ≈ ∞ , поэтому сила тока через диод определяется величиной обратного тока р – п – перехода и практически равна нулю: I ОБР = U / (RОБР + RН ) = U / RОБР ≈ 0 . При обратном включении диод практически не пропускает электрического тока RОБР ≈ ∞ , I ОБР ≈ 0, поэтому в этом случае обычно используют выражение «диод закрыт». Таким образом, диод обладает односторонней (вентильной) проводимостью в зависимости от полярности его включения, т. е.является полупроводниковым прибором дискретного (ключевого) действия и на использовании этого свойства диода основана работа неуправляемых выпрямительных устройств переменного тока. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЯ Выпрямителем называется электротехническое устройство для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что промышленные электростанции вырабатывают электрическую энергию в виде энергии трёхфазного тока, а многие производственные и бытовые электроустановки работают на постоянном токе. В зависимости от мощности выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные. Однофазные выпрямители изготовляются обычно на небольшую мощность ( до 1 – 2 кВА), а выпрямители средней и большой мощности выполняют, как правило, трехфазными. Структурная схема выпрямителя в общем случае, содержит следующие основные блоки (рис. 17): 1. Трансформатор Тр; 2. Выпрямительный блок БВ; 3. Сглаживающий фильтр - фильтр нижних частот СФ; 4. Стабилизатор выпрямленного напряжения Ст. Вход выпрямителя подключается к однофазной или трёхфазной питающей сети на напряжение UВХ , а к выходу выпрямителя на выходное напряжение U ВЫХ подключается нагрузка RН .  Рис. 17. Структурная схема выпрямителя Трансформатор(часто называемый силовым) предназначен для изменения питающего напряжения сети и получения заданной величины выходного напряжения на нагрузке, а также для электрической развязки блоков выпрямителя и его нагрузки от электрической линии с целью повышения электробезопасности работы с выпрямителем. Трансформатор позволяет также преобразовать одну систему фаз входных напряжений в другую, например трехфазную в шестифазную. Выпрямительный блок служит для преобразования переменного напряжения в выпрямленное (пульсирующее) и выполняется на базе полупроводниковых приборов дискретного (ключевого) действия (вентильных элементов), обладающих односторонней электропроводностью (диоды, тиристоры и др.). Качество работы вентильных элементов, входящих в выпрямительныйблок, оценивается коэффициентом выпрямления как отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется: КВ = I ПР / I ОБР , (U = const ). Идеальныевентильные элементы пропускают ток только в одном направлении (прямой ток) и совсем не пропускают тока в обратном направлении I ОБР = 0 , т. е.обладают высокими выпрямительными свойствами. Реальныевентильные элементы, в отличие от идеальных, пропускают сравнительно небольшой обратный ток I ОБР ≈ 0 и отличаются более низкими выпрямительными свойствами. Поэтому для обеспечения качественной работы выпрямителя вентильные элементы должны обладать малым прямым и большим обратным сопротивлениями, а также высоким допустимым обратным напряжением, высоким КПД и стабильностью характеристик. Сглаживающий фильтр служит для снижения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения, получаемого на выходе выпрямительного блока. Фильтр является устройством, содержащим R – , L – и С - элементы, благодаря которым фильтр способен запасать энергию при увеличении напряжения и отдавать ее при уменьшении напряжения. Качество работы фильтра оценивается коэффициентом фильтрации (сглаживания) - отношением коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра q = К П ВХ/ К П ВЫХ. Стабилизаторслужит для снижения влияния изменяющихся внешних условий (колебания напряжения в питающей сети, изменение нагрузки, температуры и т. д.) на режим работы выпрямителя с целью поддержания выходного напряжения на заданном уровне. Стабилизатор может быть установлен как на выходе выпрямителя, так и на входе - со стороны переменного тока. В состав выпрямителя могут также входить выключатели, элементы автоматики и защиты от перегрузок. В зависимости от конкретных требований отдельные блоки в выпрямителе могут отсутствовать (кроме выпрямительного блока). Если, например, не требуется изменять входное напряжение UВХ и в целях безопасности электрически разделять нагрузку от питающей сети, то из схемы исключается трансформатор, а в некоторых случаях можно исключить сглаживающий фильтр или стабилизатор. Кроме того, сам выпрямительный блок может быть очень простым или достаточно сложным. В простых схемах содержится минимальное количество вентильных элементов, в результате чего получают низкое качество выпрямления со сравнительно высоким коэффициентом пульсаций. Сложные схемы строятся на основе смешанного соединения вентильных элементов, благодаря чему удается понизить коэффициент пульсации и улучшить характеристики выпрямителя. Основными техническими параметрами выпрямителя являются значение входного (переменного) напряжения UВХи тока I, среднее значение выпрямленного напряжения (средневыпрямленное напряжение) UС Ви ток IС В, коэффициент пульсаций К П,коэффициент сглаживания пульсаций q,КПД и др. По способам преобразования переменного тока различают одно- и двухполупериодные выпрямители. 33. Блок-схема полупроводникового выпрямителя. Одно – и двухполупериодные выпрямители. Электрические схемы и осциллограммы. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЯ Выпрямителем называется электротехническое устройство для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что промышленные электростанции вырабатывают электрическую энергию в виде энергии трёхфазного тока, а многие производственные и бытовые электроустановки работают на постоянном токе. В зависимости от мощности выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные. Однофазные выпрямители изготовляются обычно на небольшую мощность ( до 1 – 2 кВА), а выпрямители средней и большой мощности выполняют, как правило, трехфазными. Структурная схема выпрямителя в общем случае, содержит следующие основные блоки (рис. 17): 1. Трансформатор Тр; 2. Выпрямительный блок БВ; 3. Сглаживающий фильтр - фильтр нижних частот СФ; 4. Стабилизатор выпрямленного напряжения Ст. Вход выпрямителя подключается к однофазной или трёхфазной питающей сети на напряжение UВХ , а к выходу выпрямителя на выходное напряжение U ВЫХ подключается нагрузка RН . Рис. 17. Структурная схема выпрямителя Трансформатор(часто называемый силовым) предназначен для изменения питающего напряжения сети и получения заданной величины выходного напряжения на нагрузке, а также для электрической развязки блоков выпрямителя и его нагрузки от электрической линии с целью повышения электробезопасности работы с выпрямителем. Трансформатор позволяет также преобразовать одну систему фаз входных напряжений в другую, например трехфазную в шестифазную. Выпрямительный блок служит для преобразования переменного напряжения в выпрямленное (пульсирующее) и выполняется на базе полупроводниковых приборов дискретного (ключевого) действия (вентильных элементов), обладающих односторонней электропроводностью (диоды, тиристоры и др.). Качество работы вентильных элементов, входящих в выпрямительныйблок, оценивается коэффициентом выпрямления как отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется: |