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: 1 из 6

Ответы на экзаменационные вопросы по предмету СЭ

1. Трансформатор, как элемент преобразователя

Трансформатор – статическое устройство, имеющее две или более обмотки связанные индуктивно на магнитопроводе, предназначенное для преобразования одной величины напряжение и тока в другое посредством электромагнитной индукции, без изменения частоты.

Обязательными элементами практически любого устройства преобразования напряжения являются изолированные обмотки, формированные из проволоки или ленты. Они располагаются на магнитопроводе, представленном сердечником из ферромагнитного материала. Связь между катушками осуществляется при помощи магнитного потока. В случае работы с высокочастотными токами (100 и более кГц) сердечник отсутствует.

В принципе работы трансформатора сочетаются основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Его можно рассмотреть на примере простейшего прибора с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к возникновение магнитного потока в магнитопроводе, после чего во вторичной и первичной обмотке возникает ЭДС индукции, если подключить нагрузку ко вторичной обмотке то потечёт ток. Частота напряжения на выходе остаётся неизменной, а его величина зависит от соотношения витков катушек.

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

2. Конденсатор, как элемент преобразователя

В классическом понимании конденсатором является радиоэлектронное устройство, предназначенное для накопления энергии электрического поля, обладающее способностью накапливать в себе электрический заряд, с последующей передачей накопленной энергии другим элементам электрической цепи. Устройства очень часто используют в различных электрических схемах.

Конденсаторы способны очень быстро накапливать заряд и так же быстро отдавать всю накопленную энергию. Для их работы характерна цикличность данного процесса. Величина накапливаемого электричества и периоды циклов заряда-разряда определяется характеристиками изделий, которые в свою очередь зависят от типа модели. Параметры этих величин можно определить по маркировке изделий.

Простейшим конденсатором являются две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Выступать в качестве диэлектрика может воздушное пространство между пластинами.

3. Силовые полупроводниковые диоды

Силовые полупроводниковые приборы – элементы, которые применяются в преобразователях электрической энергии и в схемах силовых установок, являются неотъемлемой составляющей цепей как постоянного, так и переменного тока. Они играют роль выпрямителей или блокираторов, препятствующих коммутационным перенапряжениям. Чаще всего эти детали встречаются в конструкциях мощных турбинных генераторов, гальванических установок, низковольтных сварочных приборов, синхронных компенсаторов, электрогенераторов автомобилей и тракторов.

Классифицируются силовые диоды на низкочастотные и частотные. Первые могут иметь штыревое, таблеточное и лавинное исполнение. Для производства таких элементов используется кремний. Модификации применяются в цепях с частотой до 500 Гц. Они могут выдерживать вибрации и многократные удары непродолжительное время.

Силовые диоды используются при частотах от 2000 Гц и больше. Они предназначены для схем установок, нуждающихся в быстром обратном восстановлении и небольших зарядах. Их особенностью является способность выдерживать высокие нагрузки. Их исполнение может быть штыревым и таблеточным.

Различные промышленные установки не обходятся без использования обоих вариантов силовых диодов. Их области применения зависят от предназначения и особенностей техники. Элементы внедряются в схемы:

неуправляемых и полуавтоматических мостов выпрямления;

сварочных аппаратов и инверторов, отличающихся высокой и низкой мощностью;

мощных электроприводов промышленного оборудования и транспортных средств;

выпрямителей электролизных и гальванических приборов;

оборудования, используемого в металлургии;

источников бесперебойного питания.

Силовые диоды представляют собой неуправляемые электронные ключи. Они отличаются односторонней проводимостью. Проводящее состояние элементы приобретают при воздействии прямого напряжения. Полупроводники предназначены для токов свыше 10 ампер. При их выборе необходимо учитывать тип исполнения и технические характеристики.

Правильное решение поможет предупредить перенапряжение в процессе коммутации, повышение токов, вызывающих внешние или внутренние короткие замыкания, перегревание приборов, негативное воздействие помех.

4. Тиристоры: эксплуатация и разновидности

Это полупроводниковые приборы, предназначенные для комплектации выпрямителей, инверторных устройств, импульсных регуляторов, линий возбуждения генераторов. Исходя из вида тиристоры применяются в схемах широтноимпульсного пуска или в бесконтактных аппаратах. Они эффективно справляются с задачами по управлению скоростью электроподвижных составов, защитой сварочного оборудования.

Низкочастотные приборы способы выдерживать влияние синусоидальных вибраций в пределах до 100 Гц. Им не страшны многократные нагрузки продолжительностью в 2-15 мс. Увеличенную нагрузочную стойкость имеют быстродействующие тиристоры.

Они незаменимы в установках, нуждающихся в краткосрочном включении и отключении. Такие элементы отличаются способностью выдерживать критические скорости увеличения напряжения при закрытом состоянии и токовых импульсов – при открытом.

Распространенные модели тиристоров используются:

при образовании цепей постоянного либо переменного тока в разнообразных электротехнических установках и радиоэлектронных приборах;

оснащении высокомощных компенсаторов, регуляторов и преобразовательных механизмов тяговых подстанций, синхронных электрических двигателей, электродуговых печей;

комплектации электросварочного и плавильного оборудования, электротранспортных средств, ИБП, силовых установок;

проектировании других преобразователей.

При выборе полупроводниковых приборов, созданных на базе монокристалла, имеющего от трех p-n-переходов, необходимо обращать внимание на количество выводов. По этому значению они классифицируются на диодные, триодные и тетродные.

Вторым важным моментом является принцип действия силовых приборов. Он может быть симметричным (ток проводится в оба направления) и ассиметричным (движение импульсов осуществляется в одну сторону).

Устройства первого типа способны функционировать при положительных и отрицательных показателях. Индивидуальными параметрами выбора являются максимально допустимые прямые и обратные токи, уровень падения напряжения, степень управляющего сигнала, рассеиваемая мощность, определяющая силу подключаемых нагрузок.

5. Биполярный транзистор

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, англ. Insulated-gate bipolar transistor, IGBT) — трёхэлектродный силовой полупроводниковый прибор, сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводамиПерейти к разделу «#Применение».

Каскадное включение транзисторов двух типов позволяет сочетать их достоинства в одном приборе: выходные характеристики биполярного (большое допустимое рабочее напряжение и сопротивление открытого канала, пропорциональное току, а не квадрату тока, как у полевых) и входные характеристики полевого (минимальные затраты на управление). Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода — эмиттером и коллектором, как у биполярного.

Выпускаются как отдельные IGBT, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока.

6. Силовые МОП транзисторы

Мощный МОП - транзистор или как его еще называют «металлоокисный полупроводник». Трехслойная структура транзистора Металл – Оксид – Полупроводник. Он обладает рядом достоинств перед транзисторами биполярного типа. Эти свойства выражается и при действии транзистора в линейном режиме и в режиме переключения.

Основные преимущества МОП-транзисторов

Мгновенное переключение;

Нет вторичного пробоя;

Безопасная работа характеризуется широкой областью;

Высокий коэффициент усиления.

Более высокое входное сопротивление.

Небольшое потребление электроэнергии.

При компоновке интегральных схем с использованием МОП-транзисторов задействуется относительно небольшое количество операций, чем с применением биполярных транзисторов.

Использование в конструкции импульсных источников питания высокой частоты в качестве дискретных компонентов, в устройствах инверторного преобразования и регуляторах скорости электродвигателей различного типа. Использование их в конструкции высокочастотных генераторов применяемых для индукционного нагрева, в ультразвуковых генераторах, усилителях звука и устройствах периферийного назначения для компьютеров. Использование транзисторов в регуляторах скорости ограниченно низким напряжением (подключением к аккумуляторам) и небольшой мощностью, потому как кремниевая поверхность способна выдержать высокое напряжение в закрытом состоянии и низкое падение в открытом состоянии.

Принцип действия прибора зависит от изменения в полупроводнике электрического поля, происходит поляризация изолированного затвора. Такое действие вызвало название элемента, как « металлоокисный полупроводник». Он представляет собой прибор, в котором для изготовления затвора использовалась двуокись кремния SiO2, для современных МОП-транзисторов в качестве материала для затвора применяют поликристаллический кремний. Существует два типа МОП-транзисторов. Первые имеют дырочную проводимость – р-канальные. Транзисторы с электронной проводимостью называются n-канальными. Канал в этих полупроводниковых приборах может быть обедненным или наоборот обогащенным носителями.

7. Классификация выпрямителей

Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе, вследствие простоты трансформации напряжения. Однако значительная часть производимой электрической энергии (30-35%) используется на постоянном токе, в том числе и для передачи на расстояния.

 Выпрямитель – это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
 Основными элементами полупроводниковых выпрямителей являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают электрический сглаживающий фильтр. Для регулирования или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя к выходным зажимам фильтра подключают регулятор или стабилизатор (стабилизатор может быть включён и на стороне переменного тока выпрямителя).

Режимы работы и параметры отдельных элементов выпрямителя, фильтра, регулятора и стабилизатора согласуются с заданными условиями работы потребителя постоянного тока, поэтому основная задача теории выпрямительных устройств сводится к определению расчётных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя определить электрические параметры элементов стабилизатора, регулятора, фильтра, а также вентилей и трансформатора выпрямителя и затем произвести выбор этих элементов по каталогу или, если это необходимо, рассчитать их.

Структурная схема и классификация выпрямителей.

 Выпрямитель можно представить в виде обобщенной структурной схемы (рис. 1) и структурной схемы с протекающими в нем напряжениями и токами (рис. 1.1), в которую входят: 

• 
  силовой трансформатор (СТ), 
  
• 
  вентильный блок (ВБ), 
  
• 
  фильтрующее устройство (ФУ), 
  
• 
  цепь нагрузки (Н), в которую может входить стабилизатор напряжения (СН) .
  

Рис. 1. Обобщенная структурная схема выпрямителя.

 



Рис. 1.1. Структурная схема выпрямителя с протекающими в нем напряжениями и токами.

8-23. Процесс преобразования переменного тока в постоянный однофазной однополупериодной схеме

Caмый пpocтoй вapиaнт выпpямитeля: пocлeдoвaтeльнo c нaгpузкoй в цeпь включaют диoд — пoлупpoвoдникoвый пpибop c oдним p-n пepexoдoм, пpoпуcкaющий тoк в oднoм нaпpaвлeнии. Kaким кoнтaктoм диoд пoдключeн к нaгpузкe (aнoдoм или кaтoдoм) — нe имeeт знaчeния. Paзницa лишь в тoм, чтo в oднoм cлучae пpибop пpoпуcкaeт пoлoжитeльныe пoлувoлны, в дpугoм — oтpицaтeльныe. Oткpывaeтcя диoд пpи пoдaчe нa eгo aнoд пoлoжитeльнoгo пoтeнциaлa.

Oднoфaзнaя oднoпoлупepиoднaя cxeмa

Xapaктepиcтики дaннoй cxeмы выпpямлeния: cpeднee знaчeниe нaпpяжeния: Ucp = 0.З18 Umax, гдe Umax — мaкcимaльнoe нaпpяжeниe, тo ecть aмплитудa выпpямляeмoгo пepeмeннoгo нaпpяжeния. Для oднoфaзнoй ceти c дeйcтвующим нaпpяжeниeм Uд = 220 B Umax cocтaвляeт З11 B. Ecли зa ocнoву бepeтcя дeйcтвующee знaчeниe, фopмулa имeeт вид: Ucp = 0,45 Uд; кoэффициeнт пульcaций.

Xapaктepизуeт кaчecтвo paбoты выпpямитeля. B дaннoм cлучae этoт пapaмeтp cocтaвляeт 1,57; мaкcимaльнoe oбpaтнoe нaпpяжeниe нa диoдe: Uoбp = Umax = З,14 Ucp.

Дocтoинcтвa cxeмы: иcпoльзуeтcя вceгo oдин диoд; мaлыe пoтepи мoщнocти и пaдeниe нaпpяжeния нa выпpямитeлe.

Heдocтaтки: нeэффeктивнoe иcпoльзoвaниe тpaнcфopмaтopa; знaчитeльнoe oбpaтнoe нaпpяжeниe нa диoдe; выcoкий кoэффициeнт пульcaций; нaличиe пocтoяннoй cocтaвляющeй в пpoтeкaющeм чepeз втopичную oбмoтку тoкe, oтчeгo уxудшaютcя cвoйcтвa cepдeчникa из-зa eгo пoдмaгничивaния; пpи paбoтe c тoкaми чacтoтoй 50-60 Гц тpeбуютcя cглaживaющиe фильтpы c бoльшими гaбapитaми.

Oблacть пpимeнeния тaкиx выпpямитeлeй — импульcныe блoки питaния (paбoтaют нa чacтoтe 10 кГц) и cxeмы, пoтpeбляющиe мaлыe тoки.

 Схемы выпрямителей однофазного питания применяются в основном для питания бытовых потребителей (бытовых устройств) и используют однофазные трансформаторы, в которых ток течет по двум проводам - фаза и ноль. Первичная и вторичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей является однофазной.

 

Однофазная, однополупериодная схема.

 Однофазную, однополупериодную схему (рис. 1.2, а) обычно применяют для выпрямления токов до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. Эта схема характеризу­ется низким коэффициентом использования трансформатора по мощности и большими пульсациями выпрямленного напряжения.

 Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентиле, представлены на рис. 1.2,б.

 



 

Рис. 1.2. Однофазная, однополупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

 

 Под действием ЭДС вторичной обмотки e₂ ток в цепи нагрузки i_d может проходить только в течение тех полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. Диод пропускает ток i_vd в первый полупериод, во второй полупериод, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю. Выпрямленное напряжение u_d в любой момент времени меньше ЭДС вторичной обмотки e₂, так как часть напряжения теряется на активных сопротивлениях трансформатора и открытого вентиля (учитывается сопротивлением r). Максимальное обратное напряжение на вентиле U_обрmax, как видно из рис. 1.2,б, достигает амплитудного значения ЭДС вторичной обмотки E_2m.

 Диаграмма первичного тока трансформатора подобна диаграмме вторичного тока, если пренебречь током намагничивания и исключить из него постоянную составляющую I_d, которая в первичную обмотку не трансформируется. В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник. Это явление называют – вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей тока, которое является главным недостатком этой схемы.     В  результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме намагничивания сердечника. Возрастание намагничивающего тока обусловливает увеличение сечения провода первичной обмотки, следствием чего являются завышенные размеры трансформатора и габариты выпрямителя в целом.

 

Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича).

 Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.3, а) применяют в низковольтных устройствах. Он позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери, но имеет более низкий коэффициент использования трансформатора и, следовательно, большие габариты по сравне­нию с однофазным мостовым выпрямителем, который рассмотрен ниже. Обратное напряжение на диодах выше в этой схеме, чем в мостовой.

 Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками. Выпрямитель со средней точкой является по существу двухфазным, так как вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно средней точки сдвинуты по фазе на 180º.

 Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу двухполупериодного выпрямителя со средним выводом на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис.1.3,б.

 



Рис. 1.3. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

 

 Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам вентилей VD₁ и VD₂. Напряжения на вторичных обмотках трансформатора w₂₁ и w₂₂ находятся в противофазе. Поэтому диоды схемы VD₁ и VD₂ проводят ток поочередно, каждый в соответствующий полупериод питающего напряжения. В течение первого полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD₁ и ток i_vd1 проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w₂₁ трансформатора. В течение второго полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD₂, ток i_vd2 проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w₂₂ трансформатора, причем в цепи нагрузки ток i_d проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.

 Таким образом, в отличие от простейшего однополупериодного выпрямителя в выпрямителе со средней точкой выпрямленный ток проходит через нагрузку в течение обоих полупериодов переменного тока, но каждая из половин вторичной обмотки трансформатора оказывается нагруженной током только в течение полупериода. В результате встречного направления м.д.с. постоянных составляющих токов вторичных обмоток i₂₁ и i₂₂ в сердечнике трансформатора нет вынужденного подмагничивания.

 Рассмотрим расчет коэффи­циента использования трансформатора по мощности для выпрямителя без потерь при активной нагрузке на примере двухполупериодной схемы со средней точкой.

 Выходное напряжение u_d снимается в данной схеме между средней (нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке



 

т.е. между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением существует то же соотношение, что связывает среднее и действующее значение синусоидального тока.

Среднее значение тока через нагрузку:I_{d =} U_d /R_{d .}

Поскольку ток i_d протекает через диоды поочередно, средний ток через каждый диод составит: 

I_{vd =} I_d /2,



Обратное напряжение прикладывается к закрытому диоду, когда проводит ток другой диод. Поскольку к закрытому диоду в этой схеме максимально прикладывается двойное амплитудное напряжение вторичной стороны, то



Величина U_d при расчете выпрямителя является заданной, поэтому находим действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора



Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора



Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора



Габаритная мощность первичной обмотки трансформатора

 

S_{1 =} U₁ /I₁ ;               U_{1 =} U₂ /n;          I_{1 =} nI₂;





 

Коэффициент использования трансформатора по мощности в двухполупериодной схеме со средней точкой





 Таким образом, габаритная мощность трансформатора в двухполупериодной схеме со средней точкой в 1,48 раза превышает мощность в нагрузке.

 

Мостовая схема (схема Греца).

 Однофазная мостовая схема (рис. 1.4, а) характеризуется высоким коэффициентом использования трансформатора по мощности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт; пульсации такие же, как в предыдущей схеме. По сути, работа мостовой схемы в течение каждого полупериода ничем не отличается от схемы со средней точкой трансформатора, только здесь пропускает ток не один вентиль, а два вентиля, соединенных последовательно, и для каждого полупериода используются не отдельные половины вторичной обмотки, а одна обмотка, что повышает эффективность использования трансформатора. Достоинства – меньшее обратное напряжение на диодах в 2 раза, меньшие габариты, выше коэффициент использования трансформатора, чем в схеме со средней точкой. Недостаток – на диодах падение напряжения в 2 раза больше.

 Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однофазного мостового выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис. 1.4, б. Выходное напряжение u_d при чисто активной нагрузке, как и в схеме с выводом средней точки трансформатора, имеет вид однополярных полуволн напряжения u₂ (рис.1.3, б). Это получается в результате поочередного отпирания диодов VD₁, VD₄ и VD₂, VD₃. Диоды VD₁ и VD₄ открыты при полуволне напряжения u₂ положительной полярности (показана на рис. 1.4, а без скобок), обеспечивая связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой и создавая на ней напряжение u_d той же полярности, что и напряжение u₂. На полуволне напряжения u₂ отрицательной полярности (показана на рис. 1.4, а со скобками) открыты диоды VD₂ и VD₃, подключающие напряжение u₂ к нагрузке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале.

 



Рис. 1.4. Однофазная мостовая схема выпрямления (схема Греца) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

 Ввиду идентичности кривых u_d для выпрямителей без потерь (мостового и со средней точкой) действительны те же соотношения между выпрямленным напряжением U_d и действующим значением напряжения U<sub>2.

,     ,</sub>  

поэтому и пульсации такие же, как в предыдущей схеме.

 Ток I_d распределяется поровну между парами диодов и ток каждого диода определяется также, как и в предыдущей схеме.

 Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов и его максимальное значение определяется амплитудным значением напряжения u<sub>2

,</sub>

т.е. оно вдвое меньше, чем в схеме со средней точкой.

 Ток в нагрузке протекает в течение обоих полупериодов переменного напряжения, как и ток во вторичной обмотке трансформатора имеющий форму синусоиды. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора 

,

это обусловлено тем, что в отличие от схемы со средней точкой ток i₂ здесь синусоидальный, а не пульсирующий.

 С учетом того, что трансформатор имеет лишь одну вторичную обмотку, для мостовой схемы габаритная мощность первичной и вторичной обмоток будет одинакова и общая габаритная мощность S_габ  равна габаритной мощности первичной обмотки трансформатора в рассмотренной ранее схеме со средней точкой, т.е. 1,23P_d.

 

На принципиальных схемах диодный мост может изображаться по разному и во многих случаях его изображают упрощенно (как показано на рисунке слева). Обычно, такое изображение служит для того, чтобы упростить общий вид принципиальной схемы, либо для того, чтобы показать, что в данном случае применена диодная сборка. Диодная сборка - это 4 диода с одинаковыми параметрами, размещенных в общем корпусе. Диодная сборка является более технологичной деталью, поскольку занимает меньше места на печатной плате.