Физические основы электроники Министерство образования Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок 621.314(07) Г322 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Челябинск Издательство ЮУрГУ 2007 УДК 621.314 (07) Физические основы электроники. Преобразовательная техника: Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников/ Составитель М.В. Гельман. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2007. – 36 с. Методические указания предназначены для студентов специальности «Электропривод и автоматика технологических процессов и комплексов». Они содержат программу курсов лекций по физическим основам электроники и преобразовательной технике, методические указания к ним, контрольные вопросы и контрольные задания. Программа разбита на разделы и главы, для которых указаны страницы основной литературы. Табл. 2, список лит. – 12 назв. ВВЕДЕНИЕ «Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» являются неразрывно связанными курсами и поэтому рассматриваются совместно. Эти дисциплины занимают важное место в системе подготовки дипломированных инженеров-специалистов по специальности 180400 “Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов”. Глобальная цель дисциплин «Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» состоит в том, чтобы сформировать навыки чтения элементарных схем информационной электроники и устройств преобразовательной техники, понимания происходящих в них процессов, научить их рассчитывать и применять, создать базу для изучения последующих курсов – ”Теории электропривода”, ”Систем управления электроприводами”, ”Элементов автоматизированного электропривода”. Дипломированный инженер по специальности 180400 должен знать : принципы построения, статические и динамические характеристики и параметры полупроводниковых приборов и элементов микроэлектроники; принципы построения, методы расчета и анализа, параметры и характеристики полупроводниковых преобразователей электрической энергии; основные стандарты, условные буквенные и графические обозначения электронных элементов и устройств, используемых в системах автоматизированного электропривода промышленных установок и технологических комплексах; уметь : грамотно применять и эксплуатировать основные виды электронных приборов и устройств, формулировать технические требования на разработку новых электронных устройств; составлять структурные и функциональные схемы несложных устройств автоматики на базе интегральных микросхем, оценивать их достоинства и недостатки, рассчитывать и осуществлять стыковку различных преобразовательных устройств; выбирать для данного объекта типовой вентильный преобразователь или из отдельных силовых блоков скомпоновать требуемый преобразователь, пользоваться стандартами при выполнении конструкторских, исследовательских и других видов работ, использовать стандартную терминологию, определения и обозначения электронных приборов и устройств; иметь представление : о технологиях производства полупроводниковых приборов и микроэлектронных схем; о перспективах и путях совершенствования аналоговых, импульсных цифровых, микропроцессорных и преобразовательных устройств, используемых в различных автоматизированных системах. Изучение курса рекомендуется начать с самостоятельной проработки теоретического материала по учебникам и учебным пособиям [1 – 4, 8], пользуясь методическими указаниями. При изучении курса постарайтесь ответить на все контрольные вопросы. Это залог успешной сдачи экзаменов. Основные вопросы выделены курсивом. Обратите на них особое внимание. Ряд вопросов плохо освещен в учебниках. На них будет обращено особое внимание на лекциях. На ряд контрольных вопросов студенты отвечают письменно, выполняя контрольные задания. С целью приобретения практических навыков студенты выполняют лабораторные работы. Контрольные задания включают предварительные расчеты к лабораторным работам. Студенты для проведения лабораторных работ объединяются в бригады. Номера лабораторных работ и номера вариантов заданий (номера бригад) выдаются преподавателем. Каждый вариант содержит три подварианта: А, Б, В. Подварианты присваиваются членам одной бригады (одного варианта). Так как в лаборатории проводится проверка расчетов, выполненных в задании, то к лабораторным работам допускаются студенты, получившие зачет по контрольному заданию, Нет расчетов, – нечего делать в лаборатории. Перед каждой работой проводится контрольный опрос. После защиты отчетов по лабораторным работам студенты получают зачеты и допускаются к сдаче экзаменов. Экзамены проводятся по курсам «Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» отдельно, сначала по первому предмету, а затем по второму. ПРОГРАММА, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Роль электроники в современной науке и технике Краткий исторический очерк развития электроники. Преобразовательная техника как предмет. Классификация электронных приборов и устройств. Значение преобразовательной техники для комплексной автоматизации производства. Перспективы развития преобразовательной техники. Методические указания Обратите особое внимание на классификацию электронных приборов и устройств. Уясните преимущества электронных приборов и устройств. Оцените важность знаний в области электроники для Вашей будущей специальности. Литература: [1, с. 190 – 192; 2, с. 3 –6]. Контрольные вопросы 1. По каким признакам классифицируются полупроводниковые приборы? 2. Преимущества полупроводниковых приборов и устройств. 3. Какие существуют полупроводниковые приборы и устройства? 2. Полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы. 2.1. Физические основы полупроводниковых приборов. Проводники, полупроводники, диэлектрики. Собственные полупроводники. Примесные полупроводники. P-п переход и его вольт- амперная характеристика (ВАХ). Емкость р-п перехода. Переходные процессы в р-п переходе. Методические указания Возможность изменения вида проводимости и широчайшего изменения ее величины явились предпосылкой расцвета полупроводниковой техники. Обратите особое внимание на понятие смещение p - n перехода. При прямом смещении основные носители преодолевают потенциальный барьер и переходят в соседний слой. Переход основных носителей заряда в соседний слой, где они становятся неосновными, называется инжекцией . При обратном смещении через p - n переход протекает обратный ток. При достижении высокого напряжения происходит лавинный пробой . Лавинный пробой обратим. При увеличении тока и выделении большой мощности может произойти тепловой пробой . Он необратим и приводит к разрушению p-n перехода. Вольтамперная характеристика (ВАХ) p - n перехода является основой понимания ВАХ всех полупроводниковых приборов. Нужно уметь объяснить ее вид на основе процессов на p - n переходе. При повышении температуры различные участки ВАХ изменяются по-разному. Падение напряжения на прямо смещенном переходе при повышении температуры уменьшается незначительно. Особенно сильно меняется обратный ток. При увеличении температуры напряжение лавинного пробоя растет. Нужно уметь объяснить такое поведение участков ВАХ. Литература: [1, с. 193 – 199; 2, с. 7 – 13]. Контрольные вопросы 1. В чем отличие проводников, полупроводников и диэлектриков? 2. В чем отличие собственного и примесного полупроводника? 3. В чем состоит преимущество примесных полупроводников по сравнению с проводниками (металлами и их сплавами), обеспечившее развитие полупроводниковой техники? 4. Назовите виды носителей зарядов. 5. Что такое p-n переход? 6. Какие бывают p-n переходы? 7. Что такое смещение p-n перехода? 8. Объясните вид каждого участка ВАХ p-n перехода. 9. Что такое лавинный пробой? 10. Поясните, как и почему влияет повышение температуры на каждый участок ВАХ p-n перехода. 11. Поясните переходные процессы при смещении p-n перехода. 2.2. Полупроводниковые диоды Классификация. Выпрямительные диоды. Устройство. Схема для снятия характеристики. Понятие о выпрямлении. Однофазный однополупериодный выпрямитель. Параметры диодов. Применение. Стабилитроны. Назначение и устройство. Вольтамперная характеристика. Параметры. Схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне. Способ повышения термостабильности стабилизатора напряжения. Применение. Методические указания Нужно знать разновидности диодов, их назначение, ВАХ и схемы включения в устройствах. ВАХ диода имеет такой же вид, как и ВАХ p - n перехода. Нужно уметь нарисовать схему для снятия ВАХ диода на постоянном токе и с помощью осциллографа. Обратите внимание на параметры выпрямительных диодов и стабилитронов. Изучите схему параметрического стабилизатора напряжения и способ повышения его термостабильности. Литература: [1, с. 199 – 203; 2, с. 14 – 18]. Контрольные вопросы 1. Назначение различных видов диодов. 2. Нарисуйте схему простейшего однополупериодного выпрямителя. 3. Постройте временные диаграммы токов и напряжений в однополупериодном выпрямителе. 4. Как выглядит ВАХ выпрямительного диода? 5. Как и зачем идеализируют ВАХ выпрямительного диода? Назовите параметры мощных выпрямительных диодов. 6. Укажите порядок величин параметров мощных выпрямительных диодов. 7. Принцип действия стабилитрона. 8. Нарисуйте схему простейшего стабилизатора напряжения. Укажите назначение элементов. 9. Как и почему зависит напряжение стабилизации от температуры? Как повысить термостабильность стабилизатора напряжения? 10. В каких случаях и почему вместо стабилитронов используют стабисторы? 2.3. Транзисторы Классификация. Биполярные транзисторы. Устройство и принцип действия. Схемы включения. Статические характеристики. Параметры. Работа транзистора в линейном режиме. Классы усиления. Ключевой режим. Особенности работы транзисторов на высоких частотах. Униполярные (полевые) транзисторы. Устройство и принцип действия транзисторов с затвором в виде р-п перехода и с изолированным затвором. Характеристики в схеме с общим истоком. Параметры. IGВT (БТИЗ) транзисторы. Характеристики. Параметры. Сравнение транзисторов. Применение. Методические указания Транзисторы по принципу действия делятся на биполярные (управляемые током), униполярные (управляемые электрическим полем или полевые ) и IGBT -транзисторы . Аббревиатура IGBT – это сокращение названия Insulated gate bipolar transistor. В переводе это значит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ). Нужно знать разновидности транзисторов, их принципы действия, ВАХ и схемы включения в усилительных каскадах. Нужно уметь нарисовать схемы для снятия ВАХ транзисторов любого типа на постоянном токе и с помощью осциллографа. Обратите внимание на параметры транзисторов, порядок их величин. Следует уметь сравнивать транзисторы по основным показателям. Ключевой режим важнейший режим работы транзистора. Нужно уметь обосновать его преимущества. Литература: [1, с. 203 – 219; 2, с 19 – 32]. Контрольные вопросы 1. Принцип действия биполярного транзистора. 2. Объясните вид выходных характеристик биполярного транзистора. 3. Сравните схемы включения биполярного транзистора. Укажите преимущества и недостатки схем по усилительным свойствам, частотным характеристикам и термостабильности. 4. Нарисуйте схему простейшего усилительного каскада. Укажите назначение элементов. 5. Почему отличаются характеристики прямой передачи по току транзистора и транзисторного усилительного каскада? 6. Нарисуйте нагрузочную диаграмму транзисторного усилительного каскада. Что произойдет с выходным сигналом, если сместится рабочая точка покоя? 7. Что такое ключевой режим и каковы его преимущества? 8. Назовите основные параметры транзисторов. 9. Укажите порядок величин параметров мощных транзисторов. 10. Принципы действия полевых транзисторов. 11. Характеристики и параметры полевых транзисторов. 12. Принцип действия БТИЗ. 13. Характеристики и параметры БТИЗ. 14. Сравните параметры транзисторов, имеющих различные принципы действия. 15. От чего и как зависит переходный процесс при переключении транзисторного ключа? 16. Что такое защищенный транзисторный ключ? 2.4. Тиристоры Устройство и принцип действия. Схемы включения в управляемом выпрямителе и прерывателе постоянного тока. Вольтамперные характеристики. Диаграмма управления. Переходные процессы в тиристорах. Параметры тиристоров. Разновидности тиристоров: симметричные тиристоры, запираемые тиристоры, динисторы. Групповое соединение тиристоров и диодов. Сравнение тиристоров и транзисторов. Применение. Методические указания Наиболее часто тиристоры применяют в управляемых выпрямителях . В настоящее время тиристоры являются основными приборами в мощных преобразователях электрической энергии, особенно, в преобразователях связанных с сетью переменного тока. Нужно знать разновидности тиристоров, их принципы действия, ВАХ и схемы включения в устройствах преобразовательной техники. Принцип действия тиристора лучше изучить на двухтранзисторной модели. Основной способ включения тиристора – по управляющему переходу. Чем больше ток управления, тем при меньшем напряжении на аноде включается тиристор. Коэффициент передачи тиристора по току очень велик (тысячи) После включения тиристора ток управления можно прекратить, однако, тиристор будет удерживаться во включенном состоянии. Чтобы выключить тиристор, нужно уменьшить ток в цепи анода до очень малой величины или приложить к нему обратное напряжение. Таким образом, обычный тиристор – это прибор с неполной управляемостью . Возможность выключения – это большое преимущество запираемых тиристоров, но они имеют и существенный недостаток – их коэффициент усиления по току при выключении не превышает 3...4. Нужно уметь нарисовать схемы для снятия ВАХ тиристоров любого типа на постоянном токе и с помощью осциллографа. Надо знать назначение и уметь пользоваться диаграммой управления . Следует уделить внимание переходным процессам в тиристорах. Обратите внимание на параметры тиристоров , порядок их величин, зависимость допустимого тока от условий работы тиристора. Литература: [1, с. 219 – 230; 2, с. 37 – 48]. Контрольные вопросы 1. Устройство и принцип действия тиристора. 2. Нарисуйте схему простейшего однополупериодного управляемого выпрямителя. 3. Сравните тиристоры и транзисторы по возможностям управления и области применения. 4. Постройте временные диаграммы токов и напряжений в однополупериодном управляемом выпрямителе. 5. Объясните вид анодной ВАХ тиристора. 6. Каково назначение диаграммы управления и как ею пользоваться? 7. От чего и как зависит переходный процесс при включении тиристора? 8. Как протекает процесс выключения тиристора? 9. Почему напряжение на тиристоре не может нарастать слишком быстро? 10. Чем отличаются разновидности тиристоров? 2.5. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Классификация. Оптоизлучатели. Светодиоды. Фотоэлектрические приемники излучения. Фотодиоды. Фототранзисторы. Фототиристоры. Фоторезисторы. Оптопары. Оптодиоды, оптотранзисторы, оптотиристоры. Принципы действия. Характеристики. Параметры. Применение. Методические указания Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте – возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС. Оптоэлектронные приборы (оптроны ) – приборы с двойным преобразованием энергии, обеспечивающие потенциальную развязку между двумя электрическими цепями (рис. 1.43). Тиристорные оптроны (оптотиристоры ) значительно упрощают построение систем управления полупроводниковых преобразователей электроэнергии. Обратите внимание на характеристики, схемы включения и применение приборов. Литература: [1, с. 230 – 234; 2, с. 49 – 53]. Контрольные вопросы 1. Принципы действия фотоэлектронных приборов. 2. Схемы включения и применение фотоэлектронных приборов. 3. Режимы работы фотодиода. 4. Объясните вид ВАХ фотодиода. 5. Принцип действия светодиода. 6. Схема включения и применение светодиодов. 7. Принципы действия оптронов. 8. Основное назначение оптронов. 9. Объясните вид ВАХ оптронов. 2.6. Терморезисторы. Назначение и принцип действия. Характеристики. Применение. Методические указания Принцип действия терморезистора основан на увеличении числа свободных носителей при повышении температуры полупроводника. Их недостаток – большой разброс характеристик. Литература: [1, с. 234; 2, с. 54]. Контрольные вопросы 1. Принцип действия терморезистора. 2. Схема включения и применение терморезисторов. 2.7. Интегральные микросхемы (ИМС). Основные понятия. Классификация ИМС. Полупроводниковые, пленочные и гибридные ИМС. Большие интегральные схемы. Основы технологии ИМС. Изменение критериев оптимизации при переходе от дискретных схем к ИМС. Интеграция силовых приборов. Гибридные силовые модули. Методические указания Микроэлектроника – область электроники, изучающая вопросы создания и применения микроэлектронных изделий. Она перспективнейшее направление информационной электроники. Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. В них любому допустимому значению входного сигнала соответствует определенное значение выходного. Цифровые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, т.е. сигналов, которые могут принимать только два значения, условно называемые 0 и 1. Гибридные силовые модули – путь к интеграции и упрощению силовых схем. Литература: [1, с. 235 – 237; 2, с. 54 – 57]. Контрольные вопросы 1. Что такое ИМС? 2. Что такое серия ИМС? 3. Как классифицируются ИМС? 4. Каковы тенденции интеграции силовых приборов? 5. Что такое гибридный силовой модуль? 2.8. Маркировка полупроводниковых приборов и ИМС 2.9. Рекомендации по применению полупроводниковых приборов и ИМС Литература: [1, с.237 – 238; 2, с. 57 – 58]. 2.10. Электронные приборы для отображения информации. Назначение и классификация. Вакуумно-люминесцентные, жидкокристаллические элементы индикации. Литература: [5, с. 183 – 186]. 3. Усилители и аналоговые ИМС 3.1. Общая характеристика усилителей Классификация. Характеристики и параметры усилителей. Обратные связи в усилителях. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью. Отрицательная обратная связь. Положительная обратная связь. Методические указания Устройства, усиливающие мощность входного сигнала за счет энергии источника питания называются электронными усилителями . В электронном усилителе имеется два канала: информационный канал и энергетический канал . По первому от входа к выходу передается информация за счет энергии, поступающей по второму каналу от источника питания (ИП). Все усилители делятся на усилители мгновенных значений сигнала и усилители действующих или средних значений сигнала. Здесь будем рассматривать только усилители мгновенных значений. Свойства усилителей определяются их характеристиками и параметрами. Основной параметр усилителя коэффициент усиления (коэффициент передачи) усилителя. Линейные (частотные) искажения являются важнейшим показателем качества усилителей. Это такие искажения, при которых сохраняется форма синусоидального входного сигнала, но коэффициент усиления изменяется при изменении частоты. При этом, если входной сигнал несинусоидален, то выходной сигнал будет отличаться и по форме. Линейные искажения определяются по амплитудно-частотной характеристике. Нелинейные искажения определяются амплитудной характеристикой (АХ). Нелинейные искажения возникают, когда усилитель начинает работать на нелинейных участках АХ, и форма выходного сигнала начинает отличаться от формы входного синусоидального сигнала. Когда сигнал на входе имеет произвольную форму, то пользуются понятием передаточная характеристика. Обратная связь - это передача части мощности с выхода или промежуточного звена на вход. Обратите внимание на преимущества отрицательных обратных связей и их широчайшее применение. Обратите внимание на нецелесообразность применения положительной обратной связи в усилителях. Литература: [1, с. 239 – 247; 2, с.. 59 – 67]. Контрольные вопросы 1. Что такое коэффициент усиления (коэффициент передачи)? 2. Что можно определить по АЧХ? 3. Что можно определить по амплитудной или передаточной характеристике? 4. Какие параметры и характеристики относятся к информационному, а какие к энергетическому каналу? 5. Что такое ОС? 6. Что такое коэффициент передачи цепи ОС? 7. Преимущества и недостатки ООС. 8. Преимущества и недостатки ПОС. 3.2. Усилители переменного тока Одиночные усилительные каскады. Схема стабилизации рабочей точки покоя. Каскад с общим эмиттером. Схема замещения. Каскад с общим коллектором. Многокаскадные усилители. Паразитные связи. Помехи. Методы борьбы. Методические указания Усилители переменного тока служат для усиления сигналов, в которых нет постоянной составляющей. Усилительный каскад с общим эмиттером требует из-за нетермостабильности применения схемы стабилизации рабочей точки покоя. Двухкаскадный усилитель переменного напряжения с емкостной связью представляет собой два каскада с общим эмиттером, соединенных через конденсатор. Паразитные обратные связи возникают благодаря передаче энергии электромагнитного поля с выхода на вход, в частности через паразитные емкости и взаимоиндуктивности, а также из-за внутреннего сопротивления источника питания. Методы борьбы с паразитными обратными связями: правильное взаимное расположение элементов, экранирование и применение развязывающих фильтров. Литература: [1, с. 247 – 253; 2, с. 68 – 74]. Контрольные вопросы 1. Как стабилизировать рабочую точку покоя? 2. Как определить коэффициент усиления каскада с ОЭ? 3. Как определить АЧХ каскада с ОЭ? Как можно влиять на нее? 4. В чем состоят преимущества каскада с ОК? 5. Как строятся многокаскадные усилители переменного тока? 3.3. Усилители постоянного тока Назначение и особенности усилителей постоянного тока (УПТ). Трудности согласования каскадов. Дрейф нуля и методы его уменьшения. Классификация усилителей. Усилители с промежуточным преобразованием. Модулятор. Демодулятор. Усилители прямого усиления и элементы аналоговых ИМС. Дифференциальный усилительный каскад. Каскад сдвига уровня. Каскад усиления мощности. Методические указания УПТ - это усилитель с полосой пропускания, включающей нулевую частоту. УПТ очень широко применяются в системах автоматического регулирования. В УПТ применяется гальваническая связь каскадов. Из-за этого возникает ряд проблем:а) трудность согласования потенциалов соседних каскадов, трудность независимого выбора рабочей точки покоя;б) нестабильность выходного сигнала при изменении напряжения питания, температуры, параметров элементов, получившая название дрейф нуля. Обратите внимание на причины и пути уменьшения дрейфа нуля. Дифференциальный (балансный) усилительный каскад (ДУ) имеет ряд преимуществ: входной сигнал подается относительно земли, малый дрейф нуля, ослабляется синфазный сигнал, что обеспечивает высокую помехоустойчивость, так как помехи одновременно поступают на оба входа. Выходной каскад усиления мощности с заземленной нагрузкой обеспечивает усиление мощности. При этом выходной сигнал снимается относительно земли. Эти каскады являются основой создания операционных усилителей. Литература: [1, с. 253 – 258; 2, с. 74 – 80]. Контрольные вопросы 1. В чем состоят особенности УПТ? 2. Что такое дрейф нуля и как с ним бороться? 3. Как в дифференциальном усилительном каскаде уменьшается дрейф нуля без уменьшения коэффициента усиления? 4. Что такое коэффициент передачи дифференциального и синфазного сигнала? 5. Каков недостаток дифференциального усилительного каскада и как с ним борются? 6. Как работает усилитель мощности с заземленной нагрузкой? 3.4 Аналоговые ИМС и устройства на их основе Классификация. Операционные усилители. Характеристики и параметры. Схемы замещения. Инвертирующий усилитель Неинвертирующий усилитель. Повторитель. Интегратор. Компаратор. Регенеративный компаратор (триггер Шмидта). Мультивибратор. Элементы расчета схем. Частотные свойства. Методические указания Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока прямого усиления с дифференциальным входом, предназначенный для выполнения математических операций. Обратите внимание на передаточные характеристики ОУ по инвертирующему и неинвертирующему входам. Современные ОУ характеризуются очень высоким коэффициентом усиления (ku =103 ...107 ) и очень большим входным сопротивлением ( до 107 Ом) . При анализе схем с ОУ обычно применяют допущения, существенно упрощающие расчеты: 1) входное сопротивление , оно действительно велико, см. выше; 2) напряжение непосредственно на входе в точке суммирования . Оно мало по сравнению с выходным и с входным напряжениями, т.к. ku очень велико). Чтобы ОУ выполнял различные операции, его по-разному включают, охватывают различными обратными связями. Коэффициент усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителя определяется отношением резисторов и не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя. Нужно уметь определить какой сигнал будет на выходе интегратора, если известен сигнал, подаваемый на вход. Компаратор - это устройство для сравнения двух сигналов. Недостаток компаратора – низкая помехоустойчивость. Это вызвано тем, что помеха накладывается на полезный сигнал и вызывает многократные ложные переключения. Регенеративный компаратор применяется для повышения помехоустойчивости. Передаточная характеристика регенеративного компаратора имеет петлю гистерезиса. Преимущества регенеративного компаратора: большая помехоустойчивость и быстрое переключение. Недостаток: меньшая точность. Мультивибратор - это генератор прямоугольных колебаний. Нужно уметь путем изменения параметров схемы повлиять на частоту мультивибратора. Литература: [1, с. 258 – 267; 2, с. 80 – 89]. Контрольные вопросы 1. Обоснуйте допущения, принимаемые при расчете схем на основе ОУ. 1. Как определить коэффициент усиления (коэффициент передачи) инвертирующего усилителя? 2. Как определить коэффициент усиления (коэффициент передачи) неинвертирующего усилителя? 3. Как определить коэффициент усиления повторителя? 4. Какой сигнал будет на выходе интегратора, если на вход подается знакопеременный прямоугольный входной сигнал? 5. Какой сигнал будет на выходе интегратора, если на вход подается серия однополярных прямоугольных импульсов? 6. Как работает компаратор? 7. В чем преимущества регенеративного компаратора перед простым компаратором? В чем его недостаток? 8. Поясните временные диаграммы мультивибратора. Как можно изменить частоту? 4. Цифровые ИМС (ЦИМС) Общая характеристика ЦИМС. Классификация. Типы логических схем и их сравнение. Элементы алгебры логики. Комбинационные ЦИМС. Схемы ДТЛ и ТТЛ. Характеристики и параметры Последовательностные ЦИМС. Определение и классификация. RS-триггер. Синхронный RS-триггер. Д-триггер. JK-триггер. Т-триггер. Понятие о микропроцессорах (МП) и МП-системах. ЦИМС – элементы ЦВМ. Методические указания Цифровые схемы, которые управляются уровнями напряжения, называются потенциальными . Логические микросхемы делятся на комбинационные и последовательностные микросхемы. Принцип действия комбинационных схем рассмотрите на примере схемы типа ТТЛ. Состояние входов и выходов логического элемента характеризуется таблицей истинности. Обратите внимание на характеристики, а также статические и динамические параметры ЦИМС. Логические схемы с памятью могут создаваться на основе комбинационных схем. Триггер - это элементарная последовательностная схема с двумя устойчивыми состояниями выходов. Выходы триггеров находятся в противоположном состоянии (в противофазе). Входной сигнал может перевести триггер из одного устойчивого состояния в другое. По структуре триггеры делятся на: RS-триггеры, JK- триггеры, Т-триггеры, D-триггеры и др. Переключения триггера определяются по таблице переключений. RS-триггер имеет запрещенные комбинации входных сигналов. Определите, что произойдет при подаче на вход триггера этих сигналов. JK-триггер состоит из двух триггеров – триггера внутренней памяти и выходного триггера. Обратите внимание на его преимущество. Подумайте, как его превратить в Т-триггер. Литература: [1, с. 268 – 278; 2, с. 90 – 103]. Контрольные вопросы 1. Чем отличаются ЦИМС от АИМС? 2. В чем отличие последовательностных схем от комбинационных? 3. Какие типы логик Вы знаете? 4. В чем отличие синхронных схем от асинхронных? 5. Принцип действия схемы ТТЛ. 6. Что такое таблица истинности? 7. Назовите характеристики комбинационных ИМС и объясните их вид. 8. Что можно определить по характеристикам комбинационных схем? 9. Динамические свойства АИМС. 10. Основные виды триггеров. 11. Что такое таблица переключений? 12. Что будет с RS -триггером, если на его входы подать запрещенную комбинацию сигналов? 13. В чем преимущества синхронных схем перед асинхронными? 14. В чем преимущества JK-триггера по сравнению с RS-триггером? 15. Как превратить JK-триггер в T-триггер. 5. Вентильные преобразователи 5.1. Общая характеристика преобразователей Назначение и классификация вентильных преобразователей. Преобразователи, ведомые сетью, и автономные преобразователи. Методические указания Нужно знать назначение и виды преобразователей. Обратите внимание на отличие ведомых преобразователей от автономных. Литература: [1, с. 286 – 288; 3, с. 3 – 5]. Контрольные вопросы 1. Каково назначение преобразователей ? 2. Как классифицируются преобразователи ? 3. В чем отличие ведомых преобразователей от автономных? 5.2. Выпрямители Классификация. Структурная схема. Виды нагрузок. Методические указания Выпрямители классифицируются по ряду признаков: по числу фаз, по числу выпрямляемых полуволн, по построению схем, по мощности по возможностям управления. Обобщенная структурная схема выпрямителя, содержит сетевой фильтр, трансформатор, вентильный блок, сглаживающий фильтр, стабилизатор, нагрузку. Не все указанные блоки обязательно присутствуют в схеме. В зависимости от предъявляемых требований могут отсутствовать некоторые блоки. Ввиду сложности расчетов выпрямителей, анализ процессов в них в первом приближении выполняется при упрощающих допущениях об индуктивности нагрузки. Принимается, что, либо индуктивность в цепи выпрямленного тока , либо . Литература: [1, с. 289 – 291; 3, с. 6 – 8]. Контрольные вопросы 1. По каким признакам классифицируются выпрямители ? 2. Как изменяется структурная схема выпрямителей в зависимости от требований? 5.3. Неуправляемые выпрямители Однофазные схемы выпрямления. Однофазная однополупериодная схема. Учет неидеальности вентилей и трансформатора. Однофазная нулевая и мостовая схемы. Временные диаграммы. Основные соотношения в схемах. Многофазные схемы выпрямления. Трехфазная нулевая схема. Поток вынужденного намагничивания. Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом и вторичными обмотками, соединенными в зигзаг. Параллельная работа трехфазных нулевых схем. Схема две обратные звезды с уравнительным реактором. Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова). Составные схемы. Временные диаграммы и основные соотношения в схемах. Сравнение схем. Методические указания При изучении этого параграфа нужно обратить внимание на схемы, построение временных диаграмм и элементы расчета. Обратите внимание на особенности отдельных схем. Вид временных диаграмм зависит от схемы и характера нагрузки. Диаграммы строят при следующих допущениях: вентиль и трансформатор идеальны. Рассмотрим построение диаграмм напряжений и токов в однофазной нулевой схеме для случая . При построении диаграмм для вторичных ЭДС и выпрямленного напряжения потенциал нулевого вывода трансформатора принимают за 0. На вторичной стороне трансформатора действуют противофазные напряжения. Когда напряжение в точке a положительно по отношению к точке 0, то в точке b оно отрицательно. При этом проводит вентиль V 1, а V 2 заперт. Ток через нагрузку в соответствии с законом Ома повторяет форму напряжения на нагрузке. Когда один из вентилей проводит, к запертому прикладывается двойное напряжение. Если , то форма напряжения на нагрузке сохраняется. Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и гармоники, но, т.к. , то ток от гармоник равен нулю и строго постоянен. Поэтому токи через вентили и обмотки трансформаторов превращаются в прямоугольники. Расчет схем выпрямления позволяет установить связь между токами и напряжениями на стороне переменного и на стороне постоянного тока, определить ток и напряжение на вентиле, а также расчетную мощность трансформатора. Расчет схемы производится в несколько этапов: 1. Определение токов и напряжений на стороне нагрузки, 2. Определение токов и напряжений для вентиля, 3. Определение токов и напряжений для трансформатора. Вентили выбираются по среднему току, для трансформатора важно действующее значение, для нагрузки важно среднее значение тока и напряжения. Обратите внимание на сравнение схем выпрямления. В большинстве случаев в выпрямителях средней мощности применяется трехфазная мостовая схема. Рассчитав идеальный выпрямитель, нужно уметь учесть неидеальность вентилей и активные сопротивления обмоток трансформатора. Литература: [1, с. 291 – 312; 3, с. 8 – 32]. Контрольные вопросы 1. Назовите основные однофазные и трехфазные схемы выпрямления. 2. Назовите основные величины, используемые при описании работы выпрямителей. 3. Почему при xd = ¥ в токе нагрузки отсутствуют пульсации ? 4. Сравнить однофазные схемы выпрямления по основным показателям. 5. Что такое внешняя характеристика ? 6. Что такое поток вынужденного намагничивания и как он влияет на работу трансформатора? 7. Методы борьбы с потоком вынужденного намагничивания . 8. Сравнить многофазные схемы выпрямления по основным показателям . 9. Какова частота пульсаций в изучаемых схемах? 10. Сравните форму токов ia и для трехфазной нулевой схемы при xd = ¥ . Почему отличаются формулы для Ia и ? 11. Как строятся временные диаграммы токов и напряжений в изученных схемах? 12. Как изменятся временные диаграммы токов и напряжений в трехфазной нулевой схеме (при xd = 0), если сгорит предохранитель в цепи одного вентиля? 13. Как изменятся временные диаграммы токов и напряжений в трехфазной нулевой схеме (при xd = ¥ ), если сгорит предохранитель в цепи одного вентиля? 5.4. Управляемые выпрямители Понятие о режимах работы. Процессы и основные соотношения в управляемых выпрямителях. Регулировочные характеристики. Влияние анодных индуктивностей на коммутацию тока и внешние характеристики в непрерывном режиме. Влияние анодных индуктивностей на регулировочные характеристики в непрерывном режиме. Особенности работы выпрямителей на противо-ЭДС. Внешние и регулировочные характеристики в прерывистом режиме. Методические указания В зависимости от вида выпрямленного тока существует три режима: граничный, прерывистый и непрерывный . Угол управления измеряется от точки естественной коммутации (в которой начал бы проводить вентиль в неуправляемом выпрямителе) до момента подачи управляющего импульса и включения тиристора. Угол управления, при котором меняется режим, называется граничным. Обратите внимание на основные понятия: регулировочная характеристика, внешняя характеристика. Внешняя характеристика - это зависимость выпрямленного напряжения от выпрямленного тока при постоянном угле управления. Регулировочная характеристика - это зависимость выпрямленного напряжения от угла управления при постоянстве выпрямленного тока. Анодное активное сопротивление - это активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной стороне, а анодное индуктивное сопротивление - это индуктивное сопротивление рассеивания, приведенное ко вторичной стороне. Коммутация в вентилях осуществляется под действием линейной ЭДС. В период коммутации мгновенное значение выпрямленного напряжения падает и находится посредине между фазными ЭДС. Это нужно учитывать при построении временных диаграмм. В фазных напряжениях в моменты коммутаций также появляются провалы и выбросы. Все соотношения, полученные при активно-индуктивной нагрузке в непрерывном режиме, справедливы и для нагрузки с ПЭДС в непрерывном режиме. Очень важно усвоить, как влияют режим и параметры схемы на вид, положение, наклон характеристик. Литература: [1, с. 312 – 326; 3, с. 33 – 49]. Контрольные вопросы 1. Чем отличаются режимы работы выпрямителя? 2. Что такое угол управления a и как он определяется по осциллограмме? 3. Что такое регулировочная характеристика? 4. От чего зависит вид регулировочной характеристики? 5. Можно ли снять регулировочную характеристику на холостом ходу? Обоснуйте ответ. 6. Как изменяется соотношение между приведенным индуктивным сопротивлением рассеивания трансформатора и приведенным активным сопротивлением обмоток при изменении мощности трансформатора? 7. Что такое внешняя характеристика? 8. От каких параметров зависит положение и наклон внешней характеристики в непрерывном режиме? 9. От каких параметров зависит положение регулировочной характеристики в непрерывном режиме? 10. Как снимаются внешние и регулировочные характеристики выпрямителя? 11. Что такое граничный ток Idгр и граничный угол a гр ? 12. От чего зависят Id гр и a гр ? 13. Как определить экспериментально Id гр и aгр ? 14. Чем отличаются временные диаграммы (осциллограммы) выпрямленного напряжения ud и тока id в различных режимах при различных нагрузках. 15. Как изменятся временные диаграммы токов и напряжений в трехфазной нулевой схеме (при xd = 0), если сгорит предохранитель в цепи одного вентиля при a=45°? 16.Как изменятся временные диаграммы токов и напряжений в трехфазной нулевой схеме (при xd = ¥), если сгорит предохранитель в цепи одного вентиля при a=45°? 5.5. Инверторы, ведомые сетью Классификация инверторов. Назначение. Инверторы, ведомые сетью и электрической машиной. Понятие о направлении потока энергии. Переход от выпрямительного к инверторному режиму. Рекуперирующий преобразователь. Регулировочные и внешние характеристики. Ограничительная характеристика. Опрокидывание инвертора. Условия устойчивой работы инвертора. Методические указания Ведомые инверторы (ВИ) работают на сеть, в которой есть другие источники электроэнергии. Коммутация вентилей в них осуществляется за счет энергии этой сети. Частота на выходе ВИ равна частоте сети, а напряжение - напряжению сети. 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. Для того чтобы перейти из выпрямительного режима в инверторный нужно: привести во вращение ЭМ в другом направлении, подведя к ней механическую энергию и переведя ее в генераторный режим; увеличить угол управления (больше 90°), чтобы в основном использовать отрицательные участки полуволн напряжения сети и сделать среднее значение ЭДС инвертора отрицательным Внешние и регулировочные характеристики ведомого инвертора в режиме непрерывного тока являются как бы продолжением характеристик выпрямителя и подчиняются тем же закономерностям. - минимальный угол, предоставляемый на выключение, при котором инвертор может еще устойчиво работать. Ограничительная характеристика ограничивает область устойчивой работы ведомого инвертора. Литература: [1, с. 338 – 344; 3, с. 63 – 70]. Контрольные вопросы 1. Что такое ведомый инвертор? 2. Что такое однокомплектный рекуперирующий преобразователь? 3. Как изменяется направление потока мощности при переходе от выпрямительного к инверторному режиму? 4. Каков вид внешней и регулировочной характеристик ведомого инвертора в режиме непрерывного тока? 5. Что такое ограничительная характеристика? 6. Какие факторы и как влияют на наклон ограничительной характеристики? 7. Как снимается ограничительная характеристика? 8. Что такое опрокидывание инвертора? 9. Как выбирается угол ? 5.6. Реверсивные преобразователи Основные определения. Схемы реверсивных преобразователей. Регулировочные и внешние характеристики. Способы управления реверсивными преобразователями. Уравнительные тока при совместном управлении и способы их ограничения. Методические указания Чтобы изменять направление тока, реверсивный преобразователь содержит два комплекта вентилей. Наиболее перспективная и выгодная встречно-параллельная схема. Если комплекты проводят ток по очереди, то такое управление называется раздельным. При совместном управлении работают одновременно два комплекта один в выпрямительном режиме, другой в инверторном. Обратите внимание на преимущества и недостатки раздельного и совместного управления. Регулировочные и внешние характеристики реверсивного преобразователя аналогичны характеристикам однокомплектного рекуперирующего преобразователя. Имеются различные способы согласования. В реверсивном преобразователе вводится угол amax , который выбирается из условий инвертирования, чтобы не произошло опрокидывание инвертора. Чтобы произвести реверс двигателя, необходимо в начале произвести рекуперативное торможение, при этом двигатель переходит в генераторный режим, напряжение мгновенно изменяться не может, а ток проходит через 2-й комплект, работающий в инверторном режиме. В выпрямительном режиме вводится угол amin из условий предотвращения опрокидывания инвертора. Изучите способы ограничения уравнительного тока при совместном управлении. Литература: [1, с. 345 – 350; 3, с. 71 – 78]. Контрольные вопросы 1. Почему в реверсивном преобразователе предусматривается два комплекта вентилей? 2. В чем отличие совместного и раздельного управления? 3. Какие отличительные признаки силовых схем при раздельном и совместном управлении? 4. Как располагаются внешние характеристики комплектов вентилей при различных способах согласования? 5. Каков вид регулировочных характеристик реверсивного преобразователя? 6. Почему применяют нелинейное согласование характеристик? 7. Для чего вводится ограничение в регулировочной характеристике преобразователя? 5.7. Системы управления преобразователей (СУП) Назначение, функциональные схемы и требования, предъявляемые к СУП. Способы управления фазой управляющего импульса. Регулировочные характеристики фазосдвигающих устройств (ФУ) и преобразователей с различными формами опорных напряжений. Многоканальные СУП. Одноканальные СУП. Понятие о цифровых СУП. Особенности систем управления реверсивных преобразователей. Пример выполнения СУП. Переходные процессы в реверсивных преобразователях при различных видах нагрузки. Методические указания Уделите основное внимание СУП ведомых преобразователей. Требования, предъявляемые к СУ, определяются рядом факторов: физическими процессами в приборах, особенностями самой схемы, особенностями нагрузки. Требования: 1) достаточная амплитуда управляющего импульса, выбираемая для тиристора по диаграмме управления; 2) крутизна управляющих импульсов не менее 0.5-1 А/мкс; 3) достаточная длительность управляющих импульсов: а) с точки зрения физики работы тиристора – 20 мкс, б) исходя из особенностей 3-хфазной мостовой схемы, длительность импульсов более 60° или нужно применять сдвоенные импульсы, в) исходя из особенностей активно-индуктивной нагрузки с большой индуктивностью, необходимо применять длинные импульсы; 4) требуемый диапазон регулирования в зависимости от назначения преобразователя; 5) быстродействие, чтобы за время 3..6 мс в полном диапазоне сдвинулся управляющий импульс; 6) допустимая несимметрия управляющих импульсов меньше 1°. В СУП ведомых преобразователей чаще всего применяется вертикальное управление . Опорное напряжение может быть либо косинусоидальное, либо пилообразное. Рассмотрите три вида регулировочных характеристик: регулировочная характеристика системы управления, регулировочная характеристика преобразователя, регулировочная характеристика преобразователя вместе с системой управления. Нужно изучить эти характеристики при различной форме опорного напряжения. Для того, чтобы сместить регулировочную характеристику применяют напряжение смещения. Особое внимание уделите системам управления и регулировочным характеристикам реверсивных преобразователей при раздельном управлении. Из-за перехода в прерывистый режим при a0 =90° и U упр =0 двигатель не останавливается. Следовательно. Чтобы обеспечить остановку двигателя при U упр =0, a0 нужно сделать больше, 90°. Поэтому, регулировочная характеристика преобразователя вместе с системой управления имеет вид типа «люфт», если происходит переход в прерывистый режим, или типа «гистерезис», если режим непрерывен. Литература: [1, с. 351 – 370; 3, с. 79 – 100]. Контрольные вопросы 1. Из каких блоков состоит система управления преобразователя (СУП)? 2. Обоснуйте требования предъявляемые к СУП . 3. Что такое СИФУ? 4. В какой момент и почему появляется импульс на выходе СИФУ? 5. Чем определена частота импульсов на выходе СИФУ? 6. От чего зависит вид регулировочных характеристик СУ и преобразователя вместе с СУ? 7. Как влияет на вид регулировочных характеристик введение напряжения смещения? 8. Каков вид регулировочных характеристик реверсивного преобразователя при различных формах опорных напряжениях СУ и различных способах согласования? 9. Почему применяют нелинейное согласование характеристик? 10. Почему при раздельном управлении при Uвх = 0 угол управления должен быть больше 90 ° ? 11. Для чего вводятся ограничения в регулировочной характеристике системы управления и в регулировочной характеристике всего преобразователя вместе с системой управления? 5.8. Влияние вентильных преобразователей на питающую и приемную сеть, и пути повышения коэффициента мощности Энергетические характеристики выпрямителей и качество выпрямленного напряжения. КПД. Гармонические составляющие в кривой выпрямленного напряжения и первичного тока. Пульсации. Коэффициент несинусоидальности тока, коэффициент мощности, cos . Условно 12-фазные схемы. Схемы с переключением отпаек и обмоток трансформатора. Понятие о схемах с искусственной коммутацией и опережающим углом сдвига. Фильтрокомпенсирующие устройства для уменьшения вредного влияния преобразователей на сеть. Улучшение качества выпрямленного напряжения. Сглаживающие фильтры. Назначение. Емкостной фильтр. Индуктивный фильтр. Г-образный фильтр. Многозвенные фильтры. Методические указания Обратите особое внимание на этот важный материал. Энергетические показатели выпрямителя – это коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент мощности , коэффициент несинусоидальности тока и cos j . Качество выпрямленного напряжения характеризует коэффициент пульсаций. Преимущества полупроводниковых выпрямителей: высокий КПД и малая зависимость КПД от нагрузки. С точки зрения улучшения качества выпрямленного напряжения увеличение пульсности выгодно, т.к. увеличивается частота пульсаций и уменьшается их амплитуда. Коэффициент пульсаций резко растет с увеличением угла управления α Выпрямители генерируют высшие гармоники и посылают их в сеть. Чем выше пульсность, тем выше частота и меньше амплитуда гармоник, генерируемых в сеть, тем легче с ними бороться. Гармоники первичного тока искажают напряжение сети. Чем выше внутреннее сопротивление сети, тем сильнее искажения. Напряжение в сети становится несинусоидальным. Недостатки полупроводниковых выпрямителей: уменьшение , коэффициента мощности и ухудшение качества выпрямленного напряжения с ростом глубины регулирования; генерация высших гармоник, ухудшающих качество напряжения в сети. Снижение содержания гармоник в первичном токе и в выпрямленном напряжении возможно за счет применения условно двенадцатифазной схемы. Изучите принципы работы схем, повышающих коэффициент мощности. Фильтры включаются на входе и на выходе преобразователей. Входные фильтры служат для уменьшения вредного влияния преобразователей на питающую сеть. Выходные фильтры улучшают форму выходного напряжения. Сглаживающие фильтры бывают е мкостные, индуктивные, Г-образные и др. Обратите внимание на их области применения, преимущества и недостатки. Литература: [1, с. 327 – 337, 481 – 485; 2, с. 50 – 62; 4, с.133 – 137]. Контрольные вопросы 1. Что такое КПД, и как он определяется в выпрямителях? 2. Как и почему зависит КПД выпрямителя от нагрузки? 3. Что такое коэффициент мощности и к чему приводит его уменьшение? 4. Что такое коэффициент пульсаций, и от чего зависит его величина? 5. От чего зависит частота основной гармоники пульсаций? 6. От чего зависит cos выпрямителя? 7. Каковы пути улучшения cos выпрямителя? 8. Каковы пути улучшения коэффициента пульсаций? 9. Поясните преимущества условно 12-фазной схемы. 10. Поясните принципы действия известных Вам сглаживающих фильтров. 11. Обоснуйте области применения индуктивного и емкостного фильтров. 12. Каково назначение фильтро-компенсирующих устройств? 5.9. Преобразователи постоянного напряжения (ППН) Классификация. Непосредственные преобразователи. ППН на транзисторах и тиристорах. Реверсивные ППН при симметричном и несимметричном управлении и различных видах нагрузки. Двухзвенные ППН. Методические указания Преобразователи постоянного напряжения (ППН) предназначены для преобразования постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня с высоким КПД. Иногда их называют конверторами. Они служат для питания нагрузки постоянным напряжением, отличающимся по величине от напряжения источника. ППН делятся по построению на двухзвенные ППН и непосредственные ППН, выполненные на основе прерывателей с применением ШИМ. Непосредственные ППН могут быть понижающими, повышающими и инвертирующими. В электроприводах применяют реверсивные ППН, позволяющие менять не только величину, но и знак напряжения на нагрузке. Если транзисторы комплекта включаются и выключаются одновременно, то такой способ управления называется симметричным . При этом всегда проводят либо два, либо ни один транзистор. Если выключение происходит не одновременно, то такое управление называется несимметричным . При несимметричном управлении все время проводят либо один, либо два транзистора. При изучении этого материала обратите внимание на принципы действия, регулировочные и внешние характеристики ППН. Литература: [1, с. 371 – 401; 4, с. 4 – 39]. Контрольные вопросы 1. Какие виды ППН Вы знаете? 2. Поясните преимущества и недостатки непосредственных ППН. 3. Сравните симметричное и несимметричное управление реверсивными ППН. 4. Как происходит переход к торможению при симметричном управлении? 5. Как происходит переход к торможению при несимметричном управлении? 6. От чего зависит наклон внешних характеристик? 7. Что такое регулировочная характеристика преобразователя постоянного напряжения? 8. В чем состоят преимущества двухзвенных ППН? 5.10. Автономные инверторы (АИ) Классификация и принципы построения. АИ тока, напряжения и резонансные. Сравнение АИ. Автономные инверторы с одноступенчатой коммутацией. Параллельный автономный инвертор тока (АИТ). Пути улучшения характеристик АИТ. Автономный инвертор напряжения (АИН). Резонансный АИ. АИН с двухступенчатой коммутацией. Трехфазный мостовой АИН на транзисторах. Способы регулирования напряжения в АИН. АИН с широтно-импульсной модуляцией. Методы расчета АИ. Методические указания В настоящее время в связи с развитием электропривода переменного тока автономные инверторы приобретают особую актуальность. Автономные инверторы (АИ) - это, преобразователи постоянного тока в переменный, 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. Автономные инверторы (АИ) классифицируются по ряду признаков. 1. По виду входного тока или напряжения АИ делятся на: а) автономные инверторы тока (АИТ) . На входе АИТ действует источник тока, образованный источником ЭДС и большой индуктивностью, форма тока на выходе вентильной группы прямоугольная, а форма напряжения определяется характером нагрузки; б) автономные инверторы напряжения (АИН). На входе АИН действует источник ЭДС, напряжение на выходе вентильной группы прямоугольное, а форма тока определяется характером нагрузки; в) резонансные (колебательные) автономные инверторы (РАИ). РАИ - это инвертор, на входе и на выходе вентильной группы которого ток прерывистый, а форма напряжения на выходе определяется нагрузкой. 2.По применяемым вентилям АИ делятся на: а) АИ на вентилях с неполным управлением (обычных тиристорах); б) АИ на вентилях с полным управлением (транзисторах и запираемых тиристорах). 3.По способу коммутации АИ на незапираемых тиристорах делятся на: а) АИ с одноступенчатой коммутацией; б) АИ с двухступенчатой коммутацией. 4. По месту включения коммутирующего конденсатора АИ с одноступенчатой коммутацией делятся на: а) параллельные АИ; б) последовательные АИ. Обратите особое внимание на принципы построения, временные диаграммы, методы расчета и характеристики АИТ и АИН. Недостаток АИТ ‑ плохая внешняя характеристика. Существует много схем АИН. Однако, наибольшее применение в электроприводе переменного тока получила трехфазная мостовая схема на полностью управляемых (транзисторах или запираемых тиристорах) вентилях. В этой схеме управляемые вентили могут работать с длительностью открытого состояния = 120о и = 180о. При угле проводимости вентилей = 180о обеспечивается непрерывная связь фаз нагрузки с источником питания и лучшая форма напряжений на выходе, независимая от параметров нагрузки. Это обусловило более широкое применение такого управления. Регулирование напряжения на выходе АИН может осуществляться с помощью импульсной модуляции. Из импульсных методов регулирования выходного напряжения наибольшее распространение получила широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Частота модуляции должна быть хотя бы на порядок выше, чем наибольшая частота выходного напряжения. При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) одновременно обеспечивается регулирование напряжения на выходе АИН и изменение его по синусоидальному закону. АИН на IGBT транзисторах в настоящее время являются наиболее перспективным видом АИ. Литература: [1, с. 402 – 441; 4, с. 40 – 88]. Контрольные вопросы 1. В чем отличие ведомого и автономного инвертора? 2. По каким схемам могут выполняться автономные инверторы? 3. По каким признакам классифицируются автономные инверторы? Чем отличается автономный инвертор напряжения от автономного инвертора тока? 4. От каких параметров и как зависит время td в автономных инверторах тока и напряжения? 5. Объясните вид внешних характеристик автономных инверторов тока и напряжения. 6. Как зависит напряжение на выходе автономных инверторов тока и напряжения от частоты? 7. Каково назначение элементов Cк, Ld в тиристорных автономных инверторах тока и напряжения? 8. Как снимаются внешние характеристики автономных инверторов? 9. Как изменить частоту выходного напряжения автономного инвертора? 10. Зачем в инверторах напряжения включаются обратные диоды? 11. Почему выходное напряжение в инверторе тока может быть больше, чем входное? 12. Что такое опрокидывание инвертора и каковы его причины? 13. Как прервать аварийный ток при опрокидывании инвертора? 14. Какими элементами отличаются автономные инверторы напряжения, выполненные на полностью и неполностью управляемых вентилях? 15. Какой аварийный режим возникает при сбросе нагрузки до холостого хода в автономном инверторе тока? 5.11. Управляемые выпрямители напряжения (активные выпрямители). Обратимые преобразователи напряжения (ОПН) . Управляемые выпрямители тока и управляемые выпрямители напряжения. Схемы. Обратимые преобразователи напряжения Анализ процессов в обратимых преобразователях напряжения. Энергетические показатели ОПН. Схемы управления ОПН. Методические указания Все существующие управляемые выпрямители можно разделить на управляемые выпрямители тока и управляемые выпрямители напряжения. Изученные ранее классические тиристорные выпрямители являются управляемыми выпрямителями тока. В них ток на выходе может протекать только в одном направлении, а напряжение может менять знак. Управляемые выпрямители напряжения выдают на выходе напряжение одной полярности, а ток в них может менять направление. Они выполняются на вентилях, которые могут проводить ток в обоих направлениях. Такими вентилями являются транзисторы (или запираемые тиристоры) со встречно-параллельно включенными диодами. Обычно они выполняются в виде диодно-транзисторных модулей. В качестве транзисторов чаще всего используются IGBT-транзисторы. На стороне переменного напряжения управляемого выпрямителя напряжения обязательно должна быть индуктивность, а на стороне постоянного – ёмкость. Управляемый выпрямитель напряжения и автономный инвертор напряжения являются обратимыми преобразователями напряжения. Иными словами обратимый преобразователь напряжения (ОПН) может работать в выпрямительном и инверторном режиме, передавая энергию из сети переменного тока в цепь постоянного и обратно, то есть, меняя направление потока мощности. При этом изменяется направление тока при неизменной полярности напряжения. Обратите внимание на то, что в однокомплектном рекуперирующем тиристорном преобразователе, работающем в выпрямительном и инверторном режиме, также обеспечивается изменение направления потока мощности. Но при этом изменяется полярность напряжения при неизменном направлении тока. ОПН позволяет существенно повышать постоянное напряжение при выпрямлении, а также существенно понижать переменное напряжение при инвертировании. Литература: [1, с. 442 – 461; 4, с. 89 – 111]. Контрольные вопросы 1. В каких пределах изменяется напряжение на выходе управляемого выпрямителя напряжения и управляемого выпрямителя тока? 2. Какие допущения принимаются при анализе ОПН? 3. Как происходит переход от выпрямительного режима к инверторному при релейном регулировании? 4. Как происходит переход от выпрямительного режима к инверторному при ШИМ? 5. Преимущества ОПН. 5.12. Преобразователи частоты (ПЧ) Классификация. Двухзвенные ПЧ. Рекуперация в ПЧ. Двухзвенный ПЧ с обратимым рекуперирующим преобразователем напряжения на входе. Непосредственные ПЧ (НПЧ). Принцип действия НПЧ. Законы управления выходным напряжением. Расчет НПЧ. Сравнение ПЧ. Методические указания Преобразователи частоты сейчас особенно актуальны в связи с развитием электропривода переменного тока. Преобразователи частоты для частотно-регулируемых электроприводов преобразуют электроэнергию, поступающую из сети переменного тока, в электроэнергию с меняющейся по заданным законам частотой и напряжением. Преобразователи частоты по построению могут быть разбиты на 2 типа: двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ) и непосредственные преобразователи частоты (НПЧ). ДПЧ позволяют получить на выходе частоты как меньшие, так и большие входных. Регулирование напряжения на выходе ПЧ на основе АИН может осуществляться, как с помощью управляемого выпрямителя, так и с помощью АИН с импульсной модуляцией. Динамическое торможение обеспечивается путем включения параллельно конденсатору фильтра цепи, содержащей тормозной резистор и транзистор. При торможении асинхронного двигателя снижается его скорость и генерируемое им напряжение. Передача энергии в цепь постоянного тока к конденсатору, имеющему более высокое напряжение, осуществляется за счет перехода АИН в режим выпрямителя напряжения с ШИМ (обращенного АИН), позволяющего повышать напряжение на выходе. Эта схема целесообразна при редких торможениях. При частых торможениях целесообразна установка в качестве первого звена обратимого рекуперирующего преобразователя напряжения с ШИМ. Так реализуется симметричный рекуперирующий ДПЧ на основе АИН . Этот преобразователь является самым идеальным на сегодняшний день для электроприводов с частыми торможениями. Рекуперация энергии при торможении в ДПЧ на базе АИТ возможна при сохранении направления тока переводом АИТ в режим выпрямления, а управляемого выпрямителя на входе в режим инвертирования. Каждая фаза НПЧ выполняется на основе реверсивного двухкомплектного преобразователя с раздельным или совместным управлением комплектами. Возможны два закона управления прямоугольный и синусоидальный. Преимущества НПЧ – однократное преобразование энергии, позволяющее получить более высокий КПД, однотипность применяемых вентилей. Недостатки НПЧ низкая предельная частота, низкий коэффициент мощности. Литература: [1, с. 462 – 475; 4, с. 112 – 126]. Контрольные вопросы 1. Сравните двухзвенный и непосредственный преобразователи частоты. 2. Что такое регулировочная (частотная) характеристика преобразователя частоты? 3. Какой вид и почему имеет регулировочная (частотная) характеристика преобразователя частоты для электропривода? 4. Как снять внешнюю характеристику? 5. Как снять регулировочную (частотную) характеристику? 6. Как определить КПД АИН? 7. Как определить КПД преобразователя частоты? 8. Как выглядит внешняя характеристика первого звена двухзвенного преобразователя частоты? 9. Назначение элементов силовой схемы преобразователя частоты. 5.13. Преобразователи переменного напряжения Классификация. Принципы построения. Законы управления выходным напряжением. Сравнение. Методические указания Преобразователи переменного напряжения (регуляторы переменного напряжения) предназначены для изменения величины переменного напряжения. Обратите внимание на законы управления и энергетические показатели . Усвойте область применения преобразователей переменного напряжения в электроприводе. Литература: [1, с. 476 – 480; 4, с. 127 – 132]. Контрольные вопросы 1. Классификация преобразователей переменного напряжения и способов их управления. 2. Принцип действия преобразователя при фазовом и широтно-импульсном управлении. 3. Сравните способы регулирования переменного напряжения по энергетическим показателям? 4. Укажите область применения фазового регулирования в электроприводе. 5.14. Стабилизаторы напряжения и тока Основные параметры. Параметрические стабилизаторы. Непрерывные стабилизаторы. Импульсные стабилизаторы. Стабилизаторы в интегральном исполнении. Непрерывные стабилизаторы. Методические указания Основные статические параметры стабилизатора напряжения – коэффициент стабилизации и выходное сопротивление. Стабилизаторы делятся на: параметрические и компенсационные. Компенсационные стабилизаторы по способу регулирования напряжения делятся на: непрерывные и импульсные . Преимущества импульсного стабилизатора: меньшие потери, а, следовательно, более высокий КПД и меньшие габариты. Преимущества непрерывного стабилизатора: выше качество стабилизации, меньше пульсации. Литература: [1, с. 485 – 487; 4, с. 138 – 141]. Контрольные вопросы 1. Из каких элементов состоит импульсный и непрерывный стабилизаторы постоянного напряжения? Назначение элементов. 2. Сравните ключевой и линейный режимы работы транзистора. 3. Преимущества и недостатки импульсных и непрерывных стабилизаторов. 4. До какого предела можно уменьшать напряжение источника питания, чтобы напряжение на выходе понижающего стабилизатора еще могло оставаться стабильным? 5. Как определить КПД стабилизатора? 5.15. Источники вторичного электропитания (ИВЭП) для систем управления и автоматики Требования, предъявляемые к ИВЭП. Принципы построения ИВЭП. Бестрансформаторные источники питания. Методические указания Источники вторичного питания преобразуют переменное или постоянное напряжение от первичных источников в переменное или постоянное напряжение для вторичных. ИВЭП бывают двух типов: бестрансформаторные источники питания и централизованные стабилизаторы постоянного напряжения. В них используются регулируемые автономные инверторы напряжения малой мощности. Обратите внимание на особенности этих преобразователей. Литература: [1, с. 487 – 494; 4, с. 142 – 151]. Контрольные вопросы 1. Каково назначение ИВЭП? 2. Опишите варианты структурных схем бестрансформаторных источников питания. 3. Какие особенности схем автономных инверторов, применяемых в ИВЭП? 4. Что такое ККМ? ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ ФОЭ 1. Исследование биполярного (полевого) транзистора и транзисторного усилительного каскада. (Работа № 2 или3) 2. Исследование тиристоров, симисторов, запираемых тиристоров, управляемых выпрямителей и преобразователей переменного напряжения. (Работа № 4). ПТ 1. Исследование схем трехфазных управляемых выпрямителей. (Работа № 3). 2. Исследование однокомплектного рекуперирующего преобразователя в режимах выпрямителя и ведомого инвертора. (Работа № 5). 3. Исследование автономного инвертора напряжения. (Работа № 8). 4. Исследование двухзвенного преобразователя частоты. (Работа № 9). Продолжительность каждого лабораторного занятия – 4 часа. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И Задания состоят из предварительных расчетов к лабораторным работам и ответов на контрольные вопросы. Студенты для проведения лабораторных работ объединяются в бригады. Номера лабораторных работ и номера вариантов заданий (номера бригад) выдаются преподавателем. Каждый вариант содержит три подварианта: А, Б, В. Подварианты присваиваются членам одной бригады (одного варианта). Таблицы вариантов лабораторных работ приведены в конце каждой работы в учебных пособиях [7, 8]. Ответы на вопросы должны содержать необходимые рисунки, быть краткими и конкретными, написаны разборчиво или напечатаны. Контрольное задание №1 1. Выполнить предварительные расчеты к лабораторным работам по указанию преподавателя. 2. Ответить на контрольные вопросы, указанные в таблице. Номера в таблице расшифровываются следующим образом: 3.2.5 – тема 3.2, вопрос 5 или 4.5 соответственно тема 4, вопрос 5. Таблица 1 Номер варианта Подвариант А Б В 1 2 3 4 1 1.1, 2.5.2, 4.9 2.2.1, 3.1.1, 4.4 2.2.8, 4.1, 3.4.1 2 1.2, 2.5.3, 4.10 2.2.10, 3.1.2, 4.6 2.1.5, 4.2, 3.4.2 3 2.2.9, 2.5.4, 4.11 2.3.2, 3.1.3, 4.5 2.3.6, 3.4.1, 3.3.5 4 2.2.7, 2.5.5, 4.12 2.3.1, 3.1.4, 4.4 2.3.7, 3.4.2, 4.3 5 2.2.6, 3.4.3, 4.15 2.3.3, 2.5.6, 3.4.8 2.3.5, 3.1.5, 4.4 6 2.2.3, 3.4.4, 4.13 2.3.9, 2.5.7, 3.4.9 2.3.8, 3.1.6, 4.5 7 2.2.2, 3.4.5, 4.14 2.2.5, 2.5.8, 3.4.10 2.3.16, 3.1.7, 4.6 8 2.1.11, 3.4.6, 4.7 2.3.12, 2.5.9, 3.3.5 2.4.6, 3.1.8, 4.7 9 2.1.10, 3.4.7, 4.10 2.3.15, 4.3, 3.3.3 2.2.4, 3.2.1, 4.8 10 2.1.4, 3.4.8, 4.11 2.3.10, 4.4, 3.3.4 2.3.14, 3.2.2, 4.9 11 2.1.8, 3.4.9, 2.7.5 2.3.4, 4.5, 3.3.2 2.4.7, 3.2.3, 4.10 12 2.1.3, 3.3.3, 2.7.2 2.4.2, 4.8, 3.1.6 2.4.9,2.7.4, 3.4.8 13 2.1.3, 3.3.3, 2.7.2 2.4.2, 4.8, 3.1.6 2.4.9,2.7.4, 3.4.8 14 2.1.6, 3.3.2, 2.7.3 2.4.1, 4.7, 3.4.5 2.4.8, 2.7.5, 3.4.7 15 2.1.2, 3.3.4, 2.7.1 2.4.3, 3.2.5, 4.1 2.4.10, 2.7.3, 3.4.6 16 2.1.1, 3.3.5, 4.5 2.4.5,2.6.1, 4.2 2.5.1, 2.7.2, 3.4.7 17 1.3, 3.3.6, 2.3.5 2.1.6, 2.6.2, 4.3 2.1.4, 2.7.1, 4.1 Контрольное задание №2 1. Выполнить предварительные расчеты к лабораторным работам по указанию преподавателя. 2. Ответить на контрольные вопросы, указанные в таблице. Таблица 2 Номер варианта Подвариант А Б В 1 2 3 4 1 5.1.1, 5.6.7, 5.12.3 5.4.16, 5.8.6, 5.6.1 5.5.1, 5.9.10, 5.3.1 2 5.2.1, 5.7.1, 5.12.4 5.1.2, 5.8.7, 5.6.2 5.5.2, 5.9.12, 5.3.2 3 5.3.1, 5.7.2, 5.12.5 5.4.15, 5.8.8, 5.6.3 5.1.3, 5.9.12, 5.3.3 4 5.2.2, 5.7.3, 5.12.6 5.4.14, 5.8.9, 5.6.4 5.5.3, 5.9.12, 5.3.4 5 5.3.2, 5.7.4, 5.12.7 5.4.13, 5.8.9, 5.6.5 5.5.4, 5.9.12, 5.3.5 6 5.3.3, 5.7.5, 5.12.8 5.4.12, 5.8.12, 5.6.6 5.5.5, 5.9.15, 5.3.6 7 5.3.4, 5.7.6, 5.11.9 5.4.11, 5.8.12, 5.6.7 5.5.6, 5.10.16, 5.3.7 8 5.3.5, 5.7.7, 5.12.1 5.4.10, 5.10.1, 5.8.1 5.5.7, 5.9.1, 5.3.8 9 5.3.6, 5.7.8, 5.12.2 5.4.9, 5.10.2, 5.8.2 5.5.8, 5.9.2, 5.3.9 10 5.3.7, 5.7.9, 5.12.3 5.4.8, 5.10.3, 5.8.3 5.5.9, 5.9.3, 5.8.1 11 5.3.7, 5.7.10,5.12.4 5.4.7, 5.10.3, 5.8.4 5.5.1, 5.9.4, 5.8.2 12 5.3.8, 5.7.11, 5.4.16 5.4.6, 5.10.4, 5.8.5 5.6.1, 5.9.5, 5.8.3 13 5.3.9, 5.8.1, 5.5.7 5.4.5, 5.10.5, 5.8.6 5.6.2, 5.9.6, 5.8.4 14 5.3.10, 5.8.2, 5.4.15 5.4.4, 5.10.6, 5.8.7 5.6.3, 5.9.7, 5.8.5 15 5.3.11, 5.8.3, 5.4.14 5.4.3, 5.10.7, 5.8.8 5.6.4, 5.9.8, 5.8.6 16 5.3.12, 5.8.4, 5.4.13 5.4.2, 5.10.8, 5.8.10 5.6.5, 5.11.1, 5.8.7 17 5.3.13, 5.8.5, 5.4.12 5.4.1, 5.10.9, 5.8.9 5.6.6, 5.11.2, 5.8.8 Тема курсовой работы: «Проектирование тиристорного преобразователя для электропривода постоянного тока». Работа выполняется с помощью учебного пособия [6]. Студент должен спроектировать двухкомплектный реверсивный преобразователь. Номер варианта курсовой работы указывается преподавателем. Программа для расчета характеристик преобразователя имеется на вычислительном центре кафедры и может быть предоставлена на дискете. После выполнения работы до защиты по индивидуальному заданию, выданному преподавателем, студент выполняет исследование характеристик преобразователя [6, п.10.13]. ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Электротехника: Учебное пособие для вузов. – В 3-х книгах. Книга 2. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления./ Под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. – 711с. 2. Гельман М.В. Преобразовательная техника. Часть 1. Полупроводниковые приборы и элементы микроэлектроники: Учебное пособие. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2000. – 106 с. 3. Гельман М.В. Преобразовательная техника. Часть 2. Учебное пособие. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2002. – 104 с. 4. Гельман М.В. Преобразовательная техника. Часть 3. Учебное пособие. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2004. – 155 с. 5. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М. Энергоиздат, 1988, 320 с. 6. Гельман М.В. Проектирование тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока. Учебное пособие. Челябинск. Изд. ЧГТУ, 1996, 91 с. 7. Гельман М.В Физические основы электроники. Учебное пособие к лабораторным работам./ М.В. Гельман, М.М. Дудкин, Н.М. Сапрунова, О.Г. Терещина. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – 96с. 8. Гельман М.В. Преобразовательная техника. Учебное пособие к лабораторным работам./ М.В. Гельман, М.М. Дудкин, О.Г. Терещина, Н.М. Сапрунова. – Электронное издание, 2007. 9. Гельман М.В.,. Преобразовательная техника. Учебное пособие к виртуальным лабораторным работам. – Электронное издание, 2007. 9. Зиновьев Г.С.Основы силовой электроники. Учебное пособие.– Новосибирск: Изд. НГТУ, 2004. – 672 с. Дополнительная 10. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. М. “Высшая школа”, 1980, 423 с. 11. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. – М.: Техносфера, 2005. – 632 с. 12. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи.: семейства, характеристики, применение. – М.:Изд. Дом Додэка-ХХI, 2001. – 384 с. ОГЛАВЛЕНИЕ Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Программа, методические указания и контрольные вопросы . . . .4 Лабораторные занятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 Контрольные задания и . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41