Методические указания к лабораторной работе №1 Дисц. «Энергетическая электроника» (стр. 1 из 4)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра электрических станций
НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Методические указания
к лабораторной работе № 1
Дисц. «Энергетическая электроника»
Для спец. 10.01, 5 курс д/о
Киров 2000
УДК 621.311.2
Составитель : Ст. преподаватель Н.В. Петров,
каф. «Электрические станции»
Рецензент : ст. преподаватель А.В. Вычегжанин,
каф. «Электроэнергетические системы»
Подписано в печать Усл. печ. л 1,0
Бумага типографская Печать матричная
Заказ № Тираж 37 Бесплатно
Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного автором
610000, Киров, ул. Московская , 36
Изготовление обложки, изготовление ПРИП
Ó Вятский государственный технический университет, 2000
Права на данное издание принадлежат Вятскому
государственному техническому университету
1. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1.1 Изучить принцип действия и назначение неуправляемых выпрямительных устройств.
1.2 Усвоить требования, предъявляемые к схемам выпрямления переменного тока.
1.3 Ознакомиться с методикой расчета и характеристиками схем однофазных выпрямителей.
1.4 Закрепить полученные знания о выпрямительных устройствах, выполнив лабораторную работу.
2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1 ВИДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передается потребителям главным образом в виде переменного (трехфазного) тока промышленной частоты (50 Гц). Однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых трехфазный ток частоты 50 Гц не годится.
Вопросами, связанными с преобразованием одного вида электрической энергии в другой, занимается область науки и техники, получившая название преобразовательной техники. Существует большое количество видов преобразования электрической энергии, из которых важнейшими являются следующие:
а) Выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный ток. Этот вид преобразования получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические электролизные ванны, сварочные, устройства, заряд аккумуляторных батарей, радиотехническая аппаратура и т. д.), другие же потребители (электропривод, системы электрической тяги, линии передачи электрической энергии очень высокого напряжения) имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном токе;
б) Инвертирование тока - преобразование постоянного тока в переменный. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (аккумуляторные батареи, фотогенераторы, магнитогидродинамические генераторы и т. д.). В ряде случаев инвертирование тока необходимо при других видах преобразования электрической энергии (преобразование частоты, преобразование числа фаз);
в) Преобразование частоты. Обычно переменный ток частоты 50 Гц преобразуется в переменный ток непромышленной частоты. Такое преобразование необходимо для питания регулируемых электроприводов переменного тока, установок индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковых устройств и т. д.;
г) Преобразование числа фаз. Встречается необходимость в преобразовании трехфазного тока в однофазный (для питания мощных дуговых электропечей) или, наоборот, однофазного в трехфазный. Так, например, на электрифицированном транспорте имеется контактная сеть однофазного переменного тока, а на электровозах используются для вспомогательной цепи электрические машины трехфазного тока. В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной связью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное;
д) Преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (трансформирование постоянного тока). Подобное преобразование необходимо на ряде подвижных объектов, где источником питания является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а потребители требуют для питания постоянный ток более высокого напряжения (например, для питания радиотехнической или электронной аппаратуры). Существуют также и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формы кривой переменного напряжения). Однако эти преобразования применяются лишь в специальных установках и не нашли широкого применения.
2.2 ТИПЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕНТИЛЕЙ
Диоды имеют простейшую полупроводниковую структуру с единственным переходом, причем в силовой электронике применяются в основном высокочастотные и импульсные диоды с малыми временами переходных процессов выключения. В настоящее время в преобразовательной технике электромашинные и контактные преобразователи почти полностью вытеснены более надежными и экономичными статическими преобразователями. В статических преобразователях основным элементом является электрический вентиль. Вентилем называется элемент электрической цепи, обладающий односторонней (идеальный вентиль) или преимущественно односторонней (реальный вентиль) проводимостью. Различают следующие три типа вентилей:
а) электронные или высоковакуумные (ламповые);
б) ионные (ртутные);
в) полупроводниковые (селеновые Se, германиевые Ge, кремниевые Si, арсенид-галлиевые As-Ga).
2.3 Кремниевые вентили
В настоящее время кремниевые вентили получили очень широкое распространение из-за ряда существенных преимуществ по сравнению с другими типами полупроводниковых диодов. К этим преимуществам относятся:
1) высокая допустимая температура окружающей среды;
2) значительные допускаемые обратные напряжения;
3) незначительные обратные токи – на несколько порядков меньшие, чем у германиевых вентилей;
4) высокие значения допустимых плотностей тока на p-n-переходе - 60-80 А/см2.
Кремниевые вентили выпускаются на токи от сотен миллиампер до сотен ампер. У кремниевого вентиля исходным материалом служит обычно кремний n-типа. Слой p-типа создается в нем введением акцепторных примесей (алюминий или бор) путем сплавления или диффузии на глубину, примерно равную 0,1—0,15 мм. Полученный p-n-переход помещается в герметичный металлический или металлокерамический корпус. Разрез кремниевого вентиля на большие токи (свыше10 А) показан на рисунке 1.
а) б) в)
Рисунок 1 — Диод ВК2-200: а) конструктивный разрез; б) с радиатором воздушного охлаждения; в) диод ВК2В-350 с водяным охлаждением
Исходный монокристалл кремния 1 представляет собой диск диаметром от 10 до 20 – 25 мм и толщиной 0,35 – 0,4 мм. Кристалл кремния такой небольшой толщины механически непрочен, поэтому во избежание деформаций и трещин при колебаниях рабочей температуры к кристаллическому диску припаиваются снизу и сверху никелированные вольфрамовые или молибденовые пластинки 2, температурный коэффициент расширения которых близок к коэффициенту расширения кремния. Эти пластинки называются термокомпенсирующими. Через нижнюю термокомпенсирующую пластинку вентильный элемент припаивается к медному основанию корпуса 3, которое имеет винт для крепления к радиатору и одновременно служит катодным выводом. Анодным выводом служит медный жгут 4, припаиваемый к втулке, изолируемой от корпуса стеклянным изолятором 5.
Торцы кристалла кремния покрываются эпоксидной смолой для защиты от атмосферных воздействий. Мощные вентили имеют охладители (радиаторы) при воздушном естественном или принудительном охлаждении (рисунок 1а) или водяную рубашку, приваренную к корпусу при токах свыше 150 А (рисунки 1б и 1в).
Электрические параметры кремниевых вентилей приведены в таблицах 2 – 5 Приложения А.
Условия охлаждения влияют на величину допустимой мощности, рассеиваемой в p-n-переходе, а следовательно, на значение допустимого анодного тока. Для вентилей с водяным охлаждением величина допустимого тока нагрузки зависит от количества воды, протекающей через водяную рубашку, и ее температуры.
У полупроводниковых диодов сплавного и диффузионного типа максимально допустимое обратное напряжение Uобр. макс обычно выбирается в 2 раза меньше пробивного, что предупреждает пробой вентиля при коммутационных перенапряжениях. Пока импульсы обратного тока, сопровождающие перенапряжения, относительно невелики и длительность их не превышает 10 – 20 мкс, пробой диодов носит обратимый характер. В противном случае пробой необратим (вентили выходят из строя).
К основным направлениям развития технологии производства различных классов диодов можно отнести:
— производство широкой номенклатуры силовых диодов Шоттки и сверхвысокочастотных диодов в диапазонах от 0,5 до 25 А и напряжений от 15 до 600 В в корпусах для поверхностного монтажа.
— наличие серий диодов, специально разработанных для специфических применений:
а) сверхвысокочастотная серия для высокочастотных источников питания и схем корректоров коэффициента мощности;
б) диоды Шоттки, предназначенные для выходных цепей ключевых источников питания с низкими выходными напряжениями. Прямое падение напряжения на диодах составляет величины от 0,3 до 0,6 В;
в) Диоды защиты от перенапряжений.
— наличие семейства сверхвысокочастотных диодов с временами восстановления порядка 25 нс для совместного применения с диодами Шоттки в высоковольтных и высокочастотных цепях.