Зміст Загальні вказівки2 Робоча програма й методичні вказівки 2.3. Методи аналізу і розрахунків пристроїв Запитання для самоконтролю 2.4. Випрямлячі й ведені мережею інвертори 2.5. Перетворювачі постійної та змінної напруги Запитання для самоконтролю 2.6. Автономні інвертори й перетворювачі частоти 2.7. Вплив перетворювальних пристроїв на електроенергетичні системи Запитання для самоконтролю 2.8. Комп’ютерне моделювання пристроїв енергетичної електроніки Запитання для самоконтролю 3. Завдання для розрахунково-графічної Послідовність виконання завдання полягає в наступному 4. Правила оформлення Міністерство освіти і науки україни Розрахунково-графічна робота Список літератури |
|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ЕНЕРГЕТИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА РОБОЧА ПРОГРАМА, МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ВИВЧЕННЯ ДИСЦИПЛІНИ ТА КОНТРОЛЬНІ ЗАВДАННЯ (для студентів заочної форми навчання спец. 7.090603 "Електротехнічні системи електроспоживання") Харків ХНАМГ – 2007 Енергетична електроніка. Робоча програма, методичні вказівки до вивчення дисципліни та контрольні завдання (для студентів заочної форми навчання спец. 7.090603 "Електротехнічні системи електроспоживання") / Укл.: Ягуп В.Г. Харків: ХНАМГ, 2007. 27 с. Укладач: проф., д.т.н. В.Г.Ягуп Рецензент: проф., д.т.н. О.Г.Гриб Рекомендовано кафедрою електропостачання міст, протокол № 5 від 7.12.2006 р. ![]()
Дисципліна "Енергетична електроніка" вивчає принципи перетворення параметрів електричної енергії, засоби реалізації цих принципів на основі напівпровідникових силових пристроїв, електромагнитні процеси, що супроводять зазначені перетворення електроенергії, основні параметри та характеристики, які мають відношення до цих перетворень, а також вплив пристроїв енергетичної електроніки на живлячу електроенергетичну мережу. В зазначеній дисципліні розглядаються досить складні нелінійні електротехнічні пристрої, що складаються з напівпровідникових пристроїв, конденсаторів, трансформаторів і дроселів, при цьому пристрої енергетичної електроніки керуються електронними, в тому числі і мікропроцесорними засобами за складними алгоритмами, що реалізують взагалі і принципи теорії автоматичного управління. Тому при вивченні дисципліни слід пам’ятати і викристовувати знання з основних розділів вищої математики, фізики, теоретичної електротехніки, промислової електроніки, а також обчислювальної техніки. З математики в першу чергу вимагаються знання таких розділів, як матрична й векторна алгебра, теорія графів, методи розв'язання диференціальних рівнянь, гармонійний аналіз. З теоретичних основ електротехніки потрібні відомості з розділів теорії кіл, аналізу перехідних процесів і теорії нелінійних кіл. Бажаним є застосування методів, алгоритмів і програм для комп'ютерного обчислення режимів пристроїв енергетичної електроніки. Такі обчислення можна проводити із використанням відомих математичних пакетів програм Excel, MathCAD, MATLAB, а також за допомогою спеціалізованих програм для моделювання пристроїв енергетичної електроніки (Simulink, СИМПАТ). Для студентів заочної форми навчання передбачено такі форми вивчення дисципліни: лекційні заняття з основних розділів дисципліни в період установчої сесії; самостійна робота із навчальною літературою згідно з програмою й методичними вказівками; відповіді на контрольні запитання; виконання розрахункової роботи; закріплення матеріалу при розв'язанні задач і розгляді прикладів, що надані в рекомендованій літературі. Математичні викладки, доведення, і, особливо, визначення треба вивчити на пам'ять. Контроль знань здійснюють на екзаменаційній сесії при захисті розрахункової роботи та складанні іспиту. ^ ДО ВИВЧЕННЯ ТЕМ ДИСЦИПЛІНИ 2.1. Вступ Цілі та завдання дисципліни. Необхідність застосування в електроенергетиці пристроїв енергетичної електроніки. Основні види перетворювачів електричної енергії. Роль прикладної математики й обчислювальної техніки при дослідженнях і проектуванні пристроїв енергетичної електроніки. Література: [1, с. 3-4; 2, с. 3-9; 3, с.3-23; 4, c. 5-7; 5, с. 3-12; 6, с. 3-6; 7, с. 3-9; 9, с. 5-8; 10, с. 4-9]. Методичні вказівки Розглядаючи загальні відомості про дисципліну, треба усвідомлювати, що пристрої енергетичної електроніки надзвичайно широко застосовують в електроенергетичних системах як проміжні, буферні пристрої живлення різноманітних споживачів електричної енергії, а також для регулювання, передачі електроенергії з підвищеними енергетичними й динамічними показниками. Тому в системі освіти спеціалістів в області електроенергетики знання основ енергетичної електроніки уявляється надзвичайно важливим завданням. Треба мати уявлення про основні методи перетворення параметрів електричної енергії, можливості застосування засобів енергетичної електроніки для конкретних завдань, вміти оцінити основні якісні й кількісні показники, що можуть бути досягнуті при застосуванні цих пристроїв. Оскільки пристрої енергетичної електроніки являють собою складні нелінійні динамічні системи, якісне дослідження їх може бути здійснене тільки при застосуванні сучасних математичних методів і комп’ютерної техніки. Запитання для самоконтролю
2.2. Напівпровідникові вентилі Принцип дії, параметри й характеристики напівпровідникових діодів. Принцип дії, параметри й характеристики напівпровідникових тиристорів і транзисторів. Управління напівпровідниковими вентилями. Теплові характеристики вентилів. Послідовне й паралельне увімкнення вентилів. Кусково-лінійна апроксимація вольт-амперних характеристик нелінійних пристроїв Література: [2, с. 5-21; 3, с.23-55; 4, с. 10-178; 5, с.17-42; 6, с.7-36; 7, с. 9-28; 9, с. 9-49]. Методичні вказівки При вивченні цього розділу треба усвідомлювати, що основними елементами, що здійснюють перетворення параметрів електричної енергії, являються нелінійні напівпровідникові прилади діоди, тиристори, транзистори. Слід вивчити принципи дії цих приладів, їх основні параметри й характеристики, конструктивні й експлуатаційні особливості. Треба звернути увагу на динамічні показники напівпровідникових пристроїв, які обумовлюють швидкодію перетворювальних пристроїв у цілому. Необхідно засвоїти особливості групового з'єднання вентилів, що обумовлено необхідністю вирівнювання прямих струмів і зворотних напруг окремих вентилів. Слід приділити увагу умовам забезпечення температурного режиму й засобам реалізації охолоджування вентилів. Треба уявляти тенденції та перспективи розвитку в галузі силових напівпровідникових вентилів на сучасному етапі. Запитання для самоконтролю
^ енергетичної електроніки Завдання аналізу пристроїв енергетичної електроніки Режими роботи пристроїв енергетичної електроніки. й рівняння, що їх віддзеркалюють. Аналітичні й чисельні методи розв’язування систем рівнянь пристроїв енергетичної електроніки. Класифікація методів аналізу й моделей пристроїв енергетичної електроніки. Побудова моделей перетворювачів, їх реалізація й порівняльні характеристики. Апаратне й програмне забезпечення для реалізації комп’ютерних моделей пристроїв енергетичної електроніки. Загальні відомості про схеми заміщення пристроїв енергетичної електроніки й рівняння стану. Проблеми формування рівнянь стану при виникненні вироджених ситуацій та явища жорсткості систем рівнянь перетворювачів Література: [1, с. 7-36; 2, с. 248-272; 4, с. 122-128; 5, с.12-17;; 6, с.17-27; 10, с. 10-19]. Методичні вказівки При вивченні й засвоєнні матеріалу цього розділу треба розуміти, що дослідження й проектування пристроїв енергетичної електроніки потребує дослідження електромагнітних процесів у різноманітних режимах роботи перетворювачів. Режими роботи перетворювачів розподіляють на нормальні й аномальні, в тому числі аварійні. Перехідні процеси усталюються з часом і переходять в так звані квазиусталені режими, що характеризуються періодичним повторенням інтервалів з певними станами вентилів. Ці окремі стани вентилів мають кожний свою схему заміщення, що описується відповідними системами диференціальних рівнянь. Для формування цих рівнянь використовують системні методи теоретичної електротехніки, з яких найбільш часто застосовують метод змінних стану. Слід звернути увагу на методи розв’язування рівнянь стану для окремих схем заміщення пристроїв енергетичної електроніки, а також на виникнення явища жорсткості цих рівнянь за рахунок топологічних вироджень у схемах заміщень. ^
^ Некеровані випрямлячі однофазного струму. Однотактні й двотактні схеми, основні співвідношення в схемах. Вибір живлячої напруги випрямлячів. Робота випрямляча на ємнісне й індуктивне навантаження. Згладжуючі фільтри та їх характеристики. Зовнішня характеристика випрямляча та його к.к.д. Некеровані випрямлячі трифазного струму. Схеми трифазних випрямлячів, основні характеристики й параметри. Особливості роботи трансформаторів у випрямлячах, первинний струм випрямлячів і його показники. Вплив несиметрії на роботу випрямляча і його показники. Явище комутації та його вплив на основні показники випрямляча. Керовані випрямлячі й інвертори, ведені мережею. Застосування випрямлячів для електропередачі постійного струму. Принципи керування вихідною напругою випрямлячів. Особливості побудови систем керування випрямлячами, аналогове, цифрове й мікропроцесорне керування випрямлячами Література: [1, с. 37-132; 2, с. 21-74; 3, с. 55-82; , 6, с.36-177; 7, 29-95; 8, с. 7-139; 9, с. 189-243; 11, с. 311-341]. Методичні вказівки При вивченні матеріалу цього розділу треба усвідомлювати призначення випрямлячів і ту обставину, що ці пристрої енергетичної електроніки є найпоширенішими в електроенергетиці, електроприводі, електротехнологіях. Слід мати уяву про структурну схему випрямляча, його зв’язок з живлячою мережею та вимоги до вихідної напруги і струму. Слід чітко засвоїти класифікацію випрямлячів в залежності від способу живлення і самої схеми вентильного комплекту випрямляча. Розглядаючи конкретні схеми випрямлячів, треба вміти відобразити часові діаграми напруг і струмів на вході і виході випрямляча, а також на його елементах. При роботі випрямляча на ємнісне й індуктивне навантаження слід звернути увагу відповідно на скорочення й збільшення інтервалу провідності струму вентилями, що тягне за собою зміни форми вихідних напруг і струмів. Вивчаючи згладжувальні фільтри, необхідно засвоїти їх призначення, основні схеми й параметри, а також вплив на роботу випрямляча й показники вихідної напруги. Треба усвідомлювати, що з точки зору навантаження випрямляч уявляє собою активний двополюсник, що характеризується зовнішньою характеристикою. Необхідно знати про причини падіння напруги на виході випрямляча, якщо збільшується струм навантаження, а крім того розуміти особливості зовнішньої характеристики при ємнісному навантажені. З факторами, що впливають на зовнішню характеристику, пов’язані також оцінки к.к.д. випрямляча. Слід вивчити різноманітні схеми трифазних випрямлячів, виділяючи особливості кожної та їх параметри і характеристики. Досліджуючи зв’язок випрямляча з живлячою мережею, слід розуміти, що він відбувається через первинні струми живлячого трансформатора. Необхідно звернути увагу на методику визначення цих струмів при умові ідеально згладженого струму навантаження для різноманітних схем випрямлячів. Треба розуміти вплив несиметрії, обумовленої мережею, на спектральний склад первинних струмів. Необхідно знати про причини появи явища комутації, а також вплив на довжину кута комутації з боку таких параметрів і величин, як індуктивність розсіювання трансформатора, величина струму навантаження, амплітуда живлячої напруги й кількість тактів випрямляча. При розгляді керованих випрямлячів слід уявляти принципи побудови систем керування, а також вплив кута керування на основні параметри і характеристики випрямляча. Вивчаючи інвертори, відомі мережею, слід усвідомлювати умови, при яких існує стійкий режим інвертування, а також умови, при яких стійкість роботи інвертора порушується. Слід звернути увагу на принципи побудови систем керування випрямлячами за вертикальним принципом та їх реалізацію засобами аналогової, цифрової та мікропроцесорної техніки. Запитання для самоконтролю
^ Принцип дії імпульсних перетворювачів постійної напруги. Примусова комутація напівпровідникових керованих вентилів і способи її забезпечення. Принципи побудови перетворювачів постійної напруги. Електромагнітні процеси в схемах імпульсних перетворювачів постійної напруги та їх показники. Напівпровідникові регулятори змінної напруги. Література: [1, с. 164-247; 2, с.175-212; 3, 157-164; 7, с. 242-291; 9, с. 296-303]. Методичні вказівки Для засвоєння матеріалу цього розділу треба чітко уявляти принципи побудови перетворювачів з широтно-імпульсним перетворенням, які в загальному вигляді можуть бути пояснені на структурних схемах з ідеальними ключами й діодами. Слід мати на увазі, що для реалізації перетворювачів з широтно-імпульсним перетворенням слід вирішити проблему примусової комутації тиристорів. Необхідно вивчити принципи дії і схеми примусової комутації. Слід мати уявлення про електромагнітні процеси у вузлах примусової комутації, що забезпечують жорстку і м’яку комутації. На прикладі конкретного перетворювача постійної напруги необхідно вміти пояснити електромагнітні процеси в перетворювачі постійної напруги з широтно-імпульсним перетворенням і вміти привести часові діаграми напругі струмів в перетворювачі. Треба звернути увагу на принципи роботи перетворювачів з одноступеневою й двоступеневою комутацією. Розглядаючи роботу перетворювача на двигун постійного струму, слід розібратися з процесами в реверсивних перетворювачах, у тому числі побудованих на повністю керованих вентилях. Треба розглянути також тиристорні регулятори змінної напруги, маючи на увазі, що їх досить часто використовують в електроприводі і системах електричного нагріву. При цьому слід звернути увагу на методи керування такими перетворювачами з метою регулювання рівня напруги на виході перетворювача, а також на основні показники кожного типу перетворювача. Треба розглянути важливі для електроенергетики регулятори з вольтододатками й усвідомити можливості впливу з їх допомогою на амплітуду змінної напруги і коефіцієнт потужності електричної системи в цілому. ^
^ Схеми інверторів струму й напруги, їх застосування, особливості електромагнітних процесів у схемах інверторів. Стійкість інверторів і засоби її забезпечення. Перетворювачі частоти, їх застосування в електротехнічних комплексах, принципи функціювання й схеми їх реалізації Література: [1, с. 248-361; 2, с. 89-174; 3, с. 116-156; 7, с. 197-242; 9, с. 303-313]. Методичні вказівки При вивченні матеріалу цього розділу слід у першу чергу мати чітке уявлення про застосування інверторів і класифікацію їх схем. Треба знати схеми однофазних інверторів струму і напруги і вміти пояснювати принципи дії цих пристроїв, а також основні математичні співвідношення для них. При розгляді питання стійкості автономного інвертора звернути увагу на фізичну трактовку явищ, що супроводжують пуск інвертора й вплив процесів на схемний час вимкнення тиристорів інвертора. Слід вивчити особливості роботи резонансних інверторів і їх різновиди. Необхідно звернути увагу на структуру силових схем і алгоритми роботи трифазних інверторів струму і напруги. Слід уяснити роль діодів, що відсікають, а також особливості побудови схем з одноступеневою й двоступеневою комутаціями. Необхідно усвідомлювати особливості й переваги багатофазних інверторів з груповою комутацією. Розглядаючи перетворювачі частоти з безпосереднім зв’язком, треба звернути увагу на способи формування вихідної напруги перетворювача, а також на алгоритми управління перетворюючими елементами і способи реалізації систем управління ними. Запитання для самоконтролю
^ Вплив явища комутації на джерела живлення. Поняття про коефіцієнт потужності, засоби його покращення. Статичні компенсатори реактивної потужності. Засоби покращення якості електричної енергії при живлені навантаження від пристроїв енергетичної електроніки. Системи живлення сучасної електронної апаратури, особливості побудови сучасних схем пристроїв енергетичної електроніки для живлення електронної апаратури. Проблема електромагнітної сумісності та її вирішення. Зменшення масогабаритних показників апаратури живлення Література: [2, с. 74-82; 3, с. 82-91; 6, с. 118-177, 9, с. 254-275, 10, с. 20-60, 96-108; 11, с.311-337]. Методичні вказівки При вивченні впливу перетворювача на живлячу мережу треба звертати увагу на співвідношення потужностей перетворювача і живлячої мережі. Для випрямлячів визначними величинами є індуктивності розсіяння трансформаторів і струм навантаження. З фізичної точки зору саме ці показники визначають енергію, яка повинна зійти до нуля, коли комутація і завершиться. Треба розглянути діаграми напруги на затискачах мережі скінченої потужності й показати наявність спотворення синусоїдальної форми напруги мережі. Слід вивчити визначення коефіцієнта потужності й чинники, які зменшують його при роботі напівпровідникових перетворювачів. Треба розглянути також способи покращання коефіцієнта потужності перетворювальних пристроїв. Із джерел реактивної потужності слід звернути увагу на тиристорно-конденсаторну схему. Треба уявляти причини появи вищих гармонійних складових при роботі перетворювачів, знати вплив їх на обладнання й способи боротьби з цими явищами за допомогою фільтро-компенсуючих пристроїв. При розгляді принципів побудови сучасної апаратури живлення побутової апаратури слід звернути увагу на засоби зменшення масогабаритних показників, пов’язаних з підвищенням проміжної частоти перетворення. ^
^ Застосування комп’ютерних моделей при дослідженні й проектуванні електроенергетичних систем з пристроями енергетичної електроніки. Класифікація завдань й методів їх вирішення за допомогою комп’ютерних моделей. Алгоритми побудови комп’ютерних моделей пристроїв енергетичної електроніки. Методи автоматичного формування рівнянь перетворювачів і їх розв’язання. Методи аналізу результатів моделювання. Програмні засоби для комп’ютерного моделювання пристроїв енергетичної електроніки. Література: [1, с. 33-36; 5, с.17-79; 8, с.194-228]. Методичні вказівки Для засвоєння матеріалу цього розділу треба чітко усвідомлювати, що моделювання пристроїв енергетичної електроніки є універсальним і потужним інструментом, який знаходить широке застосування при дослідженні й проектуванні перетворювачів електричної енергії. Необхідно мати чіткі уявлення про можливості розв’язання різноманітних завдань, що вони базуються на аналізі електромагнітних перехідних і усталених процесів у перетворювачах. Загальний алгоритм побудови математичної моделі перетворювача включає в себе такі процедури і алгоритми, які забезпечують формування рівнянь із урахуванням станів напівпровідникових елементів, розв’язання цих рівнянь і забезпечення автоматичного перемикання станів напівпровідникових елементів у процесі роботи моделі. Треба мати на увазі, що результати моделювання можуть бути занесені в оперативну пам’ять комп’ютера або у вигляді дискового файлу. Завдяки цьому можна легко будувати графіки у вигляді часових діаграм, а також створювати на цій основі різноманітні алгоритми для обробки результатів моделювання. Слід розібратися з методами аналізу гармонійного складу струмів і напруг, у тому числі на основі швидкого перетворення Фур’є. Треба мати уявлення про можливості застосування для моделювання пристроїв енергетичної електроніки таких програм, як MS Excel, MathCAD,СИМПАТ, MATLAB. ^
^ РОБОТИ Й ВКАЗІВКИ ДО ЇЇ ВИКОНАННЯ Розрахунково-графічна робота присвячена дослідженню впливу явища комутації вентилів у випрямлячі на живлячу мережу. Мається на увазі схема трифазного випрямляча з нульовим виводом, навантаження якої споживає ідеально згладжений струм заданої величини. Вважають, що випрямляч живиться через трансформатор скінченої потужності, що відображається врахуванням лише сумарної індуктивності розсіювання, величину якої для всіх фаз вважають однаковою і задають у завданні. Крім цього, задають амплітуду фазної напруги мережі й частоту цієї напруги. В ролі вентилів виступають напівпровідникові діоди, що вважаються ідеальними. Наведені данні представлені у таблиці 1 з ознакою номера варіанта, який призначає студенту викладач під час установчої сесії. ^
Таблиця 1
^ РОЗРАХУНКОВО-ГРАФІЧНОЇ РОБОТИ
^ ХАРКІВСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА КАФЕДРА ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ МІСТ ^ з дисципліни "Енергетична електроніка" Виконав (підпис студента) студент групи ЕСЕ-5 Онопрієнко М.В. Прийняв проф. Ягуп В.Г. Харків – 2006
^
ЗМІСТ
Навчальне видання Енергетична електроніка. Робоча програма, методичні вказівки до вивчення дисципліни та контрольні завдання (для студентів заочної форми навчання спец. 7.090603- "Електротехнічні системи електроспоживання") Укладач: Валерій Григорович Ягуп Редактор З.М.Москаленко Комп’ютерний набір В.Г.Ягуп План 2007, поз. 531 ____________________________________________________________________ Підп. до друку 15.05.2007 Формат 60х84 1/16 Папір офісний Друк на ризографі Умовн.-друк. арк. 1,1 Обл.-вид. арк. 1,6 Замовл. № Тираж 150 прим. ___________________________________________________________________61002, Харків, ХНАМГ, вул. Революції, 12 ____________________________________________________________________Сектор оперативної поліграфії ІОЦ ХНАМГ ____________________________________________________________________61002, Харків, вул. Революції, 12 |
![]() | Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства математичні задачі електроенергетики робоча програма, методичні вказівки до вивчення дисципліни та контрольні завдання Математичні задачі електроенергетики: робоча програма, методичні вказівки до вивчення дисципліни та контрольні завдання (для студентів... | ![]() | Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни національна металургійна академія україни робоча програма, методичні вказівки та контрольні завдання до вивчення дисципліни “Системи технологій” для студентів за напрямом 030601 Робоча програма, методичні вказівки та контрольні завдання до вивчення дисципліни ”Системи технологій” для студентів за напрямом... |
![]() | Міністерство освіти І науки України Харківська національна академія міського господарства В. В. Масловський Програма та робоча програма навчальної дисципліни «Спецкурс за напрямом спеціалізації» Міністерство освіти І науки України Харківська національна академія міського господарства | ![]() | Міністерство освіти І науки України Харківська національна академія міського господарства В. В. Масловський Програма та робоча програма навчальної дисципліни «Спецкурс за напрямом профілізації» Міністерство освіти І науки України Харківська національна академія міського господарства |
![]() | Міністерство освіти І науки україни національна металургійна академія україни робоча програма, методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни «Філософія» Робоча програма, методичні вказівки тa індивідуальні завдання до вивчення дисципліни «Філософія» для студентів усіх спеціальностей... | ![]() | Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства в.І. Заіченко методичні вказівки До виконання самостійної роботи І контрольні завдання з навчальної дисципліни «основи охорони праці» для студентів 5 курсу заочної... |
![]() | Міністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства Методичні вказівки до самостійного вивчення дисципліни “Основи маркетингу” та виконання контрольних завдань | ![]() | Міністерство освіти та науки україни національна металургійна академія україни програма, методичні вказівки та контрольні завдання з дисципліни Програма, методичні вказівки та контрольні завдання з дисципліни “Металургійні основи легування та модифікування чорних металів”... |
![]() | Міністерство освіти І науки? Молоді та спорту україни харківська національна академія міського господарства Методичні вказівки з самостійного вивчення дисципліни, практичних занять І виконання контрольних робіт з дисципліни | ![]() | Міністерство освіти та науки україни національна металургійна академія україни програма, методичні вказівки та контрольні завдання з дисципліни Програма, методичні вказівки та контрольні завдання з дисципліни “Виробництво виливків з кольорових металів” для студентів заочної... |