Энергетическая электроника
для специальности 210106 (200400)
Семенов В.Д., Мишуров В.С.
Кафедра ПрЭ
Томск-2007

Общие вопросы энергетической электроники.

№ 1
В курсе “Энергетическая электроника” изучаются:
• Силовые преобразователи параметров электрической энергии на полупроводниковых ключах.

№ 2
Поколения технических систем преобразования параметров электрической энергии:
• электромашинные преобразователи.
• трансформаторно-магнитные преобразователи.
• трансформаторно-тиристорные преобразователи.
• транзисторные преобразователи.
• транзисторные преобразователи со звеном повышенной частоты.
• транзисторные квазирезонансные преобразователи.

№ 3
Звено повышенной частоты (ЗПЧ):
• Это преобразователь, состоящий из инвертора, трансформатора повышенной частоты и демодулятора.

№ 4
КПД сконструированного трансформатора с повышением его рабочей (расчетной) частоты:
• Увеличивается.

№ 5
При повышении рабочей частоты электромагнитных элементов от 50 Гц до 100 кГц применяются магнитные материалы (в порядке применения при повышении рабочей частоты):
1. Электротехническая сталь, толщиной 0.5 мм.
2. Электротехническая сталь, толщиной 0.35 мм.
3. Пермаллой, толщиной 0.1 мм.
4. Пермаллой, толщиной 0.02 мм.
5. Ферриты.
6. Магнитодиэлектрики.

№ 6
Электромагнитная совместимость преобразователя переменного напряжения в постоянное с сетью улучшается при увеличении числа фаз:
• потому что форма потребляемого тока приближается к синусоидальной.

№ 7
Корректор коэффициента мощности:
• Преобразователь, потребляющий от сети синусоидальный ток, фаза которого совпадает с фазой напряжения сети.

Непосредственные преобразователи постоянного напряжения.

№ 8
Непосредственный транзисторный преобразователь понижающего типа работает в следующем режиме: E=50 В; U_вых=30 В; I_н=5 А; f=10 кГц; индуктивность дросселя L=0,15 мГн.

Максимальное значение тока транзистора:
• I_VTmax=9 А.

№ 9
E=50 В; U_вых=14 В; I_вх=7 А; I_н=10 А; f=5 кГц; L=0,14 мГн.

• I_VTmax=13 А.

№ 10
f=12 кГц; γ=0,75; I_н=5 А; L=62,5 мГн. Сопротивление нагрузки R_н=3 Ом.

• I_VTmax=7,5 А.

№ 11
f=20 кГц; γ=0,8; I_вх=4 А; L=125 мГн; R_н=5 Ом.

Максимальное значение тока дросселя:
• I_Lmax=6 А.

№ 12
I_вх=3,2 А; I_н=4 А; f=16 кГц; L=50 мГн; R_н=2,5 Ом.

• I_Lmax=5,25 А.

№ 13
В схеме понижающего ключевого преобразователя с неполной глубиной модуляции R_н=10 Ом; I_н=1,5 А; γ=0,5; E₁=E₂.

• E₁=10 B.

№ 14
E₁=20 В; E₂=11 В; R_н=12,5 Ом; I_н=2 А.

• γ=0,7 B.

№ 15
В трехфазном непосредственном преобразователе постоянного напряжения, выполненном на базе схемы понижающего типа, транзисторы работают с γ=0.8 и длительностью открытого состояния транзисторов t_вкл=50 мкс.

Частота пульсаций выходного напряжения:
• f_п=48 кГц.

№ 16
В схеме на идеализированных элементах E=18 В; γ изменяется в пределах от 0,2 до 0,4.

Наибольшее напряжение, прикладываемое к транзистору в закрытом состоянии:
• U_VTmax=30 B.

№ 17
- среднее значение входного тока I_вх=20 А; напряжение на транзисторе в закрытом состоянии U_VT=27 В (RC>>T); сопротивление нагрузки R_н=3 Ом.

Если входной ток непрерывен:
• γ=0,55.

№ 18
- E=12,1 В; γ=0.45; сопротивление нагрузки R_н=4 Ом.

Среднее значение входного тока в предположении, что преобразователь работает в режиме непрерывного тока:
• I_вх=10 А.

№ 20
- E=25В; γ изменяется в пределах от 0,2 до 0,5.

Наибольшее напряжение, прикладываемое к транзистору в закрытом состоянии, если преобразователь работает в режиме непрерывного тока дросселя:
• 50 B.

№ 21
- R_н=15 Ом; I_н=2 А; γ=0,4.

Обратное напряжение диода:
• U_обр=75 B.

№ 19
Ключевой преобразователь: E=25 В; R_н=19 Ом; γ=0,6; активное сопротивление обмотки дросселя r=1 Ом.

Величина напряжения, прикладываемого к транзистору в закрытом состоянии, в предположении, что преобразователь работает в режиме непрерывного тока:
• 47 B.

№ 22
- E=25 В; R_н=19 Ом; γ=0,6; активное сопротивление обмотки дросселя r=1 Ом.

Среднее значение тока нагрузки:
• I_нср=1,5 А.

Автономные инверторы.

№ 23,24
Однофазный однотактный инвертор с накопительным дросселем работает на активную нагрузку

Сопротивление R_н=100 Ом; γ=0,5; мощность, отдаваемая в нагрузку P_н=400 Вт; частота f; L/R_н>>1/f.
Напряжение, прикладываемое к ключу:
• U_к=400 B.
Сопротивление R_н=40 Ом; максимальное напряжение, прикладываемое к ключу U_кл=800 В.
Среднее значение тока ключа:
• 10 А.

№ 25,26
Однотактный двухключевой инвертор с накопительным конденсатором работает на активную нагрузку

Сопротивление R_н=20 Ом; γ=0,5; мощность в нагрузке P_н=180 Вт; частота f; R_н*С>>1/f. Потерями в ключах пренебречь. Среднее значение тока в ключе К1:
• 3 А.
Напряжение питающей сети Е=100 В, С=20 мкФ, сопротивление R_н=50 Ом, γ=0,5; f=10 кГц. Мощность, отдаваемая в нагрузку:
• 50 Вт.

№ 27,28
Однофазный однотактный инвертор с накопительным конденсатором и ограничительным резистором R_о=10 Ом работает на активную нагрузку с сопротивлением R_н=20 Ом, γ=0,5 и частотой f.

Напряжение источника питания Е=100 В, R_н*С>>1/f. Максимальное значение тока, протекающего через ключ:
• I_клmaх=12 А.
При частоте f=10 кГц, КПД инвертора:
• 13,3 %.

№ 29-31
Двухтактный транзисторный инвертор, выполненный по нулевой схеме с трансформаторным выходом, работает на активную нагрузку

Напряжение источника питания Е=200 В; R_н=10 √2 Ом; коэффициент трансформации К_тр=5; ключи инвертора работают в противотакте при γ=0,5. Потерями в инверторе пренебречь. Эффективное значение тока в первичной обмотке трансформатора:
• I_1эф=0,4 А.
Е=80 В; К_тр=4; максимально допустимый ток транзистора в инверторе I_кmax=5 А. Сопротивление нагрузки, при которой ток транзистора максимален:
• 1 Ом.
Активно-индуктивная нагрузка с R_н=0 Ом; L_н=100 мкГн; f=10 кГц; коэффициент трансформации К_тр=5. Внутренние потери инвертора равны Р_вн=40 Вт. Среднее значение тока, потребляемого от источника питания с напряжением Е=50 В:
• I_вхср=0,8 А.

№ 32
Транзисторный инвертор, выполненный по нулевой схеме, работает на активную нагрузку R_н=20 Ом; коэффициент трансформации К_тр=5; частота работы инвертора f=5 кГц.

Напряжение источника питания Е=50 В; внутренне сопротивление источника r_вн=2,5 Ом. Среднее значение тока подмагничивания трансформатора при несимметрии по полупериодам Δt=5 мкс:
• I_пср=0,5 А.

№ 33
Однофазный мостовой транзисторный инвертор работает на активную нагрузку R_н=50 Ом. Напряжение источника питания Е=100 В.

Если инвертор работает в соответствии с алгоритмом, указанным в таблице, средний потребляемый ток:
• I_вхср=1 А.

№ 34
Амплитуда тока в нагрузке однофазного мостового транзисторного инвертора I_нmax=16 А; напряжение источника питания Е=80 В; R_н=0 Ом; L_н=0,025 мГн.

Частота работы инвертора и среднее значение тока в обратном диоде:
• f=50 кГц, I_VDср=2 А.

№ 35
Однофазный мостовой транзисторный инвертор с балластным резистором R_б=10 Ом в цепи источника питания

Напряжение Е=100 В, активная нагрузка R_н=50 Ом. Инвертор управляется сигналами типа меандр с частотой 5 кГц. Потерями в ключах пренебречь. Время включения транзисторов t_вкл=1 мкс; время выключения транзисторов, включая время рассасывания t_выкл=6 мкс. Среднее значение потребляемого от источника тока:
• I_вxср=2,4 А.
Е=150 В, R_н=90 Ом. Считать, что время протекания сквозного тока много меньше полупериода работы инвертора. Коэффициент полезного действия инвертора в относительных единицах:
• 0,9.

№ 37
Однофазный мостовой инвертор, подключенный к источнику питания с напряжением Е=100 В работает на трансформаторную нагрузку с коэффициентом трансформации К_тр=5 и сопротивлением нагрузки R_н=40 Ом при наличии несимметрии полупериодов по напряжению ΔU=0,4 В.

Если частота преобразования f_пр=1 кГц, а внутреннеe сопротивление источника питания r_вн=2 Ом, то среднее значение тока подмагничивания в инверторе:
• I_пср=0,1 А.

№ 38
Однофазный мостовой инвертор напряжения с балластным дросселем L_б=0,2 мГн работает на активную нагрузку R_н=20 Ом с частотой f=0,5 кГц. Дроссель зашунтирован обратным диодом с падением напряжения в прямом направлении ΔU_VD=1 В. Через стойки инвертора протекает сквозной ток длительностью Δt_с=10 мкс.

Максимально возможное напряжение питания, при котором еще отсутствует эффект “накачки” тока в дросселе:
• 99 В.

№ 39
Полумостовой транзисторный инвертор работает на активную нагрузку с сопротивлением R_н=45 Ом от источника питания напряжением Е=100 В. Последовательно с ключами инвертора включены балластные резисторы R_Б=5 Ом.

Минимально необходимая мощность одного балластного резистора при условии, что напряжение на конденсаторах не пульсирует, а время протекания сквозного тока t_скв<<T/2:
• P_Б=2,5 Вт.

№ 40
Полумостовой инвертор работает на трансформаторно-выпрямительную нагрузку. R_н=2 Ом, Е=100 В, f=10 кГц.

Коэффициент трансформации К_тр=5, допустимый коэффициент пульсаций на нагрузке К´_н=10%. Ёмкость конденсатора:
• 10 мкФ.

№ 41
Трехфазный мостовой инвертор работает на симметричную активную нагрузку, соединенную звездой

R_А=R_В=R_С=20 Ом. Напряжение источника питания Е=90 В.
Потребляемый от источника ток, если ключи инвертора работают с алгоритмом:
• 180° управления = 3 A; 120° управления = 2,25 А.
Эффективное значение линейного напряжения на нагрузке U_л=10 √288 В. Если инвертор управляется с алгоритмом 120° управления, напряжение источника питания:
• 240 В.
R_А=R_В=20 Ом, R_С=∞ Ом, Е=210 В. Если инвертор управляется с алгоритмом 180° управления, среднее значение потребляемого от источника тока:
• 3,5 А.

№ 44
Однофазный инвертор тока выполнен на транзисторных ключах по нулевой схеме.

Инвертор питается от аккумуляторной батареи с напряжением Е=10 В. Напряжение на нагрузке U_н=40 B (эффективное значение); L_d → α; R_н=10 Ом; X_Lн=10 √3 Ом. Средний ток транзистора:
• 2 A.
Е=12,5 В. U_н=100 В; R_н=10 Ом; X_Lн=10 √3 Ом. Ток, потребляемый инвертором, если его КПД составляет 80%:
• 25 A.

Вопросы по средствам реализации транзисторных преобразователей.

№ 46
Условные изображения полупроводниковых приборов энергетической электроники.

• Названия и номера.
1 Симистор.
2 Тиристор.
3 Выключаемый тиристор.
4 Биполярный транзистор с изолированным затвором, JGBT-транзистор.
5 Полевой транзистор с изолированным затвором.
6 Биполярный транзистор.
7 Диод.
8 Динистор.

№ 47
Среди транзисторов, номера в порядке возрастания:
• рабочей частоты - 6 4 5;
• рабочих напряжений - 5 6 4;
• рабочих токов - 6 5 4.

№ 48
Эквивалентные схемы.

•
1 Динистор.
2 Тиристор.
3 Составной транзистор по схеме Дарлингтона.
4 JGBT-транзистор.

№ 49
Область безопасной работы (ОБР) биполярного транзистора с логарифмическим масштабом по оси абсцисс и оси ординат.

• Номера участков кривой, ограничивающих области:
1 максимальных токов.
2 максимальных мощностей.
3 возникновения вторичных пробоев.
4 максимальных напряжений.

№ 50
В ОБР полевого транзистора будет отсутствовать:
• 3 участок кривой.

№ 51
Траектории переключения транзистора из выключенного состояния А(i_к=0; U_кэ=U_пит) во включенное состояние B(i_к=I_нм; U_кэ= ≈0) и наоборот.

Наилучшим образом приближается к идеальной:
• 3 траектория.

№ 52,53
Схемы цепи для формирования траектории переключения транзистора.

Только при выключении транзистора работает:
• 1 цепь.
И при включении, и при выключении транзистора работают:
• 2, 3 цепи.

№ 57,58
В цепи управления с полевым транзистором включающее напряжение Е=20 В, выключающее напряжение равно нулю, собственная емкость между затвором и истоком С_зи=5А пФ, f=400кГц, γ=0,5.

Средняя мощность необходимая для управления полевым транзистором с изолированным затвором, если постоянная времени цепи управления много меньше полупериода управляющего сигнала:
• 0,8 Вт.
Если генератор управляющих сигналов будет вырабатывать запирающее напряжение отрицательной полярности с амплитудой 20 В:

• Потери на управление увеличатся в 4 раза.

Преобразовательные ячейки со звеном повышенной частоты.

№ 59-61
Однотактная преобразовательная ячейка с прямым включением выпрямительного диода работает от источника питания Е=100 В, w₁=150 витков, w₂=50 витков, относительная длительность включенного (открытого) состояния транзистора γ=0,3.

Среднее значение напряжения на нагрузке:
• 10 В.
Е=50 В, среднее значение тока нагрузки I_нср=0,1 А, коэффициент трансформации К_тр=5, γ=0,4.
Сопротивление нагрузки:
• 40 Ом.
Размагничивающее сопротивление R₁=2 кОм, активная нагрузка R_н=200 Ом, Е=50 В, γ=0,1, среднее значение напряжения на нагрузке U_нср=10 В, максимальное значение тока намагничивания составляет 10% от максимального тока нагрузки, приведенного к первичной цепи. Условия размагничивания сердечника трансформатора выполняются.
Максимальное напряжение, прикладываемое к транзистору:
• 250 В.

№ 62-64

Среднее значение напряжения на нагрузке U_нср=8 В, γ=0,5. Соотношение витков обмоток w₁:w_р:w₂ как 10:8:2. Максимальное напряжение, прикладываемое к транзистору:
• 180 В.
U_нср=20 В, w₁=120 витков, w_р=80 витков, w₂=40 витков. Относительная длительность открытого состояния транзистора при условии, что преобразователь работает в режиме непрерывного потока:
• 0,6.
Транзистор с максимально допустимым напряжением U_нср=450 В работает в однотактной преобразовательной ячейке с размагничивающей обмоткой, где w₁:w_р как 5:4.
Предельная величина напряжения источника питания, при которой обеспечивается работоспособность схемы:
• 200 В.

№ 65,66
Однотактная преобразовательная ячейка

работает на активную нагрузку R_н=10 Ом, среднее значение напряжения на нагрузке U_нср=100 В, коэффициент трансформации К_тр=2, относительная длительность включенного (открытого) состояния транзисторов γ=0,4. Падением напряжения на полупроводниковых элементах пренебречь. Напряжение источника питания:
• Е=500 В.
Трансформатор выполнен на ферритовом (материал – М 2000 НМ) Ш-образном сердечнике с площадью сечения магнитопровода 4 см². Напряжение источника питания Е=100 В, частота преобразования f=5 кГц, индукция насыщения материала сердечника В_s=0,35 Тл, а остаточная индукция В_r=0,1 Тл. Число витков первичной обмотки трансформатора:
• 100 витков.

№ 67
Однотактный преобразователь с обратным включением выпрямительного диода

γ=0,5, напряжение источника питания Е=40 В, максимально допустимое обратное напряжение диода U_VDобрmax=100 В. Коэффициент трансформации:
• К_тр=0,4.

№ 68,69

γ=0,4. Напряжение нагрузки U_н=10 В, соотношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки w₁:w₂ равно 15. Напряжение источника питания, если преобразователь работает в режиме непрерывного потока:
• Е=225 В.
Режим непрерывного потока. U_н=10 B, коэффициент трансформации К_тр=10, относительная длительность открытого состояния транзистора γ=0,4. Максимальное значение напряжения, прикладываемого к транзистору:
• 250 В.

№ 70

E=80 В, w₁=60 витков, w₂=w₃=10 витков. Напряжение на выключенном транзисторе:
• 100 В.
Максимально допустимое напряжение на коллекторе каждого из транзисторов U_кэ=120 В, соотношение витков обмоток трансформатора w₁:w₂:w₃ как 5:1:1.
Наибольшее значение напряжения источника питания, при котором ячейка останется работоспособной:
• Е=90 В.

№ 72

w₁=w₂=w₃=100 витков, w_н=20 витков. Временем переключения транзисторов пренебречь. Максимально возможная относительная длительность γ открытого состояния транзистора в режиме непрерывного потока:
• 0,75.
Режим непрерывного потока. Среднее значение напряжения нагрузки равно U_нср=20 В, сопротивление нагрузки R_н=10 Ом, относительная длительность открытого состояния транзистора γ=0,5, w₁=w₂=w₃=100 витков, w_н=30 витков. Током намагничивания пренебречь. Максимальное значение тока, протекающего через транзистор:
• 0,4 А.

№ 74,75
Двухячейковый однотактный преобразователь

Работает на активную нагрузку. Ячейки работают в противотакте с γ=0,4, Е=50 В, коэффициент трансформации К_тр=4. Среднее значение напряжения на нагрузке, считая все элементы идеальными:
• 10 В.
Квазидвухтатктный преобразователь. R_н=10 Ом, U_нср=20 В, Е=50 В, γ=0,4. Среднее значение тока транзистора:
• 0,4 А.

№ 76,77
Вольтодобавочная схема регулятора напряжения со звеном повышенной частоты

Е=50 В, w₁=100 витков, w₂=w₂₁=w₂₂=40 витков.

Среднее значение напряжения на нагрузке:
• 40 В.
U_н=150 В, К_тр=2. Напряжение питающей сети синусоидальное e(t)=E_msinωt.

Максимальное напряжение, прикладываемое к ключу инвертора:
• 141 В.

№ 78,79

Е=100 В, R_н=250 Ом, w₁₁=w₁₂=200 витков, w₂₁=w₂₂=100 витков.

Среднее значение тока нагрузки:
• 0,3 А.
U_нср=120 В, К_тр=2,5.

Максимальное напряжение, прикладываемое к ключу К2:
• 200 В.

№ 80

Е=50 В, К_тр=2.

Среднее значение напряжения на нагрузке:
• U_нср=37,5 В.
U_нср=100 В, К_тр=2, R_н=100 Ом.

Среднее значение тока ключа К2 инвертора:
• 0,25 А.

№ 82

Е=200 В, К_тр=5, R_н=50 Ом.
Среднее значение тока нагрузки:
• 0,4 А.

№ 83

Е=200 В, К_тр=2,5, R_н=100 Ом. Регулирование осуществляется инвертором. Ток намагничивания трансформатора принять равным нулю.
Средний ток ключа инвертора:
• I_кл.ср=0,48 А.

Квазирезонансный преобразователь.

№ 84
Приставка “квази” в понятии квазирезонансный преобразователь означает:
• Почти резонансный.

№ 85
Квазирезонансный преобразователь (КРП) получается из преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ):
• заменой транзисторного ключа на квазирезонансный ключ, в состав которого входит резонансный контур.

№ 86
КРП с переключением в ноль тока сокращенно обозначается как:
• КРП с ПНТ;
• ОХП с ПНТ;
• ПХП с ПНТ.

№ 87
КРП с переключением в ноль напряжения сокращенно обозначается как:
• КРП с ПНН;
• ОХП с ПНН.

№ 88
В квазирезонансном ключе КРП с ПНТ формируется:
• синусоидальный ток.

№ 89
В КРП с ПНН формируется:
• синусоидальное напряжение на ключе.

№ 90
Ключи КРП имеют:
• малые динамические потери при включении;
• малые динамические потери при выключении;
• малый уровень радиопомех;
• статические потери увеличенные.

№ 91

• Понижающий квазирезонансный преобразователь.

№ 92

Квазирезонансный ключ образован элементами:
• VT, VD1, L_γ, C_γ.

№ 93

Квазирезонансный ключ понижающего преобразователя, состоящий из элементов К1, VD1, L_γ, C_γ является:
• однополупериодным квазирезонансным ключом с переключением в нуле тока (однополупериодный КРК с ПНТ).

№ 94
Понижающие квазирезонансные преобразователи с переключением в нуле:

• тока (КРП с ПНТ) с однополупериодным ключом;

• тока (КРП с ПНТ) с двухполупериодным ключом.

Повышающие квазирезонансные преобразователи с переключением в нуле:

• напряжения (КРП с ПНН) с двухполупериодным ключом;

• напряжения (КРП с ПНН) с однополупериодным ключом.

№ 95
Период собственных колебаний квазирезонансного ключа, рассчитываемый по формуле Т_r=2π √(L_γC_γ), соотносится с периодом T переключения квазирезонансного ключа следующим образом:
• Т_r<T;
• Т_r<<T.