Федеральное агентство по образованию
Федеральноегосударственное образовательное учреждение среднего профессиональногообразования
Чебоксарскийэлектромеханический колледж
Письменная экзаменационная работа
Схемы выпрямления
2010
Введение
Основные направления экономического и социального развитияпредусматривают интенсивное развитие автоматизации и роботизации всегонародного хозяйства страны, повышение энерговооруженности труда.
Решение этих задач непосредственно связано ссовершенствованием электрооборудования промышленных установок, со степеньюавтоматизации технологических линий и участков производства, с качествомобслуживания, от которого зависят бесперебойность и ритмичная работапредприятия.
Политика нашей страны направлена на то, чтобы совершенствоватьсистему образования с учётом потребностей ускорения социально-экономическогоразвития, требований выдвигаемых прогрессом науки и техники.
Чтобы обслуживать электрооборудование, соответствующеесовременному уровню развития науки и техники, электромонтёр должен обладатьзнаниями по устройству электрических двигателей, аппаратов защиты и управления,иметь представление об особенностях работы полупроводниковой техники иустройств автоматики, уметь разбираться в системах электрооборудованиятехнологических установок и устройств и т.д. Цель выпускной квалификационной работы– овладеть необходимым комплексом знаний в области монтажа и обслуживания преобразовательнойполупроводниковой техники.
1. Полупроводниковые схемы выпрямления на диодах
1.1 Понятиеполупроводникового выпрямителя
Выпрямитель электрического тока — механическое, электровакуумное, полупроводниковоеили другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входногоэлектрического тока в постоянный выходной электрический ток.
Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, апульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсацийкоторых применяют фильтры.
1.2 Полупроводниковыйдиод
/>
Рисунок 1.2.1 — Вольтамперная характеристика диода
Полупроводниковые диоды работают на принципе одностороннейэлектропроводимости и имеют один электрический переход и два вывода. Вольтампернаяхарактеристика диода (рисунок 1.2.1.) показывает зависимость проходящего черезнего тока от приложенного напряжения.
Если к анодному выводу приложен положительный потенциал, тосопротивление электрического перехода мало и ток проходящий через прибор,ограничивается только сопротивлением нагрузки RH. Падение напряжения на диодепри прохождении номинального тока составляет 0,5-1В.
Если к анодному выводу приложен отрицательный потенциал, тодиод имеет большое сопротивление и через прибор проходит обратный токсоставляющей десятые доли ампера, т.е. можно считать, что ток в обратном Еслиобратное приложенное напряжение превышает номинально допустимое то диод выходитиз строя.
1.3 Применение схем выпрямления
1) выпрямление электрического тока; 2) блоки питанияаппаратуры; 3) выпрямители электросиловых установок; 4) сварочные аппараты;
1.4 Выпрямлениеэлектрического тока
Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразоватьпеременный ток в постоянный ток.
1.5 Блоки питания аппаратуры
1) блоки питания промышленной и бытовой радио- иэлектроаппаратуры (в т.ч., так называемые, адаптеры);
2) блоки питания бортовой радиоэлектронной аппаратурытранспортных средств.
1.6 Выпрямители электросиловых установок
1) выпрямители питания главных двигателей постоянного токаавтономных транспортных средств и буровых установок;
2) преобразователи бортового электроснабжения постоянноготока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной,авиационной и другой техники.
1.7 Сварочные аппараты
В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всегомостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях(клапанах), с целью получения постоянного сварочного напряжения и тока. Онотличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается областьдуги около положительного (+) её полюса, что позволяет либо осуществлятьщадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочнымэлектродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговойсваркой.
1.8 Однофазная мостовая схема
Схема состоит из 4-х диодов V1-V4, соединенных по схеме мостаи подключенных к сети переменного тока через трансформатор или напрямую.Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети и выпрямленное напряжениенагрузки. В одну диагональ моста (точки 1 и 3) включен источник переменногонапряжения, а в другую(точки 2 и 4) – нагрузка RH.
Диоды работают поочерёдно парами V1,V3 и V2,V4. Вположительный полупериод напряжения U2ф потенциал точки 1 положителен, а точки3-отрицателен. Диоды V1 и V3 включены в прямом направлении, а V2 и V4- вобратном. Ток от положительного зажима вторичной обмотки трансформаторапроходит через диод V1, нагрузку к открытому диоду V3 и к отрицательному зажимувторичной обмотки трансформатора.
В отрицательный полупериод (полярность напряжения указана вскобках) диоды V2 и V4 проводят ток, а V1и V3 закрыты. Ток от положительногозажима проходит через диод V2 и нагрузку к открытому диоду V4 и котрицательному зажиму вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, ток вцепи нагрузки каждый период проходит в одном направлении.
1.9 Недостатки однофазной мостовой схемы
Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсацийвыпрямленного напряжения применяют в электроустановках малой мощности.
1.10 Трехфазная нулевая схема
Схема состоит из 3-х диодов и трансформатора, первичнаяобмотка
которого соединена в звезду или треугольник, а вторичная — взвезду. Анодные выводы диодов подключают к обмоткам трансформатора, а катодныек общей точке. Нагрузку включают между нулевой точкой трансформатора и общейточкой диодов.
При активной нагрузке Rн ток через каждый диод протекает втечение 1/3 периода частоты сети, когда напряжение в одной фазе трансформаторабольше чем в двух других, а выпрямленный ток проходит по нагрузке непрерывно. Вмомент пересечения положительных значений напряжений каждой фазы трансформаторав точках а, б и в, называемых точками естественной коммутации диодов, токпрекращает проходить в одном диоде и начинает протекать через другой.
1.11 Достоинства и недостатки трехфазной нулевой схемы
Схема позволяет получать выпрямленное напряжение болеесглаженной формы, чем однофазная мостовая.
Недостаток- прохождение тока через вторичные обмотки только водном направлении, что создаёт магнитный поток подмагничивания, вызывающийдополнительный нагрев трансформатора.
Поэтому схему широко применяют только в выпрямительныхустановках с трансформаторами, ток вторичной обмотки которых не превышает 100ампер.
1.12 Трёхфазная мостовая схема/>
Рисунок 1.12.1 — Трёхфазная мостовая схема выпрямления
Схема состоит из 6 диодов, которые образуют 2группы: с общимкатодным выводом(V1,V3 и V5) и общим анодным выводом(V2,V4 и V6). В нечётнойгруппе (V1,V3 и V5) диоды в течении каждой трети периода работают с наиболеевысоким потенциалом анодного вывода.
В чётной группе (V2,V4 и V6) в этот период времени работаеттот диод у которого катодный вывод имеет наиболее отрицательный потенциал(интервал а-г для диода V6 и г-б для диодаV2) по отношению к общей точкеанодных выводов.
Таким образом в интервале а-г ток проходит от фазы атрансформатора через диод V1, нагрузку Rн, диод V6 к фазе б трансформатора. Винтервале г-б ток проходит через диод V1 нагрузку Rн, и диод V2.
В схеме в любой момент времени при активной нагрузке токпроходит через 2 диода, один из нечётной, а другой — из чётной группы. Диодынечётной группы коммутируются в момент пересечения положительных участковсинусоид(а, б, в) а чётные группы – в момент пересечения отрицательныхучастков(г, д, е).
1.13 Достоинства и недостатки трёхфазной мостовой схемы
Небольшой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.
Отсутствие дополнительного нагрева.
ТаблицаСхема выпрямления Число фаз выпрямления m Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения
Однофазная мостовая
Трёхфазная нулевая
Трёхфазная мостовая
2
3
6
0,67
0,25
0,057
2. Полупроводниковыесхемы выпрямления на тиристорах
2.1 Понятие полупроводникового тиристора
Полупроводниковые тиристоры имеют три электрода (катодный,анодный и управляющий электрод) и обладают двумя устойчивыми состояниями:открытым (проводящим ток) и закрытыми (непроводящим ток).
2.2 Полупроводниковыйтиристор
Ток через тиристор начинает проходить, когда к анодномувыводу приложен положительный потенциал и подан положительный по отношению ккатодному выводу управляющий сигнал. По внешнему виду тиристор напоминает диод,но в отличие от него имеет дополнительный управляющий электрод.
Представляющая собой зависимость проходящего тока отприложенного напряжения. Обратная ветвь характеристики тиристора (при подаче наанодный вывод отрицательного напряжения) не отличается от характеристикиполупроводникового диода. При положительном потенциале на анодном выводесопротивление тиристора зависит от управляющего тока. При отсутствииуправляющего сигнала сопротивление тиристора велико, что соответствует участкунизкой электропроводности характеристики. Ток управления переводит тиристор воткрытое состояние при прямом напряжении. При прохождении через управляющийэлектрод номинального тока участок низкой проводимости практически отсутствует,и в прямом направлении характеристика тоже такая же, как у диода.
Для надёжного и точного перевода тиристора из закрытогосостояния в открытое подают на управляющий электрод кратковременный импульснапряжения (рисунок 2.2.2), а для изменения выпрямленного напряжения регулируютмомент подачи импульса по отношению к точке естественной коммутации диода.
Выпускают тиристоры различных серий на токи от 10 до 1000 А идопустимые обратные напряжения от 100 до 1200 В. Малое падение напряжения(0,7-1,5 В) в полупроводниковых приборах при номинальном токе обеспечиваетвысокий кпд тиристорных преобразователей.
2.3 Особенноститиристорных выпрямителей
Управляемые тиристорные выпрямители позволяют преобразовыватьпеременный ток в постоянный и плавно изменять выпрямленное напряжение от нулядо номинального значения.
Силовые схемы выпрямления для тиристоров анологичны схемамвыпрямления с диодами. Для изменения выпрямленного напряжения необходимо иметьспециальное устройство, называемое системой импульсно-фазового управления(СИФУ), которое выполняет две функции: формирует управляющий импульс и смещаетего по фазе относительно напряжения сети. Устройство СИФУ позволяет изменятьугол регулирования α тиристорного преобразователя от 0 до 150-180 эл. град.
2.4 Трёхфазная нулевая схема
В трёхфазной нулевой схеме, где вместо диодов включенытиристоры (рисунок 2.4.1, а) управляющие импульсы, поступающие от СИФУ должныбыть соответствующим образом сфазированы с напряжением трансформатора, т.е.подаваться в нужные моменты времени. Сдвиг импульсов относительно базовой точкипроисходит в сторону отставания. За базовые необходимо брать точкиестественного отпирания тиристора (точки а, б, в, рисунок 2.4.1, б) Еслиуправляющие импульсы подавать на тиристоры V1,V2 и V3 соответственно в точкаха, б, в, получим наибольшее выпрямленное напряжении. При подаче управляющихимпульсов с отставанием по отношению к точке естественного отпирания на уголальфа, то тиристоры открываются позже, а среднее выпрямленное напряжение будетменьше, чем наибольшее выпрямленное напряжение.
2.5 Трёхфазнаямостовая схема
В трёхфазной мостовой схеме (рисунок 2.5.1) имеется шестьтиристоров, которые образуют две группы: с общим катодным выводом (V1, V3 и V5)и общим анодным выводом (V2, V4 и V6), а ток в любой момент протекает минимумчерез два тиристора, расположенных в разных группах. Надёжная работатиристорного преобразователя возможна при одновременном открытии тиристоров обеихгрупп, что обеспечивается схемой управления СИФУ, в которой предусматриваетсяформирование двух сдвоенных импульсов, сдвинутых относительно друг друга на 60эл. град. В этом случае имеет место одновременная подача импульсов в тиристорыдвух различных групп (V1 и V6, V1 и V2, V3 и V2 и т.д.). Наличие двух групп тиристоровобеспечивает шестифазное выпрямление (рисунок 2.5.2) напряжения.
2.6 Применениетиристорных преобразователей
Тиристорные преобразователи широко применяют для питанияобмоток возбуждения и якоря электрических двигателей.
При питании обмотки возбуждения, которая обладает достаточнобольшой индуктивностью, не возникает особых осложнений. Более того, наличиеиндуктивности способствует сглаживанию тока в цепи нагрузки. При питании якорядвигателя необходимо учитывать, что при вращении последнего возникаетпротиво-эдс, которая влияет на работу системы выпрямитель – двигатель, ухудшаяхарактеристики электропривода.
Электрический ток проходит через двигатель, когда мгновенноезначение выпрямленного напряжения будет больше противо-эдс. Таким образом токякоря имеет прерывистый характер. Пульсирующий ток увеличивает тепловые потери.Для уменьшения и устранения зоны прерывистых токов, а также снижения пульсацийтока в якорную цепь включают сглаживающий дроссель. Ток в цепи нагрузки неможет спадать мгновенно, так как в катушке индуктивности запасаетсяэлектромагнитная энергия. Поэтому даже при напряжении преобразователя меньшепротиво-эдс двигателя, ток в якорной цепи может протекать за счет этой энергии,что позволяет снизить или вообще устранить зону прерывистых токов и уменьшитьих пульсацию.
3. Устройство силовых блоков
Одним из основных узлов преобразователя является силовойвыпрямительный ток, куда входят полупроводниковые приборы и охладители.
Для полупроводниковых приборов применяют 2 способа охлаждения:воздушное, жидкостное. Приборы на небольшие токи (10-25А) имеющие воздушноеохлаждение снабжают охладителями в виде пластин.
Воздушные охладители для полупроводниковых приборов штыревоготипа имеют радиаторы с резьбовым отверстием под шпильку на катодном выводе длядиодов. Охладитель выполняют дл одного или нескольких полупроводниковыхприборов. Воздушное охлаждение может быть естественным и принудительным.
Принудительное охлаждение предусматривает установкувентиляторов, которые продувают воздух, через вентиляционные каналы.
4. Монтаж и обслуживание преобразовательной полупроводниковойтехники
Нормальная работа полупроводниковых преобразовательныхустройств зависит от окружающей среды и условий эксплуатации. Как правило,агрегаты общепромышленного использования предназначены для работы в закрытыхстационарных помещениях при следующих условиях: температура окружающей среды от1 до 50˚C; относительная влажность воздуха не более 85-90% при 20˚или 50% при 40˚C; отсутствие в окружающей среде агрессивных газов и паров,разрушающих металлы и изоляцию.
Преобразовательные агрегаты устанавливают на металлических,железобетонных перекрытиях или бетонных полах с креплением анкерного болтамиили приваркой опорного пояса. На ровном полу с уклоном не более 1-2˚ шкафзакреплять не обязательно. После установки проверяют отвесом отклонение шкафаот вертикали, которое не должно превышать 5˚.
Для присоединения силовых токопроводов к преобразовательнымшкафам необходимо использовать гибкие компенсаторы, что позволяет избежатьвозможных механических смещений оборудования внутри шкафа. Затяжку болтовыхсоединений ошиновки и кабельных линий выполняют вручную.
После окончания монтажных работ проверяют сопротивлениеизоляции силовых цепей напряжением выше 1000В (должно быть ниже 50МОм прикомнатной температуре) и цепей управления (должно быть не ниже 0,5 МОм). Всиловых цепях заземление проверяют мегомметром на 2,5 кВ, а в цепях управления– на 0,5 кВ. Все шкафы и элементы преобразовательных устройств необходимозаземлять в соответствии с ПУЭ.
Основное условие правильной работы тиристоров выпрямителя –обеспечение строгой последовательности и расположения во времени импульсов насоответствующих управляющих электродах (фазировка системы управления).
Для контроля за нормальным техническим состояниемпреобразовательной техники предусматривают периодические (один раз в месяц)планово-предупредительные осмотры и профилактический ремонт (один раз в год).
При ежемесячной проверке проводят визуальный осмотрлакокрасочных покрытий, мест пайки, проверяют надёжность контактных соединений,а также чистоту охлаждающего воздуха для установок с принудительнойвентиляцией. При содержании в воздухе посторонних частиц более 0,7 мг/м³принимают меры по его отчистке.
Обслуживающий персонал проводит один раз в год следующиеработы: удаляет сжатым воздухом пыль с ребристых поверхностей радиаторов, ячееки кассет системы управления защиты; проверяет и подтягивает болтовыесоединения; очищает кисточкой, смоченной бензином или уайт-спиритом, изоляцию ячеек,печатных плат, кассет с последующей просушкой обработанных изделий; протираетэтиловым спиртом все контактные соединения; проверяет электрическую прочность исопротивление изоляции в соответствии с ГОСТом и инструкцией по эксплуатациипреобразовательных установок, а так же состояние заземляющих устройств всоответствии с ПУЭ.
При аварийной ситуации в кратчайшие сроки выполняют следующиеработы: переводят питание двигателя или другого преобразователя постоянноготока на резервный источник (если он предусмотрен) и по схеме в определённойпоследовательности выявляют неисправность. Современные преобразовательныеагрегаты оснащают устройствами диагностики, что облегчает задачу обслуживающегоперсонала по обнаружению неисправности и, в частности, помогает обнаружитьвышедший из строя полупроводниковый прибор, который необходимо заменить.Вышедший из строя диод или тиристор заменяют в такой последовательности:снимают индивидуальный охладитель вышедшим из строя прибором; подбирают приборс такими же параметрами, которые имел вышедший из строя прибор; устанавливаютновый прибор.
5. Охрана труда
5.1 Горючие электроизоляционные материалы
Горючими в электроустановках являются изоляционные масла ввыключателях и трансформаторах, изоляционная резина, пластмассы, лаки, бумажнаяи полиэтиленовая изоляция кабелей, водород, применяемый для охлаждениягенераторов и синхронных компенсаторов и выделяющийся при заряде аккумуляторныхбатарей.
5.2 Причины пожаров в электроустановках
Основными причинами пожаров в электроустановках являютсякороткие замыкания в электрических сетях, машинах и аппаратах; токовыеперегрузки; перегревы мест соединения токопроводящих частей из-за большихпереходных сопротивлений; электрическая дуга и искрения; воспламенения горючихматериалов, находящихся возле электроприемников, оставленных без присмотра, идр.
5.3 Причины короткого замыкания в электроустановках
Короткие замыкания возникают в результате нарушения изоляциитокопроводящих частей, механических воздействий, увлажнения, воздействия химическиактивных веществ. Короткие замыкания могут возникнуть от перегрузки сетейтоком. Под воздействием большого рабочего тока, на который изоляция проводов иобмоток не рассчитана, возникает её перегрев, пробой и короткое замыкание. Приэтом мгновенно увеличивается ток во всех элементах электрической цепи иначинает выделяться большое количество теплоты. Электропроводка не в состоянииотдать эту теплоту в окружающую среду: происходит её воспламенение. Перегрузкии короткие замыкания недопустимы в любых случаях. Для их предотвращениянеобходимо, чтобы параметры сетей (марка проводов и кабелей, прокладка, сечениежил, исполнение, класс изоляции машин и т.п.) соответствовали электрическимпараметрам (току, напряжению, нагрузке). Следует строго соблюдать периодичностьи качество осмотров, ремонтов, испытаний электрооборудования.
5.4 Перегревы в местах соединений
Не менее опасны перегревы в местах больших переходныхсопротивлений из-за плохих контактов в соединениях (окисление мест соединения,неплотное прилегание проводов к зажимам и контактам электроприборов).
Чтобы перегревы не происходили, необходимо тщательно зачищатьконтакты, применять заводские наконечники и оконцеватели проводов, обеспечиватьплотное прилегания контактов.
5.5 Причины возникновения электрической дуги в электроустановках
Электрические дуги (температура 3000˚C и более) иискрения возникают во время коммутационных переключений или при ошибочныхоперациях с коммутационной аппаратурой, при разрядах статическогоэлектричества, атмосферных перенапряжениях. Для предупреждения загоранияприменяют дугогасящие устройства, разрядники, заземление. Все оперативныепереключения в электроустановках выполняют в строгом соответствии с правиламибезопасности.
5.6 Требования к защитным заземлениям и занулениям
Защитное заземление или зануление должно быть исправно(целостность соединений, плотность контактов). По условиям пожаробезопасностисопротивление изоляции контролируется особо тщательно: измерение производится 2раза в год в помещениях с повышенной опасностью и один раз в год – безповышенной опасности. Протоколы измерения сопротивления изоляции, заземленийили занулений должны находиться в цеху или лаборатории.
5.7 Ответственность электроперсонала
Недопустимы провисания проводов, соприкосновение их междусобой и с конструктивными частями, сети-времянки (за исключением ремонтныхработ). В условиях эксплуатации присоединение новых электродвигателей, ламп,нагревательных приборов или замена существующих более мощными разрешаетсятолько с ведома лица, ответственного за электрохозяйство, и с учётом пропускнойспособности сети (проводов, контактов, штепселей, выключателей и т.п.).
За электрохозяйством следит только электрический персонал.Неисправное электрооборудование необходимо немедленно отключать; нельзяперегибать и скручивать электропровода или оттягивать светильники иэлектропроводку; для светильников не допускается применять абажуры из бумаги игорючих материалов без каркасов; запрещается использовать ролики, выключатели,штепсельные розетки для подвешивания плакатов, одежды, а так же заклеивать илизакрывать части электросети. После окончания работы все электрохозяйство должнобыть обесточено.
Список литературы
1. Брендихин А.Н., Ландесман Э.И. Охрана труда. – М.:Высш. шк., 1990.
2. Воронина А.А., Шибенко Н.Ф. Безопасность труда вэлектроустановках. – М.: Высш. шк. 1994.
3. Голыгин А.Ф., Ильяшенко Л.А. Устройство иобслуживание электрооборудования промышленных предприятий. – М.: Высш. шк.,2000.
4. Корнилов Ю.В., Крюков В.И. Обслуживание и ремонтэлектрооборудования промышленных предприятий. – М.: Высш. шк. 2000.
5. Павлович С.Н., Фираго Б.И. Ремонт и обслуживаниеэлектрооборудования. – Ростов-на-Дону: «Феникс» 2002.
6. Синдеев Ю.Г. Электротехника с основами электроники.– Ростов-на-Дону: «Феникс» 2006.
7. Федорченко А.А., Синдеев Ю.Г. Электротехника сосновами электроники. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 2006.