PRZEKSZTAŁTNIKI SIECIOWE – zadania zaliczeniowe

PRZEKSZTAŁTNIKI SIECIOWE – zadania zaliczeniowe
1.
UWAGA: W podanych poniżej zadaniach w każdym przypadku odniesionym
do określonego obwodu przekształtnikowego należy narysować kompletny
schemat wraz z zastrzałkowanymi i opisanymi wielkościami napięć i prądów.
2. Jeżeli nie podano inaczej w treści zadania przyrządy półprzewodnikowe należy
traktować jako idealne.
1. Narysuj charakterystykę napięciowo- prądową diody i podaj sposób jej aproksymacji w
modelu stosowanym np. w symulacjach
2. Narysuj charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora i zinterpretuj na przykładzie
prostownika 1-pulsowego zasadę sterowania fazowego prostownika tyrystorowego
współpracującego z odbiornikiem RLE.
3. [Symulacja NLO_1] Z sieci o napięciu sinusoidalnym o amplitudzie Um poprzez
prostownik tyrystorowy 1-pulsowy zasilany jest odbiornik typu RLE. Podaj zakres
możliwych zmian kąta załączenia dla przypadku gdy E = + 0,5 Um oraz gdy E = - 0,5 Um.
Przeprowadź dyskusję wpływu tgΘ = ωL/R na kąt przewodzenia tyrystora.
4. Narysuj podstawowe schematy 2-pulsowych jednofazowych prostowników diodowych i
porównaj ich właściwości użytkowe.
5. [Symulacja NLO_2] Jednofazowy mostkowy prostownik niesterowalny zasilany ze
źródła napięcia sinusoidalnego o wartości skutecznej 230VRMS i o indukcyjności
wewnętrznej 500µH ma na wyjściu kondensator o wielkiej pojemności i jest obciążony
rezystorem tak, że napięcie na wyjściu jest stałe (z pomijalnym tętnieniem) i równe 290
V. Dla tego przypadku:
a)narysuj przebiegi napięcia i prądu na wejściu i wyjściu mostka diodowego
b) narysuj przybliżony przebiegi prądu i napięcia wybranej diody prostowniczej
c) podaj jak prąd wyjściowy Id(av) zależy od napięcia kondensatora
6. [Symulacja NLO_3]Układ ładowania akumulatora składa się z transformatora sieciowego
i mostka diodowego. W szereg z akumulatorem o napięciu źródłowym E=6V włączono
rezystor R=1Ω. Jednofazowe napięcie sinusoidalnie przemienne doprowadzone do
prostownika mostkowego jest opisane wzorem u=16sin100πt. Spadek napięcia na każdej
przewodzącej diodzie wynosi ∆U=1V. W rozważaniach pominąć spadki napięć na
rezystancjach i indukcyjnościach połączeń. W ramach zadania
a) narysuj wyskalowane przebiegi wartości chwilowych napięcia i prądu
wyprostowanego, prądu uzwojenia wtórnego transformatora oraz prądu jednej z diod ,
b) oblicz wartość średnią prądu ładowania akumulatora.
7. Dla obwodu jednofazowego niesterowanego prostownika jednopulsowego z obwodem
wyjściowym w postaci filtru LC o rezystancji dławika filtru równej R i rezystorze Ro
dołączonym równolegle do kondensatora (obciążenie) zapisz równania opisujące zmienne
stanu – prąd w dławiku i napięcie na kondensatorze i narysuj schemat obwodu z
integratorami, rozwiązującego te równania dla wyznaczenia impulsu prądu. Podaj
warunek określający przedział, w którym równanie ma poprawne rozwiązanie.
Dane jest napięcie wejściowe prostownika u=Umsinωt.
8. [Symulacja NLO_4] Dławik na wyjściu prostownika diodowego 2-pulsowego ma tak
dużą indukcyjność, że wartość chwilową prądu wyprostowanego w okresie napięcia sieci
można uznać za stałą (odbiornik może być traktowany jako źródło prądu stałego). Jaką
wartość skuteczną powinno mieć sinusoidalne napięcie zasilające prostownik w celu
uzyskania napięcia wyprostowanego o wartości średniej 100V, jeżeli:
a)indukcyjność obwodu AC w relacji do indukcyjności obwodu prądu wyprostowanego
jest pomijalnie mała,
b)iloczyn indukcyjności w obwodzie AC i prądu wyjściowego Ls Id = 0,05 Vs (f= 50 Hz)
c)Narysuj przebiegi napięcia na wyjściu prostownika i prądu uzwojeniu wtórnym
transformatora zasilającego prostownik w obu przypadkach (( a) i b)).
9. [Symulacja NLO_5] Prostownik diodowy mostkowy jest zasilany z trójfazowej sieci o
indukcyjności w każdej z faz równej 0,5 mH. Do wyjścia prostownika dołączony jest
kondensator filtrujący o dużej pojemności oraz odbiornik DC.
a) Narysuj schemat z ponumerowanymi diodami ( D1...D6) stosując standardowy sposób
oznaczania (1,3,5,4,6,2),
b) Narysuj typowe przebiegi prądu wyjściowego i prądu w każdej z faz zasilających (prąd
impulsowy).
c) Oznacz na wykresach prądów fazowych, przez które diody przepływają kolejne impulsy
tych prądów.
10. [Symulacja NLO_6] Mostek diodowy jest zasilany z trójfazowego źródła o pomijalnej
impedancji wewnętrznej natomiast na wyjściu jest włączony dławik o bardzo dużej
indukcyjności tak, że obwód ten ma charakter źródła prądu o natężeniu 100A.
a) Narysuj przebiegi prądu w fazach zasilających i oznacz na nich, przez które zawory
przepływają sześćdziesięciostopniowe segmenty tego prądu,
b) Wyznacz dla tego przypadku podstawową harmoniczna prądu linii, jego THD, wartość
skuteczną tego prądu oraz współczynnik mocy prostownika,
c) Oblicz konieczne napięcie zasilające (wartość RMS napięcia fazowego) jeżeli wartość
średnia napięcia wyjściowego ma być równa 100 V.
11. [Symulacja NLO_7] W układzie trójfazowego mostka diodowego o obwodzie
wyjściowym o cechach źródła prądu w obwodzie zasilania występują indukcyjności
równe 0,2 mH.
a) Narysuj przebiegi napięcia na zaciskach wyjściowych mostka i prądu na wejściu
mostka diodowego (w 3 przewodach zasilających) przyjmując, że dana jest wartość
kata komutacji ( np.10° el)
b) Oblicz wymaganą wartość skuteczną zasilającego napięcia fazowego aby przy 100A
prądu wyprostowanego uzyskać wartość średnią napięcia wyjściowego równą 100V.
c) Narysuj schemat oczka obwodu komutacyjnego, napisz równanie opisujące przebieg
prądu obwodu z komutującymi tyrystorami i objaśnij jak obliczyć kąt komutacji.
12. [Symulacja NLO_8] Tyrystorowy dwupulsowy prostownik mostkowy zasilany z sieci
napięciem 230VRMS jest obciążony odbiornikiem indukcyjno-rezystancyjnym o bardzo
dużej indukcyjności (100mH; 5Ω) tak, że prąd wyprostowany jest praktycznie
pozbawiony tętnień. Kąt opóźnienia wysterowania tyrystorów α=π/6. Pomijając zjawisko
komutacji oraz straty mocy w układzie wyznaczyć:
a) przebiegi wartości chwilowych: napięcia i prądu wyprostowanego, napięcia i prądu
wybranego tyrystora oraz prądu linii zasilającej,
b) wartość średnią napięcia wyprostowanego,
c) wartość skuteczną prądu linii zasilającej,
d) wartość średnią i skuteczną prądu wybranego tyrystora,
e) współczynnik mocy prostownika.
13. [Symulacja NLO_9] Tyrystorowy sterownik napięcia przemiennego z włączonym
dławikiem szeregowym jest stosowany jako regulator mocy biernej w układzie
kompensatora pojemnościowego na linii napięcia przemiennego 1500 V. Jaką
indukcyjność tego dławika należy przyjąć, jeżeli moc bierna jaką powinien
skompensować układ wynosi 30 kVAr. Jaki w przybliżeniu kąt opóźnienia załączenia
tyrystorów zostanie nastawiony przez układ sterowania w przypadku, gdy kompensowana
moc wynosi 15 kVAr (przyjmując liniową zależność mocy od kąta)? Narysuj dla tego
przypadku przebiegi napięcia i prądu gałęzi regulatora.
14. [Symulacja NLO_10] Narysuj możliwie dokładnie przebiegi napięć i prądów odbiornika
a) dla prostownika 3-fazowego 3-pulsowego przy α = 120° i napięciu wewnętrznym
odbiornika Eo/Um = - 0.2 ( minus) przy założeniu, że rezystancja odbiornika jest bliska
zeru (odbiornik LE),
b) dla prostownika trójfazowego 3-pulsowego przy α = 120° i przy założeniu, że kąt
komutacji µ=10° el.(To praca falownikowa przy ciągłym prądzie odbiornika. Jak taki
stan pracy uzyskać przy odbiorniku RLE).
15. [Symulacja NLO_11] Tyrystorowy 2-pulsowy prostownik mostkowy jest obciążony
rezystorem. Dane są następujące wartości: -amplituda napięcia AC Um=325V i jego
częstotliwość f=50Hz, -rezystancje wszystkich tyrystorów w stanach blokowania i
zaworowych są jednakowe,- kąt opóźnienia wysterowania tyrystorów α=π/2. Wyznacz
wyskalowany (tzn. z podaniem jednostek na osi odciętych i rzędnych) przebieg wartości
chwilowej napięcia na jednym z tyrystorów.
16. [Symulacja NLO_12] Tyrystorowy 2-pulsowy prostownik mostkowy zasilany
bezpośrednio z sieci napięciem 230VRMS jest obciążony odbiornikiem o cechach źródła
prądu o wartości Id=36A. Kąt opóźnienia wysterowania tyrystorów α=π/6.Wyznacz
współczynnik mocy prostownika jeśli wiadomo, że stosunek amplitudy podstawowej
harmonicznej prądu linii zasilającej Im(1) do wartości stałego prądu wyprostowanego Id
jest równy 4/π. Pomiń zjawisko komutacji oraz spadki napięć na przewodzących
tyrystorach.
17. Wartość skuteczna prądu pobieranego z linii zasilającej przez jednofazowy tyrystorowy
prostownik mostkowy wynosi I RMS. Kąt opóźnienia wysterowania α=π/3. Z uwagi na
dużą indukcyjność odbiornika tętnienia prądu wyprostowanego są pomijalnie małe.
Wyznacz (dla wielkości ogólnych);- przebieg wartości chwilowej prądu pobieranego z
linii zasilającej jeśli wartość prądu wyprostowanego wynosi Id, -współczynnik mocy
prostownika przy podanym kącie α. Pomiń zjawisko komutacji i straty mocy w
prostowniku.
18. [Symulacja NLO_13] Na przykładzie tyrystorowego prostownika 1-fazowego, 2pulsowego z dzielonym uzwojeniem wtórnym transformatora należy:
a) Objaśnić na przebiegach czasowych zjawisko komutacji i podać możliwie dokładne
przebiegi napięć i prądów dla α = 0°el. i 90 °el przy założeniu, że prąd odbiornika jest
stały.
b) Przyjąwszy, że napięcie każdej sekcji uzwojenia strony wtórnej transformatora wynosi
115VRMS a prąd w czasie komutacji ma wartość 100 A należy określić wartość
indukcyjności rozproszenia transformatora, jeżeli kąt komutacji przy α =90°el. wynosi
µ=6°el (333µs).Wyjaśnij, jakie warunki musi spełniać odbiornik aby przy kącie α=90o
w odbiorniku wystąpił prąd ciągły.
19. [Symulacja NLO_13] Dla przypadku jednofazowego mostkowego prostownika
sterowanego wyznacz wartość średnią napięcia odbiornika przy α = 60° el i przy
założeniu ,że wartość skuteczna sinusoidalnego napięcia zasilającego U = 230V,
indukcyjność w obwodzie zasilania ma wartość 1mH a prąd obciążenia w czasie
komutacji utrzymuje wartość 50 A.
20. [Symulacja NLO_14] Dla przypadku 3-fazowego sterowanego prostownika
mostkowego narysować przebiegi napięć i prądów odbiornika przy obciążeniu
rezystancyjnym i kącie α=60o el. Na wykresie zaznaczyć impulsy bramkowe dwóch
tyrystorów, wchodzących w skład jednej gałęzi fazowej mostka.
21. [Symulacja NLO_15] Przyjmując, że prąd odbiornika jest idealnie wygładzony i
pomijając komutację narysować przebiegi wartości chwilowych napięcia odbiornika
(dane są napięcia fazowe sieci zasilającej) i prądu wejściowego w wybranej fazie dla
trójfazowego mostkowego prostownika tyrystorowego pracującego przy kącie α=30oel.
Obliczyć dla takiego przypadku współczynnik mocy prostownika.(Uwaga: należy
skorzystać z zależności określających wartość skuteczną prądu fazowego oraz wartość
skuteczną podstawowej harmonicznej tego prądu).
22. [Symulacja NLO_16] Prostownik tyrystorowy, trójfazowy 3-pulsowy zasilany z linii o
napięciu fazowym 3× 230Vrms/ 50Hz pracuje przy kącie α = 30o el. i, z uwagi na wielką
indukcyjność odbiornika, przy praktycznie stałym co do wartości i równym 10A prądzie
wyprostowanym
a) Oblicz jaka jest w przybliżeniu indukcyjność komutacyjna, jeżeli kąt komutacji wynosi
5o el.
b) Narysuj przebiegi napięcia odbiornika i prądu w zaworach jeżeli kąt α wzrośnie do
90°el. a prąd do 50A.
23. [Symulacja NLO_17] Prostownik 3-pulsowy tyrystorowy zasilany jest bezpośrednio z
trójfazowej sieci prądu przemiennego.
a) Narysuj przebiegi wartości chwilowych napięcia i prądu wyprostowanego oraz prądu
jednego z tyrystorów, jeśli kąt załączania tyrystorów wynosi 30ºel.(czyli α=0) a
odbiornikiem jest rezystor.
b) Wyznacz wartość średnią napięcia wyprostowanego jeśli wartość skuteczna napięcia
fazowego zasilającego prostownik jest równa 115V a kąt α = 60° el.
24. [Symulacja NLO_18] Prostownik 3-pulsowy tyrystorowy jest zasilany z sieci
trójfazowej 3×230V poprzez transformator obniżający o przekładni napięciowej 0,25.
Uzwojenia pierwotne i wtórne transformatora połączone są w gwiazdę. Dla takiego
przekształtnika:
a) Narysuj przebiegi wartości chwilowych napięcia i prądu wyprostowanego oraz prądów
w uzwojeniu wtórnym i pierwotnym transformatora, jeśli kąt załączania tyrystorów
jest równy 60º el. (kąt opóźnienia wysterowania α równy jest wówczas 30ºel.) a
odbiornikiem jest dławik o bardzo małej rezystancji i dużej indukcyjności.
b) Pomijając zjawisko komutacji oraz prąd magnesujący transformatora oblicz wartość
skuteczną prądu uzwojeń wtórnych transformatora oraz prądu linii zasilającej jeśli
prąd stały odbiornika jest równy Id.
25. [Symulacja NLO_19] Prostownik tyrystorowy 3-fazowy, mostkowy zasilany z sieci NN
(400V/50 Hz) pracuje przy stałym prądzie odbiornika (źródło prądu). Sumaryczna
indukcyjność każdej z faz obwodu zasilania prostownika wynosi 1 mH.
a) Narysuj przebiegi napięcia odbiornika i prądu linii dla przypadku gdy α = 30°, 90º,
150°el przyjmując, że w przypadku α = 90° kąt komutacji µ=6°. Oszacuj wartość
prądu odbiornika dla tego przypadku.
b) Pomijając zjawisko komutacji określ dla wskazanych przypadków współczynnik mocy
urządzenia.
26 [Symulacja NLO_20] Do ładowania dużej baterii akumulatorów o napięciu
nominalnym 24 V i rezystancji wewnętrznej 10 mΩ przewiduje się jednofazowy, 2pulsowy prostownik tyrystorowy w układzie z transformatorem o zdwojonym uzwojeniu
wtórnym. Napięcie baterii może się zmieniać w zakresie ±20%. Maksymalny prąd
ładowania wynosi 100 A. Dławik filtrujący na wyjściu prostownika ma indukcyjność tak
dużą, że tętnienia prądu są pomijalne w całym zakresie pracy prostownika.
a) Określ jaka przekładnia napięciowa transformatora jest konieczna, aby zapewnić pełny
prąd ładowania przy maksymalnym napięciu baterii uwzględniając spadki
komutacyjne. Indukcyjność obwodu zasilania należy przyjąć równą 0,5 mH,
b) Oblicz wartości średnie i skuteczne prądu w tyrystorach i uzwojeniach transformatora
przy maksymalnym prądzie wyprostowanym ( 100 A),
c) Oblicz współczynnik mocy urządzenia dla przypadku, gdy napięcie baterii jest
minimalne i maksymalne.
27. [Symulacja NLO_21] Do ładowania baterii należy zastosować 1-fazowy mostek
prostowniczy w wersji półsterowanej (do wyboru jeden z dwóch wariantów), zasilany z
sieci poprzez transformator.
a) Oblicz przy jakim kącie opóźnienia załączenia tyrystorów będzie pracował prostownik
przy ciągłym prądzie obciążenia, jeżeli napięcie baterii jest równe 24V a napięcie
uzwojenia wtórnego transformatora wynosi 48VRMS ,
b) Narysuj przebiegi napięcia na wyjściu prostownika, prądy w zaworach i uzwojeniu
wtórnym transformatora przy założeniu, że napięcie baterii jest równe 24V a
indukcyjność obwodu zasilania pomijalnie mała,
c) Oblicz wartości średnie i skuteczne prądu w tyrystorach i uzwojeniu wtórnym
transformatora przy wyliczonym kącie opóźnienia załączenia i prądzie
wyprostowanym 100 A.
d) Oblicz współczynnik mocy urządzenia dla podanych warunków.
28. [Symulacja NLO_22] Do zasilania uzwojenia wzbudzenia generatora synchronicznego o
rezystancji 20 Ω wymagana jest moc 2420 W. Zaproponuj racjonalny układ prostownika
tyrystorowego, umożliwiający zasilanie tego uzwojenia. Prostownik powinien być
zasilany bezpośrednio z sieci trójfazowej, której impedancję wewnętrzną można uznać za
pomijalnie małą. Zakładając, że duża indukcyjność uzwojenia wzbudzenia zapewni w
całym zakresie sterowania prostownika ciągły prąd wyjściowy, regulowany pomiędzy
0.5Imax a Imax , określ:
a) Przy jakich wartościach kąta opóźnienia załączania tyrystorów będzie pracował
prostownik przy prądzie Imax i 0,5Imax ?
b) Jaką wartość średnią i skuteczną będzie miał prąd płynący przez każdy z tyrystorów
przy maksymalnym prądzie odbiornika ?
c) Jaką średnią szybkość narastania i opadania prądu odbiornika można uzyskać przy
0,5Imax i 0,9Imax jeśli indukcyjność odbiornika wynosi 0,5 H a kąt α prostownika może
być zmieniany w zakresie 0- 150º el ?
29. [Symulacja NLO_23] Wartość chwilowa napięcia wejściowego tyrystorowego
prostownika mostkowego ma przebieg o kształcie dodatnich i ujemnych i impulsów
prostokątnych (każdy z impulsów trwa przez pół okresu) o wartościach +100V i -100V
powtarzających się z częstotliwością 1000Hz. Prostownik jest obciążony odbiornikiem
o charakterze źródła prądu o wartości 100A.
a) Narysuj przebiegi napięcia na odbiorniku oraz prądu w źródle zasilającym przy kątach
α = 0º, 45º, 90º i 135° el. przy założeniu, że źródło zasilające jest idealne.
b) Narysuj przebiegi jak w p. a) przy założeniu, że w obwodzie źródła zasilającego
występuje indukcyjność 100 µH,
c) Dla przedstawionego przykładu wyprowadź ogólną zależność na charakterystykę
sterowania Uo= f(α) a także zależności na kąt komutacji oraz na stratę napięcia
wywołanego komutacją.
d) Oblicz napięcie wyjściowe prostownika przy α= 45o i 135o z uwzględnieniem
podanych wartościach napięcia i indukcyjności źródła oraz prądu odbiornika.
30. Prostownik tyrystorowy sześciopulsowy mostkowy jest zasilany poprzez transformator
obniżający napięcie o przekładni napięciowej 0,25. Układ połączeń uzwojeń gwiazdagwiazda. Wartość średnia prądu odbiornika o bardzo dużej indukcyjności i pomijalnie
małej rezystancji (tgφ→ ∞) wynosi Id a kąt opóźnienia wysterowania tyrystorów α=π/6.
Pomijając zjawisko komutacji należy wyznaczyć:
a) przebieg czasowy prądu jednego z tyrystorów,
b) przebiegi czasowe prądów uzwojenia pierwotnego i wtórnego transformatora (pominąć
prąd magnesowania transformatora),
c) wartość średnią i skuteczną prądów tyrystorów,
d) wartości skuteczne prądów uzwojeń pierwotnych i wtórnych transformatora (pominąć
prąd magnesowania transformatora),
e) współczynnik mocy przekształtnika jeśli wiadomo, że stosunek wartości skutecznej
podstawowej harmonicznej prądu linii zasilającej do wartości skutecznej tego prądu
wynosi 0,955.
31. Dany jest trójfazowy diodowy prostownik mostkowy zasilany z linii trójfazowej o
znanym napięciu fazowym URMS. Odbiornik prądu stałego ma charakter R-L o bardzo
dużej indukcyjności tak, że prąd wyprostowany Id można uznać za stały. Pomijając
zjawisko komutacji wyprowadź wzór określający wartość skuteczną podstawowej
harmonicznej oraz wszystkich wyższych harmonicznych o rzędach mniejszych od 15
prądów pobieranych z linii, jeśli znana jest wartość rezystancji odbiornika R i sprawność
energetyczna η przekształtnika.
32. Niesterowany prostownik mostkowy jest zasilany bezpośrednio z sieci trójfazowej
3×400V. Prostownik ten zasila odbiornik , którego rezystancja wynosi R=10Ω a
indukcyjność L=100mH.
a) Wyznacz wartość średnią Id1 prądu odbiornika przy zasilaniu trójfazowym.
b) Oblicz jaką wartość średnią Id2 przyjmie prąd odbiornika , jeśli z jakichś powodów ( np.
w wyniku zadziałania zabezpieczenia przeciwzwarciowego) nastąpi przerwa w jednym
z przewodów zasilających prostownik. Wyznacz stosunek Id2/Id1.