PRZEKSZTAŁTNIKI SIECIOWE zadania zaliczeniowe 1. UWAGA: W podanych poniżej zadaniach w każdym przypadku odniesionym do określonego obwodu przekształtnikowego należy narysować kompletny schemat wraz zastrzałkowanymi i opisanymi wielkościami napięć i prądów. 2. Jeżeli nie zaznaczono inaczej w temacie 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 tyrystora. 3. 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. 4. Narysuj podstawowe schematy 2-pulsowych jednofazowych prostowników diodowych - jedno i dwukierunkowego i porównaj ich właściwości użytkowe. 5. Prostownik jednofazowy mostkowy zasilany jest ze źródła napięcia sinusoidalnego o napięciu 230V RMS i o indukcyjności wewnętrznej 500 μh ma na wyjściu kondensator o wielkiej pojemności i obciążony jest rezystorem tak, że napięcie na wyjściu jest równe 290 V. Narysuj dla tego przypadku: a) schemat układu z zastrzałkowanymi napięciami i prądami b) przebiegi napięcia i prądu na wejściu i wyjściu mostka diodowego c) przebiegi prądu i napięcia wybranej diody prostowniczej 6. Układ ładowania akumulatora składa się z transformatora sieciowego i mostka diodowego). W szereg z akumulatorem o napięciu źródłowym E=6Vwłączono rezystor R=1Ω. Jednofazowe napięcie sinusoidalnie przemienne doprowadzone do prostownika mostkowego jest opisane wzorem u=16sin100πt. Spadek napięcia na każdej przewodzącej diodzie wynosi ΔU=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 prostownika jak w p.5. ale przy założeniu że indukcyjność występuje nie w obwodzie źródła napiecia przemiennego a na wyjściu prostownika wykonać rysunki jak w p. 3. a, b, c
8..Dla obwodu jak w p.4 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.. 9. Narysuj schemat prostownika diodowego 2-pulsowego 2 diodowego zasilanego ze źródła bezindukcyjnego AC w postaci transformatora wielouzwojeniowego. Na wyjściu prostownika włączona jest indukcyjność filtrująca. Narysuj przebiegi napięcia i prądu wyjściowego z prostownika w przypadku granicznym przejścia od prądu impulsowego do ciągłego w odbiorniku przy założeniu. Wyznacz dla tego przypadku napięcie średnie na wyjściu. Narysuj charakterystykę zewnętrzną dla prądu obciążenia większego i mniejszego od wartości odpowiadającej przypadkowi granicznemu. 10. Dławik na wyjściu prostownika w zadaniu 7 jest tak duży, że wartość prądu w okresie napięcia sieci nie zmienia się. Jaki napięcie AC jest konieczne na wejściu dla uzyskania napięcia wyjściowego 100V jeżeli: a) indukcyjność obwodu AC w relacji do prądu wyjściowego jest pomijalnie mała b) iloczyn indukcyjności w obwodzie AC i prądu wyjściowego LsId = 0,5 Vs (f= 50 Hz) c) Narysuj przebiegi napięcia na wyjściu prostownika i prądu uzwojeniach w obu przypadkach 11. Prostownik diodowy mostkowy jest zasilany z 3 fazowej sieci o indukcyjności w każdej z faz 0,5 mh. Do wyjścia prostownika dołączony jest kondensator filtrujący i odbiornik DC. a) Narysuj schemat z oznaczonymi numerami diodami ( D1..D6). b) Narysuj typowe przebiegi prądu wyjściowego i prądu w każdej z faz zasilających ( prąd impulsowy). c) Oznacz na wykresie przez które diody przepływają kolejne impulsy 12. Mostek diodowy, trójfazowy 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 60 segmenty b) Wyznacz dla tego przypadku podstawową harmoniczna prądu, THD, wartość skuteczną prądu oraz współczynnik mocy c) napięcie zasilające ( wartość skuteczną sinusoidy ) jeżeli napięcie wyjściowe jest równe 100 V 13. W układzie jak z zad. 11 w obwodzie zasilania występują indukcyjności 0,5 mh. ( zadanie tematycznie związane z W2 - komutacja) a) Narysuj przebiegi napięcia na zaciskach wyjściowych mostka i prądu na wejściu mostka diodowego (w 3 przewodach zasilających) b) Oblicz jakie napięcie fazowe jest potrzebne w tym przypadku aby przy 100A uzyskać napięcie wyjściowe 100V. c) Narysuj schemat oczka obwodu komutacyjnego, napisz równanie opisujące przebieg prądu podczas komutacji i objaśnij jak obliczyć kąt komutacji
14. Objaśnij na czym polega pakietowe sterowanie energią w grzejnikach zasilanych napięciem przemiennym. Porównaj to sterowanie z sterowaniem fazowym biorąc pod uwagę : współczynnik mocy, zakłócenia, charakterystykę sterowania 15. Tyrystorowy dwupulsowy prostownik mostkowy zasilany z sieci napięciem 230V RMS 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. 16. 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. Narysuj dla tego przypadku napięcia i prądy gałęzi regulatora 17. Narysuj możliwie dokładnie orientacyjne przebiegi napięć i prądów odbiornika a) dla prostownika 1-fazowego 3-pulsowego przy α = 150 i napięciu wewnętrznym odbiornika Eo/Um = - 0.2 ( minus) przy założeniu że rezystancja odbiornika jest bliska 0 (odbiornik LE) b) dla prostownika trójfazowego 3-pulsowego przy α = 120 i przy założeniu że kąt komutacji μ=10 el. 18. Tyrystorowy 2-pulsowy prostownik mostkowy jest obciążony rezystorem. Dane są następujące wartości: -amplituda napięcia AC U m =330V, 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. 19. Tyrystorowy dwupulsowy prostownik mostkowy zasilany bezpośrednio z sieci napięciem 230V jest obciążony odbiornikiem o cechach źródła prądu o wartościi d =36A. Kąt opóźnienia wysterowania tyrystorów α=π/6.wyznacz współczynnik mocy prostownika jeśli wiadomo, że stosunek amplitudy podstawowej harmonicznej prądu linii zasilającej I m(1) do wartości skutecznej I RMS tego prądu jest równy 4/π. Pomiń zjawisko komutacji oraz spadki napięć na przewodzących tyrystorach.
20. 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,-wartość prądu wyprostowanego,-współczynnik mocy prostownika przy podanym kącie α.,pominąć zjawisko komutacji i straty mocy w prostowniku. Narysować schemat układu. 21. Dla przypadku jak w p1b) wyznacz wartość średnią napięcia odbiornika przy α = 0 i przy założeniu że U2 = 220 V a prąd obciążenia ma stałą i identyczna jak dla przypadku w p 1.b wartość 50 A. 22. Na przykładzie prostownika 1-fazowego, 2-pulsowego z dzielonym uzwojeniem wtórnym transformatora należy: a) Objaśnić na wykresach zjawisko komutacji i podać możliwie dokładne przebiegi napięć i prądów dla α = 0 el i 90 el.. b) Przyjąwszy, że napięcie strony wtórnej wynosi 115VRMS a prąd w czasie komutacji ma wartość 100 A określić wartość indukcyjności rozproszenia transformatora jeżeli kąt komutacji przy α =90 el wynosi 6 el ( 333μs) 23. Dla prostownika 3-fazowego mostkowego narysować przebiegi napięć i prądów odbiornika przy obciążeniu rezystancyjnym i α=60 el. Na wykresie uwzględnić impulsy bramkowe tyrystorów. 24. Narysować przebiegi napięcia odbiornika i prądu wejściowego dla 3-fazowego mostkowego prostownika przy α =30 el.obliczyć współczynnik mocy dla tego przypadku pomijając komutację i przyjmując, że prąd odbiornika jest idealnie wygładzony. 25. Prostownik tyrystorowy, trójfazowy 3-pulsowy zasilany z linii 3*230Vrms pracuje przy kącie α = 30 el i prądzie 10A praktycznie stałym co do wartości z uwagi na wielka indukcyjność odbiornika. Jaka jest w przybliżeniu indukcyjność komutacyjna jeżeli kat komutacji wynosi 5 el. Narysować przebiegi napięcia odbiornika i prądu w zaworach jeżeli kąt α wzrośnie do 90 el a prąd będzie równy 50 A. 26. Prostownik 3-pulsowy tyrystorowego zasilany 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 30º el.(kąt opóźnienia wysterowania α jest wówczas równy zeru) a odbiornikiem jest rezystor. b) Wyznacz wartość średnią napięcia wyprostowanego jeśli wartość skuteczna napięcia fazowego zasilającego prostownik jest równa U.
27. Prostownik 3-pulsowy tyrystorowy zasilanego z sieci trójfazowej poprzez transformator obniżający o przekładni napięciowej 1:4.Uzwojenia pierwotne i wtórne transformatora połączone są 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 30º el.) a odbiornikiem jest dławik o bardzo małej rezystancji. b) Pomijając zjawisko komutacji oraz prąd magnesujący transformatora oblicz wartość skuteczna prądu uzwojeń wtórnych transformatora oraz prądu linii zasilającej jeśli prąd stały odbiornika jest równy I d?. 28. Do ładowania dużej baterii akumulatorów o napięciu nominalnym 24 V przewiduje się jednofazowy, 2-pulsowy 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. a) Określ jaką przekładnia napięciowa transformatora jest konieczna aby zapewnić pełny prąd ładowania przy maksymalnym napięciu baterii uwzględniając spadki komutacyjne. Indukcyjność obwodu zasilania należy przyjąć równą 1 mh b) Oblicz wartości średnie o skuteczne prądu w tyrystorach i uzwojeniach transformatora przy maksymalnym prądzie ( 100 A) c) Oblicz współczynnik mocy urządzenia dla przypadku gdy napięcie baterii jest minimalne i maksymalne 29. W urządzeniu o zastosowaniu i parametrach użytkowych identycznych jak w zadaniu 7. należy przewidzieć zastosowanie mostka prostowniczego w wersji półsterowanej. ( do wyboru jeden z dwóch wariantów) a) Narysuj przebiegi napięcia na wyjściu prostownika i prądy w zaworach i uzwojeniu transformatora przy. Określ jaką przekładnia napięciowa transformatora jest konieczna aby zapewnić pełny prąd ładowania przy maksymalnym napięciu baterii uwzględniając spadki komutacyjne. Indukcyjność obwodu zasilania należy przyjąć równą 1 mh b) Oblicz wartości średnie o skuteczne prądu w tyrystorach i uzwojeniach transformatora przy maksymalnym prądzie ( 100 A) c) Oblicz współczynnik mocy urządzenia dla przypadku gdy napięcie baterii jest minimalne i maksymalne 30. Do zasilania wzbudzenia generatora synchronicznego o rezystancji 20 Ω wymagana jest moc 2420 W. Wielka indukcyjność zapewnia w całym zakresie sterowania ciągły prąd odbiornika który może być regulowany pomiędzy (0,5.. 1,0) Imax. Zaproponuj racjonalny układ prostownika tyrystorowego umożliwiający zasilanie tego uzwojenia bezpośrednio z sieci trójfazowej o pomijalnie małej impedancji wewnętrznej i określ: a) Przy jakich wartościach kąta opóźnienia załączania a będzie pracował prostownik przy prądzie Imax i 0,5 Imax.
b) Jaka wartość średnia i skuteczna prądu będzie płynęła przez tyrystor przy maksymalnym prądzie c) Jaką średnia szybkość narastania i opadania prądu odbiornika można uzyskać przy 0,5 Imax i 0,9 Imax przyjmując że indukcyjność odbiornika wynosi 0,5 H a kąt α prostownika może być zmieniany w zakresie 0-150 el. 31. Napięcie zasilające 1-fazowy prostownik tyrystorowy mostkowy ma kształt fali prostokątnej o wartości ±100V i częstotliwości 1000 Hz. a odbiornik ma charakter źródła prądu o wartości 100 A. a) Narysuj przebiegi napięcia na odbiorniku oraz prądu w źródle zasilającym przy kątach a = 0, 45, 90, 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(a) i zależność na kąt komutacji oraz stratę napięcia wywołanego komutacją.. d) Oblicz napięcie wyjściowe prostownika przy a = 45 i 135 z uwzględnieniem podanych wartości napięcia i indukcyjności źródła oraz prądu odbiornika. 32. 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, 90, 150 el przyjmując, że w przypadku α = 90 kat komutacji μ=6. Oszacuj wartość prądu odbiornika dla tego przypadku. b) Pomijając zjawisko komutacji określ dla wskazanych przypadków współczynnik mocy urządzenia. 33. Prostownik tyrystorowy sześciopulsowy mostkowy jest zasilany poprzez transformator obniżający napięcie o przekładni napięciowej 1:4. Układ połączeń uzwojeń gwiazdagwiazda. Wartość średnia prądu odbiornika o bardzo dużej indukcyjności i pomijalnie małej rezystancji (tgφ ) wynosi I d 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.
34. Dany jest trójfazowy diodowy prostownik mostkowy zasilany z linii trójfazowej o znanym napięciu fazowym U RMS.Odbiornik prądu stałego ma charakter R-L o bardzo dużej indukcyjności tak, że prąd wyprostowany I d 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. 35. 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 I d1 prądu odbiornika przy zasilaniu trójfazowym. b) Oblicz jaką wartość średnia Id2 przyjmie prądu odbiornika, jeśli z jakichś powodów ( np. w wyniku zadziałania zabezpieczenia przeciwzwarciowego) nastąpi przerwa w jednym z przewodów zasilających prostownik. c) Wyznacz stosunek I d2 /I d1.