Методический анализ темы «Преобразователи для потребителей переменного тока»

                   Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра электрооборудования и автоматизации промышленных предприятий

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Методика профессионального обучения»

на тему «Методический анализ темы «Преобразователи для потребителей переменного тока»»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2014

Содержание

 

 

Введение

В психолого-педагогической подготовке педагога профессиональной школы курсовая работа по методике профессионального обучения занимает особое место. Она предполагает формирование у будущих педагогов умений использования системы психолого-педагогических и методических знаний для решения актуальных методических проблем.

Методика профессионального обучения рассматривается как самостоятельная ветвь педагогического знания о конструировании, применении и развитии специальных средств регуляции обучающей деятельности педагога. В процессе формирования и развития профессиональных знаний и умений происходит взаимодействие личностей педагога как носителя приемов, методик и технологий обучения и личности учащегося. Профессионально-личностное взаимодействие преподавателя и учащихся тесно переплетается с содержательно-деятельностной стороной обучения, образуя с помощью специально разработанных средств учебно-воспитательную ситуацию, оказывающую действенное влияние на результаты обучения.

Целями курсовой работы являются:

• систематизация профессиональных знаний и умений применения системы психолого-педагогических, методических и предметных знаний при решении методических проблем;
• развитие навыков самостоятельной работы с литературными источниками;
• овладение умениями выполнения методических разработок.

В ходе курсовой работы осваивается логика научного исследования, изучается передовой педагогический опыт, углубляются и систематизируются полученные теоретические знания и методические умения в области методики профессионального обучения.

 

 

 

 

1 Аналитический  обзор литературы

Преобразование переменного тока в постоянный и постоянного в переменный

     Электроэнергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами, т. е. генераторами переменного тока, который удобно преобразовывать трансформаторами и передавать на большие расстояния. Между тем имеется ряд технологических процессов, требующих постоянного тока: электролиз, зарядка аккумуляторов и т. д. Поэтому часто возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный и обратно.

 

     Широко распространенные в начале XX в. электромашинные преобразователи (одноякорные преобразователи и мотор-генераторные установки) уступили свое место более компактным и бесшумным полупроводниковым выпрямителям.

Рис. 1.12. Двухтактный однофазный выпрямитель

     Благодаря высоким эксплуатационным показателям и малым габаритам полупроводниковых выпрямителей появилась тенденция к замене генераторов постоянного тока синхронными генераторами, имеющими на выходе полупроводниковый выпрямитель. Таким образом, появились новые классы машин — трансформаторов и синхронных,— постоянно работающих с выпрямителями. Однако работа электрической машины на выпрямитель имеет особенности, которые надо учитывать при проектировании этих машин и анализе процессов, происходящих в них.

     Преобразование переменного тока в постоянный производится с помощью полупроводниковых вентилей, имеющих одностороннюю проводимость. На рис. 1.12 и 1.13 показаны наиболее распространенные схемы выпрямителей: однофазного (рис. 1.12, а) и трехфазного (рис. 1.13, а) и кривые напряжений и токов (рис. 1.12,5. в, рис. 1.13,6, в соответственно). Через полупроводниковые вентили (диоды) ток может проходить только тогда, когда положительный потенциал приложен к аноду (в направлении вершины треугольника на рис. 1.12, а), в связи с чем напряжение на нагрузке — пульсирующее.

Рис. 1.13. Трехфазный мостовой выпрямитель

 

        2. Способ трансформации При однофазном выпрямлении пульсации напряжения на на^-грузке весьма значительны, а частота переменной составляющей в 2 раза выше частоты переменного тока (рис. 1.12, б). При трехфазном мостовом выпрямлении схема получается шеститактной и пульсации напряжения невелики — менее 6% от постоянной составляющей (рис. 1.13, б). Ток в цепи нагрузки обычно сглажен сильнее, чем напряжение, так как цепь нагрузки часто содержит индуктивность, представляющую большое сопротивление для переменной составляющей тока и малое — для постоянной. Если считать ток в нагрузке /<* полностью сглаженным, то по обмоткам трансформатора проходит ток, имеющий вид прямоугольников (рис. 1.12,6 и 1.13, в), содержащий высшие гармоники, повышающие нагрев обмоток. Кроме того, при использовании схем выпрямления с нулевой точкой имеется постоянная составляющая тока в обмотках (рис. 1.12,6). Из-за этого резко возрастает действующее значение тока и нужно принимать меры против создания постоянного подмагничивания стержня. Для предотвращения этого явления, например, в однофазных трансформаторах применяют либо броневую конструкцию (рис. 1.14), либо на каждом стержне располагают все обмотки трансформатора, деля их пополам. Большое влияние на работу выпрямителя (рис. 1.15, о) оказывает коммутация тока — процесс перехода с одного вентиля на другой. Из-за наличия индуктивностей в токопроводящей цепи и индуктивности, обусловленной потоками рассеяния трансформатора, ток с одного вентиля переходит на другой не мгновенно, а за период коммутации Гк, которому соответствует угол коммутации у (рис. 1.15, б). Для простоты предположим, что ток в нагрузке Id идеально сглажен. Тогда сумма токов через первый и второй вентили ia\ и iai в процессе коммутации неизменна:

Рис. 1.14. Схематический чертеж броневого трансформатора

В момент начала коммутации, когда значение ЭДС проходит через нуль и меняет знак, обмотка трансформатора становится замкнутой накоротко и для ее контура можно написать уравнение

 

Во время коммутации напряжение на нагрузке СЛг=0,5(е2а+ +е2ь) и в однофазном выпрямителе равно нулю (рис. 1.15, б). Следовательно, из-за коммутации уменьшается выпрямленное напряжение и увеличивается его пульсация. Поскольку угол коммутации у тем больше, чем больше ток нагрузки Id и индуктивное сопротивление ха, для повышения качества выпрямителя желательно, чтобы питающая его машина имела небольшое индуктивное сопротивление. В трансформаторе ха равно индуктивному сопротивлению, обусловленному потоками рассеяния, и определяется из опыта короткого замыкания В синхронном генераторе где Ха" и xq" — сверхпереходные индуктивности по продольной и поперечной осям соответственно, учитывающие наличие тока в демпферной обмотке. Таким образом, синхронные генераторы, предназначенные для работы на выпрямитель, должны быть рассчитаны на работу с несинусоидальным током и иметь демпферную обмотку.

 

Коэффициент мощности генератора, работающего на нерегулируемый выпрямитель,

Рис. 1.16. Схема однофазного инвертора

где v«0,9 — коэффициент искажения; >ф«0,5у— угол сдвига тока относительно первой гармоники напряжения.

     Преобразование постоянного тока в переменный производится с помощью инверторов, в которых используются управляемые вентили: транзисторы, тиристоры и др.Схема однофазного инвертора представлена на рис. 1.16. Включение вентилей инвертора производится поочередно каждый полупериод таким образом, чтобы направление тока во вторичной обмотке трансформатора было противоположно направлению ЭДС в этой обмотке, т. е. чтобы энергия передавалась от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Инверторы имеют сравнительно сложную систему автоматического управления, что ведет к повышению их стоимости и уменьшению надежности по сравнению с неуправляемыми выпрямителями. Кроме того, в инверторе возможно появление режима сквозного горения, когда ток в обмотке совпадает по фазе с ее ЭДС. Такой режим возможен либо при неисправности в системе управления, либо при слишком большом угле коммутации. При сквозном горении обычно ток возрастает до недопустимого значения и обычно полупроводниковые вентили выходят из строя. Большое число элементов в системе управления и возможность аварийного режима сквозного горения делают надежность инверторов значительно ниже, чем у неуправляемых выпрямителей: наработка на отказ уменьшается в 50... 100 раз.

     2.1 Перспективные идеи преобразования - Перспективна идея питания от инверторов асинхронных и синхронных двигателей. Изменяя частоту включения вентилей, можно менять частоту напряжения на выводах статора двигателя и тем самым экономично (без сопротивлений) регулировать угловую скорость. Такой способ регулирования скорости называется частотным. Однако низкая надежность систем с инверторами — преобразователями частоты препятствует их широкому применению. В настоящее время частотное регулирование скорости применяется только в особых условиях, где не могут работать двигатели постоянного тока, погруженные в жидкость: двигатели судов, нефтепроводов, двигатели шаровых мельниц и т. д.

 

Рис. 1.17. Устройство машины постоянного тока

Имеются экспериментальные образцы с частотным регулированием в крановом и тяговом электрооборудовании. В машине постоянного тока имеется своеобразный преобразователь— коллектор, который в генераторном режиме является выпрямителем, а в двигательном — преобразователем частоты. Конструкция машины постоянного тока сходна с конструкцией обращенной синхронной машины, у которой обмотка якоря находится на роторе, а магнитные полюсы неподвижны. При вращении якоря (ротора) в проводниках обмотки индуцируется ЭДС, направленная так, как это показано на поперечном разрезе рис. 1.17, а. В проводниках, расположенных по одну сторону линии симметрии, разделяющей полюсы, ЭДС направлена всегда в одну сторону, независимо от угловой скорости. При вращении одни проводники уходят под другой полюс, на их место приходят другие проводники, а в пространстве, под полюсом одной полярности, картина почти неподвижна, только одни проводники сменяются другими. Следовательно, возможно получить практически неизменную ЭДС от этой части обмотки. Постоянная ЭДС получается с помощью скользящего контакта между обмоткой и внешней электрической цепью. Проводники соединяются в витки с шагом ушт, как в машинах переменного тока, а затем витки соединяются последовательно один за другим, образуется замкнутая обмотка. В половине обмотки (в двухполюсной машине) наводится ЭДС одного знака, а в другой — противоположного, как показано на эквивалентной схеме обмотки (рис. 1.17, б). По контуру обмотки ЭДС в ее частях направлены встречно и взаимно уравновешиваются. Вследствие этого при холостом ходе генератора, т. е. при отсутствии внешней нагрузки, по обмотке якоря ток не проходит. Внешняя цепь соединяется с якорем через щетки, устанавливаемые на геометрической нейтрали. Для улучшения контакта щетки выполняются в виде прямоугольных графитовых брусков, а скользят они по поверхности коллектора, который собирается из медных пластин, изолированных друг от друга. В крупных машинах начало и конец каждого витка присоединяются к коллекторным пластинам; в малых машинах пластин меньше, чем витков, и поэтому между двумя пластинами припаивается часть обмотки из нескольких витков — секция. Под нагрузкой через проводники якоря проходит ток, направление которого определяется направлением ЭДС. В связи с тем что ток нагрузки постоянен, в витках обмотки якоря ток имеет форму, близкую к прямоугольной (рис. 1.18, а). При переходе витка из одной параллельной ветви в другую он замыкается накоротко щеткой на время, называемое периодом коммутации (рис. 1.18, б)

TK=bJvKOn,

где Ьщ — ширина щетки; иКол — линейная скорость точки, находящейся на поверхности коллектора. В простейшем случае, когда щетка уже коллекторной пластины, для секции, замкнутой щеткой (рис. 1.18,0),

Рис. 1.18. Диаграммы токов при коммутации

где iiRi=AUi и i2R2=AU2 — падение напряжения в щеточном контакте соответственно с первой и второй коллекторной пластинами; Rc — активное сопротивление секции; Lpe3 — результирующая индуктивность секции; ек — ЭДС от внешнего поля. Пренебрегая iRc ввиду малости Rc, получим

Полученное основное уравнение коммутации (1.68) совпадает с уравнением коммутации в выпрямителе (1.61). Решение этого уравнения легко получить, предположив, что Д£Л—Д£/2«0,

Чтобы при выходе из-под щетки первой пластины не происходил разрыв тока, в момент времени t = TK ток через первую пластину должен быть равен нулю: 11(Гк)=0=21а-|-ек.ср71к/^рез, откуда

 

Это условие безыскровой коммутации сводится к тому, чтобы во всех режимах угол коммутации у был неизменен:

y=*TK=2vJ>JDavKoll=2b'jDa

где Da — диаметр якоря; va — линейная скорость точки, находящейся на поверхности якоря; Ь'щ=ЬщОа/ОКОл — ширина щетки, приведенная к диаметру якоря. Для выполнения этого условия ЭДС в зоне коммутации ЭДС ек создается специальными добавочными полюсами, обмотка которых включена последовательно в цепь якоря, а их магнитная цепь делается ненасыщенной. Процесс коммутации в выпрямителях, инверторах и в машинах постоянного тока сходен. И в том и в другом случаях процесс изменения тока в период коммутации определяется значением и формой ЭДС в короткозамкнутом контуре. Поэтому нельзя уподоблять коллектор механическому выпрямителю, как это иногда делается [3]. Наличие коллектора вносит и свои особенности: усложняется конструкция машины и более дорогой становится эксплуатация. Однако эти недостатки электрических машин искупаются их основным преимуществом: в двигательном режиме случайные нарушения коммутации обычно приводят к небольшому подгару коллектора и щеток, а не к аварийному режиму опрокидывания, как в инверторах. Вследствие этого надежность коллекторной машины постоянного тока значительно выше надежности системы «асинхронный двигатель— преобразователь частоты», ее КПД на 3...5% выше, машина значительно дешевле, имеет меньшие габариты и массу. Эти преимущества и заставляют отдавать предпочтение машине постоянного тока, ограничивая применение асинхронного двигателя с частотным регулированием узкими рамками специфических устройств (двигатели, работающие в жидкости, и т. д.).