Лекция № 2 Тема: выпрямители переменного тока.

Представляется целесообразным охарактеризовать наиболее важные информационные технологии.

Технологии безбумажного документооборота (офисные технологии). Идея безбумажной информатики не нова. Еще в 60-х-70-х годах стало ясно, что компьютеры способны не только к вычислениям, но и к обработке текстовых данных. Однако этот замысел не нашел должной реализации по следующим причинам. Во-первых, уровень развития технической и программной базы не позволял осуществить полноценное внедрение теоретических наработок. Во-вторых, определенный перекос осуществлялся и в самой постановке вопроса, а именно речь шла о полном отказе от традиционного носителя информации – бумаги. Естественно, что это отпугивало пользователей- непрофессионалов и по сути было нереализуемым. И лишь с появлением персональных компьютеров и развитых программных средств для них рассматриваемая технология нашла реальное воплощение без первоначального перекоса, связанного с самим понятием « безбумажная».

В настоящее время офисные технологии базируются на использовании специальных комплектов программ, подобных Microsoft Office. Такие комплекты включают в себя программы для обработки текстовых документов (текстовые редакторы – Microsoft Word), проведения расчетов (табличные процессоры – Microsoft Excel),управления базами данных (Microsoft Access), планирования работ (Microsoft Project, Microsoft Schedule), комплексирования документов (Microsoft Binder) и другие. С их помощью можно создавать и обрабатывать разнообразные документы, состоящие из текстовой части, сопровождаемых иллюстрациями, графиками, расчетными соотношениями и т.д. В полученных документах без особого труда организуется корректировка, модификация, поиск нужных разделов и другие подобные операции. Универсальные и доступные пользователям-непрофессионалам в области программирования механизмы связывания объектов позволяют комплектовать в единое целое разнородные части (например, текст и графику). Использование принципа «что вижу – то получаю» дает возможность готовить макет документа на экране монитора, и в таком же виде получать на принтере его бумажную копию, что удачно совмещает «безбумажную» подготовку документа с материализацией в традиционном виде.

Хорошо себя зарекомендовал безбумажный документооборот в сдаче всевозможных отчетов в электронном виде, например в налоговую инспекцию, через Интернет. Лет пять назад мне довелось сдавать годовой отчет университета для Министерства сельского хозяйства, подготовленный с помощью продуктов фирмы 1С. Предварительно отчет был подготовлен в соответствующей программе и затем в электронном же виде сдан и проверен в принимающей организации. Тогда мне не было понятно, зачем, чтобы сдать отчет нужно было ехать в Москву.

Кроме офисных пакетов также к этой категории ИТ можно отнести следующее. Дополнительное применение специальных устройств (сканеров) и программ позволяет вводить в память ЭВМ изображения и текст (DesckScan). При необходимости можно организовать распознавание введенного текста с целью его дальнейшей обработки на компьютере (CuneiForm, FineReader).Программы - переводчики осуществят перевод документа с одного языка на другой (Stylus, Socrat), а лингвистические программы выполнят орфографический и синтаксический контроль текста (Orfo) разнообразные графические редакторы (Corel, PageMaker) помогут оформить иллюстрационную часть документа, программы- проектировщики (AutoCad) позволят разработать чертеж или электрическую схему, математические программы (MathCad)облегчат проведение сложных расчетов. Программы- архиваторы обеспечат компактное хранение архивных документов на магнитных носителях информации и позволят довольно эффективно извлекать из архивов нужные документы.

Дальнейшее развитие офисная технология получила в издательских системах. Так называются программы, с помощью которых осуществляют компьютерную верстку издания (книги, журналы, газеты) и его последующую выдачу на множительную аппаратуру для массовой печати.

Технология мультимедиа. Качественно новый уровень был достигнут при переходе к обработке не только текстовой и графической информации, но звука и изображений, в том числе и движущихся. Это породило мультимедийные технологии. Оснащение компьютеров устройствами ввода и вывода звуковой и видеоинформации (микрофоны, акустические системы, видеокамеры, сканеры) позволило наполнять машинную память принципиально новыми типами данных и, после соответствующей обработки, извлекать их, то есть доводить до пользователя. Сказать, что компьютер просто интегрировал в себе функции бытовых устройств (аудио- и видеомагнитофона, а также телевизора) явно недостаточно. Программное обеспечение позволяет вести обработку аудио- и видеоданных, в том числе и в режиме реального времени, а это создает предпосылки для нетрадиционного использования ресурсов компьютера.

В частности, возможно создание или воссоздание динамической трехмерной картины на экране монитора, сопровождаемой необходимыми звуковыми эффектами. Это привело к особому явлению: виртуальная реальность обеспечила подход к решению принципиально новых задач: построение компьютерных тренажеров, воспроизведение трудно моделируемых традиционными способами процессов (например, природных явлений).

Сочетание сетевых и мультимедийных технологий привело к возможности передачи по компьютерным сетям видео- и аудиоинформации. Поэтому трансляция фильмов и телепередач в сети, обмен речевыми сообщениями, организация и проведение видеоконференций стали реальностью.

Одним из ограничивающих факторов является скорость передачи информации. В качестве примера можно привести решение одного из челябинских ВУЗов, организовавших дистанционное обучение с использованием мультимедийных технологий. В их случае по сети передается звук лекции и анимационное и графическое изображение.

О серьезности таких технологий говорит тот факт, что распространение аудио- и видеозаписей в цифровом формате между пользователями сетей может существенно подорвать или уничтожить индустрию тиражирования компакт-дисков и видеокассет. Это о влиянии современных ИТ на другие отрасли современной экономики.

Технологии баз данных.Хранение информации в памяти ЭВМ давно перестало быть чем-то экзотическим. Современные автоматизированные системы позволяют накапливать и вести огромные массивы информации, а также эффективно осуществлять поиск и выдачу требуемых данных пользователям. В основу построения этих систем положена концепция баз данных. Согласно этой концепции, данные непосредственно не связаны с прикладными программами, а все операции по манипулированию ими возлагаются на специальную программу, называемую система управления базами данных (СУБД).

Современные СУБД, помимо непосредственного управления данными, организуют взаимодействие с пользователями и, обладая развитыми средствами ведения диалога, ориентированы на работу не только с профессионалами в области программирования. Особое распространение базы данных получили в период массового внедрения в практику персональных компьютеров. Появились разнообразные СУБД, разработанные для широкого круга применений, и технология баз данных стала доминирующей в сфере компьютерного хранения информации.

Распространение этой технологии на уровень сетевой среды привело к появлению распределенных баз данных (РБД) и систем управления этими базами (СУРБД). Распределенные базы данных стали основой построения географически рассредоточенных информационных систем. Их основным достоинством является возможность накопления практически неограниченных объемов информации, повышение надежности их хранения и удовлетворение запросов на выдачу данных в любую точки пространства, охватываемого сетью.

Другая ветвь развития технологии бах данных – это хранилища данных (ХД), накапливающие агрегированную информацию. Они предназначены для совместного использования с обычными БД и имеют следующие отличия. Данные из хранилищ данных не удаляются, позволяя строить временные срезы информации, например, отслеживать динамику развития каких-либо процессов. Хранимые данные агрегируют по нескольким изменениям, давая возможность оперативно предоставлять нужные данные различным категориям пользователей. При пополнении хранилищ автоматически формируются новые агрегаты данных, зависящие от старых, и пользователям может выдаваться интегрированная информация. Поддержание в хранилищах различных уровней обобщения создает предпосылки к проведению анализа «вглубь» с целью уточнения запрашиваемых данных.

Предполагается наполнять хранилища данных текстовыми, аудио-, видео- документами, включая элементы интерактивного общения. Возникает проблема хранения огромного количества информации, отдельные единицы которой могут быть востребованы с различной частотой и требования по оперативности их выдачи дифференцированы.

Технология хранилищ данных может быть распространена на уровень территориально-распределенных сетей и сами хранилища могут строиться распределенными.

Технологии моделирования.Моделирование прочно утвердилось в практике управления, научных исследований, производства, обучения. Разработка и применение моделей шагнули из области искусства в сферу промышленного освоения. В настоящее время в широком ассортименте представлены инструментальные средства, предназначенные для построения машинных моделей и проведения экспериментов на них. При этом основное внимание уделяется автоматизации процесса моделирования, начиная от конструирования модели и заканчивая обработкой экспериментальных данных.

Основными пользователями подобных систем моделирования являются не математики, а специалисты- прикладники. Процесс моделирования заключается в следующем: постановка задачи и выбор стратегии ее решения, разработка концептуальной схемы модели и ее формализация. Детализация исследуемого объекта осуществляется до требуемого уровня. Далее на компьютере идет конструирование модели из отдельных агрегатов и ее настройка на реальные условия в соответствии с исходными данными. Указывается характер получаемого результата и подлежащая выявлению зависимость результата от параметров исследуемого объекта и среды. Программа- построитель проводит сборку модели на базовом языке моделирования, а планировщик задает порядок использования модели. После этого реализуется запуск модели на компьютере и обработка результатов в соответствии с запланированным экспериментом. Пользователю выдаются интегрированные данные в виде таблиц или графиков. Сам процесс исполнения модели может быть визуализирован, то есть на экран выводятся динамически меняющиеся образы, отражающие состояния модели в любой текущий момент времени, отдельные временные срезы могут запоминаться для дальнейшего детализированного изучения, а пользователь в интерактивном режиме может вносить коррективы в сам процесс моделирования.

Технологии искусственного интеллекта.Развитие технических и программных средств неизбежно приведет к становлению новых технологий решения сложных задач управления, принятия решений, обучения и т.д.

В настоящее время ЭВМ используется для решения подобных задач только в том случае, если они хорошо структурированы, то есть известны стандартные процедуры, детально описывающие алгоритмы решения. Однако большинство задач относится к категории слабо структурированных, для которых детальное описание процесса решения не представляется возможным. Методологической основой решения задач названного класса является построение экспертных систем и систем поддержки принятия решений.

Экспертные системы предназначены для моделирования поведения опытных специалистов при решении задач по какому- либо узкому вопросу в определенной предметной областью. Такие системы призваны оказывать помощь управленцам, когда их собственных знаний, опыта и интуиции недостаточно для самостоятельного решения возникающих проблем. В идеале экспертные системы должны быть способны заменить человека в случае невозможности им своевременного и правильного принятия решения.

Перед системами поддержки принятия решений не ставят столь глобальных целей. Они предназначены для оказания помощи пользователям (работникам управленческого персонала, аналитикам) в неструктурируемых или слабострукрурируемых ситуациях выбора. Такие системы выступают в роли референта, который позволяет расширить способности человека, но не заменяет его мнение или систему предпочтений. Они предназначены для использования в ситуациях, когда процесс принятия решения невозможно полностью формализовать и реализовать на ЭВМ ввиду необходимости учета субъективного мнения.

Наиболее широкая сфера применения систем поддержки принятия решений - это планирование и прогнозирование для различных видов управленческой деятельности. В состав подобных систем должны входить методы и модели математического программирования, статистического анализа, теории игр, теории принятия решения, а также эвристические методы, обеспечивающие адаптивность и обучение самой системы. В силу наличия компонентов последнего типа системы поддержки принятия решений могут демонстрировать интеллектуальные черты и работать в условиях неполноты исходной информации, использовать вероятностные выводы, вырабатывать суждения и объяснения, выдаваемые в качестве советов.

Бурное развитие и широкое практическое применение экспертных систем и систем поддержки принятия решений прогнозируется при реальном появлении новых типов компьютерных систем, в частности, нейрокомпьютеров. Информационную базу подобных интеллектуальных систем призваны обеспечить ранее упомянутые хранилища данных.

Internet –технологии.Сеть Internet преживает настоящий бум.

Организации устанавливают связь с Internet по различным причинам - доступ к электронной почте, улучшение взаимодействия, увеличение объемов продаж и маркетинговых программ и прочее. Подключение к Internet только для доступа к электронной почте уже оправдывает себя, но вскоре многие организации обнаруживают, что они могут расширить свое присутствие в Internet при весьма небольшом увеличении затрат.

Информационные серверы используются как для внутренних, так и для внешних целей. Эти серверы могут, например, предоставлять потенциальным потребителям информацию о продуктах и услугах компании, пользователям - последние версии программного обеспечения для работы в сети, перспективным сотрудникам – новые возможности для карьеры, а потенциальным инвесторам – данные об определенной компании и ее положении на рынке.

Информационные серверы могут также предлагать новости, объявления, материалы научных исследований, информацию по различным интересующим пользователей темам и доступ к материалам, которые трудно найти где-нибудь еще.

Взаимодействие пользователя с сетью строится посредством специальных программ –« браузеров» («просмотровщиков») сети.

Лекция № 2 Тема: выпрямители переменного тока.

Вопросы:

1. Общие сведения о выпрямительных устройствах на ж/д транспорте.

2. Принципы и схемы выпрямления переменного тока.

1. Для питания приемников постоянного тока, например, коллекторных тяговых двигателей, используются выпрямительные устройства, электроснабжение которых осуществляется от энергосистем. Они являются промежуточным звеном между источниками и приемниками электроэнергии. Выпрямительные агрегаты (устройства) представляют собой устройства, объединенные для совместного преобразования переменного тока в постоянный, с заданным коэффициентом пульсации.

На электрифицированных ж/д с питанием электроподвижного состава (ЭПС) от контактной сети постоянного тока применяют мощные выпрямительные агрегаты, устанавливаемые на тяговых подстанциях. Мощность одного такого агрегата составляет от 2 до 10 МВт. При питании же ЭПС от контактной сети однофазного переменного тока выпрямительные агрегаты устанавливаются непосредственно на ЭПС.

Схема одного выпрямительного агрегата, входящего в состав оборудования тяговой подстанции постоянного тока, питающейся по линии электропередач (ЛЭП) от электросистемы, представлена в упрощенном виде на рис. 1.

В состав выпрямительного агрегата входят силовой трансформатор ТВ, выпрямительная установка ВУ, состоящая из комплекта полупроводниковых вентилей, соединенных с фазами трансформатора по принятой схеме выпрямления, сглаживающее устройство L_d – L_ф – С_ф представляющее собой фильтр напряжения ФН.

Контактный провод, присоединяющийся к (+) зажиму, а рельсы к (-). Выбор полярности производится по соображениям уменьшения коррозии заземленных металлических конструкций.

Трансформатор ТВ служит не только для трансформации напряжения, но и для преобразования числа фаз на вторичной стороне в зависимости от схемы выпрямления. Коэффициент трансформации К_т = U₁/U₂ выбирают так, чтобы среднее выпрямленное напряжение U_d при номинальном выпрямленном токе I_dн имело стандартное значение. Вторичную обмотку трансформатора ТВ называют вентильной, так как к ее выводам присоединяют п/п вентили, а первичную – сетевой.

К каждой фазе вентильной обмотки присоединяют аноды или катоды одного или группы вентилей, соединенных последовательно или параллельно в зависимости от схемы выпрямления, значений выпрямляемого тока и напряжения, предельного тока и обратного напряжения, допускаемого одним вентилем.

Фильтр напряжения служит для уменьшения выпрямленного напряжения и состоит из:

- последовательно включенного в цепь постоянного тока реактора L_d;

- параллельно включенных на выпрямленное напряжение контуров L_ф и С_ф.

Число резонансных контуров фильтра для тяговых подстанций обычно не меньше 4_ф. гармоники более высокого порядка незначительны и практически не влияют на смежные линии.

Схема выпрямительного агрегата переменного напряжения 25 кВ, устанавливаемого на ЭПС представлена на рис.2. Питание контактной сети и рельса однофазным переменным током осуществляется от тяговой трансформаторной подстанции, на которой для этой цели устанавливаются трехфазно-однофазные трансформаторы, которые питаются от высоковольтных ЛЭП от районных электростанций.

В состав выпрямительного агрегата при этом входят:

- выпрямительный трансформатор однофазного тока ТВ;

- полупроводниковый преобразователь однофазного ока в пульсирующий ВУ;

- фильтр тока ФТ, представляющий собой реактор L_d с магнитопроводом, имеющим воздушный зазор.

Сетевая обмотка однофазного трансформатора питается от контактной сети напряжением 25 кВ через токоприемник, рельсы, колесную пару, раму ЭПС. Реактор большой индуктивности служит для уменьшения пульсаций выпрямленного тока.

2. Для анализа работы выпрямителей пользуются схемами выпрямления, показывающими соединение п/п приборов вентильной обмоткой трансформатора. В зависимости от применяемых вентилей – диодов или тиристоров – выпрямители подразделяются на управляемые (тиристоры) и неуправляемые (диоды).

В состав управляемых выпрямителей дополнительно входит система управления тиристорами СУ.

Вентили, как неуправляемые, так и управляемые, выполняют функции коммутирующих аппаратов, переключающих поочередно в течении каждого периода питание приемников постоянного тока от соответствующих обмоток фаз трансформатора. Благодаря этим переключениям и односторонней проводимости тока в вентилях через приемник (эл. двигатель) ток проходит в одном направлении.

Процесс переключения вентилями фаз переменного тока к приемнику постоянного тока называют коммутацией вентильных токов. Кроме того, выпрямители характеризуются рядом параметров и зависимостей. К ним относятся:

- гармонический состав кривой выпрямленного напряжения;

- гармонический состав кривой переменного тока, потребляемого из питающей сети;

- внешняя характеристика выпрямителя, представляющая собой зависимость среднего напряжения от среднего значения выпрямленного тока U_d = (I_d);

- регулировочная характеристика управляемого выпрямителя, определяющая зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления U_d = (α);

- коэффициент мощности выпрямительной установки χ = Р/S;

- КПД η = Р₂/Р₁;

- коэффициент пульсации q = , где U_п1м – первая гармоника напряжения пульсации.

Схемы выпрямления различают:

- простые;

- сложные с нулевым выводом;

- мостовые.

При простой схеме выпрямления вентильную обмотку трансформатора выполняют в виде звезды с нулевым выводом и числом фаз m₂ с присоединением к ним вентилей анодами или катодами.

На рис.4 представлена простая схема выпрямления с присоединением к обмоткам фаз диодов анодами. Катоды этих диодов образуют общий катод К, являющийся для приемника Эл. Энергии (двигатель М) положительным полюсом. Такие вентили считаются вентилями катодной энергии и схему называют схемой с общим катодом.

На рис.5 представлена схема выпрямления с присоединением к фазам трансформатора диодов катодами. Их аноды соединены вместе и образуют общий анод, являющийся для приемника постоянного тока отрицательным зажимом. Вентили в этом случае образуют анодную группу, а схему называют схемой с общим анодом.

При схеме с общим катодом нулевой вывод трансформатора является отрицательным зажимом, а при схеме с общим анодом – положительным зажимом выпрямителя.

На рис.6 представлены диаграммы выпрямленного напряжения при схеме с общим катодом и допущении, что коммутация происходит мгновенно.

Из этих диаграмм видно, что при простых схемах выпрямления число пульсов выпрямленного напряжения р за период переменного тока и продолжительность работы вентиля λ зависят от числа обмоток фаз m₂, следовательно, от числа вентилей q. При этом р = q = m₂; λ = 2π /q.

При анализе схем выпрямления переменного тока, как правило, вентили считают идеальными, т.е. сопротивлением вентиля в прямом направлении (при приложении напряжения в прямом направлении) ≈ 0, а в обратном считать бесконечно большим.

Представленная на рис.6 мгновенная коммутация соответствует режиму холостого хода. Согласно этому мгновенное значение выпрямленного напряжения, как при схеме с общим катодом, так и с общим анодом, равно мгновенному значению ЭДС е₂, работающей в данный момент обмотки фазы.

При схеме с общим катодом два или несколько вентилей могут одновременно проводить выпрямленный ток лишь при одинаковом анодном напряжении относительно катода. Если эти напряжения не равны, то ток проводит тот вентиль, у которого е₂ выше, чем у остальных, и коммутация происходит в от момент, когда у очередного вентиля анодное напряжение е₂ относительно нулевого вывода становится выше, чем у проводящего ток. На вентили, не проводящие ток, действует обратное напряжение U_в, равное межфазному значению ЭДС е_2л, проводящей и непроводящей ток фаз (при этом учитывается, что общий катод принимает потенциал фазы, проводящей в этот момент ток).

При схеме с общим анодом в каждый момент времени проводит ток лишь тот из них, который имеет наибольшее отрицательное напряжение относительно нулевого вывода трансформатора. Коммутация при этой схеме выпрямления происходит в тот момент, когда катодное напряжение очередной фазы относительно нулевого вывода становится равным напряжению работающей фазы.

Число фаз вентилей обмотки трансформатора m₂ не может быть произвольным, так как оно зависит от числа фаз сетевой обмотки m_1. у трехфазного трансформатора m₂ может быть кратным трем m₂ = 3, 6, 12. у однофазного трансформатора m₂ = 1, 2.

Простые схемы выпрямления с нулевым выводом имеют тот недостаток, что в этом случае у трансформаторов ТВ не достигается магнитное равновесие, так как токи фаз вентильной обмотки, являющиеся однонаправленными, имеют постоянные составляющие, которые не трансформируются. Этот недостаток устраняется при мостовых схемах выпрямления.

В настоящее время преимущественно для выпрямления как однофазного, так и трехфазного тока применяют мостовые схемы с присоединением к каждой фазе вентильной обмотки одного вентиля анодом и второго катодом.

Мостовая двухпульсовая схема выпрямления однофазного тока представлена на рис.7. здесь же представлены осциллограммы, поясняющие принцип ее работы.

Если принять нулевую точку О посредине вентильной обмотки, тогда последняя образует две равные полуобмотки а и в, напряжения в которых сдвинуты относительно нулевой точки О на 180⁰. как показано на схеме, к фазе а присоединены два вентиля: VD1 – анодом и VD4 – катодом, к фазе в: VD2 – катодом и VD3 – анодом, т.е. нечетные вентили имеют общий катод, четные – общий анод. Вентили образуют плечи моста, откуда возникло и название схемы.

При такой схеме в каждый момент времени выпрямленный ток проводят два вентиля, один из катодной группы с положительным относительно нуля точки О потенциалом и другой – анодной группы с отрицательным относительно точки О потенциалом.

Диаграмма выпрямленного напряжения относительно точки О с указанием фаз приведена на рис.7 (б), общим катодом К и общим анодом А – на рис.7 (в). Для внешней цепи мгновенное выпрямленное напряжение равно мгновенному значению разности ЭДС фазовых обмоток в каждый полупериод при чередующееся работе вентилей в 1^й полупериод U_d = е_2a - е_2в и во 2^й U_d = е_2в - е_2а. Число пульсов р = 2, т.е. равно числу фаз m₂ = 2. ток в каждой фазе вентильной обмотки изменяет через ½ периода свое направление и поэтому не содержит постоянной составляющей, вследствие чего в трансформаторе достигается магнитное равновесие.

Мостовая шестипульсовая схема выпрямления трехфазного тока представлена на рис.8.

При данной схеме также в каждый момент времени проводит электрический ток два вентиля. Один из них с наивысшим относительно точки О потенциалом, входящий в группу с общим катодом К и один с наинизшим по отношению к точке О потенциалом, входящий в группу с общим анодом А. как и при мостовой схеме выпрямления однофазного тока, общий катод является для внешней цепи выпрямителя плюсовым зажимом, а общий анод – минусовым.

Мгновенное значение выпрямленного напряжения U_d также равно разности напряжений одновременно работающих двух фаз, т.е. линейному напряжению (рис.8 (а)).

Так как амплитуды фазных напряжений по времени не совпадают (рис.8 (б)), то выпрямленное напряжение имеет не 3, а 6 пульсов за период, т.е. при m₂ = 3 р = 6. это является одним из достоинств данной схемы.

Амплитудное значение выпрямленного напряжение при этой схеме U_dmax = E₂ (E₂ – действующее значение фазного напряжения); при выпрямлении однофазного тока, как видно из рис. U_dmax = 2 E₂.

Продолжительность проводимости тока каждым вентилем при схеме с нулевым выводом и мостовой в течении периода не изменяется λ₀ = 2π /m₂, но продолжительность протекания тока в обмотке фазы возрастает в 2 раза: λ₂ = 4π /m_2. таким образом при мостовых схемах достигается более высокое использование трансформатора.. благодаря двухстороннему направлению за период фазный ток i₂ не имеет постоянной составляющей и поэтому в трансформаторе достигается магнитное равновесие.