Силовая электроника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Негосударственное образовательное учреждение

высшего образования

Московский технологический институт

Факультет Техники и современных технологий

Кафедра Энергетики

Уровень образования Бакалавриат

Направление Электроэнергетика и электротехника

Профиль

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Силовая электроника»

Москва 2018 г.

Задача 1

Изобразить схемы трёхфазных выпрямителей: с выводом нулевой точки и мостовую, работающие на активно-индуктивную нагрузку. Трансформаторы, дроссели, вентили считать идеальными, выпрямленный ток полностью сглаженный. Описать принцип работы трансформаторов.

При заданных одинаковых для обеих схем токах нагрузки I_a и средних значениях выпрямленных напряжений U_a рассчитать схемы. При этом для каждой из них определить:

1) амплитудные значения линейных напряжений, максимальные величины обратных напряжений в вентилях;

2) средние значения токов через вентили;

3) тип вентилей;

4) расчётные мощности трансформаторов, для схемы с выводом нулевой точки Р_тр = 1,35 Р_a, для мостовой схемы Р_тр = 1,05 Р_a , где P_a = I_aU_a;

5) индуктивность дросселя, L_др, необходимую для полного сглаживания тока (считая, что оно достигается при щ_пL_др ? 5R_н, где щ_п - частота пульсации, R_н - сопротивление нагрузки).

6). Провести краткий сравнительный анализ рассчитанных схем.

Выбор исходных данных для шифра 152:

U_a=530 В; I_a=11,4 А; R_н=153 кОм.

• Решение: выпрямитель трансформатор ток напряжение
• Расчет трехфазного выпрямителя с нулевой точкой:
• 1. Рисуем схему трехфазного выпрямителя с нулевой точкой (рисунок 1.1).

• Рис. 1.1. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой
• 2. Анализируем графики токов и напряжений выпрямителя (рисунок 1.2).
• Рис. 1.2. Графики зависимостей для токов и напряжений различных цепей схемы выпрямления трехфазного выпрямителя с нулевой точкой.
• 3. Рассчитываем амплитудные значения линейных напряжений, максимальные величины обратных напряжений в вентилях (диодах).
• Действующее значение фазового напряжения на вторичной обмотке трансформатора:
• U₂=0.85U_a=0,85·530=451 В.
• Амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора:
• U=1.4U₂=1,4·451=631 В.
• Максимально допустимое обратное напряжение на диоде:
• U_{обр.макс}=2,09U_а=2,09·530=1108 В.
• 4. Рассчитываем средние значения токов через вентили:
• I_d=I_a/3=11,4/3=3,8 А.
• 5. Выбираем типы вентилей.
• По вычисленным значениям U_{обр.макс}=1108 В и I_d=3,8 А по таблице в приложении 2 выбираем марку диодов.
• Выбираем ближайшие большие параметры, получаем диод марки МД218А с параметрами: U_{обр.макс}=1200В, I_d=8 А.
• 6. Рассчитываем мощности трансформаторов.
• Для схемы с выводом нулевой точки
• Р_тр = 1,35 Р_а=1,35·6042=8,16 кВт,
• где P_а = I_аU_а=11,4·530=6042 Вт
• 7. Рассчитываем индуктивность дросселя, Lдр, необходимую для полного сглаживания тока.
• Частота пульсации:
• щ_п=3f=3·50=150 Гц,
• где f - частота питающей сети
• L_др? 5R_н /щ_п=5·153/150=5,07 Гн.
• Из приложения 3 выбираем ближайшее большее значение индуктивности из стандартного ряда, L_др=5,11 Гн.
• Расчет трехфазного мостового выпрямителя:
• 1. Рисуем схему трехфазного мостового выпрямителя (рисунок 1.3).
• Рис. 1.3. Трехфазный мостовой выпрямитель
• 2. Анализируем графики токов и напряжений выпрямителя (рисунок 1.4).
• Рис. 1.4. Графики зависимостей для токов и напряжений различных цепей схемы выпрямления трехфазного мостового выпрямителя.
• 3. Рассчитываем амплитудные значения линейных напряжений, максимальные величины обратных напряжений в вентилях (диодах).
• Действующее значение фазового напряжения на вторичной обмотке трансформатора:
• U₂=0.427U_a=0,427·530=223 В.
• Амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора:
• U=1.4U₂=1,4·223=312 В.
• Максимально допустимое обратное напряжение на диоде:
• U_{обр.макс}=1,045U_а=1,045·530=554 В.
• 4. Рассчитываем средние значения токов через вентили:
• I_d=I_a/3=11,4/3=3,8 А.
• 5. Выбираем типы вентилей.
• По вычисленным значениям U_{обр.макс}=554 В и I_d=3,8 А по таблице в приложении 2 выбираем марку диодов.
• Выбираем ближайшие большие параметры, получаем диод марки Д237В с параметрами: U_{обр.макс}=600В, I_d=5 А.
• 6. Рассчитываем мощности трансформаторов.
• Р_тр = 1,05 Р_а =1,05·6042=6344 Вт,
• где P_а = I_аU_а=11,4·530=6042 Вт
• 7. Рассчитываем индуктивность дросселя, L_др, необходимую для полного сглаживания тока.
• Частота пульсации:
• щ_п=6f=6·50=300 Гц,
• где f - частота питающей сети
• L_др? 5R_н /щ_п=5·153/300=2,55 Гн.
• Из приложения 3 выбираем ближайшее большее значение индуктивности из стандартного ряда, L_др=3,01 Гн.
• Вывод: сравнивая расчет схемы трехфазного выпрямителя с нулевой точкой и трехфазного мостового выпрямителя можно сделать вывод, что применение схемы трехфазного мостового выпрямителя позволяет использовать диоды с меньшим обратным напряжением, дроссель с меньшей в 2 раза индуктивностью, и силовой трансформатор меньшей мощностью по сравнению со случаем применения схемы трехфазного выпрямителя с нулевой точкой.
• Ответ: схема с выводом нулевой точки: U=631 В, U_{обр.макс}=1108 В, I_d= 3,8 А, диод МД218А, Р_тр =8,16 кВт, L_др=5,11 Гн; схема мостовая: U=312 В, U_{обр.макс}=554 В, I_d=3,8 А, диод Д237В, Р_тр =6,34 кВт, L_др=3,0Гн.

• Задача 2
• Задан мостовой выпрямитель, изображенный на рисунке 2.1, для которого заданы для шифра 152:
• - напряжение холостого хода U_хх=530 В;
• - напряжение при максимальной нагрузке не менее U_н=523 В;
• - максимальная мощность P_max=2650 Вт;
• - предельно допустимый коэффициент пульсаций p_доп=0,0003.
• Емкость конденсаторов и индуктивность катушек ограничена С_max=1000 мкФ, L_max=1 Гн.
• Требуется:
• - Построить схему фильтра и найти параметры его элементов;
• - Определить требования к трансформатору и катушкам фильтра.
• - построить внешнюю характеристику.

Выпрямитель питается от сети с напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Внутреннее сопротивление сети принять равным нулю.

Изменением параметров диодов от температуры пренебречь. Считать, что обратное сопротивление диода равно 500 - 1000 кОм.

Рис. 2.1. Схема мостового выпрямителя

Решение:

1. Рассмотрим ВАХ диода, представленную на рисунке 2.2:

Рис. 2.2. ВАХ диода U_обр=50В, I_пр=1,5А.

2. Определим максимальное значение постоянной составляющей тока нагрузки:

I₀=Р_max/U_Н=2650/523=5,07 А.

3. Минимальное сопротивление нагрузки:

R_H= U_Н/ I₀=523/5,07=103 Ом.

4. Выпрямитель мостовой схемы с C-фильтром имеет коэффициент пульсаций:

5. Емкость конденсатора фильтра;

Ф.

По условию задания емкость фильтра не должна превышать значения 1000 мкф, поэтому применяем многозвенный C-LC-фильтр.

6. Находим среднее значение напряжения:

526,5 В.

т.е. на входе фильтра напряжение равно 526,5 В.

7. Потеря напряжения на активных элементах фильтра будет составлять:

В.

8. Активное сопротивление катушек:

0,69 Ом.

9. Амплитуда напряжения вторичной обмотки и постоянное напряжение на входе фильтра связаны между собой через косинус угла отсечки:

.

При холостом ходе напряжение на выходе выпрямителя становится равным амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора, т.е. U_m=U_xx. Зная напряжение на входе фильтра, можно найти угол отсечки из равенства:

.

что соответствует углу отсечки и?6,59є или 0,115 радиана.

10. Для такого угла отсечки найдем функции г₀(и) и г₂(и):

0,00719 ;

.

11. Зная угол отсечки, можно найти сумму сопротивлений диода и вторичной обмотки трансформатора, для этого воспользуемся формулой:

;

т.е.

Ом.

12. Количество звеньев фильтра можно найти из формулы для определения коэффициента пульсаций на выходе фильтра:

Ом.

Ом.

Округляем до целого в большую сторону 2 звена LC.

13. Двухзвенный фильтр позволяет создать выпрямитель с необходимым коэффициентом пульсаций:

По вольтамперной характеристике диода найдем U₀?0,47 В и R_д?0,003/0,25?0,012 Ом. Ранее найдена величина суммы R+2Rд=0,0336 Ом, где R - активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора.

Отсюда следует, что активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора не должно превышать R=0,0336-0,012·2=0,0096 Ом.

14. Необходимый коэффициент трансформации, как отношение действующих значений напряжения на выходе и входе трансформатора:

.

Внешняя характеристика выпрямителя:

Рис. 2.3. Внешняя характеристика выпрямителя

Ответ: n=2, С=1000 мкФ, L=1 Гн, .

Задача № 3

Дано: напряжение в выпрямителе на вторичной обмотке трансформатора U₂; частота сети f = 50 Гц; сопротивление диода в прямом направлении R_пр = 0.

Требуется:

1. Определить:

- средние значения выпрямленного напряжения и тока на нагрузочном резисторе, R_н;

- среднее значение тока в диоде;

- максимальное обратное напряжение на диоде;

2. Выбрать тип диода;

3. Представить схему выпрямителя.

Для шифра 152: U₂=300 В, R_н=360 Ом, схема - однополупериодная.

Решение:

Рис. 3.1. Схема однополупериодного выпрямителя

1. Среднее выпрямленное напряжение на нагрузочном резисторе определяется по формуле:

U_н = 135 В.

2. Среднее значение выпрямленного тока и среднее значение тока в диоде:

I_н = I_пр=U_ср/R_н =135/360=0,375 А.

3. Максимальное обратное напряжение на диоде:

U_{обр.макс} =424 В.

Для выбора диода берем 30% запас по прямому току и обратному напряжению диода, т.е.

А, В.

Выбираем диод КД209Б с I_пр.max=0,5 А, U_{обр.макс} =600 В.

Ответ: U_н = 135 В, I_н = I_пр= 0,375 А, U_{обр.макс} =424 В, диод КД209Б.

Задача №4

Дано: напряжение на нагрузке, сопротивление нагрузки и коридор изменения входного напряжения. Требуется определить в параметрическом стабилизаторе (рис. 4.1):

1. сопротивление резистора, R_б;

2. коэффициент стабилизации, К_стU;

3. максимальный ток стабилитрона, I_max.

Рис. 4.1.

Для шифра 272: U_н=73 В, R_н=7300 Ом, U_{ст мах}=146 В, U_{ст мin}=136 В.

Решение:

Принимаем для расчета стабилитрон КС650А.

1. Параметры стабилитрона КС650А:

U_ст=150В; R_диф=255 Ом; I_{ст min}=2,5 мА; I_{ст мах}=33 мА.

2. Определяем сопротивление балластного резистора

R_б=(U_{ст мin} - U_н)/(I_{ст min} +U_н/ R_н )= (136 - 73)/(0,0025 +73/7300 )=5040 Ом.

3. Коэффициент стабилизации

,

где В.

4. Максимальный ток стабилизатора

мА

Делаем выводы, что стабилитрон КС650А по максимальному току не перегружается, так как =10 мА< I_{ст мах}=33 мА.

Ответ: R_б= 5040 Ом, , мА.

Размещено на Allbest.ru