Однофазный выпрямитель

Размещено на http://www.allbest.ru/

18

СОДЕРЖАНИЕ

1. Расчет параметров однофазного выпрямителя

2. Расчет сглаживающего фильтра

ЛИТЕРАТУРА



ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

однофазный выпрямитель вентиль трансформатор фильтр

Рассчитать выпрямительное устройство, которое питается от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц. Исходными данными для расчетов являются напряжение U_Н и ток I_Н нагрузки, а также коэффициент пульсации по первой гармонике на нагрузке К_П. Числовые значения исходных данных по каждому из 100 возможных вариантов приведены в таблицах 1 и 2.

Первая цифра варианта задания	1	Вторая цифра варианта задания	1
Uн ,В	4	Iн, А	5
		Кп, %	3

1. Расчет параметров однофазного выпрямителя

Выбор схемы и вентилей

Схемы выпрямления для однофазных сетей переменного тока представлены на рисунке 1. Выбор конкретной схемы основывается на анализе исходных данных и максимально допустимых параметров вентилей, выпускаемых промышленностью. При мощности в нагрузке меньше 1 кВт могут быть использованы обе схемы. Мостовую схему (рисунок 1б) нецелесообразно применять при Uн<10 В, так как в этом случае падение напряжения на двух последовательно соединенных диодах соизмеримо с напряжением на нагрузке.

Т.к. по заданию у нас Uн =4 В<10 В, выбираем однотактную двухполупериодную схему выпрямления (рисунок 1а).

Рисунок 1а - Схема выпрямления

В качестве вентилей выбираются выпрямительные диоды или диодные сборки, у которых допустимый средний прямой ток не меньше, чем 0,5 *I_Н:

Если в справочнике не указано значение I_ПР.СР, то вместо него можно использовать средний выпрямленный ток I_ВП.СР. Кроме того, максимально допустимое постоянное обратное напряжение на диодах U_ОБРmax должно превышать обратное напряжение, под которым диоды оказываются в схеме выпрямления.

, для схемы рисунка 1а ,

Для выбора вентилей используем приложение А:

Тип диодов	Uобр. max, В	Iпр.ср, А	Uпр.ср, В	Iобр.ср, мА
КД202А	50	5	1,0	1,0

Расчет трансформатора

По приведенной здесь методике может быть проведен приближенный расчет трансформатора выпрямительного устройства при индуктивном характере нагрузке.

Расчет начинается с определения мощности в нагрузке:

, Вт (1)

Затем определяем типовую мощность трансформатора по формуле (таблица 3) с учетом выбранной схемы выпрямления. По рассчитанному значению S_T выбираем конструкцию и тип магнитопровода из приложения Б. При выборе следует руководствуемся следующими соображениями:

На мощностях до нескольких десятков вольт - ампер, например до 100 вольт-ампер, рекомендуется отдавать предпочтение броневым магнитопроводам, так как уступая стержневым по массогабаритным показателям, они более технологичны в изготовлении. В нашем варианте выбираем броневой магнитопровод.

Тип магнито-провода ШЛ	Площадь сечения среднего стержня SCT, см2	SCS0, см4	Размеры магнитопровода, мм	Масса магнитопровода GС, кг	Ориентиро-вочная мощность трансформатора ST, ВА f=50Гц	Средняя длина магнитной силовой линии, L0, см
			a	c	h	C	H	b
ШЛ 16х16х20х25х25	4,00	25,6	16	16	40	64	56	25	0,375	32	13,6

Выбранный магнитопровод должен иметь значение S_T больше рассчитанного, но ближайшего к нему. Далее необходимо выписать из этой таблицы значения параметров этого магнитопровода: S_T[BA]_, S_CT[cм²], G_C[кг], L₀[м], а[см] и вычислить массу выбранного магнитопровода G_CT по формуле:

где K_C=0,93.

Затем по формулам из таблицы 3 рассчитываем действующее значение напряжения и действующее значение тока вторичной обмотки.

Таблица 3

Параметры трансформатора	Схема выпрямления
	Однофазная 2-х полупериодная
Действующее значение напряжения вторичной обмотки, U2	1,2*UН =1,2*4= 4,8 В
Действующие значение тока вторичной обмотки, I2	0,707*IН =0,707*5= 3,5 А
Типовая мощность трансформатора, SТ	1,44*PH =1,44*20= 28,8 Вт
Число фаз вторичной обмотки, n20	2
Отношение активной мощности вторичной обмотки трансформатора к полной мощности первичной обмотки,	1,41

Далее определяем коэффициент трансформации К_ТР и действующее значение тока первичной обмотки I₁

К_ТР = U₁/U₂ , (2)

К_ТР = 220/4,8=45,8

I₁ = I₂/К_ТР , А (3)

I₁ = 3,5/45,8 = 0,077 А

По таблице 4 определяем амплитуду магнитной индукции Вм, плотность тока первичной обмотки ₁ и падение напряжения на обмотках трансформатора U₁ и U₂.

Таблица 4

Конструкция магнитопровода, марка стали и толщина ленты	Параметры трансформатора	ST, ВА
		15-50
Броневая ленточная 3411, =0,35 мм	Вм, Тл	1,65
	1, А/мм2	3,5-2,7
	U1, %	13-6
	U2, %	18-10

На следующем этапе расчета определяем потери в стали магнитопровода по формуле:

P_CT = p*G_CT, Вт (4)

где G_CT - масса выбранного магнитопровода;

р - удельные потери в стали.

P_CT = 4,9*0,388 = 1,899 Вт

Величина удельных магнитных потерь зависит от амплитуды магнитной индукции, сорта и толщины стального листа. Значение р может быть приближенно определено по формуле:

p = p₀*(B_М)^в, Вт/кг (5)

p = 1,8*1,65 ² = 4,9 Вт/кг

Входящие в формулу коэффициенты р₀ и зависят от материала магнитопровода и частоты питающего напряжения. Для стали 3411 с толщиной ленты D=0,35 мм на частоте 50 Гц р₀=1,8, =2. Единицы измерения В_М в формуле (5) - Тесла.

После этого определяем реактивную намагничивающую мощность Q по формуле:

Q=q₀*G_CT, ВАР (6)

Q=0,55*0,388 = 0,21 ВАР

где q₀ - удельная намагничивающая мощность.

Удельная намагничивающая мощность зависит от материала магнитопровода, частоты питающего напряжения и амплитуды магнитной индукции. Для стали 3411 с толщиной ленты 0,35 мм на частоте 50 Гц q₀ может быть приближенно рассчитано по формуле:

q₀= -6,4*В_М*L₀*(1-В_М)/1,7 , ВАР/кг. (7)

q₀= -6,4*1,65*0,136*(1-1,65)/1,7 = 0,55 ВАР/кг.

где L0-средняя длина магнитной силовой линии в метрах из приложения Б.

Примечание. Величина q₀ не должна превышать 2 ВАР/кг.

По найденным величинам P_CT и Q определяем активную и реактивную составляющие тока холостого хода трансформатора I₀:

I_0a=P_CT/U₁, A (8)

I_0a=1,899/220 = 0,00863 A

I_0p=Q/U₁, A (9)

I_0p=0,21/220 = 0,00097 A

Полный ток холостого тока равен:

(10)

Относительная величина тока холостого тока равна:

К₀=100*I₀/I₁, %

К₀=100*0,00869/0,077 = 11,0 %

На следующем этапе рассчитываем число витков обмоток трансформатора. Для этого вначале определяем ЭДС первичной и вторичной обмоток Е₁ и Е₂:

Е₁=U₁*(1-U₁), В (11)

Е₁=220*(1-10) = -1980 В

Е₂= U₂*(1+U₂), В

Е₂= 4,8*(1+14) = 72 В (12)

где U₁ и U₂ - падения напряжения на обмотках трансформатора в относительных единицах (приведенные в таблице 4, выражены в процентах).

Число витков i-й обмотки (i=1 или 2) равно:

, (13)

где E_i - ЭДС соответствующей обмотки;

f_C=50 Гц - частота питающей сети;

S_CT - площадь поперечного сечения стержня магнитопровода, см²;

K_C=0,93 - коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью (значение приведено для магнитопроводов с толщиной ленты 0,35 мм).

Проводим выбор обмоточных проводов. С этой целью рассчитываем поперечное сечение проводов первичной и вторичной обмоток S_пр1 и S_пр2 :

, мм² (14)

, мм² (15)

где ₁ - рекомендуемая плотность тока первичной обмотки (таблица 4);

_ОПТ=0,70,8.

По найденым значения S_пр1 и S_пр2 из приложения В находим диаметры проводов для каждой обмотки. Диаметр выбранного провода должен быть больше рассчитанного значения, но ближайшим к нему. Марку провода выбираем: ПЭВ-1.

Сечение провода, мм2	Диаметр провода без изоляции, мм	Наружный диаметр провода с изоляцией, мм
		ПЭВ-1
0,02835	0,19	0,22
1,6513	1,45	1,53

Затем определяем примерные значения активного и реактивного сопротивлений обмоток трансформатора и его индуктивность рассеяния:

, (16)

где g=1,48 Омсм - для броневых магнитопроводов;

t=0,79 - для броневых магнитопроводов;

a - базовый линейный размер магнитопровода (в сантиметрах) из приложения Б.

Индуктивность рассеяния трансформатора можно оценить по формулам:

L_S=X_S/(2f_C), Гн; (17)

L_S=0,399/(2*3,1450) = 0,001 Гн;

X_S=rtg, Ом,

X_S= - 0,591(-0,67563309)= 0,399 Ом,

где r - сопротивление фазы выпрямителя с учетом сопротивлений обмоток трансформатора и вентилей схемы выпрямления,

r=(1+Kr)r_тр, Ом

r=(1+0,5)*(-0,394) = - 0,591 Ом

где Kr=0,5 для кремниевых вентилей;

(18)

Значение коэффициента q приведены в таблице 5 в функции от размера магнитопровода а.

Таблица 5

Магнитопровод	Значения а, см
	1,0	2,0
Броневой	0,160	0,034



2. Расчет сглаживающего фильтра

Вначале определяем оптимальное, с точки зрения минимума индуктивности фильтра, число его звеньев:

n_ЗВ=1,15lgq_Ф , (19)

где q_Ф=0,667/К_П - коэффициент сглаживания фильтра

q_Ф=0,667/3 = 0,222333;

К_П - коэффициент пульсаций по первой гармонике, выраженный в абсолютных единицах.

Выбираем n, равное ближайшему целому к n_зв.в большую сторону.

n_ЗВ=1,15lg(0,667/3) = 0,750944734 1

Затем определяем индуктивность звена фильтра из условия:

, Гн (20)

Где f_C= 50 Гц.

По найденному значению L_ЗВ подбираем стандартный дроссель из приложения Г, допустимый ток подмагничивания которого больше тока нагрузки, а индуктивность дросселя L_ДРL_ЗВ. Из таблицы 10 выбираем дроссель Д221.

Тип дросселя	Параллельное соединение обмоток	Последовательное соединение обмоток
	L, Гн	IПОДМАГН., А	R, Ом	L, Гн	IПОДМАГН., А	R, Ом
Д221	0,3?10-3	6,3	0,0275	1,2?10-3	3,2	0,11

После этого рассчитываем минимальное значение емкости конденсатора, при котором обеспечивается необходимый коэффициент сглаживания:

(21)

По найденному значению C_ЗВ подбираем стандартный номинал конденсатора СC_ЗВ. Из таблицы 11 выбираем конденсатор К50-20 номиналом 200 мкФ.

Для выбора конкретных конденсаторов надо знать максимальное значение напряжения на нем при работе в схеме выпрямления. Величину этого напряжения можно оценить, рассчитав максимальное напряжение на конденсаторе после включения выпрямителя в сеть U_1M и максимальное напряжение при отключении нагрузки U_2M:

U_1M=(U_H+I_Hr)[1+e^-рr/(2)], В

U_1M=(4+5(-0,591)*[1+e^{-3,14*(-0,591)/(21,22)}] =3,28 В

U_2M=U_H+I_Hr+I_H*e^-рr/(4), В

U_2M=4+5(-0,591)+5*1,22e^{-3,14*(-0,591)/(41,22)} = 9,99 В

где , Ом.

По рассчитанным данным в приложении Д выбираем конденсатор с емкостью С, рабочее напряжение которого больше U_1M и U_2M.

Номинальное напряжение, В	Тип конденсатора
	К50-20
	Номинальная емкость, мкФ	Допустимая амплитуда переменной составляющей частоты 50 Гц, при Т=+40 С, %
16	200	16 10

Вывод. В результате расчетов параметров однофазного выпрямителя я выбрала:

- однотактную двухполупериодную схему выпрямления;

- Для вентилей выбрала диоды типа КД202А;

- для трансформатора - броневой магнитопровод;

- диаметры проводов для каждой обмотки, марка провода - ПЭВ-1

- дроссели типа Д221;

- конденсаторы типа К50-20.

В итоге получаем полную схему выпрямителя, изображенную на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема выпрямителя

ЛИТЕРАТУРА

Основная:

1. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М. Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. - М.: Горячая линия - Телеком, 2011. - 384с.: ил

2. Электроснабжение: учебник для вузов / Е.А. Конюхова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. - 510с.

Дополнительная:

1. Электроснабжение городов: электропотребление, расчетные нагрузки, распределительные сети: учебное пособие / Г.В. Шведов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 268с.

2. Электроснабжение потребителей и режимы: учебное пособие / Б.И. Кудрин, Б.В. Жилин, Ю.В. Матюнина. - М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - 412с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...