|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Выпрямитель в составе источника вторичногоСтр 1 из 4Следующая ⇒
Исходные данные 1. Входные параметры выпрямителя: (для сети трехфазного тока 2. Выходные параметры выпрямителя:
3. Диапазон температур окружающей среды Шифр задания Индивидуальный вариант (шифр) задания для каждого студента дается в форме трёхзначного числа. Первая цифра шифра (первая цифра номера зачётной книжки) соответствует номеру столбца таблицы 1.1 с входными параметрами выпрямителя. Вторая цифра шифра (последняя цифра номера зачётной книжки) соответствует номеру столбца таблицы 1.2 с выходными параметрами нагрузки выпрямителя. Третья цифра шифра (цифра номера по классному журналу, для двухзначных номеров – вторая цифра) соответствует номеру столбца таблицы 1.3 с указанием диапазона температур среды. Тип питающей сети: (однофазная сеть переменного тока; сеть трехфазного тока) выбирается студентом самостоятельно.
Вопросы, подлежащие разработке В процессе выполнения контрольной работы по расчёту полупроводникового выпрямителя студенты должны разработать перечисленные ниже вопросы. 1. Разработать структурную и функциональную электрические схемы ИВЭ устройств АТ постоянным током, выполненного на основе полупроводникового выпрямителя. 2. Выполнить обоснованный выбор схемы выпрямления и тип вентилей выпрямителя. 3. Произвести электромагнитный расчёт трансформатора выпрямителя. 4. Выполнить обоснованный выбор схемы сглаживающего фильтра, произвести расчёт параметров фильтра и выбор его элементов. 5. Рассчитать нагрузочную характеристику и энергетические показатели выпрямителя. Отчётность по контрольной работе включает контрольный отчёт объёмом до 10 листов формата А4, выполненный в соответствии с требованиями ГОСТ. Рекомендации и методические указания по отдельным этапам выполнения контрольной работы изложены далее при обосновании общих основ методики расчёта выпрямителя.
Таблица 1.1 - Параметры сети
Таблица 1.2 - Параметры нагрузки
Таблица 1.3 - Диапазон температур
1.3 Методические указания и рекомендации по выполнению контрольной работы Самостоятельная работа студентов по выполнению контрольной работы осуществляется в четыре этапа. Первый этап - ознакомление с данным учебно-методическим пособием (далее кратко именуемым — “Пособие”). Второй этап — самостоятельное изучение основ рекомендуемой в Пособии методики расчёта полупроводниковых выпрямителей, на базе которых создаются источники вторичного электропитания АТ постоянными токами. На данном втором этапе работы над заданием студентам рекомендуется отработать следующие вопросы. 1. Уяснить по подразделу 1.4 Пособия различия в понятиях “Источник вторичного электропитания постоянным током” - “ИВЭ-выпрямитель” и просто “Выпрямитель”. Любой выпрямитель есть лишь основное функциональное звено такого источника. Источник же вторичного электропитания (ИВЭ) - это более сложное многофункциональное устройство. 2. Выбрать из общих таблиц 1.1...1.3 для своего варианта исходные данные и обосновать принимаемую систему первичного электропитания источника согласно рекомендациям подраздела 1.7 (если она не указана в задании). 3. Разработать (выбрать) структурную и функциональную схемы выпрямителя, используя рекомендации подразделов 1.4 и 1.5 данного Пособия. 4. Четко уяснить основные этапы расчёта полупроводникового выпрямителя (подраздел 1.6 Пособия). 5. С учетом рекомендаций подраздела 1.7 и своих исходных данных обосновать выбор схемы выпрямления, а также - подход к выбору типа вентилей. 6. Ознакомиться с порядком расчёта трансформатора и подходом к выбору типа магнитопровода (подраздел 1.8 Пособия). Уяснить физический смысл активного сопротивления трансформатора 7. Из рассмотрения подраздела 1.9 уяснить, что, во-первых, сглаживающие фильтры в источниках вторичного электропитания ЭПУ практически всегда обязательны и, во-вторых, включение конденсатора на входе фильтра приводит к активно-емкостному режиму работы выпрямителя. Последнее требует при расчёте выпрямителя учитывать эффект “отсечки тока” в вентилях. 8. Из подраздела 1.10 студенты должны уяснить, что завершающим этапом электромагнитного расчёта выпрямителя является расчёт нагрузочной характеристики выпрямителя и его КПД. Нагрузочная характеристика позволяет оценить работоспособность выпрямителя в широком диапазоне нагрузок, а КПД - его энергетические показатели. Третий этап - электромагнитный расчет выпрямителя. Для общей ориентации студентов в Пособии приведены два примера расчета выпрямителя – при активно-индуктивной и при активно-емкостной нагрузках, а подразделы 1.7... 1.10 и Приложение содержат все необходимые сведения по методике, формулы и справочные данные, требующиеся при расчетах. Четвертый этап - оформление контрольного отчёта. Отчёт должен быть оформлен в соответствии с требованиями ГОСТ ЕСКД. Расчёт трансформатора Задача расчёта. Расчёт трансформатора по рекомендуемой в данном Пособии упрощенной методике предполагает выполнение перечисленных ниже операций. 1. Выбор типа магнитопровода, его материала и индукции 2. Определение активного сопротивления трансформатора 3. Определение индуктивности рассеяния трансформатора 4. Определение действующих значений токов и напряжений обмоток трансформатора, его типовой мощности и КПД. Выбор типа магнитопровода и предварительная оценка магнитных характеристик трансформатора. В качестве материала магнитопровода в ИВЭ-выпрямителях ЭПУ при низких и средних частотах 50…10 кГц используются главным образом электротехнические стали марок 3422; 3423; 3424; 3425 с толщиной листа 0, 08 и 0, 05 мм, а также стали 1513; 3411...3413; 1521; 1561; 1562. В контрольной работе предполагается расчёт низкочастотного (50 Гц, 400 Гц) низковольтного или с повышенным напряжением (до 1000 В) входного трансформатора с магнитопроводом из электротехнической стали. Тип нормализованного магнитопровода. Используются типы: Ш - броневой из штампованных пластин; ШЛ - броневой ленточный; ОЛ - тороидальный (кольцевой) ленточный; ПЛ - стержневой ленточный. Студент должен выбрать тип магнитопровода, ориентируясь на приближенное расчетное значение типовой мощности
Рисунок 1.6 - Размещение обмоток на магнитопроводе Предварительно, чтобы выбрать значение амплитуды индукции магнитного поля
Приближенная формула Статистические данные, полученные проектирующими организациями, позволили установить для конкретных марок электротехнических сталей значения амплитуд индукции Предварительный расчёт активных и реактивных параметров трансформатора. Активное сопротивление трансформатора
где Примечание: при предварительных упрощенных расчётах сопротивление трансформатора можно принять:
где
Индуктивность рассеяния
где определяется по таблицам ПЗ или П9 Приложения. Определение действующих значений напряжений и токов обмоток трансформатора и его типовой мощности. Как уже отмечено, предварительный расчет трансформатора, как, впрочем, и выбор вентилей, осуществляются в предположении, что типовая мощность Более точно типовая (“габаритная”) мощность трансформатора может быть подсчитана, если известны токи в обмотках и напряжения на них.
Расчет токов и напряжений обмоток осуществляется по формулам, приведенным в таблицах ПЗ и П9 Приложения для активно-индуктивного и активно-емкостного режимов работы выпрямителя соответственно. Потребность в уточнении расчёта Примечание. При активно-индуктивной нагрузке, когда на входе фильтра включен дроссель с большой индуктивностью, влияние параметров обмоток трансформатора Потребность в коррекции расчётов Разберемся в этих особенностях режима и уточнениях при расчёте Эффект “отсечки тока” в вентилях при емкостной нагрузке выпрямителя. Отсечка тока в вентиле заключается в том, что длительность положительной полуволны выпрямленного напряжения, как и при активной нагрузке, составляет величину Обычно отсечка тока оценивается не временем задержки, а значением фазового угла Наглядно смысл отсечки тока лучше всего пояснить при рассмотрении идеального выпрямителя. Идеальный выпрямитель не должен содержать активного сопротивления трансформатора и сопротивления вентиля в прямом направлении (то есть Удобно проследить процесс отсечки тока на примере работы двухфазного (m = 2) выпрямителя со средней точкой. Электрическая принципиальная схема такого выпрямителя представлена на рисунке 1.7, а; его идеальная эквивалентная модель - на рисунке 1.7, б, а графики изменения токов и напряжений изображены на рисунке 1.7, в. Причиной появления отсечки токов в вентилях является особенности протекания процессов заряда-разряда конденсатора С. Из теории электрических цепей известно, что эти процессы носят экспоненциальный характер (кривые
а - электрическая принципиальная схема выпрямителя; б - эквивалентная модель идеального выпрямителя; в - графики выпрямленных напряжений и токов. Рисунок 1.7 - К пояснению эффекта “отсечки тока” в вентиле Примем за начало отсчета момент времени, при котором напряжение на конденсаторе ещё превышает величину возрастающего напряжения Заряд длится до тех пор, пока на спаде полуволны напряжения Разряд конденсатора по экспоненциальному закону продолжается до тех пор, пока положительная полуволна напряжения Учет влияния активных параметров маломощного выпрямителя и приемника при емкостной нагрузке. В реальных выпрямителях малой мощности, то есть при малых токах, не превышающих значение Учитываются только активные сопротивления трансформатора гтр и вентилей в прямом направлении При расчётах эти сопротивления сводят к эквивалентному сопротивлению фазы выпрямителя
где N - число последовательно соединенных вентилей в плече моста. Электрическая модель такого выпрямителя для одной фазы представлена на рисунке 1.8, а.
а - модель маломощного выпрямителя; б - модель выпрямителя средней мощности. Рисунок 1.8 - Электрические модели выпрямителя при активно-емкостной нагрузке Согласно схемы рисунка 1.7, б общий выпрямленный ток равен сумме токов вентилей VD1 и VD2 за период или сумме токов конденсатора и нагрузки Ток в конденсаторе и напряжение на нем определяются по формулам: а) при заряде
б) при разряде
где
Постоянные времени
Чем меньше Поскольку конденсатор разряжается только на резистор нагрузки, целесообразно приемник иметь со значительным входным сопротивлением Основой расчётный параметр “А” выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку. Можно кратко сформулировать выявленные особенности работы маломощного выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку: 1. Выпрямитель работает с отсечкой тока вентилей. Длительность и пульсов тока - менее 2. Выпрямленное напряжение на приемнике и ток нагрузки имеют пилообразную форму (рисунок 1.7, в), что часто требует наличия в схеме фильтра дросселя, включенного последовательно с нагрузкой. 3. Сопротивление нагрузки 4. Емкость С конденсатора пульсациями своего тока И основное - все характеристики выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку, существенно зависят от значений угла отсечки тока В свою очередь, угол Для упрощения расчётов вводят некоторый обобщенный расчетный параметр А, который позволяет учесть и значения угла отсечки
Именно через этот параметр можно найти все токи, напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и элементах фильтра, введя ещё ряд коэффициентов - функционалов В(А), D(A), F(A), Н(А). Эти коэффициенты обычно заданы в виде графиков для различных значений угла Учет индуктивности рассеяния трансформатора выпрямителя средней мощности при емкостной нагрузке. Из теории трансформатора известно, что возбужденное током i в обмотке (например - во вторичной) потокосцепление магнитного рассеяния Суммируясь с напряжениями на обмотке (например, Иначе обстоит дело в выпрямителях средней мощности (при токах более1А и напряжениях более 600 В). Здесь токи создают значительные потоки рассеяния и индуктируемые ими ЭДС уже заметно влияют на величины напряжений, подводимых к блоку вентилей, поэтому индуктивность рассеяния трансформатора Расчётная электрическая модель фазы выпрямителя с учетом индуктивности рассеяния В данной модели выпрямителя учитывается влияние в каждой фазе реактивного сопротивления рассеяния Учет этого явления осуществляется также с помощью коэффициентов В, D, F, Н, но не только в функции параметра А, но и в функции угла сдвига фаз ф между основной гармоникой тока в вентиле
Кривые В (А, φ ); D (А, φ ); F (А, φ ); H (А, φ ) приведены в Приложении (рисунки П1; П2) Пример расчета выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой Условия задачи. Рассчитать выпрямитель источника вторичного электропитания оборудования ЭПУ. Параметры выпрямителя: выходные напряжение и ток коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения диапазон температур окружающей среды питание выпрямителя - от трехфазного внешнего источника электрической энергии с напряжением U1= 200 В; частотой Методика расчета. Расчет ведется по методике, обоснование и содержание которой дано в подразделах 1.6 - 1.10 данного Руководства. Для удобства используется сквозная нумерация всех операций. Основные этапы расчета (см. подраздел 1.6) выделены жирным шрифтом. Выбор схемы выпрямления и типа вентилей. Используются рекомендации подраздел 1.7 и существующее равенство средневыпрямленного тока в фазе выпрямителя и тока в нагрузке( 1. Условно принимаем в качестве типовой мощности источника питания мощность на выходе выпрямителя
Согласно классификации (см. подраздел 1.4) источник электропитания с таким выпрямителем является источником большой мощности. Это требует применения сглаживающего фильтра с дросселем на входе фильтра. Следовательно, режим работы выпрямителя - активно-индуктивный. 2. Определяем падение напряжения на дросселе фильтра. Оно зависит от мощности
3. Определяем номинальное напряжение на входе фильтра (на выходе схемы выпрямления)
4. Рассчитываем напряжение на выходе выпрямителя в режиме холостого хода. Предварительно принимаем его примерно на 10 % больше номинального
Позднее произведем уточняющий расчет. 5. Выбираем схему выпрямления согласно рекомендациям п. 1.7 Пособия. Учитывая, что проектируемый ИВЭ имеет большую мощность и требует обеспечения малого коэффициента пульсаций, выбираем трехфазную мостовую схему выпрямления Ларионова. Питание согласно заданию осуществляется от генератора трехфазного напряжения 200 В, 400 Гц. Соединение обмоток Y/Y. 6. Рассчитываем требуемые характеристики вентилей для избранной схемы выпрямления (см. подраздел 1.7) по формулам таблицы ПЗ Приложения: среднее значение тока вентиля 7. Выбираем по таблице П4 Приложения кремниевые вентили типа КД202М, по два в каждом плече моста (N=2). Параметры выбранных диодов:
Диапазон температур: -60 °С...+130 °С. Позднее, после расчета трансформатора необходимо произвести проверку правильности выбора диодов. 8. Определяем сопротивление резистора, шунтирующего вентиль. Хотя в таблице П4 обратный ток для выбранного диода приведен ( Произведем более точный расчёт сопротивления Rш по формуле (1.3, б), учитывая число резисторов в плече моста N=2 и значение
Принимаем Rш = 100 кОм. Выбираем резистор типа MЛT-1-100 кОм (таблицы П5; П6). Расчет трансформатора. Последовательность операций изложена в подразделе 1.8. 9. Выбираем тип магнитопровода и марку электротехнической стали по типовой мощности трансформатора ( 10. Определяем активное сопротивление трансформатора
где
11. Определяем индуктивность рассеяния всех обмоток трансформатора, используя формулу (1.7)
где 12. Определяем по формулам таблицы ПЗ Приложения падения напряжений на активном и реактивном сопротивлениях трансформатора, а заодно и на четырех одновременно работающих вентилях моста:
Определение токов и напряжений обмоток трансформатора, его КПД и типовой мощности. Действующие значения напряжений и токов трансформатора определяем с учетом коэффициента трансформации n, который, в свою очередь, может быть рассчитан, если известно напряжение холостого хода выпрямителя После нахождения Расчеты ведутся с использованием формул таблицы ПЗ Приложения. 13. Уточняем выпрямленное напряжение выпрямителя в режиме холостого хода (без фильтра):
14. Уточняем величину обратного напряжения на одном диоде и на двух последовательно включенных диодах плеча моста:
Диоды выбраны правильно. 15. Находим действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода
16. Определяем коэффициент трансформации трансформатора
17. Рассчитываем действующие значения токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора:
18. Определяем реальную типовую мощность трансформатора
По типовой мощности трансформатор удовлетворяет требованиям по выбору стали магнитопровода и индукции Расчет сглаживающего LC-фильтра. Расчет выполняем с учетом рекомендаций, изложенных в п. 1.9 с использованием формул (1.21) - (1.28). 19. Определяем требуемый коэффициент сглаживания фильтра по формуле (1.21)
20. Выбираем схему сглаживающего фильтра. Наиболее рационален Г-образный LC-фильтр (рисунок 1.9, в), позволяющий обеспечить малые пульсации проектируемого мощного выпрямителя. При q = 38 > 16 фильтр должен быть двухзвенным. 21. Определяем произведение (
22. Определяем минимально допустимую величину индуктивного дросселя для обеспечения требуемого коэффициента сглаживания и отсутствия резонанса по формуле (1.24)
23. Рассчитываем требуемую емкость конденсатора при минимальной индуктивности
24. Выбираем дроссель и конденсатор, руководствуясь следующими соображениями. В таблицах П7, П8 Приложения дросселей с такой или близкой индуктивностью при токе 2 А - нет. Нет и конденсаторов с рассчитанной емкостью на высокие напряжения (1000 В и более). Подбираем
Выбираем конденсатор типа КБГ-П с параметрами
25.Определяем переменную составляющую напряжения на входе фильтра (формула следует из определения коэффициента пульсаций)
26. Уточняем падение напряжения на дросселе на одной (основной) обмотке
что существенно меньше ранее принятого в п.2. 27. Оцениваем перенапряжение на конденсаторе ( |
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 668; Нарушение авторского права страницы