Расчет трансформатора. 9

    Оглавление

1. Введение……………………………………………………………….  2
2. Цель работы………………………………………………......................3
3. Задание……………………………………………………..................... 3
4. Данные для расчета…………………………………………………….3
5. Выбор  рациональной  схемы  выпрямителя………………………….3
6. Расчет  трансформатора………………………………….......................4
7. Выбор тиристоров………………………………………………………7
8. Временные диаграммы…………………………………………………10
9. Массогабаритные размеры……………………………………………..11
10. Вывод…………………………………………………………………….13
11. Список литературы……………………………………………………...13

                                                    Введение  

    Энергия,  содержащаяся  в  природных  источниках (каменный уголь,  вода   и   т.п.)  является  первичной,  а  устройства,  преобразующие  её  в  энергию  электрическую,  называются  источниками  первичного  электропитания (ИПЭ).  Непосредственное  использование  ИПЭ  затруднено  тем,  что  их  выходное  напряжение  в  большинстве  случаев  стандартное  переменное.   Между  тем  почти  половина  электроэнергии  потребляемой  в  нашей  стране  потребляется  в  виде  постоянного  напряжения  различных  значений  или  тока  нестандартной  частоты.  Потребителями  могут  служить:  электропривод (активно-индуктивная  нагрузка),  лампы,  нагревательные  устройства (активная  нагрузка),  сварочные  аппараты,  технологические  установки (активно-емкостная  нагрузка)   и   т.д.

    Питание  подобных  потребителей  осуществляется  от  источников  вторичного  электропитания (ИВЭ). ИВЭ – это  устройства,  предназначенные  для  преобразования  электроэнергии  ИПЭ  до  вида   и   качества,  обеспечивающих  нормальное  функционирование  питаемых  им  потребителей.  В  состав  ИВЭ,  в  соответствии  с  рисунком 1,  кроме  самого  устройства  ИВЭ  могут  входить  дополнительные  устройства. 

1. Цель контрольной работы:

   При выполнении курсового проекта по курсу "Силовая электроника" должны закрепить полученные знания и приобрести практические навыки проектирования преобразовательных устройств. 
 

2. Задание:

1. Выбрать схему управления преобразователя с ПЭДС, обосновать;
2. Произвести электрические расчеты схемы;
3. Построить временные диаграммы при угле  , Ud;
4. Построить график  Ud=f(Id) при  ;
5. Оценить габаритные и массовые характеристики;

3. Данные  для расчета:

1)   Данные нагрузки Id₀=10A, Ud₀=150В.  

    4.  Выбор  рациональной  схемы  выпрямителя

    Для  определения  типа  схемы  выпрямителя   рассчитаем   мощность,  потребляемую  в  нагрузке:                                              

      Pd₀ = Ud₀·Id₀ ,                                                 (1)    

                                        Pd₀ = 150·10 = 1500 Вт

    В  результате  наиболее  рациональным  типом  выбираем   однофазную    мостовую   схему  выпрямителя.  Преимущества однофазной мостовой схемы (рис. 1.1) — малые типовая мощность трансформатора и обратное напряжение.

    Рисунок 1.1 - Принципиальная  схема   однофазного    мостового   преобразователя          

5.  Расчет  трансформатора

   Производим  по  напряжению  сети  U₁ = 220 В,  выпрямленному напряжению  вторичной  обмотки  Ud₀ = 150 В   и   типовой  мощности  трансформатора  S_тип.  Вычисляем  действующее  значение  фазных   ЭДС   E₂   и   тока  I₂  по  формулам                           

                        E₂ = К_с·Ud₀ ,                                                   (2)                                            

      I₂ = К_i·Id₀,                                                       (3)

    К_с – коэффициент схемы, равный отношению теоретической ЭДС вторичной обмотки силового трансформатора Е₂ к среднему значению выпрямленного напряжения Ud , К_с=1,11.

    К_i – коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока тиристора от прямоугольной К_i=1,1  

       E₂ = 1,11·150 = 166,5 В,              I₂ = 1,1·10 = 11 А.

Вычисляем  величину  сопротивления  R₀  нагрузки  по  закону  Ома:

                                    R₀ =Ud₀/Id₀ ,                                                    (4)     

                                   R₀ = 150 / 10 = 15 Ом.

    Вычисляем  действующее  значение  тока  I₂  вентильной  обмотки  преобразовательного  трансформатора  по  формуле :                                           

    ,                                           (5)

    I₂ = .  

    где  m – число  фаз  вторичной  обмотки  преобразовательного                

      трансформатора,  m = 1;       

      p – тактность  выпрямителя,  p = 2;       

      f₁ – частота  питающей  сети,  f₁ = 50  Гц.

    Определяем  типовую мощность трансформатора по формуле

                                           S=0,5·(S₁+S₂)                                         (6)     

      где S₁, S₂ – мощности сетевой   и   вентильной обмоток  соответственно, Вт,                                     

                                             S₁ = m·U₁·I₁,                                       

        S₂ = m·U₂·I₂,                                                 (7)

      где  U₂ = 166,5В      

         I₂ = 14А,

      Ток  I₁  находим  из соотношения                                            

        ,                                                   (8)

                              I₁ = I₂·U₁/U₂ = 14·166,5/220 = 10 А.                     (9)      

        S₁ = 1·220·10 = 2200 В·А        S₂ = 1·166,5·14 = 2331 В·А

      S  = 2265,5 В·А

Выбираем  трансформатор  типа  ОСВМ-4,0  с  номинальной  мощностью   S_н = 4,0 кВ·А,   номинальным    напряжением  на   первичной   обмотке     U_ВН = 220 В    и    напряжением   на   вторичной   обмотке  при   холостом   ходу  не менее U_ННхх = 166,5 В. Технические характеристика приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Технические характеристики  трансформаторов   ОСМ - 4 ,0.

6. Выбор тиристоров

    Тиристоры   выбираются  по  допустимому  прямому току  I_пр.доп   и   амплитудному  обратному  напряжению  U_обр.max. 

    Вычисляем  среднее  значение  прямого  тока  I_ср.v  тиристора  по  формуле:                                                 

      I_ср.v = I₀/p·m₂  ,                                            (1)      

                                          I_ср.v = 10 / 1·2 = 5 А.

                                                I_пр.доп =Id_max.=π I_ср.v                                          (2)

                                                     I_пр.доп =15,7 A

      Вычисляем  эффективное  значение  прямого  тока  вентиля  I_эфф.v  по  формуле :                                  

                I_эфф.v = k_ф.v ·I_ср.v  ,                                             (3)  

    где  k_ф.v – коэффициент  формы  кривой  тока  вентиля,                  

      k_ф.v = 1,57 - принимаем  в  зависимости  от  схемы                  

      выпрямителя.      

                                   I_эфф.v = 1,57 ·5 = 7,85 А.

           Вычисляем  максимальное  обратное  напряжение  на  вентиле  по  формуле Ud_.max.:

      По  найденным  значениям  выбираем   тиристор   типа  T-25 (Т212-16-200).  Данный тип тиристоров устанавливается на радиаторы. Параметры  выбранного  диода  приведены  в  таблице 2.

      Таблица 2.

        Основные  параметры   тиристора   T-25

Пределный          ток, А	Напряжение  перкелючения, В	Прямое  падение  напряжения  ∆U,  В (не более)	Прямой  и  обратный  ток  утечки,  мА	Значение интеграла  , А2с  при Tp-n=1400C  t=10 мс
25(16)	200	1	10	2000

    Вычисляем  индуктивное  сопротивление  нагрузки  X_L,  которое  в  n=3  раза  больше  величины  сопротивления   R₀ ,  по  формуле: 

     
     где  ω – круговая  частота,  ω =  2π·f₁,  с^-1.   
 
 

    Вычислим   угол   коммутации  выпрямителя : преобразовательный  трансформатор  имеет  индуктивность  рассеивания  L_S,  за  счет  которой  выпрямленное  напряжение  U_0γ  снижается  на  ℓ = 5%  от  напряжения  идеального  выпрямителя.   

                                  γ = arcos(1-2·ω·L_s·I₀/E_2m.),                                     (6)

    где  E_2m. – амплитуда  межфазного  напряжения  у  вентильных  обмоток,                        

      E_2m = E₂ = 235 В – для   однофазной    мостовой   схемы;      

      L_S – индуктивность  рассеивания.

    Для  определения  L_S воспользуемся  уравнением :                              

      U_0γ = U_0xx – (R_П + ω·L_S)·I₀ ,                             (7)      

                              где  U_0xx = Ud₀ = 150 В;             

                                                R_П = 0;                                    

      ℓ %= %,                                   (8)  

    Подставляя  формулу (7)  в  (8),   и   выразив  L_S,  получим:                                   

      L_S = ,                                      (9)        

      L_S =  = 0,003 Гн   или  L_S = 0,0075 мГн.

    Определяем    угол   коммутации  γ        

      γ = arccos(1-2·2·3,14·50·0,0075·10/235) = arccos(0,9) ≈ 25,8 эл. град.      

 Среднее значение выпрямленного напряжения определяем по формуле                

 U_0γ = U₀(1-ℓ%/100) = 150·(1-5/100) = 142,5                               (10)

     7. Строим временные диаграммы при α = 45⁰ и γ = 25,8 эл. град.

Рис.2 Временные  диаграммы тиристорного преобразователя. 
 
 
 

9. Оцениваем массогабаритные размеры преобразователя

  Трансформатор:

Структура условного обозначения  ОСМ-[1]У3: 
   О — однофазный трансформатор; 
   С — сухой; 
   М — многоцелевого назначения; 
   [1] — номинальная мощность, кВА; 
   У3 — климатическое исполнение. 
 

  Конструкция. 

  Магнитопровод трансформатора шихтованный, собранный из Ш-образных и замыкающих пластин электротехнической стали. Пакет пластин стянут винтами.  
   Слоевые обмотки выполняются из обмоточного медного провода круглого или прямоугольного сечения на пластмассовых или картонных каркасах в зависимости от мощности трансформатора. Выводные концы обмоток присоединяются к контактным болтам, расположенным на пластмассовых панелях. К этим же болтам кабелями присоединяются питающая сеть и вторичные цепи. 
    

  Условия эксплуатации.

• высота над уровнем моря не более 1000 м;
• температура окружающего воздуха от -40 до +40 °С;
• относительная влажность воздуха 90% при температуре 15 °С;

 
         Масса и габаритные размеры.

Тиристор:

Основные параметры   тиристоров:

Т25-3 
Тиристор низкочастотный штыревого исполнения. 
Предназначен для работы в преобразовательных устройствах, а также в цепях постоянного и переменного тока различных силовых установок.  
Выпускаются в корпусе с гибким выводом.  
Максимально допустимый средний прямой ток в открытом состоянии - 25 А 
Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии и повторяющееся импульсное обратное напряжение - 300 В 
Охлаждение воздушное естественное или принудительное. 
Обозначение типономинала приводятся на корпусе. 
Габаритные размеры:  
- общая длина - 150 мм 
- длина шпильки - 16 мм 
- резьба - М10, масса 150г. 

Габариты аллюминевого радиатора 45х45х45, масса 75г.:

Все компоненты преобразователя размещаются в одном корпусе, радиаторы с тиристорами крепятся непосредственно к корпусу через изолирующие слюдяные прокладки. 

  Габариты преобразователя: (исходим из размеров применяемых приборов учитывая тепловые зазоры) корпуса 420х400х300.

  Масса: (сумма масс элементов + масса корпуса ) приблизительно равна     35-40 кг.  
 
 

10. Вывод:

В данной контрольной мы произвели расчеты силовой схемы преобразователя, ознакомились с методами расчета силовых трансформаторов, тиристоров, произвели приблизительную оценки массо- габаритных размеров преобразователя. Произвели расчет угла коммутации, построили временные диаграммы работы тиристорного преобразователя.

Приобрели теоретические навыки в области разработки  силовых электронных систем.      

    11. Список литературы

1. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Характеристики полупроводниковых преобразователей/ Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 72 с.