Расчет выпрямительного устройства
Министерство образования Российской Федерации
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Кафедра промышленной электроники
Курсовая работа
По дисциплине: ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Тема: Расчет выпрямительного устройства
Выполнила:
студентка / / / Зитта Л.С./
Группы ПЭЗ 10-б
специальность 210100.62
шифр: 7204020009
Курс: 4 Заоч. ск. ФО
ОЦЕНКА: _____________
Дата: ___________________
ПРОВЕРИЛ:
Руководитель проекта / / / Растворова И.И./
Санкт-Петербург
2014 год
СОДЕРЖАНИЕ:
1.Введение....................
2.Задание на курсовой
проект........................
3.Выбор схемы выпрямления
и типа вентиля.......................
4.Разработка конструкции
трансформатора................
5.Вычисление электрических параметров выпрямителя.................14
6.Проведение расчета сглаживающего
фильтра.......................
7.Определение исходных данных к расчету трансформатора.........22
1. ВВЕДЕНИЕ
В данном курсовом проекте
нам было предложено спроектировать расчёт
выпрямительного устройства.
Круг электрических преобразователей
(источников питания), используемых в радиоэлектронике,
достаточно широк. Так, электрический
выпрямитель применяется для преобразования
энергии переменного электрического тока,
потребляемой от сети, в энергию постоянного
электрического тока, требующуюся для
питания РЭС. Когда необходимо поддержание
постоянства выходного напряжения (тока),
применяют стабилизаторы напряжения (тока).
Используют как стабилизаторы постоянного
напряжения (тока), так и стабилизаторы
переменного напряжения (тока).
Характеристики электропреобразовательных
устройств отражаются на характеристиках
самих РЭС. Прежде всего это относится
к массогабаритным показателям (часто
ИВЭП составляют до 60% массы и объема аппаратуры),
а также к надёжности функционирования.
Качество данных устройств характеризуется
следующими основными показателями: коэффициент
сглаживания фильтра, т.е. отношение коэффициента
пульсации на входе к коэффициенту пульсации
на выходе.
Выпрямители - это источники вторичного электропитания, реализующие статический метод преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.
Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:
1)Силовой трансформатор
– устройство для понижения
или повышения напряжения
2)Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.
3)Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.
Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:
- по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.
2) по типу выпрямительного
элемента – ламповые(
3) по величине выпрямленного
напряжения – низкого
4) по назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.
Основные характеристики выпрямителей:
1. Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.
2. Номинальный выпрямленный
ток I0 – среднее значение
3. Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.
4. Пульсация – переменная
составляющая напряжения или
тока на выходе выпрямителя. Это
качественный показатель
5. Частота пульсаций
– частота наиболее резко
6. Коэффициент пульсаций
– отношение амплитуды
7. Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.
8. Колебания (нестабильность)
напряжения на выходе
Целью проектирования является
разработка выпрямительного устройства
в соответствии с техническим заданием,
выбор схемы выпрямителя, фильтра расчет
параметров элементов схем.
2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Выполнение курсового проекта предусматривает расчет выпрямителя малой или средней мощности. В ходе выполнения курсового проекта необходимо выполнить:
1.Выбор схемы выпрямления и типа вентиля.
2.Разработку конструкции
3.Вычисление электрических
4.Проведение расчета
5.Определение исходных данных к расчету трансформатора.
Исходными данными для выполнения расчета выпрямительного устройства являются значения выпрямленного напряжения Ud, тока нагрузки Id, коэффициента пульсации kп.
Исходные данные к расчету следует брать из таблицы в соответствии с номерами студенческого билета.
Таблица
Исходные данные
Шестая цифра шифра |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Ud, В |
-24 |
+24 |
-48 |
+60 |
-60 |
+120 |
+160 |
-200 |
+220 |
-240 |
Пятая цифра шифра |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Id, A |
12 |
13 |
15 |
16 |
18 |
20 |
22 |
25 |
27 |
30 |
Четвертая цифра шифра |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
kп |
0.05 |
0.025 |
0.04 |
0.08 |
0.01 |
0.015 |
0.06 |
0.035 |
0.03 |
0.02 |
При расчете выпрямителя значение напряжения питающей сети Uс берется, исходя из следующих соображений:
в том случае, если значение мощности в нагрузке Рd= Ud×Id превышает 1 кВт, то питание выпрямителя следует осуществлять от трехфазной сети переменного напряжения, т.е. Uс= 380/220 В с частотой fс = 50 Гц, а во всех остальных случаях при Рd < 1 кВт расчет ведется для однофазной сети Uc = 220 В с частотой fc = 50 Гц.
3. ВЫБОР СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ И ВЕНТИЛЕЙ
Выпрямительные устройства, применяемые для электропитания оборудования, строятся по схеме, представленной на рис. 1.
Uc --------------------- U2
---------------------------- Uох ------------------------------
---->¦ Трансформатор---> ¦ Схема выпрямления ---> ¦ Сглаживающий фильтр -->
--------------------- ----------------------------
Рис. 1. Структурная схема выпрямительного устройства
Основным элементом этой схемы является схема выпрямления, поскольку от ее выбора зависит расчет параметров трансформатора и сглаживающего фильтра. На рис. 2 представлены основные схемы выпрямительных устройств. Выбор конкретной схемы выпрямления следует осуществлять на основе анализа исходных данных к расчету Uc, Ud, Id и kп и величины выходной мощности выпрямителя Pd = Ud×Id, а также рекомендаций, приведенных в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики схем выпрямления
при индуктивно-активном характере нагрузки
Схема выпрямления |
Область предпочтительного использования |
Однофазная со средней точкой (рис. 2, а) |
Рd< 1 кВт; Ud < 500-600 В; Id=1-100 А |
Однофазная мостовая (рис. 2, б) |
Pd < 1 кВт; Ud=10-1000 В; Id=1-100 A |
Трехфазная со средней точкой (рис. 2, в) |
Pd³1 кВт; Ud < 100 В; Id> 10 A |
Трехфазная мостовая (рис. 2, г) |
Pd³1 кВт; Ud< 20 кВ; Id=0.1-10000 A |
Для выбранной схемы выпрямления определение типа вентиля производится по приближенным формулам, приведенным в табл. 2.
Рис. 2. Основные схемы выпрямительных устройств
Таблица 2
Сводная таблица формул для выбора типа вентиля
Схема выпрямления |
m* |
Iср |
Uобр.max |
Однофазная со средней точкой (рис. 2, а) |
2 |
Id/2 |
p×Ud |
Однофазная мостовая (рис. 2, б) |
2 |
Id/2 |
p/2× Ud |
Трехфазная со средней точкой (рис. 2, в) |
3 |
Id/3 |
2.1× Ud |
Трехфазная мостовая (рис. 2, г) |
6 |
Id/3 |
1.05× Ud |
* m - отношение частоты пульсаций выпрямленного напряжения к частоте сети.
Д 112-10, I пр= 10А, U обр. доп. = 100-1400 U имп.=1,35 В
В качестве вентиля выбирается такой, у которого допустимое обратное напряжение вентиля Uобр.доп было бы больше обратного напряжения в выбранной схеме выпрямления Uобр.max, а допустимый прямой ток вентиля Iср.доп. равен или больше среднего значения тока Iср., протекающего через вентиль, т.е. Iср. доп. ³ Iср.
Выбор конкретного типа диода производится по справочникам [2,9] .
Результаты проведенного выбора схемы выпрямления и типа вентиля следует занести в табл. 3.
Таблица 3
Схема выпрямления |
m |
Iср, А |
Uобр. max, В |
Тип вентиля |
Uобр.доп., В |
Iср.доп., А |
a |
2 |
6 |
188,4 |
Д 112-10 |
100 |
10 |
Дальнейший расчет схемы выпрямления необходимо проводить с учетом активного и реактивного сопротивлений трансформатора, которые оказывают существенное влияние на режим работы вентилей выпрямителя.
4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРА
При разработке конструкции трансформатора особое внимание следует обратить на вид сети, от которой питается выпрямитель, а также на его мощности. В том случае, если трансформатор выпрямителя питается от однофазной сети (Uc=220 В) с мощностью в нагрузке 1-100 ВА при напряжениях Ud < 1 кВ, то предпочтение следует отдать броневому типу магнитопровода (рис. 4, б). Уступая стержневым (рис. 4, а) по удельной мощности на единицу массы и объема, броневые трансформаторы имеют одну катушку, что существенно упрощает конструкцию.
При мощностях от нескольких десятков до нескольких сотен ВА лучшие результаты обеспечивают стержневые магнитопроводы. Стержневые трансформаторы имеют две катушки, разнесенные по стержням. Достоинствами стержневого трансформатора являются:
- малая индуктивность рассеяния
вследствие размещения
- меньший расход обмоточного
провода, чем у броневого трансформатора
- значительно меньшая, чем в
броневом трансформаторе, чувствительность
к внешним магнитным полям, так
как знаки ЭДС помех в обеих
катушках трансформатора
а)
Рис. 4. Конструкции однофазных магнитопроводов:
а) - стержневые ленточные ПЛ, ПЛМ;
б) - броневые ленточные ШЛ, ШЛМ
а)
Рис. 5. Конструкции трехфазных магнитопроводов:
а) - пластинчатые ТП; б) - ленточные ТЛ
При питании выпрямителей от трехфазной сети (Uc = 380/220 B) используют трехфазные трансформаторы, у которых катушки расположены на каждом из трех стержней. Для изготовления таких трансформаторов используют магнитопроводы пластинчатого и ленточного типа, как показано на рис. 5.
Для трансформаторов разработан унифицированный ряд магнитопроводов ленточного типа для мощностей менее 1 кВт. Основываясь на вышеизложенном с учетом обеспечения желаемых технических показателей, выбирается тип магнитопровода по табл. 4. Данные приведены для стали Э411, толщина стали D =0.35 мм.
Таблица 4
Магнитопровод |
Параметры |
Суммарная мощность вторичной обмотки Рd, ВА | |||
150...300 |
300...1000 |
1000...2500 | |||
Броневой |
|||||
ШЛ |
Вm*, Тл |
1,65 |
1,65 |
- | |
ШЛМ |
j, А/мм2 |
2,4-2,3 |
2,7-1,8 |
- | |
kо |
Ud< 100,В |
0,32-0,34 |
0,34-0,38 |
- | |
Ud= 10 2 ..103,В |
0,27-0,3 |
0,3 - 0,33 |
- | ||
Стержневой |
|||||
ПЛ |
Bm* , Тл |
1,6 |
1,6 |
1,6 | |
ПЛМ |
j, А/мм2 |
3,0-2,4 |
2,4-1,7 |
1,7-1,4 | |
ТЛ |
Kо |
Ud< 100,В |
0,29-0,3 |
0,7-0,35 |
0,35 |
Ud= 10 2 ..103,В |
0,25-0,3 |
0,3 |
0,3 | ||
- - значения магнитной индукции Bm, указанные в таблице, являются максимально допустимыми и при проведении расчета их следует уменьшать.
Для выбранного типа магнитопровода трансформатора из табл. 4 определяются значения магнитной индукции Bm; плотности тока в обмотках j; коэффициента заполнения окна магнитопровода ko. Далее из табл. 5 для выбранной изоляции берется значение коэффициента заполнения сталью магнитопровода kc.
Таблица 5
Конструкция магниторовода |
Изоляция пластин или ленты |
Коэффициент заполнения магнитопровода kс при толщине стали D =0.35 мм |
Пластинчатая |
Лак Фосфатная пленка |
0.9 0.94 |
Ленточная |
Лак, эмаль |
0.93 |
Разработанное конструктивное решение трансформатора устанавливает число стержней S, на которых расположены обмотки, а способы расположения первичной и вторичной обмоток на стержнях определяют значения коэффициента Kd. При S=2 витки вторичной обмотки расположены на двух стержнях трансформатора и катушки соединены последовательны, в этом случае для мостовых схем Kd= 0,5, а во всех остальных случаях Kd= 1.
После завершения разработки конструкции трансформатора все результаты следует свести в табл. 6.
Таблица 6
Тип и материал магнитопровода |
Bm, Тл |
j, А/мм2 |
ko |
kc |
S |
Kd |
Броневой |
1,65 |
2,27 |
0,34 |
0,9 |
2 |
0,5 |
Сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к фазе вторичной обмотки RT, и индуктивность рассеяния обмоток LS, вычисляются по следующим формулам:
=8,63 [ Ом ] ( 7 )
=0,027 [ Гн ], ( 8 )
где kR и kL - коэффициенты, зависящие от схемы выпрямления, значения которых определены в табл. 8.
5. ВЫЧЕСЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Расчет напряжения холостого хода выпрямителя Uox производится по формуле:
Uox = Ud + Id (K1× RT + K2 ×2×p×fc× Ls) + K3× N× Uпр + UD, [ В ], ( 9 )
где K1, K2 и K3 - коэффициенты, значения которых для выбранной схемы выпрямления берутся из табл. 8,
UD - падение напряжения на дросселе фильтра.
Uox = - 48+12(8,63+2*2*П*50*0,027)+1*
Значение постоянного прямого напряжения на вентилях Uпр следует брать из табл. 6.
В связи с тем, что на данном этапе расчета невозможно точно определить падение напряжение на дросселе сглаживающего фильтра, следует вычислить его ориентировочное значение в зависимости от величины Pd = Ud× Id по формуле
UD = K4× Ud , [ B ],
где K4 - коэффициент, значения которого берутся из табл. 7.
UD = 0,07*(-48)=-3,36
Таблица 7
Ориентировочные значения коэффициента K4
Значения Рd, Вт |
К4 ( для fс = 50 Гц ) |
10... 30 |
0.2 ...0.14 |
30... 100 |
0.14 ...0.1 |
100... 300 |
0.1 ...0.07 |
300... 1000 |
0.07 ...0.05 |
1000... 3000 |
0.05 ...0.035 |
3000...10000 |
0.035...0.025 |
10000...30000 |
0.025...0.018 |
Таблица 8
Сводная таблица коэффициентов для расчета
Коэффициенты |
Схемы выпрямителей | |||
Однофазная со средней точкой (рис.8.2, а) |
Однофазная мостовая (рис.8.2, б) |
Трехфазная со средней точкой (рис.8.2, в) |
Трехфазная мостовая (рис.8.2, г) | |
kR |
7 |
5.2 |
6.6 |
7.5 |
kL |
5.5×10-3 |
6.4×10-3 |
3.3×10-3 |
1×10-3 |
K 1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
K 2 |
2 |
2 |
3 |
6 |
K 3 |
1 |
2 |
1 |
2 |
K 5 |
3.14 |
1.57 |
2.1 |
1.05 |
По найденному значению Uох уточняем величину обратного напряжения на диоде для выбранной схемы выпрямления по формуле Uобр.max = К5 ×Uох , в которой значение К5 определяется из табл. 8, и проверяем правильность выбора типа вентиля. В том случае, если уточненное значение обратного напряжения будет превосходить допустимое на вентиле, то следует воспользоваться рекомендациями, изложенными в разд. 1. и провести уточнение в расчетах. Результаты проведенных вычислений следует занести в табл. 9.
U обр. Max = 3,14* 69, 45=218
Таблица 9
Рассчитываемые величины |
RT , Ом |
LS , Гн |
Uох , В |
Результаты вычислений |
8,63 |
0,03 |
218 |
6. ПРОВЕДЕНИЕ РАСЧЕТА СГЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА
Расчет сглаживающего фильтра следует начинать с определения коэффициента сглаживания qф из соотношения:
=1,4
в котором k’п и kп - соответственно коэффициенты пульсаций на входе и выходе сглаживающего фильтра для основной гармоники пульсаций; U’m(1) ,Um(1)- амплитуды основной гармоники пульсаций на входе и выходе фильтра, соответственно; U’d ,Ud - постоянные составляющие напряжения на входе и выходе фильтра, соответственно.
Значение kп для вычисления коэффициента сглаживания qф берется из задания (см. табл. 1), а значение k’п определяется из графиков, приведенных на рис. 6 для предварительно рассчитанного значения угла коммутации g из выражения:
1 - cos g = 2 Id× m ×fc× Ls / Uox
1-cos g =2*12*2*50*0,027/ 69,45=0,93
Рис. 6. Зависимость коэффициента пульсации k’п от угла коммутации g
0,9
0,8
0,7
к'п 0,6
0,5
0,4
0,3
0,1
0
0 20 40 60
град
к'n m=6 к'n m=3 к'n m=2
Расчет однозвенного сглаживающего фильтра следует начинать с определения минимально допустимой индуктивности дросселя фильтра для создания индуктивной реакции цепи из фильтра и нагрузки, что обеспечивает непрерывный ток нагрузки, по формуле:
Ldmin= , [ Гн ] ( 16 )
Ldmin= = 0,0106, [ Гн ]
Значение емкости фильтра вычисляется по выражению : (17)
C= , [Ф]
C= = 0,0069 , [Ф]
По вычисленному значению емкости конденсатора С подбирается стандартное его значение (наиболее близкое к рассчитанному в сторону уменьшения). В том случае, если одним конденсатором невозможно подобрать нужное значение емкости, то ставятся несколько подключенных параллельно.
После выбора значения емкости конденсатора С следует уточнить значение индуктивности дросселя Ld:
Ld=
=0,0106
Максимальное напряжение на конденсаторе сглаживающего фильтра определяем по формуле
Ucm=Ud( 1+
)=42 [B]
в которой DUcm - величина перенапряжения на конденсаторе. Перенапряжения на конденсаторе возникают в моменты включения выпрямителя или в моменты резкого изменения тока нагрузки за счет колебательных процессов в цепи фильтра и нагрузки. Величина перенапряжения на конденсаторе фильтра определяется отношением коэффициента затухания aф к собственной частоте wф в цепи образованной фильтром и сопротивлением нагрузки. Коэффициента затухания aф находится по следующей формуле:
aф = *( + ) (20)
aф = *( + ) = 35,28
собственная частота фильтра
wф=
wф= =117,6
По величине найденного отношения аф/wф на рис. 8 находим величину относительного перенапряжения Q для двух случаев.
- Для момента включения выпрямителя:
в этом случае в выражение (20) вместо In подставляется значение номинального тока Id и по величине отношения аф/wф находим значение Q по кривой I на рис. 8, а из выражения
DU'cm= Q× Ud
DU'cm=0,3*(-48)=-14,4
определяем значение перенапряжения на конденсаторе сглаживающего фильтра DU'cm при включении выпрямителя.
- Для момента изменения тока нагрузки от номинального Id до Id1. При расчетах величину тока Id1 обычно берут равной одной сотой от номинального, если его значение не оговорено отдельно. При этом вместо In в формулу (21) необходимо подставить значение Id1 и по отношению аф/wф найти значение Q по кривой 2 на рис. 8 и из выражения
DU”cm'= Q*(Id-Id1) * √
=12
