Задание и исходные данные

Задание: спроектировать и рассчитать управляемый однофазный тиристорный выпрямитель с системой управления (мостовая схема с неполным числом управляемых вентилей — тиристоры в одной стойке) с стабилизацией выходного напряжения.

Исходные данные:

номинальное значение напряжения однофазной питающей сети E1ном = 60В ; минимальное и максимальное значения питающей сети В, E1мин = 66 В ; E1макс =51 В; частота питающей сети fc = 400Гц; номинальное значение выходного напряжения Ud = 80В ; диапазон плавной регулировки выходного напряжения от Udmin = 70В до Udmax = 100B ; амплитуда пульсации выходного напряжения (по основной гармонике) U(1)m £ 0.9B ; максимальный и минимальный токи нагрузки выпрямителя Id max = 16А, Id min =12А; коэффициент стабилизации по входному напряжению

; внутреннее сопротивление стабилизатора

Ом;

1.Введение по выпрямителям

Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают электрический сглаживающий фильтр. Для регулировки или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя к входным зажимам его подключают регулятор или стабилизатор (стабилизатор может быть включен и на стороне переменного тока выпрямителя).

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Режим работы и параметры отдельных элементов выпрямителя, фильтра, регулятора и стабилизатора согласуются с заданными условиями работы потребителя постоянного тока. Поэтому основная задача теории выпрямительных устройств сводится к определению расчетных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя определить электрические параметры элементов стабилизатора, регулятора, фильтра, а также вентилей и трансформатора выпрямителя и затем произвести выбор этих элементов по каталогу или, если это необходимо, рассчитать их.

В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают схемы однофазного и трехфазного питания. Независимо от мощности выпрямителей все схемы делят на однотактные и двухтактные.

К однотактным относят схемы, у которых по вторичным обмоткам трансформатора ток протекает только один раз за полный период (полупериод или его часть). Отношение частоты пульсации выпрямленного напряжения к частоте сети в однотактных схемах равно числу фаз вторичной обмотки трансформатора.

К двухтактным относят схемы, у которых в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора ток протекает дважды за один период, притом в противоположных направлениях. Кратность пульсаций выпрямленного напряжения в таких схемах в два раза больше, чем число фаз вторичной обмотки трансформатора.

В зависимости от назначения выпрямители могут быть управляемые и неуправляемые. Выходные параметры выпрямителя, диапазон регулирования, условия работы вентилей и трансформатора по току и напряжению существенно зависят от характера реакции нагрузки, определяющегося типом нагрузки или первым элементом фильтра. Различают следующие режимы работы выпрямителя: а) работа на активную нагрузку; б) работа на активно-индуктивную нагрузку; в) работа на против-ЭДС; г) работа на активно-емкостную нагрузку.

Регулировка выходного напряжения выпрямителя может осуществляться разными способами. Регулируемый трансформатор или автотрансформатор, включенный в схему выпрямителя, дает возможность изменять амплитуду переменного напряжения, подводимого к вентилям, и тем самым устанавливать желаемое выпрямленное напряжение.

Однако такие трансформаторы весьма громоздки и имеют малую надежность. Малая надежность получается из-за переключаемых или скользящих контактов.

Регулировка постоянного напряжения на нагрузке, достигаемая делителем напряжения или реостатом, включенным между выходом выпрямителя и нагрузкой, связана с большими потерями мощности.

Свободным от этих недостатков является третий метод, основанный на управлении вентилей выпрямителя. В качестве управляемых вентилей в настоящее время применяются тиристоры. Они почти полностью вытеснили более громоздкие и менее надежные тириатроны.

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:

1) среднее значение выпрямленного напряжения и тока , ;

2) коэффициент полезного действия ;

3) коэффициент мощности ;

4) внешняя характеристика, представляющая зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки, ;

5) регулировочная характеристика, представляющая зависимость выпрямленного напряжения от угла управления ;

6) коэффициент пульсаций, представляющий отношение амплитуды данной гармонической составляющей выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения (тока):

С помощью трансформаторов в выпрямительных устройствах производится преобразование величины входного напряжения, электрическое разделение цепей преобразователя, преобразование числа фаз системы напряжений, питающих выпрямитель

2.Расчет однофазного тиристорного управляемого выпрямителя.

Описание схемы. Основные расчетные соотношения

По заданию необходимо рассчитать мостовую схему с неполным числом управляющих вентилей — катоды тиристоров в одной точке. Такая схема используется для повышения коэффициента мощности выпрямителя, снижения затрат мощности на управление и уменьшения числа управляемых вентилей. Используем фильтр для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, элементы фильтра выберем так, чтобы в заданном диапазоне изменения тока нагрузки фильтр обладал индуктивной реакцией.

На рис. 1 изображена схема силовой части выпрямителя; на рис. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу. При построении диаграмм предполагалось, что трансформатор и вентили являются идеальными, а индуктивность фильтра . Система управления вырабатывает импульсы , , с помощью которых в каждый полупериод питающего напряжения включается один из тиристоров. Стабилизация выходного напряжения при изменении нагрузки и напряжения питающей сети осуществляется соответствующим изменением угла регулирования .

В схеме (рис.1) тиристоры проводят ток с момента их отпирания () до момента спада ЭДС вторичной обмотки до нуля, т. е. меньше . Продолжительность работы диодов больше (от момента спада ЭДС вторичной обмотки до нуля и до момента отпирания очередного тиристора). Через диоды , протекает ток, обусловленный ЭДС самоиндукции дросселя Временные диаграммы токов и напряжений приведены на рис. 2.

Определим диапазон изменения угла регулирования .

Диапазон регулирования рекомендуются выбирать в диапазоне . Минимальный угол регулирования выбирают с таким расчетом, чтобы при максимальном токе нагрузки и минимальном напряжении сети выпрямитель обеспечивал требуемое выпрямленное напряжение. Вместе с тем угол должен соответствовать началу участка регулировочной характеристики с максимальной крутизной характеристики. Для нашей схемы, исходя из сказанного, принимаем диапазон: .

Найдем соотношения для расчета параметров вентилей, используя временные диаграммы Рис. 2 .

1. Средний ток через тиристор:

(1)

2. Средний ток через диод:

(2)

3. Действующее значение тока через тиристор:

(3)

4. Действующее значение тока через диод:

(4)

5. Среднее значение выпрямленного напряжения:

, (5)

где — амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора, — действующее значение напряжения на вторичной обмотке.

6. Максимальное значение прямого напряжения на вентилях:

(6)

7. Максимальное значение обратного напряжения на вентилях:

(7)

8. Коэффициент формы тока через тиристор:

(8)

9. Коэффициент формы тока через диод:

(9)

10. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

(10)

11. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:

(11)

Расчет силовой части

1. Определим коэффициенты изменения питающего напряжения:

2. Средний ток через тиристор при , А:

А.

3. Действующее значение тока через тиристор при , А:

А.

4. Коэффициент формы тока через тиристор:

5. Средний ток через диод при , А:

А.

6. Действующее значение тока через диод при , А:

А.

7. Коэффициент формы тока через диод:

8. Максимальное обратное напряжение на тиристоре:

Найдем значения , и (, и ):

При минимальном значении сети и максимальном выходном напряжении уравнение (5) примет вид:

. (12)

Из (12) следует:

В.

Найдем из условия :

, подставляя числовые значения, получаем:

В.

Из условия найдем :

, подставляя числовые значения, получаем: В.

== 171.108 В.

== 221.424 В.

== 201.292 В.

Максимальное обратное напряжение на тиристоре, при :

221.424 В.

9. Максимальное прямое напряжение на тиристоре, при :

при изменение принимает наибольшее значение при : , из сказанного следует, что максимальное прямое напряжение на тиристоре равно:

221.424 В.

10. Максимальное обратное напряжение на диоде:

221.424 В.

На основе произведенных расчетов выберем нужные тиристоры и диоды:

а) диоды типа КД416А, с параметрами: допустимое обратное напряжение В; допустимый средний ток А; среднее значение прямого падения напряжения В; интервал рабочей температуры: -60…+130; пороговое напряжение В; динамическое сопротивление Ом; максимальное допустимая температура перехода К (130); внутреннее установившееся тепловое сопротивление переход-корпус ;

б) тиристоры типа КУ108В со следующими параметрами: допустимый средний ток А; допустимое обратное напряжение В; допустимое прямое напряжение В; падение напряжения на открытом тиристоре 1.5В; ток управления спрямления мА; напряжение спрямления В; допустимый прямой ток управляющего электрода А; допустимая мощность рассеиваемая тиристором Вт; допустимая средняя мощность рассеиваемая в цепи управляющего электрода Вт; максимальная температура окружающей среды +55; время включения тиристора мкс.

11. Мощность статических потерь в тиристоре при :

где — пороговое напряжение; — динамическое сопротивление тиристора в открытом состоянии, определяемое по статической вольтамперной характеристике при ее кусочно-линейной аппроксимации. Для тиристора КД416А по статической характеристике, приведенной в справочнике, находим: В, Ом.

Вт.

12. Средняя за период мощность статических потерь в диоде при :

;

Вт.

По полученным значениям мощности потерь в тиристоре и диоде и заданной максимальной температуре окружающей среды, выбираем площадь теплоотводящих радиаторов. Для охлаждения используем ребристые односторонние черненые радиаторы со степенью черноты 0.8 и отводом тепла посредством естественной конвекции. В табл. 1 приведены расчетные поверхности теплоотводящих радиаторов выбранной конструкции для тиристоров типа 2У202, широко используемых в выпрямителях малой мощности.

Таблица 1

Мощность, рассеиваемая тиристором, Вт	КУ108В
Площадь поверхности радиатора () при
0.5	16/32
1	45/55
2	71/98
3	107/146
4	140/198
5	182/245
6	216/297
7	246/328
8	284/395
9	317/448
10	355/489
12	422/595
14	486/689
16	558/779
18	623/878
20	695/968

Из табл. 1 находим, что при К (+50) площадь поверхности радиатора для тиристора КУ108В, при Вт должна быть не менее 55 см.

13. Определяем площадь теплоотводящего радиатора для диода по формуле

где — коэффициент теплоотдачи, зависящий от конструкции, материала и степени чернения теплоотвода (в спокойном воздухе при нормальном давлении Вт/(см)); — максимальная рабочая температура перехода, которая для надежности выбирается на 10-20 меньше ; — тепловое сопротивление переход-корпус диода (находится из справочника); — тепловое сопротивление между корпусом диода и теплоотводом, величина которого обычно определяется экспериментально и лежит в пределах 0.1 … 1 /Вт в зависимости от чистоты обработки поверхности, наличия смазок, прокладок и усилия прижимающего диод к теплоотводу (для диода типа КД416А /Вт). Для уменьшения теплового контактного сопротивления поверхности корпуса диода, тиристора и радиатора в местах контакта смазываем теплоотводящей пастой КПТ-8.

см.

14. Определим (ориентировочно) габаритную мощность трансформатора:

В А

В качестве сердечника трансформатора используем броневой пластинчатий магнитопровод из электротехнической стали 3340 толщиной 0.15 мм.

15. Активное сопротивление трансформатора, приведенное к обмотке :

где — коэффициент, зависящий от характера нагрузки и схемы выпрямления. Для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой =7; для однофазного мостового выпрямителя =5.2; — число стержней, на которых расположены обмотки (для сердечников броневого типа =1; для стержневых магнитопроводов =2); — максимальное значение рабочей индукции в сердечнике.

Значение определяют по габаритной мощности трансформатора из табл. 2.

Таблица 2.

Конструкция магнитопровода	Материал сердечника и его толщина, мм	Частота сети, Гц	Магнитная индукция (Тл) при (ВА)
5-15	15-50	50-150	150-300
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Броневая (пластинчатая)	342 0.35	50	1.1-1.3	1.3	1.3-1.35	1.35	1.35-1.2	—
Броневая (ленточная)	3310 0.35	50	1.55	1.65	1.65	1.65	1.65	—
Броневая (пластинчатая)	344 0.2	400	1.1	1.2	1.2-1.15	1.15-1.0	1.0-0.8	0.8-0.65
Броневая (ленточная)	3340 0.15	400	1.4	1.4	1.4	1.4	1.3	—

=0.65 Тл.

Ом.

16. Уточним значение напряжения на вторичной обмотке. Падение напряжения на открытом диоде и тиристоре определяются уравнениями:

где — мгновенные значения тока соответственно на диоде и тиристоре.

Среднее значение напряжения на входе фильтра (рис. 1):

. (13)

При :

(14)

При :

(15)

Подставляя выражения (14), (15) в (13), получаем:

. (16)

Среднее значение напряжения на нагрузке:

, (17)

где — активное сопротивление обмотки дросселя.

Входе предварительного расчета значение можно принять , где — эквивалентное сопротивление нагрузки выпрямителя. Меньшее значение следует брать при более высоких частотах и больших мощностях. В данном случае Ом. Принимаем Ом.

Из (16), (17) найдем уравнение нагрузочной характеристики выпрямителя:

(18)

При минимальном значении сети, максимальном токе нагрузки и максимальном выходном напряжении уравнение (18) примет вид:

(19)

Из (19) выразим и подставляя числовые значения уточним значение:

Найдем из условия :

, подставляя числовые значения, получаем:

В.

Из условия найдем :

, подставляя числовые значения, получаем: В.

== 182 В.

== 235,522 В.

== 214,2В.

17. Уточним максимальное прямое напряжение на тиристоре и диоде:

Максимальное обратное напряжение на тиристоре, при :

235,522 В.

Максимальное прямое напряжение на тиристоре, при :

при изменение принимает наибольшее значение при : , из этого следует, что максимальное прямое напряжение на тиристоре равно:

235,522 В.

Максимальное обратное напряжение на диоде:

235,522 В.

18. Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке (по первой гармонике):

Коэффициент пульсации напряжения на входе фильтра (по первой гармонике):

(20)

где — среднее значение напряжения на входе фильтра;

—амплитуда первой гармоники пульсации;

— амплитуды соответственно синусной и косинусной составляющих первой гармоники пульсации, определяемые по формулам для коэффициентов ряда Фурье:

Подставляя найденные выражения в (20) с учетом (5) получим:

(21)

График зависимости от угла регулирования показан рис. 3. Из графика видно, что при некотором значении коэффициент пульсации достигает максимального значения.

При изменении угла регулирования, достигает максимума при : =1.94.

19. Определим требуемый коэффициент сглаживания фильтра:

При — рекомендуется применять двухзвенный фильтр.

В двухзвенных индуктивно-емкостных фильтрах Г-образного типа коэффициент сглаживания фильтра определяют как произведение коэффициентов звеньев:

Оптимальным считается фильтр, имеющий одинаковые элементы обоих звеньев (, ), поэтому ():

. (22)

Учитывая сказанное, рассчитаем параметры элементов одного звена. Из формулы (22) определим :

20. Определим произведение , считая, что коэффициент передачи постоянной составляющей фильтра равен 1:

, откуда , где

— число основных пульсаций выпрямленного напряжения за период питающего напряжения, как видно из рис. 3, в нашем случае ;

— круговая частота питающей сети.

Подставляя числовые значения, получим:

ГФ.

21. Рассчитаем индуктивность дросселя, необходимую для обеспечения индуктивной реакции фильтра в заданном диапазоне изменения тока нагрузки, из условия . Так как сопротивление конденсатора фильтра для переменной составляющей намного меньше сопротивления дросселя и , амплитуда основной гармоники тока в дросселе ,

где — амплитуда напряжения пульсации на входе фильтра. С учетом двух последних выражений исходное неравенство принимает вид

откуда

Гн.

С учетом полученных значений индуктивности и максимального тока нагрузки А, выбираем стандартный дроссель типа Д187, который при последовательном соединении имеет следующие параметры: диапазон рабочей частоты 50…5000Гц; индуктивность Гн; ток подмагничивания А; активное сопротивление обмотки Ом. Поскольку фильтр двухзвенный, то его сопротивление будет равно Ом.

22. Расчетное значение емкости фильтра:

мкФ.

23. Рассчитаем рабочее напряжение конденсатора из условия возможного режима х. х. выпрямителя:

В.

Из справочника выбираем алюминиевый электролитический конденсатор типа К50-6 емкостью 100 мкФ на рабочее напряжение 500В. В соответствии с техническими условиями, указанный конденсатор имеет следующие параметры: диапазон рабочих температур от 233К () до 343К (); рабочее напряжение в указанном диапазоне температур — 500В; допустимое технологическое отклонение емкости в процентах от номинального значения: +80%, -20%; допустимое изменение емкости с температурой относительно измеренной при номинальных условиях (в процентах от номинального значения): при К () — (), при К () — (); допустимая амплитуда пульсаций при частоте пульсации 400 Гц и К () составляет 5% рабочего напряжения, т. е. В; при частоте пульсации до 1кГц допустимая амплитуда вычисляется по формуле

где — частота пульсации на выходе выпрямителя, Гц.

В нашем случае частота пульсации

Гц,

а допустимая амплитуда пульсации на этой частоте

Поскольку в соответствии с техническим заданием амплитуда пульсации выходного напряжения В, неравенство выполняется то конденсатор будет работать в пределах ТУ.

Определим установленную емкость фильтра с учетом возможного уменьшения ее на 80% вследствие снижения окружающей температуры до С и на 20% из-за технологического разброса:

мкФ.

Для получения требуемой емкости можно включить параллельно 3-и конденсатора указанного типа, или один емкостью 200 мкФ того же типа, с теми же технологическими параметрами (К50-6: 100, 200, 500 мкФ, с одинаковыми тех. параметрами).

24. Проверяем параметры фильтра на отсутствие резонанса на частоте основной гармоники пульсации. Для этого определяем резонансную частоту фильтра:

Гц.

Так как , резонанс отсутствует.

25. По формуле (10) определяем действующее значение тока в обмотке в режиме максимальной токовой отдачи выпрямителя:

А.

26. Коэффициент трансформации трансформатора:

27. Действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора по формуле (11) при максимальной мощности и нагрузке и минимальном напряжении сети (без учета тока х. х. трансформатора):

А.

28. Расчетная мощность первичной обмотки трансформатора:

В А.

29. Расчетная мощность вторичной обмотки:

В А.

30. Типовая мощность трансформатора

В А.

31. Рассчитаем силовой трансформатор по следующим исходным данным: типовая мощность ВА; соответственно минимальное и максимальное напряжение сети: В, В; действующее значение напряжения на вторичной обмотке при минимальном напряжении сети ; действующее значение токов в обмотках А, А; частота питающей сети Гц; Коэффициент коммутации обмоток . В качестве сердечника трансформатора используем броневой пластинчатий магнитопровод из электротехнической стали 3340 толщиной 0.15 мм. При ВА, частоте Гц и выбранной марке стали принимаем: максимальная индукция в сердечнике (при максимальном напряжении сети) Тл. При менее 2000ВА принимаем . Плотность тока в обмотках . Коэффициент заполнения окна медью . Коэффициент заполнения сердечника сталью

Определим произведение площади сечения магнитопровода на площадь окна сердечника :

для трансформаторов малой мощности можно считать:

Из справочника выбираем магнитопровод ШЛ 30х42, у которого ; =20, =30; масса магнитопровода кг; средняя длина магнитной силовой линии см.

32. Число витков первичной обмотки трансформатора:

витков.

33. Число витков вторичной обмотки:

витков.

34. Определим мощность потерь в стали сердечника при минимальном напряжении сети:

где — удельная мощность потерь; —масса магнитопровода. Для стали 3340 толщиной 0.15 мм при частоте Гц и индукции Тл Вт/кг.

Вт.

35. Активная составляющая тока х. х. трансформатора при минимальном напряжении сети:

А.

36. Реактивная составляющая тока х. х. трансформатора при минимальном напряжении сети:

где — полная намагничивающая мощность трансформатора; — удельная намагничивающая мощность, ВА/кг; зависящая от марки стали, толщины листа, частоты перемагничивания и рабочей индукции в сердечнике. Принимаем =5 ВА/кг.