Расчет выпрямительного устройства

Содержание

Введение

1.        Расчет схемы управляемого выпрямителя

1.1 Обоснование выбора схемы

1.2 Расчет параметров диода

2. Расчет трансформатора

Заключение

Список использованных источников

Введение

Выпрямительным устройством называется статическое устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Выпрямительное устройство является одним из основных элементов любой системы бесперебойного электропитания аппаратуры телекоммуникаций и информационных сетей.

В качестве источника энергии в основном используется однофазная или трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты 50 Гц.

Различают два основных режима работы выпрямительных устройств: на нагрузку индуктивного и емкостного характера.

При работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера первым элементом сглаживающего фильтра является дроссель, индуктивное сопротивление которого даже на частоте первой гармоники пульсации существенно больше результирующего сопротивления всех, стоящих за ним элементов, включая нагрузку. Режим работы на нагрузку индуктивного характера предполагает безразрывность тока, протекающего по обмотке дросселя, даже при минимальном значении тока, потребляемого аппаратурой. Данный режим характеризуется минимальными потерями во всех элементах выпрямительного устройства по сравнению с другими режимами работы (при той же мощности потребляемой аппаратурой). [1]

Большинство выпрямителей создаёт не постоянное напряжение и ток, а пульсирующее однонаправленное напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которого применяют фильтры. Из распространенных схем неуправляемых выпрямителей (однополупериодных, двухполупериодных и мостовых) наиболее эффективны двухполупериодные, так как используются оба полупериода напряжения сети, и ток в нагрузочном резисторе, создаваемый за счет поочередной работы вентилей, протекает в одном направлении. Двухполупериодные выпрямители могут строиться по мостовой или полумостовой схеме.

Выпрямители широко используются в схемах питания различных радиоэлектронных устройств. С помощью выпрямителей возможно преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения, что позволяет создать схемы питания с различными напряжениями при наличии одного источника энергии. [2]

ток выпрямитель диод трансформатор

1.     
Расчет схемы управляемого выпрямителя

.1 Обоснование выбора схемы

Маломощные выпрямители, как правило, питаются от однофазной сети переменного напряжения 220 В. Согласно заданию, принимаем схему двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки, рисунок 1.1.

Рисунок 1.1. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

Достоинствами данной схемы является то, что она имеет лучший коэффициент использования вентилей по току, чем мостовая, меньшую расчётную мощность трансформатора, меньший коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. К недостаткам схемы следует отнести: плохое использование вентилей по напряжению, высокое обратное напряжение, прикладываемое к выпрямительным диодам, усложнённая конструкция трансформатора.

Трансформатор Т, имеющий одну первичную обмотку и две вторичные, соединенные последовательно, предназначен в этой схеме как для согласования значения питающего напряжения и напряжения на нагрузке, так и для создания средней точки, служащей одним из полюсов напряжения на нагрузке. Очевидно, что электродвижущая сила (ЭДС) на вторичных обмотках U_2a и U_2b относительно средней точки будут в противофазе, рисунок 1.2, б. В каждый момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого положителен. Так, для момента времени t₁, рисунок1.2, в, потенциал фазы а положителен. Значит, ток будет проводить диод VD1. Поскольку падение напряжения на диоде в проводящем состоянии близко к нулю, все напряжение фазы приложено к нагрузке (U_2a=U_d).

Через половину периода питающего напряжения фаза b становится положительной, начинает проводить ток диод VD2 и к нагрузке прикладывается напряжение фазы U_2b с той же полярностью, что и в предыдущем полупериоде, рисунок 1.2, б. Далее процесс повторяется.

Форма тока нагрузки, рисунок 1.2, в, будет повторять форму напряжения. Диоды VD1 и VD2 проводят ток нагрузки поочередно, когда потенциал соответствующего диода становится положительным. Поэтому ток диода повторяет форму тока нагрузки на этапе проводимости, но протекать он будет только в течение полупериода питающего напряжения, рисунок 1.2, г. Форма и значение тока в первичной обмотке трансформатора определяются током во вторичной обмотке трансформатора I₂ и коэффициентом трансформации трансформатора K_T. На принципиальной схеме выпрямителя хорошо видно, что токи вторичных обмоток трансформатора фаз a и b протекают в разные стороны. Значит, индуцируемый в первичную обмотку трансформатора ток тоже будет разнополярным и имеющим синусоидальную форму, рисунок 1.2, а.

Изменение напряжения на диоде во времени показано на рисунке 1.2, д.

Двухполупериодная схема со средней точкой нашла широкое применение для питания электронных устройств небольшой мощность, так как для ее реализации требуется всего два диода.

В соответствии с заданием на курсовую работу, в наибольшей мере схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки соответствует заданным условиям, поэтому в дальнейшем будем опираться на указанную схему.

Рисунок 1.2. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя: а) формы напряжений и токов обмоток трансформатора; б) форма напряжения на нагрузке; в) форма тока нагрузки; г) форма тока диода; д) изменение напряжения на диоде.

Учитывая вышеизложенное, можно приступить к расчету рассматриваемой схемы. Рассчитать выпрямитель - это значит определить предельные значения токов и напряжений в различных ветвях и точках схемы и по расчетным значениям выбрать элементы и параметры схемы: диоды, коэффициент трансформации трансформатора, сечение проводов обмоток и мощность трансформатора, от которой зависит сечение магнитопровода. Для выбора диодов необходимо определить среднее значение тока, протекающего через диод, и максимальное значение напряжения, прикладываемое к диоду в закрытом состоянии. Диод перегревается и сгорает при превышении среднего допустимого значения тока, протекающего через него. Диод пробивается при превышении допустимого напряжения, прикладываемого к нему. [3]

1.1   
Расчет параметров диода

Исходными данными являются ток нагрузки I_н=0,15А, действующее значение напряжения U_d=200В и частота сети f=50Гц. Для выбора диодов при расчете выпрямителя определяют средний ток I_ср, протекающий через диоды, и обратное напряжение U_обр. Для расчета трансформатора находят ток первичный I₁ и вторичной I₂ обмоток, напряжение на вторичной обмотке U₂ и сопротивление трансформатора.

На временных диаграммах рисунка 1.2, г, д хорошо видно, что каждый вентиль проводит ток в течение полупериода. Отсюда следует, что среднее значение тока вентиля:

Найдем максимальное значение напряжения на диоде:

Выбираем диод типа КД127А с U_обр=800В, I_ср=250мА. [7]

Максимальное значение тока вентиля:

Коэффициент пульсаций напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя:

где m - число фаз выпрямителя, в нашем случае m=2. Тогда

 [4]

2. Расчет трансформатора

Качество выходного напряжения известных схем выпрямления не удовлетворяет требованиям, предъявляемым аппаратурой телекоммуникации и информатики по критерию пульсаций или допустимому уровню переменных составляющих. Для получения необходимого качества выпрямленного напряжения на выходе вентильного звена включают специальное звено, «сглаживающее» пульсации. Частными случаями сглаживания являются работа выпрямителя на емкостную и индуктивную нагрузку. Смысл эффекта сглаживания состоит в том, что величина постоянной составляющей на выходе сглаживающей цепи значительно больше, чем амплитуда переменной составляющей. В терминах электротехники это означает, что коэффициент передачи цепи подключенной к выходу схемы выпрямления по постоянному току значительно больше, чем по переменному току. В общем случае сглаживающее звено является фильтром нижних частот. Задачей сглаживающего фильтра является передача с минимальными потерями постоянной составляющей его входного напряжения и ослабление переменных составляющих до приемлемого уровня.

По принципу действия сглаживающие фильтры подразделяются на активные и пассивные. Активные сглаживающие фильтры являются схемами с частотно-зависимой обратной связью и могут рассматриваться как частный случай линейных стабилизаторов. Пассивные фильтры используют для сглаживания пульсаций инерционные элементы: конденсаторы, дроссели или их комбинацию. [1]

Дросселем называется статический электромагнитный аппарат, используемый в электрических цепях в качестве индуктивного сопротивления. В зависимости от назначения их можно разделить на дроссели переменного тока (индуктивные катушки), регулирующие дроссели (дроссели насыщения) и сглаживающие дроссели фильтров.

Сглаживающие дроссели предназначены для ослабления пульсаций выпрямленного напряжения. Он состоит из магнитопровода и обмотки, но, в отличие от других устройств, магнитопровод сглаживающего дросселя имеет немагнитный промежуток.

Параметры фильтра рассчитываются из условия подавления самой низшей гармоники выходного напряжения потребителя. Если совокупность реактивных элементов фильтра эффективно подавляет низкочастотную составляющую выходного напряжения, то высокочастотную составляющую фильтр тем более подавит. Степень эффективности (сглаживания) фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания фильтра.

Под коэффициентом сглаживания понимают отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра q_вх к коэффициенту пульсации на выходе фильтра q_вых.

Рисунок 1.3. Схема индуктивного фильтра

Простой индуктивный фильтр, рисунок 1.3, состоит из дросселя L_ф, включенного последовательно с сопротивлением нагрузки R_н. Поскольку активное сопротивление обмотки дросселя r_L много меньше, чем сопротивление нагрузки R_н, то постоянная составляющая напряжения на выходе выпрямителя U_d будет равна среднему значению напряжения на нагрузке U_н, тогда как переменная составляющая выходного напряжения выпрямителя распределится пропорционально сопротивлениям по переменной составляющей между реактивным сопротивлением дросселя X_L и сопротивлением нагрузки R_н.

Индуктивный фильтр включают последовательно с нагрузкой, так как он оказывает большое сопротивление переменной составляющей протекающего тока:

Определим действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

Действующее значение тока одной из вторичных обмоток трансформатора:

Вычислим постоянную мощность на нагрузке:

Так как мощность трансформатора рассчитывалась из действующих значений напряжений и токов обмоток трансформатора, а мощность нагрузки считается как произведение средних значений токов и напряжений, типовая мощность трансформатора:

Тогда коэффициент использования трансформатора по мощности:

Напряжение и ток на первичной обмотке:

Найдем коэффициент сглаживания фильтра по первой гармонике:

где U_{1max d} и U_{1max н} - амплитуды пульсаций на входе и выходе фильтра, I_1max - амплитуда тока первой гармоники; w_c=2πf_c - угловая частота напряжения питающей сети; m - число фаз выпрямления.

При заданной индуктивности фильтра L_ф=10Гн найдем коэффициент сглаживания:

 [3]

Найдем произведение площади сечения сердечника трансформатора Q_c на площадь окна сердечника Q_о, которое в зависимости от марки провода обмотки равно:

 для провода с эмалевым лакостойким покрытием (ПЭЛ);

 для провода, изолированного лаком и одним слоем шелковых нитей (ПЭШО);

 для провода, изолированного двумя слоями шелковых нитей (ПШД).

Выбираем для нашего примера провод марки ПЭЛ. Провод предназначен для обмотки электрических машин, структура условного обозначения аппаратов и приборов ПЭЛ - медные провода круглого сечения. Минимальная температура окружающей среды - минус 60°С. Нагревостойкость изоляции соответствуют классу А по ГОСТ 8865-70. Провода соответствуют требованиям ГОСТ 2773-78. ГОСТ 2773-78. Проволока равномерно покрыта сплошным слоем эмалевой изоляции. Поверхность провода гладкая, без пузырей и инородных включений. Провод намотан на катушку одним отрезком.

При этом получаем

На основании таблицы 1 по значению Q_cQ_о выбираем для сердечника трансформатора пластины типа Ш28 с Q_о=5,88см², шириной среднего стержня сердечника a=2,8 см, высотой окна h=4,2см и шириной окна b=1,4 см. При этом получаем:

Таблица 1 - Основные данные типовых Ш-образных пластин трансформатора

Необходимая толщина пакета пластин будет равна:

Значение отношения находится в пределах 1..2. Если значение отношения выходит за эти пределы, необходимо выбрать другой тип пластин.

Определяем число витков w и толщину провода d первичной и вторичной обмоток трансформатора:

витков

витков

[4]

Заключение

Источники питания со сглаживающими дросселями были очень популярны в период расцвета ламповых усилителей по одной простейшей причине, а именно из-за отсутствия конденсаторов с очень большой емкостью. Поэтому для сглаживания пульсаций после выпрямителя должны были использоваться дроссели.

Использование индуктивного фильтра в нашем случае нецелесообразно по ряду причин:

- фильтр обладает высоким нагрузочным сопротивлением R_н=1333 Ом;

-       малая индуктивность L=10 Гн приводит к необходимости включения дросселя с большими массой и габаритами: согласно вычислениям, площадь окна сердечника q_c=10,94см², толщина пакета пластин с=3,9см

-       из-за крупных габаритов необходимо большое количество проводов, чтобы сделать 730 витков толщиной провода 0,3мм и 1096 витков толщиной провода 0,22 мм.[5]

Если бы представилась возможность изготовить источник питания со сглаживающим дросселем, в котором величина индуктивности дросселя имела бы бесконечно большое значение, то ток в силовом трансформаторе был бы полностью идентичен постоянному току, протекающему в нагрузке.

На практике источники питания никогда не достигают этого идеала, поэтому ток вторичной обмотки трансформатора представляет собой комбинацию постоянного тока нагрузки и меньшего по величине и приближающегося по форме к синусоидальному, тока дросселя. Тем ни менее, источник питания со сглаживающим дросселем имеет огромное преимущество, заключающееся в том, что он обеспечивает почти неизменный по величине ток, протекающий в цепи от силового трансформатора, а не последовательность коротких импульсов с высокими значениями размаха тока, как при работе выпрямителя на накопительный конденсатор.

Таким образом, для фильтрации переменных составляющих выпрямленного тока, целесообразно использовать дроссель, имеющий очень высокое реактивное сопротивление на частотах этих переменных составляющих, поэтому только постоянная составляющая выпрямленного тока будет протекать в нагрузке выпрямителя со сглаживающим дроссельным фильтром. В нашем случае разумнее было бы использовать конденсатор или лучше смешанный индуктивно-емкостный фильтр.[6]

Список использованных источников

1.   Электропитания устройств и телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М. Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - 384 с.: ил.

2.      Бессонов, В.В. Радиоэлектроника для начинающих (и не только):. - Электрон. дан. - М. : СОЛОН-Пресс, 2007. - 512 с.

.        Попков О.З. Основы преобразовательной техники: учеб. пособие для вузов / О.З. Попков. 2-е изд., стереот. - М. : Издательский дом МЭИ, 2007. - 200 с: ил.

.        Основные узлы радиоэлектронной аппаратуры. Методика расчета : учеб.-метод. пособие для учащихся / сост. В.И. Руденкова. - Мн. : МГВРК, 2008. - 114 с.

.        Романов В.П. Электропитание средств вычислительной техники: Учебно-методический комплекс. - Новокузнецк: Кузнецкий индустриальный техникум, 2008. - 93 с.

.        Джонс Морган. Ламповые усилители / пер. с англ.; под общ. Научной ред. К.т.н. доц. Иванюшкина Р.Ю. - М.: Издательский дом «ДМК-пресс», 2008 г.. - 760с., ил. ISBN 5-9706-0020-2

.        Нестеренко И.И. Цвет, код, символика радиоэлектронных компонентов. - М.: СОЛОН-Р, 2010. - 216 с.: ил.