Исходные данные.
Сетевое напряжение U1, В 220
Частота сетевого напряжения f, Гц 400
Номинальное среднее выпрямленное напряжение Uн, В 650
Номинальный средний ток нагрузки Iн, A 0,45
Коэффициент пульсаций напряжения нагрузки kп, % 3
Марка электротехнической стали Э340
Тип магнитопровода стержневой
Предварительный расчет.
Выбор типа выпрямителя.
Так как однофазный мостовой двухполупериодный выпрямитель обладает рядом преимуществ по сравнению с другими схемами выпрямления, то его целесообразно выбрать в качестве схемы выпрямления.
Однофазный мостовой двухполупериодный выпрямитель
Рис. 3 Рис. 4
Также как и в двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой, в мостовой схеме напряжение прикладывается к нагрузке в течение всего периода изменения напряжения Uвх. При этом его значение при Uвх = Uвх 1 + Uвх 2 в два раза превышает выходное напряжение схемы Рис. 3. Поэтому при одном и том же напряжении нагрузки в мостовой схеме к обратносмещенным диодам прикладывается напряжение в два раза меньшее, чем в схеме Рис. 3. [an error occurred while processing this directive]
Средние значения тока и напряжения на нагрузке для однофазного
мостового двухполупериодного выпрямителя будут такими же, как и в двухполупериодной
схеме со средней точкой:
 |
Основная частота пульсаций выпрямленного напряжения в двухполупериодной мостовой схеме будет равна удвоенной частоте входного напряжения. Коэффициент пульсаций такой же, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой: Kп = 0,67.
Особенностью мостовой схемы является то, что в ней последовательно с нагрузкой все время включено два диода, в то время как в описанных выше однофазной однополупериодной и однофазной двухполупериодной схемах такой диод один. Поэтому при низких входных напряжениях (4…5 В) использование мостовой схемы может оказаться неэффективным (падение напряжения на диодах по величине будет сравнимо с выходным напряжением выпрямителя) - для повышения КПД обычно применяют двухполупериодную схему со средней точкой (возможен также переход к использованию диодов Шоттки с малым падением напряжения при прямом смещении). С повышением напряжения разница в КПД схем уменьшается и определяющим фактором становится величина обратного напряжения, прикладываемого к запертым диодам в процессе работы выпрямителя. Поэтому при больших уровнях выходного напряжения обычно используют выпрямитель, выполненный по мостовой схеме.
Трёхфазные цепи.
Объединение в одной линии электропередачи нескольких цепей переменного тока с независимыми источниками электроэнергии называется многофазной системой.
Наибольшее распространение получила трёхфазная система, которая была изобретена и разработана выдающимся русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-1891гг.
Трёхфазной симметричной системой Э.Д.С. называется совокупность трёх Э.Д.С. одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых друг относительно друга по фазе на 1200 . Эти три Э.Д.С. можно изобразить на временной (рис.5.1) и векторной (рис. 5.2.) диаграммах.
Трёхфазные симметричные системы Э.Д.С. получаются с помощью трёхфазного генератора, в котором имеются три самостоятельные обмотки, расположенные на статоре, и сдвинутые относительно друг друга в пространстве на 1200. В центре статора вращается магнит (рис. 5.3). Форма магнита такова, что магнитный поток, пронизывающий каждую катушку, изменяется по синусоидальному закону. Тогда по закону электромагнитной индукции в катушках будут индуцироватьсяЭ.Д.С.равной амплитуды и частоты, отличающиеся друг от друга на 1200 .
; (5.1)
;
(5.2)
. (5.3)
Комплексы действующих значений этих Э.Д.С.:
Следующий порядок чередования
Э.Д.С. 
называется прямой последовательностью фаз, а чередование
называется обратной последовательностью
фаз.
В дальнейшем при рассмотрении трёхфазных систем принимается прямая последовательность фаз, которая считается нормальной.
Однофазный мостовой двухполупериодный выпрямитель
Выбор типа сглаживающего фильтра.
Так как ток нагрузки меньше 0,5 А, то в качестве фильтра необходимо взять емкостный фильтр.
Емкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Он состоит из конденсатора, включаемого параллельно нагрузке. Коэффициент пульсаций напряжения на
выходе выпрямителя с емкостным фильтром может быть найден по формуле:
Kп. ≈ 1 /( 2mf RнC )
где m зависит от схемы выпрямителя (m = 1 для однофазного однополупериодного выпрямителя, m = 2 для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей),f - частота входного переменного напряжения.
Из приведенной формулы видно, что коэффициент пульсации на выходе выпрямителя с емкостным фильтром обратно пропорционален емкости применяемого конденсатора и величине сопротивления нагрузки.
Поэтому применение такого фильтра рационально только при достаточно больших значениях этих величин. По мере совершенствования технологии изготовления конденсаторов большой емкости, рассматриваемый тип фильтра вследствие своей простоты и эффективности находит все большее применение.
Выбор типа трансформатора.
Ввиду того, что маломощные трансформаторы стержневого типа с двумя катушками имеют лучшее охлаждение и требуют меньшего расхода меди ввиду меньшей средней длины витка и возможной большей плотности тока в обмотках, то я возьму именно этот тип (рис. а ).
Ориентировочное значение активного сопротивления трансформатора, приведенного к фазе вторичной обмотки, подсчитывается по формуле
а ориентировочное значение индуктивности рассеяния трансформатора, приведенной к фазе вторичной обмотки, — по формуле
Расчет выпрямителей, работающих на нагрузку с емкостной реакцией.
Аналитические формулы получим на примере однотактного трехфазного выпрямителя, схема которого и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 1
Здесь приняты следующие обозначения: r – активное сопротивление фазы выпрямителя, равное сумме прямого сопротивления вентиля (полупроводникового диода) rпр и активного сопротивления обмоток трансформатора rтр, приведенного к его вторичной обмотке; Uн , Iн — номинальные значения выпрямленного напряжения и тока; U2макс, u2 — амплитудное и мгновенное значения напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора; I2макс, i2 — амплитудное и мгновенное значения тока вторичной обмотки трансформатора и диода; θ - угол отсечки тока через диод; С0 — емкость конденсатора; R — сопротивление нагрузки.
Приближенное значение прямого сопротивления диода rпр должно определяться по статическим вольт-амперным характеристикам выбранного типа диода. При отсутствии таковых прямое сопротивление можно вычислить по приближенной формуле
rпр = UД ПР /(3.Iн)
Здесь UД ПР — прямое падение напряжения на диоде, измеренное при протекании тока Iн. Для кремниевых диодов можно принять UД ПР = 1 В, а для диодов Шоттки — 0,6 В.
rпр = 
= 0,74 Ом
r = rпр + 2 · rmp = 12.6 +2·0.74 = 14,08 Ом (так как мостовая схема, необходимо взять два диода)
p = 2 (однофазный мостовой двухполупериодный выпрямитель)
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора для двухтактных схем выпрямления рассчитывается по формуле
I1 = I2/kтр (13)
где kтр = U1/U2 - коэффициент трансформации. Величины I1 для различных схем выпрямления приведены в табл. 1.
kтр = 220 / 487.5 = 0,451
I1 = 1,04 / 0,451 = 2,3 A
I1 = 2,3 A
Габаритная мощность трансформатора PГАБ , определяющая его габаритные размеры, равна полусумме мощностей первичной P1 и вторичной P2 обмоток, т.е.
PГАБ = 0,5 (P1 + P2); (14)
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения может быть определен из следующих соображений.
Так как сопротивление конденсатора для первой гармоники выпрямленного напряжения всегда много меньше сопротивления нагрузки XC << RН, то переменная составляющая тока замкнется в основном через конденсатор. Для высших гармоник сопротивление конденсатора будет еще меньше, и поэтому с достаточной для практических расчетов точностью амплитуду пульсаций по первой гармонике можно определить из следующего выражения:
UМАКС 01 = IМАКС 01. XC = IМАКС 01/(pw C) (20)
где IМАКС 01 — амплитуда первой гармоники тока, протекающего через конденсатор. За один период изменения тока питающей сети через конденсатор будет проходить p импульсов тока длительностью 2θ.
Разложив ток конденсатора в ряд Фурье и взяв первую гармонику разложения, с учетом (20) и (7) получим амплитуду пульсации в виде:
Расчет трансформаторов малой мощности
(Методика)
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:
Напряжение питания U1 = 220 B
Частота питающего напряжения f = 400 Гц
Напряжения вторичных обмоток U2 = 487.5 B
Токи вторичных обмоток I2 = 1.05 A
| Выбор типа выпрямителя |