Проектирование и расчет источника питания

Проектирование и расчет источника питания

1. Расчет выпрямителя и фильтра

1.1 Выбор схемы выпрямителя

1.2 Выбор характера нагрузки выпрямителя

2. Расчет сетевого трансформатора Список использованной литературы

1. Расчет выпрямителя и фильтра

Исходные данные для расчета:

U_n =24 В — напряжение на нагрузке,

I₀ =0,6 А — ток нагрузки,

U_c =220 В — напряжение переменного тока,

F=50 Гц — частота переменного тока,

K_n =0,05 — коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке

1.1 Выбор схемы выпрямителя

Схемы выпрямителей классифицируют по числу выпрямленных фаз переменного напряжения.

Однофазные схемы выпрямителей используются для получения высоких напряжений при малых токах нагрузки. Основное достоинство таких схем — простота выполнения. К недостаткам их следует отнести значительные составляющие токов обмоток трансформатора по сравнению с током нагрузки, вынужденное подмагничивание сердечника, малая частота пульсаций выпрямленного напряжения и большое их значение, существенное выходное сопротивление выпрямителя и низкий к.п.д.

Двухфазные схемы выпрямителей по сравнению с однофазными позволяют получить более высокую частоту пульсаций выпрямленного напряжения при меньшем их значении, чем и объясняется широкое применение двухфазных схем выпрямления. Из них наиболее часто применяются основная и мостовая схемы.

В основной схеме две фазы по вторичной обмотке трансформатора получаются благодаря выводу ее средней точки. К достоинствам основной схемы следует отнести отсутствие подмагничивания сердечника, в два раза более низкое выходное сопротивление выпрямителя, более рациональное использование трансформатора при работе на нагрузку индуктивного характера, простота и небольшие габариты фильтра. Основной недостаток таких схем — необходимость симметрирования обмоток трансформатора. При асимметрии двухфазных схем в выходном напряжении возникают пульсации с частотой сети, и схема лишается основного преимущества — повышенной частоты пульсаций.

Мостовая схема строится на одной вторичной обмотке трансформатора. Помимо достоинств, характерных для основной схемы, мостовая схема позволяет снизить габаритную мощность трансформатора, не требует вывода средней точки вторичной обмотки.

К недостаткам мостовых схем относится снижение выпрямленного напряжения и увеличение выходного сопротивления из-за последовательного включения вентилей.

Так как выпрямленная мощность невелика, а требования к пульсациям высоки, выбираем мостовую схему выпрямления.

1.2 Выбор характера нагрузки выпрямителя

выпрямитель трансформатор конденсатор индуктивный Для уменьшения переменных составляющих в выходном напряжении между нагрузкой и выпрямителем включаются сглаживающие фильтры. Необходимость в них вызвана тем, что мгновенная мощность переменного тока пульсирует во времени, а мгновенная мощность постоянного тока неизменна. Поэтому на выходе выпрямителя должен быть элемент, запасающий избыток мощности, когда она близка к максимальной, и отдающий этот запас в нагрузку в момент, соответствующий минимуму мгновенной мощности переменного тока.

Накопление мощности осуществляется в реактивных элементах, поэтому фильтр должен содержать хотя бы один такой элемент. Характер процессов, происходящих в выпрямителе, задается тем реактивным элементом, который создает основное сопротивление переменной составляющей выпрямленного тока. В зависимости от характера реактивности первого элемента фильтра все схемы выпрямителей делятся на две группы:

— выпрямитель, нагрузка которого начинается с индуктивного элемента,

— выпрямитель, нагрузка которого начинается с емкостного элемента.

Так как в задании не указано наличие в нагрузке индуктивных элементов, то выбираем емкостный тип нагрузки выпрямителя.

Рис. 1. Электрическая схема источника питания Определить сопротивление нагрузки:

R_n = U_n / I₀ = 40 Ом Выбираем мостовую схему выпрямителя Определяем средний ток одного вентиля и примерное значение обратного напряжения на вентиле:

I_ов = I₀ / 2=0,3 A

E_обр = 2,66 E₀ = 2,66 U_n=64 В По полученным данным выбираем вентиль, обеспечивающий выпрямленный ток не менее I_ов, с порогом выпрямления U_пор, прямым падением напряжения U_пр, обратным напряжением E_обр.

Выбран диод КД 202 В, имеющий параметры:

U_{обр.макс}=70 В; I_{пр.макс}=5А; U_пр=0,9 В;

Определяем внутреннее сопротивление вентиля:

R_в = (U_пр — E_пор)/I_пр = (0,9−0,2)/5 = 0,14Ом Находим ориентировочные значения активного и индуктивного сопротивлений обмотки трансформатора:

Активное сопротивление дросселя принимается равным 2−7% сопротивления нагрузки.

R_др = 40· 0,02 Ом=0,8 Ом Определяем расчетное значение выпрямленного напряжения с учетом сопротивления дросселя фильтра и порога выпрямления выбранных вентилей:

U₀ = I₀ (R_н + r_др) + E_обр=0.6(40+0.8) + 0.2 =24,7 В Определяем значение параметра, А как функции угла от сечки вентилей:

A = (р (r_тр + r_в) /mU₀) · I₀= ((3,14· (11+0.19)/(2·24))·0.6=0,44

По параметру, А выбираем значение коэффициентов: B=1,15; D=2,1; F=6; H=600.

Находим действующее значение э.д.с. во вторичной обмотки трансформатора:

Находим действующее значение тока вентиля:

Находим действующее значение тока первичной обмотки трансформатора, принимая во внимание, что I₂=Iв:

Определяем габаритную мощность трансформатора:

Проверяем правильность выбора вентиля, по определению максимального значения обратного напряжения на вентиле:

70 В > 55,2

Определяем коэффициент пульсации выпрямителя по первой гармонике, принимая ориентировочно емкость конденсаторов фильтра 20 мкФ:

Определяем коэффициент сглаживания первой гармоники пульсации фильтром:

Определяем необходимую индуктивность дросселя фильтра:

2. Расчет сетевого трансформатора

Исходные данные для расчета:

E₁=220 В; E₂=27,6 В; I₂=0,6 A; f=50Гц.

Определяем мощность трансформатора, отдаваемую в нагрузку:

VA= E₂I₂ = 27,6 0,6 = 16,56 ВА Выбираем тип магнитопровода.

Для малых мощностей рекомендуется броневой Ш — образный магнитопровод.

Так как f_с=50 Гц, то толщина пластин составляет 0,35 мм.

По мощности, отдаваемой в нагрузку, определяем амплитуду магнитной индукции — B_m = 1,35 Тл.

Такой индукции соответствует плотность тока у=3,5 А/ммІ, коэффициент заполнения окна медью К_м=0,3; коэффициент заполнения окна сталью К_ст=0,91; удельные потери в стали Р_уд=3,2 Вт/кг; удельная намагничивающая мощность Q_уд=12,5 ВА/кг.

Определим размеры магнитопровода данной конфигурации, необходимой для получения данной площади:

По полученному значению выбираем магнитопровод ШЛ 16×20, у которого S_оS_ст = 20,5 см⁴ .

Рис. 2.

Этот магнитопровод имеет массу 295 г, активную площадь сечения 2,8 см²

Определим потери мощности в стали магнитопровода:

Определим мощность идущую на намагничивание:

Определим рабочий ток в первичной обмотке трансформатора Определим активную составляющую тока х.х.

Определим ток намагничивания.

Определим ток в первичной обмотке:

Определим площадь сечения проводов обмоток:

Определим число витков в обмотках:

Выбираем марку провода:

ПЭВ-1 с S1пр=0,2 545 мм², d1=0,18 мм.

S2пр=0,1521 мм², d2=0,44 мм,

В одном слое первичной обмотки помещается 40/(0,18 + 0,03) = 190 витков с изоляцией, а в слое вторичной — 40/(0,44 + 0,03) = 85 витков.

Проверяем помещается ли обмотки в окне магнитопровода, для этого найдем толщину обмоток

Общая толщина обмоток 5 мм, значит обмотки в окне магнитопровода помещаются.

Определим длину среднего витка обмоток, исходя из того, что средний стержень сердечника имеет размеры 16×20 мм:

Определим сопротивление проводов обмоток:

Определим сопротивление трансформатора приведенное к вторичной обмотке:

Определим потери мощности на сопротивление обмоток:

Проверяем тепловой режим трансформатора:

При открытом магнитопроводе согласно эскизу на рисунке:

Перегрев сердечника:

Перегрев катушек:

Тепловой режим получился ненапряженный.

1. Иванов-Цыганов А. И. Электропреобразовательные устройства РЭС. М.: Высшая школа, 1991