Расчет выпрямителя напряжения

1. Задание на расчет выпрямителя напряжения Выбрать схему выпрямителя источника питания, начертить ее, определить требования к изделиям, входящим в его состав, а также рассчитать данные для проектирования трансформатора.

Источник питания работает от сети с напряжением, U₁, с частотой, f_с, изменения напряжения возможны в пределах б_min и б_{max ;} выходное напряжение U_o; максимальный и минимальный ток нагрузки I_o, I_omin,; мощность Р_о заданы в таблице1

Таблица 1

1.1 Выбор схемы выпрямления Выбираем двухполупериодную схему со средней точкой (рисунок 1), которая может работать на любой вид нагрузки. Она нашла широкое применение для получения низких выходных напряжений при больших токах нагрузки. Схема применяется на выходные мощности менее нескольких сотен ватт. Основные преимущества схемы следующие: частота пульсации выше, чем в однополупериодной схеме; минимальное число вентилей; возможность использования вентилей с общим катодом или общим анодом; возможность применения общего радиатора без изоляции вентилей; отсутствие вынужденного намагничивания; высокий КПД. Недостатками схемы являются: худшее использование трансформатора по сравнению с мостовой схемой и схемой удвоения напряжения; высокое обратное напряжение. Для двухполупериодной схемы т =2

Рисунок 1

1.2 Расчет выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой Определяем параметры вентилей

U_оmax = U₀(1+a_max)

U_оmax=30Ч (l+0,l) = 33 В.

Из таблицы 2 определяем:

Таблица 2. Основные параметры схем при работе на индуктивную нагрузку

U_o6p=3,14 U_оmax

U_o6p=3,14*33=103,6 В;

I_пр ср = I_о /2

I_{пр ср}=0,6/2= 0,3 А;

I _пр=0,707 I_о =0,707Ч0,6=0,42 A;

S_TP= 1,34Р_о=1,34Ч18=24 ВА.

Из приложения П4 выбираем вентили типа 2Д201Г, у которых

U_o6p=200 В >103,6 В;

I_{прср max} = 10 А>0,3 А;

1,57 I_{пр ср max} = 15,7 А>0,42 A;

U_np = 1,2 В.

Определяем активное сопротивление r_тр и индуктивность рассеяния L_s обмоток трансформатора:

r_тр= (2. .2,35) Ч

r_тр= 2,35Ч = 3,965 Ом

L_s=(1,2…2) Ч

L_s = 2 Ч=1,394Ч 10^-3 Гн При расчете r_тр и L_s было принято В=1,25 Тл; j =1,5 А/мм²;

Плотность тока j и амплитуда магнитной индукции В определяются по габаритной мощности трансформатора S_Tp из графиков на рисунке 2.

Определяем реактивное сопротивление трансформатора

x_тр=2рf_c L_s.

х_тр= 2Ч3,14 Ч50 Ч1,394 Ч10^— 3=0,438 Ом.

Определяем выходное напряжение при холостом ходе по

U_0хх = U₀+ I₀ r_тр + I₀ т₂ x_тр /2р + UnpN_i

U_0xx =30+0,6Ч3,965+0,6Ч2Ч0,438=33 В.

Определяем по U_0хх, I₀, P₀ (табл. 2) параметры трансформатора

U₂=E₂, I_2, I_1, S₂, S_1, S_TP.

Исходными данными для расчета трансформатора являются:

U₁— номинальное напряжение сети;

U₂=E₂ — напряжение вторичной обмотки трансформатора при холостом ходе;

I_2, I₁— действующие значения токов вторичной и первичной обмоток;

S_TP. — габаритная мощность трансформатора.

U₂=E₂ =1,11U_oxx

U₂= 1,11Ч33=36,63 В;

I₂ =0,707 I_о =0,707Ч0,6=0,42 A;

I₁ = I_оЧU₂/U₁= 0,6Ч36,63/220= 0,1 A;

S₂= 1,57Р₀= 1,57Ч18=28 ВA;

S₁ = 1,11 Р₀= 1,11Ч18=20 ВА;

S_TP= (S₁+S₂)/2=(20 +28)/2 =24 ВА.

Определяем напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети по (4)

U_{0хх max} = 33(1+0,1)=36,3.

Уточняем U_обр =3,14 U_{охх max}

U_обр =3,14Ч36,3=114 В<200 В.

Вентили по значению обратного напряжения выбраны правильно.

Определяем напряжение на выходе выпрямителя при минимальном напряжении сети

U_omin = U_о (1? a_min)=30Ч (1—0,1) =27 В;

Из табл. 2 находим частоту основной гармоники пульсации выпрямленного напряжения f_п и коэффициент пульсации к_п1.

f_п =2 f_с = 2Ч50=100 Гц;

к_п1=0,67.

Угол перекрытия фаз определяем из выражения

1—cosг= I₀Ч mЧ х_тр /рU_0хх;

1—cosг =0,6Ч2Ч0,438/3,14Ч33=0,005;

cosг=0,995; г=5,7°.

С помощью рисунка 3, для m=2 уточняем к_п1=0,67.

Определяем внутренние сопротивления выпрямителя при изменении тока нагрузки от 0 до максимального значения:

r₀= (U_0хх—U₀)/I₀.

r₀= (33—30)/0,6=5 Ом.

2.3 Расчет трансформатора При расчете трансформатора по заданной габаритной мощности выбирают нормализованный магнитопровод, определяют тип провода и число витков в каждой из обмоток. Обмотки размещают в окне магнитопровода трансформатора и проверяют тепловой режим. Если тепловой режим получился удовлетворительным, то конструируют катушку и кожух трансформатора.

Рассчитываем силовой трансформатор, работающий в сети с Е₁ = U₁=220 В при f = 50 Гц (гармоническое напряжение) и создающий на вторичной обмотке ЭДС Е₂= 36,63 В. Ток вторичной обмотки I₂=0,42А.

1. Выбираем тип магнитопровода трансформатора и режим его работы.

Выбираем Ш-образный витой магнитопровод, выполненный из стали с толщиной листов 0,35 мм.

Мощность, отдаваемая в нагрузку, мала: VA₂ = Е_2* I₂ =36,63*0,42 = =15,38 ВА, поэтому амплитуда магнитной индукции B_m =1,3 Тл. Такой индукции соответствуют удельные потери мощности в стали Р_уд = 3 Вт/кг и удельная намагничивающая мощность Q_уд = 30 В А/кг. Плотность тока I = 2,7 А/мм², коэффициенты заполнения окна медью = 0,3 и магнитопровода сталью k = 0,9. Рабочий ток в первичной обмотке трансформатора

I_p1 = I₂ E₂/E₁ = 0,42Ч36,63/220 = 0,07 А.

Произведение площади окна на площадь сечения магнитопровода трансформатора Выберем типовой броневой магнитопровод с произведением S_cS₀> 15 см⁴. Ближайшие значения к рассчитанным имеет магнитопровод ШЛ 20 X 32, у которого S_cS₀ = 61 см⁴ (рисунок 4). Этот магнитопровод имеет массу 735 г, сечение стали его среднего стержня равно 5,7 см².

Потери мощности в стали магнитопровода трансформатора

Р_ст = P_ynG = 3 Ч735 = 2,2 Вт.

Реактивная мощность, идущая на намагничивание магнитопровода:

Q = Q_ynG = 30 0,735 = 22 В А.

Рисунок 4

Активная составляющая тока холостого хода

I_а = Р_ст/E₁ = 2,2/220 = 0,01 А.

Ток намагничивания

I_м = Q/E₁ =22/220 = 0,1 А.

Ток в первичной обмотке

=

Площади сечения проводов обмоток:

S_пp1 = I₁/I= 0,27/2,7 = 0,1 мм²; S_пp = I₂/I = 1,35/2,7 = 0,5 мм².

Для первичной обмотки выбираем провод ПЭЛ с S_пp1= 0,113 мм² и d_из1 = 0,42 мм. Для вторичной обмотки выбираем провод с S_пp2 = 0,541 мм² и d _из2= 0,89 мм.

Определим число витков в обмотках трансформатора.

щ₁ = Е₁Ч10³/(4Чk_фЧkсЧSсЧBm) = 220 10⁴ (4Ч1,11Ч50Ч5,7Ч1,3) =1350

Во вторичной обмотке щ = 228.

Проверим, уместится ли данная обмотка в окне магнитопровода. Положим толщину одного слоя первичной обмотки с изоляционной прокладкой равной 0,45 мм, вторичной — 0,9 мм. Тогда, разместив в одном слое по длине катушки 110 витков первичной и 51 виток вторичной обмотки, найдем толщины этих обмоток:

б₁ = щ₁/0,45 щ_1cл = 1350Ч0,45/110 = 5,5 мм;

б₂ = щ₂/0,9 щ_2cл = 228Ч0,9/51 =4,25 мм.

Общая толщина катушки б₁ + б₂ получилась меньше ширины окна. Следовательно, катушка свободно разместится в окне магнитопровода.

По эскизному чертежу катушки (рисунок 4) определим длину среднего витка обмотки l_н ср. Для первичной обмотки l_н ср = 0,127 м, для вторичной (намотана поверх первичной) l_{н ср} = 0,157 м.

Сопротивление провода первичной обмотки

r₁ =сЧ l_{н ср} щ₁/S_пp1 = 1,7Ч10^-2 Ч 0,127Ч1350/0,113 = 25,4 Ом.

выпрямитель трансформатор схема Сопротивление провода для вторичной обмотки г₂=1,2 Ом. Сопротивление трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке,

r_тр =n_2Ч r₁ + r₂ = (37,5/220)25,4 +1,2 = 2 Ом.

Потери мощности на сопротивлениях обмоток Проверим тепловой режим трансформатора. Перегрев магнитопровода относительно окружающей среды для открытого трансформатора ДТ_с = 750 Р_ст/S_{оxл м} = 750Ч2,2/148= 11,2°С, где S_оxлм — площадь открытой поверхности магнитопровода, определенная по эскизу трансформатора (рисунок 4), см².

Перегрев катушки

ДТ_к = = 1000P _м / S_{оxл к} = 1000 Ч 3,6/110 = 33 °C.

выпрямитель трансформатор схема Тепловой режим получился ненапряженным, что явилось следствием выбора малых амплитуд магнитной индукции и плотности тока в обмотках трансформатора.