МУ РГР по Эл
.docФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
Тульский государственный университет
КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Раздел «Электроника»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ
к расчетно-графической работе № 4
Расчет полупроводниковых выпрямителей
Для студентов всех форм обучения
Тула 2005
1. ВВЕДЕНИЕ.
Настоящее задание к рсчетно-графической работе по основам электроники и методические указания к его выполнению предназначены для студентов всех неэлектротехнических специальностей.
Основной целью выполнения работы является закрепление теоретического материала и приобретение практических навыков расчета различных устройств выпрямления как однофазного, так и трехфазного тока.
В общем виде задача расчета устройства выпрямления формулируется следующим образом: для заданной питающей сети переменного тока, характеризуемой действующим значением напряжения и частотой тока , выбрать наиболее целесообразную для заданного приемника энергии схему устройства и рассчитать его параметры из условий обеспечения требуемых значений выходных параметров выпрямителя – номинального среднего значения выпрямленного напряжения , номинального значения выпрямленного тока , коэффициента пульсации напряжения на нагрузочном устройстве.
Точное решение указанной задачи отличается значительной сложностью из-за взаимозависимости параметров трансформатора, диодов (вентилей), сглаживающего фильтра, приемника энергии постоянного тока, составляющих выпрямитель, и выходит за рамки электротехнических курсов, изучаемых студентами неэлектротехнических специальностей. Поэтому в учебных целях принимаются следующие допущения.
Во-первых, трансформатор и диоды выпрямителя считаются идеальными. Идеальный трансформатор имеет активные сопротивления обмоток и магнитный поток рассеяния, равные нулю, соответственно у идеального диода прямое сопротивление равно нулю, а обратное – бесконечности. Во-вторых, общая задача расчета выпрямительного устройства формально заменяется двумя не связанными между собой задачами:
задача 1. – задача расчета собственно выпрямителя, состоящего из трансформатора, блока диодов и активной нагрузки;
задача 2. – задача расчета сглаживающего фильтра, обеспечивающего заданное значение коэффициента пульсации напряжения на нагрузочном устройстве.
При строгом решении задачи конструирования выпрямительного устройства решаются задачи, аналогичные указанным, но с учетом зависимости параметров трансформатора и диодов от типов параметров сглаживающих фильтров.
2. ЗАДАНИЕ К РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЕ.
2.1. Постановка задачи 1.
Выбрать схему выпрямления и рассчитать параметры выпрямителя, содержащего идеальные трансформатор и диоды, при его работе на активную нагрузку. Величины среднего значения выпрямленного напряжения , среднего значения выпрямленного тока , вид нагрузки для каждого личного варианта студента указаны в табл. 1, а действующее значение напряжения питающей сети – в табл. 3 для каждого группового варианта. Частота питающего напряжения для всех вариантов .
При решении задачи требуется:
1. По исходным данным выбрать наиболее целесообразную схему выпрямления, указать преимущества и недостатки выбранной схемы.
2. Определить расчетные параметры трансформатора: действующие значения токов , и напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора, коэффициент трансформации и, если трансформатор необходим (), полные мощности и первичной и вторичной обмоток, типовую мощность трансформатора.
3. Определить расчетные параметры диодов выпрямителя: величины действующего и среднего значений выпрямленного тока, проходящего через каждый вентиль в прямом направлении; амплитуду обратного напряжения , приложенного к вентилю в непроводящий полупериод.
4. Подобрать наиболее подходящий к расчетным параметрам тип полупроводниковых диодов.
5. Изобразить схему выпрямления с указанием типа используемых диодов и графики временных диаграмм вторичного (вторичных ) напряжений трансформатора, напряжения и тока нагрузки выпрямителя.
2.2. Постановка задачи 2.
Для рассчитанного в задаче 1 полупроводникового выпрямителя выбрать схему сглаживающего фильтра и определить его параметры из условия обеспечения в нагрузке заданного значения коэффициента пульсации напряжения . Величина для каждого личного варианта студента указана в табл. 1.
При решении задачи требуется:
1. Дать обоснование выбора типа сглаживающего фильтра: а) емкостного, б) индуктивного, в) LC-фильтра, г) многозвенного LC-фильтра.
2. Изобразить схему сглаживающего фильтра с указанием рассчитанных значений параметров его элементов.
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ 1.
Расчет выпрямителя рекомендуется проводить в следующей последовательности.
3.1. Выбор схемы выпрямления.
Во множество предлагаемых к применению схем выпрямления включены все основные типы выпрямителей:
1) однополупериодный выпрямитель; 2) двухполупериодный мостовой выпрямитель; 3) двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора; 4) трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом; 5) трехфазный мостовой выпрямитель [l, с. 226-234]. Выбор схемы выпрямителя, работающего без фильтра на активную нагрузку, в основном определяется номинальными средними значениями выпрямленного напряжения и тока в нагрузке, а также допустимой пульсацией напряжения на выходе. Поэтому при решении задачи рекомендуется выбирать схему выпрямления в соответствии с данными табл. 2, обеспечивая в первую очередь требуемый режим по напряжению и току в нагрузочном устройстве [4].
3.2. Расчет параметров диодов и трансформатора.
Каждая схема выпрямления имеет свои расчетные формулы для определения основных параметров диодов () и трансформатора (). Эти формулы для выпрямителей с идеальными трансформатором и диодами, работающими на активную нагрузку, имеются в учебных пособиях [1, c.224-235; 2, c.166-184; c.218-221; 3, c. 34-48]. Для ориентации в указанном материале при выполнении расчетов необходимые формулы сведены в табл. 4.
Замечание. Расчетные формулы основных параметров трансформатора и диодов выпрямителя, работающего на нагрузочное устройство (фильтр) индуктивного или емкостного характера отличны от указанных [3]. Например, при использовании фильтра начинающего с емкости напряжение , прикладываемое к диоду, в два раза превышает питающее напряжение (), так как в момент времени, когда диод закрыт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора складываются.
3.3. Выбор типа полупроводниковых диодов.
Выбор типа диодов, удовлетворяющего основным расчетным параметрам , производится, исходя из предельных значений электрических параметров диодов (максимального среднего значения прямого тока , максимального обратного напряжения ), которые указываются в справочниках по полупроводниковым приборам. Краткая выдержка из справочника [5] представлена в табл. 5, При выборе типа диодов необходимо обеспечить, чтобы величина обратного напряжения , приложенная к вентилю, была меньше максимального обратного напряжения для выбранного типа диода ; соответственно среднее значение прямого тока диода должно быть меньше , а для действующего значения тока диода должно выполняться неравенство .
После выбора диода рекомендуется на отдельном листе начертить рассчитанную схему выпрямления с указанием типа используемых диодов. На этом же листе изобразить временные диаграммы токов и напряжений выпрямителя, поясняющие принцип его работы. На диаграммах указать численные амплитудные значения токов и напряжений схемы выпрямления.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ 2.
4.1. Выбор типа сглаживающего фильтра.
Типы используемых фильтров (емкостный, индуктивный, LC-фильтр, многозвенный LC-фильтр), принцип их действия описаны в пособии [l, с. 235-239].
При выборе типа сглаживающего фильтра для данного выпрямительного устройства приходится решать определенные оптимизационные задачи, основные условия которых следующие. Во-первых, выбираемый фильтр должен обеспечивать требуемое значение коэффициента сглаживания ( - коэффициенты пульсаций напряжения на входе и выходе фильтра), т.е. выполнять с заданным качеством свою основную функцию по уменьшению пульсации выпрямленного напряжения. Во-вторых, требуемое значение коэффициента желательно получить при наименьших и, по крайней мере, приемлемых для реализации, габаритах (весе, стоимости) его электрических элементов.
Отметим, что параметры фильтра непосредственно зависят от величины нагрузочного резистора , например, от постоянных времени емкостного, индуктивного фильтров: чем больше , тем лучше сглаживаются пульсации входного напряжения. Поэтому выбираемый тип фильтра должен быть согласован с величиной нагрузки, а также режимами работы диодов и трансформатора применяемой схемы выпрямления. Ниже приводятся основные практические рекомендации по согласованию типов и параметров фильтра, выпрямителя и нагрузки, в первом приближении решающие указанную задачу оптимизации.
1. При больших токах нагрузки (малых ) применяется индуктивный фильтр. В этом случае требуемое значение коэффициента сглаживания, пропорционально зависящее от величины постоянной времени фильтра, может достигаться при относительно малых значениях индуктивности , соответственно ее габаритах и весе. Однако этот тип фильтра не используется совместно с однополупериодной схемой выпрямления из-за возникновения перенапряжения на закрытых диодах.
2. При малых токах нагрузки (больших ) рекомендуется применять емкостный фильтр, коэффициент сглаживания которого пропорционален постоянной времени фильтра ().
3. Возможность применения индуктивного или емкостного фильтра можно оценить, рассчитав величины реактивных элементов и , которые должны быть приемлемы для реализации на стандартных, выпускаемых промышленностью, элементах. В учебных целях далее будем полагать, что низкочастотный () дроссель фильтра имеет приемлемые размеры, вес, стоимость, если величина его индуктивности не превышает 5 Гн, Соответственно емкостный фильтр будем считать реализуемым, если величина емкости его конденсаторов не превышает величины 1000 мкФ.
4. Если индуктивный и емкостный фильтры имеют величины реактивных элементов, превышающие указанные пределы для реализуемых элементов, то рекомендуется использовать LC-фильтр, сочетающий в себе достоинства двух первых фильтров.
5. При необходимости обеспечения большого коэффициента сглаживания (многие десятки и сотни единиц) применяются многозвенные фильтры. Коэффициент сглаживания такого фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания составлявших его однозвенных фильтров . Для получения заданного значения многозвенного фильтра при наименьших значениях коэффициентов и соответственно меньших габаритах и весе реактивных элементов целесообразно положить [3]. Также из условия наименьшей стоимости фильтра установлено, что двухзвенный фильтр выгодно использовать при , а трехзвенный – при [3].
При выполнении контрольной работы выбор типа сглаживающего фильтра следует проводить в соответствии с указанными рекомендациями. Для исходных данных работы, представленных в табл. 1. эти рекомендации в целях удобства использования конкретизированы в форме алгоритма рис. 1.
Рис. 1. Алгоритм выбора типа сглаживающего фильтра
4.2. Расчет индуктивного фильтра.
Если активное сопротивление дросселя составляет 5-20 % of сопротивления нагрузки, то для расчета индуктивности фильтра (Гн) можно использовать формулу [4]:
, (1)
где - сопротивление нагрузки (Ом); - частота основной гармоники выпрямленного напряжения (Гц), определяется по табл. 4.
4.3. Расчет емкостного фильтра.
При расчетё будем предполагать, что конденсатор фильтра работает в режиме неглубокого частичного разряда, т.е. пульсации его напряжения невелики. В этом случае для определения величины емкости фильтра (мкФ) используют приближенную формулу [4]:
. (2)
При пульсации напряжения на входе фильтра до 10% погрешность расчета по формуле (2) не превышает 10%.
4.4. Расчет LC-фильтра.
При выполнении условий , которые являются необходимыми условиями работы LC-фильтра, требуемое значение произведения () для обеспечения заданного коэффициента пульсации фильтра можно определить по формуле [3]:
. (3)
Формула (3) получена для частоты и сопротивления дросселя .
Рассчитав величину произведения , переходят к нахождению значений величин, L и С в отдельности.
Одним из основных условий выбора величины L является обеспечение индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, которая необходима для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. Кроме того, при индуктивной реакции фильтра получаем меньшие действующие значения токов в вентилях и обмотках трансформатора, а также меньшую расчетную мощность трансформатора. Индуктивная реакция фильтра обеспечивается при значениях , где критическое значение индуктивности (Гн) находится по формуле [3].
. (4)
Определив по формуле (4) величину и выбрав , рассчитывают величину емкости С, воспользовавшись выражением (3).
После определения величин L и C необходимо проверить условие несовпадения резонансной частоты фильтра с частотой основной гармоники выпрямленного напряжения. При невыполнении условия выбирается новое значение и пересчитывается величина C по формуле (3).
5. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.
Пример 1. Решить задачу 1 при следующих исходных данных: .
1. Выбираем двухполупериодную мостовую схему выпрямления, она наиболее полно, согласно данным таблицы 2, удовлетворяет параметрам .
Рис. 2 Рис. 3
2. Находим расчетные параметры трансформатора, используя формулы табл. 4:
Так как трансформатор необходим (), то продолжаем расчет его основных параметров:
3. Определяем расчетные параметры диодов выпрямителя. Воспользовавшись формулами табл. 4, находим:
4. Выбираем наиболее подходящий для выпрямителя тип полупроводникового диода. В соответствии с данными табл. 5 выбор останавливаем на диоде Д242Б, для которого:
5. Схема выпрямления представлена на рис.2, а диаграммы ее напряжений и токов показаны на рис. 3.
Пример 2. Решить задачу 2 при следующих исходных данных: .
1. Рассчитываем требуемое значение коэффициента сглаживания
Фильтра:
.
2. Выбираем тип сглаживающего фильтра в соответствии с алгоритмом рис. 1. Так как , то применяем двухзвенный LC-фильтр (рис. 4), Коэффициент сглаживания каждого каскада этого фильтра:
.
Рис. 4
3. Рассчитываем однокаскадный LC-фильтр с коэффициентом сглаживания .
Но формуле (3) определяем величину произведения:
.
По формуле (4) находим критическое значение индуктивности фильтра:
.
и выбираем . Тогда необходимо брать емкость фильтра .
Конденсатор такой емкости () имеет неприемлемо большие габариты и вес. Поэтому выбираем новое значение индуктивности , приемлемое для реализации. В этом случае емкость реализуема на стандартных конденсаторах.
Рассчитываем резонансную частоту фильтра:
.
Убеждаемся, что условие () отсутствия резонанса в фильтре выполняется ().
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
-
Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова, 3-е изд. - М.; Высш. школа, 1986,- 336 с.
-
Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника - М.: Электроатомиэдат, 1983,- 440 с.
-
Китаев В.Е., А.А. Бокуняев. Расчет источников электропитания устройств связи – М.: Связь, 1979. - 216 с.
-
Рогинский В.Ю. Расчет устройств электропитания аппаратуры электросвязи - М.: Связь, 1972. - 360 с.
-
Электротехнический справочник. Т.1,2. 7-е изд. - М.: Энергоиздат, I985, 1986. – 711 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1
Номер варианта |
Uн.ср., В |
Iн.ср., А |
Устройство нагрузки |
1 |
15 |
2 |
Радиовещательные приемники, р=0,05% |
2 |
200 |
0,5 |
|
3 |
100 |
1,8 |
|
4 |
300 |
1 |
|
5 |
30 |
2 |
|
6 |
500 |
1,2 |
|
7 |
550 |
0,05 |
Цепи ускоряющих электродов электронно-лучевых приборов, р=2% |
8 |
750 |
0,04 |
|
9 |
1000 |
0,03 |
|
10 |
1000 |
0,035 |
|
11 |
1100 |
0,03 |
|
12 |
1500 |
0,02 |
|
13 |
200 |
0,15 |
Цепи возбуждения синхронных генераторов, р=5% |
14 |
200 |
0,2 |
|
15 |
600 |
0,15 |
|
16 |
600 |
0,2 |
|
17 |
1000 |
0,1 |
|
18 |
1000 |
0,15 |
|
19 |
115 |
3 |
Двигатели постоянного тока, р=4% |
20 |
115 |
4 |
|
21 |
230 |
5 |
|
22 |
230 |
3 |
|
23 |
1000 |
4 |
|
24 |
1000 |
5 |
|
25 |
6,3 |
0,05 |
Цепи канала электронных приборов, р=15% |
26 |
12,6 |
0,05 |
|
27 |
12,6 |
0,04 |
|
28 |
6,3 |
0,04 |
|
29 |
30 |
0,05 |
|
30 |
30 |
0,04 |