ЭПУ Контрольная работа №1
.pdf
1. РАСЧЁТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Параметры сети и выпрямителя
постоянная составляющая напряжения на нагрузке |
U0=25 В |
||||||
максимальный ток нагрузки |
|
|
I0= 1.8 А |
||||
минимальный ток нагрузки |
|
|
I0 мин= 0.1А |
||||
средняя мощность нагрузки |
|
|
Р0= 45 Вт |
||||
напряжение сети |
|
|
U1=220 B |
||||
частота напряжения сети |
|
|
fc=50 Гц |
||||
коэффициенты напряжения сети |
|
|
αмин=0.1. αмакс=0.1 |
||||
тип сети |
|
|
однофазная |
||||
Параметры фильтра |
|
|
|
|
|||
коэффициент пульсаций на выходе фильтра |
Кп вых= 0.002 |
||||||
Структурная схема выпрямителя представлена на рисунке 1. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
Нагрузка |
|
Силовой |
|
|
Схема |
|
Сглаживающий |
|
|
трансформатор |
|
|
выпрямления |
|
фильтр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1. Структурная схема выпрямителя
1.1 Выбор схемы выпрямителя и определение количества пульсаций m за период
Исходя из требуемых тока и напряжения на выходе выпрямителя выбирают следующие схемы выпрямителей:
Схема выпрямителя |
Ток |
|
Напряжение |
Требования к |
|
нагрузки |
на нагрузке |
пульсациям |
|||
|
|||||
Однополупериодная |
1…100 мА |
|
низкие |
||
Со средней точкой |
до 0.5 |
А |
до 100 В |
средние |
|
Мостовая (схема Греца) |
до 10 |
А |
до 1000 В |
высокие |
|
Схема Латура |
<100 мА |
>1 кВ |
высокие |
||
Исходя из заданных параметров выпрямленного тока, выберем мостовую схему (схему Греца). Количество пульсаций за период m=2.
Исходя из малого коэффициента пульсаций напряжения на выходе фильтра и довольно высокого тока нагрузки следует применить LC-фильтр. Поэтому выпрямитель будем рассчитывать при работе на индуктивную нагрузку (т.е. фильтр начинается с дросселя).
Схема выпрямителя с фильтром приведена на рисунке 2.
Тр
VD1 |
VD2 |
U1 |
U2 |
VD4 VD3
|
|
|
|
|
|
Сф |
||||
Lф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн |
|
||||
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Uн |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||||
Рис. 2. Схема фильтра и выпрямителя
1.2 Максимальное значение выпрямленного напряжения равно:
U0макс = U0 (1+ aмакс )=25·(1+0.1) =27.5 (В).
Определим параметры вентилей: обратное напряжение на вентиле Uобр, среднее значение выпрямленного (прямого) тока Iпр, действующее значение тока вентиля Iпр, а также габаритную мощность трансформатора Sтр (таблица П3.5 и П.3.6 [1]):
Uобр =1.57 × U0макс = 1.57 × 27.5=043.2 (В). Iпр. ср = 0.5× I0 =0.5·1.8= 0.90 (A).
Iпр = 0.707 ×I0 =0.707·1.8= 1.273 (A). Sтр =1.11×Р0 =1.11·45=50.0 (BA).
Производим выбор вентилей из таблицы П2.2 [1]. При выборе вентилей необходимо выполнить следующие условия:
Uобр < Uобр. макс.
Iпр.ср < Iпр.ср. макс.
Iпр< 1.57Iпр.ср. макс.
Данному условию удовлетворяет диод типа Д202Г со следующими параметрами:
Iпр.ср. макс=3.5 (А),
Uобр. макс=70 (В).
1.3 Определяем активное сопротивление rтр и индуктивность рассеяния Ls обмоток трансформатора:
r |
= (2 ¸ 2.35) |
|
U0 j |
|
4 |
|
fcBj |
|
, |
|
(1.1) |
||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
тр |
|
|
I0fcB |
|
|
Sтр |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Ls |
= (1.2 ¸ 2) |
U |
0 |
×10−3 |
4 |
|
Sтр j |
, |
(1.2) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
fcB |
||||||||
|
|
|
I0fcB |
|
|
|
|
|
|
||||||
где
j – плотность тока в обмотках трансформатора, А/мм2, В – амплитуда магнитной индукции, Тл.
Плотность тока и амплитуда магнитной индукции определяются по величине габаритной мощности из графиков (рис. 1.2 [4]):
Рис. 3. Ориентировочные зависимости от полной мощности трансформатора: а - максимального значения магнитной индукции; б – плотности тока в обмотке.
Исходя из графиков на рисунке 3, В=1.25 Тл, j=3 A/мм2.
Тогда активное сопротивление rтр и индуктивность рассеяния Ls обмоток
трансформатора рассчитаем по формулам (1.1) и (1.2): |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
25·3.25 |
4 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
U0 j |
|
|
|
|
|
|
|
50·1.25·3.25 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
fcBj |
|
|
|
|
|
|||||||||
rтр |
= 2.35 |
|
4 |
|
|
|
=2.35· |
|
|
· |
|
|
|
=2.410 (Ом), |
|||||||
|
|
|
|
1.8·50·1.25 |
|
50. |
|||||||||||||||
I0fcB |
Sтр |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
×10−3 |
|
|
|
|
|
|
25·0.001 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
U |
|
|
|
|
Sтр j |
|
|
50.·3.25 |
|
|
|
-6 |
|
||||||
Ls |
= 2 |
|
0 |
|
|
4 |
|
|
|
=2· |
1.8·50·1.25 |
· |
50·1.25 |
=564.00·10 |
|
(Гн). |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
I0fcB fcB |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Реактивное сопротивление обмотки трансформатора равно |
|
||||||||||||||||||||
xтр = 2pfcLs = 2p× 50·564.0·10-6=0.177 |
(Ом). |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
1.4 Определяем напряжение холостого хода выпрямителя U0x.x:
|
|
|
|
|
æ |
|
|
m |
x |
ö |
|
|
|
|
|
U |
|
= U |
|
+ I |
çr |
+ |
2 |
|
тр |
÷ |
+ U |
|
N |
, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
0x.x |
|
0 |
0 |
è |
тр |
|
2p ø |
|
пр |
1 |
|
|||
где Uпр=2Uпр.ср,
Uпр.ср=0.9 В,
N1=2 – число вентилей. включённых последовательно, m2=1 – число фаз вторичных обмоток.
Тогда
|
æ |
|
m |
2 |
x |
ö |
|
æ |
1·0.177ö |
||
U |
= U + I çr |
+ |
|
|
тр |
÷ + U |
N = 25+1.8·ç2.410+ |
2·π |
÷ +2·0.9·2=32.99 (B). |
||
2p |
|
||||||||||
0x.x |
è |
|
ø |
пр 1 |
è |
ø |
|||||
0 0 ç тр |
|
|
|
|
÷ |
|
|
|
|||
1.5 По величинам U0x.x, I0, P0 из таблиц П.3.5. и П.3.6. [1] определяем параметры трансформатора U2=E2, I2, I1, S2, S1, Sтр. Тогда
U2 = 1.11U0x.x = 1.11·33.=36.6 (B), I2 = I0 =1.8 (A),
kтр |
= |
|
w1 |
= |
|
U1 |
= 220 =6.008, |
||
|
U2 |
||||||||
|
|
|
w2 |
|
36.6 |
|
|||
I1 = I0 / kтр =1.8/6.008=0.30 (A), |
|||||||||
S1 =1.11P0 |
=1.11·45=50. |
(BA), |
|||||||
S2 |
= 1.11P0 |
= 1.11·45=50. |
(BA), |
||||||
Sтр |
= |
S1 +S2 |
= |
50.+50. =49.95 (BA). |
|||||
|
|||||||||
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|||
1.6 Определяем напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном
напряжении сети U0x.x.макс
U0x.x.макс = U0x.x (1+ aмакс )=32.99·(1+0.1) =36.29 (В).
Уточним величину максимального обратного напряжения:
Uобр макс =1.57×U0x.x.макс =1.57·36.29=57. (В).
Выбранный тип вентилей удовлетворяет максимальному значению обратного напряжения.
1.7 Значение выпрямленного напряжения при минимальном напряжении сети равно:
U0мин = U0 (1- aмин )=25·(1-0.1) =22.5 (В).
Определим частоту основной гармоники выпрямленного напряжения fп и коэффициент пульсаций Кп1
fп = 2fc = 100 (Гц),
Кп1 = 0.67.
Определим угол перекрытия фаз из выражения
1− cos γ = I0mxтр .
πU0x.x
Отсюда
æ |
|
I |
mx |
|
ö |
æ |
1.8·2·0.177ö |
||
ç |
|
0 |
|
тр ÷ |
= arccos ç1- |
|
÷ = 6.65°. |
||
g = arccosç1 |
- |
|
|
|
÷ |
π·32.99 |
|||
pU0x.x |
|||||||||
è |
|
ø |
è |
ø |
|||||
С помощью рисунка 4 уточняем величину Кп1= 0.7.
Рис. 4.
1.8. Определим внутреннее сопротивление выпрямителя при изменении тока нагрузки от максимального значения I0 до нуля
r = |
U0x.x - U0 |
= |
32.99-25 |
= 4.44 (Ом). |
|
I0 |
1.8 |
||||
0 |
|
|
|||
|
|
|
|
1.9 Определим коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора из рисунка 5.
Рис. 5. К определению КПД трансформатора
КПД трансформатора равен ηтр= 0.865.
Потери трансформатора равны
Ртр |
= |
Sтр (1- hтр ) |
=50.·(1-0.865) |
=7.8 (BA). |
|
hтр |
|||||
|
|
0.865 |
|
Общее количество диодов равно N=4. Потери диодов равны:
Рд = Iпр.ср. Uпр N = Iпр.ср. ×2Uпр.ср N = .90·2·0.9·4=6.5 (В).
Определим КПД выпрямителя
|
P0 |
|
45 |
|
|
h = |
=45+7.8+6.5 |
=0.758909. |
|||
P0 + Pтр + Рд |
|||||
Как указывалось ранее, расчёта выбран LC-фильтр.
1.10. Требуемый коэффициент сглаживания равен
0.7
q = Kпвых =0.002 =350.
1.11. Определим произведение LC, обеспечивающее требуемый коэффициент
сглаживания
LC = |
q +1 |
= |
q +1 |
= |
350+1 |
=0.889·10 |
-3 |
(Гн·Ф). |
|
|
22·(2π·50)2 |
|
|||||
m2w2 |
m2 (2pfc )2 |
|
2. РАСЧЁТ СТАБИЛИЗАТОРА
Исходные данные:
Параметры стабилизатора
величина выходного напряжения |
|
Uвых=10 В |
||||||||||||
диапазон температур окружающей среды θокр. мин… θокр. макс. ˚С |
5…50 |
|||||||||||||
температурный коэффициент стабилизатора |
|
γ=±4 мВ/˚С |
||||||||||||
коэффициент стабилизации напряжения |
|
Кст>70 |
||||||||||||
2.1 Примем относительное отклонение напряжения сети в сторону уменьшения и |
||||||||||||||
увеличения равными: aмин=0.1. aмакс=0.1. |
|
|
||||||||||||
Максимальный и минимальный токи нагрузки равны: |
|
|||||||||||||
I |
|
= |
|
|
I0 |
|
= |
1.8 |
= 180.00 ×10−3 |
(A), |
|
|
||
н. макс |
10 |
|
|
|
||||||||||
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|||||||
Iн. мин |
= |
I0 мин = 0.1 |
= 10.00 ×10−3 |
(A). |
|
|
||||||||
|
|
|
10 |
10 |
|
|
|
|
|
|||||
2.2 По заданному Uвых выбираем стабилитрон типа Д815Г с параметрами: |
||||||||||||||
– напряжение стабилизации |
|
Uст1=9…11 (В). |
|
|||||||||||
– ток стабилизации |
|
Iст1=25…800 (мА). |
|
|||||||||||
– дифференциальное сопротивление |
rст1=1.8 (Ом). |
|
||||||||||||
– температурный коэффициент |
αст1=±0.10 (% /˚С). |
|
||||||||||||
– максимальная мощность (с радиатором) |
рст.макс=8000 (мВт). |
|
||||||||||||
2.3 Уточняем величину выходного напряжения стабилизатора |
|
|||||||||||||
Uвых |
= |
|
|
Uст1мин + Uст1макс |
=9+11 |
=10.0 (B). |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|||
2.4 Выбираем относительную амплитуду переменной составляющей входного напряжения a =0.03 (выбирается в пределах 0.02…0.05).
Тогда максимально возможный коэффициент стабилизации однокаскадного параметрического стабилизатора равен
|
Uвых (1- aмин - a~ ) |
|
10.0·(1-0.1-0.03) |
|
||
Кст.макс = |
=( 180.00+25)·10-3·1.8 |
=23.6. |
||||
(Iн.макс + Iст1. мин )rст1 |
|
|||||
Так как полученный максимальный коэффициент меньше заданного. то необходимо применить двухкаскадный стабилизатор.
Примем коэффициент стабилизации одного каскада Кст=15
|
|
|
Uст1 макс |
æ |
|
K |
|
ö |
|
11 |
æ |
15 |
ö |
|
|
|
|
|
|
ç |
|
|
ст |
÷ |
|
|
|
|
|
U01 |
= |
|
|
|
- |
|
= |
|
ç1- |
|
÷=34.76 (B). |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
(1 |
- aмин - a~ ) |
ç1 |
|
|
÷ |
|
23.6 |
|||||||
|
|
è |
|
Kст.макс ø |
(1-0.1-0.03) |
è |
ø |
|||||||
U01мин = U01(1 − αмин )=34.8·(1-0.1)=31.28 |
(В). |
|
|
||||
U01макс = U01 (1+ αмакс )=34.8·(1+0.1)=38.23 |
(В). |
|
|
||||
2.6 Вычисляем сопротивление гасящего резистора Rг1 из выражения |
|||||||
Rг1 = |
U01 (1 − αмин − α~ )− Uст1 макс |
= |
34.76·(1-0.1-0.03)-11 |
=93.8 (Ом). |
|||
|
|
|
-3 |
||||
(Iн.макс + Iст1. мин ) |
( 180.00+25)·10 |
||||||
|
|
|
|
||||
Примем
Rг1 =91 (Ом).
2.7 Определяем максимальное значение и уточняем минимальное значение токов через стабилитрон.
Тогда
|
|
|
U01макс - Uст1 мин |
|
(38.23-9)·103 |
|
||
Iст1 |
макс = |
|
|
|
- Iн.мин = |
91 |
- 10.00 =311.22 |
(мА). |
|
Rг1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
U01мин - Uст1 макс |
|
(31.28-11)·103 |
|
|||
Iст1 |
мин = |
|
|
|
- Iн.макс = |
91 |
- 180.00 =42.86 |
(мА). |
|
Rг1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
2.8 |
Определяем максимальную мощность. рассеиваемую стабилитроном |
|||||||
PVD1 макс = Iст1макс × Uст1макс =311.22·11=3423.5 |
(мВт). |
|
||||||
Значение этой мощности не превышает предельное значение. Поэтому не требуется применять радиатор.
2.9 Находим переменную составляющую выходного напряжения и внутреннее сопротивление стабилизатора:
Uвых m1 = |
α~ Uвых . |
|
K~ |
ri=rст1.
где К~=Kст= 15– коэффициент сглаживания пульсаций.
Тогда
Uвых m1 |
= a~ Uвых |
=0.03·10.0 |
=20.00 (мВ). |
|
K~ |
15 |
|
ri=rст1=1.8 (Ом). |
|
|
|
2.10 |
Определяем номинальный КПД стабилизатора: |
|||
h = |
Uвых Iн макс |
= |
10.0·180.00·10-3 |
=0.19. |
|
æ34.76-10.0ö |
|||
|
||||
91÷
01ç R ÷ è ø
èГ1 ø
2.11Определяем максимальный ток. потребляемый стабилизатором от выпрямителя.æ U ö- U
I0 макс = |
U01 макс - Uст1 мин |
= |
(38.23-9)·103 |
=321.22 (мА). |
|
|
91 |
||||
R Г1 |
|||||
|
|
|
ЛИТЕРАТУРА
1.Климович В.В. Электропитание систем телекоммуникаций. Метод. указ. и контр. задания. Мн.: БГУИР. 2006 г.
2.Китаев В.Е. и др. Расчёт источников электропитания устройств связи. Уч. пособие для ВУЗов. М.: Радио и связь. 1993 г.