1.2. Розрахунок випрямляча та згладжувального фільтра

1.2.1. Теоретичні відомості

1. Вибір схеми випрямлення і типу вентилів.

Проектування пристрою електроживлення полягає у виборі поставлених умов схеми випрямлення, типу вентилів, схеми фільтра, визначенні параметрів трансформатора, виборі схеми регулювання і стабілізації, визначенні параметрів цих схем, розробці конструкції, визначенні вартості й обґрунтуванні надійності проектованого пристрою.

Для розрахунку випрямної установки повинні бути задані призначення, напруга і частота живлячої мережі, необхідні значення випрямленої напруги і споживаного струму, вид навантаження, допустимі межі коливання вихідної напруги, вимоги до регулювання, конструктивні, кліматичні, механічні та інші умови.

Вибір вентилів залежить від необхідних значень випрямлених напруг і струмів. Найбільш доцільно в даний час використовувати кремнієві вентилі, тобто кремнієві діоди і рідше германієві діоди. У тих випадках, коли потрібне плавне регулювання випрямленої напруги, можуть бути використані тиристори (так звані керовані випрямлячі). До основних достоїнств напівпровідників відносяться висока надійність, економічність, механічна міцність, малі габарити. Кенотрони й газотрони в джерелах живлення практично не використовуються через їх недоліки.

Вибір схеми випрямлення залежить від напруги живлення, типу вентилів, потужності випрямляча, необхідного коефіцієнта пульсацій та інших факторів. Напівпровідникові вентилі найчастіше використовують у мостових однофазних і трифазних схемах. При трифазній мережі живлення застосовуються як трифазні, так і однофазні схеми, однак при значних потужностях (більше 1 кВт) небажано використовувати однофазні схеми з міркувань рівномірності навантаження трифазних трансформаторів. Для отримання мінімальних пульсацій кращою є трифазна мостова схема.

Додаток 1

1.2.2. Приклад розрахунку випрямляча

Вихідні дані:

1. Випрямлена напруга: U₀ = 500 В;

2. Середнє значення струму в навантаженні: I₀ = 250 мА;

3. Коефіцієнт пульсацій на навантаженні: K_{n вих} = 0,1%

(коефіцієнт пульсацій високий, тому потрібен згладжувальний фільтр на виході випрямляча, щоб отримати більш якісну напругу);

4. Напруга мережі живлення: U₁ = 220 В;

5. Частота мережі: f = 50 Гц.

За наведених вище міркувань вибираємо однофазну мостову схему випрямлення на напівпровідникових діодах (рис. 1) та П - подібний згладжу вальний фільтр (рис. 2).

Рис. 1. Схема мостового випрямляча

Рис. 2. П - подібний згладжу вальний фільтр

У таблиці 2 наведені основні розрахункові співвідношення напруги і струмів різних схем, що дозволяють судити про переваги і недоліки кожної схеми.

Таблиця 2

Розрахунковий параметр	Схема випрямлення
	Однопів-періодна	Двопів-періодна	Однофазна мостова	Трифазна	Шестифаз-на
Максимальне значення напруги вторинної обмотки, U2m	3,14 U0	3,14 U0	1,57 U0	1,2 U0	1,05 U0
Максимальне значення струму вторинної обмотки, I2m	3,14 I0	1,57 I0	1,57 I0	0,82 I0	0,58 I0
Діюче значення напруги на вторинній обмотці, U2	2,22 U0	2,22 U0	1,11 U0	0,85 U0	0,74 U0
Діюче значення струму вторинної обмотки, I2	1,57 I0	0,785 I0	1,11 I0	0,58 I0	0,74 I0
Чинне значення первинної обмотки, I1	1,21 I0 Ктр	1,1 I0 Ктр	1,11 I0 Ктр	0,47 I0 Ктр	0,58 I0 Ктр
Зворотна напруга, прикладена до вентиля, Uобр	3,14 U0	3,14 U0	1,57 U0	2,1 U0	1,05 U0
Коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги, Kп	1,57	0,67	0,67	0,25	0,057
Частота пульсацій, fп	fc	2 fc	2 fc	3 fc	6 fc
Типова потужність трансформатора, Pтип	3,5 P0	1,48 P0	1,23 P0	1,35 P0	1,55 P0
Амплітудне значення струму через вентиль, Iam	3,14 I0	1,57 I0	1,57 I0	1,21 I0	1,05 I0
Середнє значення струму через вентиль, Ia0	I0	0,5 I0	0,5 I0	0,33 I0	0,17 I0

1. Користуючись даними таблиці 2, знаходимо основні величини приблизно, без урахування навантаження:

- максимальна напруга вторинної обмотки трансформатора:

- максимальне значення струму вторинної обмотки трансформатора:

- діюче значення напруги на вторинній обмотці:

- діюче значення струму вторинної обмотки:

- діюче значення струму первинної обмотки:

де – коефіцієнт трансформації.

- зворотна напруга, прикладена до вентиля:

- коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги для однієї напруги для однофазної мостової схеми у відповідності з таблицею 1:

- типова потужність трансформатора:

Розрахунок ведемо на P_тип = 200 В ^. А.

- амплітудне значення струму через вентиль:

- середнє значення струму через вентиль:

2. З довідника по радіоелектроніці вибираємо кремнієві діоди Д226Б з основними даними:

U_зв = 400 В;

I₀ = 0,3 А;

U_пр = 1 В;

I_am = 2,5 А;

(де U_пр – пряма напруга діода).

Враховуючи недостатню зворотну напругу (U_зв) діодів, включаємо в кожне плече містка по два діоди послідовно.

3. Щоб уникнути пробою, діоди необхідно шунтувати резисторами, опір яких вибирається з розрахунку 70 кОм на кожні 100 В зворотної напруги:

4. Визначимо приведений опір обмоток трансформатора:

Тут k_т – коефіцієнт, що залежить від схеми випрямляча;

f – частота живильного ланцюга (50 Гц);

S – число стержнів, на яких розташовані котушки (тут S = 2, тому що обраний трансформатор стержневого типу);

B – магнітна індукція, визначається за таблицями, виходячи з потужності трансформатора (тут B = 1,2 Тл).

5. Внутрішній опір вентилів:

де n – кількість вентилів у одному плечі моста (n = 2).

6. Активное сопротивление фазы выпрямителя:

7. Індуктивність розсіювання обмоток трансформатора:

тут k_L – коефіцієнт, що залежить від схеми випрямлення.

8. Співвідношення між активним і реактивним опором фази випрямляча:

звідки кут φ = 23^о.

9. Знаходимо допоміжний коефіцієнт для схеми, що працює на ємнісне навантаження (П - подібний фільтр):

тут m – коефіцієнт, що залежить від схеми випрямлення; для однофазних випрямлячів (як ми і вибрали, m = 2, для трифазних m = 6).

Рис. 3. Графіки розрахункових коефіцієнтів

10. За графіками рис. 3, використовуючи знайдене значення А, знаходимо, для випрямляча який розраховуємо, значення коефіцієнтів B₀, D₀ і F₀, які відповідають П - подібному фільтру, який працює на виході випрямляча:

(взявши точку А = 0,1 на осі абсцис, по перпендикуляру до цієї точки піднімаємося вгору, на перетині з кривими B₀, D₀ і F₀ знову ставимо перпендикуляр до осі ординат і знаходимо B₀, D₀ і F₀, рис. 3).

11. Розраховуємо е.р.с. вторинної обмотки трансформатора:

Тепер з урахуванням впливу навантаження (а ми вибрали П - подібний LC-фільтр, див. рис.2, тобто навантаження ємнісне) знайдемо більш точні значення діючого значення струму вторинної обмотки трансформатора I₂, зворотної напруги, прикладеної до вентилів U_зв, чинне і максимальне значення струмів через вентиль, відповідно I_a і I_am. Раніше ми, використовуючи таблицю 2, знайшли ці величини приблизно, без урахування навантаження.

12. Зворотна напруга, прикладена до вентиля:

13. Діюче значення струму вторинної обмотки:

14. Діюче значення струму через вентиль:

15. Максимальне значення струму вентиля:

16. Потужність розсіювання на одному шунті:

17. Потужність, що виділяється на вентилі (діоді):