На рис. 2.3 показаны амплитуды токов в зависимости от номера гармоники: гистограмма – fft метод, ломаная линия – сплайн метод.

Рис. 2.3

Рис. 2.4 (форма тока сети), 2.5 (амплитудный спектр тока) иллюстрируют пример применения последовательного RLC фильтра (компенсатора), заимствованного из библиотеки SPS, с добротностью Q=25, реактивной мощностью 750 ВА, настроенного на частоту 250 Гц (поз. 2 на рис.2.1). Гармоники с №№ 3 и 5 имеют примерно одинаковые амплитуды.

Коэффициенты нелинейных искажений составили: без фильтра Kg=0,286, с RLC фильтром и выше указанными его параметрами Kg=0,240.

Рис. 2.4 Рис. 2.5

2.2. Порядок выполнения работы.

2.2.1. Создать модель преобразователя в соответствии с рис. 2.1 или загрузить файл в рабочее поле пакета SPS.

2.2.2. Осуществить настройки блоков, показанных на рис. 2.1.

2.2.3. Выполнить моделирование.

2.2.4. Используя приборы наблюдения определить предельно допустимые параметры полупроводниковых компонентов (транзисторов и диодов), примененных в схеме.

2.3. Содержание отчета.

2.3.1. В отчете о работе следует привести распечатки основных сигналов с пояснениями.

2.3.2. Составить принципиальную электрическую схему преобразователя.

2.4. Контрольные вопросы.

2.4.1. Показатели качества промышленной сети переменного тока.

2.4.2. Как влияют искажения формы тока (напряжения) сети на работу потребителей электроэнергии ?.

2.4.3. Методы анализа гармонического состава сигналов.

2.4.4. Методы компенсации искажений.

3. Лабораторная работа № 3

Проектирование силового трансформатора для сварочного выпрямителя

3.1. Общие положения.

Основным элементом источника питания для сварочной технологии является вентильный преобразователь, в данном случае управляемый выпрямитель.

При токах нагрузки 100 – 300 А. предпочтительна мостовая схема выпрямления. (рис. 3.1).

На рис. 3.1 Т1 – силовой трансформатор с первичными w1 и вторичными w2 обмотками, VS1,…VS6 – управляемые вентили (тиристоры), SF1 – автоматический выключатель, FU1,…FU3 – плавкие предохранители, Rp, Cp - элементы защитных RC цепей, L1 – сглаживающий дроссель, RS1 – измерительный шунт.

3.2. Порядок выполнения работы. Пример.

3.2.1. Расчет вторичных напряжений трансформатора

Рис. 3.1

Методика расчета приводится применительно к 3-фазной мостовой схеме выпрямителя при следующих исходных данных:

- питающая сеть ~ 380 В, 50 Гц;

- диапазон изменения напряжения нагрузки Ud=40 – 100 В;

- активная мощность нагрузки Pd = 10000 Вт;

Из выражения регулировочной характеристики

Uda= ; . При максимальной загрузке выпрямителя ( =0, =0) напряжение нагрузки Ud0=100 В U2=74 В.

3.2.2. Расчет токов трансформатора.

Сначала определим ток вентиля, руководствуясь следующими соображениями.

На рис. 3.2, а показано напряжение сети, рис. 3.2, б – ток вентиля (фаза В, катодная группа) с учетом коммутации (угла перекрытия интервалов проводимости ).

Рис. 3.2

Без учета коммутации ток вентиля

.

Ток 2 обмотки трансформатора .

3.2.3. Геометрический параметр трансформатора – это произведение активной площади сечения магнитопровода на площадь окна , занятого обмотками.

, . В этом примере в ВА на одном стержне,

- коэффициент распределения токов между 1 и 2 обмотками трансформатора, принимаемый обычно = 0,5;

=0, 95, =0, 8 - коэффициенты заполнения ферромагнетиком магнитопровода и проводом обмоток окна соответственно;

- частота сети = 50 Гц.

На рис. 3.3 представлен эскиз трансформатора (для 1 стержня).

Рис. 3.3

Начальную плотность тока в обмотках примем = 3 А/мм² или, для подстановки в выражения в стандартной системе единиц, А/м²;

амплитудное значение магнитной индукции = 1,2 Тл, типичное для горячекатанной трансформаторной стали.

КПД трансформатора (предполагаемое значение) =0, 95.

На рис. 3.4 – фрагмент DERIVE – файла, где приведены соотношения и результат вычисления геометрического параметра.

Здесь и далее значком “” (кавычки) отмечены комментарии.

Рис. 3.4

3.2.4. Выбор геометрии магнитопровода.

Площадь сечения магнитопровода Sc (в первом приближении квадратного), как следует из рис. 3.5, составит 0,00329 м².

Ширина А и толщина В магнитопровода - 0,0574 м (примем А=В=6 см).

Рис. 3.5

Длины стержня и ярма по рис. 3.4 также выберем равными: LCA=LC0=5*A=0,3 м.

3.2.5. Расчет электрических параметров.

Эквивалентная магнитная проницаемость магнитопровода

где Гн/м – магнитная постоянная, - относительная магнитная проницаемость вещества, - суммарный зазор из немагнитного материала, толщина которого примерно равна толщине пластины (0,0005 м), - средняя длина магнитной силовой линии магнитопровода.

Для горячекатаных сталей обычное значение =1000, легко определить по эскизу трансформатора. В данном случае (рис. 3.3): =1,08 м.

Следовательно (рис. 3.6) эквивалентная магнитная проницаемость магнитопровода составит 0,00086 Гн/м.

Определение индуктивности намагничивания трансформатора.

Зададим ток холостого хода (ХХ) I0 равным 10 % от номинального.

Ток 1 обмотки 3916/380=10,3 А. Ток ХХ I0=1 А.

Индуктивность намагничивания (1 обмотки)

Рис. 3.6

Вычисление Lm показано на рис. 3.7.

Рис. 3.7

Индуктивность намагничивания составила 1, 2 Гн.

Определение количества витков 1 обмотки производится по 2 условиям:

1) обеспечивает заданный ток ХХ (рис. 3.8).

2) гарантирует работу трансформатора при допустимой амплитуде магнитной индукции (рис. 3.9).

Рис. 3.8

Рис. 3.9

Разница в количестве витков существенна, примем, за счет некоторого увеличения тока ХХ, более близкое к минимальному значение: 500 витков на 1 стержне трансформатора.

Уточненное значение индуктивности намагничивания составит 0,72 Гн.

Уточненное значение тока ХХ - =1,68 А.

Определение количества витков вторичной обмотки .

Активное сопротивление нагрузки R= = 1 Ом.

Вторичное напряжение трансформатора (п. 3.2.1) 0.74*100=74 В.

Количество витков 2 обмотки = 82,3.

Примем количество витков вторичной обмотки 83 (рис. 3.10).

Рис. 3.10

Ток 2 обмотки трансформатора (п. 3.2.2): I2 =82 А.

Ток фазы 1 обмотки ≈ 13,7 А (уточненное значение) в номинальном режиме (рис. 3.11).

Рис.3.11

Расчетная мощность трансформатора составит = 18410 ВА или 6137 ВА на каждую фазу.

3.2.6. Определение размеров шин обмоток.

Выберем отношение ширины шины к толщине RAT=h/d =4 (рис.3.3) для обеих обмоток. Если плотность тока δ задана в А/мм², ширина шины равна , м.

Таким образом (рис.3.12) шины 1 и 2 обмоток имеют соответственно ширину 4,2 и 10 мм. Выберем стандартные размеры: 5 х 1мм для 1 обмотки, 10 х 2,5 мм для 2 обмотки.

Рис. 3.12

3.3. Порядок выполнения работы.

3.3.1. В соответствии с вариантом исходных данных и руководствуясь приведенным примером выполнить расчеты по п. 3.2.

3.3.2. По рассчитанным геометрическим параметрам начертить эскиз спроектированного трансформатора.

3.3.3. Составить схему замещения трансформатора с указанием электрических параметров.

3.4. Содержание отчета.

Отчет оформляется по приведенному выше образцу с учетом п. 3.3.

Список литературы

1. Ситник Н.Х. Силовая полупроводниковая техника.– М.:Энергия, 1968.–320 с.

2. Тихомиров П.Н. Расчет трансформаторов. – М.: Энергия, 968. – 456 с.

3. П.А.Кошелев, С.В.Парамонов. Проектирование источников питания АЭТУС. Учеб. пособие / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 1999.

4. В.П. Дьяконов. Справочник по применению системы DERIVE. М.: Наука, 1996.