Задания для выполнения

проявляется в слаботочных (маломощных) схемах выпрямителей. Поэтому нагрузку, начинающуюся с емкости, не следует применять при средних и больших мощностях. В данной работе изменение соотношения параметров схемы при нагрузке, начинающейся с емкости, нужно учитывать для однофазной мостовой схемы с П-образным RC-фильтром (табл. 1.2).

Таблица 1.2 Уточненные параметры однофазной мостовой схемы выпрямления

при нагрузке, начинающейся с емкости

А(Θ)

А(Θ)

2,6

10

2,2

8

D(A) F(A)

1,9

6

1,5

в г

Рис. 1.12. Графики зависимости угла отсечки и коэффициентов B, D, F от функции A( ) при нагрузке, начинающейся с емкости

Коэффициенты В, D, F определяются в зависимости от трансцендентной функции угла отсечки A( ) (рис. 1.12, а):

где ra – сопротивление вентиля в прямом направлении, определяется по паспортным данным (ra = Ua / Ia); Rт – сопротивление обмотки трансформатора,

определяется по графикам, приведенным на рис. 1.16, а; Rн – сопротивление нагрузки выпрямителя; m – число фаз выпрямителя.

Графики для определения коэффициентов В, D и F приведены на рис. 1.12, б – г.

Внешняя характеристика при такой нагрузке имеет крутопадающий характер, поэтому не следует использовать выпрямители для питания потребителей с переменной нагрузкой, так как напряжение Ud будет значительно меняться по величине.

1.5. Выбор вентилей для вентильной группы

Вентили выбирают по двум параметрам: по номинальному значению тока, протекающего по вентилю в прямом направлении, и по допустимому значению обратного напряжения:

1.6. Выбор схемы и расчет сглаживающих фильтров

Если качество выпрямленного напряжения или тока нагрузки после вентильной группы не соответствуют предъявляемым требованиям (коэффициент пульсации имеет большее значение), то в схему выпрямителя включают сглаживающий фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую выпрямленного напряжения и сглаживающий его пульсации.

Свойства фильтра характеризуются коэффициентом сглаживания, который равен отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

Чем выше коэффициент сглаживания фильтра, тем лучше качество фильтра и тем сложнее схема включения его элементов. Сглаживающее действие фильтра объясняется возникновением переходных процессов на его реактивных элементах (емкостях и индуктивностях) при включениивыключении вентилей.

Простейшими однозвенными фильтрами являются конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр), и дроссель, включенный последовательно с нагрузкой (индуктивный фильтр) (табл. 1.3).

Пульсации на выходе емкостного фильтра определяются постоянной разряда конденсатора = CфRн. Емкостные фильтры целесообразно применять с высокоомной нагрузкой при мощности не более нескольких десятков ватт.

Ток в цепи с индуктивным фильтром Lф во время переходного процесса зависит от постоянной времени = Lф / Rн. Чем больше τ, тем эффективнее фильтр. Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощности, в которых сопротивление нагрузки мало.

В тех случаях, когда требуется получить коэффициент сглаживания в пределах от 20 до 40, применяют более сложные Г-образные фильтры (LC- и RC-типа).

У Г-образных LC-фильтров переменная составляющая выпрямленного напряжения снижается из-за сглаживающего действия и емкости Cф, и

индуктивности Lф, замедляющих процесс изменения сигнала. Постоянная составляющая на нагрузке Rн практически не уменьшается, так как активное

сопротивление дросселя мало. Сопротивление конденсатора X C

должно быть значительно меньше Rн.

В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузки Rн нес-

колько килоом, вместо Lф включается Rф (Г-образный RC-фильтр), что уменьшает массу, габариты и стоимость фильтра, при этом несколько снижается напряжение фильтра на выходе. Коэффициент сглаживания RC- фильтра меньше, чем у LC-фильтра.

Если коэффициент сглаживания больше 40, применяют многозвенные фильтры (например, П-образные). П-образный фильтр представляет собой каскадное соединение емкостного и Г-образного фильтров. Следовательно, коэффициент сглаживания П-образного фильтра определяется как произведение коэффициентов сглаживания соответствующих фильтров – емкостного SC (принимают меньше 20) и Г-образного SГ (принимают от 20 до

40):

При высоком значении сопротивления нагрузки (несколько килоом) применяют CRC-фильтр, при малом – CLC-фильтр. П-образные фильтры, как правило, имеют симметричные схемы, т. е. емкости на входе и выходе используют одинаковые. Поэтому по выбранному значению коэффициента сглаживания емкостного фильтра SC рассчитывают величину емкости Сф, а

значения Rф или Lф находят по соотношению параметров Г-образного фильтра (см. табл. 1.3) при выбранном значении SГ.

Данные, приведенные в табл. 1.3, помогут в выборе схемы фильтров и расчета их параметров при выполнении курсовой работы.

Таблица 1.3 Параметры сглаживающих электрических фильтров

1.7. Внешние характеристики выпрямителей

Внешней характеристикой выпрямителя называют зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нем Ud = f(Id).

В реальном выпрямителе сопротивления элементов выпрямителя (вентилей, обмоток трансформатора, индуктивного фильтра и т. п.) не равны нулю. На этих сопротивлениях создается падение напряжения Ud.

В общем случае внешняя характеристика выпрямителя с индуктивным фильтром описывается уравнением:

где Udх. х – напряжение холостого хода выпрямителя; Rпр – сопротивление открытых вентилей выпрямителя, включенных последовательно с нагрузкой, зависит от схемы вентильной группы; Rт – активное сопротивление обмотки трансформатора, определяется в зависимости от мощности выпрямителя по номограммам, изображенным на рис. 1.16, а; rдр – внутреннее активное сопротивление дросселя фильтра, определяется в зависимости от мощности выпрямителя по номограммам, изображенным на рис. 1.16, б; xs – индуктивное сопротивление рассеивания обмоток трансформатора, xs = (0,04÷0,1)Rн/(a b); a и

b – коэффициенты, зависящие от

нагрузки Rн) кривая 2 снижается быстрее из-за уменьшения постоянной времени разряда конденсатора разр RнCф .

Внешняя характеристика выпрямителя с Г-образным RC-фильтром (см. рис. 1.15, кривая 3) имеет еще более крутой наклон, чем кривая 2, из-за дополнительного снижения напряжения на резисторе Rф, включенном последовательно с нагрузкой.

от выпрямленной мощности Pd

1.8. Моделирование схемы выпрямителя в среде Electronics Workbench

Целью моделирования является проверка формы входного и выходного сигналов выпрямителя и его номинальных параметров.

При моделировании схемы выпрямителя в среде Electronics Workbench (EWB) необходимо принять следующие допущения:

в качестве вентилей используют идеальные диоды без учета их составной конструкции (если таковая имеется), потому что в библиотеке элементов программного продукта нет отечественных типов вентилей;

обмотки трансформатора моделируют источниками переменного напряжения с соответствующим действующим значением напряжения U2;

для измерения постоянной составляющей напряжения и тока используют приборы, включенные в режиме постоянного тока (DC), переменной составляющей – в режиме переменного тока (AC).

Результаты моделирования и расчета режима работы выпрямителя сводятся в табл. 1.4 для сравнения значений параметров разработанного выпрямителя, полученных путем моделирования и расчетным способом (см. пример расчета, п. 1.10).

1.9. Задание для расчета выпрямителя

Ц е л ь р а б о т ы по этому разделу: расчет выпрямителя для питания промышленной установки.

В процессе выполнения задания необходимо:

выбрать схему вентильной группы выпрямителя;

определить тип вентиля, указать его паспортные данные, расшифровать марку выбранного вентиля по справочным данным;

выбрать схему электрического сглаживающего фильтра и рассчитать его параметры;

начертить схему полученного выпрямителя;

построить внешнюю характеристику выпрямителя;

рассчитать параметры трансформатора, КПД выпрямителя;

провести моделирование режимов работы в среде Electronics Workbench, сравнить расчетные данные с данными, полученными путем моделирования, начертить осциллограммы.

Завершить раздел необходимо выводами по полученным результатам.

И с х о д н ы е д а н н ы е для расчета: номинальное значение выпрямленного напряжения Udн, номинальное значение выпрямленного тока

Idн, значение коэффициента пульсаций kп. вых (выбираются по своему варианту из табл. прил. 1), номинальное напряжение питающей сети, равное напряжению первичной обмотки трансформатора: Uс = U1 = 220 В, частота номинального напряжения fс = 50 Гц (для всех вариантов).

1.10. Пример расчета выпрямителя

Необходимо рассчитать выпрямитель для питания промышленной установки. Параметры выпрямителя:

номинальное значение выпрямленного напряжения Udн = 1000 В;

номинальное значение выпрямленного тока Idн = 10 А;

номинальное напряжение питающей сети Uс = U1 = 220 В;

частота питающего напряжения fс = 50 Гц;

значение коэффициента пульсаций kп. вых = 0,03.

Выбор схемы вентильной группы. Выпрямленная мощность Pdн = Udн ·Idн;

Pdн = 1000 · 10 = 10 000 Вт.

При мощности, превышающей или равной 10 кВт, рекомендуется применять мостовые выпрямители трехфазного тока (схема Ларионова).

Выбор вентилей. Для выбранной трехфазной мостовой схемы вентильной группы определяем средний ток через вентиль, руководствуясь соотношением

параметров, приведенных в табл. 1.1: Ia Id3н ; Ia 103 3,33 А.

Ориентировочное значение обратного напряжения на вентиле рассчитываем с некоторым запасом по данным табл. 1.1 для выбранной мостовой схемы Uобр. m > 1,045∙(1,1÷1,4)∙Udн, принимаем Uобр. m =

1,045·1,1·Udн; Uобр. m = 1,045 × × 1,1·1000 = 1150 В.

По справочным данным (табл. прил. 2) выбираем тип вентиля с учетом требований (1.27). В данном случае целесообразно использовать составной вентиль по напряжению типа Д234Б (12 вентилей, по два последовательно соединенных вентиля в каждом плече моста), который имеет следующие паспортные параметры:

номинальный прямой ток Iан = 5 А;

прямое падение напряжения Uа = 1,5 В;

допустимое обратное напряжение Uобр. доп = 600 В;

среднее значение обратного тока Iобр = 3 мА.

Расшифровка марки вентиля (прил. 3): вентиль Д234Б – выпрямительный или импульсный, кремниевый, плоскостной.

Рассчитываем значение выравнивающих сопротивлений, так как используем составные вентили.

Шунтирующее сопротивление

Rш = (0,1,...,0,2) Rобр,