Контрольні питання

1. Яке призначення трансформатора

2. Класифікація трансформаторів

3. Основні параметри і характеристики трансформаторів

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5

Розрахунок випрямлячів

Мета роботи:

• навчити студентів розраховувати випрямлячі

• закріпити знання студентів про випрямлячі

Підготовка до виконання роботи

• Закріпити теоретичні знання про випрямлячі

• Ознайомитись із завданням для виконання роботи.

Основні теоретичні відомості

Розрахунок випрямляча проводять відповідно до технічного завдання. Основними вихідними даними для розрахунку є величини випрямленої напруги U_o і випрямленого струму І₀. Крім цих даних, звичайно відомі: номінальна напруга і частота мережі, допустимий коефіцієнт пульсації напруги в навантаженні, призначення випрямляча, а іноді також конструктивні та експлуатаційні вимоги до випрямляча, межі регулювання випрямленої напруги тощо.

У процесі розрахунку треба вибрати найбільш раціональну схему випрямлення, знайти електричні й конструктивні параметри силового трансформатора, визначити кількість і тип вентилів, підібрати схему і розрахувати елементи згладжуючого фільтра.

Слід підкреслити, що при розрахунку випрямляча треба враховувати характер опору навантаження, від якого багато в чому залежать розрахункові співвідношення..

У реальних схемах випрямлячів опір навантаження рідко буває суто активним. Це пов'язано з тим, що великі пульсації випрямленої напруги на виході випрямляча не влаштовують споживача внаслідок чого між навантаженням і виходом випрямляча вмикається згладжуючий фільтр, який часто починається з ємності. Це зумовлює ємнісний характер навантаження. Розглянемо порядок розрахунку випрямляча

на такому прикладі.

Таблиця 1.

Рисунок 1.Графік для визначення площі перерізу осердя трансформатора

Рисунок 2.Броньове осердя із Ш-подібних пластин.

Таблиця 2.Значення коефіцієнта нещільності

Рисунок 3.Схематична будова дроселя згладжуючого фільтра

Завдання до роботи

Розрахувати двопівперіодний випрямляч за мостовою схемою на напівпровідникових діодах за такими даними: випрямлена напруга U_o = 350в, випрямлений струм І₀ = 50 ма, напруга мережі U_M=220в, частота мережі f_м = 50 гц, коефіцієнт пульсації випрямленої напруги Сп = 0,01 %.

Порядок виконання роботи

1. Провoдимо розрахунок силового трансформатора. Відповідно до завдання силовий трансформатор даного випрямляча повинен мати тільки дві обмотки — мережну і підвищувальну.

Знаходимо потужність, що знімається з підвищувальної обмотки. З урахуванням втрат на вентилях і згладжуючому фільтрі напруга, що знімається з вторинної обмотки трансформатора, повинна перевищувати значення заданої випрямленої напруги майже на 20%. Тому

(1)

Знаходимо потужність, споживану випрямлячем від мережі. При цьому слід врахувати, що в трансформаторі будуть втрати на нагрівання обмоток і осердя. Тому к. к. д. силового трансформатора звичайно η_тр = 70 —80%. Беручи η_тр = 70%, дістаємо

(2)

Визначаємо площу перерізу осердя трансформатора за формулою

(3)

Площу перерізу осердя можна також орієнтовно визначити з допомогою графіка розміщеного вище (рис.1.)

Вибираємо тип осердя трансформатора. Для виготовлення магнітопроводів трансформаторів застосовують електротехнічну листову сталь марок Е11, Е31, Е32, Е41, Е42, Е310, Е320 і Е330. Часто застосовують пластини типу Ш і УШ. Форму броньового осердя з Ш-подібних пластин показано на (рис.2).При виборі осердя для трансформатора бажано, щоб відношення ширини середнього стержня а до товщини набору с становило 5:6. У цьому разі

(4)

(5)

де S — переріз осердя, знайдений за формулою (3) у см². Для нашого прикладу розміри Ш-подібних пластин осердя

(6)

Отже, вибираємо осердя трансформатора типу Ш-20 X 24.

Знаючи площу перерізу осердя трансформатора, можна визначити потрібне число (N) витків кожної обмотки, що припадає на 1в напруги. Для трансформаторів невеликої потужності є приблизна залежність

SN=60

звідки

(7)

Знаходимо кількість витків (W) кожної обмотки трансформатора. Для цього треба помножити величину напруги, що діє на відповідній обмотці, на число N.

Кількість витків мережної обмотки для напруги 220 в становитиме

(8)

Діюче значення змінної напруги вторинної обмотки трансформатора для мостової схеми становить U₂ = U₀ (табл.1.)З урахуванням втрат на вентилях і згладжуючому фільтрі приймаємо

(9)

Отже, кількість витків підвищувальної обмотки становить

(10)

Визначаємо діаметр проводу обмоток. Розрахунок проводимо з урахуванням доступної густини струму. Для трансформаторів потужністю до 500 ват при застосуванні обмоткового проводу в емалевій ізоляції допустима густина струму дорівнює 2а на квадратний міліметр площі перерізу проводу. Виходячи з цього, діаметр проводу для кожної обмотки розраховують за формулою

(11)

де d —діаметр проводу, мм;

І —струм в обмотці, а.

Струм у мережній обмотці при підмиканні до мережі з напругою 220 в становить

(12)

Струм, що проходить у підвищувальній обмотці, для мостової схеми становить І₂ = 1,8І₀ (табл.1.)Отже, І₂ — 1,8 • 50 = 90 ма = 0,09 а. Діаметр проводу обмоток (без ізоляції) дорівнює: для мережної обмотки

(13)

для підвищувальної обмотки

(14)

Обираючи обмотковий провід, знаходимо з довідника діаметр проводу з ізоляцією

(15)

Перевіряємо можливість розміщення обмоток у вікні осердя. Кількість витків у шарі обмотки (для осердя броньового типу) визначають з формули

(16)

де h — висота вікна, мм;

δ_карк — товщина матеріалу каркаса, мм (звичайно δ_карк = 1—2 мм);

а — коефіцієнт нещільності, що залежить від діаметра обмотки і визначається за табл.2

Знаходимо кількість витків в шарі кожної обмотки для нашого прикладу (з довідника для Ш-20 h = 50 мм, а δ_карк приймаємо 1 мм):

(17) (18)

Кількість шарів для кожної обмотки (з округленням до більшого цілого числа) становить

(19)

де W — кількість витків обмотки;

W_m — кількість витків у шарі цієї обмотки.

У нашому випадку

Товщина кожної обмотки

(20)

де δ_із — товщина ізоляції між шарами (звичайно δ_і3 = 0,03 мм);

δ_пр — товщина прокладки між обмотками (звичайно δ_пр = 0,2 мм).

Отже, приймаючи δ_із = 0,03 мм і δ_пр = 0,2 мм, дістанемо

Загальна висота обох обмоток (з урахуванням товщини стінки каркаса δ_карк = 1 мм)

(21)

Отже, уся обмотка на каркасі займатиме по ширині вікна осердя 19,8 мм. Ширина вікна для пластин типу Ш-20 дорівнює b = 20 мм.

(22)

Отже і обмотка розміщується у вікні, тобто розрахунок зроблено правильно.

2. Обираємо тип вентилів. Зворотна напруга на вентилі для мостової схеми з ємнісним навантаженням згідно з табл. 1

становить

З урахуванням втрат на вентилях і на елементах згладжуючого фільтра (20%) дістанемо

Середнє значення струму вентиля для даної схеми становить

З довідника знаходимо тип напівпровідникових діодів, що придатні для роботи в даній схемі. Такими діодами можуть бути кремнієві діоди типу Д217. Якщо діодів, що допускають задану зворотну напругу чи витримують потрібний струм, немає, то можна застосувати послідовне або паралельне ввімкнення діодів. Так, наприклад, для роботи в схемі, що розраховується, можна ввімкнути в кожне плече моста послідовно по два діоди типу Д7Е, Д7Ж, Д226 .

3. Розраховуємо згладжуючий фільтр. Визначаємо ємність конденсатора на вході фільтра, що забезпечує пульсацію, яка не перевищує 10%. Для мостової схеми

(23)

де С_о — у мікрофарадах;

I₀ — у міліамперах;

U_o — у вольтах.

Підставляючи у формулу (23) задані значення I₀ і U₀,

дістанемо

За каталогом довідника з радіоелектроніки вибираємо стандартний електролітичний конденсатор типу К50-7 ємністю 5мкф на 450 в. Уточнюємо коефіцієнт пульсацій на вході фільтра за формулою

(24)

де І₀ —у міліамперах;

U₀ — у вольтах;

С_о —у мікрофарадах.

Для нашого прикладу

Допустимий коефіцієнт пульсації випрямленої напруги на ви-ході фільтра становить 0,01%. Отже, згладжуючий фільтр має забезпечувати коефіцієнт згладжування

(25)

де К_п.вх — коефіцієнт пульсації на вході, К_п.вих — на виході фільтра, %.

Якщо треба забезпечити високий коефіцієнт згладжування доцільно застосувати багатоланкові фільтри. Беручи до уваги порівняно велике значення випрямленого струму, застосуємо в даній схемі дволанковий фільтр типу LC

Коефіцієнт згладжування кожної ланки дволанкового фільтра становить

(26)

Визначаємо добуток L_ф1С_ф1 = L_ф2С_ф2 за формулою

(27)

Задаємося значеннями ємностей конденсаторів С_ф1 = С_ф2 При цьому враховуємо, що з конструктивних міркувань індуктивність дроселів має бути не дуже великою (бажано, щоб L_ф ≤ 10 гн). Задаючись С_ф1 = С_ф2 = 10 мкф, знаходимо

Розраховуємо конструктивні параметри дроселів. Вихідним даними для розрахунку є індуктивність дроселів (L_ф1 = L_ф2 = L_ф) і значення випрямленого струму I₀.

Для попереднього вибору розміру пластин осердя можна сксристатися формулою

(28)

де а — ширина середнього стержня, см; L_ф — у генрі; I₀ — в ампеpax.

Тоді

За довідником вибираємо пластини типу Ш-12. Обчислюєм площу вікна за формулою

(29)

Для пластин типу Ш-12 b = 1,2 см, a h = 3 см. Тому

Визначаємо кількість витків обмотки кожного дроселя за формулою

(30)

де S_o — площа вікна осердя, мм²;

К_м — коефіцієнт заповнення вікна міддю (К_м = 0,27 — 0,35);

δ — густина струму, а/мм² (звичайно δ = 2 — 3 а/мм²);

І₀ — випрямлений струм, а.

Приймаючи К_м = 0,3 і δ = 2 а/мм², відповідно до формули (30) дістанемо

Знаходимо діаметр проводу обмотки дроселя

Діаметр проводу типу ПЭВ-1 з ізоляцією становить

Визначаємо переріз осердя дроселів

(31)

де S —у квадратних сантиметрах;

L_ф — у генрі;

І₀ —в амперах;

В —магнітна індукція осердя, тл.

Оптимальна величина магнітної індукції 5 близько 0,8 — 0,9 тл.

Для нашого прикладу

Товщина набору осердя кожного дроселя

Для уникнення насичення осердя випрямленим струмом І_с треба, щоб намагнічуючі ампер-витки обмотки витрачалися на подолання магнітного опору повітряного зазора, який спеціально роблять між ярмом і осердям. Враховуючи, що магнітний потік двічі проходить крізь повітряний зазор, фактична товщина немагнітної прокладки в зазорі становить (l — потрібна довжина повітряного зазора).

Формула для визначення товщини прокладки має вигляд:

(32)

де І₀ —в амперах;

В — у теслах;

L — у сантиметрах.

Отже,

Приймаємо = 0,2 мм.

Визначаємо активний опір обмотки дроселя. Перед цим підраховуємо середню довжину витка обмотки за формулою.

(33)

Опір дроселя

(34)

де l_в — у сантиметрах;

d_із — у міліметрах;

R_др — в омах.

Підставляючи у формулу (13-59) значення W, l і d_i3, дістанемо

^: Для двох послідовно з'єднаних дроселів активний опір становить

Знаходимо спад напруги на активному опорі дроселів

Такий порівняно незначний спад напруги можна вважати цілком задовільним.

4. Складаємо принципову схему розрахованого випрямляча.

Комплектуючи схему деталями, треба в першу чергу виходити з

даних електричного розрахунку.

Зміст звіту

1. Мета роботи

2. Короткі теоретичні відомості

3. Вихідні дані для розрахунку випрямлячів

4. Порядок розрахунку випрямлячів

5. Висновки