Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЭПУ Контрольная работа №1 Вариант 48

.pdf
Скачиваний:
21
Добавлен:
01.04.2014
Размер:
205.89 Кб
Скачать

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ВАРИАНТ 48

1. РАСЧЁТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ И ФИЛЬТРА

Исходные данные:

 

 

Параметры сети и выпрямителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

постоянная составляющая напряжения на нагрузке

 

U0=25 В

 

 

максимальный ток нагрузки

 

 

 

I0=1.8 А

 

 

 

 

минимальный ток нагрузки

 

 

 

I0 мин=0.1 А

 

 

 

 

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

Iн

Lф

Rн

+

Uн

Рис. 2. Схема фильтра и выпрямителя

1.2 Максимальное значение выпрямленного напряжения равно: U0макс = U0 (1+ αмакс ) = 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 = 43.2 (В), Iпр. ср = 0.5× I0 = 0.5×1.8 = 0.9 (А),

Iпр = 0.707 × I0 = 0.707 ×1.8 = 1.27 (А),

Sтр = 1.11× Р0 = 1.11× 45 = 50.0 (ВА).

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, j=3.25 A/мм2, В=1.22 Тл.

Тогда активное сопротивление rтр и индуктивность рассеяния Ls обмоток трансформатора рассчитаем по формулам (1.1) и (1.2):

rтр

= 2.35

U0 j

 

4

fc Bj

= 2.45

(Ом),

I0fc B

 

Sтр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ls

= 2

U

0

×103

4

 

Sтр j

= 582

×106 (мГн).

I0fc B

 

fcB

 

 

 

 

 

 

 

Реактивное сопротивление обмотки трансформатора равно xтр = 2πfcLs = 0.183 (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

x

ö

 

 

 

= 33.3 (В).

U

 

= U

 

+ I ç r

+

2

 

тр

÷ + U

 

N

 

0x.x

0

 

 

 

пр

1

 

 

0

ç

тр

 

2p

÷

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

ø

 

 

 

 

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 = 370. (В),

I2 = I0 = 1.8 (А),

 

kтр

= w1 =

 

U1

= 5.94,

 

 

 

w2

 

U2

(А),

I1 = I0 / kтр

= 0.303

S1 = 1.11P0

= 50.0

(ВА),

S2

= 1.11P0

= 50.0

(ВА),

Sтр

= S1 + S2 = 50.0 (ВА).

 

2

 

 

 

 

1.6 Определяем напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном

напряжении сети U0x.x.макс

U0x.x.макс = U0x.x (1+ aмакс ) = 36.7 (В).

Уточним величину максимального обратного напряжения: Uобр макс = 1.57× U0x.x.макс = 1.57 × 36.7 = 57.6 (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 g =

I0mxтр

.

 

 

 

 

 

 

pU0x.x

 

 

 

æ

 

I0mxтр

 

ç

-

 

 

 

Отсюда g = arccosç1

pU0x.x

 

è

 

ö

÷ = 6.4o .

÷

ø

С помощью рисунка 4 уточняем величину Кп1=0.69.

1.8. Определим внутреннее сопротивление выпрямителя при изменении тока нагрузки от максимального значения I0 до нуля

r =

U0x.x - U0

= 4.64 (Ом).

 

0

I0

 

 

 

Рис. 4.

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 ) = 7.80 (Вт).

hтр

Общее количество диодов равно N=4. Потери диодов равны:

Рд = Iпр.ср. Uпр N = Iпр.ср. × 2Uпр.ср N = 6.5 (Вт).

Определим КПД выпрямителя

h =

P0

 

 

= 0.759 .

P + P

+ Р

 

 

0 тр

 

д

Как указывалось ранее, для расчёта выбран LC-фильтр.

1.10. Требуемый коэффициент сглаживания равен

q = Kпвх = 345.

 

 

Kпвых

 

 

 

1.11. Определим произведение LC, обеспечивающее требуемый коэффициент

сглаживания

 

 

 

LC = q +1

=

q +1

= 8.76 ×10−4 (Гн ×Ф).

m2w2

m2

(2pfc )2

 

1.12. Для обеспечения индуктивного характера нагрузки выпрямителя (отсутствия перерывов тока в дросселе) индуктивность дросселя должна быть больше (формула 3.4 [2])

Lmin =

2U0

,

(m2 -1)mwI0min

где U0 и I0min значения постоянной составляющей напряжения и тока соответственно

на выходе выпрямителя (заданы в п. 1 работы).

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

Lmin =

2U0

=

U0

= 14.7

×10

−3

(Гн) .

(m2 -1)mwI0min

(m2 -1)mpfcI0min

 

Из приложения П.3.1 [1] выберем дроссель, индуктивность которого не менее

расчётной:

 

Номер дросселя:

Д62

Индуктивность:

L1=0.05 Гн

Ток подмагничивания:

Iп=2.5 А

Сопротивление дросселя:

rд=0.5 А

4. Определяем величину ёмкости конденсатора при выбранном дросселе

С1 >

LC = 17.5×103 (Ф).

 

L1

Данное значение ёмкости значительно, требует использования большой батареи конденсаторов. Поэтому применим трёхзвенный фильтр.

По формуле 3.8 [2] определим произведение

LзвСзв = n q /(mw)2n = nq /(m × 2pfc )2n = 11.8 (Гн × мкф).

Определяем величину ёмкости конденсатора при выбранном дросселе

Сзв

>

LзвCзв = 355×106 (Ф).

 

 

Lзв

Выберем ёмкость конденсатора С1 с запасом по ёмкости С1=600 мкФ.

Произведём оценку перенапряжений при резком изменении тока нагрузки. Максимальное напряжение на конденсаторе LC-фильтра определяется выражением:

 

 

 

 

 

 

 

 

æ

 

 

 

DUCm

ö

 

 

 

 

 

 

 

U

Cm

» U

0

ç1

+

 

 

÷

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

 

U0

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

 

 

ø

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

αф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DUCm

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U0

 

 

= e

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aф

=

 

 

r0

 

+

 

1

 

коэффициент затухания;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2L

 

 

2RнС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r0 внутреннее сопротивление выпрямителя;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

wф

=

 

 

1

 

 

 

 

 

= 237.3 (с1 ) резонансная частота фильтра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопротивление нагрузки равно

 

R

н

=

U0 + 3r

= 15.4

 

 

(Ом).

 

 

 

 

 

 

I0

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент затухания фильтра равен

aф =

 

 

r0

 

 

+

 

 

 

1

 

 

 

 

= 87.0.

 

 

2Lзв

 

 

2RнСзв

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По величине отношения

 

 

aф

=

 

87.0

 

= 0.367

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

wф

237.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и графику (рис. 6) определим величину

DUCm = 0.63. Тогда максимальное напряжение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U0

на конденсаторе LC-фильтра при сбросе нагрузки равно

 

 

 

 

æ

 

ö

 

 

 

U

Cm

» U

0

ç1

+

DUCm

÷

= 40.8

(В).

 

 

 

 

 

ç

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

è

 

U0 ø

 

 

 

Рис. 6

Сравнивая рассчитанные значения UCm = 40.8 (В) и U0x.x.макс = 36.7 (В), с запасом 20% номинальное напряжение конденсатора должно быть не менее 41 В.

Включим в каждое звено фильтра по три параллельно включённых конденсатора К50- 3Б-50В-200мкФ.

2. РАСЧЁТ СТАБИЛИЗАТОРА

Исходные данные:

Параметры стабилизатора

величина выходного напряжения

Uвых=10 В

диапазон температур окружающей среды θокр. минθокр. 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:

Iн. макс

=

 

 

I0

 

= 18 ×10−3

(A),

 

100

 

 

 

 

 

 

 

Iн. мин

=

 

I0 мин

= 5×10−3

(A).

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 По заданному Uвых выбираем стабилитрон типа Д810 с параметрами:

напряжение стабилизации

Uст1=9.0…10.5 (В),

ток стабилизации

 

Iст1=3.0…26 (мА),

дифференциальное сопротивление

rст1=12 (Ом),

температурный коэффициент

αст1=±0.09 (% /˚С),

максимальная мощность

рст.макс=125 (мВт).

2.3 Уточняем величину выходного напряжения стабилизатора

Uвых

=

Uст1мин + Uст1макс

= 9.75 (В).

 

 

 

 

 

 

 

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

Кст.макс =

U

(1− α

 

− α

 

)

= 33.7 .

(Iвых

 

+ I

 

мин

 

)r

~

 

 

н. макс

 

ст1. мин

ст1

 

Так как полученный максимальный коэффициент меньше заданного, то необходимо применить двухкаскадный стабилизатор.

Примем коэффициент стабилизации одного каскада Кст=10.

2.5 Определяем номинальное, минимальное и максимальное значения входного напряжения стабилизатора.

 

 

 

U

ст1 макс

 

æ

 

ö

 

 

U

 

=

 

ç1

-

Kст

÷

= 17.2

(В),

01

(1- aмин - a~ )

 

 

 

ç

 

÷

 

 

 

 

 

è

 

Kст.макс ø

 

 

U01мин

= U01 (1- aмин )= 15.5 (В),

 

 

U01макс

= U01 (1+ aмакс ) = 18.9 (В).

 

 

2.6 Вычисляем сопротивление гасящего резистора Rг1 из выражения

Rг1 =

U01

(1− αмин

− α~ )− Uст1 макс

= 211 (Ом).

 

(Iн. макс

 

 

 

+ Iст1. мин )

Примем

Rг1 = 210 (Ом).

2.7 Определяем максимальное значение и уточняем минимальное значение токов через стабилитрон.

Тогда

Iст1 макс

=

 

U01макс

- Uст1 мин

- Iн. мин

= 42.1×10−3

(А),

 

 

 

 

 

 

 

 

Rг1

 

 

Iст1 мин

=

U01мин

- Uст1 макс

- Iн. макс

= 5.6 ×10−3

(А).

 

 

 

 

 

 

Rг1

 

 

Предельное значение тока для выбранного стабилитрона равно 26 мА, что меньше полученного значения. Поэтому увеличим RГ1 до 700 Ом и пересчитаем максимальное и

минимальное значения токов через стабилитрон

Iст1

макс

=

 

U01макс

 

- Uст1 мин

- Iн. мин

= 9.1×10−3 (А),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rг1

 

 

 

 

 

Iст1

мин

=

 

U01мин

- Uст1 макс

- Iн. макс

» 0

(А).

 

 

 

Rг1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.8

Определяем максимальную мощность, рассеиваемую стабилитроном

P

 

 

= I

ст1макс

× U

ст1макс

= 96 ×10−3

(Вт).

VD1 макс

 

 

 

 

 

 

 

Значение этой мощности не превышает предельного значения, указанного в справочнике.

2.9 Находим переменную составляющую выходного напряжения и внутреннее сопротивление стабилизатора:

Uвых m1 = α~ Uвых ,

K~

ri=rст1.

где К~=Kст=10 – коэффициент сглаживания пульсаций.

Тогда

Uвых m1

= α~ Uвых

= 2.9 ×10−3 (В),

 

 

 

K~

 

 

ri=rст1=12 (Ом).

 

 

2.10

Определяем номинальный КПД стабилизатора:

h =

 

 

Uвых Iн макс

 

= 0.96.

 

 

æ U - U

ö

01ç R ÷ è Г1 ø

2.11Определяем максимальный ток, потребляемый стабилизатором от выпрямителя,U ç 01 вых ÷

I0 макс

=

U01 макс − Uст1 мин

= 14.1×10−3 (А).

 

 

 

RГ1

3. РАСЧЁТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Исходные данные:

Параметры стабилизатора

напряжение питания

U01=12 В

относительные отклонения напряжения сети

±0.1

выходное напряжение

U2=100 В

ток вторичной обмотки

I2=4 А

частота работы преобразователя

F=80 Гц

КПД

η=0.8

3.1 Определяем максимальное и минимальное значения напряжения питания преобразователя:

U01макс = U01 (1+ αмакс ) = 13.2 (В),

U01мин = U01 (1- aмин ) = 10.8 (В).

3.2 Определяем значение тока коллектора открытого транзистора. Для преобразователей

со средней точкой

IК нас = Uh2I2 (U01 мин - UКЭ нас ),

где UКЭ нас=0.5…1 В для германиевых транзисторов, 2…3 В для кремниевых.

Примем UКЭ нас=2 В.

Тогда

IК нас = Uh2I2 (U01 мин - UКЭ нас )= 45.5 (А).

3.3Определяем максимальное напряжение на закрытом транзисторе преобразователя: UКЭ макс ≈ 2.4U01 макс = 31.7 (В).

3.4По значениям тока IK нас и напряжения UКЭ макс из справочника выбираем транзистор типа КТ8282В и определяем его основные параметры:

IК нас = 50 А,

(В),

UКЭ нас = 0.8

UКЭ0 = 80 (В),

h21Э мин = 100,

h21Э макс = 130,

IК макс = 80 А,

Fh21 = 15 МГц,

РК макс = 120 Вт.

Зададим минимальный коэффициент насыщения транзистора кнас=1.4. Определим ток базы, необходимый для насыщения транзистора:

IБ нас = IК наскнас = 0.7 (А) . h21Э мин

Как только сердечник трансформатора входит в насыщение, индуктивное сопротивление первичной обмотки резко уменьшается, ток коллектора открытого транзистора начинает увеличиваться рабочая точка транзистора входит в активную область. Максимальное значение тока коллектора IК макс зависит от значения тока базы транзистора и коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером. Значение IК макс можно определить из следующего выражения:

IК макс = IК наскнас h21Э макс = 65 (А). h21Э мин

Данное значение является допустимым.

3.5 Определим мощность, рассеиваемую транзистором преобразователя:

РК = 0.5UКЭ нас IК нас + U01 макс IK макс τт Fкд ,

где

1

 

 

 

tт =

= 1.06

×10−8

(с),

2pFh21

 

 

 

 

кд=0.5 – коэффициент динамических потерь.

Тогда

РК = 0.5UКЭ нас IК нас + U01 макс IK макс τт Fкд = 20 (Вт),

т.е. транзистор можно применить без радиатора.

3.6 Определяем напряжение базовых обмоток UБ и значения сопротивлений резисторов

RБ, R1.

Напряжение базовой обмотки выбирается из условия

UБ=(3…5)UБЭнас=2 В.

Определяем значения сопротивлений резисторов RБ, R1:

R Б

=

UБ - UБЭ нас

= 2.1 (Ом),

 

 

 

IБ нас

R1 = R Б U01 мин = 13 (Ом).

URБ