Расчет выпрямительного устройства

 

 

 

 

 

 

 

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРА

 

При разработке конструкции трансформатора особое внимание следует обратить на вид сети, от которой питается выпрямитель, а также на его мощности. В том случае, если трансформатор выпрямителя питается от однофазной сети (Uc=220 В) с мощностью в нагрузке 1-100 ВА при напряжениях Ud < 1 кВ, то предпочтение следует отдать броневому  типу магнитопровода  (рис. 4, б). Уступая стержневым (рис. 4, а) по удельной мощности на единицу массы и объема, броневые трансформаторы имеют одну катушку, что существенно упрощает конструкцию.

При мощностях от нескольких десятков до нескольких сотен ВА лучшие результаты обеспечивают стержневые магнитопроводы. Стержневые трансформаторы имеют две катушки, разнесенные по стержням. Достоинствами стержневого трансформатора являются:

- малая индуктивность рассеяния  вследствие размещения половинного  числа витков на каждой катушке  и меньшей толщины намотки;

- меньший расход обмоточного  провода, чем у броневого трансформатора, так как меньше средняя длина витка обмотки;

- значительно меньшая, чем в  броневом трансформаторе, чувствительность  к внешним магнитным полям, так  как знаки ЭДС помех в обеих  катушках трансформатора противоположны  и взаимно уничтожаются.

а)                                                          б)

 

Рис. 4. Конструкции однофазных магнитопроводов:

а) - стержневые ленточные ПЛ, ПЛМ;

б) - броневые ленточные ШЛ, ШЛМ

 

 

 

 а)                                                                 б)

 

 

Рис. 5. Конструкции трехфазных магнитопроводов:

а) - пластинчатые ТП; б) - ленточные ТЛ

При питании выпрямителей от трехфазной сети (Uc = 380/220 B) используют трехфазные трансформаторы, у которых катушки расположены на каждом из трех стержней. Для изготовления таких трансформаторов используют магнитопроводы пластинчатого и ленточного типа,  как показано на рис. 5.

Для трансформаторов разработан унифицированный ряд магнитопроводов ленточного типа для мощностей менее 1 кВт. Основываясь на вышеизложенном с учетом обеспечения желаемых технических показателей, выбирается тип магнитопровода по табл. 4. Данные приведены для стали Э411, толщина стали D =0.35 мм.

 

Таблица 4

 

Магнитопровод	Параметры		Суммарная мощность вторичной обмотки Рd, ВА
			150...300	300...1000	1000...2500
Броневой
ШЛ	Вm*, Тл		1,65	1,65	-
ШЛМ	j, А/мм2		2,4-2,3	2,7-1,8	-
	kо	Ud< 100,В	0,32-0,34	0,34-0,38	-
		Ud= 10 2 ..103,В	0,27-0,3	0,3 - 0,33	-
Стержневой
ПЛ	Bm* , Тл		1,6	1,6	1,6
ПЛМ	j, А/мм2		3,0-2,4	2,4-1,7	1,7-1,4
ТЛ	Kо	Ud< 100,В	0,29-0,3	0,7-0,35	0,35
		Ud= 10 2 ..103,В	0,25-0,3	0,3	0,3

 

• - значения магнитной индукции Bm, указанные в таблице, являются максимально допустимыми и при проведении расчета их следует уменьшать.

 

Для выбранного типа магнитопровода трансформатора из табл. 4 определяются значения магнитной индукции Bm; плотности тока в обмотках j; коэффициента заполнения окна магнитопровода ko. Далее из табл. 5 для выбранной изоляции берется значение коэффициента заполнения сталью магнитопровода kc.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

 

Конструкция магниторовода	Изоляция пластин или ленты	Коэффициент заполнения магнитопровода kс при толщине стали D =0.35 мм
Пластинчатая	Лак Фосфатная пленка	0.9 0.94
Ленточная	Лак, эмаль	0.93

 

Разработанное конструктивное решение трансформатора устанавливает число стержней S, на которых расположены обмотки, а способы расположения первичной и вторичной обмоток на стержнях определяют значения коэффициента Kd. При S=2 витки вторичной обмотки расположены на двух стержнях трансформатора и катушки соединены последовательны, в этом случае для мостовых схем Kd= 0,5, а во всех остальных случаях Kd= 1.

После завершения разработки конструкции трансформатора все результаты следует свести в табл. 6.

Таблица 6

 

Тип и материал магнитопровода	Bm, Тл	j, А/мм2	ko	kc	S	Kd
Броневой	1,65	2,27	0,34	0,9	2	0,5

 

Сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к фазе вторичной обмотки RT, и индуктивность рассеяния обмоток LS, вычисляются по следующим формулам:

=8,63 [ Ом ]                              ( 7 )

 

=0,027 [ Гн ],                    ( 8 )

 

где kR и kL - коэффициенты, зависящие от схемы выпрямления, значения которых определены в табл. 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

5. ВЫЧЕСЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

 

Расчет напряжения холостого хода выпрямителя Uox производится по формуле:

     Uox = Ud + Id (K1× RT + K2 ×2×p×fc× Ls) + K3× N× Uпр + UD,  [ В ],            ( 9 )

где K1,  K2 и K3 - коэффициенты, значения которых  для выбранной схемы выпрямления берутся из табл. 8,

     UD - падение напряжения на дросселе фильтра.

      Uox = - 48+12(8,63+2*2*П*50*0,027)+1*1*1,35+4,2=69,45 [В]

Значение постоянного прямого напряжения на вентилях Uпр следует брать из табл. 6.

В связи с тем, что на данном этапе расчета невозможно точно определить падение  напряжение на дросселе сглаживающего фильтра, следует вычислить его ориентировочное значение в зависимости от величины Pd = Ud× Id  по формуле

                  UD = K4× Ud ,  [ B ],                                                    ( 8.10)

где K4  - коэффициент,  значения которого берутся из табл. 7.

UD = 0,07*(-48)=-3,36

 

 

 

 

 

 

Таблица 7

Ориентировочные значения коэффициента K4

 

Значения Рd, Вт	К4  ( для fс = 50 Гц )
10...   30	0.2  ...0.14
30...  100	0.14 ...0.1
100...  300	0.1  ...0.07
300... 1000	0.07 ...0.05
1000... 3000	0.05 ...0.035
3000...10000	0.035...0.025
10000...30000	0.025...0.018

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 8

Сводная таблица коэффициентов для расчета

 

Коэффициенты	Схемы выпрямителей
	Однофазная со средней точкой (рис.8.2, а)	Однофазная мостовая     (рис.8.2, б)	Трехфазная со средней точкой (рис.8.2, в)	Трехфазная мостовая (рис.8.2, г)
kR	7	5.2	6.6	7.5
kL	5.5×10-3	6.4×10-3	3.3×10-3	1×10-3
K 1	1	1	1	2
K 2	2	2	3	6
K 3	1	2	1	2
K 5	3.14	1.57	2.1	1.05

 

По найденному значению Uох уточняем величину обратного напряжения на диоде для выбранной схемы выпрямления по формуле Uобр.max = К5 ×Uох , в которой значение К5 определяется из табл. 8, и проверяем правильность выбора типа вентиля. В том случае, если уточненное значение обратного напряжения будет превосходить допустимое на вентиле, то следует воспользоваться рекомендациями, изложенными в разд. 1. и провести уточнение в расчетах. Результаты проведенных вычислений следует занести в табл. 9.

U обр. Max = 3,14* 69, 45=218

Таблица 9

 

Рассчитываемые величины	RT  , Ом	LS , Гн	Uох , В
Результаты вычислений	8,63	0,03	218

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. ПРОВЕДЕНИЕ РАСЧЕТА СГЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА

 

Расчет сглаживающего фильтра следует начинать с определения коэффициента сглаживания qф из соотношения:

=1,4                                              ( 11 )

в котором k’п и kп  - соответственно коэффициенты пульсаций на входе и выходе сглаживающего фильтра для основной гармоники пульсаций; U’m(1) ,Um(1)- амплитуды основной гармоники пульсаций на входе и выходе фильтра, соответственно; U’d ,Ud - постоянные составляющие напряжения на входе и выходе фильтра, соответственно.

Значение kп для вычисления коэффициента сглаживания qф берется из задания (см. табл. 1), а значение k’п определяется из графиков, приведенных на рис. 6 для предварительно рассчитанного значения угла коммутации g из выражения:

 

                     1 - cos g = 2 Id× m ×fc× Ls / Uox                                  ( 12 )

 

1-cos g =2*12*2*50*0,027/ 69,45=0,93

 

 

 

 

Рис. 6.  Зависимость коэффициента пульсации k’п  от угла коммутации g

 

0,9

0,8

0,7

к'п 0,6

0,5

0,4

0,3

0,1

0

   0   20   40   60

          град

 

 

              к'n m=6   к'n m=3   к'n m=2

 

Расчет однозвенного сглаживающего фильтра следует начинать с определения минимально допустимой индуктивности дросселя фильтра для создания индуктивной реакции цепи из фильтра и нагрузки, что обеспечивает непрерывный ток нагрузки, по формуле:

 

Ldmin= ,  [ Гн ] ( 16 )

Ldmin= = 0,0106,  [ Гн ]

 

 Значение емкости фильтра вычисляется по выражению :             (17)

              C=      , [Ф]

              C=    = 0,0069 , [Ф]

 

По вычисленному значению емкости конденсатора С подбирается стандартное его значение (наиболее близкое к рассчитанному в сторону уменьшения). В том случае, если одним конденсатором невозможно подобрать нужное значение емкости, то ставятся несколько подключенных параллельно.

После выбора значения емкости  конденсатора С следует уточнить значение индуктивности дросселя Ld:

  Ld=        =0,0106                                                (18)

Максимальное напряжение на конденсаторе сглаживающего фильтра определяем по формуле

Ucm=Ud(  1+  )=42 [B]                                   (19)

в которой DUcm - величина перенапряжения на конденсаторе. Перенапряжения на конденсаторе возникают в моменты включения выпрямителя или в моменты резкого изменения тока нагрузки за счет колебательных процессов в цепи фильтра и нагрузки. Величина перенапряжения на конденсаторе фильтра определяется отношением коэффициента затухания aф к собственной частоте wф в цепи образованной фильтром и сопротивлением нагрузки. Коэффициента затухания aф находится по следующей формуле:

               aф   =     *(   +      )    (20)

              aф   =     *(   +    )  = 35,28

 

собственная частота фильтра

wф=                                                               (21)

wф=    =117,6 

По величине найденного отношения аф/wф на рис. 8 находим величину относительного перенапряжения Q для двух случаев.

1. Для момента включения выпрямителя:

в этом случае в выражение (20) вместо In подставляется значение номинального тока Id и по величине отношения аф/wф находим значение Q по кривой I на рис. 8, а из выражения

DU'cm= Q×  Ud                                                      (22)

DU'cm=0,3*(-48)=-14,4

определяем значение  перенапряжения на конденсаторе сглаживающего фильтра DU'cm при включении выпрямителя.

2. Для момента изменения тока нагрузки от номинального Id до Id1. При расчетах величину тока Id1 обычно берут равной одной сотой от номинального, если его значение не оговорено отдельно. При этом вместо In в формулу (21) необходимо подставить значение Id1 и по отношению аф/wф найти значение Q по кривой 2 на рис. 8 и из выражения

DU”cm'=  Q*(Id-Id1)  *  √ =12                                                     (23)