СОДЕРЖАНИЕ
Введение …………………………………………………………………. 4
1. Расчет выпрямителя на активную промышленную нагрузку …….. 5
1.1 Выбор рациональной схемы выпрямителя ……………………... 5
1.2 Расчет качественных показателей выпрямителя ………………. 6
2. Расчет выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку
электрических аппаратов ……………………………………………… 8
3. Особенности работы и расчет выпрямителя на емкостной
накопитель энергии ……………………………………………………. 11
4. Расчет выпрямителя с учетом явления коммутации ……………… 14
5. Расчет управляемого выпрямителя в режиме стабилизации
выходного напряжения ………………………………………………... 16
6. Определение энергетических показателей выпрямителя при
различных характерах нагрузки ……………………………………… 20
7. Схематическое моделирование выпрямителя с помощью
программных средств ………………………………………………….. 26
8. Разработка принципиальной схемы управляемого выпрямителя
для электропривода постоянного тока ……………………………… 30
Приложение А ………………………………………………………...... 33
Приложение Б …………………………………………………………... 34
Приложение В ………………………………………………………….. 35
Приложение Г …………………………………………………………... 36
Приложение Д ………………………………………………………….. 37
Заключение ……………………………………………………………… 38
Список литературы …………………………………………………….. 39
Введение
Энергия, содержащаяся в природных источниках (каменный уголь, вода и т.п.) является первичной, а устройства, преобразующие её в энергию электрическую, называются источниками первичного электропитания (ИПЭ). Непосредственное использование ИПЭ затруднено тем, что их выходное напряжение в большинстве случаев стандартное переменное. Между тем почти половина электроэнергии потребляемой в нашей стране потребляется в виде постоянного напряжения различных значений или тока нестандартной частоты. Потребителями могут служить: электропривод (активно-индуктивная нагрузка), лампы, нагревательные устройства (активная нагрузка), сварочные аппараты, технологические установки (активно-емкостная нагрузка) и т.д.
Питание подобных потребителей осуществляется от источников вторичного электропитания (ИВЭ). ИВЭ – это устройства, предназначенные для преобразования электроэнергии ИПЭ до вида и качества, обеспечивающих нормальное функционирование питаемых им потребителей. В состав ИВЭ, в соответствии с рисунком 1, кроме самого устройства ИВЭ могут входить дополнительные устройства.
В данной работе подлежит разработке и расчёту полная принципиальная схема, а также моделирование электрических режимов силовой части электропитающего устройства с помощью программного пакета EWB.
1. Расчет выпрямителя на активную промышленную нагрузку
Рассчитать неуправляемый выпрямитель с активной нагрузкой (без потери напряжения в фазах выпрямителя), если известны среднее значение выпрямленного напряжения и тока: U0 = 60 В, I0 = 30 А.
Требуется:
1. Определить рациональный тип схемы выпрямителя. Вычертить принципиальную и эквивалентную схемы этого выпрямителя.
2. Вычислить частоту fП(1) и коэффициент пульсаций kП(1) выпрямленного напряжения u0 по основной гармонике; величину сопротивления R0 нагрузки и её мощность P0, среднее Iпр.v и эффективное Iэфф.v значения прямого тока вентиля, действующие значения фазных ЭДС E2 и тока I2 вентильных обмоток трансформатора.
3. Вычертить, соблюдая масштаб по оси ординат и по оси абсцисс (-π/2≤ωt≤5π/2), кривые мгновенных значений: фазных ЭДС e2, выпрямленного напряжения u0 (отметить уровень U0) и обратного напряжения uобр.v на вентиле (отметить уровень Umax.v), а также тока i2 вентильной обмотки трансформатора (отметить уровень I2) и прямого тока iпр.v вентиля (отметить уровни Iпр.v и Iэфф.v).
1.1 Выбор рациональной схемы выпрямителя
Для определения типа схемы выпрямителя рассчитаем мощность, потребляемую в нагрузке:
P0 = U0·I0 , (1.1)
P0 = 60·30 = 1800 Вт
В результате наиболее рациональным типом выбираем однофазную мостовую схему выпрямителя, в соответствии с рисунком 1.1.
Рисунок 1.1 - Принципиальная схема однофазного мостового выпрямителя
Учитывая, что в фазах нет потерь, то пороговое напряжение, динамическое сопротивление прямой ветви ВАХ диода, а также индуктивность рассеяния и активное сопротивление обмоток трансформатора принимаем равным нулю: Uпор.v = 0, Rg.v = 0, Ls = 0, RT + p Rg.v. Тогда принципиальная схема примет вид в соответствии с рисунком 1.2:
Рисунок 1.2 - Эквивалентная схема однофазного мостового
выпрямителя с учетом допущений
1.2 Расчет качественных показателей выпрямителя
Вычисляем частоту пульсаций fП(1) по формуле:
fП(1) = m2·p·f1 , (1.2)
где m2 – число фаз вторичной обмотки преобразовательного
трансформатора, m2 = 1;
p – тактность выпрямителя, p = 2;
f1 – частота питающей сети, f1 = 50 Гц.
fП(1) = 1·2·50 = 100 Гц.
Вычисляем коэффициент пульсаций kП(1) по формуле:
kП(1) = , (1.3)
kП(1) = 0,667.
Вычисляем величину сопротивления R0 нагрузки по закону Ома:
R0 = , (1.4)
R0 = 60 / 30 = 2 Ом.
Вычисляем среднее значение прямого тока Iср.v вентиля по формуле [1]:
Iср.v = , (1.5)
Iср.v = 30 / 1·2 = 15 А.
Вычисляем эффективное значение прямого тока вентиля Iэфф.v по формуле [1]:
Iэфф.v = kф.v ·Iср.v , (1.6)
где kф.v – коэффициент формы кривой тока вентиля,
kф.v = 1,57 - принимаем в зависимости от схемы
выпрямителя, [1,18].
Iэфф.v = 1,57 ·15 = 23,55 А.
Вычисляем действующее значение фазных ЭДС E2 и тока I2 по формулам [1,18]:
E2 = 1,11·U0 , (1.7)
I2 = 1,11·I0, (1.8)
E2 = 1,11·60 = 66,61 В, I2 = 1,11·30 = 33,3 А.
Вычисляем максимальное обратное напряжение на вентиле по формуле [1,18]:
Umax.v = , (1.8)
Umax.v = = 94,2 В.
Графики зависимостей e2(wt), u0(wt), i2(wt), iVD1(wt) приведены в приложении А.
электрических аппаратов
Схема выпрямителя (без потерь напряжения в фазах выпрямителя), значение фазных ЭДС E2 и величина активного сопротивления R0 нагрузки сохранились такими же, как и в пункте 1.2. Индуктивное сопротивление нагрузки XL = m2·p·ω·L0 на частоте m2·p·ω = m2·p·2π·f1 пульсаций основной гармоники в n = 3 раза больше величины сопротивления R0.
1. Вычертить эквивалентную схему выпрямителя без потерь в фазах выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой.
2. Вычислить среднее значение напряжения U0 и тока I0 нагрузки, коэффициент пульсаций kП(1) на нагрузке, среднее Iср.v и эффективное Iэфф.v значения прямого тока вентиля, действующее значение I2 тока i2 вентильной обмотки преобразовательного трансформатора.
3. Для значений фазового угла (-π/2≤ωt≤π/2) вычислить (для девяти значений ωt) вынужденную и свободную составляющие тока и полный ток i0, а также мгновенное значение напряжения u0 на нагрузке R0.
4. Вычертить (соблюдая масштаб, принятый в задании №1) кривые мгновенных значений фазных ЭДС e2, выпрямленного напряжения u0 (отметить уровень U0), токов i0 , i0,в , i0,св (отметить уровень I0), тока i2 вентильной обмотки (отметить уровень I2).
Рисунок 2.1 - Эквивалентная схема однофазного мостового
выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке
Расчет качественных показателей выпрямителя
Вычисляем индуктивное сопротивление нагрузки XL, которое в n=3 раза больше величины сопротивления R0 , по формуле:
L0 = , (2.1)
где ω – круговая частота, ω = 2π·f1, с-1.
L0 = = 9,55·10-3 Гн.
Вычисляем величину выпрямленного действующего значения U0/ по формуле:
U0/ = , (2.2)
U0/ = = 60 В.
Так как среднее значение ЭДС eL индуктивности L0 за период равно нулю, то среднее значение напряжения на выходе фильтра и нагрузке практически одинаковы, т.е. U0 = U0/ = 60 В.
По закону Ома вычислим значение тока I0 :
I0 = = 30 А.
Вычисляем коэффициент пульсаций kП(1) на нагрузке R0 по формуле [1,22]:
kП(1) = , (2.3)
kП(1) = = 0,211.
Вычисляем среднее значение прямого тока вентиля по формуле (1.5):
Iср.v = ,
Вычисляем эффективное значение прямого тока вентиля Iэфф.v по формуле (1.6):
Iэфф.v = kф.v ·Iср.v ,
где kф.v = ;
Iэфф.v = ·15 = 21,21 А.
Вычисляем действующее значение тока I2 вентильной обмотки преобразовательного трансформатора по формуле [1,22]:
I2 = ·I0 , (2.4)
I2 = ·30 = 42,43 А.
Вычисляем вынужденную i0,в и свободную i0,св составляющие и полный ток i0 для значений угла -π/2≤ω≤π/2 по формуле [1,20]:
i0 = i0,в + i0,св =, (2.5)
где E2m – амплитудное значение фазной ЭДС E2, E2m = ·E2, В;
φ = - arctg() = - arctg() ≈ 56,30 .
Результаты вычислений заносим в таблицу 1.
Таблица 1 - Результаты вычислений
ωt
-π/2
-π/3
-π/6
0
π/6
π/3
π/2
i0,в
-21,74
-11,58
1,69
14,49
23,42
26,07
21,74
i0,св
49,58
34,98
24,68
17,41
12,28
8,66
6,11
i0
27,84
23,4
26,37
31,9
35,7
34,73
27,85
u0
55,7
46,8
52,74
63,8
71,4
69,46
Значения мгновенных напряжений u0 определяем по закону Ома, т.е. u0 = i0·R0 .
Графики зависимостей e2(wt), u0(wt), U0, i2(wt), i0,в(wt), i0,св(wt), i0(wt), приведены в приложении Б.
накопитель энергии
Схема выпрямителя, среднее значение выпрямленного напряжения U0 и тока I0 остались такими же, как и в пункте 1.2, но параллельно с сопротивлением R0 нагрузки включен конденсатор C0. В фазах выпрямления имеются сопротивления активных потерь RП = RТР +p·RДV (RТР – омическое сопротивление обмоток трансформатора, RДV – динамическое сопротивление вентиля), величина которых в k = 15 раз меньше сопротивления R0 на нагрузке. Коэффициент пульсации kП(1) на нагрузке и частота питающей сети f1 такие же, как в пункте 2.1.
1. Вычертить эквивалентную схему выпрямителя (с активным сопротивлением потерь в фазах) с активно-емкостной нагрузкой.
2. Вычислить действующие значения фазных ЭДС E2 и тока I2 вентильной обмотки трансформатора; емкость конденсатора C0, среднее Iср.v и эффективное Iэфф.v значения прямого тока вентиля.
3. Вычертить (соблюдая масштаб, принятый в задании №1) кривые мгновенных значений фазных ЭДС e2 (отметить уровень U0 и значение двойного угла 2θ отсечки), тока i2 вентильной обмотки (отметить уровень I2) и прямого тока iпр.v вентиля (отметить уровень Iэфф.v и Iср.v).
Рисунок 3.1 - Эквивалентная схема однофазного мостового
выпрямителя при активно-емкостной нагрузке
При расчете принимаем коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения kП(1) = 0. Расчет ведется с помощью вспомогательных коэффициентов: A(θ), B(θ), D(θ), F(θ), H(θ).
Коэффициент A(θ) определяем по формуле [1,23]:
A(θ) = π·, (3.1)
где RП = R0/k – сопротивление потерь.
A(θ) = 3,14·= 0,105
По таблице [1,23] определяем оставшиеся коэффициенты:
B(θ) = 0,88; D(θ) = 2,45; F(θ) = 7,51; H(θ) = 8700; угол θ = 36,50.
Вычисляем действующее значение фазных ЭДС E2 по формуле [1,24]:
E2 = B(θ)·U0, (3.2)
E2 = 0,88·60 = 52,8 В.
Вычисляем действующее значение тока I2 по формуле:
I2 = · D(θ)·Iср.v, (3.3)
где Iср.v = = 15 А.
I2 = · 2,45·15 = 51,79 А.
Вычисляем емкость конденсатора C0 по формуле:
C0 = (мкФ), (3.4)
C0 = = 6184,83 мкФ
Эффективный ток вентиля определяем по формуле:
Iэфф.v = kф.v·Iср.v = D(θ)· Iср.v, (3.5)
Iэфф.v = 2,45·15 = 36,75 А.
Графики зависимостей e2(wt), u0(wt), U0, i2(wt), iпр.v(wt), Iэфф.v, Iср.v приведены в приложении В.
4. Расчет выпрямителя с учетом явления коммутации
Схема выпрямителя, активно-индуктивная нагрузка, значение фазной ЭДС E2, величина тока I0 нагрузки, частота сети f1 остались такими же, как в пункте 2.1, но преобразовательный трансформатор имеет индуктивность рассеивания LS, за счет которой выпрямленное напряжение U0γ снижается на ℓ = 5% от напряжения идеального выпрямителя.
1. Вычертить эквивалентную схему выпрямителя с коммутационными потерями в фазах выпрямителя при индуктивной реакции нагрузки.
2. Вычислить угол коммутации γ, среднее значение выпрямленного U0γ напряжения, действующее значение тока I2γ, вентильной обмотки трансформатора, среднее Iпр.v и эффективное Iэфф.v значения прямого тока вентиля.
3. Вычертить (соблюдая масштаб, принятый в задании №1) кривые мгновенных значений фазных ЭДС e2, напряжения u0γ на выходе вентильного устройства (отметить уровень U0γ и угол γ), тока i2 вентильной обмотки (отметить уровень I2γ, значение угла γ, и угол проводимости вентиля).
Рисунок 4.1 - Эквивалентная схема однофазного мостового
Страницы: 1, 2
