Расчет неуправляемых и управляемых выпрямителей при различных режимах работы

                             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.

2.  Расчет  выпрямителя  на  активно-индуктивную  нагрузку

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.

Требуется:

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 =   ,                                           

       Iср.v = 30 / 1·2 = 15 А.

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

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.

3.    Особенности  работы  и  расчет  выпрямителя  на  емкостной

                             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.

Требуется:

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

            Расчет  качественных  показателей  выпрямителя

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).

Страницы: 1, 2