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.
Внешнее управление
Устройство управления и контроля
Источник вторичного электропитания
Устройство защиты и коммутации
ИПЭ
Нагрузка
Сигналы защиты и коммуникации
Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема ИВЭ.
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 схемывыпрямителя. Вычертить принципиальную и эквивалентную схемы этого выпрямителя.
2. Вычислить частоту fП(1)и коэффициент пульсаций kП(1)выпрямленного напряжения u0по основной гармонике; величину сопротивления R0нагрузки и её мощность P0, среднее Iпр.vи эффективное Iэфф.v значения прямого тока вентиля, действующие значения фазных ЭДС E2и тока I2вентильных обмоток трансформатора.
3. Вычертить, соблюдаямасштаб по оси ординат и по оси абсцисс (-π/2≤ωt≤5π/2), кривыемгновенных значений: фазных ЭДС e2, выпрямленного напряжения u0(отметить уровень U0) и обратного напряжения uобр.vна вентиле (отметить уровень Umax.v), а также тока i2вентильной обмотки трансформатора (отметить уровень I2) и прямого тока iпр.vвентиля (отметить уровни Iпр.vи 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.
VD2
VD3
~U1
~U1
i1
VD4
i0
U0
VD1
i2
R0
Рисунок1.1 — 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+ pRg.v. Тогда принципиальная схема примет вид в соответствии с рисунком 1.2:
i0
U0
R0
VD2ид
VD3ид
VD4ид
e2
VD1ид
~
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 фазахвыпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой.
2. Вычислить среднее значение напряжения U0и тока I0нагрузки, коэффициент пульсаций kП(1) на нагрузке, среднее Iср.v и эффективное Iэфф.v значения прямого тока вентиля, действующее значение I2тока 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 i2вентильной обмотки (отметить уровень I2).
VD2ид
VD3ид
VD4ид
e2
VD1ид
i0
U0/
R0
L0
~
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=
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(6,30.
Результаты вычислений заносим в таблицу 1.
Таблица1 — Результаты вычислений
ωt
-π/2
-π/3
-π/6
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
55,7
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 приложенииБ.
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 нанагрузке. 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 активнымсопротивлением 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 U0и значение двойного угла 2θ отсечки), тока i2вентильной обмотки (отметить уровень I2) и прямого тока iпр.v вентиля (отметить уровень Iэфф.vи Iср.v).
i0
U0
R0
VD2ид
VD3ид
VD4ид
e2
VD1ид
С0
~
Rп