Расчет неуправляемых и управляемых выпрямителей при различных режимах работы

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 f_П(1) и коэффициент пульсаций k_П(1) выпрямленного напряжения u₀ по основной гармонике; величину сопротивления R₀ нагрузки и её мощность P₀, среднее I_пр.v и эффективное I_эфф.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 u_обр.v на вентиле (отметить уровень U_max.v), а также тока i₂ вентильной обмотки трансформатора (отметить уровень I₂) и прямого  тока i_пр.v вентиля (отметить уровни I_пр.v и I_эфф.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:   U_пор.v = 0,  R_g.v = 0,  L_s = 0,  R_T + p R_g.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  f_П(1)   по  формуле:

                                             f_П(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.

        f_П(1) = 1·2·50 = 100 Гц.

Вычисляем  коэффициент  пульсаций  k_П(1)  по  формуле:

                                        k_П(1) =  ,                                              (1.3)

        k_П(1) =   0,667.

Вычисляем  величину  сопротивления  R₀  нагрузки  по  закону  Ома:

                                               R₀ =  ,                                                      (1.4)

      R₀ = 60 / 30 = 2 Ом.

Вычисляем  среднее  значение  прямого  тока  I_ср.v  вентиля  по  формуле [1]:

                                                 I_ср.v =   ,                                            (1.5)

       I_ср.v = 30 / 1·2 = 15 А.

Вычисляем  эффективное  значение  прямого  тока  вентиля  I_эфф.v  по  формуле [1]:

                                             I_эфф.v = k_ф.v ·I_ср.v  ,                                             (1.6)

где  k_ф.v – коэффициент  формы  кривой  тока  вентиля, 

                 k_ф.v = 1,57 - принимаем  в  зависимости  от  схемы 

                 выпрямителя, [1,18].

       I_эфф.v = 1,57 ·15 = 23,55 А.

                                             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]:

                                          U_max.v = ,                                                     (1.8)

      U_max.v =  = 94,2 В.

Графики   зависимостей   e₂(wt),  u₀(wt),  i₂(wt),  i_VD1(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  X_L = 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  k_П(1)  на нагрузке, среднее I_ср.v  и эффективное I_эфф.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 , i_0,в , i_0,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  X_L,  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  e_L  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  k_П(1)  на  нагрузке  R₀  по  формуле [1,22]:

                     k_П(1) = ,                  (2.3)

k_П(1) =  = 0,211.

Вычисляем  среднее  значение  прямого  тока  вентиля  по  формуле (1.5):

                                                 I_ср.v =   ,                                           

       I_ср.v = 30 / 1·2 = 15 А.

Вычисляем  эффективное  значение  прямого  тока  вентиля  I_эфф.v  по  формуле (1.6):

                                             I_эфф.v = k_ф.v ·I_ср.v  ,                                            

где  k_ф.v = ;

   I_эфф.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  i_0,в  и  свободную  i_0,св  составляющие  и  полный  ток  i₀  для  значений  угла  -π/2≤ω≤π/2  по  формуле [1,20]:

i₀ = i_0,в + i_0,св =,  (2.5)

где  E_2m – амплитудное  значение  фазной  ЭДС  E₂,  E_2m = ·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	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), i_0,в(wt), i_0,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  R_П = R_ТР +p·R_ДV  (R_ТР – омическое  сопротивление  обмоток  трансформатора,  R_ДV – динамическое  сопротивление  вентиля),  величина  которых  в  k  = 15  раз  меньше  сопротивления  R₀  на нагрузке.  Коэффициент  пульсации  k_П(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  I_ср.v  и эффективное I_эфф.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  i_пр.v  вентиля (отметить уровень I_эфф.v и I_ср.v).

 

Рисунок 3.1 - Эквивалентная  схема  однофазного  мостового 

                        выпрямителя  при  активно-емкостной  нагрузке

            Расчет  качественных  показателей  выпрямителя

При  расчете  принимаем  коэффициент  пульсаций  выпрямленного  напряжения   k_П(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  R_П = 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)·I_ср.v,                                     (3.3)

где  I_ср.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:

                                   I_эфф.v = k_ф.v·I_ср.v = D(θ)· I_ср.v,                                (3.5)

I_эфф.v = 2,45·15 = 36,75 А.

Графики   зависимостей  e₂(wt), u₀(wt), U₀, i₂(wt), i_пр.v(wt), I_эфф.v, I_ср.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  L_S,  за  счет  которой  выпрямленное  напряжение  U_0γ  снижается  на  ℓ = 5%  от  напряжения  идеального  выпрямителя.

Требуется:

1.  Вычертить  эквивалентную  схему  выпрямителя  с  коммутационными  потерями  в  фазах  выпрямителя  при  индуктивной  реакции  нагрузки.

2.  Вычислить  угол  коммутации  γ,  среднее  значение  выпрямленного  U_0γ  напряжения,  действующее  значение  тока  I_2γ,  вентильной  обмотки  трансформатора,  среднее  I_пр.v  и  эффективное  I_эфф.v  значения  прямого  тока  вентиля.

3.  Вычертить (соблюдая  масштаб, принятый  в  задании №1)  кривые  мгновенных  значений  фазных  ЭДС  e₂,  напряжения  u_0γ  на  выходе  вентильного  устройства (отметить уровень U_0γ и  угол γ), тока i₂ вентильной обмотки (отметить уровень I_2γ,  значение  угла γ,  и  угол  проводимости  вентиля).

 

Рисунок 4.1 - Эквивалентная  схема  однофазного  мостового

                        выпрямителя  при  активно-индуктивной  нагрузке

            Расчет  качественных  показателей  выпрямителя

Вычислим  угол  коммутации  выпрямителя [1,26]:

                                γ = arcos(1-2·ω·L_s·I₀/E_2m.лин),                                     (4.1)

где  E_2m.лин – амплитуда  межфазного  напряжения  у  вентильных  обмоток,                  

       E_2m.лин = E_2m = E₂ = 94,2 В – для  однофазной  мостовой  схемы;

       L_S – индуктивность  рассеивания.

Для  определения  L_S воспользуемся  уравнением [1,26]:

                               U_0γ = U_0xx – (R_П +ω·L_S)·I₀ ,                             (4.2)

       где  U_0xx = U₀ = 60 В;

                                     ℓ %= %,                                       (4.3)  

Подставляя  формулу (4.3)  в  (4.2),  и  выразив  L_S,  получим:

                                    L_S = ,                                         (4.4)

         L_S =  = 0,001 Гн   или  L_S = 1 мГн.

Определяем  угол  коммутации  γ

         γ = arccos(1-2·2·3,14·50·0,001·30/94,2) = arccos(0,8) ≈ 36,87 эл. град.

       Среднее значение выпрямленного напряжения определяем по формуле (4.3):

                U_0γ = U₀(1-ℓ%/100) = 60·(1-5/100) = 57

Вычисляем  действующее  значение  тока  вентильной  обмотки  трансформатора  I_2γ  по  формуле [1,28]:

                               I_2γ = ,                                   (4.5)

где  = 42,43 А ;

         = 0,988 – определяем  по  таблице [1,28].

              I_2γ = 42,43·0,988 = 41,92 А.

Вычисляем  среднее значение  прямого  тока  I_прγ  вентиля:

                                           I_прγ = ,                                            (4.6)

       I_прγ =  = 14,25 А.

Вычисляем  эффективное  значение  тока  I_эфф.v:

                                               I_эфф.v = ,                                                 (4.7)

I_эфф.v =  = 29,64 А.

Графики   зависимостей  e₂(wt), u_0γ(wt), U_0γ, i₂(wt), I_2γ  приведены   в  приложении Г.

5.  Расчет  управляемого  выпрямителя  в  режиме 

стабилизации   выходного  напряжения

Управляемые  выпрямители  применяются  для  регулирования  и  изменения  электрических  режимов  в  промышленных  электроприемниках  питающихся  от  постоянного  тока.  Например,  исполнительный  двигатель  электропривода  постоянного  тока,  то  путем  изменения  средневыпрямленного  напряжения  регулируется  частота  вращения  ротора.  При  стабилизации  выпрямленного  напряжения  достигается  стабильная  скорость  вращения  двигателя  в  условиях  изменяющейся  механической  нагрузки.

 

Рисунок 5.1 – Структурная  схема  управляемого  выпрямителя

В  схеме  выпрямителя (см. рис.2.1)  диоды  заменены  на  тиристоры  и  введен  нулевой  диод (для  улучшения  свойств  управляемого  выпрямителя).  Путем  изменения  угла  α  включения  тиристоров  выходное  напряжение  управляемого  выпрямителя  должно  поддерживаться  неизменным  на  уровне  0,7·U₀  при  колебаниях  фазной  ЭДС  e₂  от  E_2min = 0,75·E₂  до  E_2max = 1,1·E₂ (значения E₂  и  U₀  сохранились  такими же,  как  в  пункте 2.1).

Требования:

1.  Вычертить эквивалентную схему управляемого выпрямителя (без потерь в фазах выпрямителя) с индуктивной реакцией нагрузки и с нулевым диодом.

2.  Вычислить  минимальное  α_min  и  максимальный  α_max  значения  углов  включения  тиристоров  и  максимальное  значение  коэффициента  k_П(1)  пульсаций  на  выходе  тиристорной  группы.

3.  Построить  регулировочную  характеристику  выпрямителя.

4.  Вычертить (соблюдая  масштаб, принятый  в  задании №1)  кривые  мгновенных  значений  фазных  ЭДС  e₂  и  напряжения  U^/_0α  на  выходе  тиристорной  группы  при  минимальном  E_2min  и  максимальном  E_2max  значениях  фазной  ЭДС (отметить уровень 0,7U₀  и  значения  α_min  и  α_max).

         Рисунок 5.2 – Эквивалентная  схема УВ с активно-индуктивной  нагрузкой

           Расчет  качественных  показателей  выпрямителя

Определим  критический  угол  включения  тиристоров по  формуле [1,35]:

                                           α_кр = ,                                         (5.1)

Подставляя  значения,  получим: 

         α_кр =  = 0  эл. град.

Определим  номинальный угол  включения  тиристоров по формуле [1,35]:

                             U^*_0α = U₀·,                                    (5.2)

где  U^*_0α – выходное  напряжение  управляемого  выпрямителя,

                  U^*_0α = 0,7·U₀  задано  по  условию;

Выразив  угол  включения  тиристоров,  получим:

          α_ном = arcsin(-0,7·2·1+1)+π/2 = -23,58 + 90 = 66,42  эл. град.

 Определим  min  угол  включения  тиристоров.  Так  как  при  α_min  напряжение  тоже  минимальное,  то  U^*_0α = 0,7·U₀/0,75.  Так  как  α_кр = 0,  то  α_min  рассчитываем  по  формуле (5.2):

          α_min = arcsin(-0,7·2·1/0,75+1)+π/2 = -60,07 + 90 = 29,93  эл. град.

Аналогично  α_min  определим  α_max  с  учетом  того,  что  U^*_0α = 0,7·U₀/1,1.

          α_max = arcsin(-0,7·2·1/1,1+1)+π/2 = -15,83 + 90 = 74,17  эл. град.

Определим  максимальный  коэффициент  пульсаций  на  выходе  тиристорной  группы  по  формуле [1,40]:

                       k_П(1) = ·,                          (5.3)

где  α = α_max – соответствующий  максимальной  пульсации  выходного

                        напряжения;

          = · = 1,892

Определим коэффициент пульсаций на  выходе  выпрямителя по формуле:

                      =·,                      (5.4)

где  L₀ – индуктивность  рассеивания, L₀ = 0,002 (см. пункт 4.2);

          =1,892· = 1,602.

Определяем  минимальное  и  максимальное  амплитудные  значения  ЭДС  вентильной  обмотки:

                                      E_{2m min} = ξ_П·E_2m,                                                 (5.5)

                                      E_{2m max} = ξ_М·E_2m,                                                 (5.6)

где  ξ_П  и ξ_М – коэффициенты,  характеризующие  отклонение

                        действующего  значения  фазной  ЭДС  вентильной  обмотки

                        трансформатора  от  номинального  значения  E₂,

                        ξ_М = 1,1  и  ξ_П = 0,75;

       E_{2m min} = 0,75··66,61 = 70,65 В,

       E_{2m max} = 1,1··66,61 = 103,62 В.

Графики   зависимостей  e₂(wt), u_0α(wt)  при  минимальном  E_2min  и  максимальном  E_2max  значениях  фазной  ЭДС, приведены   в  приложении Д.

Регулировочная  характеристика  управляемого  выпрямителя.

По  зависимости  (5.2)  построим  график  регулировочной  характеристики  однофазного  управляемого  выпрямителя.

 

Рисунок 5.3 – Регулировочная  характеристика  однофазного  УВ.

Автоматическая  стабилизация  напряжения  на  заданном  уровне  обеспечивается  за  счет  введения  в  УВ  контура  отрицательной  обратной  связи.  Сигнал  обратной  связи  поступает  с  датчика  напряжения  ДН, с постоянным  передаточным  коэффициентом  k_gн,  и  воспринимается  входным  устройством  системы  управления  СУ. Также  на систему  управления  подается  задающее  напряжение  U_α,  предписывающее  значение  выходного  напряжения  U_0α.  В  условиях  изменения  напряжения  на  вентильной  обмотке  от  U_{2 min} = ξ_П·E_2ном  до  U_{2 max} = ξ_m·E_2ном   выходное  напряжение  должно  поддерживаться  на  уровне  0,7·U₀. 

Входное  устройство СУ формирует  сигнал  рассогласования                      g = U_ос – U_α = k_gн·U_0α –U_α.  Этот  сигнал  поступает  на  преобразующее  устройство,  где  подвергается  интегрированию.  Выходной  сигнал  преобразующего  устройства   обладает  способностью  накапливать  сигнал  рассогласования.  Сигнал  β(t)  поступает  на  вход  системы  импульсно-фазового  управления,  которая  входит  в  состав  СУ,  в  результате  чего  СИФУ  измеряет  угол  задержки  включения  тиристоров  таким  образом,  чтобы  сигнал  рассогласования  g(t)  уменьшался.  Процесс  регулирования  завершается  когда  g(t)  достигает  нулевого  значения,  при  этом  управляющий  сигнал  β(t) остается  постоянным.

 

6. Определение  энергетических  показателей  выпрямителя  при  различных  характерах  нагрузки

Требуется:

1.  Выбрать тип  диода и тиристора  для  схем  выпрямителей  заданий 1, 5.  Определить  пороговое  напряжение  U_пор.v  и  динамическое  сопротивление  R_gv  прямой  ветви  ВАХ  у  выбранных  вентилей.

2.  Вычислить  мощность  потерь  P_пот.v  в  вентилях  за  счет  прохождения  прямого  тока  и  коэффициент  использования   K_2,T  вентильной  обмотки  трансформатора.  Пояснить,  какое  влияние  на  величины  P_пот.v  и  K_2,T  оказывают  тип  схемы  и  характер  нагрузки.

3.  Определить  значение  ЭДС  E₂,  необходимой  для  получения  заданного  напряжения  U₀  при  нагрузочном  токе  I₀  у  реального  выпрямителя  с  активно-индуктивной  нагрузкой.  Выбрать  трансформатор  и  двигатель  постоянного  тока  ДПТ.  Рассчитать  коэффициент  полезного  действия  такого  выпрямителя.

                            Выбор  диодов  и  тиристоров

Диоды  и  тиристоры  выбираются  по  допустимому  прямому тока  I_пр.доп  и  амплитудному  обратному  напряжению  U_обр.max.

                               I_пр.доп ≥ I_ср.v / K_I                                                          (6.1)

                               U_обр.max ≥ U_max.v / K_U

где  K_I, K_U – коэффициенты  использования  вентиля,  K_I = K_U = (0,7÷0,8).

Вычислим  значения   I_ср.v / K_I  и  U_max.v / K_U  для  выбора  диодов,  в  которых  I_ср.v = 15 А  и  U_max.v = 94,2 В  для  заданий 1-4.  Значения  коэффициентов  использования  примем   равным  K_I = K_U = 0,75.

          

            I_ср.v / K_I =  15/0,75 = 20 А,

           U_max.v / K_U = 94,2/0,75 = 125,6 В.

По  найденным  значениям  выбираем  силовой  диод  типа  ВК2-25 (Д212-25-200).  Параметры  выбранного  диода  приведены  в  таблице 2 [1,103].

Таблица 2 – Основные  параметры  силового  вентиля  ВК2-25

Среднее  значение  номинального  тока  Iном, А	Номинальное  напряжение  Uном, В	Прямое  падение  напряжения  ∆U,  В	Обратный  ток  при  Umax,  мА	Значение интеграла , А2с  при Tp-n=1400C  t=10 мс
25	200	0,5	5	2320

Аналогично  вычисляем  значения    I_ср.vs / K_I   и   U_max.vs / K_U   для   выбора  тиристоров,   в   которых   I_ср.vs = 0,7·I_ср.v = 10,5 А  (так  как  U^*_0α = 0,7·U₀)  и     U_max.vs = E_2mmax = 103,62 В  для  задания 5.

          

           I_ср.vs / K_I =  10,5/0,75 = 14 А,

           U_max.vs / K_U = 103,62/0,75 =  138,16 В.

По  найденным  значениям  выбираем  тиристор  типа  T-25 (Т212-16-200).  Параметры  выбранного  диода  приведены  в  таблице 3 [1,107].

Таблица 3 – Основные  параметры  тиристора  T-25

Пределный          ток, А	Напряжение  перкелючения, В	Прямое  падение  напряжения  ∆U,  В (не более)	Прямой и обратный  ток  утечки,  мА	Значение интеграла , А2с  при Tp-n=1400C  t=10 мс
25(16)	200	1	10	2000

Определяем  пороговое  напряжение  U_пор.v  и  динамическое  сопротивление  R_gv  прямой  ветви  ВАХ  у  выбранных  вентилей.

          U_пор.v = ∆U = 0,5 В  для диода

          U_пор.vs = ∆U = 1 В  для  тиристора

                                       R_gv = ∆U / I,                                                       (6.2)

где  I – среднее  значение  прямого  тока  вентиля, А.

           R_gv = 0,5 /25 = 0,02 Ом  для  диода

           R_gvs = 1 / 25 = 0,04 Ом  для  тиристора

Определим  мощность  потерь  P_пот.v  в  вентилях  за  счет  прохождение  прямого  тока  для  каждого  вида  нагрузки  по  формуле [1,16].

                              P_пот.v = (U_пор.v·I_ср.v + I²_эфф.v· R_gv)·n,                             (6.3)

где  n – число  диодов, n = 4 – мостовая  однофазная  схема.

  P_пот.v = 4·(0,5·15+(23,55)²·0,02) = 74,37 Вт – активная  нагрузка,

  P_пот.v = 4·(0,5·15+(15)²·0,02) = 48 Вт – активно-индуктивная  нагрузка,

  P_пот.v = 4·(0,5·15+(36,75)²·0,02) = 138,05 Вт – активно-емкостная  нагрузка.

Определим  коэффициент  использования   K_2,T  вентильной  обмотки  трансформатора  для  каждого  вида  нагрузки  по  формуле [1,8].

                                  K_2,T =  ,                                      (6.4)

K_2,T =  = 0,812  – активная  нагрузка,

K_2,T =  = 0,637  – активно-индуктивная  нагрузка,

K_2,T =  = 0,658  – активно-емкостная  нагрузка.

Исходя  из  рассчитанных  данных,  можем  сделать  вывод,  что  наиболее  оптимальной  схемой  является  схема  с  активной  нагрузкой.

Определение  значения  ЭДС  E₂,  необходимой  для  получения  заданного  напряжения  U₀  при  нагрузочном  токе  I₀  у  реального  выпрямителя  с  активно-индуктивной  нагрузкой.  Для  этого  воспользуемся  уравнением  [1,26].

                      U₀ = ,                               (6.5)

где L_S – индуктивность  рассеивания,  L_S = 0,001 Гн (см. л.15),

      R_п – сопротивление  потерь  в  фазе,  R_п = 2/15 Ом  (см. л.12).

=  = 60 + ()·30 = 67 В.

Из  соотношения   E₂/U₀ = 1,11/η_a [1,18],  где  η_a = 1  находим  ЭДС

Определим  значения  КПД  для  каждого  вида  нагрузки  по  формуле

                           η = ,                                 (6.6)

где  P_{пот.тр-ра} – мощность потерь  в  трансформаторе, Вт,

                                      P_{пот.тр-ра} = m₂·I₂²·R_тр ,                                          (6.7)

       где  R_тр – сопротивление  обмоток  трансформатора,  Ом,

                                        R_тр = R_п – p· R_gv,                                               (6.8)

η =  = 0,91  – активная  нагрузка,

η =  = 0,893 – активно-индуктивная  нагрузка,

η =  = 0,822 – активно-емкостная  нагрузка.

Выбор  трансформатора  производим  по  напряжению  сети  U₁ = 220 В,  напряжению  вторичной  обмотки  U₂ = 74,37 В  и  типовой  мощности  трансформатора  S_тип. 

Определим  типовую  мощность  трансформатора  по  формуле  [1,8]

                                     S_тип = 0,5·(S₁ + S₂),                                             (6.9)

где S₁, S₂ – мощности сетевой  и  вентильной обмоток  соответственно, Вт,

                                        S₁ = m₁·U₁·I₁,

                                        S₂ = m₂·U₂·I₂,                                                   (6.10)

где  U₂ = 74,37 В (см. выше),

        I₂ = 41,42 (см. л.15),

Ток  I₁  находим  из соотношения 

                                           ,                                                      (6.11)

       I₁ = I₂· = 41,42· = 14,01 А.

       S₁ = S₂ =1·220·14 = 3080 В·А

Выбираем  трансформатор  типа  ОСВМ-4,0-ОМ5  [2] с  номинальной  мощностью   S_н = 4,0 кВ·А,   номинальным    напряжением  на   первичной   обмотке  U_ВН = 220 В   и   напряжением   на   вторичной   обмотке  при   холостом   ходу  U_ННхх = 115 В.

Выбор  конденсатора  производим  по  номинальному  напряжению,  частоте  напряжения  и  емкости  C₀ = 6185 мкФ.  Поскольку  несуществует  электролитических  конденсаторов  на  емкость  C₀ = 6185 мкФ,  то  соединяем  параллельно   четыре  конденсатора     К-50-24-63В-1000мкФ-В    и  конденсатор                         К-50-24-63В-2200мкФ-В   в  конденсаторную  батарею [3].

Выбор  двигателя  постоянного   тока  производим  по  номинальной  выходной  мощности  выпрямителя   и   выпрямленному  напряжению.  Чтоб  выбрать  двигатель  вычислим  выходную  мощность  двигателя  P_ном. 

                                             P_ном = ,                                                    (6.12)

где  η – коэффициент  полезного  действия  двигателя,

Выбираем  двигатель [4] постоянного  тока  4ПБМ-132МО4  основные  параметры  которого  P_ном = 2,36 кВт, U_н = 110 В, I_н = 25,4 А, η = 80%, n_н = 1500 об/м.

Проверим  выбор  мощности:

          P_расч =   = 2250 кВт

Можно сделать вывод, что выбранный двигатель удовлетворяет условиям.

7.  Схематическое  моделирование  выпрямителя  с  помощью

                           программных  средств

В  результате  математического  моделирования  выпрямителей  по  схемам  заданий  1-3  с  использованием  программы  Electronics Workbench  5.12  получить:

1.  Распечатку  принципиальных  схем  выпрямителей  с  символьными  обозначениями  элементов,  значениями  их  параметров  и  значениями  параметров  U₀,  E₂,  I₀,  I_эфф.v,  I₁  измеренными  цифровыми  вольтметрами  и  амперметрами  программы.

2.  Осциллограммы  мгновенных  значений  u₀(t),  e₂(t),  i_пр.v(t)  u_обр.v(t)  при  различных  нагрузках  с  пояснением  их  формы  и  с  оценкой  степени  приближения  к  расчетным  графикам.

 

Моделирование  выпрямителя  при  работе  на  активную  нагрузку

Моделирование  выпрямителя  при  работе  на  активно-индуктивную  нагрузку

Моделирование  выпрямителя  при  работе  на  активно-емкостную  нагрузку

8.  Разработка  принципиальной  схемы  управляемого  выпрямителя  для  электропривода  постоянного  тока

Принципиальная  схема  приведена  на  рисунке 8.1.

             Состав  и  описание  принципиальной  схемы. 

Устройство  предназначено  для  преобразования  электрической  энергии  переменного  тока  в  энергию  постоянного  тока  и  регулирования  выпрямленного  напряжения.

Принципиальная схема выпрямителя содержит следующие узлы и аппараты:

Ø   вводной  автоматический  выключатель  QF1;

Ø   однофазный  трансформатор  TV;

Ø   силовые  предохранители  FU3  и  FU4;

Ø   магнитный  пускатель  KM;

Ø   приборы  индикации  тока  и  напряжения  на  выходе  устройства  RS;

Ø   органы  контроля  и  управления  устройством  SB;

Ø   блок  системы  управления  выпрямителем  U;

Ø   блок  источника  питания  системы  управления  G;

Ø   входные  и  выходные  зажимы  силовых  цепей.

Напряжение  питания  выпрямителя  U = 220 В,  f = 50 Гц,  через  входные  клеммы подается  на  автоматический  выключатель  QF1,  предназначенный  для  обесточивания  преобразователя  при  наладке,  осмотрах.  При  включении  напряжение  подается  на  преобразующий  трансформатор.  При  включении  автоматического  выключателя  QF2,  установленного  для  защиты  от  токов  короткого  замыкания  и  тепловой  защиты  от  длительных  перегрузок,  напряжение  через  предохранители  подается  на  силовые  контакты  магнитного  пускателя.  Магнитный  пускатель  предназначен  для  автоматического  дистанционного  включения  и  отключения  непосредственно  преобразователя.  При  включении  контактора  и  подаваемых  управляющих  импульсов  на  силовые 

Рисунок 8.1 - Принципиальная  электрическая  схема   однофазного  управляемого  выпрямителя

полупроводниковые  приборы (тиристоры)  за  счет  регулирования  угла  открытия  тиристоров  происходит  регулируемое  преобразование  энергии  переменного  тока  в  энергию  постоянного  тока.  Для  сигнализации  наличия  напряжения  в  преобразователе  предусмотрены  сигнальные  лампы  HL1  и  HL2.

Устройство  позволяет  регулировать  напряжение  на  нагрузке  в  пределах  от  0  до  60 В  при  потребляемой  мощности  1,8 кВт.

Основной  источник  выделения  тепла  в  установке – силовой  трансформатор,  тиристоры,  источники  питания  цепей  управления,  катушка  контактора,  силовые  шины,  разъемные  и  неразъемные  контактные  соединения.  Возможными  источниками  электрических  и  магнитных  помех  могут  быть  трансформатор  TV,  контактор  КМ,  электрическая  машина  постоянного  тока.

Аппараты  и  элементы  с  максимальными  габаритами  и  массой:  Трансформатор,  силовой  преобразователь,  контактор.

В  состав  однофазного  тиристорного  преобразователя  входят  тири­сторы   VS1, VS2, VS3  и  VS4,  трансформатор  TV  и  система  импульсно-фа­зового  управления  СИФУ.  СИФУ  вырабатывает  импульсы  управления  тиристорами  с  заданной  фазой  по  отношению  к  напряжению  сети.

 

                                               Приложение  А

           Графики   зависимостей   e₂(wt),  u₀(wt),  i₂(wt),  i_VD1(wt).

 

                                              Приложение  Б

           Графики  зависимостей  e₂(wt),  u₀(wt), U₀(wt),  i₀(wt), i_0,в(wt), i_0,св(wt), i₂(wt),  I₀(wt).

                                              Приложение  В

           Графики  зависимостей  e₂(wt),  U₀(wt), 2θ,  i_пр.v(wt), I_эфф.v(wt), , I_ср.v(wt), i₂(wt),  I₂(wt).

                                                Приложение  Г

           Графики  зависимостей  e₂(wt),  u_0,γ(wt), (отметить U_0,γ и γ) i_vd2(wt), i_vd1(wt),I_2,γ(wt).

                                                Приложение  Д

        Графики  зависимостей e₂(wt), u^*_0,α(wt), (отметить 0,7U₀, α_min, α_max) при E_2mmin и E_2mmax.

Заключение

 

В данной курсовой работе были рассмотрены пять выпрямителей. В этой работе мы разрабатывали неуправляемый выпрямитель. Рациональность полученных результатов оценивают с технической точки зрения.

Лучшей следует считать такую схему, которая дает:

- среднее значение выпрямленного напряжения, приближенное к

   амплитудному значению ЭДС вентильной обмотки преобразующего

   трансформатора.

- малую величину амплитуды основной гармоники пульсаций.

- меньшее значение мощности потерь в вентиле.

                                Список   литературы

1. Кузнецов Е.М.  Расчет  и  моделирование  электропитающих  устройств  для  промышленных  установок.: Учебное пособие.– Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000 г. 

2. Электротехнический  справочник.: В 3-х т. Т.2. Электротехнические  изделия  и  устройства./Под ред. В.Г.Герасимов  и др. – 9-е изд., испр. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 2003. – 715 с.: ил.  

3. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА [Текст] : справ. / Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, В. А. Прохоренко, Ю. П. Ходоренок. - . - . - Минск : Беларусь, 1994. - . - 591 с. : орн.

4. Сайт  производителя  электродвигателей   (#"#">http://reference.elp.ru/1/4/1/_elektrodvigateli_4PBM132