Рекомендации по проектированию выпрямителей.

Исходными данными для расчёта схем выпрямления обычно являются:

- номинальные значения выпрямленных напряжения U_dн и тока I_dн;

- допустимая величина коэффициента пульсаций на выходе К_п.вых.;

- номинальные значения напряжения U_с и частоты f_c сети.

Проектирование выпрямителей включает в себя следующие этапы:

- выбор схемы выпрямителя;

- выбор типа вентиля;

- выбор схемы фильтра и её расчёт;

- расчёт выпрямителя;

- построение внешней (нагрузочной) характеристики.

8.1. Выбор схемы выпрямителя.

Для мощностей P_d< 1 кВт необходимо использовать схемы выпрямления однофазного тока. Однополупериодная схема (рис. 2а) целесообразна при очень малых уровнях мощности (менее 1 Вт) в случаях, когда нагрузка начинается с ёмкости. Среди двухполупериодных схем наиболее высокие технико-экономические данные имеет мостовая схема (рис. 4а) на полупроводниковых диодах. Она обеспечивает лучшее использование трансформатора и вентилей и применяется даже при больших мощностях, допустимых для однофазной нагрузки сети. При выпрямленных напряжениях

U_dн 10 В часто применяется не мостовая, а двухполупериодная схема с нулевым выводом (рис. 3а), достоинством которой является в два раза меньшее число вентилей.

Если выпрямитель должен отдавать потребителю мощность более киловатта, то с точки зрения оптимальной нагрузки сети переменного тока необходимо применять трёхфазные схемы. Трёхфазная схема с нулевым выводом (рис.5а) применяется на средних мощностях (единицы – десятки киловатт), а также в тех случаях, когда допустима большая амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения. При мощностях Р_d> 100 кВт, а также при малых допустимых пульсациях (< 5%) следует использовать мостовую схему выпрямления (схему Ларионова), представленную на рис. 6а.

Нередко приходится предварительно просчитывать несколько вариантов схем с тем, чтобы выбрать оптимальное решение.

8.2. Выбор типа вентиля.

Осуществляется на основании предварительного определения следующих параметров выпрямителя:

- среднего значения тока через вентиль при полной нагрузке:

I_a= ; (8.1)

- максимального значения обратного напряжения на вентиле:

U_о.м. ^. U_d , (8.2)

где коэффициент для выбранной схемы выпрямления находится из таблицы 1 , а параметр U_d оценивается по формуле:

U_d U_dн + U , (8.3)

где U – потери напряжения из-за протекания тока I_d > 0, имеющие порядок от 0,05^.U (при мощности P_d > 100 кВт) до 0,015^.U_d (при мощности P_d < 1 кВт).

Величины I_a и U_о.м. не должны превышать значений соответствующих паспортных параметров у выбранного вентиля – номинального прямого тока

I_а.н. и допустимого обратного напряжения:

(1,2..1,4)^.I _a< I_a.н.; (8.4)

(1,2..1,4)^.U_од.< U_о.м.

При выборе вентиля следует учитывать коэффициент использования по току к_i = , величина которого рекомендуется в пределах 0,5 0,8 . Для уменьшения прямого тока I_a практикуется параллельное включение однотипных вентилей (рис. 12а). Величина добавочных сопротивлений выбирается из соотношения:

R_д=(2..5)r_а . (8.5)

Последовательное соединение вентилей (рис. 12б) применяется в тех случаях, когда максимальное обратное напряжение U_о.доп. отдельных вентилей. Выравнивающие сопротивления при этом рассчитываются по формуле:

R_ш.=(0,1..0,2)R_обр. (8.6)

После уточнения значения напряжения холостого хода U_d и определения параметра I_о.м. (параграф 8.4), проверяется нагрузочная способность выбранного типа вентиля по обратному напряжению и прямому току.

8.3. Выбор схемы фильтра и её расчёт.

В трёхфазных выпрямителях средней и большой мощности обычно применяются фильтры с индуктивной реакцией, т.е. начинающиеся с дросселя. В маломощных двухфазных выпрямителях для выбора типа фильтра целесообразно воспользоваться соотношением С_мин.= , определяющим минимальную ёмкость конденсатора выпрямителя. Если она окажется непрактично большой, то следует использовать индуктивный фильтр. В случае, когда величина ёмкости окажется приемлемой, более рационален фильтр, начинающийся с ёмкости, т.к. он обеспечивает лучшее сглаживание пульсаций.

Необходимый коэффициент сглаживания S определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе и выходе фильтра. Значение первого находится из таблиц 1,2,3 для выбранной схемы выпрямления с учётом характера её нагрузки. Величина второго берётся из исходных данных на проектирование схемы. При небольших коэффициентах сглаживания используются простейшие фильтры – индуктивность или ёмкость. При коэффициентах сглаживания, превышающих несколько десятков, наиболее подходящим оказывается Г-образный фильтр (рис. 11а), либо П-образный фильтр (рис. 11б), содержащий два звена. Расчёт значений элементов индуктивного, Г-образного и П-образного фильтра ведётся по формулам (7.2.)…(7.6).

8.4. Расчёт выпрямителя.

Если нагрузка выпрямителя носит ёмкостной характер, т.е. если фильтр начинается с ёмкости, то расчёт выпрямителя проводится по формулам (6.1.)…(6.15). Для расчёта необходимо знать омическое сопротивление обмотки трансформатора. Его величина выбирается ориентировочно по данным таблицы 4. Если нагрузка носит индуктивный характер (например Г-образный фильтр с индуктивностью), то прежде всего вычисляется напряжение холостого хода U_d . Для этого можно воспользоваться формулами (5.5) и (5.7). Омическое сопротивление дросселя r_др. , входящее в выражение (5.7.), находится из таблицы 4.

Таблица 4.

В маломощных выпрямителях можно пренебречь сопротивлением индуктивности рассеивания X_S , а в выпрямителях большой и средней мощности – активным сопротивлением R_T обмотки трансформатора. После определения напряжения U_d находятся прочие параметры выпрямителя. Расчётные формулы для двухполупериодных схем с индуктивной нагрузкой даются в таблице 2, и для трёхфазных схем – в таблице 1.

Примеры расчёта выпрямителей.

Пример 1. Рассчитать выпрямитель для системы автоматического управления по следующим данным: номинальное выпрямленное напряжение U_dн=300 В; в выпрямленный ток I_dн=0,16 А; коэффициент пульсации на выходе не более 0,05; напряжение сети 220 В, частота сети f_c= 50 Гц.

Выбор схемы выпрямителя.

1. Сопротивление нагрузки (потребителя):

R_d= = = 1870 Ом.

2. Выпрямленная мощность:

P_dн= U_dн^. I_dн = 300 ^. 0,16 = 48 Вт.

3. Так как мощность на выходе выпрямителя мала, а требования к пульсации высоки, то целесообразно выбрать двухполупериодную схему выпрямления. Выбираем мостовую схему.

Выбор типа вентиля.

4. Среднее значение тока через один вентиль:

I_a= I_d/2 = 80 мА .

5. Максимальное обратное напряжение

U_о.м.= 1,57 ^. U_d = 1,57 ^. 300 = 470 В.

По справочным данным (стр.30 ) выбираем кремниевый диод Д210. Его номинальный прямой ток I_а.н.= 100 мА; допустимое обратное напряжение U_о.д = 500 В; прямое падение напряжения при номинальном токе U_a=1,0 В.

Выбор схемы фильтра.

6. Выбираем вид нагрузки выпрямителя, для чего рассчитываем минимальную ёмкость на выходе выпрямителя, обеспечивающую К_п.вых=0,1.

Согласно (6.14):

С_мин. = 10,7 мкФ.

Так как полученное значение ёмкости невелико, то рационален простейший ёмкостной однозвенный фильтр.

Расчёт выпрямителя.

7. Прямое сопротивление вентиля у выпрямителя с ёмкостной нагрузкой:

r_a Ом.

Сопротивление обмотки трансформатора (по таблице 4):

R_т=(0,08..0,05) ^. R_н 100 Ом.

Сопротивление фазы выпрямителя:

2r_a+R_т=108 Ом.

8. Величина коэффициента А (6.1.):

А= .

9.Значения коэффициентов B,D,F,H (по графикам на рис.10):

B=0,9; D=2,4; F=7,5; H=150.

10. Проверяем нагрузочную способность выбранного типа вентиля:

U_ом.=1,33^. U_d= 1,33^. 300= 395 В < 500 B ,

I_ом.=F^. I_d = 7,5 ^. 160 = 1200 мА.

Вентиль выбран правильно.

11.Параметры трансформатора.

напряжение вторичной обмотки U₂= B^. U_d= 0,9^.300= 270 B ;

коэффициент трансформации К= 220/270 =0,81 ;

ток вторичной обмотки I₂= ^. I_d = ^. 0,16 = 0,282 A;

ток первичной обмотки I₁= = 0,282/0,81=0,345 A;

габаритная (типовая) мощность P_т=1,66 ^. 48 80 Вт.

12. Ёмкость конденсатора фильтра на выходе выпрямителя:

C_ф= = = 28 мкФ.

принимаем С_ф=30 мкФ.

13. Внешняя характеристика выпрямителя. Для её построения ординаты графика на рис.10е умножаются на U_2м= U₂ =270^. =380 B , а абциссы – на = 7А.

Пример 2. Рассчитать выпрямитель для питания исполнительного механизма следящей системы по следующим исходным данным: номинальное выпрямленное U_dн=1000 В; выпрямленный ток I_dн=10 А; коэффициент пульсаций К_п не более 0,03; напряжение сети 220/380 В; частота сети f_c=50 Гц.

Выбор схемы выпрямителя.

1. Сопротивление нагрузки (потребителя):

R_d= = = 100 Ом.

2. Выпрямленная мощность:

P_d= U_dн^. I_dн =1000 ^. 10 = 10 кВт.

При мощностях, превышающих 1 кВт, рекомендуются выпрямители трёхфазного тока. Для уменьшения размеров трансформатора и фильтра выбираем схему Ларионова, имеющую высокие технико-экономические показатели.

Выбор вентилей.

1. Среднее ток через вентиль:

I_a= I_d/3 = 10/3=3,33 А .

2. Ориентировочное значение обратного напряжения:

U_ом.=1,1^. 1,045 ^. Ud= 1,1^. 1,045^.1000= 1150 В.

По справочным данным (стр.30) выбираем вентиль типа Д234 Б (12 вентилей, по два в плечо моста), который имеет следующие параметры: номинальный прямой ток I_a.н.=5 А; допустимое обратное напряжение U_од=600 В; среднее значение обратного тока не более 3 мА.

3. Рассчитываем величину выравнивающих сопротивлений (8.6):

R_ш=(0,1..0,2)^. R_обр.= (0,1..0,2)^. =30 кОм.

Выбор и расчёт схемы фильтра.

В трёхфазных схемах выпрямления средней и большой мощности наиболее целесообразен фильтр с индуктивной реакцией, т.е. начинающийся с дросселя.

4. Необходимый коэффициент сглаживания фильтра с учётом явления коммутации:

S=(1,5..2,0)^. =(1,5..2,0)^. 4.

5. Число звеньев фильтра берём равным 1, т.к. коэффициент сглаживания небольшой по величине. Окончательно выбираем простейший, однозвенный L-фильтр.

6. Минимальное (критическое) значение индуктивности дросселя (7.4.):

L_Фкр.= = = 0,0033 Гн .

7. Индуктивность дросселя, обеспечивающая получения заданных пульсаций (7.2.):

L_Ф.= = =0,21 Гн.

Расчёт выпрямителя.

8. Прямое сопротивление вентиля:

r_a= =1,5/5=0,3 Ом.

9. Сопротивление дросселя и трансформатора по данным таблицы 4.

r_др.=R_т= (0,05..0,25)^.R_н= (0,05..0,25)^.100 3 Ом.

10. Индуктивное сопротивление рассеивания (5.5):

X_s= ,

где а=U_d/U₂; b=I₂/I_d – коэффициенты, зависящие от выбранной схемы выпрямления, определяются по данным таблицы 1; а=1/0,43; b=0,82.

X_s= 2,5 Ом.

11. Напряжение холостого хода:

U_d= U_dн+I_dн(4r_a+r_др.+R_т+ )= 1000 + 10(4^. 0,3+3+3+ )= 1097 В.

12. Параметры трансформатора.

напряжение вторичной обмотки U₂= 0,43^. U_d= 0,43^.1097= 472 B ;

коэффициент трансформации К= 220/472 =0,466 ;

ток вторичной обмотки I₂= 0,82^. Id =0,82^. 10 = 8,2 A;

ток первичной обмотки I₁= = 8,2/0,466=17,6 A;

габаритная (типовая) мощность P_т=1,045U_d ^. I_d=1,045 ^. 1000 ^. 10 10,5 кВт.

13. Проверяется нагрузочная способность выбранных вентилей:

U_ом.=1,05 ^. Ud= 1,05^.1097=1160 В,

т.е. меньше, чем U_о.доп.=2^.600=1200 В.

14. Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой прямую линию. Она строится по двум точкам: I_d=0; U_d(холостой ход) и I_dн; U_dн(нормальная нагрузка).

Варианты заданий.

Общие требования: напряжение сети 220/380 В, частота сети 50 Гц, частные требования выбираются из таблицы вариантов. Требования к оформлению: пояснительная записка должна включать следующие разделы: титульный лист, оглавление, задание, расчётную часть, принципиальную схему выпрямителя и значения его элементов, заключение, литературу.

Таблица вариантов.

Приложение.

Основные параметры вентилей малой и средней мощности.

Основные параметры силовых вентилей.

Литература.

1. Основы промышленной электроники./под ред. Герасимова В.Г. М.:

Высшая школа, 1978, с.196.

2. Руководство к лабораторным работам по основам промышленной электроники./под ред.Мелешкина Л.П. М.: Высшая школа, 1977,с.144.

3. Преображенский В.И. Выбор полупроводниковых вентилей электроприводов. М.: «Энергия»,1971.

4. Чебовский О.Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы (справочник). М.: «Энергия», 1975.