преобразователь. Преобразователь_исправлено_4. Расчетно графическая работа по электропреобразовательные устройства

• Название: Расчетно графическая работа по электропреобразовательные устройства
• Анкор: преобразователь
• Дата: 07.10.2021
• Размер: 243.82 Kb.
• Имя файла: Преобразователь_исправлено_4.docx
• Тип: Документы; #242888

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И ФИЗИКИ

Кафедра РП и РПУ
Расчетно графическая работа

по электропреобразовательные устройства
Вариант: 01

Выполнила: Студент гр. РТЗ-73 Елисеев Иван Валерьевич

Проверил: к.т.н., доцент Сажнёв Александр Михайлович Баллы ____________________ «___» _________ 20__г.

Новосибирск – 2021 г.

Содержание

1 Исходные данные 3

2 Выбор схемы преобразователя 4

Результаты расчётов 8

3 Выбор и расчёт трансформатора 9

4 Расчёт элементов силовой части преобразователя 14

5 Расчёт сетевого выпрямителя 17

Список литературы 20

1 Исходные данные

Таблица 1

Исходные данные

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки	0
Напряжение фазы питающей сети Uф, В	220
Частота тока питающей сети fc, Гц	50
Число фаз сети, m	3
Пульсность сетевого выпрямителя p	3
Относительное изменение напряжения питающей сети: в сторону увеличения амакс в сторону уменьшения амин	0,2 0,2
Частота преобразования fn, кГц	20
Диапазон рабочих температур, ˚ С	-10…+50

Таблица 2

Исходные данные

Последняя цифра номера зачетной книжки	1
U0, В	5,0
I0 макс., А	10,0
I0 мин., А	2,0
Нестабильность выходного напряжения при изменении питающей сети δ, %	1
Амплитуда пульсации выходного напряжения Uвых. m , В	0,05

2 Выбор схемы преобразователя

Для улучшения массо-объемных показателей стабилизирующих источников вторичного электропитания (ИВЭП) применяются импульсные способы регулирования и исключаются крупногабаритные и массивные элементы, такие как низкочастотные трансформаторы, из состава источника.

Структурная схема разрабатываемого ИВЭП с бестрансформаторным входом показана на рисунке 1.



Рисунок 1 – Структурная схема ИВЭП

1. 
   Определяем максимальную выходную мощность преобразователя
   

2. 
   Зададимся значениями абсолютного коэффициента пульсаций на выходе сети выпрямителя . Для напряжение . Определяем номинальное U_вх., максимальное и минимальное значения входного напряжения преобразователя:
   

3. 
   По известным значениям P₀ и U_вх с помощью графика, представленного на рисунке 2, выбираем схему преобразователя с учётом рекомендаций, приведенных в п.п. 2.2.
   

Области, обозначенные ИЛИ, соответствуют равноценному применению обоих типов преобразователей.



Рисунок 2 - График областей предпочтительного применения

различных типов преобразователей

Выберем схему однотактного преобразователя с обратным включением выпрямительного диода (рисунок 3) из-за ее простоты.



Рисунок 3 – Схема однотактного преобразователя с обратным включением выпрямительного диода
В схеме на рисунке 3 при отпирании транзистора VT1 напряжение питания прикладывается к первичной обмотке W₁ трансформатора Т1. Полярность напряжения на вторичной обмотке такова, что диод VD1 закрыт. На этом интервале происходит накопление энергии в трансформаторе. При запирании транзистора VT1 изменяется полярность напряжения на обмотках трансформатора, открывается диод VD1 и энергия, накопленная трансформатором, передаётся в нагрузку. Регулировочная характеристика идеального преобразователя нелинейна и имеет вид:



Основное достоинство выбранной схемы - наличие одного моточного элемента (трансформатора Т1), что является в ряде случаев определяющим при выборе малогабаритного, маломощного и экономичного источника электропитания.

На рисунке 4 показаны эпюры, поясняющие работу схемы однотактного преобразователя с обратным включением выпрямительного диода.



Рисунок 4 – Эпюры, поясняющие работу схемы

4. 
   Для выбранной схем рисунков задаемся максимальным значением:
   

5. 
   Определяем амплитудные значения ЭДС первичной U_1m и вторичной U_2m обмоток трансформатора.
   

Зададим следующие величины для расчета:

- напряжение коллектор-эмиттер регулирующих транзисторов в режиме насыщения ;

- падение напряжения на диоде в открытом состоянии ;

- падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки трансформатора ;

- падение напряжения на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора

Рассчитаем амплитудное значение ЭДС первичной обмотки трансформатора:


Рассчитаем амплитудное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора:

6. 
   Определяем коэффициент трансформации n₂₁ трансформатора:
   

7. 
   Для выбранной схемы преобразователя определяем γ_мин.
   

Так как полученное значение γ_мин = 0,334  0,15, то устройство физически реализуемо.

8. 
   Определяем критическую индуктивность L_w1кр первичной обмотки трансформатора.
   

Принимаем:

9. 
   Определяем значение γ:
   

Полученные при выборе преобразователя данные, необходимые для дальнейших расчетов схемы, занесем в таблицу 3.

Таблица 3

Результаты расчётов

γ	γ мин	γ макс	n21	U1m, В	U2m, В	Lw1, мГн
0,386	0,334	0,5	0,026	233,1	6,1	2,84

3 Выбор и расчёт трансформатора

Трансформатор является одним из основных элементов преобразователя, во многом определяющим его энергетические и массо-объёмные показатели. Принципиально трансформаторы преобразователей могут быть выполнены на любом магнитопроводе. Однако следует иметь в виду, что магнитопровод трансформатор для преобразователя по выбранной схеме должен иметь немагнитный зазор или выполняться из материала не насыщающегося при относительно больших значениях напряженности магнитного поля (например, магнитодиэлектрика). Однако промышленность выпускает магнитодиэлектрики пока ещё, в ограниченном количестве. Поэтому трансформаторы таких преобразователей целесообразно выполнять на составных магнитопроводах. Из составных магнитопроводов наибольшее применение находят броневые сердечники.

3.1. Определяем действующее значение токов первичной I₁ и вторичной I₂ обмоток трансформатора.





3.2. Определяем произведение поперечного сечения стержня на поперечное сечение окна S_ст  S_ок. Предварительно зададимся следующими величинами:

- коэффициент заполнения медью окна магнитопровода ;

- приращение магнитной индукции на частоте преобразования (по табл. 5 [1]);

- КПД преобразователя .

Для определения плотности тока в обмотках трансформатора необходимо найти габаритную мощность:



и отношение:



Для вычисленного отношения определим по (табл. 6 [1]):



Произведение поперечного сечения стержня на поперечное сечение окна равно:



3.3. По известному произведению S_стS_ок по таблице П.1 [1] выбираем подходящий тип броневого ферритового магнитопровода. Наиболее близки по параметру S_стS_ок является магнитопровод Ш 6х6 с маркой феррита 2000НМ1. Параметры выбранного магнитопровода представлены в таблице 4.

Таблица 4

Параметры магнитопровода

Тип магнитопровода

Размеры, мм

Sст Sок, см4

Марка феррита

Sст, см2

Lср, мм

Масса магнитопровода, Мф, г

L

l0

l

B

H

h

Ш 6х6

24

6

16

6

12

8

0,29

2000НМ1

0,42

53

6,22х2

Внешний вид магнитопровода приведен на рисунке 5.


Рисунок 5 – Внешний вид и параметры магнитопровода
3.4. Определяем число витков первичной W₁ и вторичной W₂ обмоток трансформатора.





3.5. Определяем поперечное сечение провода первичной q₁ и вторичной q₂ обмоток трансформатора.





По таблице П.2 [1] выбираем провода марки ПЭТВ круглого сечения с параметрами, приведенными в таблице 5.

Таблица 5

Параметры проводов первичной и вторичной обмоток

Обмотка	Диаметр по меди, мм	Площадь сечения меди, мм2	Диаметр с изоляцией. мм	Погонное сопротивление, Ом*м
первичная	0,25	0,049	0,30	0,366
вторичная	1,4	1,539	1,502	0,0115

Пересчитаем поперечные сечения проводов с учетом изоляции:





3.6. По известным значениям q^'₁; q^'₂; W₁; W₂; S_ок необходимо проверить условие размещения обмотки в окне магнитопровода:





Условие не выполняется, значит выбираем другой магнитопровод.

Таблица 6

Параметры магнитопровода

Тип магнитопровода

Размеры, мм

Sст Sок, см4

Марка феррита

Sст, см2

Lср, мм

Масса магнитопровода, Мф, г

L

l0

l

B

H

h

Ш 10х10

36

10

26

10

18

13

2,08

2000НМ1

1,0

84

22,2х2

3.7. Определяем число витков первичной W₁ и вторичной W₂ обмоток трансформатора.





3.8. По известным значениям q^'₁; q^'₂; W₁; W₂; S_ок необходимо проверить условие размещения обмотки в окне магнитопровода:





Условие выполняется, значит выбираем данный магнитопровод.

3.9. Для выбранной схемы находим суммарную величину немагнитного зазора l₃ :



где ₀ = 410^-7 Гн/м. – магнитная постоянная.

4 Расчёт элементов силовой части преобразователя

4.1. Определение требуемого значения выходной емкости.

Исходя из заданного значения амплитуды пульсации выходного напряжения U_вых.m равного 0,05 В, определяем требуемое значение выходной емкости С_н по формуле:



Определим номинальное напряжение диода U_раб по формуле:



Выбираем конденсатор К50-68-40В-4700мкФ±20%

Его емкость больше, чем расчетная, рабочее напряжение превышает расчетное, а амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения равно:



Что меньше требуемых 0,05 В. Здесь k = 0.03 – коэффициент снижения амплитуды переменной составляющей пульсирующего напряжения в зависимости от частоты (по рис. П.3.4 [1]).

Поэтому возьмем несколько конденсаторов меньшей емкости, соединенных параллельно, которые допускают более высокий уровень пульсаций:

Два конденсатора К50-68-40В-470 мкФ±20% и один конденсатор К50-68-40В-2200 мкФ±20%. Суммарная ёмкость при её снижении на 20 % будет равна: (470·2+2200)·0,8=2512 мкФ.





Условие выполняется.

4.2. Определяем приращение тока дросселя I_L:



4.3. По ранее выбранному значению КПД преобразователя определяем значение максимального тока коллектора (стока) I_{к1 макс} транзистора VT1.



4.4. Определяем максимальное значение напряжения на закрытом транзисторе U_{кэ1 макс}.


4.5. По вычисленным значениям I_{к1 макс}, U_{кэ1 макс} и заданной частоте преобразования f_n выбираем полевой транзистор.

Так как напряжение на переходе коллектор-эмиттер достаточно велико, то выбираем полевой транзистор. При этом:





Транзистор выберем по таблице П.4 [1] по допустимым значениям тока тока и напряжения сток=исток:





По полученным значениям выбираем полевой транзистор 2П816А, у которого:









4.6. Убеждаемся в возможности использования выбранного транзистора по мощности:





Значит выбранный транзистор можно использовать в преобразователе.

4.7. Найдем среднее и максимальное значения тока, протекающие через диод, а также максимальное обратное напряжение, приложенное к диоду:







По таблице П.5 [1] выбираем подходящий диод 2Д213В, для которого:









Находим мощность, рассеиваемую на диоде - P_VD1:



4.8. Исходя из заданного значения нестабильности выходного напряжения , определяем требуемый коэффициент передачи в контуре регулирования:

5 Расчёт сетевого выпрямителя

5.1. Выбираем схему сетевого выпрямителя.

На основании исходных данных задания выбираем схему сетевого выпрямителя, показанного на рисунке 6, число фаз m = 3, пульсность р = 3.



Рисунок 6 – Схема сетевого выпрямителя
Данная схема имеет пульсность 3:

p = k*q = 3*1 = 3,

где k – число вторичных обмоток трансформатора – в данном случае их 3, q – число импульсов тока за период в одной обмотке – так как диод один, то и число импульсов будет 1.
5.2. Находим среднее значение тока, потребляемого от сетевого выпрямителя:



5.3. Определяем требуемые параметры вентилей средний выпрямленный ток диодаI_{в ср}, импульсное обратное напряжение диода U_{обр и} , рабочую частоту диода f_д:







Вышеперечисленным параметрам удовлетворяет диод 2Д230 Г, для которого:

4. 
   Рассчитаем величину ограничительного резистора R_огр:
   

Выбираем резистор МЛТ-0,5-10 Ом5%

При этом во избежание резкого снижения КПД устройства должно выполняться условие:

4. 
   Для расчета емкости сглаживающего фильтра Сф зададимся абсолютным коэффициентом пульсаций напряжения на конденсаторе
   

4. 
   Выбор конденсатора проведем исходя из условий:
   

С_ном  С_ф



На такое большое напряжение не удается найти конденсатор подходящей емкости с достаточным уровнем пульсаций. Поэтому включим параллельно несколько конденсаторов меньшей емкости, допустимый уровень пульсаций которых больше действующих на них пульсаций. При этом их емкость сложится. Чтобы номинальная суммарная емкость конденсаторов была не меньше расчетной, включим 2 конденсатора К50-29-450В-22 мкФ20% и один конденсатор К50-29-450В-16 мкФ20%. Их суммарная емкость равна 60 мкФ. При падении ёмкости на 20 % их суммарная емкость равна 48 мкФ.

Уровень пульсаций, действующий на конденсатор, равен:



Допустимый уровень пульсаций для первых двух конденсаторов на частоте



равен:



Для конденсатора емкостью 16 мкФ:



В обоих случаях допустимый уровень пульсаций больше действующих пульсаций. Значит данные конденсаторы можно использовать в схеме.

Чтобы исключить влияние собственной внутренней индуктивности на работу конденсаторов, рекомендуется подключить параллельно им керамический, пленочный или бумажный конденсатор малой емкости. Выберем бумажный конденсатор ОКБП-Ф-1600В-0,1 мкФ20%.

Список литературы

1. 
   Сажнев А.М., Рогулина Л.Г. Электропреобразовательные устройства: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. – 48 стр.