Контрольная работа Силовая Электроника. Контрольная работа_СиловаяЭлектроника. Решение Трехфазная схема выпрямителя со средней точкой изображена на рисунке 1

• Название: Решение Трехфазная схема выпрямителя со средней точкой изображена на рисунке 1
• Анкор: Контрольная работа Силовая Электроника
• Дата: 28.12.2022
• Размер: 198.3 Kb.
• Имя файла: Контрольная работа_СиловаяЭлектроника.docx
• Тип: Задача; #867421

Задача 1

Изобразить схемы трёхфазных выпрямителей: с выводом нулевой точки и мостовую, работающие на активно-индуктивную нагрузку. Трансформаторы, дроссели, вентили считать идеальными, выпрямленный ток полностью сглаженный. Описать принцип работы трансформаторов.

При заданных одинаковых для обеих схем токах нагрузки Ia и средних значениях выпрямленных напряжений Ua (табл. 1.1) рассчитать схемы. При этом для каждой из них определить:

1) амплитудные значения линейных напряжений, максимальные величины обратных напряжений в вентилях;

2) средние значения токов через вентили;

3) тип вентилей;

4) расчётные мощности трансформаторов, для схемы с выводом нулевой точки Ртр = 1,35 Рa, для мостовой схемы Ртр = 1,05 Рa , где Pa = IaUa;

5) индуктивность дросселя, Lдр, необходимую для полного сглаживания тока (считая, что оно достигается при ωпLдр ≥ 5Rн, где ωп – частота пульсации, Rн – сопротивление нагрузки).

6). Провести краткий сравнительный анализ рассчитанных схем.

Вариант		Значения параметров
031	Ua, В	320
	Ia, А	7,6
	Rн, Ом	32 кОм

Исходные данные:

Решение:

1. 
   Трехфазная схема выпрямителя со средней точкой изображена на рисунке 1.1
   

Рисунок 1.1– Трехфазная схема выпрямителя со средней точкой

В схему входит трансформатор с вторичными обмотками, соединенными звездой. Первичные обмотки соединяются звездой или треугольником. Нагрузка подключается между нулевой точкой звезды и общей точкой катодов вентилей.

Вентили схемы работают поочередно в течение 1/3 периода. Ток на каждом диоде будет протекать только тогда, когда потенциал на аноде будет выше потенциала на катоде. Это возможно в течении 1/3 периода, когда напряжение в данной фазе выше напряжений в двух других фазах. То есть когда U2а>U2b и U2a>U2c, диод Д1 будет открыт, в то время как Д2 и Д3 будут заперты. Под действием напряжения U2а ток замыкается через обмотку фазы а, диод Д1 и нагрузку Rн. В следующую треть периода открывается диод Д2, затем Д3 и т.д. Напряжение нагрузки будет равно напряжению фазы с открытым диодом и, следовательно, ток нагрузки изменяется по тому же закону. При этом ток в нагрузке всегда будет больше 0.

Переход тока с диода на диод происходит в моменты, соответствующие точкам пересечения синусоид фазных напряжений. Отсюда следует, что кривая выпрямленного напряжения схемы ud может быть получена как огибающая синусоид фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора. Что наблюдается на графиках, представленных на рисунке 1.2.



Рисунок – 1.2. Графики зависимостей для токов и напряжений схемы выпрямления трехфазного выпрямителя с нулевой точкой

На рисунке 1.3 показана мостовая схема реализации трехфазного выпрямителя



Рисунок 1.3 – Схема трёхфазного выпрямителя с мостовой схемой
Верхнюю группу диодов схемы (см. рис. 1.3) принято называть катодной, а нижнюю — анодной.

В мостовом выпрямителе одновременно пропускают ток два диода: один с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы диодов, другой — с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы.

В данном конкретном случае - шесть фаз постоянного напряжения вместо трех, которые присущи однотактной схеме. Вот почему требования к сглаживающему фильтру снижаются, и в некоторых случаях без него можно полностью обойтись.

Три фазы обмоток вкупе с двумя полупериодами выпрямления дают основную частоту пульсаций равную шестикратной частоте сети (6*50 = 300). Это видно по диаграммам напряжений и токов (рисунок 1.4).

Мостовое включение можно рассматривать как объединение двух однотактных трехфазных схем с нулевой точкой, причем диоды 1, 3 и 5 — это катодная группа диодов, а диоды 2, 4 и 6 — анодная группа.

Открывается катодный диод, к которому приложен более высокий потенциал относительно анодов противоположной группы диодов, и в анодной группе открывается именно тот из диодов, потенциал к которому приложен более низкий по отношению к катодам диодов катодной группы.

Переход рабочих промежутков времени между диодами происходит в моменты естественной коммутации, диоды работают по порядку. В итоге потенциал общих катодов и общих анодов может быть измерен по верхней и нижней огибающим графиков фазных напряжений.

Мгновенные значения выпрямленных напряжений равны разности потенциалов катодной и анодной групп диодов, то есть сумме ординат на диаграмме между огибающими. Выпрямленный ток вторичных обмоток показан на диаграмме для активной нагрузки.



Рисунок 1.4 – Временные диаграммы токов и напряжений , иллюстрирующие ее работу при Ld=∞

1.2. Расчет параметров схемы выпрямителя со средней точкой

1. 
   Действующее значение фазового напряжения на вторичной обмотке трансформатора:
   

U2 = 0,85Ua = 0,85320 = 272 B

2. 
   Амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора:
   

U = 1,4U2 = 1,4272 = 380,8 B

3. 
   Максимально допустимое обратное напряжение на диоде:
   

U_{обр. макс} = 2,09Uа = 2,09320 = 668,8 B

4. 
   Рассчитываем средние значения токов через вентили:
   

I_aср =I_d =Ia/3=7,6/3=2,53 А

5. 
   По рассчитанным значениям выбираем марку диодов. Наиболее подходящий тип – КД205 И с параметрами 700 В и 300 мА.
   
6. 
   Рассчитываем мощности трансформаторов.
   

Для схемы с выводом нулевой точки (Pа = IаUа)

Р _тр = 1,35 Ра= 1,352432=3283,2 Вт

7. 
   Рассчитаем индуктивность дросселя, Lдр, необходимую для полного сглаживания тока.
   

Частота пульсации:

ω_п=3f =3*50=150 Гц,

где f – частота питающей сети

L др ≥ 5Rнω_п=53210³150=46,410⁶ Гн
1.3 Расчет параметров схемы выпрямителя по мостовой схеме

1. 
   Амплитудные значения линейных напряжений, среднее значение выпрямленного напряжения
   

U_do = 2,34U2 =636,5 B

2. 
   Максимальные величины обратных напряжений в вентилях;
   

U_{обр.макс} = 1,05 U2=1,05272=285,6 В

3. 
   Средние значения токов через вентили;
   

I_{a ср} =I_d =Ia/3=7,6/3=2,53 А

4. 
   Тип вентилей;
   

По вычисленным значениям U_{обр.макс} и I_a выбираем в качестве вентилей кремниевые диоды типа МД226 (шесть диодов по одному в плече моста).

5. 
   расчётные мощности трансформаторов для мостовой схемы Ртр = 1,05* Рa ,
   

Р_тр = 1,052432=2,6 кВт

6. 
   индуктивность дросселя, Lдр, необходимую для полного сглаживания тока, считается, что Ld=∞.
   

Выводы:

Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующие.

Трехфазные выпрямители применяются в основном для потребителей средней и большой мощности.

Важная особенность мостовой схемы (схемы Ларионова) - отсутствие вынужденного намагничивания сердечника трансформатора, поскольку ток дважды за период меняет свое направление и простота расчетов.
Задача 2
Задан мостовой выпрямитель, изображенный на рисунке 2.1, для которого даны:

• 
  напряжение холостого хода Uхх;
  
• 
  напряжение при максимальной нагрузке не менее Uн;
  
• 
  максимальная мощность Pmax;
  
• 
  предельно допустимый коэффициент пульсаций pдоп.
  

Емкость конденсаторов и индуктивность катушек ограничена Сmax=1000 мкФ, Lmax=1 Гн.
Требуется:

• 
  Построить схему фильтра и найти параметры его элементов;
  
• 
  Определить требования к трансформатору и катушкам фильтра.
  
• 
  построить внешнюю характеристику.
  

Рисунок 2.1– Схема мостового выпрямителя

Вариант	Параметры	Значения параметров
031	Uхх, В	320
	Uн, В	313
	Рмакс, Вт	1600 Вт

Исходные данные для расчета:

Решение:

1. 
   Исходя из ВАХ диода, примем
   

U_обр =50В I_пр =1,5 А.

2. 
   Определим максимальное значение постоянной составляющей тока нагрузки:
   

3. 
   Минимальное сопротивление нагрузки:
   

4. 
   Выпрямитель мостовой схемы с C-фильтром имеет коэффициент пульсаций:
   

5. 
   Емкость конденсатора фильтра:
   

По условию задания емкость фильтра не должна превышать значения 1000 мкф, поэтому применяем многозвенный C-LC-фильтр.

6. 
   Находим среднее значение напряжения:
   

7. 
   Потеря напряжения на активных элементах фильтра будет составлять:
   

8. 
   Активное сопротивление катушек:
   

9. 
   Амплитуда напряжения вторичной обмотки и постоянное напряжение на входе фильтра связаны между собой через косинус угла отсечки:
   

При холостом ходе напряжение на выходе выпрямителя становится равным амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора, т.е. Um=Uxx. Зная напряжение на входе фильтра, можно найти угол отсечки из равенства:0.398



Что соответствует углу отсечки 8,5 град или 0,148 радиан.

1. 
   
   
2. 
   
   
3. 
   
   
4. 
   
   
5. 
   
   
6. 
   
   
7. 
   
   
8. 
   
   
9. 
   
   
10. 
    Для такого угла отсечки найдем функции γ0(θ) и γ2(θ):
    

0.00033

11. 
    Зная угол отсечки, можно найти сумму сопротивлений диода и вторичной обмотки трансформатора, для этого воспользуемся формулой:
    

Ом

12. 
    Количество звеньев фильтра можно найти из формулы для определения коэффициента пульсаций на выходе фильтра, предварительно определимся с величинами:
    

Хс=1/C = 1/(2**50*10³*10^-6)=3,2 Ом

Х_L = L = 2**50*1=314 Ом



Округляем до целого в большую сторону 2 звена LC.

13. 
    Двухзвенный фильтр позволяет создать выпрямитель с необходимым коэффициентом пульсаций:
    

Выбор диода производится по этим двум параметрам Iа.пр и Uобр. Из справочника выписали максимальное обратное напряжение, средний ток. Необходимо значение внутреннего сопротивления вентиля Rд для дальнейших расчетов.

По ВАХ диода рассчитаем: при U₀ = 0,47 В величина Rд= 0,03/ 0,25 = 0,12 Ом.

Ранее найдена величина суммы R+2Rд=0,42 Ом, где R – активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора.

Отсюда следует, что активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора не должно превышать R=0,42-0,12·2=0,18 Ом.

14. Необходимый коэффициент трансформации, как отношение действующих значений напряжения на выходе и входе трансформатора:



Внешняя характеристика выпрямителя имеет вид Uн =f (Iн) показана на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 – Внешняя характеристика выпрямителя

Ответ:

Сф – 0,26 Ф; nR_k =0,48 Ом; Ra =0,18 Ом;

Кол-во звеньев n=2;

Коэф-т пульсаций р=0,000011; Коэф-т трансформации – К=0,7

Задача № 3
Дано:

• 
  напряжение в выпрямителе на вторичной обмотке трансформатора U2;
  
• 
  частота сети f = 50 Гц;
  
• 
  сопротивление диода в прямом направлении Rпр = 0.
  

Требуется:

1. определить:

- средние значения выпрямленного напряжения и тока на нагрузочном резисторе, Rн;

- среднее значение тока в диоде;

- максимальное обратное напряжение на диоде;

2. выбрать тип диода;

3. представить схему выпрямителя.

Исходные данные для расчёта представлены в таблице 3.1.

Вариант	Параметр	Расчет значений тока и напряжения
031	U2,B	20 В
	Rn, Ом	240 Ом
	схема	Однополупериодная

Решение:

1. 
   Среднее выпрямленное напряжение на нагрузочном резисторе определяется по формуле:
   

2. 
   Среднее значение выпрямленного тока и среднее значение тока в диоде:
   

3. 
   Максимальное обратное напряжение на диоде:
   

Для выбора диода берем 30% запас по прямому току и обратному напряжению диода, т.е.





Выбираем диод 2Д103А с I_{пр мах} =0,1А и U_{обр мах}=75 В.

Схема выпрямителя (рисунок 3.1):



Рисунок 3.1 – Схема однополупериодного выпрямителя

Ответ: U_ср =9 В; I_ср = 37,5 мА; U_{обр мах} =28,2 В

Тип диода - 2Д103А

Задача № 4
Дано:
Напряжение на нагрузке, сопротивление нагрузки и коридор изменения входного напряжения.

Требуется определить в параметрическом стабилизаторе (рис. 4.1):

1. сопротивление резистора, Rб;

2. коэффициент стабилизации, КстU;

3. максимальный ток стабилитрона, Imax.



Рисунок 4.1 – Схема параметрического стабилизатора

Исходные данные для расчёта:

Вариант	Параметр	Расчет значений токов и напряжений
031	Un, В	32 В
	Rn, Ом	3200 Ом
	U CT max, В	64 В
	UCT min ,В	54 В

Решение:

В параметрическом стабилизаторе на стабилитроне КС508А определить сопротивление резистора, Rб , коэффициент стабилизации, КстU , и максимальный ток стабилитрона, I max , если Uн = 32 В, Rн = 3200 Ом и Uвх изменяется от 54 до 64 В.

1. Параметры стабилитрона КС508А:

Uст=11В; Rдиф=11,5 Ом; Iст min=0.25 мА; Iст мах=23 мА.

2. 
   Определяем ток нагрузки
   

I_н = U_н /R_н = 32/3200=0,01 А

3. 
   Определяем сопротивление балластного резистора
   

4. 
   Коэффициент стабилизации
   

5. 
   Максимальный ток стабилизатора
   

Ответ:

1. сопротивление резистора, Rб=1 кОм;

2. коэффициент стабилизации, КстU= 47,2;

3. максимальный ток стабилитрона, Imax =22 мА.