Расчет неуправляемых и управляемых выпрямителей при различных режимах работы

                             СОДЕРЖАНИЕ

    

   Введение …………………………………………………………………. 4

1. Расчет  выпрямителянаактивную промышленную нагрузку …….. 5

     1.1Выборрациональной  схемывыпрямителя ……………………... 5

     1.2Расчеткачественных  показателейвыпрямителя ………………. 6

2. Расчет  выпрямителянаактивно-индуктивнуюнагрузку 

   электрических  аппаратов ……………………………………………… 8      

3.Особенностиработы  ирасчетвыпрямителя  наемкостной

     накопительэнергии ……………………………………………………. 11    

4.  Расчетвыпрямителяс  учетомявлениякоммутации ……………… 14

5.  Расчетуправляемоговыпрямителя  врежиместабилизации

     выходногонапряжения ………………………………………………... 16

6.Определениеэнергетическихпоказателей  выпрямителяпри

     различныххарактерах  нагрузки ……………………………………… 20

7.  Схематическоемоделированиевыпрямителя  спомощью

     программныхсредств ………………………………………………….. 26

8.  Разработкапринципиальнойсхемы  управляемоговыпрямителя

     дляэлектроприводапостоянного  тока ……………………………… 30

     Приложение А ………………………………………………………...... 33

     Приложение Б …………………………………………………………... 34

     Приложение В ………………………………………………………….. 35

     Приложение Г …………………………………………………………... 36

     Приложение Д ………………………………………………………….. 37

     Заключение ……………………………………………………………… 38

     Списоклитературы …………………………………………………….. 39

                                 

                                              Введение

Энергия,содержащаяся  вприродныхисточниках (каменный уголь,вода  ит.п.)является  первичной,аустройства,  преобразующиееёв  энергиюэлектрическую,называются  источникамипервичногоэлектропитания (ИПЭ).Непосредственноеиспользование  ИПЭзатрудненотем,  чтоихвыходное  напряжениевбольшинстве  случаевстандартноепеременное.   Междутемпочти  половинаэлектроэнергиипотребляемой  внашейстране  потребляетсяввиде  постоянногонапряженияразличных  значенийилитока  нестандартнойчастоты.Потребителями  могутслужить:электропривод (активно-индуктивнаянагрузка),  лампы,нагревательныеустройства (активнаянагрузка),  сварочныеаппараты,технологическиеустановки (активно-емкостнаянагрузка)  ит.д.

Питаниеподобных  потребителейосуществляетсяот  источниковвторичногоэлектропитания (ИВЭ). ИВЭ – этоустройства,  предназначенныедляпреобразованияэлектроэнергииИПЭ  довидаи  качества,обеспечивающихнормальное  функционированиепитаемыхим  потребителей.Всостав  ИВЭ,всоответствии  срисунком 1,кроме  самогоустройстваИВЭ  могутвходитьдополнительныеустройства.

Внешнееуправление

Устройство     управленияи  контроля

Источник  вторичногоэлектропитания

Устройство  защитыикоммутации

ИПЭ

Нагрузка

Сигналызащитыи  коммуникации

Рисунок 1 – Обобщеннаяструктурнаясхема  ИВЭ.

Вданной  работеподлежитразработке  ирасчётуполная  принципиальнаясхема,а  такжемоделированиеэлектрических  режимовсиловойчасти  электропитающегоустройствас помощью  программногопакетаEWB.

1.Расчетвыпрямителя  наактивнуюпромышленную нагрузку

Рассчитатьнеуправляемый  выпрямительсактивной  нагрузкой (безпотеринапряжения  вфазахвыпрямителя),  еслиизвестнысреднее  значениевыпрямленногонапряжения  итока: 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.vи 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 мгновенныхзначений: 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.vи I_эфф.v).

                1.1Выборрациональной  схемывыпрямителя

Для  определениятипасхемы  выпрямителярассчитаеммощность,  потребляемуювнагрузке:

                                               P₀ = U₀·I₀ ,                                                    (1.1)

     P₀ = 60·30 = 1800 Вт

В  результатенаиболеерациональным  типомвыбираемоднофазную  мостовуюсхемувыпрямителя,  всоответствиис  рисунком 1.1.

VD2

VD3

~U1

~U1

i1

VD4

i0

U0

VD1

i2

R0

Рисунок 1.1 - Принципиальнаясхемаоднофазного  мостовоговыпрямителя

Учитывая,что  вфазахнет  потерь, топороговоенапряжение,  динамическоесопротивлениепрямой  ветвиВАХдиода,  атакжеиндуктивность  рассеянияиактивное  сопротивлениеобмотоктрансформаторапринимаем  равнымнулю:   U_пор.v = 0,  R_g.v = 0,L_s = 0,  R_T + pR_g.v.   Тогдапринципиальнаясхема  приметвидв  соответствиисрисунком 1.2:

i0

U0

R0

VD2ид

VD3ид

VD4ид

e2

VD1ид

~

Рисунок 1.2 - Эквивалентнаясхема  однофазногомостового

                        выпрямителяс  учетомдопущений

           1.2Расчеткачественных  показателейвыпрямителя

Вычисляемчастоту  пульсацийf_П(1)   поформуле:

                                            f_П(1) = m₂·p·f₁ ,                                                (1.2)

где  m₂ – числофазвторичной  обмоткипреобразовательного

                трансформатора,m₂ = 1;

        p – тактностьвыпрямителя,  p = 2;

        f₁ – частота  питающейсети,f₁ = 50 Гц.

        f_П(1) = 1·2·50 = 100 Гц.

Вычисляемкоэффициент  пульсацийk_П(1)  поформуле:

                                        k_П(1) = ,                                              (1.3)

        k_П(1) = 0,667.

Вычисляемвеличину  сопротивленияR₀нагрузкипо  законуОма:

                                               R₀ = ,                                                      (1.4)

      R₀ = 60 / 30 = 2 Ом.

Вычисляемсреднее  значениепрямоготокаI_ср.v  вентиляпоформуле [1]:

                                                 I_ср.v =   ,                                            (1.5)

       I_ср.v = 30 / 1·2 = 15 А.

Вычисляемэффективное  значениепрямоготока  вентиляI_эфф.v  поформуле [1]:

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

где  k_ф.v – коэффициент  формыкривойтока  вентиля,

                 k_ф.v = 1,57 - принимаемв  зависимостиотсхемы

                 выпрямителя, [1,18].

       I_эфф.v = 1,57 ·15 = 23,55 А.

Вычисляемдействующее  значениефазныхЭДСE₂итокаI₂поформулам [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  максимальноеобратноенапряжение  навентилепо  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.Расчетвыпрямителя  наактивно-индуктивнуюнагрузку

электрическихаппаратов

Схемавыпрямителя (безпотерь  напряжениявфазах  выпрямителя),значениефазных  ЭДСE₂ ивеличина  активногосопротивленияR₀нагрузкисохранились  такими же,каки  впункте 1.2. Индуктивноесопротивление  нагрузкиX_L = m₂·p·ω·L₀начастоте  m₂·p·ω = m₂·p·2π·f₁ пульсацийосновной  гармоникивn = 3  разабольшевеличины  сопротивленияR₀.

Требуется:

1.Вычертить эквивалентную схему выпрямителя без потерь в фазах выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой.

2.Вычислить среднеезначение напряжения U₀ итока I₀ нагрузки, коэффициент пульсацийk_П(1)  на нагрузке, среднее I_ср.v  и эффективное I_эфф.v  значенияпрямого токавентиля,  действующеезначение I₂ тока i₂ вентильнойобмотки  преобразовательного  трансформатора.

3.Для  значенийфазовогоугла (-π/2≤ωt≤π/2)вычислить (для девяти значений ωt) вынужденнуюи  свободнуюсоставляющиетокаиполный  токi₀, атакжемгновенное  значениенапряженияu₀ нанагрузке R₀.

4.Вычертить (соблюдаямасштаб, принятыйв  задании №1)кривыемгновенных  значенийфазныхЭДСe₂,  выпрямленногонапряжения u₀ (отметить уровень U₀), токовi₀ , i_0,в , i_0,св (отметить уровень I₀),тока i₂ вентильной обмотки (отметить уровень I₂).

VD2ид

VD3ид

VD4ид

e2

VD1ид

i0

U0/

R0

L0

~

Рисунок 2.1 - Эквивалентнаясхема  однофазногомостового

                        выпрямителяпри  активно-индуктивнойнагрузке

          Расчет  качественныхпоказателейвыпрямителя

Вычисляеминдуктивное  сопротивлениенагрузкиX_L,  которое вn=3 раза  большевеличинысопротивления   R₀ ,поформуле:

                                          L₀ = ,                                                 (2.1)

гдеω – круговаячастота,  ω =2π·f₁,с^-1.

     L₀ = = 9,55·10^-3 Гн.

Вычисляем  величинувыпрямленногодействующего  значенияU₀^/поформуле:

                                                U₀^/ = ,                                                   (2.2)

      U₀^/ = = 60 В.

Таккак  среднеезначениеЭДСe_L  индуктивностиL₀запериод  равнонулю,то  среднеезначениенапряжения  навыходефильтра  инагрузкепрактически  одинаковы,т.е.U₀ = U₀^/ = 60 В.

Позакону  Омавычислимзначение  токаI₀ :

       I₀ = = 30 А.

Вычисляемкоэффициент  пульсацийk_П(1)  нанагрузкеR₀поформуле [1,22]:

                     k_П(1) =                   (2.3)

k_П(1) = = 0,211.

Вычисляемсреднее  значениепрямоготока  вентиляпоформуле (1.5):

                                                 I_ср.v =   ,                                           

       I_ср.v = 30 / 1·2 = 15 А.

Вычисляемэффективное  значениепрямоготока  вентиляI_эфф.v  поформуле (1.6):

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

гдеk_ф.v =

   I_эфф.v =

Вычисляемдействующее  значениетокаI₂вентильнойобмотки  преобразовательного  трансформаторапоформуле [1,22]:

                                            I₂ = ·I₀ ,              (2.4)

         I₂ = ·30 = 42,43 А.

Вычисляемвынужденную  i_0,ви  свободнуюi_0,св  составляющиеиполный  токi₀длязначений  угла  -π/2≤ω≤π/2  поформуле [1,20]:

i₀ = i_0,в + i_0,св =,(2.5)

гдеE_2m– амплитудноезначение  фазнойЭДСE₂,E_2m = E₂,В;

        φ = - arctg(- arctg(6,3⁰ .

Результатывычислений  заносимвтаблицу 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	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

Значениямгновенных  напряженийu₀определяемпо  законуОма,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   вприложении Б.

3. Особенности  работыирасчет  выпрямителянаемкостной

                             накопитель  энергии

Схема  выпрямителя,среднеезначение  выпрямленногонапряженияU₀итокаI₀осталисьтакими  же,каки  впункте 1.2,но  параллельноссопротивлениемR₀нагрузкивключен  конденсаторC₀.Вфазах  выпрямленияимеютсясопротивления  активныхпотерьR_П = R_ТР +p·R_ДV(R_ТР – омическоесопротивление  обмотоктрансформатора,R_ДV – динамическоесопротивление  вентиля),величинакоторых  вk = 15разменьше  сопротивленияR₀на нагрузке.Коэффициентпульсации  k_П(1)на  нагрузкеичастота  питающейсетиf₁такиеже,  каквпункте 2.1.

Требуется:

1.Вычертитьэквивалентную  схемувыпрямителя (с активным сопротивлением потерь в фазах) с  активно-емкостнойнагрузкой.

2.Вычислитьдействующие значения фазных ЭДС E₂ итокаI₂вентильнойобмотки  трансформатора;емкостьконденсатора  C₀,среднее  I_ср.vи эффективное I_эфф.v  значенияпрямого токавентиля.

3.Вычертить (соблюдаямасштаб, принятыйв  задании №1)кривыемгновенных  значенийфазныхЭДСe₂ (отметить уровень U₀ и значение двойного  угла 2θотсечки), тока i₂ вентильной обмотки (отметить уровень I₂)ипрямого  токаi_пр.v  вентиля (отметить уровень I_эфф.v и I_ср.v).

i0

U0

R0

VD2ид

VD3ид

VD4ид

e2

VD1ид

С0

~

Rп

Рисунок 3.1 - Эквивалентнаясхема  однофазногомостового

                        выпрямителяприактивно-емкостнойнагрузке

            Расчет  качественныхпоказателейвыпрямителя

Прирасчетепринимаем  коэффициентпульсацийвыпрямленного  напряжения k_П(1) = 0.Расчетведется  спомощьювспомогательныхкоэффициентов:A(θ),  B(θ),D(θ),  F(θ),H(θ).

КоэффициентA(θ)  определяемпоформуле [1,23]:

                                       A(θ) = π·                                      (3.1)

гдеR_П = R₀/k – сопротивлениепотерь.

          A(θ) = 3,14·

Потаблице [1,23]  определяемоставшиесякоэффициенты:

    B(θ) = 0,88;   D(θ) = 2,45;F(θ) = 7,51;H(θ) = 8700;угол  θ = 36,5⁰.

Вычисляем  действующеезначениефазных  ЭДСE₂поформуле [1,24]:

                                                         E₂ = B(θ)·U₀,                                           (3.2)

     E₂ = 0,88·60 = 52,8 В.

Вычисляем  действующеезначениетокаI₂по  формуле:

                                            I₂ = ·D(θ)·I_ср.v,                                     (3.3)

где  I_ср.v = = 15 А.

      I₂ = · 2,45·15 = 51,79 А.

Вычисляем  емкостьконденсатораC₀ поформуле:

                                       C₀ = мкФ),                             (3.4)

      C₀ = = 6184,83мкФ

Эффективныйток  вентиляопределяемпо  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.vприведены   вприложении В.

           4.  Расчетвыпрямителяс  учетомявлениякоммутации

Схема   выпрямителя,  активно-индуктивная  нагрузка,значениефазной  ЭДСE₂,величина  токаI₀нагрузки,  частотасетиf₁остались  такимиже,как  впункте 2.1,но  преобразовательныйтрансформаторимеет  индуктивностьрассеиванияL_S,за  счеткоторойвыпрямленное  напряжениеU_0γснижается  наℓ = 5%от  напряженияидеальноговыпрямителя.

Требуется:

1.Вычертитьэквивалентную  схемувыпрямителяс  коммутационнымипотерямив  фазахвыпрямителяпри  индуктивнойреакциинагрузки.

2.  Вычислитьуголкоммутации  γ,среднеезначение  выпрямленногоU_0γнапряжения,  действующеезначениетокаI_2γ,  вентильнойобмоткитрансформатора,среднее  I_пр.vиэффективное  I_эфф.vзначенияпрямого  токавентиля.

3.Вычертить (соблюдаямасштаб, принятыйв  задании №1)кривыемгновенных  значенийфазныхЭДСe₂,  напряженияu_0γ  навыходевентильного  устройства (отметить уровень U_0γ и  угол γ), тока i₂ вентильной обмотки (отметить уровень I_2γ,  значениеугла γ,и  уголпроводимостивентиля).

~

i0

U0/

R0

L0

VD2ид

VD3ид

VD4ид

e2    Ls

VD1ид

Рисунок 4.1 - Эквивалентнаясхема  однофазногомостового

                        выпрямителяприактивно-индуктивнойнагрузке

Расчеткачественных  показателейвыпрямителя

Вычислим  уголкоммутациивыпрямителя [1,26]:

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

гдеE_2m.лин – амплитудамежфазного  напряженияувентильных  обмоток,                  

       E_2m.лин = E_2m= E₂ = 94,2 В – дляоднофазноймостовой  схемы;

       L_S – индуктивностьрассеивания.

Для  определенияL_Sвоспользуемсяуравнением [1,26]:

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

       гдеU_0xx = U₀ = 60 В;

               R_П = 0;

                                     ℓ %= ,                                       (4.3)  

Подставляя  формулу (4.3)в(4.2),  ивыразивL_S,  получим:

                                    L_S = ,                                         (4.4)

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

Определяем уголкоммутации 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  действующеезначениетока  вентильнойобмоткитрансформатора I_2γпоформуле [1,28]:

                               I_2γ =                                    (4.5)

где

        = 0,988 – определяемпо  таблице [1,28].

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

Вычисляем  среднее значениепрямоготокаI_прγ  вентиля:

                                           I_прγ =                                             (4.6)

       I_прγ = = 14,25 А.

Вычисляем  эффективноезначениетокаI_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_2γприведены   вприложении Г.

5.  Расчетуправляемоговыпрямителя  врежиме

стабилизации выходного  напряжения

Управляемыевыпрямители  применяютсядлярегулирования  иизмененияэлектрических  режимоввпромышленных  электроприемникахпитающихсяотпостоянноготока.  Например,исполнительныйдвигатель  электроприводапостоянноготока,  топутемизменения  средневыпрямленногонапряжениярегулируется  частотавращенияротора.  Пристабилизации выпрямленного  напряжениядостигаетсястабильная  скоростьвращениядвигателя  вусловияхизменяющейся  механическойнагрузки.

m1, f1, u1

Тр

РВБ

m1, f1, u1

ФУ

СН

U0α

U0α

U0α, fп(1), kп(1)

UУИ

СУ

Рисунок 5.1 – Структурнаясхемауправляемого  выпрямителя

Всхеме  выпрямителя (см. рис.2.1)  диодызамененына  тиристорыивведен  нулевойдиод (дляулучшения  свойствуправляемоговыпрямителя).  Путемизмененияуглаα  включениятиристороввыходное  напряжениеуправляемоговыпрямителя  должноподдерживатьсянеизменным  науровне0,7·U₀приколебаниях  фазнойЭДСe₂отE_2min = 0,75·E₂доE_2max = 1,1·E₂ (значения E₂иU₀  сохранилисьтакими же,как  впункте 2.1).

Требования:

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

2.Вычислить  минимальноеα_min  имаксимальныйα_max  значенияугловвключения  тиристоровимаксимальное  значениекоэффициентаk_П(1)  пульсацийнавыходе  тиристорнойгруппы.

3.Построить  регулировочнуюхарактеристикувыпрямителя.

VD0ид

i0α

U*0α

R0

L0

i2

VS4ид

VS3ид

VS2ид

e2

VS1ид

–Uупр

Uос

СУ

~

4.  Вычертить (соблюдаямасштаб, принятыйвзадании №1)  кривыемгновенныхзначений  фазныхЭДСe₂инапряжения  U^/_0α  навыходетиристорной  группыприминимальном  E_2minимаксимальном  E_2maxзначенияхфазной  ЭДС (отметить уровень 0,7U₀изначения  α_minиα_max).

         Рисунок 5.2 – Эквивалентнаясхема УВ с активно-индуктивнойнагрузкой

           Расчеткачественных  показателейвыпрямителя

Определимкритический  уголвключениятиристоров по  формуле [1,35]:

                                           α_кр =                                          (5.1)

Подставляя  значения,получим:

         α_кр = = 0эл. град.

Определимноминальный уголвключения  тиристоров по формуле [1,35]:

                             U^*_0α = U₀·,                                    (5.2)

гдеU^*_0α– выходноенапряжение  управляемоговыпрямителя,

                  U^*_0α = 0,7·U₀заданопо  условию;

Выразивугол  включениятиристоров,получим:

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

Определим  minуголвключения  тиристоров.Таккак  приα_min  напряжениетожеминимальное,  тоU^*_0α = 0,7·U₀/0,75.Таккак  α_кр = 0,тоα_min  рассчитываемпоформуле (5.2):

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

Аналогичноα_min  определимα_max  сучетомтого,  чтоU^*_0α = 0,7·U₀/1,1.

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

Определиммаксимальный  коэффициентпульсацийна  выходетиристорнойгруппы  поформуле [1,40]:

                       k_П(1) = ·,                          (5.3)

гдеα = α_max – соответствующиймаксимальной  пульсациивыходного

                        напряжения;

          ·= 1,892

Определим коэффициент пульсаций навыходевыпрямителя по формуле:

                                            (5.4)

гдеL₀ – индуктивность  рассеивания, L₀ = 0,002 (см. пункт 4.2);

          = 1,602.

Определяемминимальное  имаксимальноеамплитудные  значенияЭДСвентильной  обмотки:

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

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

гдеξ_П и ξ_М – коэффициенты,  характеризующиеотклонение

                        действующегозначения  фазнойЭДСвентильной  обмотки

                        трансформатораот  номинальногозначенияE₂,

                        ξ_М = 1,1иξ_П = 0,75;

       E_2mmin = 0,75··66,61 = 70,65 В,

       E_2mmax = 1,1··66,61 = 103,62 В.

Графики   зависимостей  e₂(wt), u_0α(wt)  приминимальномE_2minимаксимальномE_2max  значенияхфазнойЭДС, приведены   в  приложении Д.

Регулировочная  характеристикауправляемоговыпрямителя.

Позависимости  (5.2)построимграфик  регулировочнойхарактеристикиоднофазного  управляемоговыпрямителя.

U0, В

α, эл. гр.

Рисунок 5.3 – Регулировочнаяхарактеристикаоднофазного  УВ.

Принципработыстабилизатора  напряжениявавтоматическомрежиме

Автоматическаястабилизация  напряженияназаданном  уровнеобеспечиваетсяза  счетвведенияв  УВконтураотрицательной  обратнойсвязи.Сигнал  обратнойсвязипоступает  сдатчиканапряжения  ДН, с постоянным  передаточнымкоэффициентомk_gн,ивоспринимаетсявходным  устройствомсистемыуправления  СУ. Такжена системууправления  подаетсязадающеенапряжение  U_α,предписывающеезначение  выходногонапряженияU_0α.  Вусловияхизменения  напряжениянавентильной  обмоткеотU_{2 min} = ξ_П·E_2номдо U_{2 max} = ξ_m·E_2ном   выходноенапряжениедолжно  поддерживатьсянауровне  0,7·U₀.

Входное устройство СУ формируетсигнал  рассогласования                    g = U_ос – U_α= k_gн·U_0α –U_α.Этотсигнал  поступаетнапреобразующее  устройство,гдеподвергается  интегрированию.Выходнойсигнал  преобразующегоустройстваобладаетспособностью  накапливатьсигналрассогласования.Сигнал  β(t)поступаетна  входсистемыимпульсно-фазовогоуправления,  котораявходитв  составСУ,в  результатечегоСИФУ  измеряетуголзадержки  включениятиристоровтаким  образом,чтобысигнал  рассогласованияg(t)  уменьшался.Процессрегулирования  завершаетсякогдаg(t)  достигаетнулевогозначения,  приэтомуправляющий  сигналβ(t) остаетсяпостоянным.

6. Определениеэнергетическихпоказателей  выпрямителяприразличных  характерахнагрузки

Требуется:

1.Выбрать тип  диода и тиристорадлясхем  выпрямителейзаданий 1, 5.Определить  пороговоенапряжениеU_пор.v  идинамическоесопротивление  R_gvпрямойветви  ВАХувыбранных  вентилей.

2.Вычислить  мощностьпотерьP_пот.v  ввентиляхза  счетпрохожденияпрямого  токаикоэффициент  использованияK_2,Tвентильной  обмоткитрансформатора.Пояснить,  какоевлияниена  величины P_пот.v  иK_2,Tоказывают  типсхемыихарактернагрузки.

3.Определить  значениеЭДСE₂,  необходимойдляполучения  заданногонапряженияU₀принагрузочном  токеI₀уреального  выпрямителясактивно-индуктивнойнагрузкой. Выбрать  трансформаторидвигатель  постоянноготокаДПТ. Рассчитатькоэффициент  полезногодействиятакого  выпрямителя.

                            Выбордиодови  тиристоров

Диодыитиристоры  выбираютсяподопустимому  прямому токаI_пр.доп  и амплитудномуобратному  напряжениюU_обр.max.

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

                               U_обр.max ≥ U_max.v / K_U

гдеK_I, K_U – коэффициентыиспользования  вентиля,K_I = K_U = (0,7÷0,8).

Вычислимзначения   I_ср.v / K_I  иU_max.v / K_U  длявыборадиодов,  вкоторыхI_ср.v = 15 АиU_max.v = 94,2 Вдля  заданий 1-4.Значениякоэффициентов  использованияпримем   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.

Понайденным  значениямвыбираемсиловой  диодтипаВК2-25 (Д212-25-200).Параметрывыбранного  диодаприведеныв  таблице 2 [1,103].

Таблица 2 – Основныепараметры  силовоговентиляВК2-25

Среднеезначение  номинальноготокаIном, А	Номинальноенапряжение  Uном, В	Прямое  падениенапряжения∆U,В	Обратный  токприUmax,мА	Значение интеграла 2спри Tp-n=1400Ct=10 мс
25	200	0,5	5	2320

Аналогичновычисляем  значенияI_ср.vs / K_I иU_max.vs / K_U  для выбора  тиристоров, вкоторых  I_ср.vs = 0,7·I_ср.v= 10,5 А (так  какU^*_0α = 0,7·U₀) и    U_max.vs = E_2mmax= 103,62 Вдля  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.

Понайденным  значениямвыбираемтиристор  типаT-25 (Т212-16-200). Параметрывыбранного  диодаприведеныв  таблице 3 [1,107].

Таблица 3 – Основные параметры  тиристораT-25

Пределный         ток, А	Напряжениеперкелючения, В	Прямое  падениенапряжения∆U,В (не более)	Прямой и обратныйтокутечки,мА	Значение интеграла 2спри Tp-n=1400Ct=10 мс
25(16)	200	1	10	2000

Определяемпороговое  напряжениеU_пор.v  идинамическоесопротивление  R_gvпрямойветви  ВАХувыбранных  вентилей.

          U_пор.v = ∆U = 0,5 Вдля диода

          U_пор.vs = ∆U = 1 Вдля  тиристора

                                      R_gv = ∆U/ I,                                                       (6.2)

гдеI – среднеезначение  прямоготокавентиля, А.

           R_gv = 0,5 /25 = 0,02 Омдля  диода

           R_gvs = 1 / 25 = 0,04 Омдля  тиристора

Определиммощность  потерьP_пот.v  ввентиляхза  счетпрохождениепрямого  токадлякаждого  виданагрузкипо  формуле [1,16].

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

гдеn– числодиодов, n = 4 – мостоваяоднофазная  схема.

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

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

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

Определимкоэффициент  использованияK_2,Tвентильной  обмоткитрансформаторадля  каждоговиданагрузки  поформуле [1,8].

                                  K_2,T= ,                                      (6.4)

K_2,T= = 0,812– активная  нагрузка,

K_2,T= = 0,637– активно-индуктивнаянагрузка,

K_2,T= = 0,658– активно-емкостнаянагрузка.

Исходяиз  рассчитанныхданных,можем  сделатьвывод,что  наиболееоптимальнойсхемой  являетсясхемасактивнойнагрузкой.

Определениезначения  ЭДСE₂,  необходимойдляполучения  заданногонапряженияU₀принагрузочном  токеI₀уреального  выпрямителясактивно-индуктивнойнагрузкой.  Дляэтоговоспользуемся  уравнением[1,26].

                      U₀ = ,                               (6.5)

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

      R_п – сопротивление  потерьвфазе,R_п = 2/15 Ом(см. л.12).

= = 60 + (

Изсоотношения   E₂/U₀ = 1,11/η_a[1,18],где  η_a = 1находимЭДС

       E₂ = 1,11·= 1,11·67= 74,37 В.

Определимзначения  КПДдлякаждого  виданагрузкипо  формуле

                           η = (6.6)

гдеP_{пот.тр-ра} – мощность потерьв  трансформаторе, Вт,

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

       где  R_тр – сопротивлениеобмотоктрансформатора,Ом,

                                        R_тр = R_п – p· R_gv,                                               (6.8)

η = = 0,91– активная  нагрузка,

η = = 0,893 – активно-индуктивнаянагрузка,

η = = 0,822 – активно-емкостнаянагрузка.

Выбортрансформатора  производимпонапряжению  сетиU₁ = 220 В,напряжению  вторичнойобмоткиU₂ = 74,37 В итиповой  мощноститрансформатора S_тип.

Определимтиповую  мощностьтрансформаторапо  формуле[1,8]

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

где S₁, S₂ – мощности сетевой  ивентильной обмотоксоответственно, Вт,

                                        S₁ = m₁·U₁·I₁,

                                        S₂ = m₂·U₂·I₂,                                                   (6.10)

гдеU₂ = 74,37 В (см. выше),

       I₂ = 41,42 (см. л.15),

ТокI₁находимиз соотношения

                                                                                                 (6.11)

       I₁ = I₂·= 41,42·= 14,01 А.

       S₁ = S₂ =1·220·14 = 3080 В·А

Выбираемтрансформатор  типаОСВМ-4,0-ОМ5 [2] сноминальной  мощностью   S_н = 4,0 кВ·А,   номинальным    напряжениемна   первичной   обмоткеU_ВН = 220 В   и   напряжением   на   вторичной   обмоткепри   холостом   ходуU_ННхх = 115 В.

Выборконденсатора производим  пономинальномунапряжению,  частотенапряженияи  емкостиC₀ = 6185 мкФ.  Посколькунесуществуетэлектролитическихконденсаторов  наемкостьC₀ = 6185 мкФ,  тосоединяемпараллельно   четыреконденсатора     К-50-24-63В-1000мкФ-В    и  конденсатор                         К-50-24-63В-2200мкФ-В   в  конденсаторнуюбатарею [3].

Выбордвигателя  постоянного   токапроизводим  пономинальнойвыходной  мощностивыпрямителя   и   выпрямленномунапряжению.Чтобвыбратьдвигатель  вычислимвыходнуюмощность  двигателяP_ном. 

                                             P_ном =                                                     (6.12)

гдеη – коэффициентполезного  действиядвигателя,

Выбираемдвигатель [4] постоянноготока4ПБМ-132МО4основные  параметрыкоторогоP_ном = 2,36 кВт, U_н = 110 В, I_н = 25,4 А, η = 80%, n_н = 1500 об/м.

Проверимвыбор  мощности:

          P_расч =  = 2250 кВт

Можно сделать вывод, что выбранный двигатель удовлетворяет условиям.

7.Схематическоемоделирование  выпрямителяспомощью

                           программныхсредств

Врезультате  математического  моделированиявыпрямителейпосхемамзаданий  1-3сиспользованиемпрограммы  Electronics Workbench5.12получить:

1.Распечатку  принципиальныхсхемвыпрямителей  ссимвольнымиобозначениями  элементов,значениямиих  параметровизначениями  параметровU₀,E₂,I₀,I_эфф.v,  I₁измеренными  цифровымивольтметрамииамперметрамипрограммы.

2.Осциллограммы  мгновенныхзначенийu₀(t),e₂(t),i_пр.v(t)  u_обр.v(t)приразличных  нагрузкахспояснением  ихформыи  соценкойстепени  приближениякрасчетным  графикам.

Моделированиевыпрямителя  приработена  активнуюнагрузку

Моделированиевыпрямителя  приработена  активно-индуктивнуюнагрузку

Моделированиевыпрямителя  приработена  активно-емкостнуюнагрузку

8.Разработка  принципиальнойсхемыуправляемого  выпрямителя дляэлектроприводапостоянного  тока

Принципиальнаясхема  приведенанарисунке 8.1.

             Состави  описаниепринципиальнойсхемы.

Устройствопредназначено для  преобразованияэлектрическойэнергии  переменноготокав  энергиюпостоянноготока  ирегулированиявыпрямленного  напряжения.

Принципиальная схема выпрямителя содержит следующие узлы и аппараты:

Øвводнойавтоматическийвыключатель  QF1;

Øоднофазныйтрансформатор  TV;

ØсиловыепредохранителиFU3иFU4;

Øмагнитныйпускатель  KM;

Øприборыиндикации  токаинапряжения  навыходеустройства  RS;

Øорганыконтроля  иуправленияустройством  SB;

Øблок  системыуправлениявыпрямителем  U;

Øблок  источникапитаниясистемы  управленияG;

Øвходныеи  выходныезажимысиловых  цепей.

Напряжениепитания  выпрямителяU = 220 В,f = 50 Гц,через  входныеклеммы подаетсяна  автоматическийвыключательQF1,  предназначенныйдляобесточивания  преобразователяприналадке,  осмотрах.Привключении  напряжениеподаетсяна  преобразующийтрансформатор.При  включенииавтоматическоговыключателя  QF2,установленногодля  защитыоттоков  короткогозамыканияитепловойзащиты  отдлительныхперегрузок,  напряжениечерезпредохранителиподается  насиловыеконтакты  магнитногопускателя.Магнитный  пускательпредназначендля  автоматическогодистанционноговключения  иотключениянепосредственнопреобразователя.При  включенииконтактораи  подаваемыхуправляющихимпульсов  насиловые

Рисунок 8.1 - Принципиальнаяэлектрическаясхема   однофазногоуправляемоговыпрямителя

полупроводниковыеприборы (тиристоры)засчетрегулирования  углаоткрытиятиристоров  происходитрегулируемоепреобразованиеэнергии  переменноготокав  энергиюпостоянноготока.  Длясигнализацииналичия  напряжениявпреобразователепредусмотрены  сигнальныелампыHL1  иHL2.

Устройствопозволяет  регулироватьнапряжениена  нагрузкевпределах  от0до60 Впри  потребляемоймощности1,8 кВт.

Основнойисточник  выделениятеплав  установке – силовойтрансформатор,тиристоры,  источникипитанияцепей  управления,катушкаконтактора,  силовыешины,разъемные  инеразъемныеконтактные  соединения.Возможнымиисточниками  электрическихимагнитных  помехмогутбыть  трансформаторTV,  контакторКМ,электрическая  машинапостоянноготока.

Аппараты и  элементысмаксимальными  габаритамиимассой:  Трансформатор,силовойпреобразователь,контактор.

Всостав  однофазноготиристорногопреобразователявходят  тири­сторы   VS1, VS2, VS3  и VS4,  трансформаторTV  исистемаимпульсно-фа­зовогоуправления  СИФУ.СИФУвырабатывает  импульсыуправлениятиристорами  сзаданнойфазой  поотношениюк  напряжениюсети.

                                               ПриложениеА

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

u0, В

U0

ωt

e2, В

ωt

ivd1, ivd4, А

Iэфф.v

Iср.v

ωt

Uобр.vd1, В

ωt

i2, А

ωt

                                           

                                              ПриложениеБ

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

i0, i0.cв, i0.в, А

I0

ωt

i0.св

i0.в

u0, В

U0

ωt

i2, А

I2

ωt

e2, В

ωt

i0, i0.cв, i0.в, А

I0

ωt

i0.св

i0.в

u0, В

U0

ωt

i2, А

I2

ωt

                                              ПриложениеВ

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

iпр.v, А

Iср.v

Iэфф.v

ωt

2·θ

e2

u0

ωt

U0

e2, u0, В

ωt

i2, А

I2

51,8

                                                ПриложениеГ

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

e2, В

ωt

γ = 36,87

u0γ, В

U0γ

ωt

ivd1, ivd4, А

ωt

ivd2, ivd3, А

ωt

                                                ПриложениеД

        Графики  зависимостей e₂(wt), u^*_0,α(wt), (отметить 0,7U₀, α_min, α_max) при E_2mminи E_2mmax.

e2, В

ωt

u*0, В

0,7·U0

ωt

αном=66,42

u*0, В

0,7·U0

ωt

αmin=29,93

u*0, В

0,7·U0

ωt

αmax=74,17

e2min, В

ωt

e2max, В

ωt

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  имоделированиеэлектропитающихустройств  дляпромышленныхустановок.: Учебное пособие.– Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000 г.

2.Электротехническийсправочник.: В 3-х т. Т.2. Электротехническиеизделияиустройства./Под ред. В.Г.Герасимови 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  производителяэлектродвигателей   (http://reference.elp.ru) http://reference.elp.ru/1/4/1/_elektrodvigateli_4PBM132