Расчет полупроводниковых выпрямителей

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

Профессионального образования

Тульский государственный университет

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Раздел «Электроника»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ

к расчетно-графической работе № 4

Расчет полупроводниковых выпрямителей

Для студентов всех форм обучения

Тула 2005

1. ВВЕДЕНИЕ.

Настоящее задание к рсчетно-графической работе по основам электроники и методические указания к его выполнению предназначены для студентов всех неэлектротехнических специальностей.

Основной целью выполнения работы является закрепление теоретического материала и приобретение практических навыков расчета различных устройств выпрямления как однофазного, так и трехфазного тока.

В общем виде задача расчета устройства выпрямления формулируется следующим образом: для заданной питающей сети переменного тока, характеризуемой действующим значением напряжения и частотой тока , выбрать наиболее целесообразную для заданного приемника энергии схему устройства и рассчитать его параметры из условий обеспечения требуемых значений выходных параметров выпрямителя – номинального среднего значения выпрямленного напряжения , номинального значения выпрямленного тока , коэффициента пульсации напряжения на нагрузочном устройстве.

Точное решение указанной задачи отличается значительной сложностью из-за взаимозависимости параметров трансформатора, диодов (вентилей), сглаживающего фильтра, приемника энергии постоянного тока, составляющих выпрямитель, и выходит за рамки электротехнических курсов, изучаемых студентами неэлектротехнических специальностей. Поэтому в учебных целях принимаются следующие допущения.

Во-первых, трансформатор и диоды выпрямителя считаются идеальными. Идеальный трансформатор имеет активные сопротивления обмоток и магнитный поток рассеяния, равные нулю, соответственно у идеального диода прямое сопротивление равно нулю, а обратное – бесконечности. Во-вторых, общая задача расчета выпрямительного устройства формально заменяется двумя не связанными между собой задачами:

задача 1. – задача расчета собственно выпрямителя, состоящего из трансформатора, блока диодов и активной нагрузки;

задача 2. – задача расчета сглаживающего фильтра, обеспечивающего заданное значение коэффициента пульсации напряжения на нагрузочном устройстве.

При строгом решении задачи конструирования выпрямительного устройства решаются задачи, аналогичные указанным, но с учетом зависимости параметров трансформатора и диодов от типов параметров сглаживающих фильтров.

2. ЗАДАНИЕ К РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЕ.

2.1. Постановка задачи 1.

Выбрать схему выпрямления и рассчитать параметры выпрямителя, содержащего идеальные трансформатор и диоды, при его работе на активную нагрузку. Величины среднего значения выпрямленного напряжения , среднего значения выпрямленного тока , вид нагрузки для каждого личного варианта студента указаны в табл. 1, а действующее значение напряжения питающей сети – в табл. 3 для каждого группового варианта. Частота питающего напряжения для всех вариантов .

При решении задачи требуется:

1. По исходным данным выбрать наиболее целесообразную схему выпрямления, указать преимущества и недостатки выбранной схемы.

2. Определить расчетные параметры трансформатора: действующие значения токов , и напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора, коэффициент трансформации и, если трансформатор необходим ( ), полные мощности и первичной и вторичной обмоток, типовую мощность трансформатора.

3. Определить расчетные параметры диодов выпрямителя: величины действующего и среднего значений выпрямленного тока, проходящего через каждый вентиль в прямом направлении; амплитуду обратного напряжения , приложенного к вентилю в непроводящий полупериод.

4. Подобрать наиболее подходящий к расчетным параметрам тип полупроводниковых диодов.

5. Изобразить схему выпрямления с указанием типа используемых диодов и графики временных диаграмм вторичного (вторичных ) напряжений трансформатора, напряжения и тока нагрузки выпрямителя.

2.2. Постановка задачи 2.

Для рассчитанного в задаче 1 полупроводникового выпрямителя выбрать схему сглаживающего фильтра и определить его параметры из условия обеспечения в нагрузке заданного значения коэффициента пульсации напряжения . Величина для каждого личного варианта студента указана в табл. 1.

При решении задачи требуется:

1. Дать обоснование выбора типа сглаживающего фильтра: а) емкостного, б) индуктивного, в) LC-фильтра, г) многозвенного LC-фильтра.

2. Изобразить схему сглаживающего фильтра с указанием рассчитанных значений параметров его элементов.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ 1.

Расчет выпрямителя рекомендуется проводить в следующей последовательности.

3.1. Выбор схемы выпрямления.

Во множество предлагаемых к применению схем выпрямления включены все основные типы выпрямителей:

1) однополупериодный выпрямитель; 2) двухполупериодный мостовой выпрямитель; 3) двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора; 4) трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом; 5) трехфазный мостовой выпрямитель [l, с. 226-234]. Выбор схемы выпрямителя, работающего без фильтра на активную нагрузку, в основном определяется номинальными средними значениями выпрямленного напряжения и тока в нагрузке, а также допустимой пульсацией напряжения на выходе. Поэтому при решении задачи рекомендуется выбирать схему выпрямления в соответствии с данными табл. 2, обеспечивая в первую очередь требуемый режим по напряжению и току в нагрузочном устройстве [4].

3.2. Расчет параметров диодов и трансформатора.

Каждая схема выпрямления имеет свои расчетные формулы для определения основных параметров диодов ( ) и трансформатора ( ). Эти формулы для выпрямителей с идеальными трансформатором и диодами, работающими на активную нагрузку, имеются в учебных пособиях [1, c.224-235; 2, c.166-184; c.218-221; 3, c. 34-48]. Для ориентации в указанном материале при выполнении расчетов необходимые формулы сведены в табл. 4.

Замечание. Расчетные формулы основных параметров трансформатора и диодов выпрямителя, работающего на нагрузочное устройство (фильтр) индуктивного или емкостного характера отличны от указанных [3]. Например, при использовании фильтра начинающего с емкости напряжение , прикладываемое к диоду, в два раза превышает питающее напряжение ( ), так как в момент времени, когда диод закрыт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора складываются.

3.3. Выбор типа полупроводниковых диодов.

Выбор типа диодов, удовлетворяющего основным расчетным параметрам , производится, исходя из предельных значений электрических параметров диодов (максимального среднего значения прямого тока , максимального обратного напряжения ), которые указываются в справочниках по полупроводниковым приборам. Краткая выдержка из справочника [5] представлена в табл. 5, При выборе типа диодов необходимо обеспечить, чтобы величина обрат­ного напряжения , приложенная к вентилю, была меньше максималь­ного обратного напряжения для выбранного типа диода ; соответственно среднее значение прямого тока диода должно быть меньше , а для действующего значения тока диода должно выполняться неравенство .

После выбора диода рекомендуется на отдельном листе начертить рассчитанную схему выпрямления с указанием типа используемых диодов. На этом же листе изобразить временные диаграммы токов и напряжений выпрямителя, поясняющие принцип его работы. На диаграммах указать численные амплитудные значения токов и напряжений схемы выпрямления.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ 2.

4.1. Выбор типа сглаживающего фильтра.

Типы используемых фильтров (емкостный, индуктивный, LC-фильтр, многозвенный LC-фильтр), принцип их действия описаны в пособии [l, с. 235-239].

При выборе типа сглаживающего фильтра для данного выпрямительного устройства приходится решать определенные оптимизационные задачи, основные условия которых следующие. Во-первых, выбираемый фильтр должен обеспечивать требуемое значение коэффициента сглажи­вания ( - коэффициенты пульсаций напряжения на входе и выходе фильтра), т.е. выполнять с заданным качеством свою основную функцию по уменьшению пульсации выпрямлен­ного напряжения. Во-вторых, требуемое значение коэффициента желательно получить при наименьших и, по крайней мере, приемлемых для реализации, габаритах (весе, стоимости) его электрических элементов.

Отметим, что параметры фильтра непосредственно зависят от величины нагрузочного резистора , например, от постоянных времени емкостного, индуктивного фильтров: чем больше , тем лучше сглаживаются пульсации входного напряжения. Поэтому выбираемый тип фильтра должен быть согласован с величиной нагрузки, а также режимами работы диодов и трансформатора применяемой схемы выпрямления. Ниже приводятся основные практические рекомендации по согласованию типов и парамет­ров фильтра, выпрямителя и нагрузки, в первом приближении решающие указанную задачу оптимизации.

1. При больших токах нагрузки (малых ) применяется
индуктивный фильтр. В этом случае требуемое значение коэффициента
сглаживания, пропорционально зависящее от величины постоянной
времени фильтра, может достигаться при относительно
малых значениях индуктивности , соответственно ее габаритах и
весе. Однако этот тип фильтра не используется совместно с однополупериодной схемой выпрямления из-за возникновения перенапряжения на закрытых диодах.

2. При малых токах нагрузки (больших ) рекомендуется
применять емкостный фильтр, коэффициент сглаживания которого
пропорционален постоянной времени фильтра ( ).

3. Возможность применения индуктивного или емкостного фильтра
можно оценить, рассчитав величины реактивных элементов и ,
которые должны быть приемлемы для реализации на стандартных,
выпускаемых промышленностью, элементах. В учебных целях далее
будем полагать, что низкочастотный ( ) дроссель фильтра
имеет приемлемые размеры, вес, стоимость, если величина его
индуктивности не превышает 5 Гн, Соответственно емкостный фильтр
будем считать реализуемым, если величина емкости его конденсаторов
не превышает величины 1000 мкФ.

4. Если индуктивный и емкостный фильтры имеют величины
реактивных элементов, превышающие указанные пределы для реализуемых элементов, то рекомендуется использовать LC-фильтр, сочетающий в себе достоинства двух первых фильтров.

5. При необходимости обеспечения большого коэффициента сглаживания (многие десятки и сотни единиц) применяются много­звенные фильтры. Коэффициент сглаживания такого фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания составлявших его однозвенных фильтров . Для получения заданного значения многозвенного фильтра при наименьших значениях коэффициентов и соответственно меньших габаритах и весе реак­тивных элементов целесообразно положить [3]. Также из условия наименьшей стоимости фильтра установлено, что двухзвенный фильтр выгодно использовать при , а трехзвенный – при [3].

При выполнении контрольной работы выбор типа сглаживающего фильтра следует проводить в соответствии с указанными рекомендациями. Для исходных данных работы, представленных в табл. 1. эти рекомендации в целях удобства использования конкретизированы в форме алгоритма рис. 1.

Рис. 1. Алгоритм выбора типа сглаживающего фильтра

4.2. Расчет индуктивного фильтра.

Если активное сопротивление дросселя составляет 5-20 % of сопротивления нагрузки, то для расчета индуктивности фильтра (Гн) можно использовать формулу [4]:

, (1)

где - сопротивление нагрузки (Ом); - частота основной гармоники выпрямленного напряжения (Гц), определяется по табл. 4.

4.3. Расчет емкостного фильтра.

При расчетё будем предполагать, что конденсатор фильтра работает в режиме неглубокого частичного разряда, т.е. пульсации его напряжения невелики. В этом случае для определения величины емкости фильтра (мкФ) используют приближенную формулу [4]:

. (2)

При пульсации напряжения на входе фильтра до 10% погрешность расчета по формуле (2) не превышает 10%.

4.4. Расчет LC-фильтра.

При выполнении условий , которые являются необходимыми условиями работы LC-фильтра, требуемое значение произведения ( ) для обеспечения заданного коэффициента пульсации фильтра можно определить по формуле [3]:

. (3)

Формула (3) получена для частоты и сопротивления дросселя .

Рассчитав величину произведения , переходят к нахождению значений величин, L и С в отдельности.

Одним из основных условий выбора величины L является обеспечение индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, которая необходима для большей стабильности внешней характеристики выпрями­теля. Кроме того, при индуктивной реакции фильтра получаем меньшие действующие значения токов в вентилях и обмотках трансформатора, а также меньшую расчетную мощность трансформатора. Индуктивная реакция фильтра обеспечивается при значениях , где критическое значение индуктивности (Гн) находится по формуле [3].

. (4)

Определив по формуле (4) величину и выбрав , рассчитывают величину емкости С, воспользовавшись выражением (3).

После определения величин L и C необходимо проверить условие несовпадения резонансной частоты фильтра с частотой основной гармоники выпрямленного напряжения. При невыполнении условия выбирается новое значение и пересчитывается величина C по формуле (3).

5. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.

Пример 1. Решить задачу 1 при следующих исходных данных: .

1. Выбираем двухполупериодную мостовую схему выпрямления, она наиболее полно, согласно данным таблицы 2, удовлетворяет параметрам .

Рис. 2 Рис. 3

2. Находим расчетные параметры трансформатора, используя формулы табл. 4:

Так как трансформатор необходим ( ), то продолжаем расчет его основных параметров:

3. Определяем расчетные параметры диодов выпрямителя.
Воспользовавшись формулами табл. 4, находим:

4. Выбираем наиболее подходящий для выпрямителя тип полупроводникового диода. В соответствии с данными табл. 5 выбор останавливаем на диоде Д242Б, для которого:

5. Схема выпрямления представлена на рис.2, а диаграммы ее напряжений и токов показаны на рис. 3.

Пример 2. Решить задачу 2 при следующих исходных данных: .

1. Рассчитываем требуемое значение коэффициента сглаживания

Фильтра:

.

2. Выбираем тип сглаживающего фильтра в соответствии с алгорит­мом рис. 1. Так как , то применяем двухзвенный LC-фильтр (рис. 4), Коэффициент сглаживания каждого каскада этого фильтра:

.

Рис. 4

3. Рассчитываем однокаскадный LC-фильтр с коэффициентом сглаживания .

Но формуле (3) определяем величину произведения:

.

По формуле (4) находим критическое значение индуктивности фильтра:

.

и выбираем . Тогда необходимо брать емкость фильтра .

Конденсатор такой емкости ( ) имеет неприемлемо большие габариты и вес. Поэтому выбираем новое значение индуктивности , приемлемое для реализации. В этом случае емкость реализуема на стандартных конденсаторах.

Рассчитываем резонансную частоту фильтра:

.

Убеждаемся, что условие ( ) отсутствия резонанса в фильтре выполняется ( ).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.

1. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова,
3-е изд. - М.; Высш. школа, 1986,- 336 с.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника - М.: Электроатомиэдат,
1983,- 440 с.

3. Китаев В.Е., А.А. Бокуняев. Расчет источников электропитания
устройств связи – М.: Связь, 1979. - 216 с.

4. Рогинский В.Ю. Расчет устройств электропитания аппаратуры
электросвязи - М.: Связь, 1972. - 360 с.

5. Электротехнический справочник. Т.1,2. 7-е изд. - М.: Энергоиздат, I985, 1986. – 711 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5