Расчет силовой части выпрямителя

 

Силовую часть выполняем по мостовой несимметричной схеме с тремя тиристорами и нулевым вентилем (рисунок 1). Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя устанавливается Г-образный LC-фильтр, применение которого обеспечивает жесткую внешнюю характеристику выпрямителя, а также благоприятный режим работы вентилей и трансформатора.

 

Рис. 1.

 

Временные диаграммы выпрямленного напряжения, токов в вентилях и в фазе вторичной обмотки трансформатора при работе выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку и углах регулирования , ,  приведены на рисунке 2 а, б и в соответственно. При построении диаграмм предполагалось, что трансформатор и вентили – идеальные, а индуктивность дросселя фильтра .

Тиристоры VS1-VS3 образуют катодную группу вентилей, диоды VD1-VD3 – анодную.В каждый момент времени ток проводят два вентиля: из катодной группы тот тиристор, на который подан сигнал управления и у которого в данный момент времени на аноде наиболее высокое положительное напряжение относительно катода, из анодной группы пропускает тот диод, у которого на катоде относительно анода наибольшее отрицательное напряжение. Коммутация диодов происходит в точках естественной коммутации. Напрямер, когда проводят VS1 и VD2, к нагрузке прикладывается линейное напряжение . В т. 1 VD2 закрывается и в работу вступает VD3, т.к. на его катоде наиболее низкий потенциал, при этом к нагрузке прикладывается напряжение . При открытии VS2 VS1 закрывается.

Выпрямленное напряжение имеет троекратные пульсации за период.

Уравнение нагрузочной характеристики имеет вид:

 

 

Рассмотрим режим работы . В отличие от симметричной схемы, в нашей схеме не появляются отрицательные участки выпрямленного напряжения . При прохождении отрицательной полуволны, например, тиристор VS1 будет оставаться открытым и проводить ток вместе с диодом VD1 той же фазы. В результате на интервале  нагрузка будет зашунтирована открытыми VS1 и VD1, который выполняет функцию нулевого вентиля. С целью уменьшения нагрузки на основные вентили и снижения потребляемой мощности на интервале,

включается диод VD0, который шунтирует нагрузку на интервале . Другое назначение VD0 заключается в том, что хотя очень часто защиту УВ при перегрузке по току и к.з. в нагрузке осуществляют посредством снятия импульсов управления с тиристоров в момент перегрузки, однако в рассматриваемой схеме при RL-нагрузке при снятии сигнала управления с тиристоров и отсутствии VD0 не все тиристоры закрываются, тот тиристор, который проводил ток до снятия сигнала управления, продолжает его проводить. В результате , несмотря на то, что импульсы управления не поступают. Для обеспечения запирания всех тиристоров включается VD0.

 

Рис. 2а. .             Рис. 2б.

 

Рис. 2в. .

 

Определим коэффициенты изменения питающего напряжения

                        

 

Определим (ориентировочно) активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы трансформатора, приведенные ко вторичной обмотке:

 

 

В нашем случае при соединении обмоток звезда-звезда, Kr=2,5, K_L=10^-3, S=3 и Bm=1 Тл при fc=400 Гц.

В качестве материала сердечника выбираем сталь Э330 толщиной 0,15мм, для которой ориентировочно принимаем Bm=1Тл.

Определим падение напряжения на активном сопротивлении трансформатора при минимальном и максимальном токах нагрузки:

 

 

Определим потери выпрямленного напряжения, обусловленные коммутацией, при минимальном и максимальном токе нагрузки:

 

 

Определим (ориентировочно) падение напряжения на активном сопротивлении дросселя фильтра при максимальном и минимальном значении тока нагрузки:

 

               

 

Максимальное среднее значение выпрямленного напряжения на входе фильтра (с учетом потерь на элементах):

 

 

- предварительное падение напряжения на тиристоре и диоде соответственно (при выборе элементов значения будут уточняться).

Минимальное фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора при минимальном напряжении сети:

 

 

Номинальное и максимальное фазное напряжение вторичной обмотки:

 

 

Минимальное среднее значение напряжения на входе фильтра:

 

Максимальный угол регулирования:

 

 

Среднее значение напряжения на входе фильтра и угол регулирования в режиме, соответствующем максимальной токовой нагрузке нулевого вентиля:

 

 

 

Средний ток тиристоров и диодов выпрямителя в режиме максимальной токовой нагрузки:

при

 

 

при  и наличии нулевого вентиля:

 

 

Действующее значение тока тиристоров и диодов в режиме максимальной нагрузки (при ):

 

Среднее и действующее значение тока нулевого вентиля в режиме :

 

 

Обратное напряжение на вентилях выпрямителя:

 

 

На основании данных расчета из справочника выбираем:

а) оптронные тиристоры типа ТО142-80 шестого класса с параметрами: допустимое повторяющееся напряжение , рекомендуемое рабочее напряжение , предельный ток , пороговое напряжение , динамическое сопротивление в открытом состоянии , импульсный отпирающий ток управления , импульсное отпирающее напряжение управления = 2,5 В, неотпирающий ток управления .

б) диоды Д112-16 третьего класса с параметрами: повторяющееся импульсное напряжение , предельный ток , пороговое напряжение , динамическое сопротивление , диапазон рабочих температур (-50…+150°С).

Мощность статических потерь в тиристоре:

 

Мощность статических потерь в диоде:

 

 

Мощность статических потерь в нулевом вентиле:

 

 

Требуемая площадь теплоотводящего радиатора для тиристора:

 

 

где - коэффициент теплоотдачи, зависящий от конструкции материала и степени чернения теплоотвода; для черненного ребристого алюминиевого теплоотвода .

- максимальная рабочая температура перехода, которая для надежности выбирается на 10…20°С меньше .

 - тепловое сопротивление между корпусом и теплоотводом, в нашем случае выбираем . Для уменьшения теплового контактного сопротивления поверхности корпуса вентиля и радиатора в местах контакта смазываем теплопроводящей пастой КПТ-8.

Требуемая площадь радиатора для диода:

 

Требуемая площадь радиатора для нулевого вентиля:

 

 

Уточняем величины прямого падения напряжения на тиристоре и диоде:

 

 

Производим расчет сглаживающего фильтра. Коэффициент пульсаций по основной гармонике на входе фильтра максимален при , из графика на рис. 2.2 [1], находим .

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке (по основной гармонике):

 

 

Требуемый коэффициент сглаживания фильтра:

 

Определяем произведение LC, полагая, что коэффициент передачи постоянной составляющей фильтра :

 

,

- число пульсаций за период.

Определяем индуктивность дросселя из условия получения индуктивной реакции фильтра в заданном диапазоне изменения тока нагрузки:

 

 

Определим амплитуду пульсаций по первой гармонике:

 

 

Действующее значение:

 

 

С учетом полученного значения L, максимального тока нагрузки, амплитуды пульсаций, делаем вывод, что стандартных дросселей, удовлетворяющих таким параметрам не существует, поэтому производим расчет дросселя фильтра с помощью данных из [3].

Для обеспечения лучшего сглаживания, рассчитаем дроссель с индуктивностью 10 мГн.

Выбираем Ш-образный сердечник из стали 3411(Э310). В=1,3 Тл, плотность тока j=5А/мм²;

 

К_О=0,35, К_С=0,95.

Выбираем магнитопровод ШЛ40х80 (ScKc=30см², So=40см²).

Определим количество витков:

 

 

Сечение провода:

 

.

 

Определяем немагнитный зазор:

 

 

Определим результирующую индуктивность:

 

 

Вычислим сопротивление дпосселя:

 

 

Расчетное значение емкости фильтра:

 

 

Рабочее напряжение конденсатора:

 

Выбираем конденсатор с органическим диэлектриком К73-17-400В-0,47 мкф с параметрами: пределы отклонения от номинального значения , допустимая амплитуда пульсаций на частоте 50 Гц и температуре 70°С составляет , в диапазоне частот от 50 Гц до 50 кГц допустимая амплитуда переменной составляющей рассчитывается по формуле:

 

,

 

Где K, n – коэффициенты, зависящие соответственно от частоты пульсаций и тампературы окружающей среды. При температуре 60°С согласно ТУ, n=0,9; при частоте пульсаций , коэффициент К=0,093.

Найдем полученный коэффициент пульсаций:

 

,

 

что удовлетворяет требованиям технического задания.

Уточняем минимальное, номинальное и максимальное напряжения фазы вторичной обмотки:

 

 

Действующее значение тока в фазе вторичной обмотки трансформатора в режиме максимальной токовой отдачи ( ).

 

 

При :

 

.

 

Расчетная мощность вторичных обмоток трансформатора:

 

 

Расчетное значение тока первичной обмотки (без учета тока х.х. трансформатора):

 

 

- коэффициент трансформации.

 

Рассчитаем мощность первичных обмоток:

 

Типовая мощность трансформатора:

 

 

Расчет трансформатора производим по методике, описанной в [3], исходя из следующих начальных данных:

 

1.

 

2. Выбираем ленточный магнитопровод стали Э330 толщиной 0,15мм.

3. Из графиков на рис. 17 выбираем величины:

, В=1Тл, , по таблице 1.6, 1.7 определяем Км=0,41, Кс=0,9.

Из выражения (1.1) определяем:

 

 

Из 1.3 определяем граничные значения а, см:

 

4. По таблице выбираем магнитопровод ЕЛ 32х64, размеры которого:

a=32мм, h=64мм, c=64мм, b=40мм, H=128мм, L=224мм

Активная площадь сечения Qса=11.5см², средняя длина магнитной линии l_CT=44.8см, величина QcQo=262см⁴, активный объем Vса=715см³, масса магнитопровода Gст=5450г.

5. Из графиков на рис. 1.8, 1.9 определяем удельные потери , удельная намагничивающая мощность .

По формуле (1.4) определяем потери в стали:

 

.

 

6. Из выражений (1.5) – (1.7) определяем ток х.х. и его составляющие:

 

 

Определим ток первичной обмотки, полагая :

 

 

Из (1.9) определяем абсолютное значение тока х.х.:

 

7. Из (1.12) Определяем поперечные сечения проводов обмоток:

 

 

Из таблицы 2.1 выбираем провод марки ПЭВ-1:

 

, , , ;

, , , .

 

Действительная плотность тока в обмотках:

 

 

Средняя плотность токов в обмотках:

 

 

8. Из (1.13) определяем числа витков в обмотках:

 

 

9. Конструктивный расчет обмоток:

Из (1.15):

Из (1.16) число витков в каждом слое:

 

 

Из (1.17) определяем число рядов обмоток:

 

, .

 

Из (1.19) определяем радиальные размеры обмоток:

 

 

Радиальный размер двух обмоток из (1.20):

 

 

Из (1.21) свободный промежуток в окне магнитопровода:

 

10. Определяем потери в проводах обмоток:

 

 

11. Из (1.28) определяем КПД трансформатора:

 

 

11. Из (1.29) - (1.31) определяем :

 

 

Определим коэффициент мощности схемы при минимальном и максимальном углах регулирования:

При :

 

 

При :

 

.