Файл: Задача 1. Выбор оптимального варианта структуры выпрямительного устройства (ВУ) Исходные данные.docx
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 64
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Задача №1.
Выбор оптимального варианта структуры выпрямительного устройства (ВУ)
Исходные данные
Таблица 1.1 – Исходные данные для расчёта
| Число фаз питающей сети, | Частота сети, Гц | Форма питающего напряжения | Выходное напряжение, В | Ток нагрузки, А | Коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке, не более, % | КПД, не менее |
| 1 | 10000 | Прямоуг. | 60 | 1 | 0,5 | 0,75 |
1.1 Альтернативные варианты функциональных элементов ВУ
Таблица 1.2 – Исходный набор функциональных элементов
| Трансформаторы | Схемы выпрямителя | Сглаживающие фильтры | ||
| Число фаз сердечника | Тип | Материал сердечника | ||
| Однофазный | ОЛ | Холоднокатаная сталь | Однотактная 2ф | Ёмкостной |
| Однофазный | ПЛ | Однотактная 3ф | Индуктивный | |
| Однофазный | ШЛ | Пермаллой | Двухтактная 1ф | Однозвенный, LC |
| Трёхфазный | ЕЛ | Ферриты | Двухтактная 3ф | Двухзвенный, LC |
К проектируемому ВУ предъявляются следующие требования:
при условии обеспечения заданного допустимого значения коэффициента пульсаций и снижения стоимости требуется выбрать вариант ВУ с минимальными потерями мощности и габаритами.
Для оценки степени выполнения требований о снижении потерь мощности в элементах ВУ, габаритов рекомендуется выбирать характеристики:
где – сумма потерь мощности в отдельных элементах ВУ;
– сумма объёмов конструктивных элементов ВУ;
, – максимально допустимые потери мощности и объём ВУ.
1.2 Построение морфологической матрицы
Структурные ограничения:
- из всех трансформаторов будем рассматривать только однофазные, из однофазных – отбраковываем ПЛ и ШЛ, так как для них на высокой частоте необходимо снижать индуктивность рассеивания обмоток или поток рассеивания ;
- так как частота сети высокая, то необходимо иметь малую площадь сердечника для быстрого перемагничивания, следовательно, отбраковываем холоднокатаную сталь;
- при прямоугольной форме напряжения из-за инерционности полупроводниковых диодов (превышение времени их закрытия над временем открывания) необходимо использовать ёмкостной фильтр;
- из четырёх схем выпрямления выбираем только – однофазную схему.
Таблица 1.3 – Морфологическая матрица
| Функциональные элементы | 1 | 2 |
| Тип сердечника трансформатора | ОЛ | |
| Материал сердечника трансформатора | Пермаллой | Ферриты |
| Схемы выпрямления | Однотактная 2ф | Двухтактная 1ф |
| Сглаживающие фильтры | Ёмкостной | |
Полное множество допустимых вариантов структур проектируемого ВУ:
1.3 Расчёт показателей качества
Определяем величину типовой (габаритной) мощности трансформатора:
где и – число фазных (первичных и вторичных) обмоток трансформатора;
и , и – действующие значения токов и напряжений в первичных и вторичных обмотках.
Для прямоугольной формы напряжения:
и .
Для обмоток трансформатора с выведенной средней точкой:
.
Для вариантов и с однотактной 2ф схемой:
Для вариантов и с двухтактной 1ф схемой:
Определим объём трансформатора с сердечника ОЛ по формуле:
где – максимально допустимая магнитная индуктивность;
– максимально допустимая плотность тока.
При мощности трансформатора и частоте :
для ферритов и ;
для пермаллоя и .
Для вариантов с сердечником из пермаллоя:
Для вариантов с сердечником из феррита:
Для вариантов с сердечником из пермаллоя:
Для вариантов с сердечником из феррита:
Потери в сердечниках ОЛ из пермаллоя и ферритов определим по формуле:
Потери мощности в меди трансформатора при мощности :
Для вариантов с сердечником из пермаллоя:
Для вариантов с сердечником из феррита:
Для вариантов с сердечником из пермаллоя:
Для вариантов с сердечником из феррита:
Определим максимальное значение обратного напряжения и средний прямой ток диодов:
Для вариантов и с однотактной 2ф схемой:
Для вариантов и с двухтактной 1ф схемой:
Используем высокочастотный диод типа КД213А с параметрами:
, ,
Потери мощности в полупроводниковых диодах определяем по формуле:
где – длительность существования носителя;
– прямое напряжение, приложенное к диоду;
– протекающий через диод прямой ток;
– частота переключения или сети.
Для вариантов и с однотактной 2ф схемой:
Для вариантов и с двухтактной 1ф схемой:
Объём полупроводникового диода с радиатором определим по формуле:
Для вариантов и с однотактной 2ф схемой:
Для вариантов и с двухтактной 1ф схемой:
Ёмкость фильтрующего конденсатора при прямоугольной форме напряжения численно равна:
где – длительность нарастания фронтов.
Для всех вариантов:
Выбираем конденсатор К50-24 с параметрами:
, , ,
Число конденсаторов, включенных параллельно в батарею, равно:
Объём одного конденсатора СФ определяется по формуле:
Объём батареи конденсаторов определяется по формуле:
Суммарные потери и объёмы для каждого варианта определяем по формулам:
Результаты расчётов показателей качества по всем вариантам приведены в таблице 1.4:
Таблица 1.4 – Результаты расчётов показателей качества
| № в-та | , Вт | , Вт | , Вт | , Вт | | , см3 | , см3 | , см3 | , см3 | |
| ВУ1 | 5,83 | 5,83 | 1,00 | 3,56 | 0,926 | 18,7 | 5,27 | 0,820 | 24,8 | 0,379 |
| ВУ2 | 1,84 | 1,84 | 1,00 | 2,17 | 0,563 | 41,9 | 5,27 | 0,820 | 48,0 | 0,733 |
| ВУ3 | 5,38 | 5,38 | 4,00 | 3,84 | 1,00 | 17,3 | 26,0 | 0,820 | 44,1 | 0,673 |
| ВУ4 | 1,70 | 1,70 | 4,00 | 2,72 | 0,708 | 38,7 | 26,0 | 0,820 | 65,5 | 1,00 |
Длина вектора качества определяется по формуле:
Выбираем два не худших варианта, у которых длины векторов наименьшие, а именно, и .
Выбор одного компромиссного варианта из подмножества не худшего осуществляется по формуле:
Так как мощности ВУ не очень большая, а применяется оно в ППН, то более существенное значение имеет снижение объёма (его габаритов), то есть и :
Оптимальный вариант структуры выпрямительного устройства является вариант с наименьшим значением условного критерия предпочтения, а именно, первый вариант:
Задача №2.
Расчёт характеристик инвертора при выборе компонентов его принципиальной схемы
Исходные данные
Таблица 2.1 – Исходные данные для расчёта
| Действующее значение прямоугольного переменного напряжения, , В | Действующее значение тока нагрузки, , А | Напряжение источника постоянного тока, , В | Мощность источника постоянного тока, , Вт |
| 80 | 0,25 | 27 | 27 |
Величина максимального напряжения, прикладываемого к закрытому транзистору, определяется из условия выбора предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер:
Максимальная величина тока коллектора, протекающего через транзистор в состоянии насыщения, зависит от среднего значения этого тока в течение полупериода :
Коэффициент полезного действия (КПД) инвертора определяется по формуле:
Мощность, отдаваемая в нагрузку, определяется по формуле:
Учитывая ток намагничивания трансформатора, то среднее значение тока коллектора необходимо увеличить примерно в 1,4 раза. А также в момент насыщения сердечника трансформатора ЭДС, индуктируемые в его обмотках, становятся равными нулю, и все напряжения прикладывается к транзистору, в результате чего ток возрастает в 3 – 4 раза, то есть:
Выбираем тип транзистора из условий и . Этим условиям соответствует транзистор типа КТ808А, его параметры приведены в таблице 2.2:
Таблица 2.2 – Параметры транзистора типа КТ808А
| Предельное напряжение коллектор-эмиттер , В | 120 |
| Предельный постоянный ток коллектора , А | 10 |
| Предельный постоянный ток базы , А | 4 |
| Постоянная рассеиваемая мощность коллектора , Вт | 50 |
| Минимальное значение статического коэффициента передачи тока | 15 |
| Напряжение насыщения коллектор-эмиттер , В | 2 |
| Напряжение насыщения база-эмиттер , В | 1,4 |
Пусковой делитель
При расчёте величины сопротивлений пускового делителя напряжения и необходимо получить компромиссное решение: обеспечить требуемую величину напряжения смещения базы относительно эмиттера транзистора при достаточно малых потерях мощности в делителе. Такое решение обеспечивается при условии:
где – напряжение смещения база-эмиттер транзистора при указанном всправочнике токе базы , принимает значение
Максимальная величина тока базы:
Выбираем стандартное значение
Соответственно величину сопротивления другого резистора рассчитаем по формуле:
Выбираем стандартное значение
Величина ёмкости конденсатора , шунтирующего резистор в момент включения инвертора, выбирается из условия , чтобы постоянная времени цепи заряда этого конденсатора была меньше половины периода коммутации. В качестве частоты коммутации выбираем одно из дискретных значений 10, 20 и 50 кГц (при увеличении частоты – уменьшается масса трансформатора, но возрастают динамические потери мощности), поэтому выберем . Следовательно:
Выбираем стандартное значение
Потери в делителе определяем по формуле:
Определение параметров трансформатора
Для определения числа витков полуобмоток первичной обмотки трансформатора выразим из выражения :
где – максимальное значение магнитной индукции в сердечнике трансформатора (индукция насыщения);
– площадь активного сечения стержня, на котором размещаются обмотки.
Выбираем для трансформатора инвертора с обратной связью по напряжению тороидальный магнитопровод из феррита ( и ). Типоразмер магнитопровода типа ОЛ16/26-6,5 () марки 40НМК с толщиной ленты 0,02 мм.