Методичка, страница 5

4. Определяем падение напряжения на диодах схемы U_{д сх}. Если из справочных данных на выбранный диод невозможно определить его внутреннее сопротивление R_i или определить падение напряжения по вольтамперным характеристикам диода, то можно принять падение напряжения на одном диоде равным 1 В для кремниевых диодов и 0,6 В для диодов Шоттки.

5. Ориентировочное значение падение напряжения на дросселе U_др в зависимости от P_н = U_нI_н определяем из таблицы 5.

Таблица 5

6. Находим выпрямленное напряжение при холостом ходе:

U_хх = U_н + U_r + U_L + U_{д сх} + U_др (38)

7. Уточняем значение обратного напряжения на диоде U _{обр макс} (таблица 4), которое должно быть меньше, чем максимальное обратное напряжение выбранного диода.

8.Вычисляем (таблица 4) э.д.с. фазы вторичной обмотки Е₂ = U_2х и действующее значение тока вторичной обмотки I₂.

9. Находим коэффициент трансформации k_тр = E₁/E₂ . Значение э.д.с. первичной обмотки E₁ можно приближенно вычислить (смотри формулу 43), зная входное напряжение U₁ и внутреннее падение напряжения ΔU₁ первичной обмотки. Определяем приближенное (без учета тока холостого хода трансформатора) действующее значение тока первичной обмотки I₁.

10. По уточненному значению U_хх корректируем величину габаритной мощности.

11. По формуле (36) находим оптимальную индуктивность дросселя фильтра. Если выпрямитель должен работать в некотором диапазоне токов нагрузки, то при расчете в (36) необходимо подставлять минимальное значение тока I_{н мин}.

12. По справочникам выбираем дроссель L_фильтр. Ток подмагничивания выбранного дросселя должен немного превышать номинальный ток нагрузки I_н. Если необходимую индуктивность не удается обеспечить с помощью одного дросселя, то допускается последовательное соединение нескольких дросселей.

13. Вычисляем по формуле (30) коэффициент сглаживания и при известном L_др= L_фильтр из формул (33) или (34) находим емкость фильтра C_ф. По справочникам выбираем конденсатор фильтра C_фильтр. Если необходимую емкость не удается обеспечить с помощью одного конденсатора, то допускается параллельное соединение нескольких конденсаторов. Номинальные значения L_фильтр и C_фильтр должны быть равны или несколько превышать вычисленные ранее L_др и C_ф.

L_фильтр ≥ L_др; C_фильтр ≥ C_ф

При выборе следует учитывать, что напряжение пробоя конденсаторов (без учета перенапряжений) должно быть рассчитано на холостой ход выпрямителя, т. е. U_проб ≥ U_хх.

14. Уточняем падение напряжения на дросселе

U_др= I_нR_др (39)

где R_др – сопротивление обмотки дросселя, взятое из справочных данных на дроссель.

С учетом (39) окончательно корректируем параметры, вычисленные в пунктах 6, 7, 8, и 9.

15. Нагрузочная (внешняя) характеристика выпрямителя представляет собой прямую линию и строится по двум точкам:

- холостой ход I =0; U = U_хх

- номинальная нагрузка I = I_н; U = U_н.

По ее наклону можно определить внутреннее сопротивление выпрямителя:

16. При включении выпрямителя в силу возникающих переходных процессов на конденсаторах фильтра возникают кратковременные перенапряжения. Для их определения предварительно находим коэффициент затухания α_Ф и собственную частоту ω_ф фильтра:

По отношению α_Ф/ω_ф и по кривой 1 на рис. 8 находим величину ∆U'_н/U_н,

Рис. 8

откуда максимальное напряжение на конденсаторе в момент включения выпрямителя будет равно:

Напряжение пробоя выбранного конденсатора фильтра должно быть не меньше U'_{с макс}.

16. Если ток нагрузки резко изменяется от I_н до I_{н мин}, то на конденсаторе фильтра также возникнут перенапряжения. Для их определения находим:

По отношению α_Ф1/ω_ф и по кривой 2 на рис. 8 определяем значение χ_в, пропорциональное относительному увеличению напряжения на конденсаторе фильтра в момент уменьшения нагрузки ∆U''_н/U_н:

Затем рассчитываем амплитуду напряжения на конденсаторе фильтра в момент уменьшения нагрузки:

Напряжение пробоя выбранного конденсатора фильтра должно быть не меньше U''_{с макс}.

5. Расчет трансформатора малой мощности

После расчета фильтра, выпрямителя и определения входных и выходных напряжений и токов трансформатора, обеспечивающих в нагрузке номинальные ток и напряжение, можно приступить к расчету конструктивных параметров трансформа-тора. Исходными данными являются величины, полученные в результате расчета выпрямителя и фильтра, а также указанные в задании на проектирование:

1. Напряжение питания U₁;

2. Частота питающего напряжения f;

3. Э.д.с. Е₂ вторичной обмотки;

4. Ток вторичной обмотки I₂.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Трансформаторы малой мощности классифицируются по различным признакам [3]: по мощности (малые, средние и боль­шие), по системе тока (однофазные и трехфазные), по рабочей частоте (нормальной частоты - 50 Гц, повышенной частоты – 100 - 10000 Гц, ультразвуковой частоты - свыше 100000 Гц, импульсные), по напряжению (низковольтные - до 1000 - 1500 В и высоковольтные - свыше 1000 - 1500 В), по типу конструкции (броневые, стержневые, тороидальные), по режиму работы (продолжительного, кратковременного, повторно-кратковременного ре­жимов работы и разового действия), по областям применения (об­щего и специального назначения, как например, трансформаторы авиационной аппаратуры, судовой аппаратуры и т.п.).

Катушка у броневого трансформатора располагается на среднем стержне. У стержневого трансформатора катушки обычно находятся на обоих стержнях, причем каждая катушка содержит половинное число вит­ков соответствующей обмотки трансформатора. Витки обмоток нама­тываются слоями на гильзу или каркас. Первой располагается пер­вичная обмотка, на ней – вторичные обмотки, при одной вторичной обмотке трансформатор называется двухобмоточным, при двух - трехобмоточным и т.д.

Данная методика предназначена для расчета однофазных двухобмоточных или многообмоточных трансформаторов общего назначе­ния стержневой и броневой конструкций мощностью до 800 ВА (50) Гц, и 2500 ВА (400 Гц), при напряжении вторичной обмотки до 1000 В. Режим работы - продолжительный.

В результате расчета должны быть определены:

1. Форма и геометрические размеры сердечника;

2. Данные обмоток (числа витков, марки и диаметры проводов);

3. Электрические и эксплуатационные параметры трансформато­ра (к.п.д., ток холостого хода, температура перегрева обмоток).

Форма и геометрические размеры магнитопровода

Конструктивные данные трансформатора определяются из следующих известных из теории зависимостей для действующих значе­ний первичной э.д.с. Е₁ и первичного тока I₁:

E₁ = 4,44 f w₁Ф_макс

(40)

I₁ = δ₁S_пр1

где δ₁ - плотность тока в первичной обмотке, А/мм²;

S_пр1 - сечение меди провода первичной обмотки, мм².

Подставив в эти формулы выражения

Ф_макс = B_макс k_ст F_ст и

и используя систему единиц СИ, получим:

E₁ = 4,44 f w₁ k_ст F_ст B_макс 10^4, В (41)

(42)

В выражениях (41) и (42):

f - частота напряжения, Гц;

w₁ - число витков первичной обмотки;

B_макс - амплитудное значение магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора, Тл;

F_ст - площадь поперечного сечения магнитопровода, см²;

k_ст - коэффициент стали, учитывающий наличие изоляции пластин и неплотность сборки пакета магнитопровода.

k_ст = F_{ст акт}/F_ст - отношение площади поперечного сечения всех листов стер­жня магнитопровода без изоляции к произведению ширины стержня на толщину пакета магнитопровода;

F_{ст акт} - активное сечение стали магнитопровода, см²;

I₁ - первичный ток;

F_о - площадь окна магнитопровода, см²;

k_м - коэффициент заполнения окна магнитопровода медью (отно­шение суммарной площади поперечного сечения всех прово­дов обмоток трансформатора, пронизывающих его окно, к площади окна);

η_н - к.п.д. трансформатора в номинальном режиме;

1/(1 + η_н ) - коэффициент, учитывающий площадь меди окна, приходящуюся на первичную обмотку (примерно равен одной второй);

Э.д.с. обмотки E₁ и напряжение на выводах вторичной обмотки U₂ могут быть найдены (при известных E₂ и U₁) из выражений

; (43)

Здесь U₁% и U₂% величины падений напряжений в обмотках, вы­раженные в % от номинального напряжения. Ориентировочные значения величия U₁% и U₂% для броневых трансформаторов на 50 и 400 Гц с наибольшим напряжением вто­ричной обмотки до 1000 В, работающих при температуре перегрева обмоток t_м = 50 С приведены в таблице 6.

Таблица 6

При использовании стержневых магнитопроводов указанные в таблице 6 величины U₁% и U₂% должны быть уменьшены на 20 – 30%. При расчете многооб­моточных трансформаторов рекомендуется принимать U₂% для об­моток, расположенных непосредственно на первичной, на 10 – 20% меньше, а для наружных на 10 -20% больше указанных в таблице 6.

Номинальную мощность трансформатора определим как