Расчет выпрямителей с индуктивно - емкостным фильтром - Расчет вторичного источника электропитания

При токах нагрузки, превышающих 500 мА, применение простейшего емкостного фильтра не оправдано, т. к. для обеспечения необходимой фильтрации требуется емкость слишком большой величины. В этом случае целесообразно применение разнообразных индуктивных фильтров, наибольшее распространение из которых получил Г - образный LC фильтр. Рассмотрим особенности расчета выпрямителей, работающих на активную нагрузку, в которых необходимый коэффициент пульсаций обеспечивается LC фильтром.

Схема LC фильтра приведена на рис. 7.

Рис. 7

Здесь LДр - индуктивность, а RДр - активное сопротивление дросселя, RН - номинальное сопротивление нагрузки, CФ - емкость фильтра.

Обозначим KП0 _ коэффициент пульсаций на входе фильтра (определяется выбранной схемой выпрямления), а KП1 - на выходе (на нагрузке). Назовем коэффициентом сглаживания фильтра Q отношение этих коэффициентов:

(30)

При выбранных обозначениях приближенное значение коэффициента сглаживания можно получить в виде следующего равенства:

Q ? P2Щ2LДрCФ _ 1 (31)

Где P - число фаз выпрямления, а щ = 2 р F - угловая частота сетевого напряжения.

Так как при расчете фильтра коэффициент сглаживания задан и искомыми величинами являются LДр и CФ, то выражение (31) удобнее переписать в виде:

(32)

Если выразить LДр В генри, а CФ в микрофарадах, то получатся следующие расчетные формулы:

    А) при F = 50 Гц (33) Б) при F = 400 гц (34)

Величины LДр И CФ обычно выбирают такими, чтобы реактивное сопротивление дросселя было заведомо больше реактивного сопротивления конденсатора, т. е. чтобы выполнялось неравенство

(35)

Однако такое соотношение величин LДр И CФ еще не обеспечивает индуктивную реакцию нагрузки на выпрямитель во всем диапазоне изменения тока нагрузки, т. е. при этом условии ток через дроссель может иметь перерывы, характерные для выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку.

Минимальную индуктивность дросселя, при которой выполняется условие непрерывности тока, часто называют критической индуктивностью фильтра. Часто вместо критической выбирают оптимальную индуктивность дросселя, чтобы надежно обеспечить режим работы, при котором ток нагрузки не прерывается. При этом под оптимальной индуктивностью понимают индуктивность LДр опт = 2 LКрит.

Оптимальная индуктивность дросселя фильтра может быть рассчитана по формуле

(36)

Выбирать большие значения индуктивности дросселя не рекомендуется, ибо индуктивность дросселя сильно влияет на величину перенапряжений на элементах фильтра при включении выпрямителя.

Одновременно с указанными требованиями к выбору индуктивности и емкости фильтра необходимо считаться и с тем, что при совпадении резонансной частоты фильтра

(37)

С частотой пульсации возможно не только сглаживание, но и резкое резонансное усиление пульсации. Чтобы этого избежать, величины LДр и CФ выбираются такими, чтобы резонансная частота дросселя была намного ниже основной частоты пульсации. Обычно рекомендуется выбирать элементы фильтра так, чтобы выполнялось неравенство PЩ > 2щФ. Из сказанного следует, что выбор LДр и CФ приходится делать так, чтобы одновременно удовлетворять всем указанным требованиям, в том числе и заданному коэффициенту сглаживания.

Для расчета выпрямителя обычно задаются следующие параметры:

Номинальное значение выпрямленного напряжения UН;

Номинальное значение выпрямленного тока IН;

Минимальное значение выпрямленного тока IН мин;

Коэффициент пульсации на выходе фильтра KП1;

Напряжение питающей сети U1;

Частота питающей сети F .

Ожно предложить следующий порядок расчета:

В соответствии с исходными данными выбираем схему выпрямления. Расчетные формулы для выпрямителей, работающих с индуктивным фильтром, приведены в таблице 4.

Таблица 4

Наименование параметра

Схемы выпрямления

Двухполупериод-ная со средней точкой

Однофазная мостовая

Трехфазная мостовая

(Ларионова)

Число фаз выпрямления P

2

2

6

Среднее значение тока диода IД ср

0,5 IН

0,5 IН

0,33 IН

Обратное напряжение на диоде U обр макс

3,14UХх

1,57UХх

1,05UХх

Амплитудное значение тока диода I д макс

IН

IН

IН

KR

7

5,2

2,5

KL

5,5 .10-3

6,4 .10-3

1,0 .10-3

Падение напр. на приведенном активном сопротивлении UR

IН RТр

IН RТр

2IН RТр

Падение напр. на сопр. рассеяния UL

2IН F р LS

2IН F р LS

6IН F р LS

Падение напр. на диодах схемы UД сх

IНRI

2IНRI

2IНRI

Действ. э. д.с. вторичной обмотки E2 = U2х

1,11 UХх

1,11 UХх

0,43 UХх

Действующий ток вторичной обмотки I2

0,71 IН

IН

0,82IН

Действующий ток первичной обмотки I1

IН/KТр

IН/KТр

0,82IН/KТр

Габаритная мощность трансформатора PГаб

1,34 UХхIН

1,11 UХхIН

1,05 UХхIН

KП0 %

67

67

5,7

По табличным формулам рассчитываем среднее значение тока диода IД ср, его амплитудное значение I д макс и обратное напряжение U обр макс. При расчете U обр макс на этом этапе напряжение холостого хода выпрямителя UХх можно принять приближенно равным 1,1UН, далее значение UХх уточняется.

По справочнику выбираем тип диода, параметры которого должны превышать перечисленные значения.

2. Прежде чем приступить к расчету, необходимо выбрать материал сердечника трансформатора, значение максимальной индукции и на их основе провести предварительный расчет активного и реактивного сопротивления обмоток трансформатора. Пренебрежение реактивным сопротивлением рассеяния практически не влияет на точность расчета и вполне допустимо в тех случаях, когда оно мало по сравнению с активным сопротивлением вентиля и трансформатора. Однако при использовании вентилей с малым внутренним сопротивлением (германиевые и кремниевые диоды) индуктивное сопротивление рассеяния необходимо учитывать при расчете даже маломощных низковольтных выпрямителей, так как оно составляет значительную часть сопротивления фазы выпрямителя. Учет индуктивного сопротивления рассеяния особенно необходим при повышенной частоте питающей сети.

Активное сопротивление обмоток трансформатора RТр и его индуктивность рассеяния LS в начале расчета выпрямителя обычно неизвестны. Поэтому, приступая к расчету схемы выпрямителя, нужно иметь возможность определить эти величины хотя бы приближенно, исходя из заданных параметров выпрямителя.

Ориентировочное значение активного сопротивления фазы вторичной обмотки трансформатора, подсчитывается по формуле (1), а ориентировочное значение индуктивности рассеяния фазы вторичной обмотки трансформатора по формуле (2),

Величину максимальной индукции ВМакс в зависимости от выбранного материала сердечника и габаритной мощности трансформатора можно подобрать по таблице 1, а коэффициенты KR и KL при индуктивной нагрузке по таблице 4.

Выбираем материал сердечника трансформатора и в соответствии с PГаб (таблица 4) находим по таблице 1 значение максимальной индукции ВМакс. Затем вычисляем сопротивление обмотки RТр и индуктивность рассеяния LS.

    3. Находим (таблица 4) падение напряжения на активном UR и реактивном UL сопротивлениях трансформатора. 4. Определяем падение напряжения на диодах схемы UД сх. Если из справочных данных на выбранный диод невозможно определить его внутреннее сопротивление RI 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 UДр в зависимости от PН = UНIН определяем из таблицы 5.

Таблица 5

PН = UНIН, Вт

UДр при F = 50 Гц

UДр при F = 400 Гц

10 - 30

30 - 100

100 - 300

300 - 1000

1000 - 3000

(0,2 -0,14)UН

(0,14 -0,1)UН

(0,1 -0,07)UН

(0,07 -0,05)UН

(0,05 -0,035)UН

(0,07 -0,05)UН

(0,05 -0,035)UН

(0,035 -0,025)UН

(0,025 -0,018)UН

(0,018 -0,012)UН

6. Находим выпрямленное напряжение при холостом ходе:

UХх = UН + UR + UL + UД сх + UДр (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 = U2х и действующее значение тока вторичной обмотки I2. 9. Находим коэффициент трансформации KТр = E1/E2 . Значение э. д.с. первичной обмотки E1 можно приближенно вычислить (смотри формулу 43), зная входное напряжение U1 И внутреннее падение напряжения ДU1 первичной обмотки. Определяем приближенное (без учета тока холостого хода трансформатора) действующее значение тока первичной обмотки I1. 10. По уточненному значению UХх 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 IН мин. 12. По справочникам выбираем дроссель LФильтр. Ток подмагничивания выбранного дросселя должен немного превышать номинальный ток нагрузки IН. 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 LДр= LФильтр из формул (33) или (34) находим емкость фильтра CФ. По справочникам выбираем конденсатор фильтра CФильтр. Если необходимую емкость не удается обеспечить с помощью одного конденсатора, то допускается параллельное соединение нескольких конденсаторов. Номинальные значения LФильтр и CФильтр Должны быть равны или несколько превышать вычисленные ранее LДр и CФ.

LФильтр ? LДр; CФильтр ? CФ

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

14. Уточняем падение напряжения на дросселе

UДр= IНRДр (39)

Где RДр - 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 = UХх - номинальная нагрузка I = IН; U = UН.

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 бФ и собственную частоту щф фильтра:

По отношению бФ/щФ и по кривой 1 на рис. 8 находим величину ?U'Н/UН,

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 Iн до Iн мин, то на конденсаторе фильтра также возникнут перенапряжения. Для их определения находим:

По отношению бФ1/щФ и по кривой 2 на рис. 8 определяем значение чВ, пропорциональное относительному увеличению напряжения на конденсаторе фильтра в момент уменьшения нагрузки ?U''Н/UН:

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

Напряжение пробоя выбранного конденсатора фильтра должно быть не меньше U''С макс.

Похожие статьи




Расчет выпрямителей с индуктивно - емкостным фильтром - Расчет вторичного источника электропитания

Предыдущая | Следующая