Практическое занятие № 3. Расчёт схем выпрямителей

Задача 3.1. Расчёт однофазного неуправляемого выпрямителя.

Разработать схему мостового выпрямителя на полупроводниковых диодах с индуктивно-емкостным LC-фильтром для выпрямления однофазного синусоидального напряжения [1-5]. Исходные данные к задаче (напряжение сети U ₁, номинальное напряжение нагрузки U_d, номинальная мощность нагрузки P_d, допустимый коэффициент пульсаций К_н) приведены в таблице 3.1. Частота питающего напряжения f = 50 Гц.

Необходимо выбрать тип выпрямительных диодов, трансформатора, рассчитать параметры фильтра. Осуществить моделирование работы выпрямителя в среде Multisim [10,11].

Таблица 3.1 – Исходные данные к задаче 3.1

Номер варианта	U₁, В	U_d, В	P_d, Вт	K_н, %
1	2	3	4	5
1	220	12	20	1
2	220	24	35	2
3	220	36	45	3
4	110	40	40	4
5	110	24	10	5
6	220	18	50	6
7	220	15	30	4
8	110	12	25	8
9	110	36	30	9
10	110	24	15	10
11	220	12	60	8
12	110	24	25	3
13	220	36	45	2
14	220	40	30	4
15	110	24	20	5
16	220	18	55	1
17	110	15	10	1
18	110	12	20	9
19	220	36	60	2
20	220	24	65	4
21	220	12	70	3
22	110	24	30	7
23	110	36	15	1
24	220	40	45	3
25	220	24	35	4
26	110	18	25	5
27	110	15	30	6
28	110	12	45	9
29	220	36	80	7
30	110	24	25	5

Пример решения задачи 3.1.

Разработать схему мостового выпрямителя на полупроводниковых диодах с индуктивно-емкостным LC -фильтром для выпрямления однофазного синусоидального напряжения.

Исходные данные к задаче:

- напряжение сети U ₁ = 220 В;

- номинальное напряжение нагрузки U_d = 50 В;

- номинальный ток нагрузки I_d = 0,6 А;

- частота питающего напряжения f = 50 Гц.

Необходимо выбрать тип вентилей, трансформатора, рассчитать параметры фильтра. Осуществить моделирование работы выпрямителя в среде Multisim.

Решение.

Схема однофазного мостового выпрямителя с LC -фильтром приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема однофазного мостового выпрямителя с индуктивно-емкостным LC -фильтром

Переменное синусоидальное напряжение сети с действующим значением U ₁подается на первичную обмотку однофазного трансформатора TV1, где понижается вторичной обмоткой до уровня U ₂. Мостовой выпрямитель, собранный на диодах VD1.. VD4, осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное пульсирующее. Положительную полуволну напряжения пропускают диоды VD1, VD4, а отрицательную – VD2, VD3. Направление тока I_d остаётся постоянным. LC -фильтр, собранный на элементах L_ф и C_ф, осуществляет сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения.

Для однофазного мостового выпрямителя среднее значение прямого тока через вентиль (выпрямительный диод) определяется как

А.

Обратное максимальное напряжение на вентиле равно:

В.

Выбираем вентили (выпрямительные диоды) 1N4934 (приложение А) c параметрами:

– максимальный прямой ток I_пр _max = 1A > I_а= 0,3 A;

– максимально допустимое обратное напряжение

U_обр _max= 100 В > U_{а обр.} _max= 78,5 В;

– максимальное напряжение в открытом состоянии U_пр _max=1,1 В.

Для однофазного мостового выпрямителя действующее значение вторичного напряжения равно:

В.

Расчётная мощность трансформатора для мостового выпрямителя определяется как

В∙А.

где P_d - номинальная мощность нагрузки:

Вт.

Выбираем трансформатор (приложение Д) ТПП 271-127/220-50:

В∙А > В∙А.

При последовательном соединении вторичных обмоток А, Б, В, Г получаем напряжение U ₂= 9,95 + 10 + 20 + 20 = 59,95 В.

Тогда коэффициент трансформации

Коэффициент пульсации на выходе однофазного мостового выпрямителя К_п = 0,67. Требуемый коэффициент пульсации К_н = 0,007.

Тогда коэффициент сглаживания фильтра равен:

Для LC –фильтра

Гн∙Ф,

где m – число пульс выпрямленного напряжения за период, m =2 для однофазной двухполупериодной схемы выпрямления.

Зададимся мкФ из стандартного ряда Е24 (приложение Б). Тогда

Гн.

Параметры фильтра мкФ, Гн удовлетворяют условиям эффективной работы:

; .

Для проверки правильности расчётов осуществим моделирование работы выпрямителя в среде Multisim.

Модель однофазного неуправляемого мостового выпрямителя без фильтра приведена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Модель мостового выпрямителя без фильтра

Сопротивление нагрузки определили по формуле

Ом.

Результаты моделирования выпрямителя без фильтра: U ₂= 59,920 В, I_d = 0,625 А, U_d = 52,043 В (задано U_d = 50 В), что соответствует условию задачи. Осциллограммы напряжений приведены на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Осциллограммы напряжения u₂ на вторичной обмотке трансформатора и напряжения на нагрузке u_d

Коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя

где U₁_m – амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения. Находим по показаниям анализатора спектра XSA1 на частоте 100 Гц (рисунок 3.4). Полученный коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя соответствует теории К_п =0,67.

Рисунок 3.4 – Определение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя без фильтра

Модель однофазного неуправляемого мостового выпрямителя с фильтром приведена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – Модель мостового выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром

Результаты моделирования выпрямителя с LC - фильтром: U ₂= 59,920 В, I_d = 0,659 А, U_d = 54,859 В (задано U_d = 50 В), что близко к условию задачи. Осциллограммы напряжений приведены на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – Осциллограммы напряжения u₂ на вторичной обмотке трансформатора нагрузке и напряжения на нагрузке u_d при использовании LC- фильтра

Коэффициент пульсаций на нагрузке

где U₁_m – амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения. Находим по показаниям анализатора спектра XSA1 на частоте 100 Гц (рисунок 3.7). Полученный коэффициент пульсаций на нагрузке соответствует заданному К_Н =0,007. Следовательно, расчёт выпрямителя выполнен правильно.