Расчет вторичного источника электрического питания

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный  университет» (НИУ) в г. Аше

Кафедра «Металлургическое производство и оборудование»

 

 

 

 

 Расчет вторичного источника электрического питания  

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

по дисциплине Электротехника и электроника

ЮУрГУ - 220400.2014.431 ПЗ КР

 

 

 

 

 

Нормоконтролер                                        Руководитель работы (к.т.н., доцент)

(ст. преп. Хардукаш Н.С.)                          ___________________В.А. Яковлев                         

«____»___________2014г.                               «_____»__________________2014г.                              

                                                                      Автор проекта

                                                                      Студент группы ЗУвТС - 333

                                                                       _________________И.И. Кардаш

                                                                                        «_____»___________________2014г.      

                                                                                       Проект защищена с оценкой

                                                        __________________________                                                                                                           

                                                                    «____»_____________________2014г.

                                                                     ____________________В.А. Яковлев                          

 

 

 

 

 

 

                                                           Аша  2014

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный  университет» (НИУ) в г. Аше

Кафедра «Металлургическое производство и оборудование»

 

 

Кафедра «Металлургическое производство и оборудование»

Специальность «Управление в технических системах»

 

 

 

ЗАДАНИЕ

На курсовую работу студента

Кардаш Ивана

Группа 333

1 Дисциплина Электротехника  и электроника

2 Тема работы Расчет  вторичного источника электрического  питания

3 Срок сдачи студентом  законченной работы _____________2014г.

4 Перечень вопросов, подлежащих  разработке

1. Обоснование и выбор структурной схемы ВИЭП
2. Расчет выпрямительного устройства, выполненного по нулевой схеме
3. Исходные данные для расчета U₁=220; n=3.45; R_d=5Ом; q₂=0,15

 

 

 

 

 

 

      

Руководитель работы __________________________ Яковлев В.А.

                                                  (подпись)

Студент______________________________________ Кардаш И.И.

                                                 (подпись)

 

 

 

АННОТАЦИЯ

Кардаш И.И. Расчет вторичного источника питания.

Пояснительная записка к  курсовой работе по дисциплине

 «Электротехника и электроника» - Аша: Филиал ЮУрГУ, 2014, 17с.

Иллюстраций 5, список литературы – 5 наим.

 

В курсовой работе рассмотрено: структурная схема ВИЭП, электрическая  схема, выполнена в виде нулевой  схемы (схема со средней точкой). Произведен расчет основных параметров электрической схемы, расчет параметров трансформатора и произведен выбор  диодов для схемы выпрямления, приведены  временные диаграммы работы основных блоков ВИЭП.

     Для вычисления требований к стабильности выходного напряжения произведен расчет схемы параметрического стабилизатора напряжения. По полученным данным рассчитаны коэффициенты стабилизации по току и напряжению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Для получения электрической  энергии нужного вида часто приходится преобразовывать энергию переменного  тока в энергию постоянного тока            (выпрямление) либо энергию постоянного тока – в энергию переменного тока (инвертирование).

Выпрямление осуществляется с помощью устройств, называемых выпрямителями. Выпрямители являются вторичными источниками электропитания.

Источники вторичного электропитания (ИВЭ) представляют собой средство, обеспечивающее электропитанием самостоятельные  приборы или отдельные цепи комплекса  электронной аппаратуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВТОРИЧНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

1.1 Основные функции элементов ВИЭПа

Выпрямительные устройства преобразуют переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение на нагрузке. Они применяются в  качестве вторичных источников электропитания (ВИЭП), структурная схема которого представлена на рис. 1.1.

 

Рис. 1.1

 

Силовой трансформатор Тр понижает переменное напряжение сети U₁, частотой f=50 Гц, до необходимого значения U₂. Кроме того трансформатор осуществляет гальваническую развязку питающей сети и нагрузки ВИЭПа. Выпрямитель В преобразует переменное напряжение U₂  в выпрямленное пульсирующее напряжение одной полярности U_d. Сглаживающий фильтр Ф уменьшает пульсации выпрямленного напряжения U_d. Стабилизатор Ст поддерживает неизменным выходное постоянное напряжение U_вых при колебаниях напряжения сети U₁ или изменении нагрузки ВИЭПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен Ватт) обычно используют выпрямители, запитываемые однофазным напряжением сети.  В однофазных выпрямителях используют три основные схемы включения диодов: однофазная однополупериодная схема на одном диоде, однофазные двухполупериодные схемы: схема со средней точкой (нулевая схема) на двух диодах и мостовая схема на четырех диодах.

2.1 Однополупериодная схема выпрямления

Однофазная однополупериодная  схема выпрямления (рис. 1.2) является простейшей. Полупроводниковый диод VD1, обладающий односторонней проводимостью, включается последовательно с нагрузкой R_d.

 

 

Рис.1.2.

 

Временные диаграммы (рис.1.3) напряжений и токов выпрямителя  показывают, что в такой схеме  ток i_d через нагрузку протекает только в течение положительного полупериода напряжения u₂, поступающего со вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.3 а, б). В результате на нагрузке R_d появляется пульсирующее напряжение u_d положительной полярности (рис. 1.3 в).  В отрицательный полупериод напряжения u₂ диод VD1 закрывается, ток i_d=0 и диод оказывается под воздействием обратного напряжения u₂, максимальное значение которого равно амплитуде U_2m, т. е. напряжение на диоде (рис. 1.3 г).

Выпрямленное пульсирующее напряжение на нагрузке u_d описывается выражением в диапазонах и т.д. и может быть представлено суммой постоянной и переменной составляющих

 

Несинусоидальная переменная составляющая может быть представлена рядом гармоник, т. е. рядом синусоидальных составляющих с увеличивающейся с порядковым номером частотой и убывающей амплитудой. Тогда пульсирующее напряжение может быть представлено в виде гармонического ряда Фурье

 

который для однополупериодной схемы выпрямления запишется в виде выражения:

 

С помощью ряда Фурье определяются основные параметры схемы выпрямления.

Постоянная составляющая рассчитывается как среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода за период напряжения сети

 

 

а)

б)

 

в)

г)

 

Рис.1.3.

Среднее значение пульсирующего  тока в нагрузке определяется выражением:  .

Переменная составляющая выпрямленного напряжения характеризуется  своим максимальным значением (основной гармоникой): , где – амплитуда основной гармоники.

Эффективность работы выпрямителя  определяется величиной коэффициента пульсаций , который определяется отношением амплитуды основной гармоники U_m к среднему значению выпрямленного напряжения

 

При этом частота пульсаций  основной гармоники совпадает с  частотой пульсаций выпрямленного  напряжения   и равна частоте напряжения сети:

Достоинство однополупериодной  схемы – простота.  Недостатки: большие габариты трансформатора, большой  коэффициент пульсаций, низкая частота  основной гармоники. Поэтому такая  схема выпрямления находит ограниченное применение, в основном для питания  цепей малой мощности и высокого напряжения, например: электронно-лучевых  трубок.

2.2 Двухполупериодная схема со средней точкой

Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой (рис. 1.4) представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей, диоды которых работают на общую нагрузку.

Рис. 1.4

 

При подаче напряжения u₁ на первичную обмотку трансформатора на каждой половине вторичной обмотки возникают напряжения u₂₁, u₂₂ (рис. 1.5 а). Вторичные обмотки W₂₁ и W₂₂ включены последовательно и согласно. Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 1.5 б, в). В первый полупериод к диоду VD1 приложена положительная полуволна напряжения u₂₁, в цепи диод VD1 -  нагрузка R_d - обмотка W₂₁ протекает ток i₂₁ (рис. 1.5 б). Диод VD2 в это время закрыт, так как к нему через открытый в это время диод VD1 приложено обратное напряжение обеих обмоток трансформатора   (рис. 1.5 е). В следующий полупериод откроется диод VD2, и ток i₂₂ будет протекать по цепи диод VD2 - нагрузка Rd - обмотка W₂₂. (рис. 1.5 в). Таким образом, через сопротивление нагрузки Rd поочередно проходят в одном и том же направлении токи i₂₁ и i₂₂. В результате на нагрузке R_d образуются полуволны тока i_d и напряжения u_d  одного и того же знака (рис. 1.5 г, д).

Выпрямленное данной схемой напряжение, как и напряжение однополупериодной  схемы, является пульсирующим, т. е. может  быть разложено в гармонический  ряд Фурье.

  где – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода, определяется выражением:

 

Отсюда действующее значение напряжения во вторичной обмотке  трансформатора:

 

Величина выпрямленного  тока I_d определяется выражением:

 

Амплитуда тока во вторичной  обмотке трансформатора   а действующее значение .

В двухполупериодной схеме уменьшилась амплитуда основной гармонической составляющей до величины , а следовательно уменьшился и коэффициент пульсаций:

.

Из временных диаграмм (рис. 1.5 а, д) видно, что напряжение на нагрузке достигает  максимального значения U_2m два раза за период выпрямляемого напряжение. Поэтому частота пульсаций напряжения нагрузки U_d равна удвоенной частоте напряжения сети:

В схеме выпрямления со средней точкой токи во вторичных  обмотках протекают поочередно (в  обмотке W₂₁ от конца к началу, а в обмотке W₂₂ от начала к концу), поэтому сердечник трансформатора не подмагничивается и в первичной обмотке действует чисто синусоидальный ток, что приводит к снижению типовой мощности и лучшему использованию трансформатора. По сравнению с однополупериодной схемой выпрямления в два раза увеличилось значение выпрямленного напряжения U_d и тока I_d, уменьшился коэффициент пульсаций.

Недостатки схемы: необходимость  вывода средней точки вторичной  обмотки, необходимость симметрирования  вторичных обмоток для обеспечения  равенства большое обратное напряжение на диодах, увеличение габаритов трансформатора.

 

 

3 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

 

3.1 Электрическая схема двухполупериодного мостового выпрямителя

 

 

 

 

Рисунок 2 – электрическая  схема двухполупериодного выпрямителя

 

2. Расчет основных параметров выпрямительгоно устройства

 

Даны следующие значения:

U₁=220; ; R_d=5; q₂=0,15

Найдем напряжение на вторичной  обмотке:

U₂ = ₌ = 63.7 B

Амплитуда вторичного напряжения

U_2m = U₂ = В

Ток в сопротивление нагрузки

I_d = _d = 57.3/5 = 11.4A

Ток на вторичной обмотке

I₂ = I_d1,11 = 11.41,11 = 12.65

Амплитудное значение тока

I_2m = ·I₂ = А

Выделяющаяся мощность