Основы проектирования приборов и систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы проектирования приборов и систем

1. Цель выполнения курсовой работы

Курсовая работа предназначена для закрепления знаний, полученных студентами при изучении теоретического материала, и приобретения навыков расчета и проектирования как отдельных функциональных элементов, так и приборов или систем в целом согласно предложенным исходным данным соответствующего варианта задания.

2. Требования к курсовой работе

2.1 Обязательный состав курсовой работы

Курсовая работа должна включать в себя следующие текстовые документы:

- задание с исходными данными на проектирование;

- пояснительная записка, содержащая описание конструкции и принципа работы прибора или системы, необходимые расчеты, подтверждающие соответствие проектируемого прибора заданию на проектирование, а также иллюстративные материалы виде структурных, принципиальных схем, графиков и т.д.

2.2 Вопросы, подлежащие рассмотрению в курсовой работе

При выполнении курсовой работы студенты должны в соответствии с заданием, выданным преподавателем:

провести функционально-параметрический синтез прибора или системы, спроектировать и провести расчет основных функциональных блоков, построить динамическую модель прибора или системы, определить основные показатели качества регулирования,спроектировать источник питания и определить его параметры.

Предлагаемые решения должны содержать:

1) расчет мощности и выбор типа исполнительного устройства;

2) выбор типа измерителя рассогласования и схемы его включения;

3) выбор типа и обоснование схемы построения усилительно-преобразовательного устройства;

4) структурную схему системы с обоснованием принятых при ее составлении решений;

5) математическую модель динамических процессов в системе;

6) параметры, определяющие устойчивость и качество управление в переходных режимах;

7) обоснование необходимости использования корректирующих устройств, для повышения качества работы системы;

8) предложения по компоновке системы,

9) расчет параметров и принципиальную схему источника питания.

Графическая часть курсовой работы включает в себя структурные и функциональные схемы прибора или системы, принципиальные электрические схемы отдельных функциональных блоков, а также графики, иллюстрирующие изменение основных динамических характеристик приборов или систем.

2.3 Требования к оформлению курсовой работы

Структурно-функциональная схема измерительной системы вычерчивается в формате А3 и подшивается к текстовой части в виде вкладки. Условные обозначения основных звеньев схемы и функций, выполняемых элементами аналоговой цифровой техники поГОСТ2.743-82 и ГОСТ2.759-82, приборов электроизмерительных и устройств связи - по ГОСТ 2.729-68 и ГОСТ 2.737-68.

Сложные функциональные блоки и преобразователи, в том числе микропроцессорные вычислительные устройства и т.п., должны быть представлены собственной структурной схемой, вписанной в схему системы. Текстовый и расчётный материал должен излагаться в увязке и сопоставлении с соответствующими положениями, математическим описанием, обобщёнными структурными схемами, изучаемыми в теоретическом курсе дисциплины.

3. Правила выбора варианта и расчетных схем

Вариант контрольной работы выбирается из таблицы 1. Номер варианта включает два символа. Первый цифровой символ выбирается по последней цифре номера зачетной книжки. Второй буквенный символ определяется проверкой на четность суммы последней и предпоследней цифр номера зачетной книжки: “ч”, если сумма - четное число, “н”, если сумма нечетное число.

Например, для сочетания предпоследней и последней цифр зачетной книжки “32” номер варианта обозначается “2н”.

Таблица 1

Обозначение варианта	1ч	1н	2ч	2н	3ч	3н	4ч	4н	5ч	5н
№ варианта	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19
Обозначение варианта	6ч	6н	7ч	7н	8ч	8н	9ч	9н	10ч	10н
№ варианта	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20

4. Исходные данные на проектирование

Исходные данные для проектирования системы приведены в таблице 2. В таблице приводятся характеристики нагрузки следящей системы, варианты схемного решения которой показаны на рисунках 1 - 3.

Исходные данные для проектирования источника питания приведены в таблице 3.

Таблица 2

№ вари- анта	Скорость нагрузки, Щн,рад/с	Ускорение наг-рузки, ен, рад/с2	Статический момент нагрузки,Мст, Н·м	Момент инерции нагрузки, Jн, кг·м2
	Сх.1	Сх.2	Сх.3	Сх.1	Сх.2	Сх.3	Сх.1	Сх.2	Сх.3	Сх.1	Сх.2	Сх.3
1	0,1	0,15	0,5	0,5	0,5	1	1500	1600	150	3000	3000	300
2	0,2	0,25	0,6	0,4	0,4	2	1500	1600	150	4000	4000	400
3	0,3	0,35	0,7	0,3	0,3	3	1700	1800	170	5000	5000	500
4	0,4	0,45	0,8	0,2	0,2	4	1700	1800	170	6000	6000	600
5	0,12	0,13	0,9	0,5	0,5	1	1900	2000	190	3000	3000	300
6	0,22	0,23	1,0	0,4	0,4	2	1900	2000	190	4000	4000	400
7	0,32	0,33	0,5	0,3	0,3	3	2100	2200	210	5000	5000	500
8	0,42	0,43	0,6	0,2	0,2	4	2100	2200	210	6000	6000	600
9	0,13	0,14	0,7	0,5	0,5	1	2300	2400	230	3000	3000	300
10	0,23	0,24	0,8	0,4	0,4	2	2300	2400	230	4000	4000	400
11	0,33	0,34	0,9	0,3	0,3	3	2500	2600	250	5000	5000	500
12	0,43	0,44	1,0	0,2	0,2	4	2500	2600	250	6000	6000	600
13	0,14	0,12	0,5	0,5	0,5	1	2700	2800	270	3000	3000	300
14	0,24	0,22	0,6	0,4	0,4	2	2700	2800	270	4000	4000	400
15	0,34	0,32	0,7	0,3	0,3	3	2800	3000	280	5000	5000	500
16	0,44	0,42	0,8	0,2	0,2	4	2800	3000	280	6000	6000	600
17	0,15	0,1	0,9	0,5	0,5	1	2900	3100	290	3000	3000	300
18	0,25	0,2	1,0	0,4	0,4	2	2900	3100	290	4000	4000	400
19	0,35	0,3	0,7	0,3	0,3	3	3000	3200	300	5000	5000	500
20	0,45	0,4	0,8	0,2	0,2	4	3000	3200	300	6000	6000	600

Таблица 3

№ вари- анта	Напряжение на нагрузке,Uн, В	Ток нагрузки, I0, мА	Напряжение сети,Uс, В	Частота сети, f, Гц	К-т пульсаций напряжения, к
	Характер нагрузки
	L	C	L	C	L	C	L	C	L	C
1	25		10		220	50	0,05
2		25		10
3	28		8
4		28		8
5	36		12
6		36		12
7	34		6
8		34		6
9	42		15
10		42		15
11	16		20
12		16		20
13	20		14
14		20		14
15	32		6
16		32		6
17	44		18
18		44		18
19	12		16
20		12		16

5. Методические указания к выбору и расчету исполнительных устройств следящего приборного привода

5.1 Электрические двигатели постоянного тока

В автоматизированном электроприводе применяются, в основном, коллекторные двигатели постоянного тока с независимым возбуждением серий МИ, ДИ, П, СЛ, СД, Д и с возбуждением от постоянного магнита серий ДПР, ДПМ, ДП, МИТ, МРМ, ПЯ. Вследствие особой конструкции якоря двигатели серии ДПР /с полым немагнитным якорем/, МРМ и ПЯ /с дисковым печатным якорем/ отличаются высоким быстродействием и находят применение в маломощных приборных приводах постоянного тока.

Момент, развиваемый двигателем, при подаче напряжения управления, определяется током, протекающим по цепи якоря:

где См - коэффициент момента,

Iя - ток, протекающий по цепи якоря, А

Угловую скорость якоря в установившемся режиме находят из уравнения электрического равновесия:

где Rя - активное сопротивление цепи якоря, Ом

- противоЭДС, В

Се - коэффициент противоЭДС, В с/рад

Отсюда

Основными характеристиками исполнительных двигателей постоянного тока являются механическая регулировочные по скорости и по моменту:

Выражение механической характеристики получается подстановкой значения

обозначим

получим

где Mn - момент пуска двигателя при =0

F - коэффициент демпфирования, определяемый жесткостью механической характеристики.

Выражение регулировочной характеристики может быть получено из:

Обозначив и сделав замену ; где - приведенная составляющая момента нагрузки на валу, i - передаточное число регулятора, получим:

где - коэффициент передачи двигателя по скорости,

При отсутствии момента нагрузки зону нечувствительности исполнительного двигателя определяет момент трения Мт может оказать влияние на статическую ошибку всего привода.

Напряжение трогания:

Поведение двигателя в динамическом режиме, связанном о изменением угловой скорости, описывается следующей системой :

- уравнение электрического равновесия

где L - индуктивность обмотки якоря- уравнение механического равновесия

где -приведенный момент инерции нагрузки

- уравнение, связывающее угол поворота вала двигателя с угловой скоростью

В операторной форме эти уравнения могут быть представлены в следующем виде:

Решая совместно эти уравнения, получим:



где Te = L/Rя электромагнитная постоянная времени, характеризующая скорость нарастания момента в заторможенном двигателе, Tm=Y'Rя/CeCm - механическая постоянная времени, характеризующая нарастание скорости.

Структурная схема исполнительного двигателя постоянного тока, 'соответствующая системе уравнений /14/-/16/, представлена ' на рис. 1а, для уравнения /17/ - на рис. 16

Для двигателей с обычным зубцовым якорем 7^ «0,003., .0,40, при полом немагнитном роторе Тм =0,015………0,02с, для двигателей с печатным якорем Тм=0,005………0,01с.

Передаточную функцию двигателя по направляющему воздействию можно получить из выражения 17, полагая Мн=0:

или с небольшой погрешностью можно записать:

Для большинства исполнительных двигателей можно пренебречь индуктивностью якорной обмотки и, следовательно, электромагнитной постоянной времени, тогда

Если в качестве выходной величины рассматривать угол поворота вала двигателя б, то

Передаточная функция двигателя по отношению к возмущающему воздействию при Uy =0:

5.2 Электрические двигатели переменного тока

Из числа двигателей переменного тока для работы в приборных приводах наиболее пригодны малоинерционные асинхронные двигатели: двухфазные типа ДИД, АД, АДП, малогабаритные типа ДМ, а также двигатели-генераторы типа ДГ, АДТ, ДГМ. Выбор асинхронных двигателей ограничен низким к.п.д. и малой мощностью.

Статические характеристики асинхронного двигателя, как и двигателя постоянного тока, представляют собой механические и регулировочные.

В момент включения двигателя пусковой момент равен:

где - коэффициент передачи по моменту, Н м/В

где - номинальный пусковой момент,

где - номинальное напряжение управления.

Если статические характеристики можно с некоторым допущением представить линейными зависимостями, то

Коэффициент демпфирования определяется из выражения при условии, что

Уравнение регулировочной характеристики может быть получено при условии из выражения

Обозначая где - коэффициент передачи по скорости, получаем

Передаточная функция асинхронного двигателя:

Механическая постоянная асинхронных двигателей указывается в их паспортных данных.

5.3 Электромагнитные муфты

В отличие от электродвигателей электромагнитные муфты вращающего момента не создают и являются передаточным эвеном между нерегулируемым двигателем и нагрузкой. Наибольшее применение в приборных приводах нашли электромагнитные порошковые муфты ЭПМ, где передача момента происходит за счет сцепления ферромагнитного порошка в управляемом поле

Свойства муфт в статическом режиме определяются моментной и механической характеристиками.

Моментная характеристика реверсивной муфты изменяется практически линейно:

или

где и - коэффициенты ЭПМ по моменту

Ведомая часть муфты вращается синхронно с ведущей. При нагружении моментом возникает скольжение, определяемое зависимостью:

где 1 - угловая скорость ведущей части;

2 - угловая скорость выходного вала.

Для вывода передаточной функции ЭПМ пользуются уравнением механического равновесия:

где У'=Ун+Умi2 - приведенный к выходному валу момент инерции,

М1-М2- момент передаваемый муфтой,

Мн - момент сил сопротивления на выходном валу.

Принимая Мн=0, получаем откуда передаточная функция.

Передаточная функция относительно угла поворота:

где Те=Ly/Ry , Ly и Ry - сопротивление и индуктивность обмоток управления.

5.4 Порядок выбора и расчета исполнительных двигателей

1. Выбор электродвигателя осуществляется по мощности, затем проводится правильность выбора по перегрузке и нагреву.

Требуемая мощность определяется из выражения:

2. В соответствии с полученным значением мощности выбирается по каталогу (прил.1) тип двигателя. При выборе следует руководствоваться следующим:

- если расчетная мощность меньше 100……150 Вт, то двигатель выбирается из числа маломощных асинхронных двигателей типа АДП, ДИД, ДГ или двигателей постоянного тока.

- при мощности, большей 150 Вт, следует выбирать двигатели постоянного тока типа МИ, СЛ, ДПМ, ДИ.

- мощность выбранного двигателя должна быть больше или равна требуемой мощности: Рном ? Ртр.

3. По моменту инерции выбранного двигателя определяют передаточное число редуктора:

где iо - оптимальное передаточное число.

4. Проводится проверка двигателя по скорости и моменту из условия равновесия, номинальной и требуемой мощности.

где ;

Такой случай, когда требования по скорости выполняются, характерен для двигателей постоянного тока. С учетом того, что номинальный момент примерно в два раза меньше пускового, выбранный двигатель считается пригодным по моменту, если выполняется условие:

Такой случай, когда выполняется требование по моменту, характерен для двигателей переменного тока. Если двигатель, имеющий запас по мощности, не удовлетворяет этим требованиям по скорости, согласовать соотношение между требуемой и располагаемой мощностями можно, изменяя передаточное число редуктора:

Если при найденном i выполняется условие Мтр/Мном<2, выбор исполнительного механизма произведен правильно, если нет - необходимо выбрать новый двигатель.

рис1.а

рис1.б

5.5 Справочные данные

Технические данные двигателей типа МИ

Тип двигателя	Мощность на валу,кВт	Частота вращения, мин-1	Напряжение питания, В	Ток якоря, А	Сопр. обм. якоря, Ом	Момент, Н*м	Момент инерции ,кг*м2
МИ-11	0,12	3000	60	2,86	0,46	0,39	15,3
	0,1	2000	110	2,27	0,94	0,49
	0,12	3000	60	1,53	1,48	0,39
	0,1	2000	110	1,22	3,0	0,49
МИ-12	0,2	3000	60	4,57	0,23	0,65	20,4
	0,12	2000	60	2,72	0,52	0,585
	0,2	3000	110	2,46	0,675	0,65
	0,12	2000	110	1,46	1,74	0,585
МИ-21	0,25	3000	60	5,6	0,284	0,81	35,7
	0,2	2000	60	4,3	0,284	0,81
	0,25	3000	110	3,05	0,945	0,97
	0,2	2000	110	2,3	2,2	0,97
МИ-31	0,45	3000	60	10,3	0,118	1,45	91,8
	0,37	2000	60	8,2	-	1,8
	0,2	1000	60	4,4	-	1,95
	0,45	3000	110	5,6	0,345	1,45
	0,37	2000	110	4,4	0,757	1,8
	0,2	1000	110	2,4	2,5	1,95
МИ-41	1,6	2500	110	19,2	0,147	6,25	408
	1,1	1500	110	13,0	0,42	7,15
	0,76	1000	110	9,0	1,5	7,4
	1,6	2500	220	9,5	0,58	6,25
	1,1	1500	220	6,4	1,7	7,15
	0,76	1000	220	4,5	3,32	7,4
МИ-51	5,0	2500	220	27,2	-	19,4
	3,2	1500	220	17,1	-	20,8
	1,6	100	220	8,7	-	15,6

Технические данные двигателей типа ДП

Тип двигателя	Ном. мощность, кВт	Частота вращ. мин-1	Напряжение, В	Ток якоря,А	КПД, %	Момент инерции, кг*м2
П11М	0,66	3000	220	4,1	73,5	31,3
П12М	00,95			5,6	77	3,75
П21М	1,4			83	76,5	10,5
П22М	2,1			11,6	82,4	13
П31М	3,0			16,5	82,5	22,5
П32М	4,2			22,4	85	290
П40М	6,1			35	79	33,5
П41М	8,6			48	82	38,5
П42М	11,0			55,6	87	44,5
П51М	14,5			77,3	85	78,5
П52М	20,0			104	87	95
П61М	26			134	88	140
П62М	31			160	87	163
П71М	41			216	86	375
П72М	50			262	86	40
П81М	64			340	86	675
П82М	82			440	85	778
П91М	47	1500		260	88,5	1480
П92М	63			340	84,5	1750
П101М	85			450	86	2580
П102М	92			480	87,5	3000
П111М	130			675	87,5	5010
П112М	155			795	88,5	5750

Технические данные двигателей серии ДПМ (напряжение питания 220В)

Тип двигателя	Ном. мощность, кВт	Частота вращения, мин-1	Ток якоря, А	Сопр. обмотки якоря, Ом	КПД, %	Момент инерции, кг*м2
ДПМ-21	5,6	1470	31,5	0,544	-	12,5
ДПМ-22	8	1400	45	0,322	-	16,5
ДПМ-31	11,5	1325	62	0325	65	3
ДПМ-32	18	1190	95	0,10	67	4,25
ДПМ-41	25	1100	130	0,11	70	8
ДПМ-42	35	980	182	0,072	68	10,5
ДПМ-52	49	980	250	0,033	71	19

Технические данные типа ДИ

Тип двига-теля	Ном. мощн., кВт	Частота вращ., мин-1	Ток якоря, А	Сопр. обмотки якоря, Ом	КПД, %	Момент инерции, кг*м2	Напряжение питания, В
ДИ-12	1,2	6000	13,6	0,288	75	18	110
	0,8	4000	9,05	0,67	73,2	-	-
	0,4	2000	4,5	3	64,1	-	-
ДИ-13	2,4	6000	25	0,112	82	30	-
	1,6	4000	16,6	0,252	80,6	-	-
	0,8	2000	8,65	1,09	72,7	-	-
ДИ-22	4,8	6000	26,5	0,210	79,3	5300	220
	3,2	4000	35,3	0,121	78,9	-	110
	1,6	2000	17,8	0,52	74,8	-	-
ДИ-23	9,6	6000	50	0,084	85,8	212	220
	6,4	4000	32,9	0,194	85,4	-	-
	3,2	2000	33,8	0,206	80,7	-	110
ДИ-33	12,8	4000	65	0,083	87,3	475	220
	6,4	6000	32,8	0,347	84,1	-	-

Технические данные двигателей серии ДГ (напряжение возбуждения 36В, напряжение управления 30В, напряжение рогания 0,5В, частота сети 400Гц)

Тип машины	Двигатель	Тахогенератор
	Ном. мощн. Вт	Пуск момент Н*м	Ном. момнт Н*М	Част. вращ. мин-1	Момент инерции кг*м2	Пост. времени С	Вход. сопр. Ом	Крутизна ЭДС мВ/об*мин
ДГ-0,1ТА	0,07	2,6	1,6	8	0,6	0,2	550	0,1
ДГ-0,5ТА	0,5	10	6,5	13	2,0	0,1	330	0,3
ДГ-1ТА	1,0	16	9	15	1,2	0,1	300	0,9
ДГ-2ТА	2,0	34	18	16	1,4	0,07	300	0,9
ДГ-3ТА	3,0	90	50	8	5,0	0,05	395	0,9
ДГ-5ТА	5,0	220	120	8	42	0,1	490	1,0
ДГ-10ТА	9,0	280	180	8	40,5	0,12	285	0,4

Тип двига-теля	Ном. мощн. В	Часто-та сети Гц	Напр. возб. В	Ток возб. А	Напр. управ. В	Ток управ. А	Вращ. момент Н*м	Частота вращ. об/мин.	Эл. пост. врем. с	Пуск момент Н*м	Момент инерции кг*м2
АДП-120	2,4	400	110	-	110	-	66	4	0,05	87	120
АДП-123	4,1	-	-	0,22	-	0,27	100	4	0,09	140	-
АДП-123Б	8,9	-	-	0,27	-	0,23	145	6	0,038	222	-
АДП-1	3,7	500	120	0,38	35	0,15	40	9	0,032	55	110
АДП-262	9,5	50	110	0,25	125	0,53	500	1,85	0,029	900	200
АДП-263А	24,7	500	36	1,6	275	0,55	450	6	0,05	600	120
АДП-362	19	-	110	0,6	125	0,65	950	1,95	0,052	1700	140
АДП-363А	46,4	-	36	2,0	240	0,68	750	6	0,048	870	120
АДП-563А	62	-	36	34	220	0,75	1000	6	0,04	1200	-

Технические данные двигателей типа АДП

Технические данные двигателей типа ДИД

Тип двигателя	Ном. мощн. В	Ном. момент*104 кВт	Частота вращения мин-1	Пусковой момент Н*м	Ток возб. А	Ток управ. А	Потреб. мощность Вт	Момент инерции кг*м2	Электрич. постоянная времени, С	Напряж. трогания В
ДИД-0,1ТА	0,1	1,5	13	2,6	0,08	0,07	-	2,25	0,9	0,5
ДИД-0,3ТА	0,3	3,5	14	7	0,15	0,11	5	4,5	0,08	-
ДИД-0,6ТА	0,6	6,5	16	12	0,155	0,1	6	7,5	0,038	-
ДИД-1ТА	1	9	18	16	0,25	0,12	8	7	0,032	-
ДИД-2ТА	2	18	18	34	0,4	0,23	12	9	0,026	0,7
ДИД-3ТА	3	56	8	160	0,7	0,4	20	24	0,052	-
ДИД-5ТА	5	120	6	220	1,2	0,8	29	250	0,05	-
ДИД-10ТА	10	150	16	280	1,4	0,15	58	370	0,055	0,5

5.6 Пример выбора и расчета исполнительного устройства

Выбрать исполнительный двигатель и определить его передаточную функцию, если момент статической нагрузки Мст=2500 Н*м, момент инерции нагрузки Jн=5000 кг*м2, требуемая скорость нагрузки - Щн=0,16 рад/с, ен = 0,34 рад/с2.

1. Принимаем ориентировочно к.п.д. редуктора з=0,9

2. Требуемая мощность

По полученной мощности выбираем двигатель МИ-41. Технические данные двигателя следующие:

Рном=1,6 кВт;

Nном=2500 мин-1;

Мном=6,25 Н*м;

Уg=408*10-4 кг*м2;

Uном=110 В;

Iя=19,2 А;

Rя=0,147 Ом.

3. Оптимальное передаточное число:

4. Выполняем проверку выбранного двигателя на соответствие требованиям по скорости и моменту:

- номинальная угловая скорость исполнительного двигателя

- приведенная скорость нагрузки

- так как , то по скорости выбранный двигатель подходит.

- требуемый момент вращения

-

проверка двигателя на перегрузку показывает, что двигатель не проходит по мощности.

5. Выбираем более мощный двигатель МИ-42 со следующими данными:

Рном=3,2 кВт;

Nном=2500 мин-1;

Мном=12,5 Н*м;

Уg=662*10-4 кг*м2;

Uном=110 В;

Iя=36,6 А;

Rя=0,192 Ом.

6. Оптимальное передаточное число редуктора

7. Проверка по скорости

Т.к. 235>69 то двигатель по скорости подходит.

8. Проверка на перегрузку

Т.к.

то по перегрузке двигатель выбран правильно.

9. Определим передаточную функцию выбранного двигателя

- коэффициент противоЭДС при номинальных значениях параметров

- коэффициент момента

- полный момент инерции нагрузки

- механическая постоянная времени

- коэффициент передачи двигателя по скорости

- передаточная функция двигателя

двигатель выпрямитель устройство исполнительный

6. Методические указания к расчету источника питания

6.1 Выбор оптимальной схемы выпрямителя

Схемы выпрямителей классифицируют по числу выпрямленных фаз * переменного напряжения. Различают одно-, двух-, трех- и шестифазные схемы.

В самых простых схемах число выпрямленных фаз совпадает с числом вторичных обмоток трансформатора и числом вентилей. Такие схемы характеризуются плохим использованием трансформатора при m > 1, поэтому обычно применяется комбинированное включение его обмоток, т.е. применяется многофазная схема с уменьшенным числом обмоток.

Однофазные схемы выпрямителей используются для получения высоких напряжений при малых токах нагрузки. Основное достоинство таких схем - простота выполнения. К недостаткам их следует отнести значительные составляющие токов обмоток трансформатора по сравнению с током нагрузки, вынужденное подмагничивание сердечника, малая частота пульсаций выпрямленного напряжения и большое их значение, существенное выходное сопротивление выпрямителя и низкий к.п.д.

Двухфазные схемы выпрямителей по сравнению с однофазными позволяют получить долее высокую частоту пульсаций выпрямленного напряжения при меньшем их значении, чем и объясняется широкое применение двухфазных схем выпрямления. Из них наиболее часто применяются основная и мостовая схемы.

В основной схеме две фазы по вторичной обмотке трансформатора получаются благодаря выводу ее средней точки. К достоинствам основной схемы следует отнести отсутствие подмагничивания сердечника, в два раза более низкое выходное сопротивление выпрямителя, более рациональное использование трансформатора при работе на нагрузку индуктивного характера, простота и небольшие габариты фильтра. Основной недостаток таких схем - необходимость симметрирования обмоток трансформатора. При асимметрии двухфазных схем в выходном напряжении возникают пульсации с частотой сети и схема лишается основного преимущества - повышенной частоты пульсаций.

Мостовая схема строится на одной вторичной обмотке трансформатора. Помимо достоинств, характерных для основной схемы, мостовая схема позволяет снизить габаритную мощность трансформатора, не требует вывода средней точки вторичной обмотки.

К недостаткам мостовых схем относится снижение выпрямленного напряжения и увеличение выходного сопротивления из-за последовательного включения вентилей.

Трехфазные схемы выпрямления работают с относительно сложным трансформатором. Применяют такие схемы при средних и больших мощностях и невысоких требованиях к пульсациям выпрямленного напряжения. Наиболее широкое применение получила схема Ларионова, которая, несмотря на некоторую сложность построения, позволяет получать низкие пульсации выпрямленного напряжения при средних и больших мощностях.

6.2 Выбор характера нагрузки выпрямителя

Для уменьшения переменных составляющих в выходном напряжении между нагрузкой и выпрямителем включаются сглаживающие фильтры. Необходимость в них вызвана тем, что мгновенная мощность переменного тока пульсирует во времени, а мгновенная мощность постоянного тока неизменна. Поэтому на выходе выпрямителя должен быть элемент, запасающий избыток мощности, когда она близка к максимальной, и отдающий этот запас в нагрузку в момент, соответствующий минимуму мгновенной мощности переменного тока.

Накопление мощности осуществляется в реактивных элементах, поэтому фильтр должен содержать хотя бы один такой элемент. Характер процессов, происходящих в выпрямителе, задается тем реактивным элементом, который создает основное сопротивление переменной составляющей выпрямленного тока. В зависимости от характера реактивности первого элемента фильтра все схемы выпрямителей делятся на две группы:

- выпрямитель, нагрузка которого начинается с индуктивного элемента,

- выпрямитель, нагрузка которого начинается с емкостного элемента.

При проектировании выпрямителя с LС - фильтром исходят из заданной емкости всех элементов, входящих в схему. Если емкость конденсаторов больше некоторой минимальной емкости, то схема с нагрузкой, начинающейся с емкостного элемента, даст меньшие пульсации выпрямленного напряжения, чем схема с нагрузкой индуктивного характера. Если емкость конденсаторов меньше Cmin, то следует выбирать нагрузку индуктивного характера.

Минимальная емкость определяется, исходя из выражения:

Cmin = 106/ (f*Rm)

где Rm , Ом - активное сопротивление нагрузки,

F, Гц - частота переменного тока.

6.3 Порядок расчета выпрямителя с нагрузкой индуктивного характера

Исходные данные для расчета:

Un , В - напряжение на нагрузке,

I0 , А - ток нагрузки,

Uc, В - напряжение переменного тока,

F , Гц - частота переменного тока,

C, мкФ - общая емкость всех конденсаторов, входящих в схему выпрямителя и фильтра,

Kn - коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке.

Определить сопротивление нагрузки:

Rn = Un/ I0

Определить величину выпрямленной мощности:

P0 = Un I0

Если выпрямленная мощность невелика, а требования к пульсациям высоки, целесообразно выбирать мостовую схему выпрямления.

Определить вид нагрузки выпрямителя, для чего сравнить заданное значение емкости конденсаторов фильтра с минимально допустимой для выпрямителя, нагрузка которого начинается с емкостного элемента:

Cmin = 106/ (f*Rm)

Если Сmin > C3, выбирается схема с нагрузкой, начинающейся с индуктивного элемента.

Определить величину постоянной составляющей выпрямленного тока, приходящуюся на один вентиль:

Y Ioв= I0 / m

Где m - число фаз выпрямляемого напряжения,

Выбрать вентиль, обеспечивающий выпрямленный ток, не меньше Ioв. Определить порог его выпрямления Епор, прямое падение напряжения Uпр, обратный ток Iобр, обратное напряжение Eобр. Сопротивление вентиля определить из выражения:

Rв = (Uпр- Епор)/Iпр

Найти ориентировочные значения активного и индуктивного сопротивлений обмотки трансформатора:

где Bm, Тл - амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора, для ориентировочного расчета Д^^1 Тл

Активное сопротивление дросселя принимается равным 2 - 7'% сопротивления нагрузки.

Определить выходное сопротивление выпрямителя и э.д.с. холостого хода:

Rвых = rтр + rв + mfLs + rдр

Еох = Un + Eпор + I0 Rвых

Найти напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

E2 = Еох B (m)

где B (m) - коэффициент, определяющий использование обмоток трансформатора по напряжению, B (m) равен 1,11; 0,85; 0.74 при m равном 2; 3; 6 соответственно.

Определить критическое значение индуктивности дросселя, т.е. минимальную индуктивность, при которой не возникает режим прерывистых токов:

Lkp = (Rn x (m))/ w

где x (m) - коэффициент, зависящий от числа фаз, 0,332; 0,083; 0,01 при m , равном 2; 3; 6 соответственно.

Определить индуктивность дросселя, обеспечивающую получение пульсаций, меньших заданных:

L = (? (m))/ (w2C Kn)

где ?(m) - коэффициент, зависящий от числа фаз, ?(m) равен 0,169; 0,028; 0,002 для m т.е. равного 3; 3; 6 соответственно.

Выбрать нормализованный дроссель с некоторым запасом индуктивности. Определить ток нагрузки, критический для выбранной индуктивности дросселя:

Iокр = Еох / ((wl)/x m) + Rвых)

Определить действующее значение тока вентиля для: I0 >> Iокр

Iв = I0 / (m)0.5

Найти действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:

I2 = Iв = v2 Iв; I1 = n I2

где n - коэффициент трансформации,

Определить габаритную мощность трансформатора:

VAтр = E2 I2

Определить напряжение на нагрузке при холостом ходе такое же значение имеют максимальное напряжение на конденсаторе фильтра и обратное напряжение на вентиле.

Рассчитать коэффициент пульсаций по первой гармонике для выходного напряжения; Коэффициент сглаживания пульсаций фильтром:

Q = w2n LC - 1

где w2n - частота пульсаций напряжения на выходе,

где Kпвх - коэффициент пульсаций по первой гармонике для входного напряжения, Kпвх равен 0,666; 0,25; 0,06 для m , равного 2; 3: 6 соответственно.

Если рассчитанный Kпвых меньше или равен заданному, расчет можно считать законченным.

6.4 Порядок расчета выпрямителя с нагрузкой емкостного характера

Исходные данные для расчета:

Un , В- напряжение на нагрузке,

I0 , А - ток нагрузки,

Uc , В - напряжение переменного тока,

F, Гц - частота переменного тока,

C, мкФ - общая емкость всех конденсаторов, входящих в схему выпрямителя и фильтра,

Kn - коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке

Определить сопротивление нагрузки:

Rn = Un / I0

Если значение выпрямленного напряжения мало, целесообразно выбрать основную схему двухфазного выпрямителя

Определить вид нагрузки выпрямителя:

Cmin = 106/ (f*Rm)

Если Cmin < С, выпрямитель должен работать на нагрузку, начинающуюся с емкостного элемента. Распределение емкостей конденсаторов, входящих в П-образный фильтр, необходимо производить так, чтобы C1=C2=С/2.В этом случае коэффициент пульсаций будет минимальным.

Определить средний ток одного вентиля и примерное значение обратного напряжения на вентиле:

Iов = I0 / 2

Eобр = 2.66 E0 = 2.66 Un

По полученным данным выбрать вентиль, обеспечивающий выпрямленный ток не менее Iов, с порогом выпрямления Uпор, прямым падением напряжения Uпр, обратным током Iобр обратным напряжением Eобр. Внутреннее сопротивление вентиля определить аналогично п.3.6.

Поскольку возникающее в выпрямителе обратное напряжение на вентиле может привести к пробою диодов, необходимо выбирать Eобр с большим запасом.

Найти ориентировочные значения активного сопротивления обмоток и индуктивности рассеяния трансформатора аналогично п.3.7.

Определить расчетное значение выпрямленного напряжение с учетом сопротивления дросселя фильтра и порога выпрямления выбранных вентилей:

U0 = I0 (Rн + rдр) + Eобр

Определить значение параметра А как функции угла от сечки вентилей:

A = (р (rтр + rv) /mU0 ) * I0

По графикам приложения 1 определить вспомогательные коэффициенты В, D, F, Н, зависящие от значения параметра А.

Найти действующее значение э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора:

Е2 = U0 B (A)

Определить действующее значение тока вентиля:

Ib = (I0 D (A))/m

Рассчитать действующее значение тока первичной обмотки трансформатора, учитывая, что в основной схеме выпрямления I2 = Iв:

I1 = nv2I6

Определить габаритную мощность трансформатора для основной схемы выпрямителя:

VAтр = (E1I1 + 2E2I2)/2

Проверить правильность выбора вентиля, для чего определить максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

EОБР = 2Е2

Определить коэффициент пульсаций выпрямителя по первой гармонике:

Кпв = (H(A))/(f(rтр + rв)*С)

Определить коэффициент сглаживания первой гармоника пульсаций фильтром, необходимый для достижения заданного значения пульсаций напряжения на нагрузке:

q = Кпв/ Кп

Определить необходимую индуктивность дросселя

L = (q+1)/ (K2n w2n C)

Если коэффициент пульсаций соответствует заданному, расчет можно считать законченным.

6.5 Справочные данные

Зависимость вспомогательных коэффициентов от параметра А при расчете выпрямителя о нагрузкой емкостного характера.

7. Расчет трансформатора

При проектировании источников электропитания желательно использовать готовые унифицированные трансформаторы, выпускаемые отечественной промышленностью и работающие от сети частотой 50 Гц и 400Гц». Мощность унифицированных трансформаторов для разных типов составляет от десятых долей до нескольких сотен вольтампер.

В тех случаях, когда токи и напряжения во вторичных обмотках или количество обмоток унифицированного трансформатора не соответствует требуемым значениям, необходимо проектировать и изготовлять трансформатор, параметры которого соответствуют исходным данным. При этом исходными величинами для расчета трансформаторов служат напряжение и частота питающей сети, а также мощности и напряжения вторичных обмоток.

В результате расчета должны быть определены геометрические размеры сердечника, данные обмоток (число витков, марки и диаметры проводов), а также эксплуатационные и электрические параметры трансформатора (к.п.д, ток холостого хода, температура перегрева обмоток).

7.1 Определение электромагнитных и электрических нагрузок

Основными параметрами, определяющими массу, габаритные размеры и тепловой режим трансформатора, является магнитная индукция

В сердечнике и плотность тока ??? в его обмотках. Величины B и ? при одной и той же мощности трансформатора зависят от частоты сети, предельной температуры перегрева, величины тока холостого хода и падения напряжения в обмотках, магнитных характеристик, материала сердечника, а также от соотношения между его основными геометрическими размерами. Поэтому для каждого ряда магнитопроводов с изменением частоты питающей сети материала, используемого для изготовления сердечников, допустимой температуры перегрева или тока холостого хода, необходимо пользоваться следующими рекомендациями. При частоте питающей сети fc = 50 Гц можно принять для стали ЭЗ10 толщиной ???0,35 мм:

Если сетевое напряжение может возрастать более, чем на 5%, то при меньших мощностях необходимо выбирать меньшее значение.

Величина плотности тока д для разных частот питающей сети и разных конструкций магнитопровода может быть найдена из таблицы 1.

7.2 Выбор магнитопровода, определение потерь в стали и тока холостого хода

Расчет трансформатора целесообразно начинать с выбора магнитопровода, при этом необходимо учитывать такие факторы, как получение минимальных массы и объема, минимальной стоимости, простота конструкции трансформатора и ее технологичность.

Для малых мощностей (от единиц до нескольких десятков вольт-ампер) при напряжениях, не превышающих 1000В, и частоте сети 50 и 400 Гц следует рекомендовать броневые трансформаторы. При мощностях от нескольких десятков до нескольких сотен вольт-ампер и частоте 50 Гц и до нескольких киловольт-ампер ( при частоте сети 400 Гц) желательно применять стержневые трансформаторы.

Трансформаторы с тороидальными ленточными сердечниками могут использоваться при мощностях от 30 до 300 ВА и частоте 400 Гц лишь в тех случаях, когда требуется минимальное рассеяние магнитного потока без применения наружных экранов, или тогда, когда требование минимального объема является первостепенным. Однако тороидальные трансформаторы являются наименее технологичными.

Конструкцию трансформатора с оптимальной геометрией с учетом его мощности и частоты питающей сети можно также выбирать, пользуясь таблицей 2.

После выбора конфигурации магнитопровода можно приступить к определению его основных геометрических размеров. Размеры магнитопровода выбранной конфигурации, необходимые для получения от трансформатора заданной мощности, могут быть найдены на основании формулы:

Scm?SOK = (1)

В формуле (1) обозначены:

fC - частота сети в Гц;

P2 - мощность, отдаваемая в нагрузку, в ВА;

B- магнитная индукция в Tл;

д - плотность тока в А/мм2- находится из таблицы I;

KM - коэффициент заполнения окна, находятся из таблицы 3;

Kcm- коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью находится из таблицы 4 для наиболее употребительных способов изоляции.

Определив величину произведения Scm?SOK по таблицам 5,6,7,8 выбираем магнитопровод, для которого Scm?SOK равно найденному по формуле (I) или близко к рассчитанному. Выбрав магнитопровод, следует выписать из таблиц 5…8 все необходимые для дальнейших расчетов справочные данные: типоразмер, основные геометрические размеры магнитопровода, а также его массу, сечение и величину Scm?SOK.

Далее находятся величина полных потерь в стали, величина намагничивающей мощности и относительное значение тока холостого хода. Полные потери в стали находятся по Формуле

Pcm = pcmyq ?Ycm, (2)

где: pcmyq - удельные потери на 1 кг стали;

Ycm- масса магнитопровода, в кг.

Удельные потери в стали в pcmyq зависимости от Вмакс можно определить по графику представленному на рисунке 1.

Абсолютное и относительное значения активной составляющей тока холостого хода находятся по формулам:

Jоа = (3)

(4)

где: Pcm- полные потери в стали;

U1- напряжение на зажимах первичной обмотки трансформатора;

J1- номинальный ток первичной обмотки трансформатора.

Номинальный ток первичной обмотки трансформатора J1 может быть найден по .формуле:

(5)

где: - суммарная мощность вторичных обмоток;

з - к.п.д. трансформатора, находится ориентировочно из таблицы 9;

cosц- коэффициент мощности трансформатора, находится ориентировочно из таблицы 9.

Полная намагничивающая мощность Qcm определяется по формуле:

, (6)

где: qcmyq - удельная намагничивающая мощность ВА/ кг;

Ycm - масса магнитопровода в кг.

Удельная намагничивающая мощность qcmyq в зависимости от индукции Вmax можно определить по графику, приведенному на рис. 2.

Абсолютное .и относительное значения реактивной составляющей тока холостого хода находятся по формулам:

(7)

(8)

Относительное значение тока холостого хода находят по формуле:

(9)

Если значение относительного тока холостого хода больше 0,5 ( при fc = 50 Гц) или 0,3 ( при fc = 400. Гц), то следует уменьшить индукцию В и сделать перерасчет если значение J0% меньше 0,3 ( при fc = 50 Гц) или 0,05 ( при fc= 400 Гц), то индукцию в магнитопроводе следует увеличить и сделать пересчет.

Пересчет следует повторять до тех пор, пока относительный ток холостого хода не будет лежать в пределах:

для fc = 50 Гц 30% ;

для fc = 400 Гц 5%.

7.3 Электрический расчет обмоток трансформатора

В результате электрического расчета трансформатора определяются:

1) число витков и диаметр провода каждой обмотки ( по заданным величинам тока и напряжения);

2) испытательное напряжение для каждой из обмоток.

Число витков обмоток могут быть определены по формуле:

(10)

где: Ui - напряжение на i-обмотке;

ДUi - падение напряжения в i - обмотке, ориентировочно может быть найдено из таблицы 10.

После нахождения числа витков определяют сечения и диаметры проводов каждой обмотки. Сечение провода обмотки зависит от предельно допустимой температуры изоляции как самого провода так и других изоляционных материалов, используемых при изготовлении катушки трансформатора.

Величина плотности тока определяет температуру нагрева провода, следовательно, и его сечение. Рекомендуемые значения плотностей тока, обеспечивающих получение температуры перегрева, равной 50 оС, приведены в таблице 1. Необходимо отметить, что эти данные используются лишь для предварительного определения сечений и диаметров проводов. Эти величины затем уточняются после выполнения конструктивного и теплового расчета обмоток.

После выбора плотностей тока сечения проводов обмоток находятся по формуле:

(11)

где: Ji - ток в i - обмотке;

дi - плотность тока в i - обмотке ток первичной обмотки J1 находят по формуле (5), токи вторичных обмоток обычно заданы. Диаметры проводов находят по формуле:

. di = 1,13 (12)

Следующим этапом расчета является выбор марки провода. При этом необходимо исходить из следующих рекомендаций: при напряжениях на обмотках до 500 В применяются чаще других провода марок ПЭВ-1 для работы при температуре 105 °С, ПЭВТЛ-1 при 120 °С и ПЭТВ при 130 оС. Для работы при более высоких температурах применяются обычно провода ПСД ( при 155 °С), ПСДК ( при 180 °С) и ПСДКТ ( при 300 °С). При напряжениях свыше 500 В рекомендуется применять провода марок ПЭВ--2 и ПЭВТЛ-2. Справочные данные по обмоточным проводам приведены в таблице 11. .

Выбрав ближайшие к найденным по формуле (12) диаметры проводов, выписывают из таблицы 11 следующие данные:

1) номинальный диаметр провода , мм;

2) диаметр провода с изоляцией dизол, мм;

3) сечение провода S, мм;

4) масса 1 км провода.

Подставляя в формулу (11) сечение выбранного провода, находят фактическую плотность тока каждой обмотки.

Следующим этапом электрического расчета обмотки является определение испытательных напряжений. Величины испытательных напряжений в нормальных условиях и при повышенной влажности находят:

1) при напряжениях на зажимах испытываемой обмотки до 250 В -по данным нижеприводимом таблицы 12.

Таблица 12

Рабочее напряжение, В	Испытательное напряжение
	В нормальных Условиях	При повышенной влажности
до 24	250	125
24 - 100	500	250
100 - 250	1000	500

2) для Uраб = 250 В испытательное напряжение .находят по формуле:

(13)

Конструктивный расчет обмоток трансформатора конструктивный расчет обмоток состоит в выборе основания для намотки (гильзы или каркаса), длины намотки, числи витков в слое и числа слоев каждой обмотки, а также в выборе междуслоевой и между обмоточной изоляции.

На рис.3 приведен эскиз размещения обмоток на катушке каркасной конструкции. Для бескаркасного способа намотки катушек расстояние

Дш выбирается в зависимости от диаметра провода в пределах 2-5 мм. Если катушка одна, то в этом случае До - расстояние между крайним витком катушки и магнитопроводом ( выбирается в пределах 0,5 - 1 мм ). При Uраб<100 В толщина каркаса равна толщине щеки Дш и выбирается в пределах 1,5 - 3 мм.

Поверх каркаса (или гильзы), толщина которого Д1 выбирается в пределах 1-2 мм, наматывается изоляционная прокладка из кабельной бумаги K-I2 толщиной 0,12 мм или из пропиточной бумаги ЭИП-63Б толщиной 0,11 мм в один слой при Uраб <250 В и в два слоя при Uраб < 500В. Толщина междуслоевой изоляции Д/1 и Д/2 выбирается в пределах 0,01 - 0,022 мм ( один слой конденсаторной бумаги КОН-1) при диаметре провода d не более 0,15 мм ; если диаметр провода составляет 0,15-0,5 мм, то толщина междуслоевой изоляции равна 0,05 мм ( один слой телефонной бумаги КТМ); при d = 0,5 - 0,8 мм - 0,09 мм (один слой пропиточной бумаги ЭИП-63Б толщиной 0,09 мм); при d = 0,8 - 1,2 мм - 0, 11- 0,I2 мм ( один слой бумаги ЭИП-6ЗБ или К-12), при d > 1,2 мм толщина междуслоевой изоляции составляет 0,24 мм (два слоя бумаги ЭИП-63Б или K-I2).

При d < 0,5 мм междуслоевая изоляция прокладывается через ряд слоев о суммарным напряжением не более 150 В.

При d > 0,5 мм междуслоевая изоляция прокладывается поверх каждого слоя.

Толщина между обмоточной изоляции Д2 и Д3 при Uисп< 1000 В выбирается в пределах 0,24 -„0,33 мм ( два слоя бумаги K-I2 или три слоя бумаги ЭИП-63Б); при Uисп < 1600 В ЭИП-63Б; при Uисп < 2200 В - Д2, Д3 = 0,48-0,55мм. Толщина наружной изоляции Дн при Uраб< 500 В составляет 0,54-0,56 мм (два слоя бумаги ЭИП-6ЗБ или K-I2 и один слой батистовой ленты толщиной 0,16 мм, наматываемой с половинным перекрытием); при Uраб > 500 В - Дн > 0,65 - 0,68 мм ( нa каждые 250 В добавляется один слой бумаги). Расстояние между каркасом и магнитопроводом Д4 обычно составляет 0,5 мм.

После выбора конструкции катушки, способом намотки, выполнения

обмоток и выбора изоляции, и её толщины переходят к определению

осевой длинны обмотки hg по формуле:

(14)

где: h - высота окна магнитопровода.

Далее находят число витков в одном слое Wс и число слоев каждой обмотки N по формулам:

(15)

(16)

где: Ky - коэффициент укладки провода определяется из таблицы 13.

Таблица 13

dизол, мм	0,07-0,12	0,13-0,19	0,2-0,3	0,31-0,83	0,86-1,0	1,0
Ку	1,15	1,1	1,07	1,05	1,1	1,15

Радиальные размеры или толщины обмоток для каркасной конструкции и концентрического выполнения обмоток для случая прокладки междуслоевой изоляции через каждый слой определяют по формуле:

(17)

где: Дip - толщина i - обмотки;

Ni - число слоев i - обмотки;

Дi - толщина между слоевой изоляции i - обмотки;

dизол.i - диаметр провода в изоляции i - обмотки.

Если же междуслоевая изоляция прокладывается через несколько слоев обмотки, то в формулу (17) вместе Ni-1 необходимо подставить число междуслоевых прокладок.

Далее находят радиальный размер катушки Дк и определяют расстояния между катушкой и сердечником магнитопровода Д0 по формулам:

(18)

Д0 = с - Дк (19)

В формулах (18) и (19) обозначены:

С - ширина окна магнитопровода;

Квып - коэффициент выпучивания обмотки, находится из табл. 14.

Таблица 14

dизол, мм	0,07-0,12	0,13-0,19	0,2-0,3	0,31-0,83	0,86-1,0	1,0
Квып	1,05	1,08	1,1	1,12	1,15	1,15

Если величина зазора Д0 лежит в пределах 0,5 - 1,0 мм, то катушка нормально укладывается в окне магните провода. Если же Д0 меньше указанных пределов, то катушку разместить в окне магнитопровода нельзя. В этом случав необходимо увеличить либо индукцию В, либо подобрать провода меньших диаметров.

7.4 Тепловой режим трансформатора

Расчет теплового режима трансформатора заключается в определении установившейся температуры перегрева трансформатора. Для определения температуры перегрева находят суммарные потери в обмотках трансформатора по формуле:

(20)

В формуле (20) обозначены:

ToC - допустимая температура нагрева проводов;

дi - плотность тока в i - обмотке, А/мм2 ;

YMi - масса меди i - обмотки, кг.

Масса меди каждой обмотки находится по следующей формуле:

(21)

где: щ - полное число витков в i - обмотке;

lcpi - средняя длина витка i - обмотки в км;

YM0 - масса медной проволоки длиною в 1 км.

Входящая в формулу (21) средняя длина витка i- обмотки находится, исходя из соотношения:

(22)

В соотношении (22):

а - ширина магнитопровода;

b - толщина магнитопровода.

Используя формулу (22) получим, например, для средней длины витка первичной обмотки:

(23)

для средней длины витка вторичной обмотки lcp2:

(24)

Далее определяют поверхность охлаждения катушки Sk и усредненную температуру перегрева ДТ по формулам:

(25)

(26)

В формуле (26):

б - удельный коэффициент теплоотдачи между катушкой трансформатора и окружающей средой, находится для заданной типовой мощности трансформатора Ртип и частоты питающей сети из графика рис 4.

Усредненную температуру, до которой нагреются обмотки трансформатора, определяют по формуле:

Т = Токр + ДТ. (27)

Если полученная в результате расчета температура будет близка к допустимой температуре нагрева примененных проводов, то трансформатор рассчитан правильно. Если T > Tдоп , то при возможности необходимо увеличить сечение проводов и индукцию В без замены магнитопровода. Если увеличить сечение проводов без изменения типоразмера магнитопровода и числа витков нельзя, то необходимо увеличить сечение магнитопровода при сохранении прежней величины индукции В, либо увеличить индукцию В , оставив прежнее сечение магнитопровода ( если позволит относительное значение тока холостого хода).

Если Т < ( 0,8 - 0,85)Тдоп , то следует уменьшить размеры магнитопровода и провести пересчет трансформатора, увеличивая плотность тока в обмотках и, если относительная величина тока холостого хода не будет сверх нормы, увеличить индукцию В.

Определение падения напряжения и к.п.д. трансформатора

После выбора магнитопровода и проведения электрического и конструктивного расчета можно считать расчет трансформатора в основном законченным.

Для полного расчета следует определить фактическое падение напряжения и уточнить число витков первичной и вторичной обмоток, а также найти величину к.п.д. трансформатора.

Активные сопротивления обмоток могут быть найдены по формуле

 (28)

где сi - сопротивление I км провода i- обмотки.

Уточненные активные падения напряжения обмоток находятся по формуле

(29)

Далее определяют ориентировочные значения реактивных сопротивлений каждой из обмоток x1 и x2 ( для двух обмоточного трансформатора) и отнесённого к фазе вторичной обмотки трансформатора по формулам:

(30)

(31)

(32)

где: щ1 - число витков первичной обмотки;

щ2 - число витков вторичной обмотки, по отношению к которой определяют хmp ;

lcp/ - средняя длина витка обоих обмоток,

ДS - приведенная величина зазора между обеими обмотками,

Далее уточняют реактивную составляющую падения напряжения во всех обмотках. Для двух обмоточного трансформатора:

(33)

(34)

Затем находим ДU1 и ДU2 по формулам:

(35)

(36)

Если мощности рассчитываемых трансформаторов не превышают нескольких сотен вольт-ампер, то влиянием реактивных сопротивлений по сравнению с активными можно пренебречь, в этом случае можно считать:

(37)

. (38)

В заключение определяют к.п.д. трансформатора по формуле:

(39)

Зная величину к.п.д. и пользуясь формулой (5), можно определить фактическое значение тока Y1 в первичной обмотке. Если найденное значение Y1 значительно отличается от принятой в начале расчета, то следует изменить диаметр провода в соответствии с полученным результатом.

На этом расчет трансформатора можно считать законченным.

7.5 Справочные данные

Рекомендуемые плотности тока в обмотках трансформаторов при температуре перегрева обмоток Т = 50 оС:

Таблица 1

Конструкция магнитопровода	Марка стали и толщина листа, мм	Частота сети, Гц	Плотность тока , А/мм2 при типовой мощности трансформатора
			5-15	15-50	50-150	150-300	300-1000
Броневая	Э310	50	3,8-3,5	3,5-2,7	2,7-2,4	2,4-2,3	2,3-1,8
Стержневая			7-5,2	5,2-3,8	3,8-3,0	3,0-2,4	2,4-1,7
Броневая	Э340 0.15	400	7,8-9,4	9,4-6,5	6,5-4,0	4,0-2,7	2,7-1,5
Стержневая			11,0-9,6	9,6-5,6	5,6-3,5	3,5-2,8	2,8-1,8

Конструкции трансформаторов с оптимальной геометрией

Таблица 2

При минимальной массе и частоте сети, Гц	При минимальном объеме и частоте сети, Гц	При минимальной стоимости и частоте сети, Гц
fc = 50	fc = 400	fc = 50	fc = 400	fc = 50	fc = 400
Стержневая с двумя катушками с магнитоприводом ПЛМ	Меньше 350 ВА тороидальная	Стержневая с двумя катушками	Меньше 500 ВА тороидальная	Стержневая с двумя катушками (магнитопровод ПЛМ)
До 100 ВА броневая (магнитопровод ШМЛ)	Свыше 350 ВА стержневая с двумя катушками	Свыше 500 ВА стержневая с двумя катушками	До 100 ВА броневая (магнитопровод ШМЛ)
До нескольких ВА тороидальная	Броневая (магнитопровод ШЛ)

Значение коэффициента заполнения окна Км для разных конструкций магнитопровода и различных мощностей трансформатора.

Таблица 3

Частота сети, Гц	Конфигурация магнитопровода	Коэффициент заполнения, Км
		,ВА
		15-50	50-150	150-300	300-1000
50	Броневой	0,22-0,28	0,28-0,34	0,34-0,36	0,36-0,38
	Стержневой	0,18-0,26	0,26-0,30	0,30-0,33	0,33-0,35
410	Броневой	0,21-0,25	0,25-0,28	0,28-0,30	0,30-0,37
	Стержневой	0,17-0,22	0,22-0,25	0,25-,27	0,27-0,35
	Тороидальный	0,16-0,17	0,17-0,24	0,24-0,25	0,25-0,28

Значения коэффициента заполнения сечения магнитопровода сталью Кcm для разной конфигурации магнитопровода и толщина стали.

Таблица 4

Конфигурация магнитопровода	Коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью, Ксm
	Толщина стали, мм
	0,08	0,1	0,15	0,2	0,35
Стержневая, броневая (пластинчатая)	-	0,7	-	0,85	0,91
Стержневая, броневая (ленточная)	0,87	-	0,9	0,91	0,93
Тороидальная (ленточная)	0,87	-	-	0,88	-

Рис.1. Зависимость удельных потерь в стали от максимальной индукции.

Таблица 5

Тип	Размеры, мм	Активная площадь сечения магнитопровода, см2	Средняя длина магнитной силовой линии, см	Площадь сечения стали х площадь сечения окна, см4	Активный объем магнитопровода, см3

Подобные документы

• Расчет электрических цепей постоянного и переменного токов

  Расчет линейных электрических цепей постоянного тока. Расчет однофазных и трехфазных линейных электрических цепей переменного тока. Определение токов во всех ветвях схемы на основании законов Кирхгофа. Метод контурных токов. Баланс мощностей цепи.
  
  курсовая работа [876,2 K], добавлен 27.01.2013
  

• Исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя с фильтром

  Понятие и сфера применения выпрямителя электрического однофазного. Экспериментальное исследование характеристик мостового выпрямителя переменного тока с различными видами сглаживающих фильтров. Освоение методики исследования и расчета выпрямителя.
  
  лабораторная работа [141,3 K], добавлен 18.06.2015
  

• Стабилизаторы напряжения и тока

  Понятие, сущность, классификация, основы проектирования и расчета стабилизатора напряжения последовательного типа. Методика проектирования однофазного мостового выпрямителя, работающего на нагрузку с сопротивлением, порядок вычисления его параметров.
  
  курсовая работа [149,9 K], добавлен 09.09.2010
  

• Методы расчета источников питания различных схемных решений, с заранее заданным выходным напряжением

  Производство надежных и эффективных преобразователей переменного тока в постоянный. Расчет понижающего мостового выпрямителя с удвоением напряжения при автотрансформаторном питании от сетки. Расчет бестрансформаторного выпрямителя с умножением напряжения.
  
  курсовая работа [640,6 K], добавлен 04.05.2015
  

• Измерение токов, напряжений и мощностей в линейных электрических цепях синусоидального тока

  Составление расчетной электрической схемы. Расчет токов в исследуемой электрической цепи. Проверка выполнения законов Кирхгоффа. Выбор измерительных приборов и схема включения электроизмерительных приборов. Схемы амперметров выпрямительной системы.
  
  курсовая работа [989,1 K], добавлен 24.01.2016
  

• Проектирование переключателя для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока низкой частоты

  Краткий обзор коммутационных устройств ручного управления. Разработка кнопки для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока низкой частоты: определение контактного усилия, переходного сопротивления и температур локального перегрева.
  
  контрольная работа [39,8 K], добавлен 29.08.2010
  

• Метрологическое обеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока

  Характеристика электромеханических приборов для измерения постоянного, переменного тока и напряжения. Их конструкция, принцип действия, область применения, достоинства и недостатки. Определение и классификация электронных вольтметров, схемы приборов.
  
  курсовая работа [1,1 M], добавлен 26.03.2010
  

• Проектирование тиристорного выпрямительного агрегата

  Обоснование выбора схемы силового тиристорного выпрямителя. Тепловой расчёт вентилей по току и напряжению, расчет преобразовательного трансформатора. Определение напряжения короткого замыкания, тока холостого хода. Энергетические показатели выпрямителя.
  
  курсовая работа [205,6 K], добавлен 04.04.2014
  

• Электромеханический следящий привод робота

  Выбор двигателя электромеханического следящего привода второго звена. Определение требуемого передаточного отношения и марки редуктора. Тепловой расчёт привода первого звена. Анализ точности и назначение требований к компонентам следящего привода.
  
  курсовая работа [1,6 M], добавлен 31.05.2013
  

• Силовые полупроводниковые приборы

  Обоснование способа и силовой схемы регулирования выпрямленного напряжения. Расчет параметров управляемого выпрямителя и выбор типа силовых полупроводниковых приборов. Анализ работы управляемого выпрямителя. Система импульсно-фазового управления.
  
  курсовая работа [628,3 K], добавлен 31.03.2018
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам