Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследований 8
1.1. Климатические условия Восточной Сибири и их влияние на технологию обогрева помещений 8
1.2. Микроклимат животноводческих помещений 9
1.3. Обоснование применения электронагрева в сельскохозяйственном производстве 16
1.4. Использование электронагрева в условиях ограниченного электропотребления 18
1.5. Электронагревательные установки 23
1.6. Способы и технические средства управления электронагревательными установками 33
2. Исследование энергетических процессов в электронагревательных установках с полупроводниковыми преобразователями 44
2.1. Состояние научных исследований энергетических процессов в электрифицированных технологических установках 44
2.2. Известные энергетические характеристики электронагревательных установок с полупроводниковыми преобразователями 46
2.3. Разработка энергетических характеристик электронагревательных установок на основе закона сохранения электромагнитной энергии.. 52
2.4. Методика расчета мощности электронагревательных установок животноводческих помещений с учетом разработанных энергетических характеристик 59
3. Устройства управления электронагревательными установкам 76
3.1. Силовая схема полупроводниковых преобразователей сопротивления для управления мощностью электронагревателей... 76
3.2. Система управления преобразователями сопротивления электронагревательных установок 80
3.3. Методика расчета и выбора элементов схемы управления силовыми полупроводниковыми приборами 84
4. Методика экспериментальных исследований и математическое моделирование 104
4.1. Математическое моделирование электронагревательной установки с полупроводниковыми преобразователями в программе MATLAB... 104
4.2. Методика экспериментальных исследований электронагревательных установок с полупроводниковыми преобразователя
4.3. Оценка погрешности и проверка адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований 112
4.4. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований 115
5. Технико-экономическая оценка эффективности энергосберегающего управления электрообогревом животноводческих помещений 123
5.1. Определение сметной стоимости оборудования 123
5.2. Определение дополнительных эксплуатационных расходов 127
5.3. Экономическая эффективность внедрения электронагревательной установкой с полупроводниковыми преобразователями 129
Выводы 134
Литература 136
Приложения 149
- Обоснование применения электронагрева в сельскохозяйственном производстве
- Известные энергетические характеристики электронагревательных установок с полупроводниковыми преобразователями
- Система управления преобразователями сопротивления электронагревательных установок
- Методика экспериментальных исследований электронагревательных установок с полупроводниковыми преобразователя
Введение к работе
Министерством топлива и энергетики России разработана Федеральная целевая программа «Энергосбережение России», утвержденная Постановлением Правительства Российской Федерации от 24.01.98г. №80. Целью программы является обеспечение перехода отечественной экономики на энергосберегающий путь развития, повышение конкурентоспособности отечественной продукции [46].
Широкое внедрение электроэнергии в сельскохозяйственное производство способствует рациональному размещению сельскохозяйственных предприятий, позволяет наиболее полно привлекать естественные природные ресурсы страны, обеспечивать высокие темпы расширенного производства.
Наиболее широко и эффективно электрическую энергию используют в животноводстве. Это связано с тем, что применение электронагрева способствует повышению сохранности и продуктивности животных, снижению эксплуатационных затрат и удельного расхода кормов, значительному повышению производительности труда при производстве тепловой энергии [39,41,44,46,54,72,84,88,107,108,109].
На современном этапе развитии науки и техники снижение удельных энергетических и материальных затрат осуществляется за счет управления технологическими параметрами, мощностью электроустановок, преобразования параметров электрической энергии для наиболее эффективного воздействия на биологические объекты, продукты и материалы [3,4,5,12,36,55,56,58,68,76,81,82,83,87,103,106].
Поставленная задача в полной мере решается с помощью полупроводниковых преобразователей, так как степень надежности обычной, широко применяемой релейно-контактной аппаратуры управления явно недостаточна. Из-за большой протяженности сельских электрических сетей, их низкой пропускной способности и ограниченной мощности потребительских трансформаторных подстанций установленный объем электропотребления можно обеспечивать с помощью преобразовательной техники. Отличительной особенностью животноводства, как объекта автоматизации, является непосредственная связь технических средств с живыми организмами. В настоящее время для сельскохозяйственного производства заводами изготавливаются различные полупроводниковые устройства управления.
Использование полупроводниковых преобразователей для управления электронагревательными установками, позволяет снизить расход электроэнергии на технологические процессы до 40%, обеспечивая высокое качество технологического процесса [3,4,5,8].
Общим недостатком полупроводниковых преобразователей, которые изготавливаются в России и за рубежом, являются их низкие энергетические показатели в режимах управления; снижение показателей эффективности работы потребителей электроэнергии из-за ухудшения формы напряжения, тока в электрической сети [15,37,75,76,93] и на выходе преобразователя; ограниченные единичная установленная мощность и функциональные возможности известных преобразователей [69].
Решение проблемы повышения энергетической эффективности полупроводниковых преобразователей для электронагревательных установок в условиях ограниченного электропотребления является актуальной.
Методы исследований. Методологической основой при теоретических и экспериментальных исследованиях является закон сохранения энергии в электромагнитном поле. Теоретическая часть диссертации базируется: на математических и физических моделях, учитывающих электромагнитные процессы в электрических цепях с полупроводниковыми приборами; на фундаментальных законах электротехники и теории преобразовательной техники.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях и на реальных, опытных образцах в производственных условиях.
Объект исследования. Электронагревательные установки с полупроводниковыми преобразователями для поддержания рационального температурного режима в животноводческих помещениях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- исследована физическая сущность энергетических процессов в системе: электрическая сеть - полупроводниковый преобразователь электронагревательная установка и разработана математическая модель энергетических процессов в электрических цепях с полупроводниковыми преобразователями; предложен новый метод повышения эффективности электронагревательных установок в условиях ограниченного электропотребления, заключающийся в плавном изменении способа соединения электронагревательных элементов во времени полупроводниковым преобразователем;
- разработан алгоритм управления полупроводниковым преобразователем электронагревательных установок для энергосбережения и их электромагнитной совместимости с сельскими электрическими сетями и с потребителями электроэнергии; разработана методика расчета энергетических характеристик электронагревательных установок с полупроводниковыми преобразователями для обогрева животноводческих помещений;
- разработана методика расчета и выбора элементов преобразователя для управления электронагревательной установкой.
Практическая значимость заключается в следующем:
- разработан полупроводниковый преобразователь сопротивления обеспечивающий энергосбережение, электромагнитную совместимость с сельскими электрическими сетями и минимальный потребляемый ток из сети в процессе управления мощностью электронагревательными установками для обогрева животноводческих помещений в условиях ограниченного электропотребления;
-алгоритм управления полупроводниковым преобразователем позволяет применять электронагревательные установки в животноводческих помещениях с электроснабжением их от маломощных источников энергии через электрические сети, отличающиеся большой протяженностью и малой пропускной способностью;
- методика расчета и выбора элементов преобразователя, позволяет реализовать проектирование и изготовление преобразователя с заданным алгоритмом управления для достижения энергосбережения и электромагнитной совместимости устройств;
- математическая модель энергетических процессов и методика расчета, выбора элементов преобразователя электронагревательных установок для животноводческих помещений применяется в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации специалистов.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференция ИрГСХА (2000, 2001, 2004, 2007, 2008 гг.), на научных семинарах кафедры электроподвижного состава ИрГУПС (2007, 2008 гг.), на первом научно-практическом семинаре «Чтения И.П. Терских» (Иркутск, 2008г.), на семинаре «Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование» Международный выставочный комплекс «СибЭкспоЦентр» (Иркутск 2008г.), на научно-практическом семинаре энергетического факультета ИрГСХА (2008г.), на межкафедральном семинаре электротехнологического факультета КрасГАУ (2008г.).
По результатам исследований опубликовано семь печатных работ, в том числе в рекомендованном ВАК издании. Заявка на патент изобретения «Способ регулирования напряжения и устройство трехфазного выпрямителя». Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 115 наименований и приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 40 таблиц.
Обоснование применения электронагрева в сельскохозяйственном производстве
Необходимые параметры воздуха должны обеспечиваться в зоне размещения животных, то есть в пространстве высотой до 1,5м над уровнем пола.
Помещения для содержания животных должны быть оборудованы вентиляцией и тепловыми установками. Производительность этих устройств определяют для каждого здания расчетным путем с учетом параметров наружного и внутреннего воздуха, тепло-, влаго- и газовыделений животных (с учетом изменений их роста) и теплотехнических характеристик ограждающих конструкций.
Надежность работы систем микроклимата должна быть обеспечена в течении всего периода эксплуатации, включая режимы неполного заполнения животными, дезинфекции и т.п.
Для поддержания требуемых параметров воздушной среды в животноводческих помещениях, оптимизация работы систем (экономия теплоты, энергии, повышение точности параметров), а также для предупреждения выхода оборудования из строя необходимо предусматривать соответствующее автоматическое регулирование и блокировку работы элементов систем вентиляции и обогрева [2,35,39,41 и др.]. Развитие сельскохозяйственного производства неразрывно связано с развитием теплоэнергетики. Для теплоснабжения животноводческих и других рассредоточенных объектов сельского хозяйства используют мелкие и неэкономичные огневые котельные, работающие на дизельном топливе, каменном и буром угле. Опыт эксплуатации огневых котельных показывает, что они не обеспечивают оптимальные параметры микроклимата в животноводстве [88].
Развитие топливно-энергетического комплекса позволяют принимать в качестве альтернативных вариантов при выборе энергоносителей для теплоснабжения объектов сельскохозяйственного производства твердое топливо и электрическую энергию. Учитывая, что транспортирование и сжигание твердого топлива в мелких котельных неэкономично, электрическую энергию следует рассматривать как один из основные энергоносителей.
Основные отличительные свойства электроэнергии состоит в том, что она может легко передаваться на большие расстояния и относительно просто с малыми потерями преобразовываться в другие виды энергии. При использовании электроэнергии для получения теплоты не понадобиться сооружение котельной, наружных тепловых сетей, складских топливных и газоочистительных устройств.
В сельском хозяйстве многие потребители теплоты отличаются большой территориальной разобщенностью, небольшой мощностью, которую используют непродолжительное время. Кроме того, тепловая нагрузка таких потребителей резко меняется в течении суток и зависит от времени года. Например, теплоснабжение животноводческих объектов определяется поголовьем и возрастом скота, характером его содержания [26,41,44,54,88,107].
Использование электрической энергии для нагрева, например в животноводстве, применяют для локального и общего обогрева животноводческих помещений, нагрева воды и получения пара на технические нужды, подогрева воды для поения животных, электротепловой обработки молочного оборудования, молочных продуктов и кормов [2,13,14,39,44]. Дополняя общий обогрев животноводческих помещений специальными электротепловыми устройствами, или полностью переведя их на электронагрев, можно повысить сохранность молодняка практически до 100% и увеличить привесы с одновременным сокращением удельного расхода кормов .
Основной показатель эффективности электротепловых установок является снижение энергетической составляющей затрат. Экономию затрат на энергию можно достичь путем применения электроустановок с аккумуляцией тепла, работающих на внепиковой электроэнергии [16].
Современные животноводческие помещения должны быть оборудованы системами теплоснабжения, к которым предъявляют ряд требований [73,88,107]: надежность теплоснабжения всех технологических процессов; децентрализация систем; постоянная готовность к работе; автоматизация процессов теплоснабжения; снижение трудозатрат на обслуживание систем; улучшение условий труда, состояния и продуктивности животных; экономия энергоресурсов; снижение загрязнение окружающей среды.
В наибольшей степени характеру тепловых нагрузок и предъявляемым требованиям соответствуют электрифицированные системы теплоснабжения. Они позволяют на основе свойства высокой дробимости электроэнергии и применения рассредоточенного оборудования осуществить децентрализованное производство теплоты в местах её непосредственного потребления и обеспечить возможность автономного автоматического поддержания теплового режима в различных технологических процессах и отдельных помещениях при наиболее простом способе подвода энергии к местам потребления. Это способствует наряду с повышением производительности труда, значительной экономии энергоресурсов.
Электрическое состояние электрической сети непрерывно изменяется, например, в связи с включением и отключением отдельных электроприемников или изменением режима их работы (в соответствии с ходом технологического процесса производства), то есть с изменением величин нагрузок. Наиболее резкое изменение электрического состояния наблюдается в распределительных сетях. Во многих случаях изменение режима нагрузки для отдельных электроприемников носит случайный характер [15]. Это значит, что для любого момента времени нельзя заранее предугадать одновременное соответствие значений нагрузок всех электроприемников. При этом соответствующее состояние электрической сети практически может быть определено лишь с некоторой степенью вероятности.
Режим работы отдельных потребителей не остаются постоянными, он неодинаков по часам суток и по сезонам. Например, электроосветительная нагрузка имеет максимальное значение в вечерние часы. Зимой осветительная нагрузка включена более продолжительное время, чем летом, и абсолютное значение её мощности больше в те же часы [22,57]. Силовая нагрузка в течении рабочего дня также меняется в зависимости от характера работы .
Известные энергетические характеристики электронагревательных установок с полупроводниковыми преобразователями
Ухудшение коэффициента мощности электроустановок Км в режимах управления технологическими процессами с помощью полупроводниковых преобразователей напряжения принято считать происходящим по причине возникновения мощности сдвига Qi и мощности искажения Т в составе полной мощности [10,64]. Мощность сдвига обусловлена тем, что даже при активной нагрузке преобразователей с фазовым управлением центр тяжести площадки, охваченной кривой мгновенного значения тока, смещается относительно центра тяжести площадки под кривой мгновенного напряжения на входе электроустановки вследствие смещения площадки под кривыми мгновенных значений напряжения на входе и на выходе преобразователя [33,42,43,64]. Мощность искажения обусловлена токами гармонических составляющих кроме основной гармоники.
Во время непроводящего состояния полупроводниковых приборов в преобразователе, когда напряжение, поданное к электроустановкам не используется в технологических процессах, на входе возникает пассивная мощность AS. Мощности Qi и Т являются ортогональными составляющими скаляра AS, если нагрузка преобразователя имеет активное сопротивление. Наличие в электрической цепи пассивной мощности сопряжено с увеличением действующего тока со всеми отрицательными последствиями данного явления. Мощность сдвига и мощность искажения можно уменьшить или полностью устранить компенсирующими устройствами и фильтрами, но коэффициент мощности электроустановки с компенсатором и фильтром не повышается, а зачастую снижается. Неоправданные затраты на применение компенсирующих устройств, дополняются зачастую повышенными потерями энергии в электрических сетях, источниках энергии, а так же снижением их коэффициента использования из-за ухудшения энергетических показателей электроустановок.
Из-за ухудшения энергетических показателей полупроводниковых преобразователей в режиме управления электрические сети и источники энергии загружаются дополнительным током, который может превышать в 2 раза ток достаточный для выполнения работы. Коммутация дополнительного тока ухудшает показатели качества электрической энергии в сети [37,38,69,78,93,94,112,114].
В режимах управления электрифицированными технологическими установками полупроводниковыми преобразователями напряжения создаются значительные нелинейные искажения тока и напряжения в сети. Нелинейные искажения тока и напряжения в сети неблагоприятно влияют на работу других потребителей электроэнергии, средств телемеханики и связи, устройств автоматики, защиты и контроля [7,15,37].
Одним из эффективных направлений, обеспечивающих энергосбережение во всех элементах электрических цепей, является управление электрифицированными технологическими процессами. Для этого в настоящее время широко применяются полупроводниковые преобразователи. Использование преобразователей обеспечивает выполнение требований к качеству технологического процесса, энергосбережение, управление энергообеспечением, выравнивание графика нагрузки источников энергии.
В теории преобразовательной технике используется математическая модель энергетических процессов в электрических цепях с полупроводниковыми приборами основанная на известной схеме замещения (рис 2.1).
При анализе преобразовательных установок система питающих напряжений предполагается синусоидальной и независящей от тока нагрузки. Эта предпосылка соответствует наличию питающей сети переменного тока бесконечно большой мощности. То есть, известная математическая модель энергетических процессов в электрических цепях с полупроводниковыми приборам может быть применена только для электроустановок, питающихся от мощных электроэнергетических систем, а нелинейные искажения тока потребителями электрической энергии не влияют на форму напряжения в сети.
Методы расчета энергетических характеристик электроустановок с преобразователями, основанные на использовании данной математической модели, сводятся к решению дифференциальных уравнений с использованием мгновенных значений электрических величин [91], к спектральному анализу с использованием действующих значение гармонических составляющих [33,64]; или к применению прямых методов расчета интегральных значений электрических величин [42].
При гармоническом анализе или при интегральном методе расчета, полную мощность на входе потребителя электрической энергии с несинусоидальным током определяют, выделяя из общего спектра гармонических составляющих основную гармоническую составляющую тока, действующее значение которого It где v - номер гармоники; Iv - действующее значение v-ой гармонической составляющей тока. Равенство v = 2 означает, что если в кривой несинусоидального тока содержится постоянная составляющая v - 0 и дробные гармонические составляющие , то они не учитывается в расчетах. Активную мощность, характеризующую часть электрической энергии необратимо преобразованную в иной вид энергии определяют, выделяя косинусную составляющую произведения действующих значений основной гармоники напряжения и тока, из выражения (2.1) она равна :
где (pi — угол сдвига по фазе основной гармоники тока относительно основной гармоники напряжения. Синусная составляющая произведения действующих значений основной гармоники напряжения и тока, является мощностью сдвига и отождествляется с реактивной мощностью: Мощность искажения, вызванная протеканием в сети переменного тока токов высших гармоник: где ,1у =у]12-I] - суммарное действующее значение токов высших гармоник, исключая основную.
Система управления преобразователями сопротивления электронагревательных установок
При разработке схемы управления силовыми полупроводниковыми приборами должны учитываться следующие требования [11]: 1) согласовывать импульсы управления силовыми полупроводниковыми приборами с фазой переменного напряжения, прикладываемого к анодам и к катодам тиристоров; 2) плавно изменять моменты подачи импульсов управления тиристорами относительно точки перехода переменным напряжением через нуль в пределах от а = к до а = 0 градусов; 3) формировать импульсы управления полупроводниковыми приборами необходимой амплитуды напряжения управления Uy, амплитуды тока управления 1У, требуемой длительности с крутым фронтом . На вход генератора прямоугольных импульсов (ГПИ) на операционном усилителе напряжение подается либо с мостового фазосдвигающего устройства, либо с блока синхронизации импульсов (БСИ) роль которого в схеме управления (рис.3.10) выполняет трансформатор, понижающий напряжение сети. Для ограничения уровня напряжения и получения прямоугольной формы напряжения на выходе операционного усилителя применяется диодный ограничитель Rl, VD1, VD2. Параметры диодного ограничителя выбирают по амплитуде напряжения синусоидальной формы БСИ и по максимальному напряжению на входе операционного усилителя. Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) на основе транзистора представляют собой транзисторные ключи, к выходу которых подключен конденсатор С4. На выход ГПН поступает напряжение прямоугольной формы. Когда напряжение на входе ГПН равно нулю, то на базу транзистора VT1 прикладывается отрицательный потенциал напряжения питания. Протекает ток базы транзистора, величина которого ограничивается резистором R3. Транзистор находится в режиме насыщения и напряжение на выходе ГПН равно нулю. Когда на вход ГПН прикладывается амплитуда напряжения прямоугольной формы положительным потенциалом на базу VT1, то транзистор находится в режиме отсечки. Конденсатор С4 начинает заряжаться через резистор R4, формируя рабочий ход «пилы».
Продолжительность рабочего хода «пилы» задается равной половине периода переменного напряжения. Постоянную времени цепи заряда конденсатора принимается большим, чем половина периода переменного напряжения, для того, чтобы получить линейное изменение напряжения на конденсаторе во время рабочего хода. Сопротивление резистора R4 выбирается таким, чтобы ток коллектора в режиме насыщения был меньше предельного тока коллектора. Продолжительность подачи амплитуды напряжения прямоугольной формы на вход ГПН равно половине периода переменного напряжения. С прекращением подачи амплитуды напряжения ГПИ транзистор VT1 снова переходит в режим насыщения, и конденсатор С4 разряжается через переход эмиттер-коллектор транзистора. Формируется обратный ход «пилы». В качестве элемента сравнения в схеме используется транзисторный нуль-огран. Разность напряжений ГПН и управления прикладывается к эмиттеру и базе транзистора VT2. Напряжение ГПН для транзистора является отпирающим, а напряжение управления - запирающим. Когда напряжение ГПН меньше напряжения управления, транзистор VT2 находится в режиме отсечки, так как положительный потенциал результирующего напряжения прикладывается к базе транзистора, а отрицательный потенциал этого напряжения прикладывается к эмиттеру транзистора.
В момент равенства напряжения ГПН и напряжения управления на базе транзистора VT2 изменяется потенциал с положительного на отрицательный, и транзистор мгновенно переходит из режима отсечки в режим насыщения. Падение напряжения на резисторе R6 является выходным импульсом напряжения, смещенным по фазе на угол а относительно переменного напряжения на силовых тиристорах преобразователя. Фазосдвигающее устройство (ФСУ) вертикального принципа практически нечувствительны к амплитудным и фазовым искажениям напряжения в сети, поэтому обеспечивают высокую точность регулирования угла управления тиристорами. Для согласования внутреннего сопротивления ГПН и входного сопротивления элемента сравнения служит резистор R5. Формирователи импульсов (ФИ) служат для генерирования импульсов требуемой длительности. Дифференцирующая цепочка (R7C5 - цепь) служит для преобразования импульсов прямоугольной формы на входе ФИ в импульсы экспоненциальной формы требуемой длительности с крутым фронтом. В момент подачи на вход ФИ напряжения прямоугольной формы ток заряда конденсатора С5 имеет максимальное значение, а падение напряжения на резисторе R7 (напряжение на выходе ФИ) равно напряжению входа. Формируется импульс положительной полярности с крутым фронтом. По мере заряда конденсатора С5 ток заряда уменьшается, падение напряжения на резисторе снижается по экспоненте. Конденсатор С5 разряжается, ток разряда протекает но резистору в противоположном направлении по отношению к направлению тока заряда. На выходе дифцепочки формируется импульс отрицательной полярности с крутым фронтом. Длительность процесса заряда и разряда конденсатора определяется постоянной времени электрической цепи R7C5. Для системы ФСУ вертикального принципа используется блок выходного усилителя (БВУ) на транзисторах обратной проводимости. В промежутке между импульсами управления конденсатор С7 заряжается от источника питания, а транзисторы VT3 и VT4 в режиме отсечки. С поступлением импульса управления от предыдущего блока протекает ток базы транзисторов, и они переходят в режим насыщения.
Методика экспериментальных исследований электронагревательных установок с полупроводниковыми преобразователя
Если температура окружающей среды изменяется, то последовательно со стабилитроном, включенным в обратном направлении, соединяются диоды в прямом направлении. У диодов в прямом направлении отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН) может полностью или частично компенсировать положительный ТКН стабилитрона при обратном включении.
Так как стабилизаторы сглаживают пульсации напряжения, то коэффициент пульсации выпрямленного напряжения на выходе Кпвых стабилизатора уменьшается в Кст раз по сравнению с коэффициентом пульсаций на его входе Кпвх :
Исходными данными для расчета стабилизатора напряжения являются напряжение питания Un, ток нагрузки 1„ блока системы управления, для которого предназначен источник питания, и коэффициент стабилизации Кст. Необходимо учитывать изменения входного напряжения в сторону увеличения AUBX и в сторону уменьшения AUgX . Если ток нагрузки изменяется, например, в ГПН, то нужно учитывать изменения тока нагрузки в сторону увеличения AIj) и в сторону уменьшения AI". В ГПИ, ИФ, НО ток нагрузки можно принимать постоянным, a AI„ = AI" = 0. Сглаживающие фильтры в источниках питания систем управления служат для снижения пульсаций выпрямленного напряжения. RC-фильтры имеют меньшие размеры, массу и стоимость по сравнению с LC-фильтрами. Но на резисторах Rl, R2 возникает падение напряжения, поэтому RC-фильтры применяют при небольших токах (до 100 мА). В качестве емкости сглаживающих фильтров применяют электролитические конденсаторы, отличающиеся большой емкостью (несколько тысяч микрофарад) при незначительных габаритах. Основным параметром, характеризующим работу фильтра, является коэффициент сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения: где Кпвх - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра; Кпвых- коэффициент пульсаций напряжения на выходе фильтра. При коэффициенте сглаживания пульсаций q 25 применяют однозвенные фильтры. Для уменьшения пульсаций с q 25 применяются многозвенные фильтры, коэффициент сглаживания пульсаций которых равен произведению коэффициентов сглаживания пульсаций каждого звена. Если ток нагрузки фильтра больше 100 мА, целесообразно применять LC-фильтры. Произведение L-C можно рассчитать по формуле: Задаваясь емкостью С так, чтобы индуктивность дросселя фильтра не превышала L 5 Гн, рассчитывается индуктивность дросселя фильтра после выбора номинальной емкости конденсатора фильтра: Принимая полную длину зазора в сердечнике дросселя 8 = 0,5...2 мм, можно рассчитать сечение сердечника магнитопровода Sc, число витков обмотки дросселя w и диаметр провода d обмотки: Сечение обмотки дросселя можно рассчитать по формуле: По произведению Qc Qv выбираются размеры пластин магнитопровода с сечением окна Q0 . С учетом объема, занимаемого стенками каркаса и изоляционными прокладками, сечение Q0 должно быть несколько большим, чем сечение обмотки дросселя Qv. Определяется средняя длина провода обмотки дросселя lv и активное сопротивление провода обмотки Rv: где а - ширина пластины среднего стержня; Ъ - ширина окна магнитопровода. Падение напряжения на обмотке дросселя фильтра равно Выпрямленное напряжение на входе фильтра равно В блоках питания систем управления преобразователями обычно применяются выпрямители мостовые или со средней точкой и однополупериодные выпрямители (рис.3.9). В мостовом выпрямителе к диодам прикладывается напряжение вдвое меньше чем в выпрямителе с нулевым выводом. Исходными данными для расчета и выбора диодов выпрямителя, диодных модулей являются [11]: среднее значение максимального выпрямленного напряжения на входе стабилизатора и на входе фильтра Ujjx, среднее значение выпрямленного тока. Максимальное мгновенное значение напряжения, которое прикладывается к диодам мостового выпрямителя в обратном направлении, можно рассчитать по формуле При выборе диодов по напряжению необходимо выполнить условие Среднее значение тока, протекающего через диоды мостового выпрямителя в прямом направлении, равно При выборе диодов по току необходимо выполнить условие Трансформатор блока питания обычно является многообмоточным и служит в основном для согласования напряжения обмотки собственных нужд трансформатора с напряжением питания блоков системы управления преобразователем, а также для синхронизации импульсов [11,96]. Определяется сопротивление трансформатора: где Uex - напряжение на входе стабилизатора; IHi Іст - соответственно ток нагрузки, ток пробоя стабилитрона. Рассчитывается действующее напряжение U2 на вторичной обмотке трансформатора: где Rnp — активное сопротивление диода выпрямителя при прямо включении. Рассчитывается действующий ток 12 во вторичной обмотке трансформатора: Определяется полная мощность вторичной обмотки: Подобные расчеты выполняются для всех источников питания, которые обеспечивают электрической энергией другие блоки системы управления преобразователем: S3 =U3 I3, S4 =U4 I4. Рассчитывается действующий ток первичной обмотки трансформатора: Вычисляется габаритная мощность трансформатора, которая для двухтактных выпрямителей определяется по формуле Находится произведение площади сечения сердечника трансформатора Qc на площадь окна магнитопровода Q0 , которое в зависимости от марки провода обмотки равно
