Магнитный усилитель с самоподмагничиванием

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

 

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра электротехники и электрооборудований предприятий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетно-графическое задание

Магнитный усилитель с самоподмагничиванием

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студ. гр. АЭ-08     Зинаттуллин Э.Ж

Проверил:    Хакимьянов М.И

 

 

 

 

 

 

 

 

УФА 2010

 

Содержание

 

1. Исходные данные 3

2. Выбор сердечника 3

3. Расчёт параметров обмоток 6

4. Выбор выпрямителей рабочей цепи 7

5. Расчёт обмотки управления 8

6. Расчёт обмотки смещения 11

7. Проверка размещения обмоток 12

8. Определение коэффициентов усиления 14

9. Проверка на нагрев и определение плотности тока 15

10. Уточнённый расчёт максимальной мощности МУС 16

 

1. Исходные данные для расчёта

1.1 Дано

№ вар.	Рн, Вт	Iн, А	Iу, А	Кр	f,Гц	τ
5	18	0,1	0,03	5000	50	50

 

1.2 Схема

 

Рисунок 1 – Схема магнитного усилителя с самоподмагничиванием

1.3 Задание

1) Рассчитать и выбрать  сердечники для усилителя по рисунку 1;

2) Определить число витков W_y и W_p, выбрать напряжение питания, подобрать диоды, построить характеристику «вход-выход», подсчитать коэффициент усиления по мощности, произвести проверку расчёта.

 

2. Выбор сердечника

Размеры сердечников  определяются произведением S_c·S_m. Для расчёта этой величины с помощью уравнения

                                   (2.1)

задаёмся величинами η, β, B_m, и δ, ориентируясь на имеющийся опытный материал.

Таблица 1– Выбор величины индукции и коэффициента β

Материал	Bm, *10-5	Β
Сплав марки 50 НП	12	0,9

Для данного случая выбираем сплав марки 50 НП, так как требуется невысокий коэффициент усиления по мощности К_р.

β – коэффициент, характеризующий степень отклонения реальной петли гистерезиса от прямоугольной.

Мощность Р_н связана с параметрами магнитного усилителя уравнением

                 (2.2)

Выбираем магнитопровод  типа ОЛ 40/64-12,5; δ=3,75 ; η=0,68

Для данной схемы (рис.1) , .

Принимаем k_ЗМ = 0,3, k_ЗС = 0,85 и

Геометрические размеры  сердечника (табл. 2) рассчитаны для принятых коэффициентов заполнения по меди и стали (k_ЗМ = 0,3, k_ЗС = 0,85).

Выбираем сердечник ОЛ 40/64-12,5, имеющий см⁴

Таблица 2. Параметры тороидального сердечника

Тип магнитопровода dD-b мм	lc см	lM см	SC см2	SM см2	VC см3	SMSC см4	см2	см5
ОЛ 40/64-12,5	16,3	7,78	1,28	2,83	20,9	3,62	0,0286	0,598

 

После этого производим уточнённый расчёт δ и η с помощью  формул:

;                                                    (2.3)

 ;                                     (2.4)

где – коэффициент теплоотдачи,

        – удельное сопротивление меди,

      – площадь поверхности охлаждения.

;                         (2.5)

где

;                                        (2.6)

;                                                  (2.7)

;                                                   (2.8)

;                                      (2.9)

;                                            (2.10)

Значит:

;

;

мм

;

Таким образом:

 см²

Итак:

 

Определив уточнённые значения δ и η, вновь произведём расчёт   и по формуле (2.2) и (2.1), чтобы проверить обеспечивает ли выбранный сердечник необходимую величину этого произведения и , тогда:

 см⁴

 

3. Расчёт параметров обмоток

Напряжение на нагрузке

;                                                (3.1)

Значит

 В

Напряжение источника  питания (действующее значение)

;                                         (3.2)

В режиме максимальной отдачи напряжение на нагрузке имеет синусоидальную форму, поэтому , следовательно

В

Определим число витков рабочей  обмотки, а также сечение и  диаметр голого провода:

;                                    (3.3)

Значит

;

Сечение и диаметр  голого провода рабочей обмотки

;                                         (3.4)

Значит

  мм

Выбираем провод марки  ПЭВ-2: d_p = 0,17 мм; q_p = 0,0227 мм²; d_Р.ИЗ = 0,21 мм.

Сопротивление рабочей  обмотки:

  ;                                            (3.5)

Значит

 Ом

Реальный К.П.Д.:

;                                                (3.6)

Значит

 

 

4. Выбор выпрямителей рабочей цепи

Прямой ток через  каждый вентиль равен половине тока нагрузке:

;                                             (4.1)

Значит

А

К каждому вентилю (непроводящий полупериод) прикладывается амплитуда  напряжения источника питания

 ;                                       (4.2)

Значит

В

Ввиду того, что число  витков рабочей обмотки велико (W_p = 10334), необходимо взять диод с малым обратным током. Выбираем кремниевый диод Д211 с прямым током 0,1 А, обратным напряжением 600 В и обратным током 0,5 мкА (при температуре +20 °С и обратном напряжении 498 В).

;                                          (4.3)

Значит

 

5. Расчёт обмотки управления

Для определения параметров обмотки управления воспользуемся  кривой размагничивания  для сплава 50 НП с толщиной ленты 0.05 мм. Для того чтобы характеристика вход-выход усилителя была линейной, необходимо, чтобы он работал на линейной части кривой . Задаваясь различными значениями , находим ток в нагрузке, воспользовавшись уравнением (5.1)

;                          (5.1)

Далее, с помощью кривой размагничивания находим соответствующее  значение H_Y и строим зависимость .

Так как  , то, проведя упрощения получим:

Зависимость ∆B_Y = f(H_Y) представлена на рис. 2

Исходя из ∆B_Y=f(H_y), построим линеаризованную функцию I_H=f(H_y) (рис.3)

 

Рис.2. Экспериментальная кривая размагничивания (сплав марки 50НП; 0,05; f = 50 Гц)

Рис. 3. Зависимость I_H=f(H_y)

 

Тогда число витков обмотки  управления будет равно

;                                              (5.2)

Значит

Мощность управления определяем, зная коэффициент усиления

;                                                (5.3)

Значит

Сопротивление 2-х обмоток  управления равно

;                                              (5.4)

Значит

 Ом

Тогда сопротивление одной обмотки управления

 Ом

Диаметр провода обмотки  управления

;                                        (5.5)

Значит

 см=0,162 мм

Выбираем провод марки  ПЭВ-2: мм; мм²; мм

 

Сопротивление обмотки управления при  мм равно:

;                                              (5.6)

Значит

 Ом

6. Расчёт обмотки смещения

В том случае, когда  необходимо, чтобы ток нагрузки возрастал с увеличением тока управления , на усилителе делается обмотка смещения, создающая отрицательную намагничивающую силу (Н.С.), равную :

;                                     (6.1)

Задаёмся током в  обмотке смещения А. Тогда число витков обмотки смещения равно

;                                            (6.2)

Тогда

Возьмём в обмотке  смещения такую же плотность тока, как в рабочей обмотке. Тогда  сечение провода обмотки смещения будет равно

;                                                (6.3)

 мм²

Выбираем провод марки  ПЭВ-2: d_СМ = 0,09 мм; q_СМ = 0,00785 мм²; d_СМ.ИЗ. = 0,12 мм.

Сопротивление обмотки  смещения

;                                          (6.4)

 Ом

Мощность, потребляемая обмоткой смещения:

;                                         (6.5)

Тогда

 Вт

 

7. Проверка размещения обмоток

После расчёта параметров обмоток проверяется их размещение на сердечнике. Сечение, занятое всеми 3-мя обмотками, равно

;                               (7.1)

Часть окна занята каркасом; на каркас и зазор между ним и сердечником можно взять мм.

Тогда диаметр отверстия, свободного от обмоток, можно найти с помощью уравнения

;         (7.2)

Тогда

 мм.

При расчёте усилителя  удобно пользоваться относительной  величиной геометрических размеров:

;                   (7.3)

;      (7.4)

;      (7.5)

    (7.6)

;      (7.7)

Значит:

;

;

 мм

;

Средняя высота обмотки равна

;                          (7.3)

Тогда

 мм

Находим поверхность  охлаждения из формулы (2.5)

см²

Коэффициент заполнения окна медью  (без обмотки смещения) равен

;                                    (7.4)

Поскольку, (0.2255<0.3), то можно разместить и обмотку смещения.

 

8. Определение коэффициентов усиления

После того как определены параметры сердечника  и обмоток и построена характеристика вход - выход, определяем коэффициенты усиления и постоянную времени Т, используя линейную часть характеристики (рис. 4)

 
 Рис.4. Характеристика вход-выход усилителя при наличии обмотки смещения

;                                                       (8.1)

;                                                (8.2)