Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский

Государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

ФАКУЛЬТЕТ

ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

"Электропитание устройств и систем телекоммуникаций"

Содержание

• Задача № 1
• Задача № 2
• Литература

Задача № 1

Выбор оптимального варианта структурной схемы ВУ, используемого в составе зарядового устройства аккумуляторов.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

1. число фаз питающей сети - 1 и 3

2. частота сети, Гц - 50

3. напряжение сети, В - 380/220

4. форма питающего напряжения - синусоидальная

5. выходное напряжение, В - 120

6. ток нагрузки, А - 20

7. коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке, - нет

8. КПД, не менее > 0,75

РЕШЕНИЕ:

1. Варианты трансформаторов, которые отличаются числом фаз и материалом сердечника, схем выпрямления и сглаживающих фильтров, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Трансформаторы	Схемы выпрямления	Сглаживающий фильтр
Число фаз сердечника	Тип	Материал сердечника
Однофазный	ОЛ	Холоднокатаная сталь	Однотактная 2ф	Емкостной
Однофазный	ПЛ	Холоднокатаная сталь	Однотактная 3ф	Индуктивный
Однофазный	ШЛ	Пермаллой	Двухтактная 1ф	Однозвенный, LC
Трехфазный	ЕЛ	Ферриты	Двухтактная 3ф	Двухзвенный, LC

2. К проектируемому ВУ предъявляются следующие требования:

При условии обеспечения заданного допустимого значения коэффициента пульсаций К_п и снижения стоимости требуется выбрать вариант ВУ с минимальными потерями мощности и минимальными габаритами.

Для оценки степени выполнения требования о снижении потерь мощности в элементах ВУ рекомендуется выбирать характеристику:

где P_п - сумма потерь мощности в отдельных элементах ВУ,

P_nmax - максимально допустимые потери мощности ВУ.

А для оценки степени выполнения требования о снижении габаритов - характеристику:

где V - сумма объемов конструктивных элементов ВУ,

V_m - максимально допустимый объем ВУ.

3. Далее составим морфологическую матрицу.

Включим в эту матрицу только допустимые элементы, чтобы с ее помощью сформировать множество допустимых вариантов структур проектируемого ВУ.

Структурные ограничения, накладываемые на тип и материал сердечника трансформатора, а также на типы схем выпрямления и типы СФ, приведенные в таблице 1, учитывают условия работы ВУ:

1. Из четырех схем приведенных в таблице 1, оставим только однотактную 3ф, двухтактную 3ф и двухтактную 1ф.

2. При однофазной питающей сети отбраковываются сердечники ШЛ, если мощность нагрузки более 0,5 кВт (у нас Р_н = 120•20 = 2400 Вт), т.к. у него плохие условия теплообмена обмоток трансформатора с окружающей средой.

3. При частоте питающей сети 50 Гц отбраковываются сердечники ОЛ из-за высокой стоимости.

4. Материал сердечника отбраковывается в зависимости от частоты f. Потери в стали имеют две составляющие - потери от вихревых токов и потери, связанные с перемагничиванием, которые пропорциональны частоте перемагничивания f и работе, затрачиваемой на один цикл перенамагничивания, пропорциональной площади под кривой перенамагничивания S (H, В):

Рпер ? f •S (H,B).

При f = 50 Гц, отбраковываются пермаллой и ферриты из-за высокой стоимости.

5. При наложении ограничений на СФ необходимо учитывать, что при большом токе нагрузке малоэффективны емкостные фильтры. Аккумуляторная батарея имеет малое сопротивление для переменного тока, что позволяет ей самой сглаживать пульсации и заменять емкостной фильтр. Здесь емкостной фильтр заменяется на индуктивный.

На основе полученных данных составим морфологическую матрицу:

Таблица 2

Функциональные элементы	1	2	3
Схема выпрямления	двухтактная 1ф	однотактная 3ф	двухтактная 3ф
Тип сердечника трансформатора	ПЛ	ЕЛ	ЕЛ
Материал сердечника	холоднокатаная сталь
Сглаживающий фильтр	индуктивный

Из таблицы видим, что получилось три варианта схемы.

1 вариант: двухтактная 1ф; ПЛ; холоднокатаная сталь; индуктивный фильтр.

2 вариант: однотактная 3ф; ЕЛ; холоднокатаная сталь; индуктивный фильтр.

3 вариант: двухтактная 3ф; ЕЛ; холоднокатаная сталь; индуктивный фильтр.

4. Рассчитаем численные значения ПК (показатели качества) для каждого из вариантов.

4.1 Определим объем трансформатора.

Объем трансформатора зависит от типа его сердечника.

Для типа:

ПЛ: V_ТР = 1500•V₀ (см³)

ЕЛ: V_ТР = 2080•V₀ (см³),

где

Здесь В_m - максимально допустимое значение магнитной индуктивности при f = 50 Гц, В_m = 1,5 Тл

j - плотность тока при f = 50 Гц, j = 1,5 А/мм²

f - частота сети, f = 50 Гц

Р_т - типовая (расчетная) мощность

Причем

Для двухтактной 1ф схемы К_им = 0,814

Для однотактная 3ф схемы К_им = 0,74

Для двухтактная 3ф схемы К_им = 0,96

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

Вт

= 11,549 см³

V_ТР = 1500•11,549 = 17324 см³

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

Вт

= 12,406 см³

V_ТР = 2080•12,406 = 25804,5 см³

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

Вт

= 10,218 см³

V_ТР = 2080•10,218 = 21252,8 см³

4.2 Определим потери мощности в элементах ВУ:

Потери мощности в стали трансформатора с сердечником из холоднокатаной стали зависят от типа сердечника.

Для сердечника ПЛ:

Для сердечника ЕЛ: . Где:

Вт

Найдем:

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

= 27,6 Вт

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

= 56,6 Вт

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

= 46,62 Вт

4.3 Определим потери мощности в меди трансформатора.

Потери мощности в меди трансформатора зависят от мощности Р₀:

При Р₀ ? 10 кВт Р_пм = 4• Р_пст

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

Р_пм = 4• 27,6 = 110,4 Вт

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

Р_пм = 4• 56,6 = 226,4 Вт

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

Р_пм = 4• 46,62 = 186,5 Вт

4.4 Определим потери в полупроводниковых диодах:

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

U_обр = =1,57•120 = 188,4 В

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

U_обр = =2,1•120 = 252 В

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

U_обр = =1,05•120 = 126 В

4.5 Далее выбираем тип диода:

Согласно справочнику выберем мощный низкочастотный диод типа Д246А.

Его электрические параметры:

U_{обр. мax} = 400 В, I_{пр. мах} = 10 А, U_пр = 1 В

Количество диодов в схемах:

двухтактной однофазной - 4 диода,

однотактной трехфазной - 3 диода,

двухтактной трехфазной - 6 диодов.

4.6 Определим потери мощности в полупроводниковых диодах

(при _эф=0,245 10 - ⁶ с):

P_пд=P_пста + P_пдин или P_пд= I_пр U_пр + 0,5I_пр U_пр f_{пер эф},

где _эф - длительность существования носителей;

U_{пр -} прямое напряжение, приложенное к диоду;

I_{пр -} протекающий через него прямой ток;

f_пер - частота переключения сети.

При f_пер = 50 Гц динамическую составляющую потерь P_пдин можно не учитывать.

Найдем величину потерь мощности в одном диоде:

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

Р_пд = 10• 1 = 10 Вт

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

Р_пд = 6,67• 1 = 6,67 Вт

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

Р_пд = 6,67• 1 = 6,67 Вт

Найдем суммарные потери мощности в схемах:

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

Р_пд = 10•4 = 40 Вт

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

Р_пд = 6,67• 3 = 20,01 Вт

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

Р_пд = 6,67• 6 = 40,01 Вт

4.7 Определим объем полупроводниковых диодов

Объем полупроводниковых диодов с радиаторами зависит от потерь мощности P_пд в диодах и их частотных свойств.

Для низкочастотных диодов типа Д246А

V_д = 3,55 P_пд^1,3 (Вт) см³

Найдем объем диодов с радиатором:

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

V_д = 3,55 10^1,3 = 70,83 см³

V_д = 4 • 70,83 = 283,32 см³

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

V_д = 3,55 6,67^1,3 = 41,84 см³

V_д = 3 • 41,84 = 125,52 см³

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

V_д = 3,55 6,67^1,3 = 41,84 см³

V_д = 6 • 41,84 = 251,04 см³

4.8 Определим потери мощности в реакторе и его объём.

Для вычисления потерь мощности в реакторе и его объёма требуется определить величину его индуктивности, которая зависит от коэффициента сглаживания пульсаций К_сп и типа фильтра:

В индуктивном фильтре:

При этом в ВУ, предназначенном для заряда аккумуляторов реактор лишь ограничивает скорость нарастания тока в момент включения ВУ.

Соответственно величина L определяется из условия:

или из

Здесь Ом

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

F_п = 2 • 50 = 100 Гц

= 28,7 мГн

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

Fп = 3 • 50 = 150 Гц

=19,1 мГн

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

Fп = 6 • 50 = 300 Гц

= 9,55 мГн

Определим объём реактора.

Объем реактора СФ зависит от его индукции L и постоянной составляющей протекающего через его обмотку тока I₀

V_р=861 L^0,75 (Гн) I₀^1,5 (А) см³

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

V_р=861 0,0287^0,75 20^1,5 = 5367,61 см³

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

V_р=861 0,0191^0,75 20^1,5 = 3956,62 см³

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

V_р=861 0,00955^0,75 20^1,5 = 2352,62 см³

Определим потери мощности в реакторе СФ.

Потери мощности в реакторе СФ зависят от величины его сопротивления, связанного с индуктивностью реактора соотношением:

R_L = 1,5 10 - ² L ^0.67 (мГн), (Ом).

Тогда, согласно закону Джоуля-Ленца

P_пL = I₀² R_L, (Вт)

где L - величина индуктивности реактора, (мГн);

R_L - величина сопротивления обмотки реактора, (Ом);

I₀ - постоянная составляющая тока в обмотке реактора (А).

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

R_L = 1,5 10^-2 28,7 ^0.67 = 0,142 Ом.

P_пL = 20² 0,142 = 56,8 Вт

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

R_L = 1,5 10^-2 19,1 ^0.67 = 0,108 Ом.

P_пL = 20² 0,108 = 43,2 Вт

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

R_L = 1,5 10^-2 9,55 ^0.67 = 0,068 Ом.

P_пL = 20² 0,068 = 27,2 Вт

4.9 Определим суммарные потери мощности и объёма для каждой схемы.

P_мах = Р_пст + Р_пм + Р_пд + Р_пL V_мах = V_тр + V_д + V_р

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

Р_мах = 27,6 + 110,4 + 40 + 56,8 = 234,8 Вт

V_мах = 17324 + 283,32 + 5367,61 = 22974,93 см³

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

Р_мах = 56,6 + 226,4 + 20,01 + 43,2 = 346,21 Вт

V_мах = 25804,5 + 125,52 + 3956,62 = 29886,64 см³

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

Р_мах = 46,62 + 186,5 + 40,01 + 27,2 = 300,33 Вт

V_мах = 21252,8 + 251,04 + 2352,62 = 23856,46 см³

5 Результаты расчета потерь мощности в элементах отдельных вариантов структур проектируемого ВУ и объемов этих элементов целесообразно представить в виде таблицы (таблица 3), сравнительный анализ которой позволяет оценить реальность полученных расчетных значений потерь мощности в элементах и их объемов.

5.1 Найдем нормированные значения ПК:

где Р_пмакс и V_макс - самые большие потери мощности и объема у cравниваемых вариантов структур ВУ.

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

Сведем все полученные данные в таблицу 3:

Таблица 3

	Двухтактная однофазная схема	Однотактная трехфазная схема	Двухтактная трехфазная схема
Объём трансформатора Vтр	17324	25804,5	21252,8
Объём диодов с радиатором Vпд	283,32	125,52	251,04
Объём реактора Vр	5367,61	3956,62	2352,62
Потери в сердечнике из холоднокатаной стали Рпст	27,6	56,6	46,62
Потери мощности в меди трансформатора Рпм	110,4	226,4	186,5
Потери мощности в диодах Рпд	40	20,01	40,01
Потери мощности в реакторе РпL	56,8	43,2	27,2
Суммарные потери мощности Рмах	234,8	346,21	300,33
Нормированное значение К1	0,678	1	0,867
Суммарный объём Vмах	22974,93	29886,64	23856,46
Нормиованное значение К2	0,769	1	0,798

6. Выберем лучший вариант схемы.

Оптимальными относительно БКП считаются нехудшие варианты, которые получаются путем исключения из множества близких к оптимальному худших вариантов с помощью проверки бинарных отношений:

K_i (S) K_i (S) при i = 1, 2.

Если считать справедливым упрощающее допущение об ортогональности показателей качества, то можно использовать графический метод и выбирать худшие из условия, что длины их векторов качества превосходят длины векторов качества нехудших вариантов. Для оценки длины вектора качества определяется величина его модуля:

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

2) Для второго варианта проектируемого ВУ:

3) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

Из этого выбираем 2 нехудших варианта, у которых длины векторов наименьшие, это первый вариант проектируемого ВУ и третий вариант проектируемого ВУ.

Выбор одного компромиссного варианта из подмножества нехудших осуществляется с помощью УКП:

K_в = K₁¹ K₂ ².

При большой мощности ВУ роль снижения потерь мощности обычно более значима и поэтому принимаются ₁ = 2 и ₂ = 1.

Оптимальный вариант структуры ВУ - это вариант, которому соответствует самое малое значение условного критерия предпочтения, т.е. обеспечивающий достаточно полное выполнение обоих функциональных требований - и снижение потерь мощности, и уменьшение габаритов ВУ.

Далее:

К_в = 0,678² • 0,769¹ = 0,353

К_в = 0,867² • 0,798¹ = 0,599

По полученным данным (Кв = 0,337) выберем оптимальный вариант структурной схемы ВУ, используемого в составе зарядового устройства аккумуляторов, это первый вариант:

Двухтактная однофазная схема + ПЛ + холоднокатаная сталь + индуктивный фильтр.

Задача № 2

Расчет характеристик инвертора и выбор компонентов его принципиальной схемы.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Действующее значение прямоугольного переменного напряжения U_пер = 15 В

Действующее значение тока нагрузки I_H = 1,33 А

Напряжение источника постоянного тока U_пс = 60 В

Мощность источника постоянного тока Р_nc =27 Вт

РЕШЕНИЕ:

Принципиальная схема инвертора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Инвертор. Схема электрическая принципиальная.

Для транзисторного инвертора с самовозбуждением с трансформаторной ОС по напряжению устанавливаются предельно допустимые минимальные и максимальные значения напряжения источника постоянного тока:

Где

U_{кэ нас -} напряжение насыщения коллектор - эмиттер коммутирующего

транзистора инвертора.

U_{к макс -} предельно допустимое напряжение коллектор - эмиттер.

Увеличение в 2 раза напряжения насыщения транзистора делается для обеспечения устойчивого запуска инвертора. Максимальное напряжение, приложенное к закрытому транзистору, равно сумме напряжения источника и ЭДС обмотки трансформатора, т.е. примерно двум напряжениям источника.

Для учета возможных коммутационных перенапряжений максимально допустимое значение напряжения источника должно быть в 2,4 раза меньше U_{к макс}. Мощность источника постоянного напряжения должна быть не меньше, чем отношение мощности, которая потребляется нагрузкой, к КПД инвертора ().

Частоту преобразования (коммутации) рекомендуется выбирать в пределах от 1 до 50 кГц, учитывая, что с её увеличением уменьшается масса трансформатора, но возрастают динамические потери мощности.

1. Выбор переключающих транзисторов

Для выбора типа переключающих (коммутирующих) транзисторов рассчитываются максимальное напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору, и максимальный ток, протекающий через транзистор в состоянии насыщения.

Величина максимального напряжения определяется из условия выбора предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер:

В

Определяем максимальный ток, протекающий через транзистор в состоянии насыщения, рассчитав в начале среднее значение тока коллектора за одну половину периода (Т/2):

А

КПД инвертора:

Если учитывать ток намагничивания трансформатора, то среднее значение тока коллектора должно быть увеличено примерно в 1,4 раза.

В момент насыщения сердечника трансформатора ЭДС, индуктируемые в его обмотках, становятся равными нулю и все напряжение U_пс прикладывается к транзистору, в результате чего ток I_к возрастает в 3 - 4 раза, т.е.

.

2,5 А

Транзисторы выбираются из условий:

U_Kдon > U_km, I_кдоп > I_km

По справочнику выберем транзистор типа КТ812В. Его параметры:

Предельное напряжение коллектор-эмитер U_кдоп = 300 В

предельный постоянный ток коллектора I_кдоп = 8А

минимальное значение статического коэффициента

передачи тока (Т_к = 25°) h_21э = 10

напряжение насыщения коллектор - эмиттер (типовое) U_{кэ нас} < 1,35 В

Напряжение насыщения база-эмиттер (типовое) U_бэ < 2,2 В

Постоянная рассеваемая мощность

коллектора (Т_к=-45° до +50° С) Р_{к макс} = 50 Вт

Предельный постоянный ток базы I_{б макс} = 3 А

2. Расчёт пускового делителя.

Делитель должен обеспечить величину напряжения смещения базы относительно эмиттера достаточную для запуска инвертора и при этом потреблять малую мощность. Это требование выполняется при условии

Примем напряжение смещения .

Максимальный ток базы при насыщении транзистора:

Где I_{к нас -} постоянный ток коллектора в режиме насыщения.

h_{21э мин -} минимальное значение статического коэффициента передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером.

Ом

Выберем из стандартного ряда резистор R₂ = 120 Ом

Соответственно величина сопротивления второго резистора:

Ом

Выбираем из стандартного ряда R₁ = 7,5кОм

Величина ёмкости С конденсатора, шунтирующего резистор R₁ в момент включения инвертора, выбирается из условия, чтобы постоянная времени цепи заряда этого конденсатора была меньше половины периода коммутации. Частота коммутации выбирается в пределах 1-50 кГц, учитывая, что с её увеличением уменьшается масса трансформатора, но возрастают динамические потери мощности. Принимаем f = 10 кГц.

Выбираем из стандартного ряда С = 0,47 мкФ.

3. Напряжение обратной связи.

Рисунок 3

Для расчета величины напряжения обратной связи U_ос, обеспечивающей режимы насыщения и отсечки транзисторов, определяем по справочнику максимальное напряжение насыщения база-эмиттер U_бэнас, значение которого должно быть обеспечено выбором величины U_ос и U_cм. При этом должно выполняться условие U_ос > U _см (см. рисунок 3).

Как правило, U _ос = (3 5) В. Тогда U_{бэ нас} = U_ос + U _см

Примем U_ос = 3В тогда U_бэнас = 3+1 = 4 В

Величина напряжения U_ос (ЭДС полуобмотки обратной связи) так относится к напряжению U_пс (ЭДС на первичной обмотке трансформатора) как, примерно

Для расчета используется соотношение:

5. Определяем число витков полуобмоток первичной обмотки трансформатора.

Для определения числа витков полуобмоток первичной обмотки трансформатора используется выражение, связывающее частоту коммутации с числом витков:

Соответственно

где

- индукция насыщения сердечника;

- площадь активного сечения стержня с обмотками трансформатора;

- коэффициент заполнения сердечника сталью.

Габаритная мощность трансформатора

Вт

Выбираем для трансформатора инвертора тороидальный (кольцевой) сердечник из пермаллоя марки 40НКМ с толщиной ленты 0,02 мм типоразмера ОЛ16/26-6,5 (d=16мм, D = 26 мм, h = 6,5 мм, = 0,325 см², = 0,8). У пермаллоя марки 40НКМ = 0,9 Тл.

витка.

6. Определяем число витков базовых полуобмоток трансформатора.

витка

ПринимаемW₃' = W₃"= 4 витка.

Определяем число витков вторичной обмотки трансформатора.

витков

Принимаем W₂ = 16 витков.

7. Определяем диаметр провода обмоток, предварительно выбрав плотность тока в проводах обмоток .

Учитываем, что действующие значения токов в обмотках имеют значения:

, ,

,

Выбираем провод типа ПЭВ-2 с диаметрами: d₁ = 0,3 мм d₂ = 0,58 мм d₃ = 0,15 мм

8. Определение потерь мощности в инвертора.

Потери мощности в стали найдем по формуле:

Объём трансформатора зависит от типа его сердечника:

Для сердечника типа ОЛ:

Потери мощности в стали:

Потери мощности в меди при мощности Р₀ 100 Вт Р_Пм = Р_Пст = 2,05 Вт.

9. Потери в делителе:

Pдел

10. Потери в транзисторах:

Где = 2•10-6 с.

11. Контроль правильности выбора конструктивных элементов инвертора.

Для контроля правильности выбора конструктивных элементов инвертора вычисляется КПД и полученное значение сравнивается с рассчитанным ранее:

Это значение больше рассчитанного в п.1 (0,74 < 0,76), что свидетельствует о правильности выбора конструктивных элементов инвертора.

вызывное устройство принципиальная схема

Литература

1. Жарненко А.С., Виноградов П.Ю., и др. / Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: методические указания и контрольная работа для студентов - заочников, обучающихся по программе бакалавров. / СПб ГУТ 2012

2. Найвельт Г.С., Мазель К.Б. и др. под редакцией Найвельт Г. С/ Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры / М: Радио и связь, 1986

3. Китаев Е.В. и др. / Расчет источников электропитание устройств связи: Учебное пособие для вузов / М: Радио и связь, 1993

4. Бородин Б.А., Кондратьев Б.В. и др. под ред. Голомедова А.В. / Справочник: Мощные полупроводниковые приборы: Диоды/ М: Радио и связь, 1985

5. Бородин Б.А., Ломакин В.М. и др. под ред. Голомедова А.В. / Справочник: Мощные полупроводниковые приборы: Транзисторы/ М: Радио и связь, 1985.

Размещено на Allbest.ru