Электропитание устройств связи


САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ






Контрольная работа

по курсу

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ СВЯЗИ








Факультет ВиЗО

Группа

Студент

№ зач. кн. ****21

Вариант 1, 1

Проверил








г. Санкт-Петербург


КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ЭУСС ЗАДАЧА № 1 (21 вариант 1)

Выбор оптимального варианта структурной схемы ВУ выпрямительного устройства, работающего на выходе двухтактного инвертора.

Исходные данные:

  1. число фаз питающей сети m1 = 1

  2. частота сети f =10000 Гц

  3. форма питающего напряжения - прямоугольная

  4. выходное напряжение U0 = 60 В

  5. ток нагрузки I0 = 1 А

  6. коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке Кп 0,5 %

  7. К.П.Д. > 0,75

РЕШЕНИЕ:

  1. Альтернативные варианты элементов ВУ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Трансформаторы

Схемы выпрямления

Сглаживающий фильтр

Число фаз сердечника

Тип

Материал сердечника

однофазный

ОЛ

Холоднокатаная сталь

Однотактная 2 ф

Ёмкостной

однофазный

ПЛ

Пермаллой

Однотактная 3 ф

Индуктивный

однофазный

ШЛ

Ферриты

Двухтактная 1 ф

Однозвенный . LC

трёхфазный

ЕЛ

Холоднокатанная сталь

Двухтактная 3 ф

Двухзвенный . LC

К проектируемому ВУ предъявляются следующие требования:

при условии обеспечения заданного значения КП и снижения стоимости требуется выбрать вариант ВУ с минимальными потерями мощности и габаритами.

Для оценки выполнения этих требований выбираются показатели качества (ПК): и

где

РП - сумма потерь мощности в отдельных элементах ВУ

V - сумма объёмов конструктивных элементов ВУ

PП макс, Vмакс - максимально допустимые потери мощности и объём ВУ

  1. Составляется морфологическая матрица, в которую включаем только допустимые элементы.

Для этого учитываем следующие структурные ограничения:

  1. Из 4-х схем выпрямления будем рассматривать только однотактную 2ф и двухтактную 1ф.

  2. Отбраковываем все типы сердечников кроме однофазного ОЛ сердечника.

  3. Потери в стали имеют две составляющие: от вихревых токов и связанные с перемагничиванием, которые пропорциональны частоте перемагничивания f и работе, затраченной на один цикл перемагничивания, пропорциональный площади под кривой перемагничивания S(H,B). Pпер ≈ f*S(H,B). Если частота f большая (10000 Гц), то необходимо иметь малую площадь S(H,B). Отбраковываем холоднокатанную сталь, оставляем пермаллой и ферриты.

  4. При прямоугольной форме выпрямляемого напряжения следует учитывать что за счет инерционности ПП диодов время закрывания превышает время открывания, и при коммутации диодов на короткое время закорачиваются обмотки трансформатора. При индуктивном характере тока нагрузки это время только увеличивается, следовательно отбраковываем все типы СФ кроме емкостного.

Морфологическая матрица составляется в виде таблицы 2.

Таблица 2

Функциональные элементы

1

2

Тип сердечника трансформатора

ОЛ

ОЛ

Материал сердечника трансформатора

пермаллой

ферриты

Схемы выпрямления

двухтактная 1ф

однотактная 2ф

Сглаживающие фильтры

емкостной

емкостной

Формируем полное множество допустимых вариантов структур проектируемого ВУ.

  1. ОЛ + пермаллой + двухтактная 1ф схема + емкостной фильтр;

  2. ОЛ + ферриты + двухтактная 1ф схема + емкостной фильтр;

  3. ОЛ + пермаллой + однотактная 2ф схема + емкостной фильтр;

  4. ОЛ + ферриты + однотактная 2ф схема + емкостной фильтр.

  1. Рассчитываем численные значения ПК для каждого из 4-х вариантов.

    1. Определяем типовую (габаритную) мощность трансформатора.

Для вариантов 1) и 2) - двухтактная 3 ф схема выпрямления:

Для вариантов 3) и 4) - однотактная 3 ф схема выпрямления:

( - коэффициент использования трансформатора по мощности).

  1. Определяем объём трансформатора с сердечником ЕЛ:

Для холоднокатаной стали при и

и

Для вариантов 1) и 2):

Для вариантов 3) и 4):

  1. Для сердечника типа ЕЛ потери в сердечнике из холоднокатаной стали:

  1. Потери мощности в меди при мощности



  1. Определяем потери в диодах и их объёмы.

Максимальное значение обратного напряжения и средний прямой ток диодов -для двухтактной Зф схемы (варианты 1) и 2)):

-для однотактной Зф схемы (варианты 3) и 4)):

При таком среднем прямом токе приходится использовать параллельное включение диодов в каждой фазе: всего 12 диодов в вариантах 1) и 2) и 6 диодов в вариантах 3) и 4). Выбираем мощные низкочастотные диоды типа 2Д201Г, имеющие

Потери мощности в диодах

( -длительность существования носителей)

Суммарные потери в диодах:

-для двухтактной Зф схемы (варианты 1) и 2)):

-для однотактной Зф схемы (варианты 3) и 4)):

Объём диода с радиатором:

-для двухтактной Зф схемы (варианты 1) и 2)):

-для однотактной Зф схемы (варианты 3) и 4))

  1. Определяем потери и объём реактора сглаживающего фильтра.

В однозвенном LC фильтре

Где -коэффициент сглаживания пульсаций

-коэффициент пульсаций на входе фильтра

-частота пульсаций выпрямительной схемы

Для двухтактной Зф схемы (варианты 1) и 2)): и

Для 1-го варианта (с однозвенным фильтром)

Для однотактной Зф схемы (варианты 3) и 4)): и

Для 3-го варианта (с однозвенным фильтром)

В двухзвенном LC фильтре

Примем в двухзвенном LC фильтре ёмкость несколько меньшую, чем в однозвенном:

Для 2-го варианта (с двухзвенным фильтром)

Для 4-го варианта (с двухзвенным фильтром)

Потери мощности в реакторе фильтра:

Объёмы дросселей фильтров определяем по формуле:

Выбираем конденсаторы фильтров типа К50-32 с UH = 160 В:

  1. Определяем суммарные потери и объёмы для каждого варианта

Результаты расчётов показателей качества по каждому варианту приведены в табл 3.

При этом в формулах и

и самые большие потери мощности и объём сравниваемых вариантов.

Таблица З

варианта

Рпст Вт

Рпм Вт

Рпд+PnL

Вт

Рмакс Вт

К1

Vтр

Vс+Vр

Vмакс

К2

1

55,3

221,2

138,4

415

0,702

25167

672

1445

27284

0,655

2

55,3

221,2

154,4

431

0,729

25167

672

2548

28387

0,681

3

67,2

268,8

152,8

489

0,827

30592

336

5993

36921

0,886

4

67,2

268,8

255,5

591

1

30592

336

10734

41662

1

  1. Исключение худших вариантов путём сравнения длин векторов качества

Выбираем два нехудших варианта, у которых длины векторов наименьшие, т.е. 1) и 2).

  1. Выбираем один компромиссный вариант из подмножества нехудших, пользуясь условным критерием предпочтения:

При большой мощности ВУ роль снижения потерь мощности обычно более значима. Поэтому принимаются ,

Таким образом , выбираем вариант с наименьшим значением условного критерия предпочтения, т.е. 1-й: ЕЛ + холоднокатаная сталь + двухтактная 3 ф схема + однозвенный LC фильтр.

ЗАДАЧА №2 (вариант 1)

РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ИНВЕРТОРА

ДАНО:

5. Действующее значение прямоугольного переменного напряжения Uпер = 22 В

6. Действующее значение тока нагрузки IH = 0.83 А

7. Напряжение источника постоянного тока Uпс = 27 В

8. Мощность источника постоянного тока Рnc =13.5 Вт

ТРЕБУЕТСЯ: Выполнить схемотехническое проектирование инвертора.

РЕШЕНИЕ

  1. П

    VT1

    ринципиальная схема инвертора приведена на рис 1.



W1

Vnc



R2

VT2

R1



W1’’

W2’’

C

Vпер





W3



W3’’





Рис 1

  1. Выбор переключающих транзисторов

Определяем максимальное напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору с учётом возможных коммутационных перенапряжений:

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

К.П.Д. инвертора:

Необходимо учесть ток намагничивания трансформатора, повышающий средний ток коллектора в 1,4 раза. Кроме того в момент насыщения сердечника трансформатора ЭДС, индуктируемые в его обмотках, становятся равными нулю и всё напряжение Unc прикладывается к транзистору. В связи с этим ток коллектора возрастает в 3-4 раза, т.е.

Транзисторы выбираются из условий : UKдon > Ukm Iкдоп > Ikm

Подходит транзистор типа КТ808А с параметрами:

-предельное напряжение коллектор- эмиттер UKдоп = 120 В

-предельный постоянный ток коллектора Iк доп = 10 А

-предельный постоянный ток базы Iб макс= 4 А

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора Рк макс = 50 Вт

-минимальное значение статического коэффициента передачи тока h21Э =15

-напряжение насыщения коллектор- эмиттер Uкэ нас < 2 В

-напряжение насыщения база-эмиттер Uбэ <1,4В

  1. 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

Выбираем из стандартного ряда R2 = 100 Ом

Выбираем из стандартного ряда R1 = 2.7 кОм

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 = 0.51 мкФ.

  1. Определяем число витков полуобмоток первичной обмотки трансформатора.

где

- индукция насыщения сердечника

- площадь активного сечения стержня с обмотками трансформатора

- коэффициент заполнения сердечника сталью.

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.

витков.

  1. Определяем число витков базовых полуобмоток трансформатора.

Напряжение обратной связи Uoc выбирают из условия Uoc > UCM . Обычно принимают

Uос= (3-5) В. Пусть Uос=4 В. Тогда Uбэ нас = Uос+ Uсм = 4+1 = 5 В.

витков

Принимаем W3' = W3"= 2 витка.

  1. Определяем число витков вторичной обмотки трансформатора.

витков

Принимаем W2 = 12 витков.

  1. 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 = 0,44 мм d2 = 0,44 мм d3 = 0,15 мм

  1. Определение потерь мощности в трансформаторе инвертора.

Габаритная мощность трансформатора

Объём трансформатора

Для сердечника типа ОЛ потери в сердечнике из пермаллоя

Потери мощности в меди при мощности Р0 100 Вт: РПм = РПст = 1.05Вт.

  1. Прочие потери.

Потери в делителе:

Потери в транзисторах

  1. К.П.Д. инвертора

Это значение приближенно совпадает с рассчитанным в п. 1, что свидетельствует о правильности выбора конструктивных элементов инвертора.

Литература:

  1. Контрольная работа и методические указания к ее выполнению по курсу «ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ СВЯЗИ» для студентов заочного факультета А.С. Жерненко, П.Ю. Виноградов. Санкт-Петербург 1993.

  2. Электропитание устройств и систем связи, программа, методические указания и контрольные вопросы. А.С. Жерненко, П.Ю. Виноградов. В.В. Маракулин, Б.Г. Шамсиев. Санкт-Петербург 2001.

Ċ
alex zaharenkov,
24 окт. 2008 г., 13:40
Comments