Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА СТАТИЧЕСКОЙ РАДИОФИЗИКИ И СВЯЗИ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ»

УФА-2013



Содержание

Введение

1. Техническое задание, обозначение электрических параметров

2. Разработка функциональной схемы импульсного источника

3. Расчет числа элементов и номинальной емкости АБ

4. Электрический расчет преобразователей постоянного напряжения

5. Однотактный преобразователь постоянного напряжения (ОППН) с обратным включением выпрямительного диода

6. Расчет ОППН с обратным включением диода

7. Расчет параметров силовой цепи преобразователей

Заключение

Список литературы



Введение

Современные устройства связи требуют бесперебойного, надежного электроснабжения. Кроме того, система электропитания должна предусматривать защиту электронного оборудования от помех, возникающих в сетях электропитания, а также защиту сети от генерируемых источником питания помех. Для преобразования электрической энергии, получаемой от источников электроснабжения, ее регулирования, стабилизации параметров электрической энергии, резервирования и распределения оборудуются электропитающие установки (ЭПУ). ЭПУ вырабатывают электрическую энергию постоянного тока с номинальными напряжениями 220, 60, 48 и 24 В /1/. От ЭПУ осуществляется питание оборудования сотовых узлов, телефонных станций, узлов абонентского доступа и т.д.

Пример одного из основных фрагментов функциональной схемы ЭПУ показан на рисунке 1.

Рис.1. Структурная схема электропитающей установки.

Схема содержит следующий «типовой» набор устройств: ККМ - корректор коэффициента мощности, ППН - преобразователь постоянного напряжения, БМ - батарейный модуль.

В случае необходимости получения других номиналов напряжения возможна установка дополнительных преобразователей (показаны пунктиром):

преобразователь постоянного напряжения в постоянное другой величины (DC-DC конвертор);

инвертор напряжения, для получения гарантированного переменного тока.

В задачу курсового проекта входит электрический расчет одного из устройств ЭПУ или его составляющего модуля (для краткости: выпрямитель, преобразователь, инвертор), а также элемента управляющей системы с описанием функции устройства в общей структуре ЭПУ.

Основу современных технологий электропитания составляют импульсные методы преобразования параметров напряжения и тока. Преобразование достигается периодической коммутацией тока и дозировкой «порций» энергии, передаваемой через преобразователь, путем изменения длительности ее передачи. Высокая частота (десятки, сотни килогерц) и малые потери мощности в ключах обеспечивают высокую эффективность преобразователей, недостижимую при классических подходах к построению источников электропитания. Новая технология базируется на современных достижениях сильноточной электроники, позволивших создать мощные быстро-действующие ключи (переключатели тока) и выпрямительные диоды. Реализация сложных законов управления ключами, а также стремление наделить устройства преобразования «интеллектуальными» признаками потребовали создания специализированных схем управления.

Работа над курсовым проектом позволит познакомиться с современной схемотехникой силовых, управляющих цепей и с основными тенденциями развития в области электропитания телекоммуникационных устройств.

1. Техническое задание, обозначение электрических параметров

Исходные данные к проекту:

1. Характеристики первичного электроснабжения:

U_c2 = 220В - напряжение сети (номинальное);

N_c2 = +10% … -5% - относительная нестабильность напряжения сети;

f₁ = 50 Гц - частота сети;

t_ав = 2 час - максимальное время аварийного отключения сети;

2. Выходные параметры проектируемого устройства:

n = 2 - число выходных каналов;

U_o1 = 60В - номинальная величина напряжения канала с №1;

U_o2 = 12В - номинальная величина напряжения канала с №2;

I_o1 = 1,1А - номинальная величина тока канала с №1;

I_o2 = 7А - номинальная величина тока канала с №2;

N₁ = 0,7% - статическая нестабильность выходного напряжения, 1-го канала;

N₂ = 0,1% - статическая нестабильность выходного напряжения, 2-го канала;

I₀ = 70% - скачкообразное снижение тока нагрузки;

I₀ = (I_on-I_{on min})*100%_;

К_п1 = 0.98% - коэффициент пульсации напряжения 1-го канала.

К_п2 = 1,2% - коэффициент пульсации напряжения 2-го канала.

t_ос = 22⁰ С - температура окружающей среду;

3.Энергетические показатели:

= 90% - коэффициент полезного действия.

cosц = 1 - коэффициент мощности по основной гармонике.

2. Разработка функциональной схемы импульсного источника

После рассмотрения вводной части задания, и определения требований к источнику питания следует приступать к выбору функциональной схемы устройства. На этой стадии определяются основные компоненты устройства и их взаимосвязь. Набор компонентов зависит от требований, предъявляемых к устройству. Так, например, без звена коррекции коэффициента мощности источника невозможно получить значения коэффициента мощности более 0,7. Без управляемого преобразователя невозможно обеспечить стабилизацию напряжения или ограничение тока. На рис.2 показан пример схемы источника питания с импульсным преобразователем электрической энергии.

Рис. 2. Функциональная схема устройства электропитания с импульсным преобразованием энергии.

ППН - преобразователь постоянного напряжения

БМ - батарейный модуль

ФП - выходной фильтр помех

В - входной выпрямитель

VT - транзисторные ключи инвертора напряжения

ДТ1 - датчик тока ключей

ТР - высокочастотный (импульсный) трансформатор

ФНЧ - фильтр нижних частот (для подавления пульсаций и помех)

ДТ2 - датчик выходного тока

ДР - драйверы (согласующие устройства) транзисторных ключей

S - выключатель для предупреждения глубоких разрядов батареи

К1 - контроллеры управления инвертора ППН

ИН - инвертор напряжения

К - конвертор

Конт.АБ - схема контроля за аккумуляторной батареей

3. Расчет числа элементов и номинальной емкости АБ

Если требования к нестабильности выходного напряжения ЭПУ находятся в пределах +10%, -12%, то число элементов в батарее определяется отношением:

(4.1)

В процессе заряда и разряда аккумуляторов напряжение элемента изменяется на 0,2…0,22 В, соответственно, изменяется и напряжение ЭПУ

U_{0ЭПУ max} = N_элU_эл.max; (4.2)

U_{0ЭПУ min} = N_элU_эл.min

Необходимая номинальная емкость аккумуляторов приведенная к условному 10 часовому режиму разряда и температуре среды 20^оС зависит от ряда факторов: тока разряда I_р, времени разряда t_р и соответствующего ему коэффициента отдачи по емкости _Q, температуры окружающей среды t_ср :



(Aч) (4.3.)

Значения коэффициента отдачи по емкости _Q приведены в таблице 4.1. В таблице указаны также коэффициенты кратности тока _i, определяющие превышение разрядного тока приведенной величины в 10-часовом режиме разряда (_i = I_р / I_р10).

Таблица 4.1

tр, ч	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
Q	1	0,97	0,94	0,91	0,89	0,83	0,8	0,75	0,61	051
i	1	1,1	1,15	1,3	1,48	1,66	2,0	2,5	3,05	5,1

Выполнение:

Суммарный ток разряда: I_р = I₀₁+I₀₂ = 1,1 + 7 = 8,1А;

Время автономной работы ЭПУ: t_р = 2 ч;

Температура среды: tср = 22⁰ С;

Номинальное напряжение ЭПУ: U₀₁= 60В.

Определить: необходимую емкость и тип аккумуляторов.

Вычислить: пределы изменения напряжения батареи.

Решение:

а) по таблице 4.1 находим для t_р =2ч значение коэффициента отдачи по емкости

_Q(1ч) = 0,61.

По формуле (4.3) определяем приведенную величину емкости Q_прив:

Q_прив = = 26.17 Ач.

По таблице 2, приложения ПВ.1 находим, что 2-часовому режиму соответствует аккумулятор 12RG36 (аккумуляторы с рекомбинацией газа, Q_ном = 27 Ач);

б) необходимое число элементов в батарее:

N_эл=U₀₁/U_эл= 60/2 = 30.

Пределы изменения напряжения:

-при заряде до 2,2 В/Эл:

U_01max= 30 2.2 = 66 В;

-при разряде до 1,8 В/Эл:

U_02min= 30 1,8 = 54 В.

Расчет номинальной емкости электробатареи с помощью закона сохранения энергии:

U_max=2.2B, U_min=1,8B

N_эл=U₀₁/U_эл= 60/2 = 30 - количество элементов АБ

;

4. Электрический расчет преобразователей постоянного напряжения

электропитание телекоммуникационный аккумулятор батарея

При мощностях свыше 30…50 Вт применяются одно и двухтактные преобразователи с независимым возбуждением, выполняемые по структурной схеме рисунке 3. Задающий генератор схемы, в качестве которого используется преобразователь напряжения с самовозбуждением или специализированная управляющая схема (контроллер),которая управляет транзисторами усилителя мощности.



Рис.3. Структурная схема преобразователя постоянного напряжения.

5. Однотактный преобразователь постоянного напряжения (ОППН) с обратным включением выпрямительного диода

На рисунке 4а изображена схема ОППН с обратным включением выпрямительного диода, а на рисунке 4в формы токов и напряжений в различных сечениях схемы. Транзистор VT работает в импульсном режиме и периодически подключает первичную обмотку (с числом витков W₁) трансформатора ТV к источнику напряжения U_п постоянного тока в течение длительности t_и отпирающего импульса u_у прямоугольной формы; в течение паузы T-t_и (где T -период повторения отпирающих импульсов) транзистор VT закрыт. За время t_и трансформатор выполняет функцию индуктивного накопителя энергии. Диод VD при этом заперт, конденсатор С сглаживающего фильтра и нагрузки R_н от источника U_п отключены. На этом этапе работы конденсатор частично разряжается на сопротивление нагрузки. При запирании транзистора происходит мгновенное изменение полярности электродвижущих сил на обмотках трансформатора; накопленная энергия через диод поступает в конденсатор и нагрузку. Трансформатор в течение T-t_и выполняет функцию дросселя в цепи постоянного тока. Для предотвращения насыщения магнитопровод трансформатора выполняется с немагнитным зазором.



Рис. 4 Однотактный преобразователь с обратным включением диода (а), его схема замещения (б) и эпюры, поясняющие работу (в).

На рисунке 4б представлена эквивалентная схема ОППН; все элементы, изображенные на схеме, принято считать идеальными. Сопротивление нагрузки и емкость конденсатора приведены к первичной обмотке трансформатора; если n= W₁/W₂, где W₂ - число витков вторичной обмотки трансформатора, то R_{н пр} = n² R_н и Cпр = C/n. Среднее значение напряжения на R_{н пр} равно nU₀, где U₀ - среднее значение напряжения на R_н. На рисунке 4б L - индуктивность первичной обмотки трансформатора.

Существуют два характерных режима работы ОППН: непрерывных и прерывистых токов в индуктивности L. Если значение L достаточно велико (больше некоторого критического L_кр) и поэтому накопленная за время t_и в трансформаторе энергия передается в нагрузку в течение всего интервала T-t_и, то имеет место режим непрерывных токов. При L L_кр ток в индуктивности L протекает лишь в течение части интервала T-t_и; возникает режим прерывистых токов, в котором импульсные токи через транзистор и диод больше чем в режиме непрерывных токов (при одинаковой мощности в нагрузке и равных средних значений токов нагрузки). Поэтому обычно используют режим непрерывных токов. Графики на рисунке 4в приведены для этого режима.

Основные расчетные соотношения для ОППН приведены в таблице 5.

Ниже приводится порядок расчета.

Выбор значения частоты f производится комплексно, с учетом массы, габаритов и коэффициента полезного действия (кпд) ОППН, а также параметров элементной базы, имеющийся в распоряжении. При увеличении частоты уменьшаются габариты, масса и пульсации выходного напряжения, улучшаются динамические свойства стабилизации; одновременно снижается кпд.

Точное определение оптимального значения частоты f является очень сложной задачей. В настоящее время наиболее употребительные значения частот находятся в диапазоне свыше 20 кГц.

Выбираем максимальное значение D_max относительной длительности отпирающих транзистор импульсов, которое зависит от величины T=1/f и длительности неуправляемых переходных процессов в современных мощных высоковольтных биполярных транзисторах при их переключении. Сумма типовых времен рассасывания, спада и нарастания тока коллектора равна примерно 10 мкс, что составляет (0,2…0,3)T в диапазоне частот f= 20…30 кГц. На практике принимают D_max 0,5.

Производится расчет параметров по формулам (1…6) таблицы 5. В формулах приняты следующие обозначения:

U_С2min, U_С2н, U_С2max - минимальное, номинальное и максимальное значения входного напряжения ОППН;

D_н, D_min - номинальное и минимальное значения относительной длительности импульсов, отпирающих транзистор;

U_0min, U_0н, U_{0 max} - минимальный, номинальный и максимальный уровни стабилизируемого выходного напряжения постоянного тока;

I_0min, I_0max - минимальное и максимальное значения среднего тока в нагрузке;

I_1max - амплитудное значение тока в первичной обмотке трансформатора.

Производится расчет трансформатора по формулам (7…10) таблицы 5.

В формулах приняты следующие обозначения:

S_м - площадь сечения сердечника магнитопровода, (м²);

S_ок - площадь окна магнитопровода (м²);

_тр = 0,85 - кпд трансформатора;

К_ок = 0,25 - коэффициент заполнения окна магнитопровода обмотками;

j - удельная плотность тока в обмотках трансформатора (А/м²);

В - циклическое изменение магнитной индукции, равное разности максимального и минимального значений индукции (Тл);

I₂-максимальное значение действующего тока вторичной обмотки трансформатора (А);

-величина немагнитного зазора в магнитопроводе (м);

₀ = 4 10^-7 - магнитная постоянная, (Гн/м).

Таблица 5 - Расчетные соотношения для ОППН с обратным включением диода.

	Параметр	Формула расчета
1	n
2	Dн
3	Dmin
4	Lкр
5	L	1,2 Lкр
6	I1max
7	Sм Sок
8	W1
9	I2
10
11	C
12	Iсmax	I0max
13	Uкэmax
14	Iк max
15	UVDобр
16	IVDmax	nI1max

Определяем приближенную величину расчетной (габаритной) мощности трансформатора:

P_тр=1,2 U_01max I_01max= Вт

P_тр=1,2 U_02max I_02max= Вт



В трансформаторах обычно используют ферритовые магнитопроводы, получившие распространение вследствие их малой стоимости и небольших потерь мощности от вихревых токов на высоких частотах. Однако индукция насыщения и магнитная проницаемость у ферритов значительно меньше, чем у металлических ферромагнетиков. В процессе работы ОППН изменение индукции В в магнитопроводе трансформатора происходит по асимметричным (частным) циклам гистерезиса. Важно правильно выбрать значения В для расчета. Указанные в справочной литературе значения В_m, при которых ферриты близки к насыщению, изготовителями сердечников не проверяются и не гарантируются. Изменения В_m от одного магнитопровода к другому составляют 30% от указанного в справочнике номинального значения В_m. Поэтому рекомендуется принимать В = 0,15 Тл.

В случае насыщения магнитопровода трансформатора индуктивность первичной обмотки значительно уменьшается, а ток коллектора транзистора может превысить предельно допустимые нормы. Для предотвращения насыщения в магнитопровод вводят немагнитный зазор. Поэтому целесообразно использовать Ш-образные замкнутые магнитопроводы из высокопроницаемых магнитомягких ферритов и обеспечивать необходимый зазор при сборке трансформатора путем введения немагнитной прокладки между двумя половинами магнитопровода. Можно также использовать магнитопровод Ш-образный замкнутый с зазором, полученным при изготовлении магнитопровода.

Возьмем частоту f=25 кГц.

Удельную плотность тока в обмотках трансформатора для 1-го канала выбирают зависимости от соотношения f/P_тр из таблицы.

f/Pтр, Гц/ВА	2	10	20	60	100	200
j х106, А/м2	2,3	3,0	3,3	3,7	4,0	4,4



При расчете трансформатора действующее значение тока в первичной обмотке принято равным амплитудному значению.

Формулы (11…12) таблицы 5.2 дают возможность рассчитать емкость С конденсатора фильтра и выбрать тип конденсатора. В этих формулах приняты следующие обозначения:

U_m2 - амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе;

I_{с max} - максимальное значение действующего тока в конденсаторе.

Чтобы улучшить точность стабилизации выходного напряжения при широком диапазоне изменения тока нагрузки, необходимо емкость С выбирать достаточно большой т.е. U_0min C/I_0max D_maxT.

В формулах (13…14):

U_{кэ max} - амплитуда напряжения коллектор-эмиттер транзистора;

I_кmax - максимальный средний ток коллектора транзистора;

_пр = 0,75 - кпд ОППН.

Потери мощности в транзисторе можно принять равными примерно 0,1 U_0max I_0max.

На основании полученных значений U_{кэ max}, I_{к max}, I_ок и потерь мощности выбирается транзистор.

В формулах (15…16):

U_{VD обр} - амплитуда обратного напряжения на выпрямительном диоде;

I_VDmax - амплитудное значение тока в диоде. Максимальный средний ток в диоде равен максимальному току нагрузки.

Выбираем тип диода по справочным данным таблиц ПВ10,12,13.[1,18].



7. Расчет параметров силовой цепи преобразователей

Рассчитаем первый канал по данным формулам (1..16).

n==

Гн

Гн

Тл

Отсюда

Тип магнитопровода - Ш20х28

Марка феррита 2000НМI

см⁴

см²



А

Ф

A

B

Выбираем емкость: алюминиевый электролитический конденсатор,

Номинальное напряжение=350В, l=25мм, диаметр=30мм, номинальная емкость=180мкф, ток через конденсатор=1,27А.

A

B

Потери: Вт

Выберем транзистор по вычисленным параметрам: КТ841А, U_кэmax=600 В, I_kmax=10 А, P=50Вт.



A

Выберем диод: КД221А, U_VDобр=100 В, I_VDпр=0,7А.

Рассчитаем второй канал по тем же формулам.

n=

Гн

Гн

Тл

Отсюда

Тип магнитопровода - Ш20х28

марка феррита 2000НМI,

см⁴

см²



А

Ф

А

Выбираем емкость: алюминиевый электролитический конденсатор,

Номинальное напряжение=350В, так как, емкость по току не проходит подключим параллельно две емкости, каждая из которых имеет параметры: l=45мм, диаметр=35мм, номинальная емкость=680мкф, ток через конденсатор=2,96 А; суммарная емкость=680*2=1360мкф, суммарный ток=5,92*2=11,84А.

Потери: Вт

Выберем транзистор по вычисленным параметрам: КТ841А, U_кэmax=600 В, I_kmax=10 А, P=50Вт.



В

А

Выберем диод: КД221А, U_VDобр=100 В, I_VDпр=0,7 А.

Расчет окончен.

Заключение

В данной курсовой работе я ознакомился со схемотехникой силовых управляющих цепей и с электропитанием телекоммуникационных устройств.

В задачу курсового проекта вошёл электрический расчет составляющего модуля ЭПУ (преобразователь), а также расчёт элемента управляющей системы с описанием функции устройства в общей структуре ЭПУ.

Определил необходимую емкость, тип аккумулятора, необходимое число элементов батареи, приближенную величину расчетной мощности трансформатора.

Выбрал тип диода по справочным данным таблиц ПВ10,12,13.

Рассчитал параметры силовой цепи преобразователя первого и второго канала по формулам(1-16).

Таким образом, я узнал, что однотактные преобразователи, с прямым включением диода, имеют малое число силовых полупроводниковых и, связанных с ними, вспомогательных элементов. Малая величина постоянной составляющей намагничивающего тока и его независимость от тока нагрузки позволяет выполнить магнитопровод трансформатора без зазора. Также я узнал, что однотактные преобразователи постоянного, с обратным включением, диода наиболее приемлемы для схем питания небольшой мощности. Основным преимуществом данного типа преобразователей постоянного напряжения является малое число силовых элементов, используемых при построении схемы.

Список литературы

1. А.А.Бокуняев, В.М. Бушуев. Электропитание устройств связи: учебник для вузов - М.: радио и связь, 1998.

2. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты М.: Энергоатомиздат,1987.

3. Колосов В.Н. «Энергетическая электроника» - Электроника, 1997.

Размещено на Allbest.ru

...