Электропитание устройств и систем телекоммуникаций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт - Петербургский государственный университет телекоммуникаций

Им. Проф. М.А. Бонч-Бруевича

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Электропитание устройств и систем телекоммуникаций

Студент Котлов Дмитрий Андреевич

Курс 5 Студенческий билет № 1590 гр. № А-01з



Задача 1. Выбор оптимального варианта структурной схемы ВУ, используемого для питания аппаратуры АТС в буфере с аккумуляторной батареей

Исходные данные:

число фаз питающей сети m1 = 3

частота сети f =50 Гц

напряжение сети 380/220

форма питающего напряжения - синус

выходное напряжение U0 = 60 В

ток нагрузки I0 = 50 А

коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке Кп 0,5 %

К.П.Д. > 0,75

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		Двухтактная 3 ф	Двухзвенный . LC

автоматический телефонный станция инвертор

К проектируемому ВУ предъявляются следующие требова-ния: при условии обеспечения заданного допустимого значения коэффициента пульсации Кп и снижения стоимости требуется выбрать вариант ВУ с минимальными потерями мощности и минимальными 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

РЕШЕНИЕ:

Составляется морфологическая матрица, в которую включаем только допустимые элементы.

Для этого учитываем следующие структурные ограничения:

Из 4-х схем выпрямления будем рассматривать только однотактную Зф и двухтактную Зф.

Отбраковываем все типы сердечников кроме трехфазного ЕЛ сердечника.

Из материалов сердечника при частоте 50 Гц отбраковываются пермаллой и ферриты из-за их высокой стоимости и оставляем только холоднокатаную сталь.

При высоком токе нагрузки малоэффективны ёмкостные фильтры. Требуемое значение КП 0,5 может быть обеспечено однозвенным LC или двухзвенным LC фильтрами.

Морфологическая матрица составляется в виде таблицы 2.

Таблица 2

Функциональные элементы	1	2
Тип сердечника трансформатора Материал сердечника трансформатора Схемы выпрямления Сглаживающие фильтры	ЕЛ холоднокатаная сталь двухтактная 3 ф однозвенный LC	ЕЛ холоднокатаная сталь однотактная 3 ф двухзвенный LC



Формируем полное множество допустимых вариантов структур проектируемого ВУ.

ЕЛ + холоднокатаная сталь + двухтактная 3 ф схема + однозвенный LC фильтр;

ЕЛ + холоднокатаная сталь + двухтактная 3 ф схема + двухзвенный LC фильтр;

ЕЛ + холоднокатаная сталь + однотактная 3 ф схема + однозвенный LC фильтр;

ЕЛ + холоднокатаная сталь + однотактная 3 ф схема + двухзвенный LC фильтр.

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

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).

Определяем объём трансформатора с сердечником ЕЛ:



Для холоднокатаной стали при и

и

Для вариантов 1) и 2):

Для вариантов 3) и 4):

Для сердечника типа ЕЛ потери в сердечнике из холоднокатаной стали:

Потери мощности в меди при мощности

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))

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:

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	Vд	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

Исключение худших вариантов путём сравнения длин векторов качества

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

Выбираем один компромиссный вариант из подмножества не худших, 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. Расчёт характеристик инвертора

Дано:

1. Действующее значение прямоугольного переменного напряжения Uпер = 15 В

2. Действующее значение тока нагрузки IH = 1,33 А

3. Напряжение источника постоянного тока Uпс = 60 В

4. Мощность источника постоянного тока Рnc =27 Вт

ТРЕБУЕТСЯ: Выполнить схемотехническое проектирование инвертора.

РЕШЕНИЕ

Принципиальная схема инвертора приведена на рис 1.

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 КТ812В с параметрами:

-предельное напряжение коллектор- эмиттер UKдоп = 300 В

-предельный постоянный ток коллектора Iк доп = 8 А

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора Рк макс = 50 Вт

-минимальное значение статического коэффициента передачи тока h21Э =10

-напряжение насыщения коллектор- эмиттер Uкэ нас < 2,5 В

-напряжение насыщения база-эмиттер Uбэ < 2,2 В

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 = 130 Ом



Выбираем из стандартного ряда R1 = 7,87 кОм

Величина ёмкости С конденсатора, шунтирующего резистор R1 в момент включения инвертора, выбирается из условия, чтобы постоянная времени цепи заряда этого конденса тора 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 = 0,39 мкФ.

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.

витка.

Определяем число витков базовых полуобмоток трансформатора.

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

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

витка

Принимаем W3' = W3"= 1виток.

Определение потерь мощности в трансформаторе инвертора.

Габаритная мощность трансформатора

Определяем число витков вторичной обмотки трансформатора.

витков

Принимаем W2 = 16 витков.

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 = 0,28 мм d2 = 0,58 мм d3 = 0,101 мм

Объём трансформатора

Для сердечника типа ОЛ потери в сердечнике из пермаллоя

Потери мощности в меди при мощности Р0 100 Вт: РПм = РПст = 2,02 Вт.

Прочие потери.

Потери в делителе:

Потери в транзисторах

= 2 10-6 c

К.П.Д. инвертора

где Pдел, Ртр - потери мощности в делителе и транзисторах;

Pст и Рм --потери мощности в стали и в меди трансфор-матора.

Мощность источника постоянного напряжения должна быть не меньше, чем отношение мощности, которая потребляется нагрузкой, к КПД инвертора ().

Получается рас > , значит конструктивные элементы инвертора выбраны верно.

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.

Размещено на Allbest.ru

...