Электропитание устройств и систем связи
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
АГЕНСТВО СВЯЗИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
им.
проф. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА
ФАКУЛЬТЕТ
ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ
Контрольная
работа
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ
УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ СВЯЗИ
Группа: Р-81з
Студенческий билет: 117335
Курс: 4
Вариант: Задача №1 вариант 1
Задача №2 вариант 5
Студент: Сульдин Е.В.
Преподаватель: Шамсиев Б. Г.
Г.
Санкт - Петербург
г.
Задача №1. Выбор оптимального варианта структуры
выпрямительного устройства (ВУ)
Исходные данные решаемого варианта 1 (№ 087025)
Таблица 1.1 - Исходные данные для расчёта
Число
фаз питающей сети, Частота сети, ГцФорма питающего напряженияВыходное
напряжение, ВТок нагрузки, АКоэффициент пульсаций напряжения на нагрузке,
не более, %КПД, не менее
|
|
|
|
|
|
|
1
|
10000
|
Прямоуг.
|
60
|
1
|
0,5
|
0,75
|
Решение:
.1 Альтернативные варианты функциональных
элементов ВУ
Таблица 1.2 - Исходный набор функциональных
элементов
Трансформаторы
|
Схемы
выпрямителя
|
Сглаживающие
фильтры
|
Число
фаз сердечника
|
Тип
|
Материал
сердечника
|
|
|
Однофазный
|
ОЛ
|
Холоднокатаная
сталь
|
Однотактная
2ф
|
Ёмкостной
|
Однофазный
|
ПЛ
|
|
Однотактная
3ф
|
Индуктивный
|
Однофазный
|
ШЛ
|
Пермаллой
|
Двухтактная
1ф
|
Однозвенный,
LC
|
Трёхфазный
|
ЕЛ
|
Ферриты
|
Двухтактная
3ф
|
Двухзвенный,
LC
|
К проектируемому ВУ предъявляются следующие
требования:
при условии обеспечения заданного
допустимого значения коэффициента пульсаций и снижения стоимости требуется
выбрать вариант ВУ с минимальными потерями мощности и габаритами.
Для оценки степени выполнения
требований о снижении потерь мощности в элементах ВУ, габаритов рекомендуется
выбирать характеристики:
[ 1.1 ]
[ 1.2 ]
где - сумма потерь мощности в
отдельных элементах ВУ;
- сумма объёмов конструктивных
элементов ВУ;
, - максимально допустимые потери
мощности и объём ВУ.
1.2 Построение морфологической матрицы
Структурные ограничения:
- из всех трансформаторов будем
рассматривать только однофазные, из однофазных - отбраковываем ПЛ и ШЛ, так как
для них на высокой частоте необходимо снижать индуктивность рассеивания
обмоток или поток рассеивания ;
так как частота сети высокая, то
необходимо иметь малую площадь сердечника для быстрого перемагничивания,
следовательно, отбраковываем холоднокатаную сталь;
при прямоугольной форме напряжения
из-за инерционности полупроводниковых диодов (превышение времени их закрытия
над временем открывания) необходимо использовать ёмкостной фильтр;
из четырёх схем выпрямления выбираем
только - однофазную схему.
Таблица 1.3 - Морфологическая матрица
1
|
2
|
Тип
сердечника трансформатора
|
ОЛ
|
Материал
сердечника трансформатора
|
Пермаллой
|
Ферриты
|
Схемы
выпрямления
|
Однотактная
2ф
|
Двухтактная
1ф
|
Сглаживающие
фильтры
|
Ёмкостной
|
Полное множество допустимых вариантов структур
проектируемого ВУ:
.3 Расчёт показателей качества
Определяем величину типовой (габаритной)
мощности трансформатора:
[ 1.3 ]
где и - число фазных (первичных и
вторичных) обмоток трансформатора;
и , и - действующие значения токов
и напряжений в первичных и вторичных обмотках.
Для прямоугольной формы напряжения: и
.
Для обмоток трансформатора с
выведенной средней точкой: .
Для вариантов и с однотактной 2ф
схемой:
Для вариантов и с двухтактной 1ф
схемой:
Определим объём трансформатора с сердечника ОЛ
по формуле:
[ 1.4 ]
где - максимально допустимая магнитная
индуктивность;
- максимально допустимая плотность
тока.
При мощности трансформатора и
частоте :
для ферритов и ;
для пермаллоя и .
Для вариантов с сердечником из
пермаллоя:
Для вариантов с сердечником из
феррита:
Для вариантов с сердечником из
пермаллоя:
Для вариантов с сердечником из
феррита:
Потери в сердечниках ОЛ из пермаллоя и ферритов
определим по формуле:
[ 1.5 ]
Потери мощности в меди
трансформатора при мощности :
[ 1.6 ]
Для вариантов с сердечником из
пермаллоя:
Для вариантов с сердечником из
феррита:
Для вариантов с сердечником из
пермаллоя:
Для вариантов с сердечником из
феррита:
Определим максимальное значение обратного
напряжения и средний прямой ток диодов:
Для вариантов и с однотактной 2ф
схемой:
Для вариантов и с двухтактной 1ф
схемой:
Используем высокочастотный диод типа КД213А с
параметрами:
, ,
Потери мощности в полупроводниковых диодах
определяем по формуле:
[ 1.7 ]
где - длительность существования
носителя;
- прямое напряжение, приложенное к
диоду;
- протекающий через диод прямой ток;
- частота переключения или сети.
Для вариантов и с однотактной 2ф
схемой:
Для вариантов и с двухтактной 1ф
схемой:
Объём полупроводникового диода с радиатором
определим по формуле:
[ 1.8 ]
Для вариантов и с однотактной 2ф
схемой:
Для вариантов и с двухтактной 1ф
схемой:
Ёмкость фильтрующего конденсатора при
прямоугольной форме напряжения численно равна:
[ 1.9 ]
где - длительность нарастания
фронтов.
Для всех вариантов:
Выбираем конденсатор К50-24 с параметрами:
, , ,
Число конденсаторов, включенных параллельно в
батарею, равно:
[ 1.10 ]
Объём одного конденсатора СФ определяется по
формуле:
[ 1.11 ]
Объём батареи конденсаторов определяется по
формуле:
[ 1.12 ]
[ 1.13 ]
[ 1.14 ]
Результаты расчётов показателей качества по всем
вариантам приведены в таблице 1.4:
Таблица 1.4 - Результаты расчётов показателей
качества
№
варианта
|
,
Вт, Вт, Вт, Вт, см3, см3, см3, см3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВУ1
|
5,83
|
5,83
|
1,00
|
3,56
|
0,926
|
18,7
|
5,27
|
0,820
|
24,8
|
0,379
|
ВУ2
|
1,84
|
1,84
|
1,00
|
2,17
|
0,563
|
41,9
|
5,27
|
0,820
|
48,0
|
0,733
|
ВУ3
|
5,38
|
5,38
|
4,00
|
3,84
|
1,00
|
17,3
|
26,0
|
0,820
|
44,1
|
0,673
|
ВУ4
|
1,70
|
1,70
|
4,00
|
2,72
|
0,708
|
38,7
|
26,0
|
0,820
|
65,5
|
1,00
|
Длина вектора качества определяется по формуле:
[ 1.13 ]
Выбираем два не худших варианта, у
которых длины векторов наименьшие, а именно, и .
Выбор одного компромиссного варианта
из подмножества не худшего осуществляется по формуле:
[ 1.14 ]
Так как мощности ВУ не очень
большая, а применяется оно в ППН, то более существенное значение имеет снижение
объёма (его габаритов), то есть и :
Оптимальный вариант структуры выпрямительного
устройства является вариант с наименьшим значением условного критерия предпочтения,
а именно, первый вариант:
Задача №2. Расчёт характеристик инвертора при
выборе компонентов его принципиальной схемы
Исходные данные решаемого варианта 5 (№ 087025)
Таблица 2.1 - Исходные данные для расчёта
Действующее
значение прямоугольного переменного напряжения, , ВДействующее значение тока
нагрузки, , АНапряжение источника постоянного тока, , ВМощность источника
постоянного тока, , Вт
|
|
|
|
80
|
0,25
|
27
|
27
|
Выбор переключающего трансформатора
Величина максимального напряжения,
прикладываемого к закрытому транзистору, определяется из условия выбора
предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер:
[ 2.1 ]
Максимальная величина тока
коллектора, протекающего через транзистор в состоянии насыщения, зависит от
среднего значения этого тока в течение полупериода :
выпрямительный инвертор
матрица трансформатор
Коэффициент полезного действия (КПД) инвертора
определяется по формуле:
[ 2.3 ]
Мощность, отдаваемая в нагрузку, определяется по
формуле:
[ 2.4 ]
Учитывая ток намагничивания
трансформатора, то среднее значение тока коллектора необходимо увеличить
примерно в 1,4 раза. А также в момент насыщения сердечника трансформатора ЭДС,
индуктируемые в его обмотках, становятся равными нулю, и все напряжения
прикладывается к транзистору, в результате чего ток возрастает в 3 - 4 раза,
то есть:
[ 2.5 ]
Выбираем тип транзистора из условий
и . Этим условиям соответствует транзистор типа КТ808А, его параметры приведены
в таблице 2.2:
Таблица 2.2 - Параметры транзистора типа КТ808А
Предельное
напряжение коллектор-эмиттер , В120
|
|
Предельный
постоянный ток коллектора , А10
|
|
Предельный
постоянный ток базы , А4
|
|
Постоянная
рассеиваемая мощность коллектора , Вт50
|
|
Минимальное
значение статического коэффициента передачи тока 15
|
|
Напряжение
насыщения коллектор-эмиттер , В2
|
|
Напряжение
насыщения база-эмиттер , В1,4
|
|
Пусковой делитель
При расчёте величины сопротивлений пускового
делителя напряжения и необходимо получить компромиссное решение: обеспечить
требуемую величину напряжения смещения базы относительно эмиттера транзистора
при достаточно малых потерях мощности в делителе. Такое решение обеспечивается
при условии:
[ 2.6 ]
где - напряжение смещения
база-эмиттер транзистора при указанном в справочнике токе базы ,
принимает значение
Максимальная величина тока базы:
[ 2.7 ]
Выбираем стандартное значение
Соответственно величину
сопротивления другого резистора рассчитаем по формуле:
[ 2.8 ]
Выбираем стандартное значение
Величина ёмкости конденсатора ,
шунтирующего резистор в момент включения инвертора, выбирается из условия ,
чтобы постоянная времени цепи заряда этого конденсатора была меньше половины периода
коммутации. В качестве частоты коммутации выбираем одно из дискретных значений
10, 20 и 50 кГц (при увеличении частоты - уменьшается масса трансформатора, но
возрастают динамические потери мощности), поэтому выберем . Следовательно:
[ 2.9 ]
Выбираем стандартное значение
Потери в делителе определяем по
формуле:
[ 2.10 ]
Определение параметров трансформатора
Для определения числа витков
полуобмоток первичной обмотки трансформатора выразим из выражения
:
[ 2.11 ]
где - максимальное значение
магнитной индукции в сердечнике трансформатора (индукция насыщения);
- площадь активного сечения стержня,
на котором размещаются обмотки.
Выбираем для трансформатора
инвертора с обратной связью по напряжению О-образный (тороидальный)
магнитопровод из феррита ( и ). Типоразмер магнитопровода типа ОЛ16/26-6,5 ()
марки 40НМК с толщиной ленты 0,02 мм.
После определения числа витков полуобмоток
первичной обмотки трансформатора находим число витков его вторичной обмотки:
[ 2.12 ]
При выборе напряжения обратной связи
должно выполняться условие . Как правило . Выберем среднее значение , тогда:
[ 2.13 ]
Рассчитаем число витков полуобмоток обмотки
обратной связи трансформатора по формуле:
[ 2.14 ]
Определим действующие (эффективные) значения
токов в обмотках трансформатора:
[ 2.15 ]
[ 2.16 ]
[ 2.17 ]
Расчёт сечения (диаметра) проводов
обмоток трансформатора инвертора проводится с помощью соотношений и .
Приравнивая друг к другу эти выражения и выражая диаметр, получаем:
[ 2.18 ]
Габаритная мощность трансформатора определяется
по формуле:
[ 2.19 ]
Объём трансформатора определяется по формуле:
[ 2.20 ]
Потери мощности в сердечнике типа ОЛ из феррита
определяются по формуле:
[ 2.21 ]
Потери мощности в меди при мощности
:
[ 2.22 ]
КПД инвертора
Для контроля правильности выбора конструктивных
элементов инвертора вычисляется его КПД и полученное значение сравнивается с
рассчитанным ранее:
[ 2.23 ]
где - потери мощности в
транзисторах определяются по формуле:
,
где [ 2.24 ]
Так как , то выбранные
конструктивные элементы выбраны правильно.
Литература
1 Виноградов
П. Ю., Жерненко А. С., Копылова И. В., Маракулин В. В., Шамсиев Б. Г.
«Электропитание устройств и систем связи: методические указания и контрольная
работа» - СПб.: СПбГУТ, 2001.