Структурная схема вызывного устройства и инвертора

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

. частота сети, Гц - 50

. напряжение сети, В - 380/220

. форма питающего напряжения - синусоидальная

. выходное напряжение, В - 120

. ток нагрузки, А - 20

. коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке, - нет

. КПД, не менее > 0,75

РЕШЕНИЕ:

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

Таблица 1

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:

.        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.

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

.        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.

.        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

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.

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

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

 Вт

= 11,549 см³_ТР = 1500∙11,549 = 17324 см³

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

 Вт

= 12,406 см³

V_ТР = 2080∙12,406 = 25804,5 см³

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

 Вт

= 10,218 см³

V_ТР = 2080∙10,218 = 21252,8 см³

.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:

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

 = 27,6 Вт

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

 = 56,6 Вт

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

 = 46,62 Вт

.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

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

Р_пм = 4∙ 27,6 = 110,4 Вт

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

Р_пм = 4∙ 56,6 = 226,4 Вт

Р_пм = 4∙ 46,62 = 186,5 Вт

.4 Определим потери в полупроводниковых диодах:

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

U_обр = =1,57∙120 = 188,4 В

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

U_обр = =2,1∙120 = 252 В

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

U_обр = =1,05∙120 = 126 В

.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 t_эф=0,245 ×10 - ⁶ с):

_пд=P_пста + P_пдин или P_пд= I_пр ×U_пр + 0,5I_пр ×U_пр× f_пер ×t_эф,

где t_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

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

Р_пд = 6,67∙ 1 = 6,67 Вт

) 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

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

Р_пд = 6,67∙ 3 = 20,01 Вт

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

Р_пд = 6,67∙ 6 = 40,01 Вт

.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

_д = 3,55 × P_пд^1,3 (Вт) см³

Найдем объем диодов с радиатором:

1) Для первого варианта проектируемого ВУ:

_д = 3,55 × 10^1,3 = 70,83 см³

V_д = 4 ∙ 70,83 = 283,32 см³

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

_д = 3,55 × 6,67^1,3 = 41,84 см³

V_д = 3 ∙ 41,84 = 125,52 см³

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

_д = 3,55 × 6,67^1,3 = 41,84 см³

V_д = 6 ∙ 41,84 = 251,04 см³

.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

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

F_п = 2 ∙ 50 = 100 Гц

= 28,7 мГн

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

Fп = 3 ∙ 50 = 150 Гц

=19,1 мГн

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

 = 9,55 мГн

Определим объём реактора.

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

_р=861 × L^0,75 (Гн) × I₀^1,5 (А) см³

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

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

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

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

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

_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:

_L = 1,5 ×10 - ² ×L ^0.67 (мГн), (Ом).

Тогда, согласно закону Джоуля-Ленца

_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).

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

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

P_пL = 20² × 0,142 = 56,8 Вт

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

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

P_пL = 20² × 0,108 = 43,2 Вт

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

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

P_пL = 20² × 0,068 = 27,2 Вт

.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

) 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

) 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

) 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

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.

.1 Найдем нормированные значения ПК:

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

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

Сведем все полученные данные в таблицу 3:

Таблица 3

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_a) £ K_i (S_b) 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:

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

) 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:

_в = K₁^g1 K₂ ^g2.

При большой мощности ВУ роль снижения потерь мощности обычно более значима и поэтому принимаются g₁ = 2 и g₂ = 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 (h).

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.

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.

. 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

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

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

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