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: 117 335

Курс: 4

Вариант: Задача № 1 вариант 1

Задача № 2 вариант 5

Студент: Сульдин Е.В.

Преподаватель: Шамсиев Б. Г.

Г. Санкт — Петербург

2012 г.

Задача № 1. Выбор оптимального варианта структуры выпрямительного устройства (ВУ) Исходные данные решаемого варианта 1 (№ 87 025)

Таблица 1.1 — Исходные данные для расчёта

Решение:

1.1 Альтернативные варианты функциональных элементов ВУ Таблица 1.2 — Исходный набор функциональных элементов

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

Полное множество допустимых вариантов структур проектируемого ВУ:

1.3 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 ]

Суммарные потери и объёмы для каждого варианта определяем по формулам:

[ 1.13 ]

[ 1.14 ]

Результаты расчётов показателей качества по всем вариантам приведены в таблице 1.4:

Таблица 1.4 — Результаты расчётов показателей качества

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 (№ 87 025)

Таблица 2.1 — Исходные данные для расчёта

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 :

[ 2.2 ]

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

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.