Электропитание устройств и систем телекоммуникаций

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.

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.

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 диодовдля 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.

Гдекоэффициент 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.

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 КТ812 В с параметрами:

• -предельное напряжение коллекторэмиттер 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 коллекторэмиттер 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.

• 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.