Электропитание устройств и систем связи

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

Решение:

.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

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

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

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

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.