Тухватулин З.З. ОБ-83з. Федеральное агенство связи федеральное государственное
 Скачать 95.12 Kb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича» ИНСТИТУТ НЕПРЕРЫВНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Контрольная работа Дисциплина – Электропитание устройств и систем телекоммуникаций Фамилия: Тухватулин Имя: Захар Отчество: Захарович Курс: ___3___ Зач. Кн. №: ____1810362 ____ Группа №: ___ ОБ-83з___ Санкт-Петербург 2021 Задача №1 Вариант №2 Выбор оптимального варианта структурной схемы ВУ, предназначенного для питания аппаратуры АТС в буфере с аккумуляторной батареей. Исходные данные:
Варианты трансформаторов, которые отличаются числом фаз и материалом сердечника, схем выпрямления и сглаживающих фильтров, приведены в таблице №2.
К проектируемому ВУ предъявляются следующие требования: 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 однофазных 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 диодов -для 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   Где  -коэффициент сглаживания пульсаций -коэффициент пульсаций на входе фильтра -частота пульсаций выпрямительной схемыДля 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 № 2Расчет характеристик инвертора и выбор компонентов его принципиальной схемы. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: Действующее значение прямоугольного переменного напряжения Uпер = 24 В Действующее значение тока нагрузки IH = 0,42 А Напряжение источника постоянного тока Uпс = 48 В Мощность источника постоянного тока Рnc=13,5 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 Uкэ нас - напряжение насыщения коллектор - эмиттер коммутирующего транзистора инвертора. Uк 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 Uк макс. Мощность источника постоянного напряжения должна быть не меньше, чем отношение мощности, которая потребляется нагрузкой, к КПД инвертора (). 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. 1. Выбор переключающих транзисторов 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:   Определяем максимальный ток, протекающий через транзистор в состоянии насыщения, рассчитав в начале среднее значение тока коллектора за одну половину периода (Т/2):   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 Uпс прикладывается к транзистору, в результате чего ток Iк возрастает в 3 - 4 раза, т.е.  .   Транзисторы выбираются из условий: UKдon > Ukm, Iкдоп > Ikm По справочнику выберем транзистор типа КТ812В. Его параметры: Предельное напряжение коллектор-эмитер Uкдоп = 300 В предельный постоянный ток коллектора Iкдоп = 8А минимальное значение статического коэффициента передачи тока (Тк = 25°) h21э = 10 напряжение насыщения коллектор - эмиттер (типовое) Uкэ нас < 1,35 В Напряжение насыщения база-эмиттер (типовое) Uбэ < 2,2 В Постоянная рассеваемая мощность коллектора (Тк=-45° до +50° С) Рк макс = 50 Вт Предельный постоянный ток базы Iб 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 Iк нас - постоянный ток коллектора в режиме насыщения. h21э мин - минимальное значение статического коэффициента передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером.   Ом.Выберем из стандартного ряда резистор R2 = 165 Ом Соответственно величина сопротивления второго резистора:  Ом  Выбираем из стандартного ряда R1 = 8,2 кОм. 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 = 5 кГц.    Выбираем из стандартного ряда С = 0,6 мкФ. 3. Напряжение обратной связи.  Рисунок 3 Для расчета величины напряжения обратной связи Uос, обеспечивающей режимы насыщения и отсечки транзисторов, определяем по справочнику максимальное напряжение насыщения база-эмиттер Uбэнас, значение которого должно быть обеспечено выбором величины Uос и Ucм. При этом должно выполняться условие Uос > U см (см. рисунок 3). Как правило, U ос = (3 5) В. Тогда Uбэ нас = Uос + U см Примем Uос = 3В тогда Uбэнас = 3+1 = 4 В. Величина напряжения Uос (ЭДС полуобмотки обратной связи) так относится к напряжению Uпс (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   Выбираем для трансформатора инвертора тороидальный (кольцевой) сердечник из пермаллоя марки 40НКМ с толщиной ленты 0,02 мм типоразмера ОЛ16/26-10 (d=16мм, D = 26 мм, h = 6,5 мм, = 0,5 см2, = 0,8). У пермаллоя марки 40НКМ =1,4 Тл. витков.6. Определяем число витков базовых полуобмоток трансформатора.   витков.ПринимаемW3' = W3"= 2,5 витков. Определяем число витков вторичной обмотки трансформатора.   Принимаем W2 = 16,5 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 = 0,22 мм d2 = 0,32 мм d3 = 0,1 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 РПм = РПст =0,38 Вт. 9. Потери в делителе:   10. Потери в транзисторах:  Где  = 2∙10-6c.  . 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 (0,75 < 0,78), что свидетельствует о правильности выбора конструктивных элементов инвертора. вызывное устройство принципиальная схема | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||