Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! 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 2012 г. Размещено на Studbooks.net Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! Задача №1. Выбор оптимального варианта структуры выпрямительного устройства (ВУ) Исходные данные решаемого варианта 1 (№ 087025) Таблица 1.1 – Исходные данные для расчёта Коэффициент Число фаз питающей сети, m1 Частота сети, f Гц Форма Выходное Ток пульсаций КПД, η питающего напряжени нагрузки, I0 напряжения на не напряжения е, U0 В А нагрузке, не менее Кп более, % 1 Прямоуг. 10000 60 1 0,5 0,75 Решение: 1.1 Альтернативные варианты функциональных элементов ВУ Таблица 1.2 – Исходный набор функциональных элементов Трансформаторы Число фаз сердечника Тип Материал сердечника Схемы выпрямителя Сглаживающие фильтры Однотактная 2ф Ёмкостной Однотактная 3ф Индуктивный Однофазный ОЛ Однофазный ПЛ Однофазный ШЛ Пермаллой Двухтактная 1ф Однозвенный, LC Трёхфазный ЕЛ Ферриты Двухтактная 3ф Двухзвенный, LC Холоднокатаная сталь К проектируемому ВУ предъявляются следующие требования: при условии обеспечения заданного допустимого значения коэффициента пульсаций Кп 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 характеристики: Размещено на Studbooks.net выбирать Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! Pп К1 = Pп макс [ 1.1 ] V К2 = Vмакс [ 1.2 ] где Pп – сумма потерь мощности в отдельных элементах ВУ; V – сумма объёмов конструктивных элементов ВУ; Pп макс, Vмакс – 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 Ls или поток рассеивания Фs; - 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 Функциональные элементы 1 Тип сердечника трансформатора ОЛ Материал сердечника трансформатора Пермаллой Ферриты Схемы выпрямления Однотактная 2ф Двухтактная 1ф Сглаживающие фильтры Ёмкостной Размещено на Studbooks.net 2 Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! Полное множество допустимых вариантов структур проектируемого ВУ: ВУ1 = ОЛ + пермаллой + Однотактная 2ф схема + Ёмкостной фильтр ВУ2 = ОЛ + ферриты + Однотактная 2ф схема + Ёмкостной фильтр ВУ3 = ОЛ + пермаллой + Двухтактная 1ф схема + Ёмкостной фильтр ВУ4 = ОЛ + ферриты + Двухтактная 1ф схема + Ёмкостной фильтр 1.3 Расчёт показателей качества Определяем величину типовой (габаритной) мощности трансформатора: Pт = m1·I1·U1 + m2·I2·U2 2 [ 1.3 ] где m1 и m2 – число фазных (первичных и вторичных) обмоток трансформатора; I1 и U1, I2 и U2 – действующие значения токов и напряжений в первичных и вторичных обмотках. Для прямоугольной формы напряжения: U2m = U2 = U0 и I2m = I2 = I0. Для обмоток трансформатора с выведенной средней точкой: I2 = Для вариантов ВУ1 и ВУ2 с однотактной 2ф схемой: Pт 1,2 = 2·1·60 + 2·0,707·60 = 100 В·А 2 Для вариантов ВУ3 и ВУ4 с двухтактной 1ф схемой: Pт 3,4 = 2·1·60 + 1·1·60 = 90 В·А 2 Определим объём трансформатора с сердечника ОЛ по формуле: Размещено на Studbooks.net I0 . 2 Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! Pт [В·А] 0,75 Vтр [см3] = 10,6· А f [кГц] · Bm [Тл] · j [ ] мм2 [ 1.4 ] где Bm – максимально допустимая магнитная индуктивность; j – максимально допустимая плотность тока. При мощности трансформатора Pт ≤ 100 В·А и частоте f ≥ 5 кГц: А для ферритов Bm = 0,2 Тл и j = 8 мм2; А для пермаллоя Bm = 0,9 Тл и j = 5,2 мм2. Для вариантов ВУ1 с сердечником из пермаллоя: 100 Vтр1 = 10,6·10 · 0,9 · 5,20,75 = 18,7 см3 Для вариантов ВУ2 с сердечником из феррита: 100 Vтр2 = 10,6·10 · 0,2 · 80,75 = 41,9 см3 Для вариантов ВУ3 с сердечником из пермаллоя: 90 Vтр3 = 10,6·10 · 0,9 · 5,20,75 = 17,3 см3 Для вариантов ВУ4 с сердечником из феррита: 90 Vтр4 = 10,6·10 · 0,2 · 80,75 = 38,7 см3 Потери в сердечниках ОЛ из пермаллоя и ферритов определим по формуле: Pпст [Вт] = 15,93 · Bm 1,3 [Тл] · f1,35 [кГц] · Vтр [дм3] [ 1.5 ] Потери мощности в меди трансформатора при мощности P0 ≤ 100 Вт: Pпм = Pпст [ 1.6 ] Размещено на Studbooks.net Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! Для вариантов ВУ1 с сердечником из пермаллоя: 18,7 Pпм1 = Pпст1 = 15,93 · 0,91,3 · 101,35 · 103 = 5,83 Вт Для вариантов ВУ2 с сердечником из феррита: 41,9 Pпм2 = Pпст2 = 15,93 · 0,21,3 · 101,35 · 103 = 1,84 Вт Для вариантов ВУ3 с сердечником из пермаллоя: 17,3 Pпм3 = Pпст3 = 15,93 · 0,91,3 · 101,35 · 103 = 5,38 Вт Для вариантов ВУ4 с сердечником из феррита: 38,7 Pпм4 = Pпст4 = 15,93 · 0,21,3 · 101,35 · 103 = 1,70 Вт Определим максимальное значение обратного напряжения и средний прямой ток диодов: Для вариантов ВУ1 и ВУ2 с однотактной 2ф схемой: Uобр ≈ U0 = 60 В I0 1 Iпр = 2 = 2 = 0,5 А Для вариантов ВУ3 и ВУ4 с двухтактной 1ф схемой: Uобр ≈ 2·U0 = 2·60 = 120 В Iпр = I0 = 1 А Используем высокочастотный диод типа КД213А с параметрами: Uобр макс = 200 В, Iпр макс = 10 А, Uпр макс = 1 В Потери мощности в полупроводниковых диодах определяем по формуле: Pпд = Iпр·Uпр·(1 + 0,5·fпер·τэф) где τэф = 2,45·10-7 с – длительность существования носителя; Uпр – прямое напряжение, приложенное к диоду; Iпр – протекающий через диод прямой ток; Размещено на Studbooks.net [ 1.7 ] Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! fпер – частота переключения или сети. Для вариантов ВУ1 и ВУ2 с однотактной 2ф схемой: Pпд = 0,5 · 1 · (1 + 0,5 · 10000 · 2,45·10-7) = 0,501 Вт Pпд 1,2 = 2 · 0,501 = 1,00 Вт Для вариантов ВУ3 и ВУ4 с двухтактной 1ф схемой: Pпд = 1 · 1 · (1 + 0,5 · 10000 · 2,45·10-7) = 1,00 Вт Pпд 3,4 = 4 · 1,00 = 4,00 Вт Объём полупроводникового диода с радиатором определим по формуле: Vд [см3] = 6,48 · Pпд 1,3 [Вт] [ 1.8 ] Для вариантов ВУ1 и ВУ2 с однотактной 2ф схемой: Vд = 6,48 · 0,5011,3 = 2,64 см3 Vд 1,2 = 2 · 2,64 = 5,27 см3 Для вариантов ВУ3 и ВУ4 с двухтактной 1ф схемой: Vд = 6,48 · 1,001,3 = 6,49 см3 Vд 3,4 = 4 · 6,49 = 26,0 см3 Ёмкость фильтрующего конденсатора при прямоугольной форме напряжения численно равна: Iп·τф Cф = U0·Kп [ 1.9 ] где τф = 2·10-6 с – длительность нарастания фронтов. Для всех вариантов: 1 · 2·10-6 Cф = 60 · 0,005 = 6,67·10-6 Ф Выбираем конденсатор К50-24 с параметрами: Uсд = 160 В, Cкон = 2,2 мкФ, A = 42,5·10-4, α = β = 0,71 Размещено на Studbooks.net Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! Число конденсаторов, включенных параллельно в батарею, равно: Cф nc = Cкон [ 1.10 ] 6,67 nc = 2,2 = 3 Объём одного конденсатора СФ определяется по формуле: Vc [см3] = A · Cα [мкФ] · Uсд β [В] [ 1.11 ] Vc = 42,5·10-4 · 2,20,71 · 1600,71 = 0,273 см3 Объём батареи конденсаторов определяется по формуле: Vc бат = nc·Vc [ 1.12 ] Vc бат = 3 · 0,273 = 0,820 см3 Суммарные потери и объёмы для каждого варианта определяем по формулам: Pп = Pпст + Pпм + Pпд [ 1.13 ] V = Vтр + Vд + Vc [ 1.14 ] Результаты расчётов показателей качества по всем вариантам приведены в таблице 1.4: Таблица 1.4 – Результаты расчётов показателей качества № Pпст, Pпм, Pпд, варианта Вт Вт Вт ВУ1 5,83 5,83 ВУ2 1,84 ВУ3 5,38 Vтр, Vд, см3 см3 0,926 18,7 5,27 0,820 24,8 0,379 2,17 0,563 41,9 5,27 0,820 48,0 0,733 3,84 1,00 17,3 26,0 0,820 44,1 0,673 Pп, Вт K1 1,00 3,56 1,84 1,00 5,38 4,00 Размещено на Studbooks.net Vc, см3 V, см3 K2 Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! ВУ4 1,70 1,70 4,00 2,72 0,708 38,7 26,0 0,820 65,5 1,00 Длина вектора качества определяется по формуле: |→| K = K1 2 + K2 2 [ 1.13 ] |K1 → | = 0,9262 + 0,3792 = 1,00 |K2 → | = 0,5632 + 0,7332 = 0,924 |K3 → | = 1,002 + 0,6732 = 1,21 |K4 → | = 0,7082 + 1,002 = 1,23 Выбираем два не худших варианта, у которых длины векторов наименьшие, а именно, ВУ1 и ВУ2. Выбор одного компромиссного варианта из подмножества не худшего осуществляется по формуле: Kпр = K1 α · K2 β [ 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 α = 1 и β = 2: Kпр1 = 0,9261 · 0,3792 = 0,133 Kпр2 = 0,5631 · 0,7332 = 0,303 Оптимальный является вариант вариант с структуры наименьшим выпрямительного значением условного устройства критерия предпочтения, а именно, первый вариант: ВУ1 = ОЛ + пермаллой + Однотактная 2ф схема + Ёмкостной фильтр Размещено на Studbooks.net Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! Задача №2. Расчёт характеристик инвертора при выборе компонентов его принципиальной схемы Исходные данные решаемого варианта 5 (№ 087025) Таблица 2.1 – Исходные данные для расчёта Действующее прямоугольного значение переменного напряжения, Uпер, В Напряжение Действующее значение источника тока нагрузки, Iн, А постоянного тока, Uпс, В 80 0,25 27 Мощность источника постоянного тока, Pпс, Вт 27 VT1 W'1 − Uпс + VT2 C R1 W''1 W2 Uпер W'3 R2 W''3 Рисунок 1 – Схема принципиальная. Инвертор. Выбор переключающего трансформатора Величина максимального напряжения, прикладываемого к закрытому транзистору, определяется из условия выбора предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер: Размещено на Studbooks.net Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! Uкm = 2,4·Uпс [ 2.1 ] Uкm = 2,4·27 = 64,8 В Максимальная величина тока коллектора, протекающего через транзистор в состоянии насыщения, зависит от среднего значения этого тока T в течение полупериода 2 : Pпс Iк.ср.(T/2) = Iк.нас = Uпс [ 2.2 ] выпрямительный инвертор матрица трансформатор 27 Iк.ср.(T/2) = Iк.нас = 27 = 1 А Коэффициент полезного действия (КПД) инвертора определяется по формуле: Pн η = Pпс [ 2.3 ] Мощность, отдаваемая в нагрузку, определяется по формуле: Pн = Uпер·Iн [ 2.4 ] Pн = 80·0,25 = 20 Вт 20 η = 27 = 0,741 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 Uпс прикладывается к транзистору, в результате чего ток Iк возрастает в 3 – 4 раза, то есть: Размещено на Studbooks.net Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! 1,4·4·Pн Iк.макс = η·Uпс [ 2.5 ] 1,4·4·20 Iк.макс = 0,741·27 = 5,6 А Выбираем тип транзистора из условий Uк.доп ≥ Uкm и Iк.доп ≥ Iкm. Этим условиям соответствует транзистор типа КТ808А, его параметры приведены в таблице 2.2: Таблица 2.2 – Параметры транзистора типа КТ808А Предельное напряжение коллектор-эмиттер Uк.доп, В 120 Предельный постоянный ток коллектора Iк.доп, А 10 Предельный постоянный ток базы Iб.макс, А 4 Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Pк.макс, Вт 50 Минимальное значение статического коэффициента передачи тока h21э.мин 15 Напряжение насыщения коллектор-эмиттер Uкэ.нас, В 2 Напряжение насыщения база-эмиттер Uбэ.нас, В 1,4 Пусковой делитель При расчёте величины сопротивлений пускового делителя напряжения R1 и R2 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: Uпс·Uсм R2 = Iб.макс [ 2.6 ] где Uсм – напряжение смещения база-эмиттер транзистора при указанном в справочнике токе базы Iб, принимает значение Uсм = 1 В Максимальная величина тока базы: Размещено на Studbooks.net Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! 1,5·Iк.нас Iб.макс = h21э.мин [ 2.7 ] 1,5·1 Iб.макс = 15 = 0,1 А 27·1 R2 = 0,1 = 52 Ом Выбираем стандартное значение R2 = 51 Ом Соответственно величину сопротивления другого резистора рассчитаем по формуле: R2·Uпс R1 = Uсм R1 = [ 2.8 ] 51·27 1 = 1377 Ом Выбираем стандартное значение R1 = 1,3 кОм Величина ёмкости конденсатора C, шунтирующего резистор R1 в 1 момент включения инвертора, выбирается из условия R2·C < 2·fк, 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 fк = 10 кГц. Следовательно: 1 C < 2·R2·fк [ 2.9 ] 1 C < 2·51·10000 = 9,8·10-7 Ф Выбираем стандартное значение C = 0,82 мкФ Размещено на Studbooks.net Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! Потери в делителе определяем по формуле: U2 пс Pдел = R1 + R2 [ 2.10 ] 272 Pдел = 1300 + 51 = 0,540 Вт Определение параметров трансформатора Для определения числа витков полуобмоток первичной обмотки трансформатора выразим W1' из выражения Uпс − Uкэ.нас fк = 4·Bмакс·W1·Sca : ' Uпс − Uкэ.нас W1' = W''1 = 4·Bмакс·fк·Sca [ 2.11 ] где Bмакс – максимальное значение магнитной индукции в сердечнике трансформатора (индукция насыщения); Sca – площадь активного сечения стержня, на котором размещаются обмотки. Выбираем для трансформатора инвертора с обратной связью по напряжению О-образный (тороидальный) магнитопровод из феррита А (Bмакс = 0,2 Тл и j = 8 мм2). Типоразмер магнитопровода типа ОЛ16/26-6,5 (Sca = 0,325 см2) марки 40НМК с толщиной ленты 0,02 мм. 27 − 2 W1' = W''1 = 4 · 0,2 · 10000 · 3,25·10-5 = 96 витков После определения числа витков полуобмоток первичной обмотки трансформатора находим число витков его вторичной обмотки: U2 Uпер W2 = W1· ' U1 = W1· ' Uпс Размещено на Studbooks.net [ 2.12 ] Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! 80 W2 = 96·27 = 284 витка При выборе напряжения обратной связи должно выполняться условие Uос > Uсм. Как правило Uос = 3…5 В. Выберем среднее значение Uос = 4 В, тогда: Uбэ.нас = Uос + Uсм [ 2.13 ] Uбэ.нас = 4 + 1 = 5 В Рассчитаем число витков полуобмоток обмотки обратной связи трансформатора по формуле: 1,1·Uос W3' = W''3 = W1· ' Uпс − Uкэ.нас [ 2.14 ] 1,1·4 W3' = W''3 = 96·27 − 2 = 17 витков Определим действующие (эффективные) значения токов в обмотках трансформатора: I1эф = Iк.нас 2 [ 2.15 ] I2эф = Iн I3эф = I1эф = [ 2.16 ] Iб.макс 2 [ 2.17 ] 1 = 0,707 А 2 I2эф = 0,25 А I3эф = 0,1 = 0,071 А 2 Расчёт сечения (диаметра) проводов обмоток Размещено на Studbooks.net трансформатора Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! π·di2 Ii эф инвертора проводится с помощью соотношений Si = 4 и Si = j . Приравнивая друг к другу эти выражения и выражая диаметр, получаем: di = 4 · Ii эф π · j = 1,13· Ii эф j d1 = 1,13· 0,707 8 = 0,34 мм d2 = 1,13· 0,25 8 = 0,20 мм d3 = 1,13· 0,071 8 = 0,11 мм [ 2.18 ] Габаритная мощность трансформатора определяется по формуле: Pт = Pн·(1 + η) 2·η Pт = 20·(1 + 0,741) = 23,5 В·А 2·0,741 [ 2.19 ] Объём трансформатора определяется по формуле: Pт [В·А] 0,75 Vтр [см3] = 10,6· f [кГц] · Bm [Тл] · j [ А ] мм2 [ 2.20 ] 23,5 Vтр = 10,6·10 · 0,2 · 80,75 = 14,1 см3 Потери мощности в сердечнике типа ОЛ из феррита определяются по формуле: Pпст [Вт] = 15,93 · Bm 1,3 [Тл] · f1,35 [кГц] · Vтр [дм3] Размещено на Studbooks.net [ 2.21 ] Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! Потери мощности в меди при мощности P0 ≤ 100 Вт: Pпм = Pпст [ 2.22 ] 14,1 Pпм = Pпст = 15,93 · 0,21,3 · 101,35 · 103 = 0,623 Вт КПД инвертора Для контроля правильности выбора конструктивных элементов инвертора вычисляется его КПД и полученное значение сравнивается с рассчитанным ранее: Pн ηрас = Pн + Pдел + Pтр + Pпст + Pпм [ 2.23 ] где Pтр – потери мощности в транзисторах определяются по формуле: fк Pтр = Uкэ.нас·Iк.нас + Uбэ.нас·Iб.нас + Uпс·Iк.макс·τ· 3 , где τ = 2·10-6 с [ 2.24 ] Pтр = 2 · 1 + 5 · 0,1 + 27 · 5,6 · 2·10-6 · 10000 3 = 3,51 Вт 20 ηрас = 20 + 0,54 + 3,51 + 0,623 + 0,623 = 0,791 Так как ηрас = 0,791 > η = 0,741, то выбранные конструктивные элементы выбраны правильно. Размещено на Studbooks.net Studlancer.net - закажи реферат, курсовую, диплом! 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. Размещено на Allbest.ru Размещено на Studbooks.net
