Электрический расчет импульсного источника электропитания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

КАФЕДРА СТАТИЧЕСКОЙ РАДИОФИЗИКИ  И СВЯЗИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент 3 курса заочного отделения  специальности ФТОС

 

Проверил:

кандидат физ.-мат. наук,

 

 

 

 

 

УФА-2013

                             

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …... . . . …….3

1 Техническое задание, обозначение  электрических параметров . . . . . …. . . . .. ..…..5

2 Разработка функциональной схемы  импульсного источника…………………….......6

3 Расчет числа элементов и номинальной емкости АБ.…………......................7

4 Электрический расчет преобразователей постоянного напряжения...….………......8

5 Однотактный преобразователь постоянного напряжения

    (ОППН) с обратным включением  выпрямительного диода…………….………......9

6 Расчет ОППН с обратным включением  диода……………………………..……...11

7 Расчет параметров силовой  цепи преобразователей . . . . . . . . . . . . . . .…...…….…13

8 Заключение………………………………………………………………………….…17

9 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……..……..18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Современные устройства связи требуют бесперебойного, надежного  электроснабжения. Кроме того, система  электропитания должна предусматривать  защиту электронного оборудования от помех, возникающих в сетях электропитания, а также защиту сети от генерируемых источником питания помех. Для преобразования электрической энергии, получаемой от источников электроснабжения, ее регулирования, стабилизации параметров электрической  энергии, резервирования и распределения  оборудуются электропитающие установки (ЭПУ). ЭПУ вырабатывают электрическую энергию постоянного тока с номинальными напряжениями 220, 60, 48 и 24 В /1/.

От ЭПУ  осуществляется питание оборудования сотовых узлов, телефонных станций, узлов абонентского доступа и  т.д.

Пример одного из основных фрагментов функциональной схемы ЭПУ показан на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Структурная схема  электропитающей установки.

 

Схема содержит следующий «типовой» набор устройств: ККМ - корректор коэффициента мощности, ППН - преобразователь постоянного  напряжения, БМ - батарейный модуль.

В случае необходимости  получения других номиналов напряжения возможна установка дополнительных преобразователей (показаны пунктиром):

• преобразователь постоянного напряжения в постоянное другой величины (DC-DC конвертор);
• инвертор напряжения, для получения гарантированного переменного тока.

В задачу курсового проекта входит электрический расчет одного из устройств  ЭПУ или его составляющего  модуля (для краткости: выпрямитель, преобразователь, инвертор), а также элемента управляющей системы с описанием функции  устройства в общей структуре ЭПУ.

Основу современных технологий электропитания составляют импульсные методы преобразования параметров напряжения и тока. Преобразование достигается  периодической коммутацией тока и дозировкой «порций» энергии, передаваемой через преобразователь, путем изменения длительности ее передачи. Высокая частота (десятки, сотни килогерц) и малые потери мощности в ключах обеспечивают высокую эффективность преобразователей, недостижимую при классических подходах к построению источников электропитания. Новая технология базируется на современных достижениях сильноточной электроники, позволивших создать мощные быстро–действующие ключи (переключатели тока) и выпрямительные диоды. Реализация сложных законов управления ключами, а также стремление наделить устройства преобразования «интеллектуальными» признаками потребовали создания специализированных схем управления.

Работа над  курсовым проектом позволит познакомиться  с современной схемотехникой силовых, управляющих цепей и с основными тенденциями развития в области электропитания телекоммуникационных устройств.

 

1. Техническое задание,  обозначение электрических параметров

 

Исходные данные к проекту:

1. Характеристики первичного электроснабжения:

U_c2 = 220В - напряжение сети (номинальное);

N_c2 = +10% … –5% - относительная нестабильность напряжения сети;

f₁  = 50 Гц - частота сети;

t_ав = 2 час - максимальное время аварийного отключения сети;

2. Выходные параметры проектируемого  устройства:

n = 2 - число выходных каналов;

U_o1 = 60В - номинальная величина напряжения канала с №1;

U_o2 = 12В - номинальная величина напряжения канала с №2;

I_o1 = 1,1А - номинальная величина тока канала с №1;

I_o2 = 7А - номинальная величина тока канала с №2;

N₁ = 0,7% - статическая нестабильность выходного напряжения, 1-го канала;

N₂ = 0,1% - статическая нестабильность выходного напряжения, 2-го канала;

DI₀ = 70% - скачкообразное снижение тока нагрузки;

DI₀ = (I_on-I_{on min})*100%_;

К_п1 = 0.98% - коэффициент пульсации напряжения 1-го канала.

К_п2 = 1,2% - коэффициент пульсации напряжения 2-го канала.

t_ос = 22⁰ С - температура окружающей среду;

3.Энергетические показатели:

h = 90% -  коэффициент полезного действия.

cosφ = 1 - коэффициент мощности по основной гармонике.

 

2. Разработка функциональной  схемы импульсного источника.

 

После рассмотрения вводной части  задания, и определения требований к источнику питания следует  приступать к выбору функциональной схемы устройства. На этой стадии определяются основные компоненты устройства и их взаимосвязь. Набор компонентов  зависит от требований, предъявляемых  к устройству. Так, например, без  звена коррекции коэффициента мощности источника невозможно получить значения коэффициента мощности более 0,7. Без  управляемого преобразователя невозможно обеспечить стабилизацию напряжения или  ограничение тока. На рис.2 показан  пример схемы источника питания  с импульсным преобразователем электрической  энергии.

 

 

Рис. 2. Функциональная схема устройства электропитания с импульсным преобразованием энергии.

 

ППН – преобразователь постоянного  напряжения

БМ – батарейный модуль

ФП – выходной фильтр помех

В – входной выпрямитель

VT – транзисторные ключи инвертора  напряжения

ДТ1 – датчик тока ключей

ТР – высокочастотный (импульсный) трансформатор

ФНЧ – фильтр нижних частот (для  подавления пульсаций и помех)

ДТ2 – датчик выходного тока

ДР – драйверы (согласующие устройства) транзисторных ключей

S – выключатель для предупреждения глубоких разрядов батареи

К1 – контроллеры управления инвертора ППН

ИН – инвертор напряжения

К – конвертор

Конт.АБ – схема контроля за аккумуляторной батареей

 

3. Расчет числа элементов  и номинальной емкости АБ.

 

Если  требования к нестабильности выходного  напряжения ЭПУ находятся в пределах +10%, –12%, то число элементов в батарее  определяется отношением:

           (4.1)

В процессе заряда и разряда аккумуляторов  напряжение элемента изменяется на ±0,2…0,22 В, соответственно, изменяется и напряжение ЭПУ

U_{0ЭПУ max} = N_элU_эл.max;          (4.2)

    U_{0ЭПУ min} = N_элU_эл.min  

Необходимая номинальная емкость аккумуляторов  приведенная к условному 10 часовому режиму разряда и температуре среды 20^оС зависит от ряда факторов: тока разряда I_р, времени разряда t_р и соответствующего ему коэффициента отдачи по емкости h_Q, температуры окружающей среды t_ср :

    (Aч)           (4.3.)

Значения  коэффициента отдачи по емкости h_Q приведены в таблице 4.1. В таблице указаны также коэффициенты кратности тока h_i, определяющие превышение разрядного тока приведенной величины в 10–часовом режиме разряда (h_i = I_р / I_р10).

 

Таблица 4.1

 

tр , ч	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
hQ	1	0,97	0,94	0,91	0,89	0,83	0,8	0,75	0,61	051
hi	1	1,1	1,15	1,3	1,48	1,66	2,0	2,5	3,05	5,1

 

 

Выполнение:

Суммарный ток разряда: I_р = I₀₁+I₀₂ = 1,1 + 7 = 8,1А;

Время автономной работы ЭПУ: t_р = 2 ч;

Температура среды: tср = 22⁰ С;

Номинальное напряжение ЭПУ: U₀₁= 60В.

Определить: необходимую емкость и тип аккумуляторов.

Вычислить: пределы изменения напряжения батареи.

 

Решение:

а) по таблице 4.1 находим для t_р =2ч значение коэффициента отдачи по емкости

h_Q(1ч) = 0,61.

По формуле (4.3) определяем приведенную  величину емкости Q_прив:

Q_прив = = 26.17 Ач.

По таблице 2, приложения ПВ.1 находим, что 2-часовому режиму соответствует аккумулятор 12RG36 (аккумуляторы с рекомбинацией газа, Q_ном = 27 Ач);

б) необходимое число элементов в батарее:

N_эл=U₀₁/U_эл= 60/2 = 30.

Пределы изменения  напряжения:

-при заряде  до 2,2 В/Эл:

U_01max= 30 × 2.2 = 66 В;

-при разряде  до 1,8 В/Эл:

U_02min= 30 × 1,8 = 54 В.

 

Расчет номинальной емкости электробатареи с помощью закона сохранения энергии:

U_max=2.2B,  U_min=1,8B

N_эл=U₀₁/U_эл= 60/2 = 30 - количество элементов АБ

 

;

4 Электрический расчет преобразователей  постоянного напряжения

При мощностях свыше 30…50 Вт применяются  одно и двухтактные преобразователи  с независимым возбуждением, выполняемые  по структурной схеме рисунке 3. Задающий генератор схемы, в качестве которого используется преобразователь напряжения с самовозбуждением или специализированная управляющая схема (контроллер),которая управляет транзисторами усилителя мощности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3. Структурная схема преобразователя постоянного напряжения.

 

5. Однотактный преобразователь постоянного напряжения (ОППН) с обратным включением выпрямительного диода

 

На рисунке 4а изображена схема ОППН с обратным включением выпрямительного диода,  а на рисунке 4в формы токов  и напряжений в различных сечениях схемы. Транзистор  VT работает в импульсном режиме и периодически подключает первичную обмотку (с числом витков W₁) трансформатора ТV к источнику напряжения U_п постоянного тока в течение длительности t_и отпирающего импульса u_у прямоугольной формы; в течение паузы T-t_и (где T -период повторения отпирающих импульсов) транзистор VT закрыт. За время t_и трансформатор выполняет функцию индуктивного накопителя энергии. Диод VD при этом заперт, конденсатор С сглаживающего фильтра и нагрузки R_н от источника U_п отключены. На этом этапе работы конденсатор частично разряжается на сопротивление нагрузки. При запирании транзистора происходит мгновенное изменение полярности электродвижущих сил на обмотках трансформатора; накопленная энергия через диод поступает в конденсатор и нагрузку. Трансформатор в течение T-t_и выполняет функцию дросселя в цепи постоянного тока. Для предотвращения насыщения магнитопровод трансформатора выполняется с немагнитным зазором.