Проектирование вторичных источников питания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

 

Кафедра 32

 

 

 

 

 

Рейтинг за работу:

Преподаватель:                                                                       к.т.н.    Мартынов А.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА  К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

 

«Проектирование вторичных  источников питания»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

студент гр. 3226:                                                                                                   Обливанцев Р.В.

                  

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2005г

 

Содержание

 

Введение

Вторичный источник питания (ВИП) – это устройство, предназначенное входной электрической энергии переменного или постоянного тока при заданном качестве электрической энергии на выходе.

Назначение:

1. Источник питания различных систем управления;
2. Источник питания различных электронных устройств (телевизоров, компьютеров и т.д.);

Классификация ВИП:

• По типу электрической энергии входной сети (переменного тока, постоянного входного тока, переменного тока и постоянного тока);
• По величине выходной мощности:

Р_вых≤1Вт – микромощные;

1≤Р_вых≤5Вт – маломощные;

5≤Р_вых≤100Вт – среднемощные;

100≤Р_вых≤1000Вт – повышенной мощности;

1000Вт≤Р_вых – большой мощности.

• По числу выходных каналов (одноканальные, многоканальные ВИП);
• По виду выходной энергии (= или ~);
• По величине выходного напряжения:

U<100В – низкое;

100<U<1000В – среднее;

U>1000В – высокое.

• По наличию стабилизации выходного напряжения (нестабилизированное, стабилизированное).
• По виду стабилизации: (с параметрической, с компенсационной (непрерывного или импульсного типа));
• По допустимому отклонению выходного напряжения от его номинального значения:

ΔU_2% > 5% - с низкой точностью;

1 % <ΔU_2% < 5% - со средней точностью;

0,1 % <ΔU_2% < 1% - прецизионные.

• По значению пульсации выходного напряжения (для ВИП с выходом на = напряжение):

Если К_п2 < 0,1% - с малым коэффициентом пульсации;

Если 1% > К_п2 > 0,1%  - со средним коэффициентом пульсации;

Если К_п2 > 1% - с большим коэффициентом пульсации;

 

1. Техническое задание.

 

Тип ВИП: вторичный источник питания, преобразующего входную электрическую энергию постоянного тока в энергию переменного тока на выходе.

 

Выходная сеть:
Ток нагрузки  I2, А	12
Напряжение нагрузки  U2, В	24
Число фаз цепи нагрузки  m	1
Допустимое отклонение напряжения нагрузки  ±  ΔU2, %	1,0
Частота напряжения выходной сети  f2, Гц	400
Коэффициент мощности нагрузки  cos j2	0.7
Коэффициент гармоник напряжения нагрузки  kГ2, %	5

 

Входная сеть:
Входное напряжение  UВХ, В	50
Отклонение напряжения входной сети  ±  ΔUВХ, %	10
Температура окружающей среды  t, ºC	25
Коэффициент полезного  действия ВИП  h, %	80

 

2. Анализ проектируемого ВИП.

В соответствии с существующей классификацией охарактеризуем ВИП:

• по виду входной энергии: работающий от сети постоянного тока;
• по выходной мощности: 100 Вт< U₂ I₂=20·10=200 Вт <1000 Вт, повышенной мощности;
• по числу выходов: одноканальный, имеющий один выход;
• по виду выходной энергии: с выходом на переменном напряжении;
• по номинальному значению выходного напряжения: до 100 В - со низким напряжением;
• по допустимому отклонению выходного напряжения от номинального: низкой точности, 5%< ΔU₂.

 

3. Выбор и обоснование структурной схемы ВИП

Вторичный источник питания, работающий от сети постоянного тока и выдающий переменное напряжение на выходе, может быть реализован по трем структурным схемам (см. рис. 1).

     

 

      U_ВХ  U₂, f₂ 

 

 

 

 

 

 

       Uоп

 

 

 

      U_ВХ  U₂, f₂ 

 

 

                                                                                                              U_ОСН

 

 

Uоп

 

 

 f₁,U₁  U₂, f₂  

 

 

 

 

 

 

 

Uоп

 

 

 

Рис.1. Тип структурной  схемы ВИП

ВФ - входной фильтр,

РИН - регулируемый инвертор напряжения,

ВИН – высокочастотный  инвертор напряжения,

НПЧ с е.к.в.  – преобразователь  частоты с непосредственной связью с естественной коммутацией вентилей,

Т - трансформатор,

СФ - сглаживающий фильтр

НГ - нагрузка,

СУ - схема управления.

Для преобразования электрической энергии постоянного  тока в энергию переменного тока используются инверторы. Бестрансформаторная  схема подходит в том случае, когда входное и выходное напряжения равны или различны не более, чем на 10 – 15 %. Во втором случае правильно спроектированный выходной фильтр позволяет подтянуть напряжение до нужного значения. В противном случае ставится трансформатор. Однако при малой частоте выходной сети его массогабаритные показатели существенно возрастают. С целью уменьшения  массогабаритных показателей согласующего трансформатора выполняют ВИП с промежуточным высокочастотным инвертором и преобразователем частоты с непосредственной связью. Для контроля выходных параметров в схему вводится обратная связь по напряжению. Сигнал обратной связи и опорное напряжение поступают в схему управления инвертором.

В соответствии с данными  технического задания для данного  проекта следует выбрать третий вариант схемы. Регулируемый инвертор напряжения выполняет функцию преобразования входной электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока на выходе. Повышающий трансформатор осуществляет согласование уровней входного и выходного напряжений. Для лучшего использования конденсатора сглаживающий фильтр устанавливаем после трансформатора - на стороне более высокого напряжения переменного тока.

 

4. Принципиальной схема ВИП.

Принципиальная схема ВИП показана на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема вторичного источника питания. 
5. Выбор элементов ВИП.

5.1. Расчет основных параметров ВИП.

Рассчитаем входную  мощность:

    (1)

Рассчитаем выходную мощность:

   (2)

Рассчитаем входной  ток:

    (3)

5.2. Выбор трансформатора.

Рассчитаем g_min.

Амплитудное значение первой гармоники  напряжения входного тока 

     (4)

Пусть g_max=1, тогда

.

Действительное значение напряжения

     (5)

Пусть g_max=0,95, найдем g_min.

    (6)

Отсюда

    (7)

Отклонение ΔU_вх=±10%, тогда ΔU_{вх max}=55В и ΔU_{вх min}=45В. При g_max=0,95 получаем:

.

Зная g_min, определим U_m(1) по формуле (4):

Коэффициент трансформации  равен:

      (8)

Полная мощность трансформатора:

   (9)

Мощность на нагрузке:

  (10)

Входной ток:

    (11)

Сечение магнитопровода трансформатора:

  (12)

Сердечник трансформатора

Число витков на 1В напряжения:

   (13)

Число витков первичной  обмотки:

    (14)

Число витков вторичной  обмотки:

   (15)

Сечение проводников  обмотки трансформатора:

    (16)

 

Выбираем трансформатор: ОСМ – 0,4 (U_1N = 50В, U_2N  = 24В, P_TN = 400Вт).

А = 124 мм  В = 170 мм

Н = 140 мм  L₁ = 92 мм

L₂ = 93 мм  Масса – 6,2 кг

Рис. 3. Габариты трансформатора.

5.3. Выбор транзисторов.

Полное сопротивление  нагрузки:

     (17)

Активное сопротивление  нагрузки:

     (18)

Реактивное сопротивление  нагрузки:

     (19)

Приведенное значение активного  сопротивления нагрузки:

    (20)

Приведенное значение реактивного  сопротивления нагрузки:

   (21)

Коэффициент нагрузки:

     (22)

Максимальный ток коллектора:

    (23)

 

 

Максимальное обратное напряжение:

     (24)

Ток базы транзистора  равен:

     (25)

Выбираем транзисторы  ТК135-16 (4 штуки)

Таблица 1.

Параметры транзистора ТК135-16

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ макс, В	100
∆Uкэ, В	0,6-2,0
Максимально допустимый ток Iк макс, А	10
Статический коэффициент  передачи тока h21э мин	8
Tвкл, мкс	1
Tвыкл, мкс	3
Тепловое сопротивление Rпер.к., ºС/Вт	1,5

Чертеж корпуса представлен  на рис. 4.

Рис.4. Габариты транзистора

5.4. Выбор диодов.

Ток диода средний:

,     (26)

где

     (27)

      (28)

Диоды (4 штуки): ВК2-25 (I_д.ср=25А; U_{обр.мах}=100В; ΔU_в.к. = 0,45В)

Со стандартным теплоотводом

 

 

 

6. Схема управления.

Схема управления ВИП  включает в себя ГОН, узел сравнения  опорного сигнала с сигналом U_б и распределитель импульсов.

Сигнал  U_б формируется как разностный сигнал U_оп и U_осн.

Сигнал U_осн получается путем выпрямления напряжения, снимаемого с дополнительной обмотки W_ос.

Схема управления представлена на рис. 6.

Рис. 6. Принципиальная схема  управления ВИП.

Трансформатор.

Т₂ – трансформатор ТПП 204 – 127/220 со средней точкой.

U₁=220В; U₂ = 8,8В; I₁ =0,017А ; f = 50 Гц.

А = 25мм  В = 52мм

L = 52мм  Н = 56мм

d = М3  масса – 365г

Рис. 7. Габариты трансформатора.

Диоды.

Диоды VD5 и VD6  - 2Д225С (ΔU_в.д.= 1В, I=0,048мА)

Рис. 8. Габариты диодов.

Т.о.  U_d=10*0,9=9В и U_обр.св.= U_d - ΔU_в.д = 9-1=8В

Схема управления состоит  из следующих узлов:

• Усилитель сигнала согласования;
• Компаратор;
• Генератор пилообразного напряжения;
• Распределитель импульсов;
• Параметрический источник питания для операционных усилителей.