Электрический расчет импульсного источника электропитания

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    Министерство Образования и Науки Российской Федерации

Башкирский Государственный Университет

Кафедра статистической радиофизики и связи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

тема проекта:

 

«Электрический расчет

импульсного источника электропитания».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель

Студент Борисова Р.В.

гр. 3ИТСС-1

Руководитель

К.ф.-м.н., доцент кафедры РФС – Вальшин А.М.

 

 

 

 

 

 

 

          

          Уфа 2015 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение ...............................................................................................................3 
1. Техническое задание на курсовой проект......................................................5 
2. Разработка функциональной схемы импульсного источника......................6 
3. Расчет числа элементов и номинальной емкости аккумуляторов................7 
4. Электрический расчет преобразователей постоянного напряжения............9 
4.1 Однотактный преобразователь постоянного напряжения

      (ОППН) с обратным  включением выпрямительного диода........................9 
4.2 Расчет ОППН с обратным включением диода.............................................11 
4.3 Расчет параметров силовой цепи преобразователя.....................................14

4.4 Однотактный преобразователь постоянного напряжения

      (ОППН) с прямым включением выпрямительного диода...........................18

Заключение.............................................................................................................19 
Список литературы................................................................................................20 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

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.

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.

 

1. Техническое задание на курсовой проект

 

Исходные данные к проекту:

 

1. Характеристики первичного электроснабжения:

U1 = 220В – напряжение сети (номинальное);

N1 = +5%, –10% - относительная нестабильность напряжения сети;

f1  =60 Гц – частота сети;

tав= 2 час- максимальное время аварийного отключения сети;

2. Выходные параметры проектируемого устройства:

n = 2 - число выходных каналов;

U01= 48 В - номинальная величина напряжения канала с №1;

U02= 12 В- номинальная величина напряжения канала с №2;

I01= 1,0А - номинальная величина тока канала с №1;

I02 = 4 А- номинальная величина тока канала с №2;

N1= 0,4%- статическая нестабильность выходного напряжения, 1-го канала;

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

DI0 = 50% - скачкообразное снижение тока нагрузки;

DI0=(Ion-Ion min)*100%;

Кп1= 1,25% - коэффициент пульсации напряжения 1-го канала.

Кп2= 1,07% - коэффициент пульсации напряжения 2-го канала.

Т ос= 200 С - температура окружающей среду;

3. Энергетические показатели:

h= 89% – коэффициент полезного действия.

cos = 0,99 – коэффициент мощности по основной гармонике.

4. Индивидуальная задача.

Расчет схемы ОППН с обратным и прямым включением диода.

 

2. Разработка функциональной схемы импульсного источника

Для обеспечения значения коэффициента мощности, cos = 1 необходимо звено коррекции коэффициента мощности источника.

Для обеспечения  максимального времени отключения сети tав= 3 час необходим батарейный модуль.

Стабилизацию напряжения или ограничение тока обеспечивают управляемые преобразователи постоянного напряжения.

На рисунке 2 приведена функциональная схема устройства электропитания с импульсным преобразованием энергии. Звено коррекции коэффициента мощности на схеме не изображено.

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 – контроллер управления инвертора ППН

К – конвертор

Конт.АБ – схема контроля за аккумуляторной батареей

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

 

 

 

 

 

 

 

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:

            (1)

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

U0ЭПУ max = NэлUэл.max,                (2)

U0ЭПУ min = NэлUэл.min            (3)

Необходимая номинальная емкость аккумуляторов приведенная к условному 10-часовому режиму разряда и температуре среды 20оС – Qприв, Aч– зависит от ряда факторов: тока разряда Iр, времени разряда tр и соответствующего ему коэффициента отдачи по емкости hQ, температуры окружающей среды tср :

                         (4)

 Значения  коэффициента отдачи по емкости hQ приведены в таблице 1. В таблице указаны также коэффициенты кратности тока hi, определяющие превышение разрядного тока приведенной величины в 10–часовом режиме разряда (hi = Iр / Iр10).

 

Таблица 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.

Данные:

Суммарный ток разряда Iр = I01+I02 = 1,0+4 = 5,0А;

Время автономной работы ЭПУ tр= 2 ч;

Температура среды tср = 200 С;

Номинальное напряжение ЭПУ U01= 48В.

Определить необходимую емкость и тип аккумуляторов.

Вычислить пределы изменения напряжения батареи.

Решение:

а) по таблице 1 находим для tр = 2ч значение коэффициента отдачи по емкости hQ(2ч) = 0,61.

По формуле (4) определяем приведенную величину емкости Qприв:

Qприв = = 16,4 Ач.

2-часовому режиму соответствует аккумулятор 12RG24 (аккумуляторы с рекомбинацией газа, Qном=22 Ач);

б) необходимое число элементов в батарее:

Nэл=U01/Uэл= 48/2 = 24.

Пределы изменения напряжения:

-при заряде  до 2,2 В/Эл:

U01max= 24 × 2,2 = 52,8 В

-при разряде  до 1,8 В/Эл:

U02min=24 × 1,8 = 43,2 В.

 

Расчет номинальной емкости электробатареи с помощью закона сохранения энергии.

 

Umax=2,2B ;   Umin=1,8B ; 
Nэл=U01/Uэл= 48/2 = 24 - количество элементов АБ ;

По закону сохранения энергии :

Wвх = Wвых;

Wвх = Wmax-Wmin  =Umax*Nэл*С - Umin*Nэл*С= С * Nэл * (Umax - Umin);

Wвых= (P1K+P2K)*TЧАС ;

откуда получим

С * Nэл * (Umax - Umin)= (P1K+P2K)*TЧАС;

С =(P1K+P2K)*TЧАС / (Nэл * (Umax - Umin));

С=(1,0*48+4*12)*2/(24*(2,2-1,8))=192 /9,6=20 Ач ;

С=20 Ач.

 

4.Электрический расчет преобразователей  постоянного напряжения

 

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

 

 

 

 

Рис.3.Структурная схема преобразователя постоянного напряжения.

 

4.1 Однотактный преобразователь  постоянного напряжения (ОППН) с  

          обратным включением выпрямительного  диода

На рис. 4а изображена схема ОППН с обратным включением выпрямительного диода,  а на рисунке 4 в 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 Uп постоянного тока в течение длительности tи отпирающего импульса uу прямоугольной формы; в течение паузы T-tи (где T -период повторения отпирающих импульсов) транзистор VT закрыт. За время tи трансформатор выполняет функцию индуктивного накопителя энергии. Диод VD при этом заперт, конденсатор С сглаживающего фильтра и нагрузки Rн от источника Uп 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-tи выполняет функцию дросселя в цепи постоянного тока. Для предотвращения насыщения магнитопровод трансформатора выполняется с немагнитным зазором.

На рисунке 4б представлена эквивалентная схема ОППН; все элементы, изображенные на схеме, принято считать идеальными. Сопротивление нагрузки и емкость конденсатора приведены к первичной обмотке трансформатора; если n= W1/W2, где W2 - число витков вторичной обмотки трансформатора, то Rн пр = n2 Rн и Cпр = C/n. Среднее значение напряжения на Rн пр равно nU0, где U0 - среднее значение напряжения на Rн. На рисунке 5.2 б L - индуктивность первичной обмотки трансформатора.