Далее составим морфологическую матрицу.

Содержание

Задача № 1

Задача № 2

Литература

Задача № 1

 

Выбор оптимального варианта структурной схемы ВУ, используемого в составе зарядового устройства аккумуляторов.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

1. число фаз питающей сети - 1 и 3

. частота сети, Гц - 50

. напряжение сети, В - 380/220

. форма питающего напряжения - синусоидальная

. выходное напряжение, В - 120

. ток нагрузки, А - 20

. коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке, - нет

. КПД, не менее > 0,75

РЕШЕНИЕ:

Варианты трансформаторов, которые отличаются числом фаз и материалом сердечника, схем выпрямления и сглаживающих фильтров, приведены в таблице 1.

 

Таблица 1

Трансформаторы			Схемы выпрямления	Сглаживающий фильтр
Число фаз сердечника	Тип	Материал сердечника
Однофазный	ОЛ	Холоднокатаная сталь	Однотактная 2ф	Емкостной
Однофазный	ПЛ	Холоднокатаная сталь	Однотактная 3ф	Индуктивный
Однофазный	ШЛ	Пермаллой	Двухтактная 1ф	Однозвенный, LC
Трехфазный	ЕЛ	Ферриты	Двухтактная 3ф	Двухзвенный, LC

 

2. К проектируемому ВУ предъявляются следующие требования:

При условии обеспечения заданного допустимого значения коэффициента пульсаций К_п и снижения стоимости требуется выбрать вариант ВУ с минимальными потерями мощности и минимальными габаритами.

Для оценки степени выполнения требования о снижении потерь мощности в элементах ВУ рекомендуется выбирать характеристику:

 

 

где P _п - сумма потерь мощности в отдельных элементах ВУ,

P _nmax - м аксимально допустимые потери мощности ВУ.

А для оценки степени выполнения требования о снижении габаритов - характеристику:

 

 

где V - сумма объемов конструктивных элементов ВУ,

V _m - м аксимально допустимый объем ВУ.

Определим объем трансформатора.

Объем трансформатора зависит от типа его сердечника.

Для типа:

 

ПЛ: V_ТР = 1500∙V₀ (см³)

ЕЛ: V_ТР = 2080∙V₀ (см³),

 

где

 

 

Здесь В_m - максимально допустимое значение магнитной индуктивности при f = 50 Гц, В_m = 1,5 Тл- плотность тока при f = 50 Гц, j = 1,5 А/мм²- частота сети, f = 50 Гц

Р_т - типовая (расчетная) мощность

Причем

 

 

Для двухтактной 1ф схемы К_им = 0,814

Для однотактная 3ф схемы К_им = 0,74

Для двухтактная 3ф схемы К_им = 0,96

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

 

 Вт

= 11,549 см³_ТР = 1500∙11,549 = 17324 см³

 

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

 

 Вт

= 12,406 см³

V_ТР = 2080∙12,406 = 25804,5 см³

 

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

 

 Вт

= 10,218 см³

V_ТР = 2080∙10,218 = 21252,8 см³

Определим потери мощности в элементах ВУ:

Потери мощности в стали трансформатора с сердечником из холоднокатаной стали зависят от типа сердечника.

Для сердечника ПЛ:

Для сердечника ЕЛ: . Где:

 

 Вт

 

Найдем:

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

 

 = 27,6 Вт

 

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

 

 = 56,6 Вт

 

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

 

 = 46,62 Вт

Определим объём реактора.

Объем реактора СФ зависит от его индукции L и постоянной составляющей протекающего через его обмотку тока I₀

_р=861 × L ^0,75 (Гн) × I ₀^1,5 (А) см³

 

) Для первого варианта проектируемого ВУ:

_р=861 × 0,0287^0,75 × 20^1,5 = 5367,61 см³

 

) Для второго варианта проектируемого ВУ:

_р=861 × 0,0191^0,75 × 20^1,5 = 3956,62 см³

 

) Для третьего варианта проектируемого ВУ:

_р=861 × 0,00955^0,75 × 20^1,5 = 2352,62 см³

Задача № 2

 

Расчет характеристик инвертора и выбор компонентов его принципиальной схемы.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Действующее значение прямоугольного переменного напряжения U _пер = 15 В

Действующее значение тока нагрузки I_H = 1,33 А

Напряжение источника постоянного тока U _пс = 60 В

Мощность источника постоянного тока Р _nc =27 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

U_{кэ нас -} напряжение насыщения коллектор - эмиттер коммутирующего

транзистора инвертора.

U_{к 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 U _{к макс}. Мощность источника постоянного напряжения должна быть не меньше, чем отношение мощности, которая потребляется нагрузкой, к КПД инвертора (h).

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.

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 I_{к нас -} постоянный ток коллектора в режиме насыщения.

h_{21э мин -} минимальное значение статического коэффициента передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером.

 

 Ом

 

Выберем из стандартного ряда резистор R₂ = 120 Ом

Соответственно величина сопротивления второго резистора:

 

Ом

 

Выбираем из стандартного ряда R ₁ = 7,5 кОм

Величина ёмкости С конденсатора, шунтирующего резистор R ₁ 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 = 10 кГц.

 

 

Выбираем из стандартного ряда С = 0,47 мкФ.

Напряжение обратной связи.

Рисунок 3

 

Для расчета величины напряжения обратной связи U _ос, обеспечивающей режимы насыщения и отсечки транзисторов, определяем по справочнику максимальное напряжение насыщения база-эмиттер U _бэнас, значение которого должно быть обеспечено выбором величины U _ос и U _cм. При этом должно выполняться условие U _ос > U _см (см. рисунок 3).

 

Как правило, U _ос = (3 ¸ 5) В. Тогда U _{бэ нас} = U _ос + U _см

Примем U_ос = 3В тогда U_бэнас = 3+1 = 4 В

 

Величина напряжения U_ос (ЭДС полуобмотки обратной связи) так относится к напряжению U_пс (ЭДС на первичной обмотке трансформатора) как, примерно

 

 

Для расчета используется соотношение:

 

 

Литература

 

1. Жарненко А.С., Виноградов П.Ю., и др. / Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: методические указания и контрольная работа для студентов - заочников, обучающихся по программе бакалавров. / СПб ГУТ 2012

2. Найвельт Г.С., Мазель К.Б. и др. под редакцией Найвельт Г. С/ Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры / М: Радио и связь, 1986

.   Китаев Е.В. и др. / Расчет источников электропитание устройств связи: Учебное пособие для вузов / М: Радио и связь, 1993

.   Бородин Б.А., Кондратьев Б.В. и др. под ред. Голомедова А.В. / Справочник: Мощные полупроводниковые приборы: Диоды/ М: Радио и связь, 1985

.   Бородин Б.А., Ломакин В.М. и др. под ред. Голомедова А.В. / Справочник: Мощные полупроводниковые приборы: Транзисторы/ М: Радио и связь, 1985.

Содержание

Задача № 1

Задача № 2

Литература

Задача № 1

 

Выбор оптимального варианта структурной схемы ВУ, используемого в составе зарядового устройства аккумуляторов.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

1. число фаз питающей сети - 1 и 3

. частота сети, Гц - 50

. напряжение сети, В - 380/220

. форма питающего напряжения - синусоидальная

. выходное напряжение, В - 120

. ток нагрузки, А - 20

. коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке, - нет

. КПД, не менее > 0,75

РЕШЕНИЕ:

Варианты трансформаторов, которые отличаются числом фаз и материалом сердечника, схем выпрямления и сглаживающих фильтров, приведены в таблице 1.

 

Таблица 1

Трансформаторы			Схемы выпрямления	Сглаживающий фильтр
Число фаз сердечника	Тип	Материал сердечника
Однофазный	ОЛ	Холоднокатаная сталь	Однотактная 2ф	Емкостной
Однофазный	ПЛ	Холоднокатаная сталь	Однотактная 3ф	Индуктивный
Однофазный	ШЛ	Пермаллой	Двухтактная 1ф	Однозвенный, LC
Трехфазный	ЕЛ	Ферриты	Двухтактная 3ф	Двухзвенный, LC

 

2. К проектируемому ВУ предъявляются следующие требования:

При условии обеспечения заданного допустимого значения коэффициента пульсаций К_п и снижения стоимости требуется выбрать вариант ВУ с минимальными потерями мощности и минимальными габаритами.

Для оценки степени выполнения требования о снижении потерь мощности в элементах ВУ рекомендуется выбирать характеристику:

 

 

где P _п - сумма потерь мощности в отдельных элементах ВУ,

P _nmax - м аксимально допустимые потери мощности ВУ.

А для оценки степени выполнения требования о снижении габаритов - характеристику:

 

 

где V - сумма объемов конструктивных элементов ВУ,

V _m - м аксимально допустимый объем ВУ.

Далее составим морфологическую матрицу.

Включим в эту матрицу только допустимые элементы, чтобы с ее помощью сформировать множество допустимых вариантов структур проектируемого ВУ.

Структурные ограничения, накладываемые на тип и материал сердечника трансформатора, а также на типы схем выпрямления и типы СФ, приведенные в таблице 1, учитывают условия работы ВУ:

.   Из четырех схем приведенных в таблице 1, оставим только однотактную 3ф, двухтактную 3ф и двухтактную 1ф.

2. При однофазной питающей сети отбраковываются сердечники ШЛ, если мощность нагрузки более 0,5 кВт (у нас Р_н = 120∙20 = 2400 Вт), т.к. у него плохие условия теплообмена обмоток трансформатора с окружающей средой.

.   При частоте питающей сети 50 Гц отбраковываются сердечники ОЛ из-за высокой стоимости.

.   Материал сердечника отбраковывается в зависимости от частоты f. Потери в стали имеют две составляющие - потери от вихревых токов и потери, связанные с перемагничиванием, которые пропорциональны частоте перемагничивания f и работе, затрачиваемой на один цикл перенамагничивания, пропорциональной площади под кривой перенамагничивания S (H, В):

Рпер ≈ f ∙S (H,B).

 

При f = 50 Гц, отбраковываются пермаллой и ферриты из-за высокой стоимости.

.   При наложении ограничений на СФ необходимо учитывать, что при большом токе нагрузке малоэффективны емкостные фильтры. Аккумуляторная батарея имеет малое сопротивление для переменного тока, что позволяет ей самой сглаживать пульсации и заменять емкостной фильтр. Здесь емкостной фильтр заменяется на индуктивный.

На основе полученных данных составим морфологическую матрицу:

 

Таблица 2

Функциональные элементы	1	2	3
Схема выпрямления	двухтактная 1ф	однотактная 3ф	двухтактная 3ф
Тип сердечника трансформатора	ПЛ	ЕЛ	ЕЛ
Материал сердечника	холоднокатаная сталь
Сглаживающий фильтр	индуктивный

 

Из таблицы видим, что получилось три варианта схемы.

1 вариант: двухтактная 1ф; ПЛ; холоднокатаная сталь; индуктивный фильтр.

2 вариант: однотактная 3ф; ЕЛ; холоднокатаная сталь; индуктивный фильтр.

3 вариант: двухтактная 3ф; ЕЛ; холоднокатаная сталь; индуктивный фильтр.

4. Рассчитаем численные значения ПК (показатели качества) для каждого из вариантов.