А.А. Шадрин
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
Методические указания по выполнению практических работ
для студентов очной формы обучения
на базе среднего (полного) общего образования,
обучающихся по направлению подготовки бакалавра
11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профиль «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи»),
программа академического бакалавриата,
соответствии с ФГОС ВО 3 поколения.
Екатеринбург
ББК 32.88-42
УДК 621.391
Рецензент: доцент, канд. физ-мат. наук Куанышев В.Т.
Шадрин А.А.
Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Методические указания по выполнению практических работ / А.А. Шадрин – Екатеринбург: УрТИСИ СибГУТИ, 2016. – 26с.
Методические указания по выполнению практических работ по дисциплине «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» предназначены для студентов очной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования, обучающихся по направлению подготовки бакалавра 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профиль «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи»).
Методические указания содержат задания для выполнения практических работ в соответствии с рабочей программой дисциплины, перечень вопросов к зачету по дисциплине, список рекомендуемых источников.
Рекомендовано НМС УрТИСИ СибГУТИ в качестве методических указаний по выполнению практических работ по дисциплине «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» для студентов очной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования, обучающихся по направлению подготовки бакалавра 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профиль «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи»).
ББК 32.88-42
УДК 621.391
©Кафедра общепрофессиональных дисциплин
технических специальностей
© УрТИСИ СибГУТИ, 2016
СОДЕРЖАНИЕ
| Пояснительная записка | |
| Практическая работа 1 | |
| Практическая работа 2 | |
| Практическая работа 3 | |
| Практическая работа 4 | |
| Приложение А | |
| Приложение Б |
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Методические указания к выполнению практических работ составлены в соответствии с утвержденной программой дисциплины «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» предназначены для студентов очной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования, обучающихся по направлению подготовки бакалавра 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профиль «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи»).
Проведение практических работ предусмотрено для расширения и закрепления знаний по теоретическому курсу.
Выполнение работ необходимо проводить с пояснениями, расчетами и выводами. На каждую практическую работу оформляется отчет.
На проведение практических работ в соответствии с программой отводится 16 часов.
Количество часов на выполнение каждой работы, а также ее тема, указаны в таблице 1.
Таблица 1 - Перечень практических работ
| № | Перечень практической работы | Кол-во часов |
| Расчёт параметров однофазного выпрямителя | ||
| Расчет сглаживающего фильтра | ||
| Расчёт электропитающей установки | ||
| Изучение коммутационно – распределительной аппаратуры переменного тока | ||
| Итого: |
ПРАКТИЧеСКАЯ РАБОТА 1
Расчет параметров однофазного выпрямителя
1. Цель работы:
1.1Ознакомиться с методикой расчета однофазного выпрямителя.
1.2Научиться обосновывать схемотехнические решения при проектировании источников электропитания.
1.3Научиться пользоваться справочной литературой.
2.Литература:
1. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М. Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.: Горячая линия – Телеком, 2011. – 384с.: ил
2. Электроснабжение: учебник для вузов / Е.А. Конюхова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2014. – 510с.
3. Подготовка к работе:
3.1Повторить материал по темам: «Трансформаторы», «Неуправляемые выпрямительные устройства».
4.Порядок выполнения:
4.1 Выбор исходных данных в соответствии с вариантом, указанным преподавателем.
4.2 Обоснование выбранной схемы выпрямления и типа вентилей.
4.3 Выбор типа магнитопровода трансформатора.
4.4 Расчет параметров трансформатора.
5.Содержание отчета:
5.1 Название и цель работы.
5.2 Задание в соответствии с вариантом.
5.3 Расчет выпрямителя в соответствии с пунктами 4.1-4.4 с обязательным указанием параметров и расчетных формул.
6.Задание для расчета:
6.1 Решение задачи состоит в расчете выпрямительного устройства, которое питается от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц. Исходными данными для расчетов являются напряжение U Hи ток I Н нагрузки, а также коэффициент пульсации по первой гармонике на нагрузке К п. Численные значения исходных данных по каждому из 100 возможных вариантов приведены в таблицах 1 и 2. Номер варианта задания, выполняемого студентом, определяется преподавателем.
Таблица 1.1
| Первая цифравариантазадания | б | |||||||||
| Uh,В |
Таблица 1.2
| Вторая цифра варианта задания | ||||||||||
| In, А | ||||||||||
| Кп, % |
7 Методические указания:
Схемы выпрямления для однофазных сетей переменного тока представлены на рисунке 1. Выбор конкретной схемы основывается на анализе исходных данных и максимально допустимых параметров вентилей, выпускаемых промышленностью. При мощности в нагрузке меньше 1 кВт могут быть использованы обе схемы. Мостовую схему (рисунок 1.1) нецелесообразно применять при U Н<10В, так как в этом случае падение напряжения на двух последовательно соединенных диодах соизмеримо с напряжением на нагрузке. При необходимости получения на нагрузке больших величин напряжения мостовая схема может быть предпочтительнее однотактной двухполуперйодной схемы выпрямления (рисунок 1а), так как в ней требуются вентили с меньшим максимально допустимым обратным напряжением. Кроме того, для мостовой схемы нужен трансформатор с меньшей габаритной мощностью.
Рисунок 1.1 - Схемы выпрямления
В качестве вентилей выбираются выпрямительные диоды или диодные сборки, у которых допустимый средний прямой ток не меньше, чем 0,5 I Н:
1 ПР СР >0,5 I Н
Если в справочнике не указано значение 1 ПР СР то, вместо него можно использовать средний выпрямленный ток 1 ВП СР - Кроме того, максимально допустимое постоянное обратное напряжение на диодах U ОБРmaxдолжнопревышать обратное напряжение, под которым диоды оказываются в схеме выпрямления.
U ОБР> 1,2π для схемы рисунка 1а,
U ОБР> 1,2π/2 для схемы рисунка 16.
Для выбора вентилей использовать приложение А.
Расчет трансформатора
По приведенной здесь методике может быть проведен приближенный расчет трансформатора выпрямительного устройств при индуктивном характере нагрузке.
Расчет начинается с определения мощности в нагрузке
Р Н = IН*UН,,Вт (1.1)
Затем определяется типовая мощность трансформатора по формуле (таблица 3) с учетом выбранной схемы выпрямления. По рассчитанному значению Srвыбирают конструкцию и тип магнитопровода из приложения Б. При выборе следует руководиться следующими соображениями.
На мощностях до нескольких десятков вольт-ампер рекомендуется отдавать предпочтение броневым магнитопроводам, так как уступая стержневым по массогабаритным показателям, они более технологичны в изготовлении.
На мощностях от нескольких десятков до нескольких сотен вольт-ампер рекомендуется использовать стержневые ленточные магнитопроводы.
По таблице 4 определяют амплитуду магнитной индукции В М, плотность тока первичной обмотки σ1и падение напряжения на обмотках трансформатора Δ U 1 и Δ U 2.
Затем по формулам из таблицы 3 рассчитывают действующее значение напряжения и действующее значение тока вторичной обмотки. Далее определяют коэффициент трансформации К ТР и действующее значение тока первичной обмотки I 1:
К ТР = U 1/ U 2,В (1.2)
1 1 = 1 Н/ К ТР, А (1.3)
Таблица 1.3
| Параметры трансформатора | Схема выпрямления | |
| Однофазная 2-х полупериодная | Однофазная мостовая | |
| Действующее значение напряжения вторичной обмотки, U 2 | 1,2UH | 1,2UH |
| Действующие значение тока вторичной обмотки, 1 2 | 0,707* 1 Н | 1 Н |
| Типовая мощность трансформатора, S Т | 1,44* Р Н | 1,2* Р Н |
| Число фаз вторичной обмотки, п 20 | ||
| Отношение активной мощности вторичной обмотки трансформатора к полной мощности первичной обмотки, ξ | 1,41 |
Таблица 1.4
| Конструкция магнитопровода, марка стали и толщина ленты | Параметры трансформатора | ST, В А | ||||
| 5-15 | 15-50 | 50-150 | 150- 300 | 300- 1000 | ||
| Броневая ленточная 3411, Δ=0,35 мм | В М, Тл | 1,55 | 1,65 | 1,65 | 1,65 | 1,65 |
| σ1, А/мм2 | 3,8-3,5 | 3,5-2.7 | 2,7-2,4 | 2,4-2,3 | 2,3-1,8 | |
| Δ U 1 ,% | 20-13 | 13-6 | 6-4,5 | 4,5-3 | 3-1 | |
| Δ U 2., % | 25-18 | 18-10 | 10-8 | 8-6 | 6-2 | |
| Стержневая ленточная 3411, Л-0,35 мм | В М, Тл | 1,55 | 1.6 | 1,7 | 1,7 | 1,7 |
| σ1,А/мм: | 5,2 | 5,2-3,8 | 3,8-3 | 3-2,4 | 2,4-1,7 | |
| Δ U 1 ,% | 18-12 | 12-5,5 | 5,5-4 | 4-3 | 3-1 | |
| Δ U 2., % | 33-17 | 17-9 | 9-6 | 6-4 | 4-2 |
На следующем этапе расчета определяются потери в стали магнитопровода по формуле:
Р СТ = ρ* G CT, Вт (1.4)
где G СТ— масса выбранного магнитопровода; ρ - удельные потери в стали.
Величина магнитных потерь зависит от амплитуды магнитной индукции, сорта и толщины стального листа. Значение ρ может быть приближенно определено по формуле:
ρ = ρ0* В М,β Вт/кг (1.5)
Входящие в формулу коэффициенты ρ0 и ρ зависят от материала магнитопровода и частоты питающего напряжения. Для стали 3411 с толщиной ленты D =0,35 мм на частоте 50 Гц ρ0=1,8, β= 2. Единицы измерения В М в формуле (5) - Тесла.
После этого определяется реактивная намагничивающая мощность Qпо формуле:
Q = q0 * G СТ, ВА (1.6)
где q0 - удельная намагничивающая мощность.
Удельная намагничивающая мощность зависит от материала магнитопровода, частоты питающего напряжения и амплитуды магнитной индукции. Для стали 3411 с толщиной ленты 0,35 мм на частоте 50 Гц q0 может быть приближенно рассчитано по формуле:
q0= -6,4* В М* L 0*(1- В М)/1,ВА/кг. (1.7)
где L o-средняя длина магнитной силовой линии в метрах из приложения Б. По найденным величинам Р СТ и Q можно определить активную и реактивную составляющие тока холостого хода трансформатора 1 0:
I ОА = Р СТ/ U 1,А (1.8)
I ОР = Q / U 1,А (1.9)
Полный ток холостого тока равен:
| (1.10) |
(1.10)
Относительная величина тока холостого тока равна:
Δ I О=100* I О/ I 1 %
На следующем этапе рассчитывается число витков обмоток трансформатора. Для этого вначале определяют ЭДС первичной и вторичной обмоток Е 1 и Е 2:
E 1= U 1*(1-Δ U 1), В (1.11)
E 2= U 2*(1+Δ U 2), В (1.12)
где Δ U 1 и Δ U 2- падения напряжения на обмотках трансформатора в относительных единицах (приведенные в таблице 4, выражены в процентах).
Число витков i-й обмотки (i=lили 2) равно:
| (1.13) |
где Е n - ЭДС соответствующей обмотки;
f c=50 Гц - частота питающей сети;
S СТ - площадь поперечного сечения стержня магнитопровода, см2;
К с-0,93 - коэффициент заполнения сечения магнитопровода статью (значение приведено для магнитопроводов с толщиной ленты 0,35 мм).
Проводится выбор обмоточных проводов. С этой целью рассчитывается поперечное сечение проводов первичной и вторичной обмоток S ПР 1 и S ПР 2:
S ПР 1= I 1 /σ1 (1.14)
S ПР 2 = I 2 /σ1*ςОПТ (1.15)
где σ1— рекомендуемая плотность тока первичной обмотки (таблица 4);
ςОПТ=0,7-0,8.
По найденным значения S ПР 1и S ПР2из приложения В находят марку и диаметр проводов для каждой обмотки.
Затем определяют примерные значения активного и реактивного сопротивлений обмоток трансформатора и его индуктивность рассеяния:
| (1.16) |
где g =1,48 Ом*см — для броневых магнитопроводов;
g=0,44Ом*см -для стержневых магнитопроводов;
t=0,79ξ- для броневых магнитопроводов;
t= 1,1ξ; - для стержневых магнитопроводов;
а - базовый линейный размер магнитопровода (в сантиметрах) из приложения Б
Индуктивность рассеяния трансформатора можно оценить по формулам
L S= X s/2π f c, Гн; X s= r tgφ, Ом (1.17)
где r - сопротивление фазы выпрямителя с учетом сопротивлений обмоток трансформатора и вентилей схемы выпрямления,
r= (1+ Kr) r тр, Ом
где Kr =0,25 для германиевых вентилей и Kr =0,5 для кремниевых вентилей;
| (1.18) |
Значение коэффициента g приведены в таблице 5 в функции от размера магнитопровода а.
Таблица 1.5
| Магнитопровод | Значения а, см | ||||
| 0,5 | 1,0 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | |
| Броневой | 0,682 | 0,160 | 0,034 | 0.013 | 0,007 |
| Стержневой | 1,04- 2,16 | 0,235- 0,454 | 0,056- 0,104 | 0,024-0,046 | 0,013- 0,025 |
ПРАКТИЧЕСКАЯРАБОТА 2