Вариант 6

Электропитание устройств связи

Задача 1

Начертите схему выпрямителя, указанного для Вашего варианта в таблице 1 и с помощью временных диаграмм поясните принцип ее работы.

Рассчитайте заданный выпрямитель по следующим пунктам:

1. Выберите тип кремниевых диодов.

2. Определите действующие значения напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора.

3. Определите коэффициент трансформации силового трансформатора.

4. Определите коэффициент полезного действия (КПД) выпрямителя.

5. определите коэффициент пульсации К_п1 и частоту пульсации f₁ основной (первой) гармоники.

Данные для расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1

№ варианта	Выпрямленное напряжение U0, В	Выпрямленный ток I0, А	Схема выпрямления	Напряжение сети Uc, В	Частота сети fc, Гц	Коэффициент пульсации первой гармоники на нагрузке (на выходе фильтра) Кпвых
6	60	24	Трехфазная однополупериодная (схема Миткевича), соединение обмоток трансформатора: λ-λ	380	50	0,001

Таблица 2

Схема выпрямления	Обр. напряжение на диоде Uобр	Ср. значение прямого тока через диод Iср	Фазность выпрямителя m	Действующее знач-е напряжения вторичной обмотки трансформатора U2	Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора I2	Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора I1	Расчетная мощность трансформатора, Pтр
Трехфазная однополупериодная (λ-λ)	2,1U0	0.33I0	3	0.855U0	0.58I0		1.34P0

1. Для электрического питания аппаратуры связи наибольшее распространение получили преобразователи переменного тока в постоянный, которые называются выпрямителями, и постоянного тока в переменный, называемые инверторами. Различные сочетания основных видов преобразователей лежат в основе современных средств электропитания.

Принцип действия выпрямителя основан на обеспечении подключения к источнику нагрузки таким образом, чтобы в ней протекал ток одного направления. Выпрямленным током называют ток, протекающий в нагрузке выпрямителя от «+» его зажима к «-». Выпрямленным напряжением называют напряжение на выходе выпрямителя. Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянные и переменную составляющие.

На рис. 1 представим схему выпрямителя, указанного в таблице 1.

Рис. 1. Схема Миткевича трехфазная однополупериодная для выпрямления тока.

Трехфазная однополупериодная схема состоит из трехфазного трансформатора с выводом нулевой точки и трех диодов. Первичные обмотки трансформатора можно соединять звездой или треугольником, вторичные соединяются только звездой с выводом нулевой точки. Нагрузка R_н включается между точкой соединения диодов и нулевым выводом.

Рис. 2. Временная диаграмма работы трехфазного выпрямителя

Объясним принцип работы трехфазного однополупериодного выпрямителя на примере однофазного однополупериодного выпрямителя, т.к. его схема является наиболее простой. Первичная обмотка трансформатора включается в сеть переменного синусоидального тока, а ко вторичной обмотке через вентиль VD подключается нагрузка R_н. Во время положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора потенциал анода диода VD положительный. Сопротивление диода на этот период равно нулю. Так как сопротивление диода и трансформатора принимаем равным нулю, то падение напряжения на этих элементах во время положительного полупериода отсутствует, и форма напряжения на нагрузке повторяет форму напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора (кривая U₂).

Во время отрицательного полупериода напряжения на вторичной обмотке потенциал анода диода отрицательный, сопротивление диода бесконечно велико, диод закрывается и ток в цепи вторичной обмотки не протекает. Напряжение на нагрузке равно нулю. И все напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора оказывается приложенным к электродам диода. Это и есть наибольшее значение обратного напряжения на вентиле U_обр.

Таким образом, в цепи вторичной обмотки трансформатора протекает ток в виде периодической последовательности импульсов, т.е. пульсирующий ток. Пульсирующий выпрямленный ток можно рассматривать как сумму постоянной составляющей и бесконечного числа гармонических составляющих с разными амплитудами и частотами.

Такая схема является сочетанием трех однополупериодных выпрямителей, питающихся тремя симметричными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 120˚ и работающих на одну общую нагрузку.

2. Рассчитаем заданный выпрямитель.

Выберем тип кремниевого диода. Для этого определим обратное напряжение на диоде.

, где U₀ – выпрямленное напряжение, В

И средний прямой ток через диод:

, где I₀ – выпрямленный ток, А

В соответствии с рассчитанными показателями тип кремниевого диода В10.

Определим действующие значения напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора.

3. Определим коэффициент трансформации силового трансформатора по формуле: , где U₁ – действующее значение фазного напряжения в первичной обмотке трансформатора. U₁ принимаем равным U_c (таблица 1). Таким образом, U₁=U_c=380В.

U₂ – действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора.

4. Определим коэффициент полезного действия (КПД) выпрямителя.

Предварительно определим потери мощности в элементах схемы.

а) Найдем потери мощности в трансформаторе ΔP_тр, Вт:

, где

P_тр – расчетная мощность трансформатора

η_тр – КПД трансформатора принимаем равным 0,85.

б) Потери мощности в диодах ΔP_д, Вт. Для трехфазной однополупериодной схемы выпрямления потери мощности в диодах рассчитывается по формуле, Вт:

, где U_пр.ср. – допустимое прямое напряжение на выбранном диоде. U_пр.ср.=1.35В

в) КПД выпрямителя без учета сглаживающего фильтра и стабилизатора напряжения определим по формуле:

, где

P₀=I₀*U₀ – активная мощность на нагрузке, Вт;

ΔP_д – потери мощности на диодах, Вт;

ΔP_тр – потери мощности на трансформаторе.

5. Определим коэффициент пульсации К_п1 и частоту пульсации f₁ основной (первой) гармоники по формулам:

,

где m – фазность выпрямителя m=3 (таблица 2);

f_c – частота сети f_c=50Гц (таблица 1).

Коэффициент пульсации первой гармоники на выходе выпрямителя рассчитывается по формуле:

Задача 2

Рассчитайте сглаживающий Г-образный LC-фильтр, включенный после выпрямителя по следующим пунктам:

1. Определите коэффициент сглаживания q.

2. Определите элементы L и C сглаживающего фильтра.

3. Начертите схему рассчитанного Г-образного LC-фильтра, учитывая количество звеньев в фильтре.

Данные для расчета приведены в таблице 1.

Сглаживающим фильтром выпрямителя называется устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Простейшие фильтры L и С не могут обеспечить достаточно больших коэффициентов сглаживания. Поэтому на практике применяются сглаживающие фильтры, содержащие оба эти элемента – индуктивность L и емкость С.

Рассчитаем сглаживающий Г-образный LC-фильтр, включенный после выпрямителя.

1. Определим коэффициент сглаживания:

, где

К_п1 – коэффициент пульсации первой гармоники на входе фильтра (на выходе выпрямителя);

К_п.вых – коэффициент пульсации первой гармоники на выходе фильтра на нагрузке.

Так как g=250>25, применяем двухзвенный LC-фильтр. Поскольку использование однотипных деталей более экономично, чем разнотипных, то в обоих звеньях двухзвенного фильтра включаются одинаковые элементы L и С. В этом случае коэффициент сглаживания каждого звена определяется по формуле:

2. Одним из условий выбора индуктивности дросселя фильтра является обеспечение индуктивной реакции фильтра на выпрямитель.

Минимально допустимое значение индуктивности дросселя, удовлетворяющее этому условию, определяется по формуле, Гн:

Определив значение минимальной индуктивности, рассчитаем значение емкости фильтра по формуле, мкФ:

Выберем номинальную емкость конденсатора, исходя из рассчитанного значения емкости С=14367,5мкФ и номинального напряжения конденсатора U_ном, величина которого должна быть: . В соответствии с полученными данными тип конденсатора – К 50-18 с параметрами U_ном=80В, С_ном=15000мкФ.

3. На рисунке 3 изобразим схему рассчитанного Г-образного LC-фильтра.

Рис. 3 Схема рассчитанного Г-образного LC-фильтра

Задача 3

Таблица 3

№ варианта	Ток, потребляемы аппаратурой IАП, А	Мощность аварийного освещения Рав.осв, кВт	Расчетное время разряда одной группы аккумуляторной батареи tр, ч	Конечное разрядное напряжение одного аккумулятора Uкр, В	Напряжение сети трехфазного переменного тока Uc, В
6	350	1,35	0,5	0,75	380

Рассчитайте электропитающую установку ЭПУ-60 по следующим пунктам:

1. Рассчитайте ток аварийного разряда аккумуляторной батареи 60В, состоящей из свинцово-кислотных необслуживаемых в течение всего срока службы аккумуляторов серии OPzV.

2. Определите тип и количество аккумуляторов в батарее. Расшифруйте условное обозначение выбранных аккумуляторов. Рассчитайте тип пластин выбранного аккумулятора.

3. Выберите тип и количество выпрямительных устройств типа ВУТ для ЭПУ-60.

4. Рассчитайте энергетические параметры выпрямительно-аккумуляторной установки.

Данные для расчета приведены в таблице 3.

1. Расчет тока аварийного разряда аккумуляторной батареи – 60В при отсутствии напряжения сети переменного тока производится по формулам, А:

, где

- ток, потребляемый аппаратурой, А;

- ток аварийного освещения, А.

, где Р_АВ.ОСВ. – мощность аварийного освещения.

2. Выберем тип аккумулятора:

60PzV600

В этом коде названия аккумулятора первое число соответствует количеству 60 положительных пластин (электродов), буквенное обозначение расшифровывается как «стационарные необслуживаемые аккумуляторы с трубчатыми положительными пластинами», последнее число показывает номинальную емкость аккумулятора в А·ч. Тип пластины рассчитывается по формуле:

Количество элементов в аккумуляторной батарее определяется по формуле:

, где

U_min – наименьшее допустимое напряжение на входе питаемого оборудования, равное 58В

ΔU_пр – допустимые потери напряжения в токораспределительной проводке и коммутационно-защитной аппаратуре, равные 2,4В.

U_кр – конечное разрядное напряжение одного аккумулятора U_кр=1,75В.

В типовых схемах автоматизированных ЭПУ батареи секционируются, т.е. делятся на основные и дополнительные элементы.

Количество элементов в основной группе аккумуляторной батареи определяется по формуле:

, где

U_max – наибольшее допустимое напряжение на зажимах питаемой аппаратуры, принимаем равным 66В;

U_НП – напряжение на одном элементе аккумуляторной батареи в режиме непрерывного подзаряда, равное 2,25В.

Количество элементов в дополнительной группе аккумуляторной батареи определяется по формуле:

3. Выберем тип и количество выпрямительных устройств типа ВУТ для ЭПУ-60.

Выпрямительное устройство на тиристорах (ВУТ) предназначено для питания аппаратуры связи и заряда аккумуляторных батарей.

По нормам технологического проектирования число рабочих выпрямительных устройств (ВУТ), работающих параллельно в буферной электропитающей установке, не должно превышать четырех.

Для ЭПУ-60 выберем ВУТ с максимальным выпрямленным напряжением 67В, исходя из условия:

, следовательно , где

К_ВУ – число параллельно включенных ВУТ, входящих в рабочий комплект.

I₀ – максимальный выпрямленный ток одного ВУТ, А.

I_АП – ток, потребляемый аппаратурой.

При этом следует выбирать ВУТ с меньшими значениями тока I₀, предусматривая их параллельную работу, не более четырех в параллель. Только в том случае, когда четыре параллельно включенных ВУТ не обеспечивают требуемую величину тока нагрузки, нужно переходить на следующий тип выпрямительного устройства с большим значением выпрямительного тока.

Для определения подходящего условиям типа ВУТ рассмотрим выпрямительные устройства с максимальным выпрямленным напряжением, равным 67В.

а) ВУТ 67/60.

При заданных I_АП=350А, I₀=60A условие не выполняется, т.к. при максимальном

К_ВУ=4 4<5,8

б) ВУТ 67/125.

При заданных I_АП=350А, I₀=125A условие выполняется, т.к. при максимальном К_ВУ=4 4>2,8.

Из вышеприведенных расчетов получаем, что система автоматики позволяет равномерно делить нагрузку между тремя выпрямителями и включать резервный выпрямитель вместо любого поврежденного.

Для выбранного типа ВУТ 67/125 КПД составляет η=0,85; коэффициент мощности cosφ=0,7.

4. Расчет энергетических параметров выпрямительно-аккумуляторной установки.

4.1 Активная мощность, потребляемая установкой от сети, с учетом КПД выбранного типа выпрямительного устройства, рассчитывается по формуле

где Рн – мощность, потребляемая аппаратурой при наличии сети переменного тока

4.2 Полная мощность, потребляемая установкой от сети переменного тока, рассчитывается по формуле, ВА

где - коэффициент мощности выбранного типа ВУТ

переводим Р с кВт в Вт

ВА

4,3 Ток, потребляемый выпрямительно-аккумуляторной установкой от сети, рассчитывается по формуле,А

где Uл – линейное напряжение сети,В

для расчетов принимают Uл = Uс (таблица 3)

А

По рассчитанному значению тока I = 53,6А выбираем щит переменного тока в

ЭПУ – 60В – ЩПТА 4/200 (на ток 200А)

Ответ:

Тип аккумулятора:

Выпрямитеное устройство: ВУТ 67/125

(получаем 3 основных ВУТ 67/125 и один резервный ВУТ 67/125)

(ВУТ67/125)

- коэффициент мощности ВУТ 67/125

ЩПТА 4/200 – щит переменного тока