Разработка системы электропитания на основе импульсного преобразователя напряжения

Федеральное государственное  автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Институт космических  и информационных технологий

 

Кафедра «Системы автоматики, автоматизированное управление

и проектирование»

 

 

 

 

УТВЕРЖДАЮ                     

Заведующий кафедрой

_____  _____________

 подпись    инициалы, фамилия

« _____»   _______  20 ___ г.

 

                                               КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине

 

«Основы электротехники и электроники»

 

 

 

Разработка системы  электропитания

на основе импульсного  преобразователя напряжения

 

Пояснительная записка

 

 

 

 

Студент,      КИ09-03       __________________    Д.А. Кузьменко

номер группы          подпись, дата                    инициалы, фамилия

Преподаватель              __________________    Ю.В. Краснобаев

                             подпись, дата                     инициалы, фамилия

 

 

Красноярск 2012

                                                        СОДЕРЖАНИЕ

 

1 Задание на курсовое  проектирование……………………………………………3 

2 Цели и задачи курсового  проектирования……………………………………….4

3 Выбор структурной схемы  системы электропитания (СЭП)…………………...5

4 Выбор марки кабеля  и расчет параметров кабельной  сети……………………..6

5 Расчет минимального  и максимального напряжения на  входе ИСН…………..7

6 Расчет величины индуктивности  и выбор дросселя входного 

LC – фильтра………………………………………………………………………..8

7 Выбор типономинала конденсатора и расчет их количества в батарее

выходного фильтра ИСН…………………………………………………………..10

8 Выбор типономинала конденсатора и расчет их количества в батарее

входного фильтра ИСН…………………………………………………………….12

9 Расчет силового ключа  ИСН…………………………………………………….14

10 Структура схемы управления  ИСН……………………………………………18

11 Литература………………………………………………………………………19 

1.  ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ  ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 

Задание

Разработать систему электропитания на основе импульсного преобразователя  напряжения (ИПН)

 

Исходные  данные

 

Параметры источника  энергии постоянного тока

 

1. ЕДС источника энергии и диапазон ее измерения (в % от значения Е)

    =

2. Внутреннее активное сопротивление источника энергии и диапазон его измерения (в % от значения ):   .
3. Длина кабельной сети:   .

 

Выходные  параметры

 

1. Напряжение на выходе и диапазон его изменения(в % от значения )

.

2. Амплитуда переменной, составляющей напряжение на выходе (в % от значения ) : .
3. Максимальная мощность нагрузки, подключаемой к выходу

. 

4. Минимальная мощность нагрузки, подключаемой к выходу

.

 

Внешние условия 

 

Температура окружающей среды  :  t = -25 … +40

 

Особые требования  

 

Проектирование вести  из условия обеспечения минимума массы и габаритов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО  ПРОЕКТИРОВАНИЯ

 

8

Целью курсового проектирования является разработка системы электропитания на основе импульсного преобразователя  напряжения (ИПН). Развитие таких преобразователей было обусловлено необходимостью повышения  КПД, уменьшения массы и объема систем электропитания. ИПН сочетаются с  различными типами первичных источников энергии: солнечными и аккумуляторными  батареями, топливными элементами, дизель-генераторными  установками и являются составной  частью большинства систем бесперебойного электроснабжения. ИПН, работающие с  частотами переключения от десятков до сотен килогерц, являются основой  построения большинства источников вторичного электропитания для ЭВМ  и систем связи.  В ходе выполнения курсового проектирования находят  практическое применение теоретические  знания, полученные при изучении курса  “Электроника и микросхемотехника”, изучаются принципы построения, расчета и выбора элементов и функциональных узлов, разработки структурных, принципиальных схем, а также приобретаются навыки по использованию специальной и справочной литературы.

Структура систем электропитания с ИПН делится на непрерывную  и импульсную части. В непрерывную  часть входят силовой LC-фильтр, цепь отрицательной обратной связи, активные и пассивные частотно-зависимые цепи, трансформаторы. Исследование этих элементов и функциональных узлов и расчет их параметров проводится  с учетом воздействия на них последовательности импульсов, формируемых силовым ключом. В импульсную часть входят элементы и функциональные узлы, обеспечивающие как процесс импульсного преобразования энергии, так и процесс формирования управляющего сигнала. Элементный состав этих функциональных узлов довольно разнороден. Расчет параметров и выбор элементов проводится с учетом внешних воздействий исходя из выполнения задания на курсовое проектирование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ  СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ (СЭП)

 

Структура системы электропитания в основном определяется требованиями ТЗ, а именно: видом и характеристиками первичного источника энергии, количеством  выходов для подключения нагрузки, потребляемой мощностью и качеством  напряжения на каждом выходе. Кроме  того, на структуру СЭП влияют условия  окружающей среды, а также требования по ТЗ по простоте и технологичности  конструкции СЭП.

Согласно исходным данным количество выходов СЭП для подключения  нагрузки равно одному, следовательно, выбираем СЭП, в состав которой входят:

1. первичный источник энергии постоянного тока (ИП)
2. кабельная сеть (КС)
3. входной фильтр (Ф_вх)
4. импульсный стабилизатор напряжения (ИСН)

Общий вид структурной  схемы системы электропитания приведен на рис. 1.

 

Рисунок 1 – Структурная  схема системы электропитания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ВЫБОР МАРКИ КАБЕЛЯ  И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ

КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ

 

Ориентировочный максимальный ток:

 

 

 

 

где h_ориент = 0.8 - 0.9 - ориентировочный КПД для СЭП с источником постоянного тока

P_н.max – максимальная мощность нагрузки

E_min – минимальная ЭДС источника питания

 

Ориентировочное сечение  жилы  кабеля:

           (4.2)

где j - плотность тока

I_{кс.ор.max} – ориентировочное значение максимального тока

 

Рекомендуемое значение плотности  тока для медной жилы: j_м=5¸10 А/мм²

 

 

Выбранная марка  кабеля: 2 x 1.0 ПВС (провод для бытовых электротехнических устройств)

Активное  сопротивление кабельной сети при  температуре t=20^o:

  = Ом            (4.3)

 

где S_каб – сечение жилы кабеля

=0.01776 Ом мм²/м – удельное сопротивление медной жилы

L_кс – длинна кабельной сети

 

Зависимость сопротивления кабеля от температуры:

               (4.4)

где - температурный коэффициент (для меди _м=0.0041 ).

 Ом.

 Ом.

 

 

Индуктивность  КС:

 

        (4.5)

где =1.05-1.02 – коэффициент, учитывающий взаимовлияние жил кабеля;

d – расстояние между осями жил кабеля;

– радиус жилы;

=1.25·10^-6 Гн/м – магнитная постоянная провода.

 

 мм

 мм

=4.987·10^-6 Гн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. РАСЧЕТ МИНИМАЛЬНОГО  И МАКСИМАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЙ 

НА ВХОДЕ ИСН

 

Напряжение на входе ИСН  определяется текущими значениями параметров источника энергии, кабельной сети и мощности нагрузки. Нагрузочная  характеристика источника энергии  постоянного тока совместно с  КС описывается выражением:

 

U_вх = E - I_вх (R _вн+ R_кс ),        (5.1)

 

где U_вх - напряжение на входе ИСН, I_вх   - ток входа ИСН,

Е -  ЭДС источника энергии,

R _вн - внутреннее сопротивление,

R _кс - сопротивление КС.

 

Внешней характеристике U_вх=f₁(I_вх) соответствует мощностная характеристика P_вх=f₂(I_вх), определяемая выражением:

 

P_вх=I_вхU_вх .           (5.2)

 

КПД ИСН (Таблица 1): η=0.83÷0.88, η=0.83.

 

Таблица 1 – Ориентировочные  значения КПД ИСН

 

 

Минимальная и максимальная входная мощность ИСН:

           (5.3) 

где h- коэффициент полезного действия ИСН .

                      

              

Для построения внешних характеристик  СЭП с источником постоянно тока, используют следующие уравнения:

 

   (5.4)

Для построения мощностной характеристики используют следующие  уравнения:

 

        (5.5)

 

Построенные внешние и  мощностные характеристики СЭП приведены  на рис. 2.

Uвх max = 6.7в

Uвх min = 3.9в

Uвх1 = 3.8в

 

                      6. РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ ИНДУКТИВНОСТИ И

ВЫБОР ДРОССЕЛЯ ВХОДНОГО LC – ФИЛЬТРА

 

Выбор частоты  и периода преобразования

 

Выбираем частоту преобразования из диапазона 50÷100 кГц: f=50 кГц. Тогда период преобразования:              

 

Величина  индуктивности  дросселя, обеспечивающего  режим непрерывного тока дросселя

        (6.1)

где U_вых – выходное напряжение ИСН

       U_вх.max – максимальное входное напряжение ИСН

       I_н.min – минимальный ток нагрузки

                

 

 

Выбираем частоту f_пр и период Т_пр преобразования руководствуясь разделом 5.1 и максимальный К_з.max

 

Kзmax=0.7, f=45*10^-3.

Tпр=0.02*10^-3

 

Определяем коэффициенты трансформации К_тр.i и К_тр.р трансформатора по i-ой обмотке и обмотке размагничивания

 

К_тр.i= U_вых.i/( U_вх.min К_з.max)=6,2/(3.9*0.7)=2.2

К_тр.р> К_з.max/(1- К_з.max)=2.3

 

Определяем  минимальный К_з.min и К_з1 коэффициенты заполнения по выражениям

 

К_з.min= U_вых.i/ (U_вх.max К_тр.i )=0.6

К_з.1= U_вых1/ (U_вх.max К_тр.i )=3.8/(6.7*2.2)=0.28

 

Определяем  максимальное U_wi.max, минимальное U_wi.min и наибольшее при максимальном токе нагрузки U_wi1 напряжения на i-ом выходе трансформатора. Используют эти напряжения вместо U_вх.max, U_вх.min и U_вх1

_{Uwi max = 6.7*2.2 = 13.64}

_{Uwi min = 3.9*2.2 = 8,58}

_{Uwi 1 = 0.27}

 

Для выбора типономинала дросселя необходимо определить величину индуктивности , которую будет иметь дроссель с индуктивностью  при номинальном токе нагрузки. Для этого определяют кратность изменения тока нагрузки (тока подмагничивания дросселя):

         (6.2)

где I_н.max – максимальный ток на нагрузке

 I_н.min – минимальный ток на нагрузке

По графической зависимости (рис. 3), исходя из , определяют кратность изменения индуктивности :

Рисунок 3 – графическая  зависимость для определения  KL