УДК 621.396.6:621.31 (07) Л 63
Рецензент:
В. Н. Бондаренко. канд. техн. наук, проф. кафедры рте КГГУ
л 63 Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Программа и метод. указания для студентов ЗФ направления подготовки дипломи рованных специалистов 654400 - «Телекоммуникацию) (спец. 200900). Изд. 2-е, испр. и доп. / Сост. Н. Н. Лисовская. Красноярск: ИПЦ
КГГУ, 2005. 27 с.
Печатается по решению Редакционно-издательского совета университета
© ПТУ, 2005
3
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Цели и задачи дисциплины
Цель преподавания дисциплины
Цель курса - изучение принципов построения систем электропитания, их структур, а также функционирования отдельных ее узлов, вырабатывающих различные номиналы напряжений для электропитания телекоммуникационной аппаратуры. Основное внимание при изучении дисциплины должно уделяться физическим процессам, происходящих в рассматриваемых устройствах и системах, вопросам выбора структуры
системы и ее элементов.
Задачи изучения дисциплины «ЭЛУ иСТК» в результате изучения дисциплины студенты должны:
Ф знать |
организацию |
электроснабжения |
предприятий |
телекоммуникации, объектов подвижной электросвязи и основные параметры и требования к источникам электроснабжения;
фзнать принципы функционирования основных узлов систем
электропитания;
Фзнать теорию, принципы построения и методы расчета
выпрямителей, инверторов, конверторов; линейных и импульсных стабилизаторов; трансформаторов; дросселей; основные характеристики
электрических машин;
Ф уметь проводить компьютерное моделирование узлов системы
электропитания;
фуметь оценивать надежность различных вариантов систем
электропитания и их узлов;
ф иметь навыки практической работы с лабораторными макетами узлов системы электропитания, а также с современной измерительной аппаратурой.
Межпредметная связь
Курс базируется на ранее изученных дисциплинах «Основы теории цепей», «Электроника», «Схемотехника аналоговых устройств», «Схемотехника цифровых устройств».
4
Объем курса и виды учебной работы
Основная форма изучения |
самостоятельная работа. По курсу |
«Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» выполняют одну контрольную работу и четыре лабораторные работы. Условием успепшого проведения лабораторного практикума является выполнение домашнего задания. Номер варианта домашнего задания соответствует последней цифре зачетной книжки. При подготовке к лабораторным работам составляют и вычеркивают структурные и принципиальные схемы изучаемых устройств, делают расчеты. Оформляют отчет по лабораторной работе в соответствии с требованиями СТП КГТУ 01-02.
Отчет включает:
1)цель работы;
2)домашнее задание;
3)лабораторное задание с перечием используемого оборудования,
кратким изложением выполняемых операций, схемами, результатами эксперимента (таблицами, графиками);
4) выводы.
Графики и зарисовки следует выполнять аккуратно в соответствующих масштабах. На координатные оси необходимо нанести масштабные метки, стандартные обозначения и размерности измеряемых величин. Схемы в контрольной работе и отчетах по лабораторным работам выполняют по ГОСТ ЕСКД и ГОСТ ЕСКД.
1. Электропитание устройств связи' Под ред. В.Е.Китаева. М.: Радио и связь, 1988.
2. Электропитание устройств связи .1 О.А.ДомарацкиЙ, А.с.Кратиров и др. М.: Радио и связь, 1981.
3 . Иванов-Цыганов А.И. Электропреобразовательвые устройства РЭС. М.: Высш.шк., 1991.
4.Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник ,' Г.С.lIаЙвельт и др. М.: Радио и связь, 1986.
5.Выпрямители и фильтры: Методические указания к выполнению лабораторных работ N21-4 дЛЯ студентов направлений подготовки
дипломированных специалистов 654200 - «Радиотехника» (спец. 200700, 201500) и 654400 - «Телекоммуникации» (спец.200900) всех форм обучения / Сосу. НЛ. Лисовская.; Красноярск: ИГЩ КГТУ, 2003. 34с.
6. Преобразователи напряжения. Трансформаторы: Методические указания по лабораторным работам 7, 8 для студентов специальности 23. 01
5
"Радиотехника" всех форм обучения / Сост. Н.н.лисовская; КрШI. Красноярск, 1988 (442).
7.Стабилизаторы напряжения: Методические указания по лабораторным работам для студентов специальности 23,01-"Радиотехника" / Сост. н.н.Лисовская; КрПИ. Красноярск, 1990 (602).
8.Стабилизаторы напряжения на интегральных микросхемах: Учебно методическое пособие для студентов специальностей 200700,200900,201500
/Сост. Н.н.Лисовская; КГТУ. Красноярск, 2000.
9.Расчет источников электропитания устройств связи: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.А.Бокуняева. М.: Радио и связь, 1993.
10.Полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, оптоэлектронные приборы: Справочник / Под ред. Н.н.горюнова. М,: Энергоиздат, 1982.
11.Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник / Под ред. Н'Н'Горюнова. М.: Энергоиздат, 1983.
12.Справочник радиолюбителя-конструктора / В.г.Белкин,
В.к.Бондаренко и др. М.: Радио и связь, 1988.
13. Инструкция по проектированию электроустановок предприятий и сооружений электросвязи, проводного вещания, радиовещания и телевидения
(ВСН 332-93).
14. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. СПб.: КОРОНА принт, 1998.
ПРОГРАММА КУРСА
Тема 1. Введение
Предмет и задачи курса.
Основные понятия и определения устройств и систем электропитания и требования, предъявляемые к ним. Связь курса "Электропитание устройств и систем телекоммуникаций" со смежными дисциплинами. Взаимосвязь развития устройств и систем электропитания с задачами повышения эффективности техники СВЯЗи.
Электроснабжение предприятий связи. Структурные схемы систем электропитания: классификация, основные характеристики и требования, предъявляемые к ним. Основные элементы систем электроснабжения
постоянного и переменного тока, связь их характеристик с характеристиками
потребителей электрической энергии на предприятиях связи: особенности построения и функционирования.
Литература: [1, с.8-23].
6
Методические указания
Предприятие связи получает электроэнергию от электростанции или энергосистемы. В энергосистему входят электростанции, подстанции и приемники электроэнергии, связанные линиями электрической сети.
Кроме энергосистемы электроэнергию на предприятиях связи
получают от дизель-генераторных установок и аккумуляторов.
Они могут работать постоянно или включаться автоматически в случае пропадания напряжения в местной электросети, Эти источники электроэнергии называются первичными. Реже перечисленных используются термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи.
Для питания аппаратуры на спутниках связи используются солнечные батареи. Электроснабжение промежуточных станций радиорелейных линий, удаленных от энергосистемы, может осуществляться турбогенератором с закрытым циклом или дистанционно. Топливом в таких турбогенераторах может быть газ или керосин. Однако в большинстве случаев энергия, получаемая от источника первичного электропитания, не может быть непосредственно использована для нитания радиоаппаратуры. Эта энергия преобразуется в выпрямителях, трансформаторах, инверторах (источниках вгоричного электропитания).
Необходимо усвоить, что надежность, уменьшение габаритов и веса при возрастающей сложности систем электросвязи определяются
источниками элсктропитания.
иовросы для самопроверки
]. Напряжение каких номиналов используются в районной и местной
сетях?
2.Какие источники электропитания называются первичными?
3.Какие источники электропитания называются вторичными?
4.Назначение выпрямителей, фильтров, стабилизаторов, инверторов.
5.Почему в источниках вторичного электропитания выгоднее преобразовать напряжение повышенной частоты?
2. Электромагнитные уетройетва
Трансформаторы. Назначение (роль и место в устройствах электропитания). Закон электромагнитной индукции 11 полного тока. Принцип действия и устройство. Классификация. Материалы магнитопроводов и обмоток. Режимы работы: холостой ход, короткое замыкание, под нагрузкой. КПД. Трехфазные трансформаторы:
классификация, линейное и фазное напряжение и ток, мощность, схемы
8
9. Магнитопроводы каких форм используются в трансформаторах, дросселях и магнитных усилителях?
Тема 3. иьшрямвтельные устройства (ВУ)
Назначение (роль и место в источниках электропитания). Структурная схема ВУ. Классификация, характеристики. Возможные режимы работы выпрямительных устройств в зависимости от вида нагрузки.
Работа однотактного и двухтактного неуправляемых выпрямителей на
активную, активно-индуктивную и активно-емкостную нагрузки.
Особенности функционирования ВУ при учете влияния внутренних активных и индуктивных сопротивлений.
Схемы выпрямления при питании от однофазной и трехфазной сетей перемениого тока. Сравнительная оценка схем. Область применения.
Управляемые выпрямители: назначение, особенности функциональной схемы, работа на индуктивную нагрузку. Однофазные и многофазные схемы выпрямления. Принципы управления вентилями.
Основы расчета характеристик выпрямнтельных устройств.
Литература: [1, C.87-129; 2, c.79-121; 3, с.б5-108; 5, с.30-34, 3-17].
!Vl'СТI[)JIИЧССКI'IС указания
Выпрямитель является статическим преобразователем персменного
напряжения в постоянное и звеном источника вторичного электропитания.
Выпрямление переменного тока осуществляется е помощью вентилей. После ознакомления с классификацией выпрямителей и основными требованиями, предъявляемыми к ним, изучают простейшую однополупериодную схему
выпрямления, затем двухполупериодную схему с нулевым выводом и
мостовую, их работу на активную нагрузку, Следует построить временные диаграммы напряжений и токов, а также получить расчетные данные для выбора вентилей и трансформатора. Далее изучают трехфазные схемы
выпрямления.
В реальных условиях выпрямители редко работают на активную нагрузку, а вентили не ЯВЛЯЮТСЯ идеальными. Наличие ИНДУКТИВНЫХ и емкостных элементов в фильтре выпрямителя оказывает существенное влияние на процесс выпрямления, Необходимо выяснить, как изменяются расчетные соотношения, если выпрямитель работает на нагрузку с индуктивной и емкостной реакцией.
Для питания высоковольтных цепей используют схемы удвоения и
умножения напряжения.
Материал этого раздела изложен достаточно полно во всех учебниках. Примеры paCLleTa выпрямителей приведены в [2,4J.
10
10. Изобразите внешние характеристики выпрямителей с нагрузкой
различного характера.
11.Какими способами осуществляется регулирование па стороне перемениого тока?
12.Какими способами осуществляется регулирование на стороне
ПОСТОЯННОГО тока?
13.Приведите регулировочные характеристики управляемого выпрямителя с активной и активно-индуктивной нагрузкой.
14.В чем причина повышенного потребления реактивной мощности управляемым выпрямителем?
15.Какие меры применяются для повышения коэффициента мощности управляемого выпрямителя?
16.Какие требования предъявляются к управляющим импульсам, поступающим со схемы управления?
Тема 4. Сглаживающие
Требования, предъявляемые к сглаживающим фильтрам и их характеристики. Однозвенные сглаживающие фильтры, их характеристики, влияние частоты на массогабаритные показатели, Переходвые процессы в ВУ с лассивными сглаживающими фильтрами. Многоавенные фильтры. Взаимосвязь характеристик фильтра с режимами работы нагрузки. Резонансные фильтры. Активные фильтры.
Литература: [Т, С.129-1 2, С.121-129, 201-203; 3, с.108-] 14].
Метолическве указания
Сглаживающим фильтром называется устройство, служащее для уменьшения амплитуды переменной составляющей. Пассивные сглаживающие фильтры состоят из дросселей и конденсаторов, соединенных по разЛИЧНЫМ схемам. Изучение этого раздела следует началь с определения основных параметров фильтра: коэффициента сглаживания и коэффициента пульсации, затем нужно рассмотреть схемы пассивных фильтров. Необходимо выяснить, почему емкостные фильтры эффективно сглаживают пульсации при больших сопротивлениях и малых токах нагрузки, а индуктивные фильтры - при малых сопротивлениях и больших токах
нагрузки.
Активные (транзисторные) фильтры обеспечивают независимость коэффициента сглаживания ОТ' тока нагрузки и имеют меньшие габариты, чем' пассивные. Транзистор в этих фильтрах выполняет ту же роль, что дроссель в пассивном фильтре, так как выходное сопротивление транзистора
11
ДЛЯ переменной составляющей тока значительно больше, чем ДЛЯ постоянной составляющей.
При подключении и отключении выпрямителя с фильтром или изменении величины нагрузки наблюдаются переходные процессы на элементах фильтра, которые могут сопровождаться значительными превышениями тока и напряжения вентилей. Значения перенапряжений и бросков тока зависят от внутреннего сопротивления выпрямителя и волнового сопротивления фильтра.
Материал этого раздела можно изучать по любому учебнику, указанному в еписке основной литературы.
Вопросы для самопроверки
1.Что называется коэффициентом фильтрации?
2.Каковы основные недостатки RС-фильтров по сравнению с с фильтрами?
3.Исходя из каких условий производится раздельный выбор индуктивности и емкости LС-фильтра?
4.Почему не рекомендуется выбирать большое число звеньев в многозвенных фильтрах?
5.В чем преимущества и недостатки активных фильтров?
6.Поясните принцип действия транзисторного фильтра.
7.Какие меры применяются для защиты выпрямителей от сверхтоков и перенапряжений?
Тема 5. Статические преобразователн постоянного напряжения
Назначение (роль и место в источниках электропитания). Структурные схемы, классификация, требования и возможные пути их
выполнения.
Транзисторные инверторы е самовозбуждением и внешним возбуждением. Особенности их функционирования, математические модели.
Нерегулируемые и регулируемые транзисторные преобразователи постоянного напряжения. Пути повышения их технико-экономических показателей: резонаненые, многофазные преобразователи.
Оеобенности функционирования транзисторных преобразователей в источниках электропитания с бестрансформаторным входом.
Тиристорные преобразователи напряжения.
Литература: [1, С.138-166; 2, C.39-171; 3, с.208-242; 4, С.346-401].