Электропитание устройств и систем телекоммуникаций

-проведение батарейного теста для определения действительной емкости АБ;

-отключение АБ от нагрузки при их разряде до заданного оператором (сетевым администратором) значения напряжения;

-ограничение значение тока заряда АБ на уровне, заданном оператором при любом значении тока нагрузки.

Все оборудование СБП размещается в одном шкафу (стативе).

Более подробно с характеристиками СБП можно познакомиться на сайтах фирмпроизводителей или диллеров СБП (например на сайте www.promsd.ru

для УЭПС-3 48/180-0604).

1.5. Ориентированный граф состояний и переходов СБП.

Для рассмотрения возможных режимов функционирования системы следует после рассмотрения структурной схемы уточнить ее возможности.

1.5.1.Определение выходного напряжения и выходного тока СБП.

Внормальном режиме функционирования СБП ее выходное напряжение определяется числом элементов в каждой группе АБ, напряжением содержания одного элемента Uсод и температурой аккумуляторов (температурой корпусов моноблоков, на которые устанавливаются температурные датчики). Для рекомендованных в приложении аккумуляторов и заданной в задаче №1 температуры Uсод должно быть принято равным 2.27 В/эл. Следовательно, напряжение на зажимах АБ в нормальном режиме работы СБП UАБ Н должно быть равным:

При этом напряжение на нагрузке UН будет меньше UАБ Н на величину падения напряжения на ТРС постоянного тока UТРС, т.е.

UН= UАБ Н - UТРС.

Максимальное значение тока, потребляемого аппаратурой, IН для нормального режима работы СБП составит:

IН = РН/ UН.

11

Максимальное значение суммарного выходного тока выпрямителей IВ отличается от IН на величину тока содержания АБ (током потребления контроллером можно пренебречь). Величину тока содержания обеих групп АБ Iсод можно определить как:

Iсод = 2*(0,6…1,0)*10-3*Сном.

Следовательно,

IВ = IН + Iсод.

По величине IВ и величине максимального тока одного выпрямителя IВ следует определить количество выпрямителей, способных обеспечить в нормальных условиях работы СБП этот ток IВ . Пусть в качестве примера этот ток IВ в схеме рис.1 могут обеспечить 2 выпрямителя.

Также следует определить число выпрямителей необходимых для заряда обеих групп АБ в случае отключения сети переменного тока и последующего ее восстановления. Пусть для схемы рис.1 заряд обеих групп АБ может обеспечить 1 выпрямитель.

1.5.2. Ниже на рис. 2 представлен ориентированный граф состояний и переходов СБП для рассматриваемого примера.

Рис.2. Ориентированный граф состояний и переходов СБП.

12

Состояние 1. Все выпрямительные устройства СБП исправны, АБ заряжена и находится в режиме содержания, сеть переменного тока в норме. Состояние 2. Отказал дин из четырех работающих выпрямителей, так что в работе осталось 3 выпрямителя. Следует отметить, что контроллер обеспечивает равномерную загрузку всех работающих выпрямителей с достаточной точностью (не хуже +10%). Переход из состояния 1 в состояние 2 характеризуется интенсивностью отказов выпрямителя В. Состояние 2 является возвратным и характеризуется интенсивностью восстановления выпрямителя В. Состояние 3. Отказал еще один выпрямитель, но оставшиеся 2 выпрямителя в состоянии обеспечить питание аппаратуры. Переход из состояния 2 в состояние 3 также характеризуется интенсивностью отказов В. С целью упрощения изложения предполагается, что интенсивность отказов при переходах из состояния 1 в состояние 2 и интенсивность отказов при переходах из состояния 2 в состояние 3 равны, хотя загрузка выпрямителей не одинакова и в общем случае эти интенсивности отказов не равны. Состояние 3 также является возвратным.

Состояние 4. Отказал еще один выпрямитель. Оставшийся исправным выпрямитель переходит в режим ограничения тока и АБ начинает разряжаться разностным током, определяемым током нагрузки и током ограничения выпрямителя. Обычно ток ограничения IОГР устанавливается с помощью контроллера на уровне 1,02…1,05 максимального тока выпрямителя. При разряде АБ разностным током IР ориентировочная длительность разряда Тр1АБ (после чего система перейдет в состояние отказа - состояние 6) может быть определена из следующего соотношения:

Система может перейти в состояние отказа и в случае отключения источников энергии переменного тока. В случае отключения сети переменного тока (всех источников электроэнергии переменного тока сколько бы их не было) СБП перейдет из состояния 1 в состояние 5. После чего питание аппаратуры будет осуществляться только от разряжающейся АБ. Через некоторое время (при понижении напряжения на АБ до установленного значения) контроллер отключит с помощью КГР АБ от аппаратуры и система перейдет в

13

состояние отказа. Длительность питания аппаратуры от АБ Тр 0АБ в последнем случае может быть принята ориентировочно равной 3 *tав.

1.6.Требования к оформлению задачи №1 контрольной работы.

6.1.Пояснительная записка должна содержать:

-исходные данные варианта задачи;

-результаты расчета и выбора АБ с указанием количества моноблоков в каждой группе и числа элементов в одном моноблоке, типа аккумуляторов и значение номинальной емкости;

-результаты расчета значений тока заряда и тока содержания АБ;

-результаты расчета и выбора выпрямительных устройств с указанием их типа и основных параметров;

-структурную схему СБП с перечислением ее элементов и функций, выполняемых контроллером;

-ориентированный граф состояний и переходов СБП с результатами расче-

та Тр 0АБ и Тр 1АБ;

-максимальное UН МАКС, минимальное UН МИН и номинальное UН НОМ (по ф- ле 5.1 ) значения напряжения на зажимах аппаратуры, определяемые следующим образом:

UН МАКС (по формуле 2.1),

UН МИН = m*k* Uк.р. - Uтрс,

UН НОМ (по формуле 5.1).

Примечание: тесты для проверки усвояемости материала по задаче №1 приведены в Приложении 2.

ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РЕШЕНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ ЗАДАЧИ №2.

Задача №2 заключается в расчёте и выборе элементов силовой части однотактного преобразователя с обратным включением диода. Преобразователь работает в режиме широтно-импульсного управления на заданной частоте. Частота работы и выходное напряжение преобразователя указаны в табл.2.1.

14

Таблица 2.1

Максимальное Iвых.макс. и минимальное Iвых. мин. значения выходного тока преобразователя, а также требуемые значения размаха пульсации и нестабильности выходного напряжения приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Минимальное значение напряжения на входе преобразователя Uвх. мин. определяется также по результатам решения задачи №1 и принимается равным UН МИН. Номинальное значение напряжения на входе преобразователя Uвх.ном следует принимать равным UН НОМ.

15

Значение температуры окружающей среды tокр. следует брать при расчётах на 10С выше значения, указанного в табл. 1.2.

Схема силовой части однотактного преобразователя ОПН с обратным включением диода при применении биполярного показана ниже на рис.3.

В этом случае схема управления должна формировать на выходе прямоугольные разнополярные импульсы, обеспечивающие надёжную работу транзистора VT1 в режиме переключения. Стабилизация выходного напряжения ОПН осуществляется за счёт изменения относительной длительности включенного состояния транзистора .

=tи /T,

где tи – время включенного состояния транзистора VT; T=1/f- период преобразования энергии в ОПН.

На интервале открытого состояния транзистора VT1 диод VD1 закрыт, а трансформатор ТV1 запасает энергию, что приводит к увеличению магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора. Для нормальной работы преобразователя индукция в магнитопроводе не должна достигать значения индукции насыщения ни при каких условиях. На интервале закрытого состояния транзистора энергия, запасённая трансформатором, передаётся в нагрузку и обеспечивает подзаряд конденсатора, при этом ток вторичной обмотки трансформатора уменьшается. Принципиально возможны два режима работы ОПН: режим безразрывных токов в обмотках трансформатора, когда ток вторичной обмотки не спадает до нуля и режим разрывных токов 1 . На практике ОПН чаще всего работают в режиме безразрывных токов, что обеспечивает получение лучших энергетических показателей.

16

Рис. 3. Схема силовой части ОПН с обратным включением диода.

Алгоритм расчета ОПН.

2.1.Задаёмся максимальным значением относительной длительности включенного состояния транзистора макс =0,5. В случае применения биполярных низкочастотных транзисторов это значение макс может быть реализовано на частотах преобразования энергии не выше 25кГц. Для более высоких частот преобразования энергии в качестве транзистора VT следует применять полевые транзисторы.

2.2.Определяем требуемое значение коэффициента трансформации трансформатора ТV1 n21 . Для этого предварительно необходимо задаться падением напряжения на активном сопротивлении первичной U1 =0,02*Uвх. ном. и активном сопротивлении вторичной U2 =0,02*Uвых. обмоток трансформатора ТV1, а также падением напряжения на транзисторе в режиме насыщения Uкэ нас. (Ucи нас.)=(0,7…1,5)В и падением напряжения на открытом диоде VD1 Uпр.VD1=(0,6…1,0)В.

n21= (Uвых + U2 + Uпр.VD1)*(1- макс )/(Uвх. мин. - Uкэ нас. - U1)* макс

2.3. Определяем минимальное мин и номинальное ном значения относительной длительности включённого состояния транзистора VT1.

мин =Uвых /(n21 *Uвх.макс. + Uвых ),

ном =Uвых /(n21 *Uвх.ном. + Uвых ).

В том случае, когда мин окажется меньше 0,15 следует в качестве VT1 применять полевые транзисторы даже при частотах преобразования меньших или равных 25кГц.

17

2.4. Выбор типа и материала магнитопровода для трансформатора TV1. Ввиду того, что ОПН должен работать в режиме безразрывных токов маг-

нитопровод трансформатора ТV1 должен выполняться с немагнитным зазором, исключающим насыщение материала магнитопровода. Поэтому для трансформатора ТV1 могут применяться только разрезные магнитопроводы. Наибольшее применение находят Ш-образные магнитопроводы, выполненные из никель-марганцевых ферритов. Параметры магнитопроводов приведены в табл.П2.1 ( Приложение 1).

Алгоритм расчёта трансформатора.

2.5.1.Определяем критическое значение индуктивности первичной обмотки L 1кр трансформатора ТV1, обеспечивающее работу преобразователя в режиме безразрывных токов.

L 1кр =Uвх.макс* мин*(1- мин)/2*f*n21*Iвых.мин.

Задаёмся индуктивностью первичной обмотки L1 =1,2*L1кр.

2.5.2.Определяем максимальные действующие значения токов первичной I1 и вторичной I2 обмоток трансформатора ТV1.

I1=(n21*Iвых.макс* макс ) /(1- макс),

I2 =Iвых.макс/ 1 мин .

2.5.3.Определяем необходимое значение произведения поперечного сечения стержня на поперечное сечение окна магнитопровода Sст*Sок.

Sст*Sок= (4*Uвых*L1*I1*Iвых.макс)/(Кок*j* *Uвх.мин* B), м4.

В этом выражении:

Кок=0,25-коэффициент заполнения окна магнитопровода медью;

18

j- удельная плотность тока в обмотках трансформатора, А/м2; =0,85-коэффициент полезного действия преобразователя (при выходном напряжении 5,0 В и ниже КПД следует задаваться на уровне 0,8);

B-циклическое приращение магнитной индукции, равное разности максимального и минимального значений, Тл;

Значение j можно определить из ниже приведенной табл.2.3. Таблица 2.3

Габаритная мощность трансформатора Рг , в табл.2.3 равна:

Рг =Uвых *I2* макс *(1+ )/2*.

Значение B следует при f 20кГц брать равным 0,15Тл и при f 25кГц-

0,1Тл.

По вычисленному значению Sст *Sок с помощью табл.П2.1 (см. Приложение 1) или по справочнику [4,5] следует выбрать тип магнитопровода и записать его параметры, необходимые для дальнейших расчётов (Sст , Sок , lср ).

2.5.4.Определяем число витков первичной W1 и число витков вторичной W2 обмоток трансформатора ТV1:

W1= макс*(Uвх.мин. –Uкэ нас. - U1 )/( B*f*Sст ),

W2=n21*W1 .

2.5.5.Определяем поперечное сечение провода первичной q1 и вторичной q2 обмоток трансформатора:

По табл.2.2 приложения следует выбрать ближайшее большее значение стандартного провода. При токах до 3…5А рекомендуется применять прово-

19

да марки ПЭВ-1 или ПЭЛ-1, а при токах свыше 5А провода с двойной хлопчатобумажной изоляцией марки ПБД .

2.5.6.По известным значениям q1, q2 ,W1, W2 и Sок необходимо проверить выполнение условия:

(q1*W1 +q2*W2)/Sок Кок .

Если данное неравенство не выполняется, то следует выбрать больший типоразмер магнитопровода трансформатора и произвести повторный расчёт.

2.5.7. Определяем величину немагнитного зазора в магнитопроводе з:

з= о*W12*Sст/L1 ,

где о=4 *10-7- магнитная постоянная, (Гн/м).

Расчёт и выбор выходного конденсатора преобразователя.

2.6.Исходя из заданного значения размаха пульсации выходного напряжения преобразователя определяем требуемое значение выходной ёмкости Сн:

Сн= макс*Iвых.макс./Uвых.м*f.

При выборе стандартного конденсатора Сн из справочника [Л.6] необходимо выбирать конденсатор так, чтобы ёмкость выбранного конденсатора была больше или равна расчётному значению, а допустимое рабочее напряжение Uс раб было больше или равно (1,3…1,5)*Uвых. Кроме того, необходимо убедиться, что допустимая величина пульсации на заданной частоте преобразования f больше Uвых.м, в противном случае следует выбирать Сн на большее рабочее напряжение, либо выбирать другой тип конденсатора.

Расчёт и выбор транзистора.

2.7.1. Определяем максимальное значение тока коллектора Iк 1 макс (тока стока Ic1 макс ) транзистора VT1:

20