Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Электрические машины»

Б. С. Сергеев В. А. Сисин

РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Екатеринбург Издательство УрГУПС

2011

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Электрические машины»

Б. С. Сергеев В. А. Сисин

РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию для студентов специальности

190402 – «Автоматика, телемеханика и связь на ж.д. транспорте» электротехнических факультетов ж.-д. вузов

Екатеринбург Издательство УрГУПС

2011

УДК 656.25:621.311.6(075.8) С32

Сергеев, Б. С.

C32 Расчет импульсного источника вторичного электропитания : учеб.- метод. пособие по курсовому проектированию / Б. С. Сергеев, В. А. Сисин. – Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2011. – 53,[1] с.

Пособие предназначено для выполнения расчетов по курсовому проектированию студентами электротехнических факультетов ж.-д. вузов по специальности 190402 – «Автоматика, телемеханика и связь на ж.д. транспорте».

Приведенный материал предназначен также для изучения теоретических основ работы импульсного «бестрансформаторного» источника вторичного электропитания (ИВЭП) с переменным первичным напряжением 220 В.

Может быть использовано при выполнении практических разработок ИВЭП, в частности, в процессе выполнения студенческих научных и практических работ по разработке электронной аппаратуры автоматики, телемеханики и связи. Одновременно с этим материалы пособия могут быть полезны аспирантам и инженерам при углубленном изучении курса теории и практики силовой электроники.

УДК 656.25:621.311.6(075.8)

Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом университета.

Авторы: Б. С. Сергеев, профессор кафедры «Электрические машины», д-р. техн. наук, УрГУПС

В. А. Сисин, ассистент кафедры «Электрические машины», УрГУПС

Рецензент: В. Н. Коваленко, зав. кафедрой «Автоматика, телемеханика и связь», канд. техн. наук, доцент, УрГУПС

Ó Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2011

3

Введение

Источник вторичного электропитания(ИВЭП) является обязательным функциональным узлом практически любой электронной аппаратуры. Как электротехническое устройство он обеспечивает постоянными питающими на-

пряжениями транзисторные устройства и интегральные микросхемы. История развития ИВЭП начинается с20–30 гг. прошлого столетия и связана с появле-

нием электронных устройств на электровакуумных приборах. В дальнейшем появились транзисторы и интегральные микросхемы(ИМС), что привело к по-

следующему радикальному увеличению сложности электронных систем и -ре шаемых ими задач.

Однако до начала70-х гг. в схемотехнике и практической реализации ИВЭП не происходило изменений, которые могли бы существенно улучшить их технико-экономические и эксплуатационные характеристики. В значитель-

ной степени это относится к электротехническим системам аппаратуры СЦБ и связи железнодорожного транспорта. До настоящего времени бóльшая часть источников электропитания железнодорожного транспорта представляет собой громоздкие электротехнические устройства, осуществляющие силовое преобра-

зование энергии напряжения на относительно низкой частоте – 50 Гц, а требуе-

мая в некоторых случаях стабилизация выходного напряжения производится линейными методами. Это обстоятельство приводит к большой материалоемко-

сти и низкой энергетической эффективности ИВЭП.

Сегодня в современной электронной аппаратуре военного, промышлен-

ного и бытового назначения практически отсутствуют подобные низкоэффек-

тивные источники электропитания. Произошел переход на высокочастотные импульсные методы преобразования энергии переменного и постоянного -на пряжений. Это позволило снизить расход электротехнической меди в несколько десятков раз и принципиально исключить применение трансформаторной ста-

ли. В качестве наглядного примера можно привести бытовую электронную ап-

4

паратуру, где применяются малогабаритные«бестрансформаторные» ИВЭП.

Термин «бестрансформаторные» является условным, принятым в современной силовой электронике. Он не означает, что в таких ИВЭП отсутствует силовой трансформатор, а подразумевает под собой, что масса и габариты силового трансформатора радикально уменьшились, так как он работает на более высо-

кой частоте преобразования электрической энергии. Удельная выходная мощ-

ность современных ИВЭП составляет до200…500 Вт/кг, а их КПД достигает

70…90 % в широком диапазоне изменения первичного напряжения. Известны ИВЭП, которые без переключений функционируют при изменениях первичного переменного напряжения от 90 до 270 В. Однако получение высоких энергети-

ческих и массогабаритных характеристик ИВЭП было достигнуто путем суще-

ственного их усложнения.

За последние годы вопросы применения современных ИВЭП коснулись и железнодорожного транспорта. Это связано с революционными процессами внедрения информационных и управляющих электронных систем в различные области железнодорожного транспорта. Разрабатываются и внедряются слож-

ные коммуникационные и вычислительные комплексы, элементная база и принципы построения которых являются наиболее передовыми не только на отечественном, но и на мировом уровне, это же относится и к источникам элек-

тропитания, что привело к тому, что практически все ИВЭП этой аппаратуры построены по «бестрансформаторному» принципу.

В данном пособии описаны принципы построения«бестрансформатор-

ных» ИВЭП, рассмотрены процессы их работы и приводятся уравнения для расчета одной из типичных схем, применяемой в современной электронной ап-

паратуре. Ввиду ограниченного объема пособия и отведенного на курсовое проектирование учебного времени не рассматривается все многообразиеиз вестных схем ИВЭП. Дополнительный материал по этой проблеме дается в лекциях и приведен в[1–4]. Специфика ИВЭП для электронной аппаратуры железнодорожного транспорта рассмотрена в [3].

5

1. Обобщенная структурная схема «бестрансформаторного» ИВЭП

Под «бестрансформаторным» понимают ИВЭП, у которых первичным является переменное напряжение низкой частоты(50 Гц), а выходными (на-

пряжениями нагрузки) – постоянные напряжения, необходимые для питания электронной аппаратуры.

Обобщенная структурная схема«бестрансформаторного» ИВЭП приве-

дена на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема «бестрансформаторного» ИВЭП Здесь обозначения соответствуют: Ес – действующее значение перемен-

ного напряжения, выражаемого функцией ес = Ем sin w t, где Ем – её амплитуд-

ное значение; w = 2pf; Сет.В – сетевой выпрямитель с выходным постоянным напряжением Ев; Сгл.Ф – низкочастотный сглаживающий фильтр; ИПН – им-

пульсный преобразователь постоянного напряжения, на вход которого подается постоянное напряжение Еп. Выходные постоянные напряжения ИПН: Uн1,…Uнi,

поступают в приборы-потребители, т. е. в электронные приборы, которые яв-

ляются нагрузкой для ИВЭП.

Принято, что первичным для ИВЭП является переменное напряжениеЕс

= 220 В частоты f = 50 Гц. Однако это не исключает правомерности изложен-

ных положений и применимости приведенных уравнений для любых других значений напряжения Ес.

Величины выходных напряжений ИВЭП определяются выбранной для электронных приборов элементной базой. В наиболее типичном электронном приборе, например, в наиболее распространенном системном блоке компьюте-

ра эти напряжения соответствуют: +5 В, -5 В, +12 В, -12 В и +3,3 В. Для мони-

торов, в частности, типа SAMSUNG CVM496,: + 135 В, +87 В, +12 В, +20 В и + 6,3 В. У источника питания телевизораSAMSUNG РC044А выходные напря-

6

жения равны: +120 В, +20 В, +12 В и +5 В. Разумеется, в других типах компью-

теров или телевизоров эти напряжения могут отличаться.

Функции структурных узлов Сет.В и Сгл.Ф общеизвестны и заключаются в выпрямлении переменного напряжения сети Ес и его последующем сглажива-

нии фильтром, который практически во всех случаях емкостной. Импульсный преобразователь ИПН предназначен для выполнения двух функций.

Первая из них заключается в гальванической развязке(электрической изоляции) выходных напряжений Uн1,…Uнi от первичного Ес. Она вводится в

ИВЭП для выполнения требований техники безопасности и обеспечения поме-

хоустойчивости функционирования электронной аппаратуры. Очевидно, что функцию гальванической развязки для силовых электрических устройств -мо жет реализовать только индуктивный трансформатор.

Вторая функция ИПН заключается в необходимости стабилизациина пряжений Uн1,…Uнi при изменениях первичного напряженияЕс, мощности на-

грузок и воздействии различного рода эксплуатационных дестабилизирующих факторов. Поэтому в качестве ИПН применяются преобразователи с регулиро-

ванием выходных напряжений при помощи схем управления, использующих широтно-импульсный, частотно-импульсный или другой вид модуляции.

В последующих разделах пособия рассматриваются процессы работы структурных узлов схемы рис. 1. Для упрощения и получения более наглядных результатов изложения полная структурная схема ИПН разбивается нане сколько функциональных узлов.

2. Функциональная схема «бестрансформаторного» ИВЭП

Как было показано выше, в качестве ИПН могут быть применены различ-

ные типы импульсных преобразователей. Для курсового проекта принимаем,

что в качестве ИПН используется однотактный преобразователь с обратным включением выпрямительного диода (ОПНО). Эти преобразователи применя-

ются в ИВЭП практически всех телевизоров как отечественного, так и зару-

7

бежного производства [2]. Области их оптимального применения лежат в диа-

пазоне выходных мощностей от единиц до 100–200 Вт при первичных постоян-

ных напряжениях от100–200 В и выше[1, 3], что полностью соответствует входным и выходным энергетическим характеристикам бытовых телевизоров.

Функциональная схема «бестрансформаторного» ИВЭП с использовани-

ем ОПНО приведена на рис. 2 [5, 6].

Рис. 2. Функциональная схема «бестрансформаторного» ИВЭП

Здесь обозначения функциональных узлов соответствуют: ФВФ – блок высокочастотных и низкочастотных фильтров и сетевой выпрямитель; TV – си-

ловой трансформатор; S – силовой ключ, управляемый схемой управления СУ

(сигнал Uу) и осуществляющий коммутацию постоянного напряжения Еп в цепи первичной обмотки w1 трансформатора TV; УГР – устройство гальванической развязки, выполняющее функции электрической изоляции аналогового сигнала управления; СС – схема сравнения, осуществляющая сравнение выходного на-

пряжения ОПНО с внутренним опорным напряжением СС и вырабатывающая на этой основе аналоговый сигнал для передачи на УГР. Напряжение вторич-

ной обмотки w2 трансформатора TV выпрямляется диодом VDв и через фильтр

Сф1, Lф, Сф2 поступает на выход ИВЭП– Uн (в нагрузку). Параллельно первич-

ной обмотке w1 включена демпфирующая цепь, осуществляющая снижение ам-

8