Домашняя контрольная работа по предмету «Электропитание устройств связи»

Колледж информатики ГОУ ВПО СибГУТИ

КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

Общие указания

 

В соответствии с учебным планом студенты заочного отделения колледжа выполняют одну домашнюю контрольную работу по предмету «Электропитание устройств связи», которая состоит из четырёх задач.

При решении задачи студенту необходимо привести условие задачи и выписать из таблицы данные только для своего варианта. Ответы на вопросы должны быть последовательными, исчерпывающими существо вопроса, но по возможности краткими.

Работа должна быть оформлена аккуратно, необходимо придерживаться следующих правил:

—     контрольная работа выполняется в отдельной тетради в клетку с полями, страницы должны быть пронумерованы в верхнем углу;

—     записи следует делать через клетку;

—     рисунки должны вычерчиваться в достаточно крупном масштабе в соответствии с действующим ГОСТ;

—     формулы, по которым ведется расчёт, обязательно приводятся в тексте и поясняются; сами расчёты тоже сопровождаются пояснительным текстом;

—     числовые значения величин следует подставлять в основных единицах;

—     результат расчёта должен быть вычислен с точностью до трёх значащих цифр, не считая нулей до и после них;

—     после решения последней задачи приводится список использованной литературы с указанием издательства и года издания, личная подпись и дата выполнения работы;

—     работа высылается на рецензирование в соответствии с учебным графиком;

—     после получения зачтённой работы до экзамена студент должен внести в неё исправления в соответствии с рецензией;

—     если работа не зачтена, её следует представить на повторную проверку вместе с новой работой.

 

 

ЗАДАЧА 1

Начертите схему выпрямителя, указанного для Вашего варианта в табл. 1 и с помощью временных диаграмм поясните принцип её 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 в 10 вариантах приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

 

ЗАДАЧА 2

 

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

1. Определите коэффициент сглаживания q.
2. Определите элементы L и С сглаживающего фильтра.
3. Начертите схему рассчитанного Г-образного LC-фильтра, учитывая количество звеньев в фильтре.

Данные для расчёта приведены в табл. 1.

 

Методические указания по решению задачи 1 и 2

 

Прежде чем приступить к решению задачи 1 и 2, следует изучить рекомендованные в тексте программы страницы учебника.

1. Для выбора типа кремниевых диодов необходимо определить обратное напряжение на диоде U_ОБР и средний прямой ток через диод I_СР. Данные для их расчёта приведены в табл. 2. Тип кремниевого диода выбирают по табл. 3, исходя из рассчитанных значений U_ОБР и I_СР, таким образом, чтобы допустимые значения соответствующих величин для выбранного типа диода превосходили рассчитанные, т.е. максимальное обратное напряжение U_ОБР max > U_ОБР, а среднее значение допустимого прямого тока — I_{ПР СР} > I_СР.

2. Данные для расчёта действующего значения напряжения U₂ и тока I₂ во вторичной обмотке трансформатора приведены в табл. 2.

3. Коэффициент трансформации трансформатора рассчитывается по формуле

где U₁ — действующее значение фазного напряжения в первичной обмотке трансформатора, В;

U₁ принимается равным напряжению сети U_C (см. табл. 1);

U₂ — действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора, В (см. п. 2).

 

 

 

Таблица 2

Параметры	Схемы выпрямления
	однофазная мостовая	однофазная двухполупериод-ная с выводом средней точки трансформатора	трехфазная однополу-периодная ( — )	трехфазная мостовая ( — )
Обратное напряжение на диоде UОБР	1,57 U0	3,14 U0	2,1 U0	1,05 U0
Среднее значение прямого тока через диод IСР	0,5 I0	0,5 I0	0,33 I0	0,33 I0
Фазность выпрямителя m	2	2	3	6
Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора U2	1,11 U0	1,11 U0	0,855 U0	0,43 U0
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора I2	I0	0,707 I0	0,58 I0	0,815 I0
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора I1
Расчетная мощность трансформатора РТР	1,11 Р0	1,34 Р0	1,34 Р0	1,05 Р0

 

4. Расчёт КПД выпрямителя.

Предварительно следует определить потери мощности в элементах схемы.

4.1. Потери мощности в трансформаторе Р_ТР, Вт:

DР_ТР = Р_ТР (1-h_ТР),

где Р_ТР — расчётная мощность трансформатора, определяется по данным табл. 2 для заданной схемы выпрямителя, Вт;

h_ТР — КПД трансформатора, для расчётов принимается равным 0,85.

 

4.2. Потери мощности в диодах DР_Д, Вт.

Для трёхфазной однополупериодной схемы выпрямления (сх. Миткевича) и схемы выпрямления однофазного тока с выводом средней точки трансформатора потери мощности в диодах рассчитываются по формуле, Вт

DР_Д = U_ПР.СР • I₀,

где U_ПР.СР — допустимое прямое напряжение на выбранном диоде, В (см. табл. 3).

В мостовых схемах выпрямленный ток протекает по двум последовательно включенным диодам, поэтому потери мощности в диодах определяются по формуле, Вт

DР_Д = 2 • U_ПР.СР • I₀,

где U_ПР.СР — допустимое прямое напряжение на выбранном диоде, В (см. табл. 3).

 

 

 

Таблица 3

Тип диодов	UОБР maх, В	IПР.СР, А	UПР.СР, В	IОБР.СР, мА	Тип диодов	UОБР maх, В	IПР.СР, А	UПР.СР, В	IОБР.СР, мА
Д214	100	10	1,2	3,0	КД202М	500	5	1,0	1,0
Д214А	100	10	1,0	3,0	КД202Р	600	5	1,0	1,0
Д214Б	100	5	1,5	3,0	КД 203А	600	10	1,0	1,5
Д215	200	10	1,2	0,3	КД203Б	800	5	1,0	1,5
Д215А	200	10	1,0	0,3	КД203В	800	10	1,0	1,5
Д215Б	200	5	1,5	0,3	КД203Г	1000	5	1,0	1,5
Д231	300	10	1,0	0,3	КД203Д	1000	10	1,0	1,5
Д231А	300	10	1,0	0,3	КД206А	400	10	1,2	0,7
Д231Б	300	5	1,5	0,3	КД206Б	500	10	1,2	0,7
Д232	400	10	1,0	0,3	КД206В	600	10	1,2	0,7
Д232А	400	10	1,0	0,3	КД208А	100	1,5	1,0	0,1
Д232Б	400	5	1,5	0,3	КД210А	800	5	1,0	1,5
Д233	500	10	1,0	0,3	КД210Б	800	10	1,0	1,5
Д233Б	500	5	1,5	0,3	КД210В	1000	5	1,0	1,5
Д234Б	600	5	1,5	0,3	КД210Г	1000	10	1,0	1,5
Д242	100	10	1,25	0,3	КД213А	200	10	1,0	0,2
Д242А	100	10	1,0	0,3	КД213Б	200	10	1,2	0,2
Д242Б	100	5	1,5	0,3	КД213В	100	10	1,0	0,2
Д243	200	10	1,25	0,3	КД213Г	100	10	1,2	0,2
Д243А	200	10	1,0	0,3	2Д216А	100	10	1,0	0,05
Д243Б	200	5	1,5	0,3	2Д216Б	200	10	1,0	0,05
Д245	300	10	1,25	0,3	2Д220А	400	3	1,2	1,5
Д245А	300	10	1,0	0,3	2Д220Б	600	3	1,2	1,5
Д245Б	300	5	1,5	0,3	2Д220В	800	3	1,2	1,5
Д246	400	10	1,25	0,3	2Д220Г	1000	3	1,2	1,5
Д246А	400	10	1,0	0,3	2Д220Д	100	3	1,1	1,5
Д246Б	400	5	1,5	0,3	2Д220Е	100	3	1,1	1,5
Д247	500	10	1,25	0,3	2Д220Ж	100	3	1,1	1,5
Д246Б	500	5	1,5	0,3	2Д220И	100	3	1,1	1,5
Д248Б	600	5	1,5	0,3	Д112-10	100	10	1,35	1,0
КД202А	50	5	0,9	0,8	Д112-16	150	16	1,35	1,5
КД202Б	50	5	1,0	1,0	Д112-25	150	25	1,35	4,0
КД202В	100	5	1,0	1,0	Д122-32	150	32	1,35	6,0
КД202Г	70	3,5	0,9	0,8	Д122-40	400	40	1,35	6,0
КД202Д	200	5	1,0	1,0	В10	400	10	1,35	5,0
КД202Ж	300	5	1,0	1,0	В25	400	25	1,35	5,0
КД202К	400	5	1,0	1,0	В50	400	50	1,35	5,0
Д302	200	1	0,25	0,8	ДЛ112-10	400	10	1,35	1,0
Д303	150	3	0,3	1,0	ДЛ112-16	600	16	1,35	1,5
Д304	100	5	0,25	2,0	ДЛ112-25	600	25	1,35	2,0
Д305	50	10	0,3	2,5	ДЛ122-32	400	32	1,35	4,0
2Д201А	100	5	1,0	3,0	ДЛ122-40	400	40	1,35	4,0
2Д201Б	100	10	1,0	3,0	ВЛ10	600	10	1,35	4,0
2Д201В	200	5	1,0	3,0	ВЛ25	600	25	1,35	5,0
2Д201,Г	200	10	1,0	3,0	ВЛ50	600	50	1,35	8,9

 

4.3. Коэффициент полезного действия выпрямителя без учёта сглаживающего фильтра и стабилизатора напряжения определяется по формуле

 

где Р₀ = U₀ • I₀ — активная мощность на нагрузке, Вт;

DР_ТР — потери мощности в трансформаторе, Вт;

DР_д — потери мощности в диодах, Вт.

5. Частота пульсации основной (первой) гармоники определяется по формуле

F₁ = m • f_C,

где m — фазность выпрямителя (см. табл. 2);

f_C — частота сети.

Коэффициент пульсации основной (первой) гармоники на выходе выпрямителя рассчитывается по формуле

 

6. Расчёт элементов сглаживающего LC-фильтра, включённого на выходе выпрямителя (задача 2), производится в следующем порядке.

 

6.1. Рассчитать коэффициент сглаживания фильтра q по формуле

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), см. табл. 1.

По рассчитанному значению q выбирается количество звеньев LC-фильтра.

Если q 25, то применяется однозвенный LC — фильтр (см. 3, рис. 7.3), и в этом случае

q_ЗВ = q,

где q_ЗВ — коэффициент сглаживания одного звена LC — фильтра.

Если q > 25, то применяется двухзвенный LC — фильтр. Так как 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

 

6.2. 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, рассчитывают значение ёмкости фильтра по формуле, мкФ

Из табл. 4 следует выбрать номинальную ёмкость конденсатора, исходя из рассчитанного значения ёмкости С и номинального напряжения конденсатора U_НОМ, величина которого должна быть

U_НОМ > 1,2U₀.

Если в табл. 4 на нужное напряжение не окажется конденсатора с рассчитанной ёмкостью, то следует выбрать конденсатор с максимальной номинальной ёмкостью на рассчитанное номинальное напряжение

(U_НОМ > 1,2U₀) и включить 2 … 5 таких конденсаторов параллельно друг другу.

При этом может оказаться, что общая ёмкость пяти параллельно включённых конденсаторов С_ОБЩ в несколько раз (5 … 15) меньше рассчитанного значения ёмкости фильтра С. Получение расчётного значения ёмкости фильтра путём дальнейшего увеличения количества конденсаторов нецелесообразно, поэтому общую ёмкость С_ОБЩ выбранных конденсаторов считают номинальной ёмкостью фильтра.

Однако при этом следует величину индуктивности L_ДР min увеличить во столько же раз, во сколько раз С_ОБЩ меньше рассчитанной ёмкости фильтра С, поскольку необходимо соблюсти условие LC = const

 

6.3. Изображая схему сглаживающего фильтра, следует показать такое количество звеньев и такое количество параллельно включённых конденсаторов в каждом звене фильтра, какое получилось в результате Вашего расчёта.

Таблица 4

Конденсаторы с оксидным диэлектриком

 

Тип	Номи-нальное напря-жение, В	Допустимая ам-плитуда напряже-ния переменной составляющей на частоте 50 Гц, %	Номинальная емкость, мкФ
К 50-12	6,3 12 25 50 100 160	3…20	10; 22; 47; 100; 220; 470; 1000; 2200; 50005; 10; 22; 47; 100; 220; 470; 1000; 2000 2; 47; 10; 22; 47; 100; 220; 470; 1000; 2200; 5000 1; 2,2; 4,7; 22; 47; 100; 200 1; 2,2; 4,7; 22; 50 1; 2,2; 4,7; 10; 22; 47; 100; 200
К 50-18	6,3 10 16 25 50 80 100 250	13…15 11…15 6…9 6…8 5…6 4…5 4…6 25…3	100 000; 220 000100 000 22 000; 68 000; 100 000 15 000; 33 000; 100 000 470; 10 000; 15 000; 22 000 4700; 10 000; 15 000 2200; 4700; 10 000 1000; 4700
К 50-27	160 250 300 350 450	5…8 5…15 5…13 4…15 4…15	470; 100010; 22; 47; 100; 220; 470 10; 22; 47; 100; 220; 470 4,7; 10; 22; 47; 100; 220 2,2; 4,7; 10; 22; 47; 100; 220
К50-32А	16 40 63	0,6…1 1,1…2 1,4	15 000; 22 000; 33 000; 47 0004700; 10 000; 22 000 15 000
К 50-32	160 250 350 450	2,5 2,5 2,5 2,5	1000; 1500; 2200; 3300; 4700100; 450; 220; 330; 470; 680; 1000; 15 000; 22 000 47; 68; 100; 150; 220; 330; 470; 680; 1000 47; 68; 100; 150; 220; 330; 470
К 50-38	6,3 16 25 40 63 100 160	8…25 5…25 10…25 4….20 4..15 5…15 6…10	47; 100; 220; 470; 1000; 2200; 4700; 10 00047; 100; 220; 470; 1000; 2200; 4700;10 000 22; 47; 100; 220; 470; 1000; 2200 22; 47; 100; 220; 470; 1000; 2200 10; 47; 100; 220; 470; 1000; 2200 4,7; 10; 22; 47; 100; 220 1; 22; 4,7; 10; 22; 47; 100

 

 

ЗАДАЧА 3

Исходные данные	Номер варианта
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1. Ток, потребляемый аппаратурой IАП, А	100	200	300	150	250	350	120	180	240	400
2. Мощность аварийного освещения РАВ.ОСВ, кВт	0,7	0,7	1,2	0,8	1,2	1,35	0,8	1,0	0,9	2,4
3. Расчетное время разряда одной группы аккумулятор-ной батареи tР, ч	1,0	1,0	0,5	1,0	0,5	0,5	1,0	0,5	1,0	1,0
4. Конечное разрядное напряжение одного аккумулятора UКР, В	1,75	1,75	1,8	1,75	1,8	1,75	1,75	1,75	1,8	1,8
5.Напряжение сети трехфазного переменного тока UС, В	220	220	380	220	220	380	220	220	380	380

 

Рассчитайте электропитающую установку ЭПУ-60 по следующим пунктам

1. Рассчитайте ток аварийного разряда аккумуляторной батареи 60 В, 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-аккумулятор-ной установки.

Данные для расчета в десяти вариантах приведены в табл. 5.

 

Методические указания по решению задачи 3

 

1. Расчёт тока аварийного разряда аккумуляторной батареи — 60 В при отсутствии напряжения сети переменного тока производится по формуле, А

I_АВ = I_ДП + I_АВ.ОСВ,

где I_АП — ток, потребляемый аппаратурой, А;

I_АВ.ОСВ — ток аварийного освещения, А;

где  Р_АВ.ОСВ — мощность аварийного освещения (задана в табл. 5).

При подстановке в формулу этой величины не забудьте кВт перевести в Вт.

 

2. Выбор типа аккумулятора производится по табл. 6, в зависимости от рассчитанного тока аварийного разряда I_ДВ, а также времени разряда одной группы аккумуляторной батареи t_Р и конечного разрядного напряжения аккумулятора U_КР, заданных для Вашего варианта в табл. 5.

 

2.1. При выборе аккумулятора следует соблюдать условие:

I_РАЗР ³ I_АВ.

Например, если ток аварийного разряда составляет 200 А, время разряда батареи не превышает 30 мин (0,5 ч), а конечное разрядное напряжение аккумулятора — 1,8 В, то, согласно табл. 6, ближайшее большее значение тока разряда I_РАЗР = 210 А соответствует аккумулятору типа 6 OPzV 300 — его и следует выбрать.

 

2.2. В этом коде (например, 6OpzV) первое число соответствует количеству n положительных пластин (электродов), буквенное обозначение расшифровывается как «стационарные необслуживаемые аккумуляторы с трубчатыми положительными пластинами», последнее число показывает номинальную ёмкость С₁₀ аккумулятора в А×ч (ёмкость при 10-тичасовом разряде номинальным током). Тип пластины рассчитывается по формуле

В рассматриваемом примере А×ч.

Выпускаются пластины следующих номиналов: 50; 70; 100; 125 А×ч.

 

2.3. Количество элементов в аккумуляторной батарее определяется по формуле

где U_min — наименьшее допустимое напряжение на входе питаемого оборудования, равное 58 В;

DU_ПР — допустимые потери напряжения в токораспределительной проводке и коммутационно-защитной аппаратуре, равные 2,4 В;

U_КР — конечное разрядное напряжение одного аккумулятора (см. табл. 5).

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, принимается равным 66 В;

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

Количество элементов в дополнительной группе аккумуляторной батареи определяется по формуле (значения следует округлить до целого числа).

Таблица 6

Тип элемента	Ток разряда IРАЗР, А при UКР=1,8 В/эл за время разряда tР, ч							Ток разряда IРАЗР, А при UКР=1,75 В/эл за время разряда tР, ч
	0,5	1,0	2,0	3,0	5,0	8,0	10,0	0,5	1,0	2,0	3,0	5,0	8,0	10,0
4ОРzV200	153	108	71	54	37	25	22	171	116	74	55	38	27	22
5ОРzV250	183	132	88	67	46	32	27	207	143	92	69	48	33	28
6ОРzV300	210	154	104	80	56	39	33	239	169	109	83	57	39	33
5ОРzV350	221	164	111	85	59	42	35	253	180	117	88	61	41	35
6РzV420	250	189	131	101	71	50	42	288	211	139	105	73	50	42
7ОРzV490	274	212	150	117	82	58	49	318	239	161	123	84	58	49
6ОРzV600	320	255	185	147	105	73	62	373	289	202	155	106	75	63
8ОРzV800	500	380	261	202	141	96	83	580	422	277	210	144	99	84
10ОРzV1000	586	453	319	249	176	122	102	679	510	343	261	180	126	105
12ОРzV1200	655	518	374	295	210	144	120	763	589	406	308	216	147	124
12ОРzV1500	737	601	447	359	259	180	153	864	691	495	385	269	184	157
16РzV2000	982	801	596	478	345	240	204	1152	921	660	513	358	245	209
20ОРzV2500	1228	1002	745	598	432	300	255	1440	1152	825	640	448	306	262
24ОРzV3000	1473	1202	894	717	518	360	306	1728	1382	990	768	537	367	314

3. Выбор выпрямительных устройств.

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

Все рабочие выпрямительные устройства должны иметь 100 % резерв, однако, при параллельной работе нескольких одинаковых выпрямительных устройств разрешается устанавливать одно резервное выпрямительное устройство.

Для ЭПУ-60В следует выбрать из табл. 7 ВУТ с максимальным выпрямленным напряжением 67 В, исходя из условия:

К_ВУ • I₀ > I_АП,   отсюда

где К_ВУ — число параллельно включённых ВУТ, входящих в рабочий комплект;

I₀ — максимальный выпрямленный ток одного ВУТ, А;

I_АП — ток, потребляемый аппаратурой, А.

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

К выбранному комплекту рабочих ВУТ (выпрямительное устройство тиристорное) добавляют одно резервное того же типа, которое используется также для заряда аккумуляторной батареи.

Для выбранного типа ВУТ необходимо выписать из таблицы для дальнейших расчетов КПД (h) и коэффициент мощности cos j.

 

Таблица 7

Тип устройства	Выходная мощность, кВт		Диапазон регулировки выходного напряжения, В	Выходной ток (ток нагрузки), А	КПД	Коэффи-циент мощности
	условная	максималь-ная
ВУТ 31/60	2	1,86	22-31	6-60	0,79	0,65
ВУТ 31/125	4	3,88	22-31	12,5-125	0,80	0,66
ВУТ 31/250	9	7,75	22-31	25-250	0,80	0,67
ВУТ 31/500	16	15,5	22-31	50-500	0,80	0,67
ВУТ 90/25	2	2,25	56-90	1,25-25	0,84	0,68
ВУТ 67/60	4	4,20	56-70	3,0-60	0,85	0,69
ВУТ 67/125	9	8,75	56-70	6,25-125	0,85	0,70
ВУТ 67/250	16	17,5	56-70	12,5-250	0,87	0,70
ВУТ 70/600	40	42,0	56-70	30-600	0,87	0,70

 

4. Расчёт энергетических параметров выпрямительно-аккумуляторной установки.

 

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

где Р_Н — мощность, потребляемая аппаратурой при наличии сети переменного тока, кВт

Р_Н = I_АП×60, Вт,

h — КПД выбранного типа ВУТ.

 

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

где cos j — коэффициент мощности выбранного типа ВУТ.

 

4.3. Ток, потребляемый выпрямительно-аккумуляторной установкой от сети, рассчитывается по формуле, А

где U_Л — линейное напряжение сети, В.

Для расчётов принимают U_Л = U_С.

По рассчитанному значению тока I выбирают щит переменного тока. В ЭПУ-60В применяются щиты типов ЩПТА 4/200 и ЩПТА 600 на токи соответственно 200 А и 600 А.