Тиристорные устройства для питания автоматических телефонных станций - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Содержание
| |Задание к дипломному проекту |2 |
| |Введение |6 |
|1 |Электропитающие устройства АТС |9 |
|1.1. |Электрические машины постоянного тока |9 |
|1.2. |Электрические машины переменного тока |9 |
|1.3. |Трансформаторы |10 |
|1.4. |Источники вторичного питания |11 |
|1.5. |Вентили |12 |
|1.6. |Аккумуляторы |14 |
|1.7. |Выпрямители |14 |
|1.8. |Преобразователи постоянного тока |22 |
|1.9. |Электохимические элементы |23 |
|1.10. |Непосредственные преобразователи энергии |24 |
|1.10.1.|Термоэлектрические генераторы |24 |
|2. |ВУТ |26 |
|2.1. |Технические данные |27 |
|2.2. |Силовая часть |33 |
|2.3. |Система управления |35 |
|2.4. |Конструкция |38 |
|3. |Управляемые выпрямители на тиристорах |40 |
|3.1. |Тиристоры |42 |
|4. |Расчет управляемого выпрямителя на тиристорах |53 |
|5. |Экология |61 |
|5.1. |Защита от воздействия электромагнитного поля промышленной| |
| |частоты |61 |
|5.2. |Защита от радиоактивных излучений |64 |
|6. |Охрана труда |68 |
|6.1. |Санитарные нормы |68 |
|6.2. |Организация рабочего места |69 |
|6.3. |Освещение рабочего места |71 |
|6.4. |Электробезопасность |74 |
|6.5. |Шум и вибрация |77 |
|6.6. |Микроклимат рабочей зоны |80 |
|6.7. |Пожарная безопасность |80 |
|6.8. |Особенности тушения пожара в электроустановках |82 |
|6.8.1. |Огнетушители |83 |
|6.9. |Защита от воздействия электромагнитного поля |85 |
|6.10. |Режим работы |88 |
|7. |Экономика |90 |
|7.1. |Экономическое обоснование внедрения тиристорного | |
| |выпрямителя типа ВУТ |90 |
|7.2. |Капитальные вложения |90 |
|7.3. |Эксплуатационные расходы |92 |
|7.4. |Прибыль |93 |
| |Литература |96 |
Введение
Курс «Электропреобразовательные устройства РЭС» является одной из первых
инженерных дисциплин специальности «Радиотехника», обеспечивающей
подготовку радиоинженера в области силовых радиоэлектронных устройств,
входящих в комплекс радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения.
Особенностью курса является то, что радиоинженеру независимо от его узкой
специализации приходится не только выбирать, но и проектировать силовые
устройства РЭС, такие, как стабилизирующие источники вторичного
электропитания (ИВЭП) и их функциональные звенья (стабилизаторы напряжения
и тока, преобразователи напряжения и т. д.).
Изучение этих общих для РЭС различного вида устройств, которые не связаны
с формированием, усилением и обработкой колебаний радиочастоты, а служат
для обеспечения работоспособности функциональных звеньев системы, решающих
радиотехнические задачи, и составляет содержание курса
«Электропреобразовательные устройства РЭС».
Круг электрических преобразователей, используемых в радиоэлектронике,
достаточно широк. Так, электрический выпрямитель применяется для
преобразования энергии переменного электрического тока, потребляемой от
сети, в энергию постоянного электрического тока, требующуюся для питания
РЭС. Преобразователи энергии постоянного электрического тока в энергию
переменного тока называют инверторами. Устройства, питающиеся от сети
постоянного тока и создающие на своем выходе также постоянный ток, но с
другим напряжением, называют преобразователями напряжения (конвертерами).
На переменном токе аналогичную задачу решают с помощью трансформаторов.
Когда необходимо поддержание постоянства выходного напряжения (тока),
применяют стабилизаторы напряжения (тока). Используют как стабилизаторы
постоянного напряжения (тока), так и стабилизаторы переменного напряжения
(тока).
Преобразователями электрической энергии в механическую являются
электрические двигатели, которые в радиотехнике позволяют осуществить
перемещение антенн, а также настройку узлов РЭС и др. Обратное
преобразование механической энергии в электрическую происходит в
электрических генераторах, которые в некоторых радиоэлектронных системах
являются первичными источниками электрической энергии для электропитания
входящих в данную систему средств.
Характеристики электропреобразовательных устройств отражаются на
характеристиках самих РЭС. Прежде всего, это относится к массогабаритным
показателям (часто ИВЭП составляют до 60 % массы и объема аппаратуры), а
также к надежности функционирования. Неисправности или неправильная работа
источника приводят к полному отказу в работе РЭС. Именно по этим причинам
проектирование источников вторичного электропитания проводят радиоинженеры.
Важными являются также и вопросы электромагнитной совместимости
электропреобразовательных устройств с РЭС как той системы, в которой они
используются, так и с РЭС других систем, работающих одновременно с первой.
Целью настоящего курса является ознакомление студентов с принципами
построения эффективных преобразовательных устройств и методами
проектирования их основных узлов с учетом конкретных требований к РЭС.
Количественный рост различных радиоэлектронных устройств и устройств
связи, все более широко применяющихся в различных отраслях народного
хозяйства, связан с увеличением потребляемой суммарной мощности источников
электропитания. Разработка и создание рациональных источников
электропитания становится актуальной проблемой.
Рассмотрение начинается с электрических машин и трансформаторов, так как
они широко применяются в аппаратуре предприятий связи.
В главах, посвященных источникам вторичного электропитания, рассмотрена
их работа, даны структурные схемы, а также расчетные соотношения для
отдельных функциональных узлов. Подробно разобраны проблемы проектирования
источников вторичного электропитания и приведены расчеты выпрямителей (на
емкостную и индуктивную нагрузку), стабилизаторов параметрического и
компенсационного типов на полупроводниковых приборах.
В разделе по электрохимическим источникам питания рассмотрены принципы
действия гальванических элементов и аккумуляторов. Для преобразователей
энергии приведены технические данные. Описание организации электроснабжения
и особенностей распределения энергии, передающих и приемных радиоцентров, а
также оборудования подстанций включает необходимый иллюстративный материал.
Защита источников вторичного электропитания в настоящее время приобретает
важную роль из-за использования в них полупроводниковых приборов, весьма
чувствительных к перегрузкам. Поэтому большое внимание уделено способам и
схемам защиты источников вторичного электропитания.
Электропитающие устройства АТС.
1.1. Электрические машины постоянного тока.
Электрические машины, используемые в технике связи, при всем их
разнообразии подразделяются на две группы:
1)генераторы - электрические машины, с помощью которых вырабатывается
электрическая энергия;
2)двигатели - электрические машины, с помощью которых электрическая
энергия преобразуется в механическую.
Принцип действия электрического генератора основан на законе
электромагнитной индукции, который формулируется так: «При всяком изменении
магнитного потока, пронизывающего проводящий контур, в этом контуре
наводится электродвижущая сила (ЭДС)». Использование этой ЭДС позволяет
преобразовывать механическую энергию в электрическую.
Если магнитный поток пересекает проводник, по которому течет
электрический ток, то на этот проводник будет действовать механическая
сила, это позволяет преобразовывать электрическую энергию в механическую.
Электрическая машина, работающая на этом принципе, является двигателем.
По виду потребляемой или вырабатываемой электрической энергии
электрические машины подразделяются на машины постоянного и переменного
тока.
1.2. Электрические машины переменного тока.
Электрические машины переменного тока подразделяются на синхронные и
асинхронные. У синхронных машин частота вращения ротора определяется
выражением:
n=[pic], т. е. число оборотов в минуту п и частота f в герцах наводимой
ЭДС связаны между собой прямо пропорциональной зависимостью (частота
вращения ротора и частота наводимой ЭДС синхронны); р - число пар полюсов
машины. Синхронные машины наиболее часто используются в качестве
генераторов. Синхронные двигатели менее распространены, и их используют
там, где требуется постоянство частоты вращения при изменении нагрузки, а
также в качестве компенсаторов для повышения коэффициента мощности
электрических систем.
У асинхронных машин нет синхронности между частотой вращения ротора и
частотой вращения магнитного поля. Асинхронные машины чаще используют в
качестве двигателей.
1.3. Трансформаторы.
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, с
помощью которого происходит преобразование переменного напряжения одних
параметров в переменное напряжение других параметров. В общем случае
трансформатором преобразовывается не только величина напряжения, но и его
форма, частота и т. д. Но наибольшее применение находят трансформаторы, в
которых переменное напряжение преобразовывается по величине в напряжение,
необходимое для питания той или иной установки. Эти трансформаторы
называются трансформаторами питания (силовыми трансформаторами). Кроме
трансформаторов питания существуют специальные трансформаторы -
автотрансформаторы, измерительные трансформаторы, пик-трансформаторы и др.
В настоящей главе рассматриваются лишь трансформаторы питания устройств
связи и радиотехнических устройств.
Трансформаторы можно классифицировать по различным признакам. Различают
их по мощности: маломощные (десятки вольт-ампер), средней (сотни вольт-
ампер), и большой мощности (до нескольких тысяч киловольт-ампер); по
конструкции: броневые, стержневые, бронестержневые, тороидальные; по числу
фаз: однофазные, многофазные; по виду охлаждения: с естественным, воздушным
и с масляным охлаждением.
Трансформаторы, питающиеся от однофазной сети переменного тока,
называются однофазными, от трехфазной - трехфазными.
Как правило, при питании маломощных потребителей применяются однофазные
трансформаторы питания, а в мощных питающих установках применяются
трехфазные или многофазные трансформаторы.
1.4. Источники вторичного электропитания.
Источники электропитания подразделяются на первичные и источники
вторичного электропитания (ИВЭ). К первичным относятся непосредственные
преобразователи различных видов энергии в электрическую, а к источникам
вторичного электропитания - преобразователи электрической энергии одного
вида в электрическую энергию другого вида.
В качестве первичных источников применяются: энергосистема с тем или иным
номинальным напряжением (сеть переменного или постоянного тока), химические
источники тока (гальванические элементы, батареи), термо- и
фотоэлектрические, акустические, топливные, биологические, атомные,
механические преобразователи энергии в электрическую.
Наибольшее применение из первичных источников электроэнергии имеет сеть
переменного тока, а из источников вторичного электропитания - выпрямители,
стабилизаторы и преобразователи.
С помощью выпрямителя энергия переменного тока преобразуется в энергию
постоянного тока. Ввиду разнообразия радиоэлектронной аппаратуры схемные и
конструктивные решения выпрямителей различны. Выпрямители могут быть
выполнены в виде отдельного блока, стойки или могут входить в общую
конструкцию изделия (усилителя, приемника и т. д.).
Основное назначение стабилизатора - поддерживать постоянным выходное
напряжение или ток в нагрузке. Стабилизатор с выпрямителем образует
стабилизированный источник вторичного питания. Преобразователи, применяемые
в источниках питания, служат в основном для преобразования напряжения
постоянного тока в напряжение переменного тока или напряжение постоянного
тока другого номинала.
1.5. Электрические вентили и их параметры.
Как выше отмечалось, для преобразования переменного тока в постоянный
необходим прибор с односторонней (вентильной) электрической проводимостью.
Такие приборы называются вентилями. В зависимости от принципа действия
вентили можно подразделить на механические и электрические. Механические
вентили в радиоаппаратуре практически не применяются в силу присущих им
недостатков: громоздкость конструкции, наличие контактов, работа которых
вызывает значительные электрические помехи как в цепях питания, так в цепях
радиоаппаратуры, относительно малая надежность.
Для питания радиоустройств применяются электрические вентили. По
характеру проводимости и способу воздействия на пропускаемый ток
электрические вентили делятся на электровакуумные (кенотронные, ионные или
газоразрядные) и полупроводниковые, управляемые и неуправляемые.
[pic]
Рис. 1.1. Вольтамперная характеристика идеального вентиля (а), реального
(б).
Основные свойства любого вентиля характеризуются с помощью вольтамперной
характеристики, представляющей собой зависимость тока от напряжения,
приложенного к вентилю I=f(U). На рис. 1.1, а изображена вольтамперная
характеристика идеального вентиля. Из этой характеристики видно, что при
сколь угодно малом приложенном напряжении Uпр ток через идеальный вентиль
течет только в одном направлении. Это объясняется тем, что сопротивление
идеального вентиля в прямом направлении будет равно Riпр=0. При любых
обратных напряжениях Uобр вентиль имеет сопротивление Riобр =(.
Реальный вентиль имеет вольтамперную характеристику, показанную на рис.
1.1,б, из которой видно, что при обратных напряжениях, близких к пробивному
Uпроб. ток через вентиль в обратном направлении может быть значительным, а
сопротивление в прямом направлении не равно нулю.
1.6. Аккумуляторы
В аккумуляторах происходит превращение электрической энергии в
химическую, а затем - химической в электрическую. Аккумуляторы не
производят электрическую энергию, они ее лишь накапливают при заряде и
расходуют на подключенную нагрузку при разряде. Процесс отдачи накопленной
энергии основан на обмене электронов между электродами при активном участии
электролита. В электропитании устройств связи находят применение кислотные
и щелочные аккумуляторы.
1.7. Выпрямители и фильтры.
Электрический выпрямитель широко применяют как наиболее универсальный
преобразователь переменного тока в постоянный.
Выпрямление в электрическом выпрямителе достигается вследствие включения
в его состав электрического вентиля, который пропускает ток преимущественно
в одном направлении, (рис. 1.2, а).
При рассмотрении процессов выпрямления характеристику вентиля
идеализируют, представляя ее (рис. 1.2, б) линейной ломаной кривой 1
(идеальный вентиль), 2 (идеализированный вентиль с потерями) или 3
(идеализированный вентиль с потерями и порогом выпрямления).
В качестве вентилей в настоящее время применяют в основном
полупроводниковые диоды. Порог выпрямления кремниевых диодов лежит в
пределах 0,4-0,8 В, а германиевых 0,15-0,2 В. Для низковольтных
выпрямителей (выпрямленное напряжение менее 10 В) порог выпрямления
кремниевых вентилей составляет заметную часть выходного напряжения; его
следует учитывать при расчетах, выбирая в качестве расчетной модель вентиля
с порогом выпрямления. Для выпрямителей с выходным напряжением более 10 В
можно проводить расчет и на основе модели вентиля без порога выпрямления.
Угол наклона спрямленной характеристики вентиля с потерями определяет
внутреннее сопротивление вентиля rв.
Значения сопротивлений rв, применяемых в настоящее время вентилей,
составляют от десятков (слаботочные диоды) до долей Ом (сильноточные
диоды).
Прямой ток вентиля ограничен его разогревом из-за потерь электрической
мощности, пропорциональных падению напряжения на вентиле. При обратном
напряжении вентиль пропускает хотя и малый, но отличный от нуля обратный
ток. Этим током, как правило, пренебрегают.
Следует отметить, что малый обратный ток соответствует обратному
напряжению, не превосходящему некоторого значения. За этим пределом
обратный ток резко возрастает и вентиль пробивается. Это обстоятельство
ограничивает значение обратного напряжения, которое может быть приложено к
вентилю.
Схема простейшего электрического выпрямителя (рис. 1.3) содержит
трансформатор, вентили и нагрузку.
Трансформатор необходим для преобразования напряжения сети в напряжение,
удобное для дальнейшего выпрямления и гальванической развязки нагрузки
выпрямителя от сети.
В общем случае трансформатор имеет m1 обмоток (фаз) в первичной цепи и m
фаз во вторичной цепи.
В приведенной схеме как первичные, так и вторичные обмотки соединены
звездой. В подавляющем большинстве схем вторичные обмотки именно так и
соединяют. Что же касается первичных обмоток, то они могут соединяться и в
многоугольник.
[pic]
Рис. 1.2. Вольт-амперная характеристика вентиля.
Рис. 1.3. Вентиль.
К концу каждой из вторичных обмоток подсоединен анод вентиля. Катоды всех
вентилей подсоединены к сборной шине, которая и является одним (в данном
случае положительным) выводом выпрямителя. Второй вывод выпрямителя
(отрицательный) берут от средней точки звезды вторичных обмоток
трансформатора. К этим выводам и подключают нагрузку выпрямителя.
Из-за нелинейности характеристик вентилей ток в каждой из вторичных
обмоток может проходить только в одну сторону. Через нагрузку проходит
суммарный ток всех фаз (вентилей) вторичной обмотки, имеющий значительную
постоянную составляющую (выпрямленный ток).
Если изменить полярность включения всех вентилей на обратную, т. е.
подсоединить их катодами к концам вторичных обмоток, а анодами к сборной
шине, то выпрямленное напряжение изменит свою полярность.
Для уменьшения переменных составляющих в выходном напряжении между
нагрузкой и выпрямителем включают фильтр, называемый сглаживающим.
Необходимость в фильтре вызвана тем,
|
