Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных систем


Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




А.М. САЖНЁВ
Л.Г. РОГУЛИНА




ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ












НОВОСИБИРСК
2012

УДК 621.314.2(075.8)
      С 147



Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В.И. Сединин, канд. техн. наук, доц. В.В. Дуркин




      Сажнёв А.М.

С 147 Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных систем :

      учеб. пособие / А.М. Сажнёв, Л.Г. Рогулина. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012.- 220 с. (Серия «Учебники НГТУ»).
         ISBN 978-5-7782-1902-1

         Содержатся сведения о принципах построения и структуре вторичных источников питания, их показателях и схемных решениях основных функциональных узлов: выпрямителей, стабилизаторов, инверторов и корректоров, обеспечивающих эффективное преобразование параметров электрической энергии в современных электропитающих установках для радиоэлектронной аппаратуры связи и обработки информации. Материал сопровождается учебными задачами и практическими схемами вторичных источников.
         Учебное пособие может быть полезно как информационное издание для магистрантов, аспирантов и специалистов в области электропитания.











УДК 621.314.2(075.8)



ISBN 978-5-7782-1902-1

                            © Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., 2012 © Новосибирский государственный технический университет, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение.........................................................
1. Основные понятия..............................................
  1.1. Первичные источники.......................................
  1.2. Вторичные источники.......................................
     1.2.1. Структурная схема электроснабжения предприятия электросвязи
     1.2.2. Структурная схема электроснабжения предприятия радиосвязи...
  1.3. Устройства бесперебойного электропитания..................
     1.3.1. УБП постоянного тока.................................
     1.3.2. УБП переменного тока.................................
  1.4. Структурные схемы выпрямительных устройств................
  1.5. Показатели вторичных источников...........................
     1.5.1. Коэффициент полезного действия.......................
     1.5.2. Коэффициент мощности.................................
     1.5.3. Коэффициент пульсаций................................
     1.5.4. Внешняя характеристика...............................
     1.5.5. Масса и объем........................................
  1.6. Примеры задач с решениями.................................
2. Магнитные цепи................................................
  2.1. Магнитные материалы.......................................
  2.2. Потери в магнитопроводе...................................
  2.3. Основная формула трансформаторной ЭДС.....................
  2.4. Управление индуктивностью.................................
  2.5. Трансформаторы............................................
     2.5.1. Основные понятия и классификация трансформаторов.....
     2.5.2. Режимы работы и схема замещения трансформатора.......
     2.5.3. Внешняя характеристика трансформатора................
     2.5.4. Коэффициент полезного действия трансформатора........
     2.5.5. Мощность трансформатора..............................
     2.5.6. Трехфазные трансформаторы............................
     2.5.7. Импульсные трансформаторы............................
  2.6. Примеры задач с решениями.................................
3. Выпрямители и фильтры.........................................
  3.1. Преобразование переменного тока в постоянный..............
  3.2. Неуправляемый вентиль и его характеристики................
  3.3. Схемы выпрямления.........................................
  3.4. Расчетные соотношения для неуправляемых выпрямителей......

....7 ....9 ....9 ..15 ..15 ..16 ..17 ..19 ..21 ..24 ..27 ..27 ..28 ..28 ..30 ..33 ..34 ..41 ..41 ..46 ..49 ..52 ..56 ..56 ..57 ..62 ..65 ..67 ..69 ..76 ..78 ..87 ..87 ..89 ..96 102

3.5. Сглаживающие фильтры......................................
     3.5.1. Пассивные сглаживающие фильтры.......................
     3.5.2. Активные сглаживающие фильтры........................
  3.6. Индуктивный характер нагрузки.............................
  3.7. Емкостный характер нагрузки...............................
  3.8. Управляемые выпрямители...................................
  3.9. Примеры задач по выпрямителям с решениями.................
  3.10. Примеры задач по сглаживающим фильтрам с решениями.......
4. Стабилизаторы.................................................
  4.1. Основные определения......................................
  4.2. Параметрические стабилизаторы.............................
     4.2.1. Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока
     4.2.2. Параметрические стабилизаторы напряжения переменного тока
  4.3. Компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного тока.
  4.4. Стабилизаторы тока........................................
  4.5. Импульсные стабилизаторы..................................
  4.6. Примеры задач по стабилизаторам с решениями...............
5. Преобразователи...............................................
  5.1. Основные определения......................................
  5.2. Однотактные преобразователи...............................
  5.3. Двухтактные преобразователи...............................
  5.4. Резонансные инверторы.....................................
  5.5. Примеры задач по преобразователям с решениями.............
6. Корректор коэффициента мощности...............................
  6.1. Основные понятия..........................................
  6.2. Разновидности ККМ.........................................
7. Практические схемы выпрямительных устройств...................
  7.1. Выпрямитель с бестрансформаторным входом ВБВ 24/3.........
  7.2. Источник бесперебойного питания ИБП5-48/36................
     7.2.1. Общая характеристика.................................
     7.2.2. Схема выпрямительного модуля БП-500/48...............
  7.3. Установка электропитания PRS..............................
     7.3.1. Общая характеристика системы.........................
     7.3.2. Структурная схема выпрямительного модуля SMPS........
     7.3.3. Функциональная схема выпрямительного модуля SMPS.....
Библиографический список.........................................

106
106
112
114
117
120
126
134
145
145
148
148
154
155
161
162
168
177
177
178
183
188
190
195
195
196
201
201
205
205
208
210
210
212
214
217

ВВЕДЕНИЕ

   Электрическая энергия считается базовым видом энергии нашей цивилизации. Без нее невозможна нормальная жизнь современного общества. Работа телефона, радио, телевидения, бытовой и специальной аппаратуры, многих видов транспортных средств основана на применении именно электрической энергии [17]. Различным потребителям требуется электрическая энергия с различными параметрами. Бурное развитие средств связи, цифровых методов управления, передачи и обработки информации предъявляет все более жесткие требования к качеству электрической энергии и надежности электроснабжения. Поэтому устройства преобразования параметров электрической энергии также интенсивно развиваются. Успешно применявшиеся в системах электропитания низкочастотные преобразовательные устройства повсеместно вытесняются высокочастотными. При этом улучшаются энергетические, массообъемные и динамические характеристики преобразователей, снижается уровень помех, вносимых ими в питающую сеть переменного тока. Внедряется модульный принцип наращивания выходной мощности и развиваются системы электропитания с горячим резервированием. В преобразовательных модулях все шире используются микроконтроллеры для управления силовыми ключами, совершенствуются системы удаленного мониторинга электропитающих установок с занесением в энергонезависимую память всех параметров нештатных ситуаций.
   Такое направление развития электропреобразовательных устройств требует новых, интегральных подходов к их изучению и проектированию. Поэтому основное внимание в учебном пособии уделяется физическим принципам работы устройств, входящих в состав отдельных источников и систем электро

ВВЕДЕНИЕ

питания в целом. Рассматриваются тенденции их дальнейшего развития и взаимодействия с другими устройствами в современной радиоэлектронной аппаратуре.
   В конце каждого раздела приводятся типовые задачи с решениями, что позволит читателям более глубоко изучить дисциплину.
   Содержание учебного пособия основано на лекционных курсах, читаемых авторами более 20 лет в Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ) и Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ). Авторы благодарны рецензентам за ряд ценных замечаний, способствующих улучшению книги.

                И 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ





            1.1. Первичные источники



юбое предприятие связи, любые радиотехнические системы с точки зрения обеспечения электрической энергией могут быть представлены

в виде рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структура обеспечения электроэнергией

   На этом рисунке обозначено: НИН - первичный источник питания (преобразует неэлектрические виды энергии в электрическую); ВИП - вторичный источник питания (преобразует электрическую энергию к виду, удобному для потребителя нагрузки) и собственно нагрузка - радиоэлектронная аппаратура (РЭА).
   Рассмотрим коротко типы первичных источников. К ним обычно относят:
   1) химические источники;
   2)  солнечные батареи;
   3) топливные элементы;
   4)  термогенераторы;
   5) атомные батареи;
   6) электрические машины (постоянного и переменного тока).
   Химические источники (ХИТ - химические источники тока). Это сухие гальванические элементы, кислотные и щелочные аккумуляторы. Наибольшее распространение получили кислотные аккумуляторные батареи (АБ) [4]. Типовые зарядно-разрядные характеристики одного кислотного элемента показаны на рис. 1.2.
   В процессе разряда напряжение быстро уменьшается до 2 В, а затем медленно спадает до 1,8 В. Разряд ниже 1,8 В на один элемент нежелателен,

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

так как в нем начинаются необратимые процессы. Номинальным считается напряжение £7=2 В.


Р12. 1.2. Зарядно-разрядные характеристики кислотного элемента
   При заряде кислотного аккумулятора его напряжение быстро растет от 2,1 до 2,15 В, а затем медленно - до 2,4 В, т. е. восстановление активной массы аккумулятора закончено и начинается бурное выделение кислорода и водорода, заряд окончен. Для герметичных аккумуляторов это недопустимо, поэтому их помещают в специальный прочный корпус «панцирь», выдерживающий высокое давление, добавляют газопоглотители и строго соблюдают режим заряда. Номинальная емкость аккумулятора - количество электричества, которое может отдать аккумулятор при 10-часовом режиме разряда (Сщ), неизменных токе и температуре.
   Солнечные батареи. Их работа основана на вентильном фотоэффекте в полупроводниках (фотоЭДС на р-п-переходе). Под действием света электроны переходят на более высокий энергетический уровень, поддерживая ток во внешней цепи (рис. 1.3).
Максимальная чувствительность кремниевого (Si) фотоэлемента находится на границе инфракрасного (ИК) излучения (л ® 0,75 мкм). Селеновые (Se) фотоэлементы лучше согласуются по длине волны с солнечным светом и охватывают видимую часть спектра (0,4 мкм - фиолетовый цвет; 0,55 мкм - зеленый; 0,65 мкм - красный), что не всегда удобно. Поэтому используют кремний, который значительно шире распространен на Земле. Известно, что энергетическая освещенность Земли в Солнечной системе составляет на экваторе примерно 1 кВт/м². В средних широтах летом - около 300 Вт/м², зимой - примерно 80 Вт/м². Извлечь эту энергию можно при помощи кремниевых фотоэлементов

1.1. Первичные источники

11

с коэффициентом полезного действия 12.15% (теоретический КПД равен 22,5 %, у арсенид-галлиевых фотоэлементов теоретический КПД - 33,3 %). Для получения 5 В, 40 мА требуется около 12-15 фотоэлементов и о больших мощностях для промышленности речи пока не идет. Фотоэлементы используют на космических летательных аппаратах с поверхностью солнечных батарей в сотни квадратных метров, а также для зарядки АБ в местах, удаленных от населенных пунктов [6, 17].


Риз 1.3. Спектральные характеристики

   В настоящее время солнечная энергия является экзотической, и ее практическое использование - дело отдаленного будущего. Стоимость солнечных элементов составляет 2,5.3 долл/Вт, а стоимость электроэнергии 0,25.0,5 долл/кВт-ч. При использовании солнечных батарей возникает проблема суточного и сезонного накопления энергии, которая решается с помощью АБ.
   Топливные элементы (ТЭ). Преобразуют энергию химического топлива в электрическую энергию без реакции горения. Действие этих элементов основано на электрохимическом окислении углеводородного топлива (водород, пропан, метан, керосин) в среде окислителя. Другими словами, ТЭ представляют собой «неистощимые батарейки», к которым непрерывно подводятся топливо и окислитель (воздух).
   Различают следующие основные типы топливных элементов [34].
   ■    Фосфорнокислые. Их КПД составляет около 40 %, а при совместном использовании электричества и попутного тепла - около 80 %. Рабочая температура находится в пределах 180...230 °C. Эти ТЭ требуют некоторого времени

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

для выхода на рабочий режим при холодном старте, но отличаются простой конструкцией и высокой стабильностью. На базе этих элементов созданы энергоустановки мощностью сотни киловатт.
   ■    Твердополимерные. Они отличаются компактностью, высокой надежностью и экологической чистотой. КПД составляет примерно 45 %, рабочая температура - около 80 °C. В качестве топлива используется водород с катализаторами из платины и ее сплавов. Поэтому стоимость энергии относительно высокая. Тем не менее их уникальные качества создают хорошую перспективу для широкого применения.
   ■    ТЭ на расплавленном карбонате. Этот тип относится к высокотемпературным устройствам. Рабочая температура примерно 600...700 °C. В качестве топлива используется природный газ. КПД достигает 55 %. В связи с большим количеством выделяемого тепла успешно применяются для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии.
   ■    Твердооксидные. Здесь вместо жидкого электролита применяется твердый керамический материал, что позволяет достигать высоких рабочих температур 900...1000 °C. КПД - около 50 %, они могут работать на различных видах углеводородного топлива и используются в промышленных установках большой мощности.
   ТЭ имеют разную рабочую температуру и у каждого - своя область применения.
   Поскольку напряжение и ток единичного топливного элемента невелики (0,6...0,75 В при плотности тока до 500 мА/см²), для получения заданных характеристик топливные элементы соединяют в батареи. Для постоянного получения электроэнергии следует в батарею непрерывно подводить окислитель и топливо.
   Топливные элементы отличают высокая надежность (нет подвижных частей, как в двигателе внутреннего сгорания) и термостабильность, а удельная энергия вдвое выше, чем у аккумуляторных батарей. По этой причине в современных электромобилях используются именно топливные элементы.
   Термогенераторы. Их работа основана на термоэлектрическом эффекте -нагреве контакта двух проводников или полупроводников, что приводит к появлению на их свободных (холодных) концах некоторой ЭДС, называемой термоЭДС. Величина этой термоЭДС е = а(t₁ -t₂), где (t₁ -t₂) - разность температур холодного и горячего концов термопары; а - коэффициент термоЭДС, зависящий от материала термопары. Термоэлементы соединяют последовательно в батареи (рис. 1.4).

1.1. Первичные источники

13

   Видно, что величины термоЭДС довольно малы, а создать большую разность температур для металлов проблематично из-за их высокой теплопроводности, поэтому чаще используют полупроводники с ЭДС около 1 мВ/°С. Современные термогенераторы выпускают на напряжение до 120 В и ток до 500 А при общем КПД 10.. .12 %.

Горячие спаи t~ 500 °С

Рис. 1.4. Термобатарея:

а - общая схема термобатареи; б - величина термоЭДС некоторых термопар: 1 - платина и медь; 2 - платина и железо; 3 - медь и железо


   Атомные батареи. Принцип построения таких батарей известен из курса общей физики. Одним из электродов является радиоактивный изотоп, вторым электродом служит металлическая оболочка. Под действием излучения на электродах создается разность потенциалов в несколько киловольт при токе единицы миллиампер. Срок службы таких элементов - несколько лет. В настоящее время созданы низковольтные атомные батареи, работающие по принципу фотоэлементов, причем их излучение не превышает уровня общего фона.
   Электрические машины. Преобразуют механическую энергию движения (поступательного или вращательного) в электрическую и наоборот. Выпускаются на большой диапазон токов и напряжений. Электрические машины подразделяются на машины постоянного тока и машины переменного тока. При одинаковой мощности машины переменного тока имеют в 1,5.2 раза лучшие массообъемные показатели, чем машины постоянного тока. Поэтому 98 % электроэнергии в мире вырабатывается машинами переменного тока. Их недостатками считается присутствие акустических шумов, а наличие подвижных частей определяет надежность системы электроснабжения. Но инерци

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

онность электрических машин делает невозможными кратковременные провалы напряжения сети, что положительно сказывается на качестве электроснабжения.
   В зависимости от того, чем вращают генератор переменного тока, различают:
   а)    гидрогенераторы (привод от водяной турбины гидроэлектростанции). Это тихоходные генераторы большой мощности при скорости вращения до 1500 об/мин;
   б)    турбогенераторы (привод от паровой турбины тепловой электростанции). Это скоростные генераторы с числом оборотов в минуту до 3000 и более;
   в)    дизелъ-генераторы (привод от двигателя внутреннего сгорания бензинового или дизельного). Правильнее было бы называть двигатель-генераторная установка (ДГУ), но исторически называют «дизелем». Дизельные двигатели более неприхотливы, надежны и широко используются в резервных источниках электропитания на предприятиях связи, в радиопередающих и телевизионных центрах и для электроснабжения небольших населенных пунктов;
   г)    газогенераторы. Это двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе, которое по сравнению с другими сгорает при малом количестве воздуха без дыма и копоти. Его легко транспортировать на любые расстояния. Природный газ получают на газовых месторождениях, а попутный газ - на нефтепромыслах;
   д)    ветрогенераторы. Ветер - неиссякаемый источник энергии. Однако надежность такого электроснабжения зависит от силы ветра, и поэтому оно пригодно не во всех географических зонах. Ветрогенераторы выпускаются промышленностью мощностью от 200 Вт до 1000 кВт при необходимой скорости ветра от 6 до 14 м/с [21], но они создают акустические шумы, влияние которых на флору и фауну далеко не однозначно. В нашей стране широкого применения пока не нашли, хотя считаются перспективными;
   е)    биогенераторы. Генераторы, приводимые в действие мускульной силой человека. На первых полярных станциях «Северный полюс» зарядка аккумуляторных батарей для радиостанции проводилась «велотренажером», нагрузкой которого был автомобильный генератор постоянного тока. Если одна лошадиная сила равна примерно 730 Вт электрической мощности, то тренированный человек может вырабатывать примерно 50Вт в течение 10.. .15 мин (езда в гору на велосипеде!). Затем нужен отдых. Отсюда можно сделать вывод, что производство электрической энергии является далеко не легкой задачей.