МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Забайкальский государственный университет»
(ФГБОУ ВО «ЗабГУ»)
Факультет Энергетический
Кафедра Физики и техники связи
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине: «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций»
Вариант № 9
Выполнил:
ст. гр. ТКз-17
Дегтярев Павел Алексеевич.
Проверил:
Доцент: Дружинин А.П.
Чита 2021
Содержание
Введение
Задание №1. Трансформаторы, принципы действия устройства
Задание №2. Стабилизаторы постоянного напряжения с импульсным регулированием
Задание №3. Резервирование энергии на предприятиях связи. Понятие электроустановки (ЭП) и электропитающей установки (ЭПУ), требования к ним
Список источников
Введение
Предметом изучения в контрольной работе являются системы электропитания предприятий связи. Основные задачи включают изучение трансформаторов, принцип действия, а также системы электропитания предприятий связи и их состав; основные источники электроснабжения, принципы преобразования электрической энергии, вопросы резервирования и надёжности в системах электропитания. Так как современная аппаратура связи, обеспечивающая эффективную работу всех подразделений, предъявляет жёсткие требования к устройствам электропитания. Несоблюдение требований в отношении надёжности, стабильности напряжения, величины пульсации и т.п. может привести к нарушению связи и управления технологическими процессами, поэтому роль электроустановок и организации бесперебойного электропитания в обеспечении чёткой и безаварийной работы.
трансформаторы электропитание связь
Задание № 1
В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Это явление предполагает наличие переменного магнитного поля. Для создания магнитного поля служит магнитная цепь. Поэтому основой устройства трансформатора является магнитная цепь, которая представляет из себя магнитопровод с электрическими обмотками.
Электромагнитная схема простейшего идеального трансформатора показана на рис.1. В таком трансформаторе магнитопроводом может быть прямоугольный ферромагнитный сердечник, на котором размещены две электрические обмотки. Каждая из обмоток имеет определенное количество витков (w1 и w2), охватывающих стержни магнитопровода.
Рис.1. Электромагнитная схема идеального трансформатора
Обмотка с числом витков w1 называется первичной обмоткой и подключается к зажимам A-N источника электроэнергии переменного напряжения U&1.
Обмотка с числом витков w2 называется вторичной. К зажимам вторичной обмотки подключается приемник электроэнергии с сопротивлением Zп.
Под действием переменного напряжения U&1 источника в первичной обмотке возникает первичный ток I&1. Этот ток, замыкаясь по виткам первичной обмотки, создает переменную магнитодвижущую силу (МДС) в магнитной цепи трансформатора. Под действием МДС возникает переменное магнитное поле.
При этом магнитный поток Ф& , замыкаясь по ферромагнитному сердечнику, пронизывает все витки обеих обмоток. Согласно закону электромагнитной индукции переменный магнитный поток Ф& , пронизывая витки обмоток, индуктирует в каждом из них ЭДС индукции е. Положительное направление ЭДС одного витка е соотносится с направлением магнитного потока как обозначено на рис.1. При этом ее величина определяется скоростью изменения магнитного потока:
e&= dФ&. (3) dt
Тогда в первичной обмотке с числом витков w1 создается ЭДС индукции E&1, пропорциональная числу витков w1:
E&1 =e&w1 , (4)
а во вторичной обмотке с числом витков w2 создается ЭДС E&2, пропорциональная числу витков w2 :
E&2 =e&w2. (5)
Вторичная ЭДС E&2 определяет напряжение на зажимах вторичной обмотки U&2, к которой подключен приемник, и ток приемника (вторичный ток) I&2. Таким образом, приемник потребляет от трансформатора электрическую энергию.
Соотношение по величине между первичным и вторичным напряжениями называется коэффициентом трансформации:
kТ = U1/U2. (6)
Для того, чтобы определить это соотношение запишем уравнения по II закону Кирхгофа для электрических контуров первичной и вторичной цепей, обозначенных на рис.1 пунктиром.
U&1 = E&1 , (7)
U&2 = E&2. (8)
Уравнения (7), (8) называют уравнениями электрического состояния идеального трансформатора. Исходя из этих уравнений и с учетом (4) , (5) коэффициент трансформации
kТ = U1/U2 = E1 / E2 = е w1 / е w2 = w1 / w2 , (9)
т.е. коэффициент трансформации определяется соотношением числа витков первичной и вторичной обмоток.
Если число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной (w2< w1), вторичное напряжение меньше первичного (U2 < U1), коэффициент трансформации kТ > 1, и такой трансформатор называют понижающим трансформатором. Если число витков вторичной обмотки больше, чем в первичной (w2 > w1), вторичное напряжение больше первичного (U2 > U1) , коэффициент трансформации kТ < 1, и такой трансформатор называют повышающим трансформатором. Трансформатор с одинаковым числом витков в обеих обмотках обладает коэффициентом трансформации kТ =1. Такой трансформатор называют разделительным.
Таким образом, трансформатор посредством магнитной связи двух обмоток в магнитной цепи преобразует электрическую энергию источника с напряжением U1 в электрическую энергию, отдаваемую приемнику с напряжением U2.
При этом вторичное напряжение
U2 = U1 / kТ. (10)
Например, трансформатор, имеющий номинальное первичное напряжение U1ном = 220В, число витков первичной обмотки w1 = 1300 витков и число витков вторичной обмотки w2 = 213 витков, обладает коэффициентом трансформации kТ = 1300 / 213 = 6,1 (понижающий трансформатор) и создает вторичное напряжение U2 = 220 / 6,1 = 36В.
Для обозначения трансформатора в электрических схемах используют его условное графическое обозначение, показанное на рис.2.
а б
Рис.2. Условное графическое обозначение трансформатора в схемах электрических цепей (а - развернутое, б - упрощенное)
Задание № 2
Выходное напряжение линейных стабилизаторов обычно меньше Uвх на величину падения напряжения на регулирующем элементе. КПД непрерывных стабилизаторов мал (2575 %), так как на регулируемом элементе рассеивается значительная мощность. В импульсных стабилизаторах регулируемое сопротивление заменяется ключом. В качестве ключа обычно применяют транзистор, который периодически переходит из закрытого состояния в открытое и наоборот, подсоединяя или отсоединяя нагрузку, и тем самым регулируя среднюю мощность, забираемую ею от источника. Величина Uвых зависит от соотношения длительности открытого и закрытого состояний ключа. Частота переключений регулируемого элемента от единиц до сотен кГц, поэтому сглаживание пульсаций достигается малогабаритным фильтром, включенным после регулируемого элемента. Так как потери мощности в ключе малы, КПД достигает 0,850,95 при относительной нестабильности 0,1%.
Функциональная схема понижающего импульсного стабилизатора приведена на рис 2.
Рис. 2
В схеме управления СУ сравнивающее устройство, ИОН источник опорного напряжения, ИУ импульсное устройство.
Регулируемый транзистор VT работает в режиме переключений и соединен последовательно с сопротивлением нагрузки Rн. Дроссель и конденсатор образуют сглаживающий фильтр для сглаживания пульсаций Uвых. Диод VD включен в обратном направлении.
Сигнал ошибки, возникший из-за дестабилизирующих факторов, подается со схемы сравнения, которая содержит ИОН, на вход ИУ. В ИУ происходит преобразование медленно меняющегося постоянного напряжения в последовательность импульсов. Если ИУ создает на своем выходе импульсную последовательность с постоянным периодом повторения и с меняющейся в зависимости от сигнала ошибки длительностью импульса tи, то схему называют стабилизатором с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), если tи = const, а меняется частота, то это стабилизатор с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ). Если же ИУ замыкает ключ при Uвых <Uпор и размыкает при Uвых > Uпор, то такую схему называют релейным или двухпозиционным стабилизатором. VT, VD, L, C образуют силовую цепь, а СУ, ИУ и ИОН цепь управления.
Работа стабилизатора (рис.3). При подаче Uвх VT открыт и ток через дроссель поступает в Rн. Конденсатор заряжается в течение tи. Относительная длительность импульса и/T.UL= Uвх-Uвых. Когда Uн Uнmax, в цепи ООС вырабатывается такой управляющий сигнал, который запирает VT и ik=0. В дросселе возникает противо-ЭДС, препятствующая снижению тока, что способствует отпиранию диода. Энергия, запасенная в фильтре, поступает в Rн. iд протекает через дроссель, С, Rн, VD. При уменьшении iд уменьшается Uн и когда Uн Uн.мин, схема управления вырабатывает отпирающий сигнал, VT открывается, пропуская ток в нагрузку. iL=i н=ik+iд. Uвых сохраняет заданный средний уровень Uн. Из равенства нулю постоянной составляющей напряжения на дросселе следует:
T( Uвх Uвых)=(T T) Uвых, откуда Uвых=Uвх.
Рис. 3
Принцип действия стабилизатора с ШИМ иллюстрирует рис.4 Частота переключения регулируемого транзистора постоянна. Изменяется соотношение между длительностями открытого и закрытого состояний регулирующего транзистора. На вход сравнивающего устройства (компаратора) подаются два сигнала, один из которых UГПН поступает с генератора пилообразного напряжения, а второй с выходного делителя. Переключение транзистора будет происходить в момент равенства этих сигналов. При увеличении Uвх возрастает KUвых, (K - коэффициент деления выходного делителя) что вызывает уменьшение длительности открытого состояния транзистора и соответствующее уменьшение Uн. По сравнению с релейным стабилизаторы с ШИМ более сложны и содержат большее число элементов.
Рис. 4
В стабилизаторе с ЧИМ tи =const , а частота изменяется. Недостатки такого стабилизатора: сложность схемы управления, обеспечивающей изменение частоты в широких пределах; уменьшение коэффициента сглаживания при уменьшении частоты. В стабилизаторах с ШИМ можно подобрать оптимальную частоту, при которой КПД наибольший.
В стабилизаторах с ЧИМ и ШИМ пульсации выходного напряжения меньше. В релейном стабилизаторе Uвых~ принципиально не может быть равна нулю, так как периодическое переключение триггера в схеме управления возможно при изменении Uн в пределах от U н.макс до Uн.мин.
Импульсный стабилизатор с параллельным включением транзистора
Рис. 5
В импульсном стабилизаторе с параллельным включением транзистора (рис.5) VT открыт в течение tи =T, UL Uвх, в дросселе накапливается энергия, а конденсатор разряжается на нагрузку. При запирании транзистора в дросселе наводится ЭДС самоиндукции.
Uвых = Uвх +UL. Под действием этого напряжения открывается диод и конденсатор заряжается. Напряжение на дросселе UL=Uвых- Uвх. Постоянная составляющая напряжение на дросселе равна нулю, поэтому
Uвх T = (Uвых х Uвх)(T T), Откуда Uвых = Uвх /(1 ).
Это стабилизатор повышающего типа.
Рис. 6
В инвертирующем стабилизаторе (рис.6 ) при открытом VT в течение T в дросселе запасается энергия, UL= Uвх, конденсатор разряжается на нагрузку. При закрытом VT в дросселе индуцируется ЭДС с обратным знаком. UL= Uвых в течение T-T. Конденсатор заряжается от дросселя через открытый диод. Так как постоянная составляющая напряжения на дросселе равна нулю,