Гарматюк С. С., Панычев А. И.
Устройства электропитания: Учебное пособие
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Рекомендовано УМО по образованию в обтасти телекоммуникаций в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений обучающихся по специальностям
201100 - Радиосвязь радиовещание и телевидение,
201200 - Средства связи с подвижными обьектами
201800 - Защищенные системы связи
Гарматюк С.С., Панычев А.И. Устройства электропитания: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004.
В пособии рассмотрены свойства ферромагнитных материалов, дросселей, трансформаторов, выпрямите пей, сглаживающих фильтров, стабилизаторов, преобразователей напряжения, первичных источников электрической энергии и электрических машин, а также вопросы электропитания объектов телекоммуникаций, электромагнитной совместимости и защиты устройств электропитания. Пособие соответствует учебным планам студентов, обучающихся по направлениям «Телекоммуникации» и «Радиотехника».
Пособие способствует повышению эффективности самостоятельной работы студентов вузов, а также содержит библиографический список с аннотациями.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Таганрогского государственного радиотехнического университета.
Рецензенты:
Кафедра электропитания устройств и систем связи Московского технического университета связи и информатики, заведующий кафедрой М.Ф.Колканов.
В.А. Деминский, канд. техн. наук, доцент МТУ СИ.
В.В. Байлов, канд. техн. наук, доцент, академик МАИ, начальник сектора ФГУП «ТНИИС».
В.В. Гармаш, начальник лаборатории ФГУП «ТНИИС».
© Таганрогский государственный радиотехнический университет, 2004
© Гарматюк С.С.. 2004
© Панычев А.И., 2004
Содержание учебника
Устройства электропитания
Предисловие
Введение
1. Ферромагнитные материалы
1.1. Свойства ферромагнитных материалов
1.2. Выбор материала сердечников дросселей и трансформаторов
2. Дроссели
2.1. Назначение, классификация и устройство дросселей
2.2. Эквивалентные схемы дросселей
2.3. Расчет индуктивности дросселя с зазором в сердечнике
2.4. Индуктивность дросселя при подмагничивании сердечника
2.5. Принцип действия магнитных усилителей
3. Трансформаторы
3.1. Назначение и классификация трансформаторов
3.2. Устройство и принцип действия обмоточных трансформаторов
3.3. Эквивалентные схемы и правила пересчета параметров трансформаторов
3.4. Эквивалентные схемы трансформаторов для частных случаев
3.5. Измерение параметров эквивалентной схемы трансформатора
3.6. Процессы в сердечниках трансформаторов
3.7. Автотрансформаторы
3.8. Проектирование и расчет трансформаторов
3.9. Пьезоэлектрические, широкополосные и планарные трансформаторы
4. Выпрямители
4.1. Назначение, структурные схемы и классификация выпрямителей
4.2. Параметры выпрямителей
4.3. Характеристики и параметры электрических вентилей
4.4. Схемы и свойства неуправляемых выпрямителей без фильтра
4.5. Схемы и свойства неуправляемых выпрямителей с емкостным фильтром
4.6. Схемы и свойства неуправляемых выпрямителей с индуктивным фильтром
4.7. Зависимость тока вентиля от типа фильтра
4.8. Выпрямители с умножением напряжения
4.9. Выпрямители напряжения прямоугольной формы
4.10. Назначение и классификация регулирующих устройств
4.11. Управляемые выпрямители
5. Сглаживающие фильтры
5.1. Назначение, параметры и классификация сглаживающих фильтров
5.2. Расчет простых пассивных фильтров
5.3. Активные фильтры
5.4. Переходные процессы в выпрямителе с фильтром
6. Стабилизаторы напряжения и тока
6.1. Назначение, параметры и классификация стабилизаторов
6.2. Параметрические стабилизаторы
6.3. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов напряжения
6.4. Компенсационные линейные стабилизаторы
6.5. Компенсационные ключевые стабилизаторы
7. Преобразователи переменного и постоянного тока
7.1. Структурные схемы, классификация и параметры преобразователей
7.2. Назначение, параметры и принцип действия инверторов
7.3. Транзисторные инверторы
7.4. Тиристорные инверторы
7.5. Преобразователи частоты
7.6. Конверторы
7.7. Способы снижения уровня помех преобразователей
7.8. Защита элементов преобразователей от перенапряжений
8. Структурные схемы и элементная база источников вторичного электропитания
8.1. Традиционные и современные структурные схемы
8.2. Корректор коэффициента мощности
8.3. Элементная база источников электропитания
9. Первичные источники электрической энергии
9.1. Назначение и классификация первичных источников энергии
9.2. Химические источники тока
9.3. Преобразователи неэлектрических видов энергии в электрическую
10. Электрические машины
10.1. Назначение и классификация электрических машин
10.2. Электрические машины постоянного тока
10.3. Электрические машины переменного тока
10.4. Включение трехфазного электродвигателя в однофазную сеть
10.5. Специальные электрические машины
10.6. Микродвигатели и информационные микромашины
11. Источники бесперебойного питания
11.1. Назначение, классификация и параметры источников бесперебойного питания
11.2. Сравнительная оценка источников бесперебойного питания
12. Электропитание объектов телекоммуникаций
12.1. Общие вопросы электропитания систем телекоммуникаций
12.2. Системы первичного электропитания систем телекоммуникаций
12.3. Системы вторичного электропитания систем телекоммуникаций
12.4. Электропитание систем спутниковой связи и вещания
12.5. Электропитание абонентского оборудования систем телекоммуникаций
13. Электромагнитная совместимость устройств электропитания
13.1. Проблема электромагнитной совместимости
13.2. Источники и классификация электромагнитных помех
13.3. Средства подавления электромагнитных помех
Заключение
Библиографический список
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Радиотехника» и «Телекоммуникации» и изучающих «Электротехнические устройства», «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» и другие родственные дисциплины.
В пособии наряду с классическим учебным материалом приведены сведения о новейших схемотехнических реагениях в области силовой электроники и современной элементной базе, позволяющих принципиально улучшить технико-экономические показатели источников электропитания. Рассмотрены свойства перезаряжаемых гальванических элементов, литиевых аккумуляторов, планарных трансформаторов, MOSFET-и IGBT-транзисторов, корректоров коэффициента мощности и т.п.
В отличие от большинства существующих учебников данное пособие имеет гораздо меньший объем. В современных условиях дефицита учебного времени это должно способствовать повышению эффективности самостоятельной работы студентов, поскольку к моменту знакомства с устройствами электропитания многие студенты еще не умеют разделять материал на главный и второстепенный. С той же целью предусмотрена возможность применения данного пособия при выполнении лабораторных работ на унифицированных лабораторных стендах, используемых в вузах России с 2001 года.
В процессе самостоятельной работы каждый студент в соответствии с индивидуальными особенностями может выработать свои наиболее эффективные приемы изучения материала. Ниже даны лишь общие рекомендации по организации умственной деятельности, Самым хорошим стимулом для учения является интерес, который вызывает изучаемый материал, а лучшей наградой за интенсивную умственную деятельность -удовлетворенность, доставляемая такой деятельностью.
Интерес к изучаемому предмету определяется любознательностью и тем, насколько важен изучаемый материал для науки, практики, будущей инженерной деятельности. Только тогда можно чего-то достичь, когда захочешь этого сам.
Изучение материала лучше всего вести в два этапа:
• беглое чтение материала всей темы с целью выделения основных вопросов;
• чтение с проработкой; на этом этапе надо понять весь материал и научиться доказывать ответы на основные вопросы по разделам курса.
Рассматривая математические преобразования, следует иметь в виду, что математика подобна жерновам: если засыпать в жернова хорошее зерно, будет отличная мука. Поэтому обратите внимание на «зерно» - уясните физический, технический и логический смысл решаемой задачи. Основное внимание уделите постановке задачи, мотивировке допущений и упрощений, анализу полученных результатов.
Многие вопросы, лишь кратко упомянутые в пособии, представляют существенный интерес. Для заинтересованного читателя приведен библиографический список. Этот "список включает лишь основные работы по устройствам электропитания за последнюю четверть века. Авторы приносят извинения тем, чьи работы незаслуженно остались неназванными. Для удобства использования библиографический список сформирован в хронологическом порядке и снабжен краткими аннотациями. В некоторых из книг приведена обширная библиография, что и указывается отдельно.
При изучении конкретных вопросов рекомендуется использовать небольшое число книг. Использование многих книг обычно более трудоемко вследствие некоторых различий в обозначениях, допущениях и стиле изложения.
ВВЕДЕНИЕ
Любая электронная схема - от простых схем на транзисторах и операционных усилителях до сложнейших цифровых и микропроцессорных систем -требует для своей работы одного или нескольких источников электропитания.
Свойства источников электропитания и вообще электротехнических устройств существенно отражаются на свойствах радиотехнических систем. Прежде всего это относится к массогабаритным показателям (часто источники питания составляют более половины массы и объема аппаратуры), а также к надежности функционирования Неисправности или неправильная работа источника электропитания приводят к отказу в работе радиоэлектронной системы Важными являются также вопросы электромагнитной совместимости источников питания и радиоаппаратуры. Именно по этим причинам проектирование источников электропитания проводят радиоинженеры Дисциплины «Электротехнические устройства», «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» и другие являются одними из первых инженерных дисциплин и обеспечивают подготовку радиоинженера в области силовой электроники.
Состав электротехнических устройств
Электротехнические устройства (ЭТУ) можно разделить на три группы
- устройства, непосредственно входящие в радиотехническую систему (системы электроприводов, переключающая и логическая аппаратура, дроссели, импульсные трансформаторы, датчики положения и др);
- устройства электропитания, обеспечивающие работоспособность радиоаппаратуры (дроссели, трансформаторы, выпрямители, сглаживающие фильтры, стабилизаторы, преобразователи, электромашинные генераторы, первичные источники питания и др.);
- устройства управления радиотехническими системами, защиты аппаратуры и источников электропитания от перегрузок и коротких замыканий, сигнализации и обеспечения надежности работы.
Основу ЭТУ составляют устройства электропитания, являющиеся неотъемлемым элементом любого радиотехнического устройства Они делятся на первичные источники электропитания (ПИЭП) и источники вторичного электропитания (ИВЭП).
В ПИЭП происходит преобразование неэлектрических видов энергии (механической, тепловой, химической, световой и т.д.) в электрическую энергию. ПИЭП могут преобразовывать исходную энергию в электрическую не только непосредственно, но и с использованием некоторого промежуточного вида энергии.
ИВЭП - это устройство, предназначенное для преобразования электроэнергии ПИЭП и непосредственного обеспечения электроэнергией радиоэлектронной аппаратуры.
В общем случае в ИВЭП осуществляются следующие преобразования электроэнергии трансформация (изменение переменного напряжения и тока, формы или фазности сигнала); выпрямление (преобразование переменного напряжения в пульсирующее); фильтрация (уменьшение переменной составляющей выпрямленного напряжения); инвертирование (преобразование постоянного напряжения в переменное); регулирование (изменение некоторого параметра электроэнергии по заданному закону, частный случай автоматического регулирования - стабилизация); изменение частоты переменного тока (обычно повышение).
История развития ЭТУ начинается с 1895 года, когда А.С. Попов разработал радиосистему. Приблизительно с 1950 года начинается новейший период развития ЭТУ, характеризуемый широким внедрением полупроводников приборов и химических источников тока, микроминиатюризацией аппаратуры, повышением ее КПД, надежности, снижением габаритов и массы, внедрением микропроцессорной техники и т.п.
В настоящее время в нашей стране действуют сотни миллионов мобильных телефонов, пейджеров, компьютеров, радиостанций, плееров, магнитофонов, радиоприемников, телевизоров и других приборов. Суммарная мощность, потребляемая только радиовещательными и телевизионными устройствами, составляет более 10 млн кВт. Доля капитальных затрат на электропитающие устройства крупных узлов связи может достигать 40 %. Габариты и масса большинства устройств телекоммуникаций определяются источниками питания. Плотность энергии на единицу объема современных устройств электропитания может составлять 100... 150 Вт/дм3 и ограничивается условиями обеспечения теплового баланса. Поэтому снижение потерь мощности, стоимости, габаритов и массы источников электропитания в настоящее время является одной из наиболее важных проблем.
Микроминиатюризация радиотехнических устройств выдвигает задачу комплексной миниатюризации ЭТУ, поскольку их доля в общем объеме и массе радиотехнических систем в отдельных случаях достигает 80%.
Технические требования, предъявляемые к ЭТУ можно разделить на две группы:
- электрические требования (входное и выходное напряжения, ток нагрузки, частота сети, КПД, коэффициент стабилизации и т.п.);
- требования общего характера (габариты, масса, надежность, стоимость, условия эксплуатации и т.п.).
Технические требования, предъявляемые к ЭТУ, должны быть оптимальными. Неполные или слишком мягкие требования могут привести к разработке устройства, которое не будет вполне отвечать своему назначению. Наоборот, слишком жесткие требования приводят к ненужным трудностям при разработке, удлиняют ее сроки и т.п.
Скачать учебник Устройства электропитания. Таганрог: Изд-во Таганрогского государственного радиотехнического университета, 2004
|
