Импульсные источники питания(ИИП), давно используемые в компьютерных блоках питания (БП), находят всё более широкое применение и в других областях бытовой электроники – от сварочных аппаратов и телевизоров до зарядных устройств мобильных телефонов и блоков питания слаботочных устройств. В последнее время ИИП повышенной мощности стали применяться как в лабораторных БП, так и в усилителях мощности звуковой частоты и в активных акустических системах.
Рассматриваемые в настоящей работе импульсный преобразователь предназначены для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения при стабилизации постоянного тока и представляет собой импульсную систему автоматического регулирования. Такие преобразовательные устройства включают в себя ключевой элемент, схему его управления, которая в процессе регулирования изменяет скважность импульсов на входе ключевого элемента (модулятор), и накопители энергии — дроссели и конденсаторы, которые играют роль сглаживающих фильтров (демодулятор).
Класс импульсных преобразователей, нашедших широкое применение в современных источниках питания радиоэлектронной аппаратуры, чрезвычайно многообразен и достаточно хорошо изучен. Импульсные преобразователи обладают малыми потерями в силовом регулирующем элементе и высоким к. п. д, достигающим 85 – 90%.
В данной работе ставится задача модернизировать рассматриваемый ИИП согласно технического задания.
Раздел 1. Анализ технического задания
1.1. Назначение и условия эксплуатации
1.1.1. Источник бесперебойного питания импульсный предназначен для питания низковольтных цепей приборов, устройств, систем, станций и другой аппаратуры с возможностью регулирования подающегося тока и напряжения.
1.1.2. Требованиями ТЗ установлено , что источник питания должен работать в лаборатории, рабочем цеху.
1.1.3. Источник питания должен быть выполнен в виде отдельно переносного блока
1.1.4. Первичный источник питания – сеть переменного тока 220В ± 10%, 50Гц.
1.1.5. Целью модернизации является сокращение элементной базы прибора, замена выводных элементов на SMD аналоги с сохранением выходных параметров.
1.1.6 Изделие предназначено для эксплуатации по ГОСТ 22261, стационарно , для работы в подземных и наземных сооружениях , группа 1 по ГОСТ 16019-78.
1.1.7. Группа климатического исполнения 2 по ГОСТ 22261: Среднее значение влажности 80% при 10°С, верхнее значение влажности 90% при 30°С. Верхнее значение атмосферного давления 106,7КПа (800мм.рт.ст.).
Устройства автоматического регулирования возбуждения синхронных машин
... путем изменения тока возбуждения генераторов станции, а также синхронных компенсаторов и двигателей системы электроснабжения. Эту задачу выполняют устройства автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронных машин. Устройства АРВ ... т.е. на шинах, от которых получают питание потребители: , (1.1) где UЭС - напряжение на шинах высшего напряжения электростанции; Р, Q - активная и реактивная ...
Нижнее предельное значение 70КПа (537мм.рт.ст.).
Температура воздуха : нижнее значение + 10°С , верхнее значение +35°С.
1.2. Требования к конструкции
1.2.1. Требования к конструкции определяются назначением устройства , требованиями безопасности использования , ремонтопригодностью
1.2.2. В целях безопасности , т.к. устройство питается от сети 220В,
в конструкции предусмотрено заземление , также предусмотрен блок плавких предохранителей в количестве 2 шт. в цепи первичного электропитания блока, включаемых в одну фазу провода сразу после тумблера «Сеть».
1.2.3. Изделие не должно создавать радиопомех другим устройствам , иметь надёжную изоляцию и заземление .
1.2.4. Питание от сети 220В±10В; 50±1Гц .
1.2.5. Наработка на отказ не менее 2500часов.
Раздел 2. Обзор импульсного источника питания Б5-71/1ПРО, его параметры и характеристики
Импульсный источник питания (ИИП) Б5-71/1-ПРО внесен в Государственный реестр средств измерений под № -09. Производитель источника питания Б5-71/1-ПРО — компания ПРОФИГРУПП (Россия).
Источник питания постоянного тока Б5-71-ПРО предназначен для воспроизведения напряжений постоянного тока, нормированных по стабильности и пульсациям, и измерения выходных напряжения и силы постоянного тока. Может применяться в лабораторных условиях при поверке средств измерений, ремонте и эксплуатации радиотехнических устройств.
Принцип действия заключается в следующем :Сетевое напряжение через сетевой фильтр подается на высоковольтный выпрямитель , где преобразуется в постоянное напряжение величиной порядка З00 В. Это высокое постоянное напряжение преобразуется с помощью высокочастотного регулируемого преобразователя в пониженное напряжение, величина которого зависит от режима работы и нагрузки прибора. Данное пониженное напряжение преобразуется в выходное напряжение с заданными параметрами, устанавливаемыми переменными резисторами на передней панели прибора.
Режим стабилизации автоматически устанавливается в зависимости от соотношения величины сигналов, пропорциональных выходному напряжению или току.
Формируемые источником питания электрические величины в соответствующем виде через выходной фильтр подаются на выходные клеммы прибора. Выходное напряжение и напряжение, снимаемое с датчика тока, поступают на схему индикации, где эти сигналы измеряются и значения измеренных величин в цифровом виде выводятся на светодиодные индикаторы , расположенные на передней панели .
Внешний вид изделия представлен на рисунках 2.1 и 2.2.
Основные технические характеристки источника питания приведены в таблице 1.
Таблица.2.1.
| Параметры | Значения |
| Диапазон установки выходного напряжения постоянного тока, В | 0,1 – 30 |
| Дискретность, В | 0,007 |
| Пределы абсолютной погрешности установки и измерения выходного напряжения в режиме стабилизации напряжения, В, не более | ±(0,002Uуст+0,1) |
| Нестабильность выходного напряжения при изменении напряжения питания от номинального значения 220 В на ±22В в режиме стабилизации напряжения, В, не более | ±(0,001Uмакс) |
| Нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки от 0,9 максимального значения до нуля в режиме стабилизации напряжения, В, не более | ±(0,001Uмакс+0,02) |
| Пульсация выходного напряжения в режиме стабилизации напряжения | эффективного значения, не более 2 мВ
амплитудное значение, не более 20 |
| Диапазон установки выходного постоянного тока, А | 0,01 – 10 |
| Минимальная дискретность установки силы тока, А | 0,005 |
| Пределы абсолютной погрешности установки и измерения выходного тока в режиме стабилизации тока, А, не более | ±(0,01Iмакс+0,05) |
| Нестабильность выходной силы тока при изменении напряжения питания на ±22В от номинального значения 220В в режиме стабилизации тока, А, не более | ± (0,001Iмакс+0,05) |
| Нестабильность выходного тока при изменении напряжения на нагрузке от 0,9 максимального значения до нуля в режиме стабилизации тока, А, не более | ±(0,001Iмакс+0,05) |
| Пульсация выходного тока в режиме стабилизации тока, мА эффективного значения, не более | 5 |
| Нестабильность выходного напряжения от времени (дрейф выходного напряжения) за 8 ч непрерывной работы и за любые 10 мин. из этих 8 ч, исключая время установления рабочего режима, В, не более | ±(0,001Uмакс+0,07) |
| Нестабильность выходного тока от времени (дрейф выходного тока) за 8 ч непрерывной работы и за любые 10 мин. из этих 8 ч, исключая время установления рабочего режима, А, не более | ± (0,001Iмакс+0,05) |
| Нестабильность выходного напряжения при изменении температуры на 10 °С в режиме стабилизации напряжения, В, не более | ±(0,002Uмакс+0,02) |
| Нестабильность выходного тока при изменении температуры на 10°С в режиме стабилизации тока, А | ±(0,002Iмакс+0,02) |
| Величина превышения тока или напряжения при переходе из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока и наоборот, А, В, не более | 0,1 |
| Время установления рабочего режима, мин, не более | 15 |
| Время непрерывной работы, час, не менее | 8 |
| Uуст. – установленное значение выходного напряжения, Uмакс. – максимальное выходное напряжение, Iмакс. – максимальный выходной ток | |
| Электропитание источника питания осуществляется от сети с номинальной частотой 50 Гц и номинальным действующим значением напряжения | 220 ±10% В |
| Максимальная потребляемая мощность | 650 В*А |
| Средняя наработка на отказ источника питания | 2500 ч |
| Средний срок службы источника питания до списания | 5 лет |
| Габаритные размеры источника питания, мм | 230 х 105 х 310 |
| Масса источника питания, кг | 3,0 |
Импульсный источник питания Б5-71/1-ПРО выполнен в виде отдельных блоков, которые собраны в один металлический короб (рис. 2.1 и 1.2).
Вход для питания расположен с тыльной стороны прибора (рис. 2.2).
Выход сигнала расположен в виде малогабаритных высокочастотных разъемов (рис. 2.1) с маркировкой «+», «-» и «земля. С этой стороны панели расположен выключатель прибора и серия кнопок для регулирования выходного тока или напряжения. С тыльной стороны прибора расположены предохранители и разъем типа RS232, для возможности подключения внешних устройств отображения и контроля параметров импульсного источника питания Б5-71/1-ПРО.
Возможности источника питания постоянного тока импульсный Б5-71/1-ПРО:
- Регулируемые импульсные источники питания с высокостабильными выходными характеристиками,
- Цифровая индикация установленного и реального значения, напряжения и тока (4 разряда, LED),
- Электронное включение/выключение нагрузки,
- Защита от перегрузки, короткого замыкания, перегрева и переполюсовки,
- Низкая пульсация выходного напряжения менее 2 мВ,
- Низкая пульсация выходного тока менее 5 мА,
- Минимальная дискретность установки выходного напряжения и тока 0,007/0,005,
- Режимы работы: стабилизация U и I, динамическая нагрузка,
- Интерфейс RS-232.
Раздел 3. Оценка проблемной ситуации обеспечения необходимого уровня функциональности рассматриваемого источника питания
Обычно требования к уровню шума, скажем охлаждающего вентилятора, а также электромагнитных помех для компьютерных блоков питании, зарядных устройствах не очень высокие. Для лабораторных устройств, таких как Б5-71/1-ПРО они намного выше. Это часто приводит к отказу от использования блоков типа Б5-71/1-ПРО и возвращению к традиционным блокам питания на основе обычных трансформаторов. Это происходит потому, что при конструировании блоков типа Б5-71/1-ПРО используются устаревшие магнитные материалы и старая элементная база. Сердечники трансформаторов из ферритов М2500НМС1 или М2000НМ которые обладают высокими потерями. Сердечники дросселей изготавливают в помехоподавляющих фильтрах (LC) из альсифера или Мо-пермаллоя, которые имеют малое значение индукции насыщения, меньше 0,5 Тл при рабочей частоте не выше 70 кГц. Также блоки типа Б5-71/1-ПРО обычно изготавливают или по схеме прямо-ходового преобразователя, основанного на полу-мостовой схеме, или по схеме обратно-ходового преобразователя. Обе топология не дают возможность получить высоко стабильное напряжение на выходе при малом уровне пульсаций. Многие эксперты считают, что при конструировании блока типа Б5-71/1-ПРО по двухступенчатой схеме с распределённым вторичным линейным стабилизатором напряжения и первичным ИИП озвученные выше проблемы можно исключить.
Раздел 4. Конструктивная часть
4.1 Разработка и выбор структурной схемы устройства Б5-71/1 ПРО
В предлагаемом блоке типа Б5-71/1-ПРО (рис. 2.1) многие проблемы должны быть решены. Это дает возможность изготовить высокоэффективный и мощный ИИП со высоко стабилизированным выходным напряжением при низком уровне пульсации. Структурная схема предлагаемого блока представлена на рисунке 2.1.
4.2 Разработка компьютерной модели разрабатываемого устройства
Современные вторичные источники электропитания строятся по принципу преобразования энергии. Их совершенствование идёт по пути увеличения частоты преобразования [1].
Ведущие зарубежные фирмы выпускают импульсные источники питания (ИИП) с рабочей частотой до 1 МГц, промышленность России освоила ИИП только до частоты 150 кГц, поэтому развитие этого направления является актуальной задачей.
На кафедре «Электроснабжение» Ульяновского Государственного Технического университета разработан пакет программ, который позволяет проектировать ИИП с частотой преобразования от 10 кГц до 1 МГц двух типов: на основе прямо ходового инвертора и на основе обратно ходового инвертора, и отображать их электрические характеристики. В пакет входят программы, проектирующие силовые трансформаторы трёх типов: кольцевые, броневые и планарные. Следует отметить, что планарная конструкция трансформаторов предназначена для работы на повышенных частотах, так как она характеризуется малыми потерями энергии, поскольку её обмотка имеет «конденсаторную» структуру – представляет собой совокупность тонкоплёночных печатных плат. В России серийное производствосиловых планарных трансформаторов и дросселей отсутствует, хотя в начале 90-х годов такие исследования велись и финансировались государством, и которые прервались в связи с известной социальнополитической обстановкой.
В настоящий пакет программ заложены: база данных для четырёх типов магнитопроводов (кольцевые, Ш-образные, броневые типа КВ и планарные типа ЕП); база данных четырёх видов обмоточных проводов (ПЭВ-1, ПЭВ-2, ПЭВТ-1, ПЭВТ-2); параметры математической модели нескольких материалов ферромагнетиков (ферриты: 1000 НМ, 1500 НМ-3, 2000 НМ-1, 3000 НМС и магнитодиэлектрик МП-140).
Алгоритмы компьютерной модели определяют электрические, магнитные и тепловые режимы ИИП. Сердцем алгоритмов является ряд эффективных математических моделей, полученных автором в [2].
К ним относится модель, отображающая статические и динамические семейства характеристик ферромагнетиков, как на симметричных гистерезисных циклах, так и на частных циклах. Такая модель характеризуется пятью настроечными коэффициентами, которые определяются из задачи идентификации для каждого материала ферромагнетика по определённым экспериментальным характеристикам. Из этого ряда также важно отметить тепловую математическую модель трансформатора и математическую модель высокочастотных потерь энергии в многослойных структурах, адекватность и точность которых можно гарантировать прошедшей апробацией на опытах. Этот успех предварялся системными теоретическими положениями и оригинальными методологическими подходами, сведения о которых можно найти в [2].
Например, математическая модель ферромагнетика строилась на базе линейных дифференциальных уравнений, а тепловые модели на основе принципов электромоделирования посредством узловых уравнений с внезаимными матрицами тепловых проводимостей.
Адекватность компьютерной модели установлена сопоставлением с параметрами и характеристиками опытного образца ИИП, работающего на частоте преобразования 200 кГц. Этот источник питания обладает высокими для своего класса характеристиками. Например, его кпд при уменьшении выходной мощности в три раза не менее 75%.
1
