Разработка системы резервного электропитания

Разработка системы резервного электропитания

Министерство Образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Гомельский государственный дорожно-строительный колледж имени Ленинского комсомола Белоруссии»

Отделение «ЭВС»

Специальность 2-400202 гр. ЭВС-41

Допущен к защите

Заведующей отделением

Глухова И.В.

«____»__________2008г.

Пояснительная записка

дипломного проекта

Разработка системы резервного электропитания

Специальность 2-400202 «Электронные вычислительные средства»

Учащийся-дипломник

группы ЭВС-41

Губатая О.В.

Руководитель

Минин Д.С.

Консультант по

экономическому разделу

Исакович О.В.

Гомель 2008

1.1 Назначение и области применения

В нормальных условиях переключатель подает входное переменное напряжение непосредственно на выход. При исчезновении входного напряжения, схема управления системой резервного электропитания подключает (с помощью переключателя) выходной источник питания к сети. В результате в нормальных условиях источник питания отключён, т.е. система резервного электропитания не перегревается, полная нагрузка входного источника уменьшается, а стоимость системы резервного электропитания резко падает. Ёмкость аккумуляторов определяет время поддержания напряжения при его исчезновении в сети.

Управление аккумуляторной батареей. Система резервного электропитания следит за емкостью аккумуляторной батареи и уровнем ее зарядки. Она подает сигнал тревоги при разрядке аккумуляторов и выдает сообщение если нужно заменить аккумуляторы.

1.2 Разработка структурной схемы

Разработка структурной схемы является начальным этапом проектирования любого электронного устройства.

Структурной называется схема, которая определяет основные функциональные части изделия и связи между ними. Структурная схема лишь в общих чертах раскрывает назначение устройства и его функциональных частей, а также взаимосвязи между ними, и служит лишь для общего ознакомления с изделием.

Составные части проектируемого устройства изображаются упрощенно в виде прямоугольников произвольной формы, т. е. с применением условно-графических обозначений. Внутри каждого прямоугольника, функционального узла устройства, указаны наименования, которые очень кратко описывают предназначение конкретного блока.

На основании выполненного аналитического и согласно перечня выполняемых функций разработанное устройство содержит в своем составе:

понижающий трансформатор;

аккумулятор с напряжением 24 В;

преобразователь постоянного напряжения 24В в переменное 220 В/50 Гц;

зарядное устройство для аккумулятора;

- схемы сравнения уровней напряжения;

- блок управления.

Исходя из этого функциональная схема системы резервного электропитания имеет вид в соответствии с рисунком 2.1.

Рис.12.1 Структурная схема устройства

Назначение блоков следующее:

- выпрямитель - включает в себя понижающий трансформатор и зарядное устройство для аккумулятора, величина выходного напряжения на выходе блока +29В;

- аккумулятор- обеспечивает постоянное напряжение +24В в аварийном режиме, которое затем преобразуется в переменное 220В, а так же является источником напряжения для стабилизатора в аварийном и нормальном режиме;

- стабилизатор- обеспечивает постоянное напряжение питания +5В для микросхем устройства, также является источником опорных напряжений для схем компараторов;

- инвертор - преобразует постоянное напряжение аккумулятора +24В в переменное 220В частотой 50 Гц в аварийном режиме;

- компаратор 1- выполняет сравнение уровня напряжения с выхода выпрямителя и аккумулятора, в случае, если напряжение на аккумуляторе больше - вырабатывается управляющий сигнал, который соответствует аварийному режиму (напряжение сети меньше допустимого значения);

- компаратор 2 - выполняет сравнение уровня напряжения с выхода аккумулятора и фиксированного значения Uоп2, в случае, если напряжение на аккумуляторе меньше - вырабатывается управляющий сигнал, который соответствует режиму разряженного аккумулятора (напряжение аккумулятора меньше допустимого значения);

- компаратор 3 - в аварийном режиме выполняет сравнение уровня пониженного напряжения с выхода инвертора и фиксированного значения Uоп3, в случае, если напряжение на выходе инвертора меньше - вырабатывается управляющий сигнал, который соответствует режиму при котором ИБП не обеспечивает заданное значение на выходе источника (напряжение источника меньше допустимого значения);

- ключ 1 - обеспечивает коммутацию сети и нагрузки в нормальном режиме;

- ключ 2 - обеспечивает коммутацию аккумулятора и нагрузки в аварийном режиме;

- блок управления - обрабатывает управляющие сигналы с выходов компараторов и в зависимости от состояния компаратора 1 - управляет ключами 1 и 2, переходя в аварийный режим работы и индикатором “Аварийный режим”; состояния компаратора 2 - управляет индикатором “Аккумулятор разряжен”; состояния компаратора 3 - управляет индикатором “Смените источник питания”;

- индикация - обеспечивает светодиодную индикацию для трех режимов работы - “Аварийный режим”, “Аккумулятор разряжен”, “Смените источник питания”.

1.3 Разработка принципиальной схемы

1.3.1 Расчет узлов и блоков

Расчет схемы блока выпрямителя:

Выпрямитель включает в себя понижающий трансформатор Тр1 и два диодных моста VD1-VD4, VD5-VD8. Принципиальная схема выпрямителя имеет вид в соответствии с рисунком 1.3.1.1.

Рис. 1.3.1.1 Принципиальная схема выпрямителя и компаратора 1

При наличии напряжения сети выпрямитель обеспечивает оптимальный режим заряда внешней аккумуляторной батареи (АКБ), состоящей из двух последовательно соединенных свинцово-кислотных аккумуляторов с номинальным напряжение 12 В и емкостью 17 А/ч каждый. Полная мощность двух последовательно соединенных аккумуляторов будет составлять 24•17=408 (В•А)/ч.

В качестве аккумуляторных батарей применим герметичные необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи АКБ -17 производителя Alarm Power, имеющие параметры: 12В/17,0 А/ч, максимальный ток заряда 3 А, 181х76х167 мм, 6,1 кг, -10…+50?С (оптимально 20?С), [6]. Заряд АКБ происходит напряжением 27-29 В при максимальном токе заряда 3 А. Исходя из параметров АКБ рассчитываем выпрямитель VD1-VD4, VD5-VD8 и выбираем тип трансформатора.

Расчет мостовой схемы выпрямителя. Согласно справочных данных справедливо соотношение:

Uобр max/Uо = 1,57,

где Uобр max - максимальное обратное напряжение диода, В;

Uо - постоянное выпрямленное напряжение, В.

Iср. пр /Iо = 0,5,

где Iср. пр - средний прямой ток диода, А;

Iо - постоянный выпрямленный ток, А.

Iпр max /Iо = 1,57,

где I пр max - максимальный прямой ток диода, А.

Определим режим работы диодов, учитывая что Iо=3 А, Uо=29 В:

Uобр max = 1,57?Uо=1. 57?29 = 45.53 В;

Iср. пр = 0,5?Iо = 0.5?3 = 1.5 А;

Iпр max = 1.57?Iо = 1.57?3 = 4.71 А.

Выбираем диоды, исходя их условия:

Uобр max (диода) > Uобр max = 45.53 В;

Iср. пр (диода) > Iср. пр = 1.5 А;

Iпр max (диода) > Iпр max = 4.71 А.

В качестве диодов VD1 ? VD4, VD5 ? VD8 выбираем диод типа КД202В, имеющего параметры: Uобр max (диода) = 70 В, Iср. пр (диода) = 5 А, Iпр max (диода) = 5 А, Uпр (диода) = 0,9 В.

Расчет фильтра на выходе выпрямителя. В качестве фильтра применяем емкость С1, С2 Значение емкости определим, исходя из желаемого коэффициента пульсаций на выходе фильтра. Задаем Кп ф = 0.1.

Величину емкости фильтра определим по формуле:

Сф = tр/(2 Кп ф?R0),

где tр ? 7 мс - время разряда емкости при f =50 Гц;

R0=U0/I0 =29/3=9.7 Ом - эквивалентная нагрузка.

Таким образом Сф = 7?10-3 / (2?0.1?9.7) ? 3.6?10-3 Ф.

Выбираем конденсатор из ряда Е24:

С1, С2 - К-50-31- 40 В- 4700 мкФ ±20%.

Расчет сетевого трансформатора.

Действующее значение вторичного напряжения трансформатора равно:

где: Uпр = 0,9 В - прямое падение напряжения на диодах мостового выпрямителя.

Полная габаритная мощность трансформатора равна:

Sт =бтр?Ро= бтр?Uо?Iо=1.66•29•3=144.42 ВА,

где б тр = 1.66 - справочное значение для мостового выпрямителя, нагрузка которого начинается с емкостного элемента.

Так как полная мощность двух последовательно соединенных аккумуляторов будет составлять 24•17=408 (В•А)/ч, то в качестве габаритной мощности трансформатора примем значение Sт =400 ВА.

Для мостового выпрямителя действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора равно: I2 = 1.11?Iо = 1.11?3= 3.33 А.

Выбираем стандартный трансформатор из условия:

Sт > 400 ВА;

U2 > 23.8 В;

I2 > 3.33 А.

Выбираем трансформатор ТПП321 - 200,0 на стержневом сердечнике ПЛМ 27х40х58, имеющий параметры, [13]:

Sн = 200 ВА; U1 = 127/220 В; I1 = 2.03/1.15 А; I2 = 4 А; f = 50 Гц.

Для обеспечения расчетной мощности и тока вторичной обмотки применим параллельное включение трансформаторов. Так как трансформаторы имеют равные коэффициенты и напряжения к.з., то параллельное включение обеспечивает

Sн = 2?200 = 400 ВА, I2 = 2?4 = 8 А.

Схема включения обмоток для получения напряжения U2 =23.8 В

Расчет схемы блока инвертора

Инвертор состоит из усилителя по току, на двух ключах, которые поочередно работают, и повышающего трансформатора Тр2. Принципиальная схема инвертора имеет вид в соответствии с рисунком 1.3.1.3.

Микроконтроллер К1816ВЕ751 задает импульсный сигнал длительностью 45 мкс на вход ключа VT1 инвертора. После подачи сигнала по истечению 45 мкс ключ VT1 закрывается и через 5мкс открывается ключ VT4. Ключ VT4 открывается тоже на 45мкс. Этот сигнал усиливается по току и подается на вход повышающего трансформатора Тр2. Поочередное включение и отключение ключей создает на входе трансформатора Тр2 переменный магнитный поток, что обеспечивает переменный ток на выходе с трансформатора Тр2. Напряжение на трансформатор Тр2 подается с аккумуляторной батареи 24В.

Рис.1.3.1.3 Принципиальная схема выпрямителя и компаратора 1

Микроконтроллер К1816ВЕ751 задает импульсный сигнал длительностью 45мкс на вход ключа VT1 инвертора. После подачи сигнала по истечению 45мкс ключ VT1 закрывается и через 5мкс открывается ключ VT4. Ключ VT4 открывается тоже на 45мкс. Этот сигнал усиливается по току и подается на вход повышающего трансформатора Тр2. Поочередное включение и отключение ключей создает на входе трансформатора Тр2 переменный магнитный поток, что обеспечивает переменный ток на выходе с трансформатора Тр2. Напряжение на трансформатор Тр2 подается с аккумуляторной батареи 24В.

Рассчитаем индуктивность первичной обмотки и максимальный ток исходя из известных параметров схемы:

Uпит = 220 В - действующее значение напряжения;

Рн = 400 Вт - выходная мощность;

г = 0.5 - скважность импульсов (задаемся значением); f = 44 кГц - рабочая частота.

Для изготовления трансформатора Т выбираем разъемный Ш-образный магнитопровод марки Ш8x8 с зазором из феррита 1500 НМ. Его параметры:

L = 32, H=16, h=11.5, S = 8, 10 = 8, l1=7.5? д=1(все параметры, мм).

Длина магнитной линии lс = 75.1 мм, площадь поперечного сечения Sc=69.2 мм2.

Так как магнитопровод имеет воздушный зазор, магнитное сопротивление которого много больше магнитного сопротивления магнитопровода, то при определении количества витков индуктивности первичной обмотки вместо длины магнитной линии можно использовать длину воздушного зазора и его магнитную проницаемость.

Определим количество витков первичной обмотки исходя из требуемой индуктивности и известных параметров магнитопровода:

Количество витков вторичной обмотки находим из условия U1/U2=w1/w2, напряжение вторичной обмотки U21=24 В и U22=10 В, на первичной обмотке 310 В, отсюда w21=7 витков и w22=3 витка.

Определим сечение проводов. Для этого находим действующие значения токов в обмотках:

Где j - плотность тока в проводнике, выбираем 4 А/мм2.

Iэф1=1.83 А, Iэф21=0.13 А, Iэф22=0.06 А.

Определим диаметр проводов:

d1=0.76 мм, d21=0.20 мм, d22=0.10 мм.

Выбираем обмоточные провода ПЭВТВ-2 с диаметрами 0.8 мм и 0.21 мм.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5