Тема I. Введение
Предмет и задачи курса. Назначение, области применения электропреобразовательных устройств (ЭПУ) в радиоустройствах и радиосистемах. Виды ЭПУ. Требования к знаниям инженера в области ЭПУ.
Методические
указанияДля обеспечения функционального назначения радиотехнических систем требуется электрическая энергия. Эту энергию вырабатывают электрические генераторы, преобразователи химической, атомной и солнечной энергии в электрическую энергию – источники первичного электропитания. Однако в большинстве случаев энергия, получаемая от источника первичного электропитания, не может быть непосредственно использована для питания радиоаппаратуры. Эта энергия преобразуется в выпрямителях, трансформаторах, стабилизаторах, инверторах (источниках вторичного электропитания).
К ЭПУ также относятся электродвигатели, электроакустические преобразователи. При изучении темы основное внимание нужно обратить на назначение отдельных устройств.
Необходимо усвоить, что надежность, уменьшение габаритов и веса при возрастающей сложности радиосистем определяются источниками электропитания.
Вопросы для самопроверки
1.
Какие источники электропитания называются первичными?2.
Какие источники электропитания называются вторичными?3.
Назначение выпрямителей, фильтров, стабилизаторов, инверторов.4.
Почему в источниках вторичного электропитания выгоднее преобразовать напряжение повышенной частоты?5. Какие электрические машины используются в радиотехнических устройствах и системах? С какой целью?
6. В чем заключаются требования к унификации и стандартизации ЭПУ?
Литература:
Тема
2. Электромагнитные устройства электропитанияТрансформаторы. Назначение (роль и место в устройствах электропитания). Закон электромагнитной индукции и полного тока. Принцип действия и устройство. Классификация. Материалы магнитопроводов и обмоток. Режимы работы: холостой ход, короткое замыкание, под нагрузкой. КПД. Внешние характеристики. Трехфазные трансформаторы: классификация, линейное и фазное
напряжение и ток, мощность, схемы соединения обмоток. Специальные типы трансформаторов и особенности их функционирования. Основы расчета характеристик трансформаторов для их выбора и при проектировании.
Электрические реакторы (дроссели). Вебер-амперные характеристики реакторов,
их классификация, назначение, применение в устройствах электропитания.Магнитные усилители. Назначение и требования, предъявляемые к ним. Классификация. Характеристики. Особенности конструкции. Дроссельный магнитный усилитель: принцип действия, основные уравнения, внешняя и внутренняя обратные связи. Применение магнитных усилителей в устройствах электропитания.
Методические указания
Трансформаторы предназначены для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины, а также для преобразования числа фаз, частоты и формы кривой напряжения.
При изучении принципа действия трансформатора следует обратить внимание на режим холостого хода и рабочий режим. Следует усвоить основные параметры трансформатора, а также зависимость потерь и КПД от тока нагрузки.
Необходимо запомнить классификацию специальных трансформаторов
: многообмоточные, многофазные, автотрансформаторы. Следует понять, почему габариты и вес автотрансформатора меньше габаритов и веса трансформатора той же мощности, в чем заключаются преимущества автотрансформаторов по сравнению с трансформаторами.Конструктивные расчеты маломощного трансформатора приведены в
[4,6]. Там же изложены особенности расчета трансформаторов преобразователей. Магнитные усилители (МУ) или дроссели с подмагничиванием применяются для автоматического регулирования напряжения. Изменение величины постоянного тока подмагничивающей обмотки (тока управления) позволяет изменять степень насыщения магнитопровода и тем самым регулировать сопротивление рабочей катушки. Таким образом, затрачивая небольшую мощность в цепи управления, можно управлять значительно большей мощностью в цепи нагрузки.Следует рассмотреть схемы
МУ с выходом на переменном ипостоянном токе, выяснить достоинства и недостатки МУ. Необходимо обратить внимание на характеристику управления и влияние обратной связи на ход этой характеристики
.Наиболее полно, в доступной форме этот материал изложен в
[I].Вопросы для самопроверки
1.
В чем отличие дросселя переменного тока от сглаживающего дросселя?2.
С какой целью в магнитопроводе сглаживающего дросселя делаются немагнитные зазоры?3.
Как определяется коэффициент трансформации трансформатора?4.
Приведите уравнение равновесия магнитодвижущих сил трансформатора.5.
Какие параметры трансформатора определяются в режиме холостого хода?6.
Как влияет частота сети на габаритные размеры и вес трансформатора?7.
Как зависят параметра и КПД трансформатора от тока нагрузки?8.
Каков диапазон значений коэффициентов трансформации автотрансформаторов?9.
Магнитопроводы каких форм используются в трансформаторах, дросселях и магнитных усилителях?10.
От каких параметров МУ зависит коэффициент усиления по мощности?11.
Какие виды обратной связи и с какой целью используются в МУ ?Литература
: [I. С.23-57]; [3. С.6-28].Тема
3. Выпрямительные устройства (ву)Назначение (роль и место в источниках электропитания)
• Структурная схема ВУ. Классификация, характеристики. Возможные режимы работы выпрямительных устройств в зависимости от вида нагрузки.Работа однотактного и двухтактного неуправляемых выпрямителей на активную, активно-индуктивную, активно-емкостную нагрузки и на противо-ЭДС. Особенности функционирования ВУ при учете влияния внутренних активных и индуктивных сопротивлений.
Схемы выпрямления при питании от однофазной и трехфазной сетей переменного тока. Сравнительная оценка схем. Область применения.
Управляемые выпрямители: назначение, особенности Функциональной схемы, работа на индуктивную нагрузку. Однофазные и многофазные схемы выпрямления. Принципы управления вентилями.
Основы расчета характеристик выпрямительных устройств.
Методические указания
Выпрямитель является статическим преобразователем переменного напряжения в постоянное и звеном источника вторичного
электропитания. Выпрямление переменного тока осуществляется с помощью вентилей. После ознакомления с классификацией выпрямителей и основными требованиями, предъявляемыми к ним, изучают простейшую однополупериодную схему выпрямления, затем двухполупериодную схему с нулевым выводом и мостовую, их работу на активную нагрузку. Следует построить временные диаграммы напряжений и токов, а также получить расчетные данные для выбора вентилей и трансформатора. Далее изучают трехфазные схемы выпрямления.В реальных условиях выпрямители редко работают на активную нагрузку, а вентили не являются идеальными. Наличие индуктивных и емкостных элементов в фильтре выпрямителя оказывает существенное влияние на процесс выпрямления. Необходимо выяснить, как изменяются расчетные соотношения, если выпрямитель работает на нагрузку с индуктивной и емкостной реакцией.
Для питания высоковольтных цепей используют схемы удвоения и умножения напряжения.
Материал этого раздела изложен достаточно полно во
всех учебниках. Примеры расчета выпрямителей приведены в [2,4].Управление выпрямленным напряжением может осуществляться различными способами как на выходе, так и на входе выпрямителя.
Наиболее экономичным является управляемое выпрямление, когда используются управляемые вентили - тиристоры.
Сначала следует ознакомиться со структурной схемой управляемого выпрямителя, с требованиями, предъявляемыми к управляющим импульсам и принципами построения схем управления. Затем изучают работу однофазной двухполупериодной схемы выпрямления на активную и активно-индуктивную нагрузки. Емкостные фильтры в управляемых выпрямителях не применяются, так как невозможно мгновенно изменять напряжение на конденсаторе. Кроме того, при емкостной нагрузке на тиристор действуют броски тока, обусловленные разрядом конденсатора.
Необходимо обратить внимание на тот факт, что введение управления ведет к значительному увеличению потребления реактивной мощности, причем при глубоком регулировании напряжения коэффициент мощности может снизиться до
0,5. Это является существенным недостатком управляемого выпрямителя.Управляемые выпрямители следует изучать по
[I, 3, 5].Вопросы для самопроверки
1.
По каким признакам классифицируются различные выпрямительные схемы?2.
По каким параметрам производится сравнительная оценка схем выпрямления?3.
Чему равна постоянная составляющая в известных вам схемах выпрямления?4.
Что называется коэффициентом пульсации? В какой из рассмотренных схем величина коэффициента пульсации наименьшая?5.
Покажите токопрохождение в двухполупериодных однофазных схемах и трехфазных при их работе.6.
Что называется углом отсечки? При каких видах нагрузки наблюдается режим отсечки?7.
Как изменятся пульсации на выходе выпрямителя, работающего на нагрузку с емкостной реакцией, при увеличении емкости?8.
Сравните длительность протекания тока через вентиль и амплитудное значение этого тока в однополупериодной схеме выпрямления , работающей на активную, активно-емкостную и активно-индуктивную нагрузку. В каком случае длительность протекания наибольшая? В каком случае амплитуда тока наибольшая? Как изменятся основные параметры в однофазной мостовойсхеме выпрямления
10.
Изобразите внешние характеристики выпрямителей с нагрузкой различного характера.11.
Какими способами осуществляется регулирование на стороне переменного тока?12.
Какими способами осуществляется регулирование на стороне постоянного тока?13.
Приведите регулировочные характеристики управляемого выпрямителя с активной и активно-индуктивной нагрузкой.14.
В чем причина повышенного потребления реактивной мощности управляемым выпрямителем?15.
Какие меры применяются для повышения коэффициента мощности управляемого выпрямителя?16.
Какие требования предъявляются к управляющим импульсам, поступающим со схемы управления?Литература:
[I, С.87-129]; [2, С.79-121]; [3, С.65-108];[5,
С.30-34, 3-17].Тема
4. Сглаживающие фильтрыТребования, предъявляемые к сглаживающим фильтрам и их характеристики. Однозвенные сглаживающие фильтры, их характеристики, влияние частоты на массо-габаритные показатели. Переходные процессы в ВУ с пассивными сглаживающими фильтрами. Многозвенные фильтры. Взаимосвязь характеристик фильтра с режимами работы нагрузки. Резонансные фильтры. Активные фильтры.
Методические указания
Сглаживающим фильтром называется устройство, служащее для уменьшения амплитуды переменной составляющей. Пассивные сглаживающие фильтры состоят из дросселей и конденсаторов, соединенных по различным схемам. Изучение этого раздела следует начать с определения основных параметров фильтра: коэффициента сглаживания и коэффициента пульсации, затем нужно рассмотреть схемы пассивных фильтров. Необходимо выяснить, почему емкостные фильтры эффективно сглаживают пульсации при больших сопротивлениях и малых токах нагрузки, а индуктивные фильтры -при малых сопротивлениях и больших токах нагрузки.
Активные (транзисторные) фильтры обеспечивают независимость коэффициента сглаживания от тока нагрузки и имеют меньшие габариты, чем пассивные. Транзистор в этих фильтрах выполняет ту же роль, что дроссель в пассивном фильтре, так как выходное сопротивление транзистора для переменной составляющей тока значительно больше, чем для постоянной составляющей.
При подключении и отключении выпрямителя с фильтром или изменении величины нагрузки наблюдаются переходные процессы на элементах фильтра, которые могут сопровождаться значительными превышениями тока и напряжения вентилей. Значения перенапряжений и бросков тока зависят от внутреннего сопротивления выпрямителя и волнового сопротивления фильтра.
Материал этого раздела можно изучать по любому учебнику, указанному в списке основной литературы.
Вопросы для самопроверки
1.
Что называется коэффициентом фильтрации?2.
Каковы основные недостатки RС-фильтров по сравнению с С-фильтрами?3.
Исходя из каких условий производится раздельный выбор индуктивности и емкости LC-фильтра?4.
Почему не рекомендуется выбирать большое число звеньев в многозвенных фильтрах?5.
В чем преимущества и недостатки активных фильтров?6.
Поясните принцип действия транзисторного фильтра.7.
Какие меры применяются для защиты выпрямителей от сверхтоков и перенапряжений.Литература:
[I, С.129-137]; [2, С.121-129, 201-203];[3,
Тема 5. Стабилизаторы напряжения и тока
Назначение (роль и место в источниках электропитания), классификация, структурные схемы, требования и возможные пути их выполнения.
Параметрические стабилизаторы постоянного и переменного напряжения: принцип действия, характеристики, математические модели, область применения.
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием,
их статические и динамические характеристики.Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с импульсным регулированием, выбор частоты, способы уменьшения
помех. Принципы управления и особенности технической реализации.
Компенсационные стабилизаторы переменного напряжения. Особенности использования различных регуляторов в стабилизаторах напряжения.
Методические указания
Нормальная работа большинства радиоустройств невозможна без постоянного напряжения питания. Устройство, автоматически поддерживающее питающее напряжение в заданных пределах, называется стабилизатором напряжения. Стабилизаторы тока поддерживают ток нагрузки в заданных пределах. Качество работы стабилизаторов оценивается коэффициентом стабилизации.
Существует два основных метода стабилизации: параметрический и компенсационный. Сначала следует ознакомиться с работой параметрического стабилизатора постоянного напряжения. Далее изучают схемы и принцип действия компенсационных непрерывных стабилизаторов с последовательным и параллельным включением регулирующего элемента. Необходимо ознакомиться с разновидностями схем сравнения и силовых цепей. Рекомендуется выяснить, какие серийные микросхемы применяются в непрерывных стабилизаторах.
КПД непрерывных стабилизаторов постоянного напряжения невысок, Этот недостаток устраняется в импульсных (ключевых) стабилизаторах, в которых регулирующий транзистор работает в режиме переключении. Частоту переключения выбирают достаточно высокую, а сглаживание пульсаций достигается малогабаритным фильтром. Необходимо изучить устройство силовых цепей ключевых стабилизаторов, а также устройство схем управления релейных стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Материал этой темы достаточно полно изложен во всех учебниках, приведенных в списке основной литературы. Методика и примеры расчета даны в
[4,7,8].Вопросы для самопроверки
1.
Какие существуют методы стабилизации напряжения? В чем они заключаются?2.
Перечислите преимущества и недостатки параметрического стабилизатора постоянного напряжения.3.
Приведите схему простейшего стабилизатора тока.4.
Приведите схему сравнения компенсационного стабилизатора малых постоянных напряжений.5.
В чем преимущества и недостатки схем последовательного и параллельного включения регулирующего элемента?6.
В чем причина того, что коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора выше, чем параметрического?7.
Почему КПД импульсного стабилизатора выше, чем непрерывного?8.
Поясните принцип действия импульсного стабилизатора сшим.
9.
Поясните принцип действия релейного стабилизатора.10.
Сформулируйте требования к быстродействию регулирующего транзистора и блокирующего диода в импульсном стабилизаторе.11.
Какие меры применяются для уменьшения интенсивности коммутационных помех в импульсных стабилизаторах?12.
Укажите область использования стабилизаторов.Литература:
[1, С.166-208; 2, С.171-221; 3, С.152-205;4,
С.166-208, 306-340; 7, С.3-14, 17-28; 8.].
Тема
6. Статические преобразователи напряженияНазначение (роль и место в источниках электропитания).
Структурные схемы, классификация, требования и возможные пути
их выполнения.
Транзисторные инверторы с самовозбуждением и внешним возбуждением. Особенности
их функционирования, математические модели.Нерегулируемые и регулируемые транзисторные преобразователи постоянного напряжения. Пути повышения
их технико-экономических показателей: резонансные, многофазные преобразователи.Особенности функционирования транзисторных преобразователей в источниках электропитания с бестрансформаторным входом.
Методические указания
В преобразователях напряжения постоянное напряжение одной величины преобразуется в переменное или постоянное напряжение другой величины. Необходимость в таком преобразовании возникает, в частности, при питании высоковольтных потребителей от источников первичного электропитания с низким напряжением. С целью уменьшения веса и габаритов источника вторичного электропитания, преобразующего напряжение сети, также применяются преобразователи, работающие на повышенных частотах.
Для питания устройств связи широко используются транзисторные преобразователи. Сначала следует ознакомиться со схемой самовозбуждающегося инвертора. Переключение его происходит за счет введения обратной связи через насыщающийся трансформатор. Необходимо выяснить, от каких параметров инвертора зависит частота переключения. В самовозбуждающемся инверторе возникают большие выбросы коллекторного тока, величину которых необходимо научиться оценивать. Для исключения этих выбросов применяют схему с двумя трансформаторами: один из которых является силовым, а другой (насыщающийся)
- переключающим.Далее переходят к изучению схемы инвертора с независимым возбуждением. Особое внимание следует обратить на коммутационные процессы в схеме, определение амплитуды выбросов коллекторного тока и способы устранения этих выбросов. Работу регулируемого инвертора лучше рассмотреть на примере мостовой схемы.
Если нагрузкой инвертора является выпрямитель с фильтром, то работа инвертора существенно зависит от типа фильтра и степени быстродействия диодов выпрямителя. Лучшие режимы работы
трансформаторов нерегулируемого инвертора и меньшие искажения фронта выходного напряжения достигаются при включении емкостного фильтра или фильтра, начинающегося с емкости.
Наиболее полно материал этого раздела изложен в
[1,4,3].Вопросы для самопроверки
1.
Назовите область применения преобразователей напряжения.2.
Какими причинами объясняется возникновение выбросов коллекторного тока в инверторе с самовозбуждением?3.
Какими причинами объясняется возникновение выбросов коллекторного тока в инверторе с независимым возбуждением?4.
Как можно устранить выбросы коллекторного тока в самовозбуждающемся инверторе?5.
Какие способы уменьшения и устранения выбросов коллекторного тока используются в инверторе с независимым возбуждением?6.
Что называется фактической кратностью тока базы?7.
В какой из схем инверторов с независимым возбуждением наибольшая амплитуда напряжения на выходе?8.
Каков принцип работы регулируемого инвертора?9.
В каких случаях в качестве фильтров выпрямителей, работающих с инверторами, используют емкостные или начинающиеся с емкости?Литература:
[I, С.138-166; 2, С.39-171; 3, С.208-242 ;4,
Тема 7. Структурные схемы и общие вопросы проектирования источников вторичного электропитания
Структуры и схемы источников вторичного электропитания (ИВЭП), использующих энергию от сети электроснабжения. Структурные схемы источников вторичного электропитания, использующих энергию автономного источника.
Принципы миниатюризации источников вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Применение микросхем в ИВЭП. Выполнение ИВЭП в виде гибридно-интегральных схем. Методы теплоотвода в ИВЭП. Надежность и резервирование вторичного электропитания.
Основные тенденции и направления дальнейшего развития средств и источников вторичного электропитания.
Методические указания
Для электропитания радиотехнических систем требуется электроэнергия как постоянного, так и переменного тока. В связи с большим разнообразием элементов, используемых в радиотехнических устройствах, мощности источников электропитания этих устройств могут иметь величины, начиная с долей ватта до нескольких сотен киловатт, напряжения – с долей вольта до нескольких десятков киловольт, токи – с долей миллиампера до нескольких тысяч ампер.
В зависимости от требований, предъявляемых к ИВЭП, объема радиоаппаратуры, ее конструирован-ного исполнения и потребляемой мощности все системы вторичного электропитания делятся на индивидуальные, централизованные и комбинированные. В устройствах, потребляющих мощности до нескольких сотен ватт (радиоприемниках, измерительных приборах, цифровых устройствах и др.), элементы систкемы питания размещаются непосредственно в устройстве. В радиотехнических системах, потребляющих до нескольких десятков киловатт (РЛС, радиопередатчиках), элементы системы питания выделяют в отдельные конструктивные элементы (блоки питания).
Такие системы называются индивидуальными.
Для питания мощных и сложных комплексов радиоаппаратуры, содержащих много однотипных элементов и предъявляющих высокие требования к стабильности выходных напряжений источников питания, применяются централизованные системы питания. При этом необходимые питающие напряжения вырабатываются в центральном источнике вторичного электропитания, связанном с отдельными радиоблоками. Централизованная система электропитания обычно более экономична, чем индивидуальная, однако при централизованном электропитании могут возникнуть паразитные связи между радиоблоками через общий источник. При индивидуальном питании мощность ИВЭП сравнительно невелика, поэтому имеется возможность их интегрально или гибридно-интегрального исполнения.
Принципы построения систем электропитания стационарной, передвижной, автономной радиоаппаратуры различны. Питание стационарных установок осуществляется от электрических сетей. С целью повышения надежности электроснабжение предусматривают питание по двум независимым линиям, одна из которых является рабочей, а вторая – резервной. Ввод в действие резервной линии осуществляется автоматически. В качестве источников электрической энергии для питания радиоаппаратуры передвижных установок используются генераторы, приводимые во вращение двигателями, применяемые для передвижения допустимых колебаний напряжения на зажимах генераторов устанавливают специальные устройства стабилизации скорости вращения и автоматические регуляторы напряжения. В этих источниках питания обычно используются преобразователи напряжения. Основными источниками электрической энергии для автономной радиоаппаратуры являются первичные источники. Питание аппаратуры осуществляется от них, как правило, также через преобразователи напряжения.
Снижение номиналов напряжения питания и повышение мощности затрудняют миниатюризацию ИВЭП. Объясняется это тем, что чем выше ток нагрузки, тем больше потери в ИВЭП, тем ниже его КПД. Значительные потери мощности в ИВЭП приводят к необходимости использования громоздких радиаторов для отвода тепла от силовых элементов. Таким образом, повышение КПД и уменьшение массо-габаритных показателей – задачи взаимосвязанные. Но не только повышением КПД можно добиться уменьшения массы и габаритов. Основные способы миниатюризации ИВЭП следующие:
Необходимо подробно ознакомиться с каждым из перечисленных способов миниатюризации ИВЭП. Особое внимание следует уделить изучению структурных схем ИВЭП с промежуточным преобразованием частоты.
Вопросы для самопроверки.
Литература:
Тема 8. Электрические машины постоянного и переменного тока.
Области применения электрических машин в РЭС. Принцип действия электрических машин, устройство коллекторных, асинхронных, синхронных машин.
Режим работы
– режимы двигателя, генератора, электромагнитного тормоза. Основные характеристики электрических машин – рабочие и регулировочные характеристики двигателей, внешние характеристики генераторов.Общие сведения и принцип работы специальных электрических машин.
Матодические указания
В радиотехнических устройствах используются и генераторы и двигатели переменного тока. Наиболее широко применяются асинхронные двигатели и синхронные генераторы.
В электрических машинах переменного тока используется вращающееся магнитное поле. Изучать эту тему нужно втакой последовательности:
В качестве маломощных двигателей применяются однофазные двигатели. Для запуска этих двигателей на статоре укладывается дополнительная пусковая обмотка, а вращающее магнитное поле создают включением кондинсатора в цель пусковой обмотки. Такие двигатели называются кондинсаторными. В исполнительных асинхронных двигателях приеняется немагнитный полый ротор, использование которого позволяет изменить частоту и его вращения в зависимости от напряжения управления.
Устройство генератора постоянного тока отличается от устройства генератора переменного тока наличием коллектора, состоящего из отдельных изолированных пластин, вследствии чего происходит выпремление индуцированной в обмотках ротора (якоря) ЭДС. Необходимо изучить способы возбуждения генераторов, рассмотреть внешние характеристики генераторов с различными способами возбуждения и выяснить области применения этих генераторов.
Затем следует изучить двигатель постоянного тока, проанализировать формулу вращающего момента и выяснить динамику изменения вращающего момента при изменении нагрузки на валу. Необходимо уяснить, что двигатели постоянного тока могут изменять скорость вращзения в широких пределах (в отличии от асинхронных), поэтому они применяются в тех устройствах, где требуется регулирование скорости, например в целях автоматического управления.Для согласования вращения двух или нескольких механизмов, удаленных друг от друга, используются сельсины. Эти машины выполняются по типу асинхронныхмашин. Необходимо выяснить отличие индикаторнрого режима работы от трансформаторского, области их применения.
Вращающий (поворотный) трансформатор также является асинхронной машиной, ротор которой заторможен. Эти машины применяются для преобразования угла поворота ротора в напряжение.
Вопросы для самопроверки
Литература: