Разработка источника бесперебойного питания для автозаправочной станции

Содержание

Введение
Глава 1. Разработка функциональной схемы
1.1 Определение требований к системе
1.2 Синтез функциональной схемы
1.3 Разработка условий и алгоритма функционирования ИБП
Глава 2. Разработка принципиальной схемы
2.1 Выбор узлов и устройств для схемы
2.2 Согласование элементов схемы и автоматизация устройства
2.3 Синтез электрической принципиальной схемы
Глава 3. Моделирование электрической принципиальной схемы
3.1 Описание процесса моделирования в программе MicroCap
3.2 Выбор и ввод параметров моделирования и испытания модели
Глава 4. Раздел БЖД
4.1 Анализ ОВПФ при изготовлении устройства
4.2 Защита персонала от поражения электрическим током
Глава 5. Экономический раздел
5.1 Обоснование целесообразности разработки ИБП
5.2 Расчет себестоимости и отпускной цены ИБП
5.3 Расчет надежности ИБП
Заключение
Список использованной литературы

Разработка источника бесперебойного питания для автозаправочной станции

Найдем площадь разреза с учетом количества витков обмотки Np:
;
Определим максимальное обратное напряжение на диоде VD11:
;
Определим максимальный импульсный прямой ток через диод:
;
Определим максимальный импульсный прямой ток через диод, с учетом коэффициента заполнения:
;
Рассчитаем параметры выходного конденсатора С36.Максимальная импульсная нестабильность выходного напряжения Vout=0,5В, при количестве периодов тактовой частоты: ncp=5.
Определим максимальный выходной ток:
;
Минимальная емкость конденсатора C36:
;
Выбираем конденсатор на 2200мкФ – 25В.
Найдем напряжение демпферной цепи C23, R26, VD7:
,
где V(BR)DSS – максимально допустимое напряжение сток-исток транзистора.
Для расчета демпферного звена необходимо знать индуктивность рассеивания (LLK) первичной обмотки, которая очень сильно зависит от конструкции трансформатора. Поэтому, примем значение индуктивности рассеивания на уровне 5% от первичной обмотки.
.
Найдем емкость конденсатора C23 демпферной цепи:
.
Принимаем С23=470пФ.
Найдем сопротивление резистора демпферного звена R26:
.
Принимаем R26=1,2 кОм.
Определим потери на диоде VD1:
;
Определим сопротивление первичной обмотки:
;
Определим сопротивление вторичной обмотки:
,
где: удельное сопротивление меди P100=0,0172Ом×мм2/м.
Определим потери в меди на первичной обмотке:
;
Определим потери в меди во вторичной обмотке:
;
Найдем суммарные потери в первичной и вторичной обмотках трансформатора:
;
Вычислим потери на выходном диоде VD11:
;
Из таблицы характеристик транзистора имеем: C0=50пФ – выходная емкость сток-исток транзистора; RDSon=1,6Ом (150 С0) – выходное сопротивление сток-исток транзистора.
Расчет проведем при входном напряжении VDCmin=110В;
Найдем потери при включении транзистора:
,
где f=100кГц – рабочая частота преобразователя.
Найдем потери при выключении транзистора:
;
Определим потери на сопротивлении сток-исток при открытом транзисторе:
;
Подсчитаем общие потери на транзисторе:
;
Минимальное напряжение стабилизации управляемого стабилитрона TL431 — VREF=2,5В, а его минимальный ток стабилизации IkAmin=1мА.
Из выходных данных оптопары TLP521 ее падение напряжения на диоде VFD=1,2В; максимальный прямой ток через диод IFmax=10мА;
Из выходных данных микросхемы UC3842 опорное напряжение VRefint=5,5В; максимальное напряжение обратной связи VFBmax=4,8В, а внутреннее сопротивление — RFB=3,7кОм.
Найдем максимальный входной ток DA2:
;
Рассчитаем минимальный входной ток DA2:
;
Найдем величину сопротивления резистора R56:
,
где R57=4,99кОм, а R58=5кОм – рекомендованные значения из таблицы характеристик TL431.
Определим сопротивление резистора R54:
,;
Импульсный стабилизатор напряжения построим по однотактной повышающей схеме без гальванической развязки - rising transducer.
Схему управления построим на контролере UC3842.
UC3842 - интегральная схема, которая предназначена для управления и контроля работы импульсных стабилизаторов напряжения, построенных по разнообразным однотактным схемам: с гальванической развязкой -однотактной обратно-ходовой и прямоходной схемах, без гальванической развязки - снижающего, повышающего и инвертирующего преобразователей. Микроконтроллер может непосредственно руководить работой силового ключа, контролировать выходное напряжение (стабилизировать его при изменении входного напряжения.)
Прецензионная ширина запрещенной границы напряжения и тока построена на базе контролера, предназначена, чтобы обеспечить добротную регуляцию. Компаратор перенапряжения с гистерезисом и очень низким током питания позволяет минимизировать схему запуска и питания. Питание ИМС берется из вторичной обмотки трансформатора Т3 и стабилизируется стабилитроном до уровня 12В.
Тактовый генератор UC3842 рассчитан на работу в частотном диапазоне от 10кГц до 1Мгц. В нашем случае он будет работать на частоте 100кГц, так как это оптимальная частота для работы всего преобразователя.
Рассчитаем значения Rt та Ct:
где: f=100кГц, - заданная рабочая частота.
Ct = 0.01мкФ, - рекомендованное значение емкость, выбирается в пределах 0.001…0.1 мкФ.
Вход усилителя ошибки, через отношение двух внешних резисторов, связанных с выходной шиной, что позволяет за счет обратной связи повышать выходное постоянное напряжение, тем самым осуществлять регуляцию напряжения.
Устройство обеспечено эффективной защитой от перенапряжения, реализовано на том же выводе что и регулятор напряжения постоянного тока.
Когда увеличится выходное напряжение, соответственно и увеличится напряжение на выводе 2 IMC. Разностное значение тока протекает через конденсатор. Величина тока определяется внутри микроконтроллера и сравнивается с эталонным значением 40 мкА. Если это значение будет превышено, соответственно это отобразится на управлении работой силового ключа — длительность импульсов открытого состояния ключа становится меньшей, что приводит к снижению выходного напряжения.
Компаратор тока постоянно следит за напряжением на резисторе Rs и сравнивает его с опорным напряжением (1В) на другом входе компаратора.
;
;
Определим минимальную емкость входного конденсатора С2:
Сin LF  Р0 /(2··f ·V0·η)
где – f – частота переключения силового ключа (100 кГц)
– V0 – выходного напряжение (150 В)
– η=0.9 – прогнозированный КПД преобразователя
– Р0 – выходная мощность – 300 Вт
Сin LF = 300 / (2·3,14·25000·0.9·150) =82.7 мкФ
Выбираем к качестве входного конденсатора конденсатор емкостью 330мкФ и рабочим напряжением 400В.
Входной высокочастотный конденсатор фильтра (C4) должен уменьшить шумы, которые возникают при высокочастотных переключениях силового ключа, что в свою очередь вызывает импульсы тока в индуктивности.
Cin HF = Irms /(2··f·r·Vin min)
где – f – частота переключения (100 кГц);
– Іrms – входной высокочастотный ток;
– Vin min – минимальное входное напряжение (65 В);
– r – коэффициент высокочастотных пульсаций входного напряжения, который находится между 3 і 9 %. Принимаем r = 7%.
Іrms = Рout / Uin min;
Іrms = 300 / 65 = 4,64 А;
Сin = 4,64/(2×3,14×100000×7×65) = 0.0065 мкФ.
Выбираем в качестве входного высокочастотного конденсатора конденсатор емкостью 0.01мкФ и рабочим напряжением 400В.
Определим значение емкости выходного конденсатора:
С0  Р0 /(4··V0 ·V0)
где –V0 – изменение выходного напряжения (5 В)
–f – частота переключения силового ключа ( 100 кГц)
–V0 – выходное напряжение (150 В)
–Р0 – выходная мощность – 300 Вт
С0 = 300 / 4·3,14·100000·5·150 =63.7 мкФ
Выбираем в качестве выходного — конденсатор емкостью 220мкФ и рабочим напряжением 400В.
Значение индуктивности катушки рассчитывается исходя их необходимой мощности, которая протекает через последнюю, и значения тока пульсаций.
где -  - длительность цикла открытия/закрытия силового ключа;
- ІLpk - пиковый токи катушки индуктивности;
- f - частота переключения силового ключа;
- V0 – выходное напряжение.
Длительность цикла ми можем определить по формуле:
Значение пикового тока, которое протекает через индуктивность можем определить по формуле:
где - Vin min – минимальное значение входного напряжения (65В),
Следовательно, значение  равняется
 = (150 – 1,41·65)/150 = 0,389 сек
Значение пикового тока:
ІLpk = (2×1,41×300) / 65 = 13 А
Тогда значение индуктивности, которая необходима для работы преобразователя напряжения:
L = (2·300·0,389)/(132·100000) = 15 мкГн.
Максимальное значение среднего тока для выходных диодов, исходя из значения мощности, которая должна передаваться в нагрузку – 300 Вт.
Можно рассчитать:
І = P/U
І = 300/150 = 2A
Диоды выбираем из следующих условий, которые гарантируют надежную работу
ІDm ≥ 1,2Імакс
UDm ≥ 1,2Uмакс
Следовательно, исходя из этих расчетов, выбираем в качестве выходных диодов, диод типа MUR860.
Глава 3. Моделирование электрической принципиальной схемы
3.1 Описание процесса моделирования в программе MicroCap
Моделирование устройства позволяет не только предварительно визуализировать его характеристики, но и, при использовании современных программных комплексов, произвести учет влияния внешних факторов на устройство, рассмотреть неидеальную модель схемы с учетом многих значимых для устройства характеристик, таких как температурный дрейф напряжения, токи утечки элементов, изменение номиналов элементов в процессе нагрева, учет переходных процессов и пр. Естественно, математическая модель таких преимуществ не имеет, поэтому используется в проектировании исключительно для оценки предварительных характеристик и определения комбинаций номиналов элементов, с которыми целесообразно продолжить работу при моделировании.
Учитывая вышеперечисленные достоинства компьютерного моделирования, можно произвести оптимизацию виртуальной электрической схемы устройства, плавно изменяя те или иные номиналы элементов их модели, и производя анализ интересующих проектировщика характеристик. Безусловно, наиболее удобным программным комплексом для моделирования электрических схем с последующим их подробным анализом является комплекс MicroСap. К основным его возможностям относятся:
- Моделирование режимов работы электронных устройств, заданных с помощью принципиальных и функциональных схем.
- Анализ переходных процессов в схемах при подаче напряжения питания и (или) воздействия (воздействий) произвольной формы с построением графиков переменных состояния схемы и их функций:
- зависящих от времени;
- зависящих друг от друга;
- разложенных в ряд Фурье по гармоническим составляющим.
- Анализ малосигнальных частотных характеристик схемы (линеаризованной в окрестности режима по постоянному току) при воздействии на нее одного или нескольких источников гармонического сигнала с постоянной амплитудой и меняющейся частотой. При этом возможен вывод следующих графиков:
- зависимости комплексных значений переменных состояния (амплитуды, фазы, групповой задержки) от частоты в линейном, логарифмическом, полулогарифмическом (логарифмическом по оси X или по частоте и линейным по оси Y) масштабах;
- зависимости составляющих комплексных величин переменных состояния друг от друга (например, построение годографа радиус-вектора переменной состояния при использовании в качестве переменной X — частотно-зависимой действительной части, в качестве переменной Y — частотно-зависимой мнимой части);
- зависимости спектральных плотностей напряжений шума, приведенных к указанным входному и выходному узлам, от частоты.
- Анализ передаточных характеристик по постоянному току. Возможно проведение анализа при изменении двух входных переменных, что позволяет строить на графике семейства характеристик устройства (как, например, семейство выходных характеристик биполярного транзистора IC(UCE) при различных значениях тока базы IB). При этом возможен вывод следующих графиков:
- зависимости выбранных переменных состояния от изменяемой входной переменной 1;
- зависимости переменных состояния схемы друг от друга.
- Динамический анализ схемы по постоянному току с отображением на схеме (по выбору) напряжений, токов, мощностей, состояний полупроводниковых приборов при изменении с помощью движковых регуляторов величин источников ЭДС, тока, сопротивлений резисторов.
- Динамический малосигнальный анализ схемы по переменному току (линеаризованной в окрестности рабочей точки по постоянному току) с показом на схеме величин комплексных переменных состояния схемы при различных частотах (задаваемых списком) при изменении величин пассивных компонентов (резисторов, индуктивностей, конденсаторов) с помощью движковых регуляторов.
- Расчет чувствительностей в режиме по постоянному току. В этом режиме рассчитываются чувствительности одной или нескольких выходных переменных к изменению одного или нескольких входных параметров (частные производные по входным параметрам). В качестве входных изменяемых параметров для этого вида анализа могут выступать все параметры моделей, величины пассивных компонентов, символьные параметры.
- Расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току. Рассчитывается отношение измеренного изменения заданного пользователем выходного выражения к вызвавшему это изменение малому возмущению заданного пользователем входного источника постоянного напряжения (тока). При этом автоматически рассчитываются входное (относительно клемм входного источника) и выходное (относительно узлов выходного напряжения) сопротивления схемы на постоянном токе.
- Расчет нелинейных искажений усилительных схем с использованием математического аппарата спектрального Фурье-анализа. Фактически в этом режиме запускается анализ переходных процессов при гармоническом воздействии на входе схемы, и используются функции спектрального анализа для выходной переменной для расчета нелинейных искажений.
- Многовариантный анализ внутри основных 3-х режимов моделирования: переходных процессов, малосигнальных частотных характеристик и передаточных характеристик по постоянному току. При этом могут изменяться номиналы простых компонентов, величины параметров моделей компонентов, значения символьных переменных с линейным и логарифмическим шагом с возможностью выбора одновременного изменения до 20 параметров или организации до 20 вложенных циклов. Имеется возможность автоматической подписи на выходных графиках каждого варианта анализа. При использовании многовариантного анализа актуально 3D-моделирование, вызываемое из меню используемого вида анализа. При этом по оси z откладывается значение варьируемого параметра (или номера варианта при статистическом анализе Монте-Карло) и в пространстве строится поверхность, на которой лежат все кривые многовариантного анализа.
- Параметрическая оптимизация схемы для основных 3-х режимов анализа: переходных процессов, малосигнальных частотных характеристик, передаточных характеристик по постоянному току. Оптимизируемая функция выбирается из меню PERFORMANCE, включающего большой набор стандартных параметров графиков (типа длительность нарастания/спада, глобальный максимум/минимум и т.п.).
- Анализ Монте-Карло — многовариантный анализ при статистическом разбросе параметров компонентов в каждом из трех основных режимов моделирования. Внутри этого анализа возможен вывод гистограмм распределения заданной функции (например, длительность фронта, глобальных максимума) по интервалам значений.
- Использование графического постпроцессора PROBE при анализе переходных процессов, малосигнальном частотном анализе и анализе передаточных характеристик по постоянному току. После запуска одного из указанных видов анализа, пользователь получает дополнительные удобства для вывода графиков интересующих переменных состояния схемы. Например, нужное напряжение выводится в специальном окне слева от принципиальной схемы после двойного клика мышью в интересующем узле принципиальной схемы.
3.2 Выбор и ввод параметров моделирования и испытания модели
Алгоритм тестирования устройства достаточно прост- начинаем со сборки схемы устройства, в которой выбираем все необходимые ИМС из библиотек элементов, а модели пассивных элементов- из встроенного каталога, и проставляем все полученные номиналы.
Для ввода электрической схемы используем стандартное меню элементов, встроенное в программу. Из меню выбираются необходимые типы элементов, размещаются на поле электрической схемы, вводятся номиналы и элементы соединяются проводами.
Специализированные интегральные микросхемы, отвечающие за управление устройством, при отсутствии их во встроенной библиотеке элементов программы, строятся в соответствии со структурными схемами, приведенными в технических описаниях микросхем.
Параметры, которые необходимо оценить в рамках испытаний, следующие:
- быстродействие переключения источника питания;
- форма выходного напряжения;
- граничные условия срабатывания схемы;
- эффективность работы фильтров по подавлению помех;
- стабильность показателей выходной электроэнергии вне зависимости от параметров входной.
Схема модели и результаты испытаний размещены в приложении.
Глава 4. Раздел БЖД
4.1 Безопасность при эксплуатации ИБП
Рабочее помещение, в котором располагается ИБП и другая техника, имеет паркетный пол. Источники токопроводящей пыли отсутствуют. Относительная влажность в помещении 40% - 60%, следовательно, данное помещение относится к категории сухих, не жарких, с токонепроводящим полом, без токопроводящей пыли. Первичным источником питания ИБП является трехфазная четырех проводная сеть 380/220В с глухо-заземленной нейтралью, частотой 50Гц, мощностью 100кВт. Нестабильность питания не должна превышать +10% и -15% по напряжению и +/-1% по частоте.
Сопротивление изоляции ИБП должно быть не менее 20.0 МОм. Сопротивление изоляции осветительной и силовой сети на участке между двумя смежными предохранителями или между любым проводом и землей, а также между двумя любыми проводами должно быть не менее 0.5 МОм.
Наиболее вероятными причинами возникновения пожара в помещении является перегрев узлов ПЭВМ, возгорание документов, находящихся в помещении АЗС, возгорание электропроводки вследствие превышения допустимой величины потребляемой электрической мощности.
Последняя ситуация может быть вызвана использованием некачественной электропроводки, небезопасных электроприборов (самодельные кипятильники и т.п.), коротким замыканием в силовых цепях оборудования и т.п.
Существуют следующие нормативные документы для проработки вопросов обеспечения пожарной безопасности:
ГОСТ 12.1.033-81 ССБТ. Пожарная безопасность. Термины и определения.
ГОСТ Р 12.3.047-98 ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.
В соответствии с типовыми правилами пожарной безопасности промышленных предприятий все производственные, складские, вспомогательные и административные помещения должны быть обеспечены огнетушителями, пожарным инвентарем и пожарным ручным инструментом, которые используются для локализации и ликвидации небольших возгораний, а также пожаров в их начальной стадии. Необходимое количество первичных средств пожаротушения определяют отдельно для каждого этажа, помещения. В начальной стадии пожара возгорания обычно тушат огнетушителями. Согласно нормам первичных средств пожаротушения данное помещение с учетом пожарной опасности веществ и материалов, а также с учетом площади помещения должно быть оборудовано одним углекислотным огнетушителем. Первичные средства пожаротушения должны устанавливаться в помещении на видном месте, по возможности ближе к выходу из помещения.
В целях своевременного оповещения о пожаре в помещении АЗС необходимо использование автоматической пожарной сигнализации. Для формирования сигналов пожарной тревоги используется один оптико- электронный дымовой извещатель ИП 212-45А, подключаемый к адресному приемно-контрольному прибору «Радуга-2А», а также кнопка подачи ручной тревоги.
В качестве первичных средств пожаротушения используются порошковые огнетушители, применение которых возможно при загорании электроустановок под напряжением. В комнате операторов необходимо иметь 2 огнетушителя типа ОП-10.
Микроклимат помещения определяется температурой (град., C), относительной влажностью (%), скоростью движения воздуха (м/с).
Работа в помещении дежурных операторов относится к категории легких физических работ (категория 1а, работа производится сидя и не требует физического напряжения).
Таблица 2. Классификация работ в зависимости от энергозатрат
Работа
Категория
Энергозатраты организма
Характеристика работы
Легкая физическая
Iа
До 120 ккал/ч
(до 500,5 кДж/ч)
Производимые сидя и сопровождающиеся незначитель­ным физическим напряжением
Для повышения влажности воздуха в помещении следует применять увлажнители воздуха, заправляемые ежедневно прокипяченной питьевой водой.
В таблице 3 приведены оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне про­изводственных помещений в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88.
Оптимальные параметры микроклимата - такое сочетание температуры, относительной влажности и скорости воздуха, которое при длительном и систематическом воздействии не вызывает отклонений в состоянии человека.
Таблица 3. Оптимальные нормы микроклимата для комнаты дежурных операторов
Период года
Температура воздуха, град., С не более
Относительная влажность воздуха, %
Скорость движения воздуха, м/с
ХОЛОДНЫЙ
22-24
40-60
0,1
ТЕПЛЫЙ
23-25
40-60
0,1