При низкой оригинальности работы "Проектирование и расчет каскада управления двухфазным асинхронным двигателем", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Первичный выбор транзистора осуществляется по трем параметрам: Uкэ-makc - максимальное (для данной схемы) значение напряжения на закрытом транзисторе, Ррас-макс - максимальная (для данной схемы) мощность рассеяния на транзисторе, Ік-макс. По полученным значениям трех основных параметров из справочника выбирается транзистор, удовлетворяющий условиям: Этим параметрам соответствует транзистор КТ815Г, в таблице 3 приведены справочные данные на выбранный транзистор. Определим максимальный ток базы транзистора для данной схемы: Максимальное напряжение база-эмиттер Uбэ-макс можно выбрать из диапазона: Пусть , тогда максимальное значение входной мощности каскада : 1.3 Расчет термических сопротивлений и площади теплоотвода Это значение берется из справочных данных в таблице 3. определяется как: Теперь рассчитаем требуемое термическое сопротивление «переход-среда»: Далее, чтобы рассчитать требуемое термическое сопротивление «теплоотвод-среда» Rt-т-ср, учтем, что при размещении транзистора на теплоотводе Rt-п-ср определяется тремя составляющими: Rt-п-ср= Rt-п-к Rt-к-т Rt-т-ср, где Rt-п-к - термическое сопротивление «переход-корпус», Rt-к-т - термическое сопротивление «корпус-теплоотвод», Rt-т-ср - термическое сопротивление «теплоотвод-среда». Если знать два первых слагаемых данного уравнения, то Rt-т-ср можно найти как Так, как термическое сопротивление «переход-корпус» Rt-п-к не дано в явном виде, то оно находится по максимально допустимой температуре перехода Тп-доп и температуре, для которой дано значение Ррас-т-доп, При наличии прокладок: Зная эти величины, рассчитываем требуемое термическое сопротивление «теплоотвод-среда»: Далее находим требуемое значение площади теплоотвода по эмпирической формуле: , где Rt-т-ср подставляется в К / Вт.
Введение
В рамках данной работы мы приобрели первоначальные знания и навыки, необходимые для проектирования и расчета электрических цепей управления двухфазным асинхронным двигателем.
Постановка задачи. Расчет производится согласно заданным в таблице 1 параметрам.
Таблица 1. Заданные параметры
Параметр Обозначение Значение параметра
Коэффициент усиления Кус 2·104
Тип двигателя АД-32В
Напряжение питания системы Uп сист. 40 В
Частота питающего напряжения fp 400 Гц
Температура окружающей среды Токр 333 К
Характер питающего напряжения для выходного каскада Сглаженное
Параметры двигателя АД-32B, взятые из документации, заданы в таблице 2.
Таблица 2. Параметры двигателя АД-32B
Параметр Обозначение Значение параметра
Частота fp 400 Гц
Напряжение возбуждения Uвозб 40 В
Напряжение управления последовательное Uупр посл 24 В
Напряжение управления параллельное Uупр парал 12 В
Напряжение трогания двигателя Uтрог 0.6 В
Полное сопротивление обмотки возбуждения Zвозб (77 j·121) Ом
Полное сопротивление обмотки управления Zупр (25 j·50) Ом
Мощность возбуждения Рвозб 5.5 Вт
Мощность управления Рупр 5.5 Вт
Cos j обмотки управления Cos jупр 0.5
Cos j обмотки возбуждения Cos jвозб 0.5
1. Выбор конфигурации и расчет выходного каскада
1.1 Выбор конфигурации выходного каскада
С точки зрения уменьшения потерь предпочтительно выполнить выходной каскад по схеме, работающей в режиме В. Рекомендуется использовать двухтактный каскад па базе биполярных транзисторов. С учетом конструкции предлагаемых в задании двигателей (с двойной управляющей обмоткой) имеет смысл строить каскад по бестрансформаторной схеме, с включением дополнительного конденсатора параллельно управляющей обмотке.
В соответствии с изложенным схема каскада имеет вид, представленный на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема выходного каскада
Здесь изображен двухтактный каскад усиления, транзисторы включены по схеме с общим эмиттером.
1.2 Выбор транзистора
Необходимо выбрать транзистор, который бы соответствовал требуемым электрическим характеристикам каскада. Предпочтительно использовать кремниевые транзисторы, т.к. они имеют лучшие характеристики при работе в условиях повышенных температур.
Первичный выбор транзистора осуществляется по трем параметрам: Uкэ-makc - максимальное (для данной схемы) значение напряжения на закрытом транзисторе, Ррас-макс - максимальная (для данной схемы) мощность рассеяния на транзисторе, Ік-макс. - максимальный (для данной схемы) ток через коллектор.
Допустимые значения соответствующих параметров выбираемого транзистора, приводимые в справочных материалах, должны быть строго больше указанных величин.
=33.94 (В), =1.117 (Вт).
Для минимизации токов через транзисторы целесообразно ввести в схему конденсатор Су такой величины, чтобы нагрузка каскада имела активный характер. Для этого контур, образуемый обмотками управления ОУ1, ОУ2 и конденсатором Су, должен быть настроен в резонанс на рабочей частоте питающего напряжения.
Две обмотки управления со средней точкой можно рассматривать как автотрансформатор с коэффициентом трансформации n=0.5. Рассчитаем конденсатор Спр, приведенный к одной обмотке, из условия резонанса с индуктивностью обмотки управления на рабочей частоте Для приведенной емкости получим:
.
Тогда для конденсатора Су справедливо:
Выберем Су = 2,2 (МКФ).
Рассчитаем максимальный ток через коллектор:
Для обеспечения большей линейности характеристик каскада рекомендуется выбирать Rэ таким, чтобы максимальное падение напряжения на нем URЭ max равнялось (1 - 1,5) В:
Выберем =1,5 Ом.
По полученным значениям трех основных параметров из справочника выбирается транзистор, удовлетворяющий условиям:
Этим параметрам соответствует транзистор КТ815Г, в таблице 3 приведены справочные данные на выбранный транзистор.
Таблица 3 - Справочные данные на транзистор КТ815Г
Обозначение Значение параметра Описание
30Минимальный статический коэффициент передачи по току при Тк =298К
Іб-const, А 0.5 Постоянный ток базы
Ік-обр, МА 1 Обратный ток коллектора при Тк =373К
Ік-const, А 1.5 Постоянный ток коллектора
Ррас-доп, Вт 1 Мощность, рассеиваемая без теплоотвода при Тк =233-298К.
Ррас-т-доп, Вт 12 Мощность, рассеиваемая с теплоотводом при Тк =233-298К
Іб-макс, A 0.5 Максимальный ток базы
Uкэ-доп, B 80 Напряжение коллектор-эмиттер допустимое
Uкэ-нас, B 0,6 Напряжение коллектор-эмиттер насыщения
Uбэ-доп, В 5 Постоянное напряжение база - эмиттер при Тк =213-273К
Т, K 233-373 Температура окружающей среды
Тп-доп, К 398 Максимально допустимая температура перехода
Так, как допустимая мощность, рассеиваемая без теплоотвода, Ррас-доп, меньше, чем Ррас-макс, то потребуется применить теплоотвод.
Многие параметры транзистора зависят от температуры. Допустимое значение температуры p-n-перехода транзистора: Тп-доп =398 К, ее нельзя превышать, т.е. следует задаться рабочей температурой перехода, исходя из условия: Токр < Тпр< Тп-доп, т.е. для нашего случая: 333 К < Тпр< 398 (К).
Пусть Тпр =373 К, тогда запас по температуре (К).
Определим максимальный ток базы транзистора для данной схемы:
Максимальное напряжение база-эмиттер Uбэ-макс можно выбрать из диапазона:
Пусть , тогда максимальное значение входной мощности каскада :
1.3 Расчет термических сопротивлений и площади теплоотвода
Рассчитаем уточненную мощность рассеяния на транзисторе с учетом наличия ненулевого напряжения Uкэ-нас на открытом транзисторе, а также тока утечки закрытого транзистора:
где Рдоб - добавочная мощность, обусловленная током утечки закрытого транзистора.
Ток утечки равен обратному току коллектора Ік-обр, при выбранной рабочей температуре. Это значение берется из справочных данных в таблице 3. определяется как:
Теперь рассчитаем требуемое термическое сопротивление «переход-среда»:
Далее, чтобы рассчитать требуемое термическое сопротивление «теплоотвод-среда» Rt-т-ср, учтем, что при размещении транзистора на теплоотводе Rt-п-ср определяется тремя составляющими: Rt-п-ср= Rt-п-к Rt-к-т Rt-т-ср, где Rt-п-к - термическое сопротивление «переход-корпус», Rt-к-т - термическое сопротивление «корпус-теплоотвод», Rt-т-ср - термическое сопротивление «теплоотвод-среда». Если знать два первых слагаемых данного уравнения, то Rt-т-ср можно найти как Так, как термическое сопротивление «переход-корпус» Rt-п-к не дано в явном виде, то оно находится по максимально допустимой температуре перехода Тп-доп и температуре, для которой дано значение Ррас-т-доп,
При наличии прокладок:
Зная эти величины, рассчитываем требуемое термическое сопротивление «теплоотвод-среда»:
Далее находим требуемое значение площади теплоотвода по эмпирической формуле: , где Rt-т-ср подставляется в К / Вт.
1.4 Расчет параметров источника питания
Рассчитаем основные параметры источника питания , и .
Найдем по формуле: .
На неидеальном открытом транзисторе имеется падение напряжения Uкэ-нас, что должно быть учтено при расчете :
Найдем по формуле:
2. Выбор конфигурации и расчет цепи предварительного усиления и схемы подавителя квадратурной помехи
Для обеспечения высоких коэффициентов усиления цепи целесообразно использовать серийно выпускаемые микросхемы операционных усилителей (ОУ). Поскольку обычно не рекомендуется делать усиление одного каскада более 100, то потребуется последовательное включение нескольких каскадов. Связь последней микросхемы с выходным каскадом легче всего выполнить при помощи согласующего трансформатора.
Для построения подавителя квадратурной помехи необходимы электронные ключи. Ключи на базе биполярных транзисторов обычно имеют более высокое остаточное (паразитное) напряжение, которое при достаточно большом усилении последующих каскадов может привести к пуску двигателя даже при отсутствии соответствующего полезного управляющего сигнала. Ключи на базе полевых транзисторов позволяют избежать этой опасности без принятия специальных мер, поэтому применение полевых транзисторов или специальных микросхем, содержащих ключи на базе полевых транзисторов, в данном случае выглядит целесообразным.
2.1 Выбор микросхемы ОУ
Выходная мощность микросхемы должна удовлетворять условию: , где ? - коэффициент полезного действия согласующего трансформатора, который предварительно можно условно принять равным 0,8, а - максимальное значение ранее рассчитанной входной мощности выходного каскада. Частотные характеристики ОУ в данном случае некритичны, поскольку рабочая частота 400 Гц является низкой. По справочнику выбираем микросхему К140УД6. В таблице 4 приведены паспортные параметры выбранной микросхемы.
Согласующий трансформатор выбирается по значению коэффициента трансформации n и номинальной мощности трансформатора Рном-тр согласно условию: каскад трансформатор асинхронный двигатель
По справочнику выбираем трансформатор Т 0.5-5. в таблице 5 приведены параметры трансформатора Т 0.5-5.
Таблица 5 - Параметры трансформатора Т 0.5-5
Обозначение Значение параметра Описание
N 0.2 Коэффициент трансформации r1, Ом 29 Сопротивление первичной обмотки току при r2, Ом 1.7 Сопротивление вторичной обмотки току при
U1тр, В 15 Напряжение на первичной обмотке
Рном-тр, Вт 0.5 Номинальная мощность трансформатора
Используя эквивалентную схему трансформатора, рисунок 2, следует проверить, будет ли на входе выходного каскада обеспечено необходимое максимальное напряжение согласно условию: Uн > Uбэ-макс URЭ-макс=1 1=2 (В).
Если да, то трансформатор может быть использован.
Рисунок 2 - Эквивалентную схему трансформатора
Для нахождения Uн оценим потери ?U на сопротивлениях и по формулам:
2.137>2, следовательно необходимое условие выполняется и трансформатор подобран правильно.
2.3 Расчет предварительных усилителей
Структурная схема цепи усиления, обеспечивающая необходимый коэффициент усиления, приведена на рисунке 3. Согласующий трансформатор Т2 обеспечивает связь предварительного и выходного усилителей. Трансформатор Т1 служит для управления ключами
Рисунок 3 - Структурная схема цепи усиления
По условию необходимо обеспечить коэффициент усиления =20000. Примем коэффициент передачи подавителя помех Кпп= . Рассчитаем коэффициент усиления выходного каскада (Квк) по формуле:
Общий коэффициент усиления определяется по формуле:
положим К1=К2=К3=К. Отсюда найдем К - такое значение коэффициента усиления, при котором обеспечивается необходимый общий коэффициент усиления:
Расчет резисторов
Произведем расчет первого усилителя. Примем, что через резисторы протекает некоторый ток значительно меньший, чем максимальный выходной ток микросхемы. Так, как максимальный выходной ток не известен, то вместо него возьмем ток потребления микросхемы. Тогда можно составить систему уравнений для нахождения и :
Выбираем Rk1=6,2 (КОМ).
Выбираем Roc=270 (КОМ).
Определим номинал резистора :
Выбираем =6,2 (КОМ).
Расчет конденсаторов
Рассчитаем емкости разделительных конденсаторов С1, С2 и С3, используемых для развязки по постоянному напряжению между каскадами усиления. Определим параметры разделительных конденсаторов по формуле:
Выбираем С2 =С1= 0.68 (МКФ).
Для расчета найдем приведенное эквивалентное сопротивление на входе согласующего трансформатора Т2.
Выберем Rпр=1,2 (КОМ). где r1 - сопротивление первичной обмотки, r2 - сопротивление вторичной обмотки, n-коэффициент передачи, Rн - сопротивление нагрузки трансформатора. выберем из соотношения:
Выберем С3= 1 (МКФ).
2.4 Расчет подавителя квадратурной помехи
Подавитель состоит из последовательно включенных демодулятора, RC-звена и модулятора, рисунок 4.
Рисунок 4 - Подавитель квадратурной помехи
Выберем полевые транзисторы VT3, VT. КП304А - кремниевый диффузионно-планарный полевой с изолированным затвором и индуцированным каналом. Паспортные характеристики транзистора приведены в таблице 6.
Таблица 6 - Паспортные характеристики транзистора КП304А Обозначение, принимаемое в расчетах Значение параметра Описание
RСИ [Ом] 100 Сопротивление сток-исток в открытом состоянии при UЗИ =20 В, ІЗИ = 1 МА.
ІНАЧ [МКА] 0.2 (3) Начальный ток стока при UСИ =25 В, UЗИ =0 В при Т=298К (при Т=358К)
ІУТ [НА] 20 Ток утечки затвора при UСИ =0 В, UЗИ =30 В
UПОР [B] 5 Пороговое напряжение при UСИ =10 В, IC =10 МКА.
РРАС [МВТ] 200 (100) Постоянная рассеиваемая мощность при Т=213-358 К (398К)
ТОС ДОП [K] 213-398 Температура окружающей среды.
Uзи [B] 30 Напряжение затвор исток
Для нахождения емкости конденсатора С’ необходимо задаться t - постоянной времени заряда конденсатора С’. Она выбирается из условия: t где T - период следования сигнала.
С’ =
Выберем С’=1 (МКФ).
R’ возьмем значительно меньшим (хотя бы в 5 раз), чем R’’. А сопротивление Rп - хотя бы в 5 раз меньшим, чем R’, R’=1.16к (Ом), Выберем резистор номиналом 1,2 (КОМ).
Rп=232 (Ом).
Конденсатор СП рассчитаем по формуле:
Выберем конденсатор номиналом 17,2 (КОМ).
Амплитудное значение напряжения UУПР ПКП должно удовлетворять требованию открывания транзистора: Uзи> UУПР ПКП макс> UПОР, 30> UУПР ПКП макс> 5, Диоды D1 и D2 можно взять маломощные. Возьмем КД510, характеристики которого представлены в таблице 7.
Таблица 7 - Паспортные характеристики диода КД510
Обозначение, принимаемое в расчетах Значение параметра Описание
Іобр [МКА] Постоянный или средний обратный ток
Іпр.max [MA] 30 Максимальный прямой ток
Uобрmax [В] 50 Обратное падение напряжения на диоде
Отсюда можно найти сопротивления RОГ1= RОГ2 по формуле: , выберем RОГ=510 (КОМ).
3. Организация питания выходного каскада и операционных усилителей
3.1 Организация питания выходного каскада
Рисунок 5 - Схема диодного блока
Целесообразно использовать диодный блок (в интегральном исполнении), в котором диоды соединены по мостовой схеме, рисунок 5. Для выбора блока необходимо знать средний и максимальный токи через диоды и обратные напряжения на них.
Так, как на выходной каскад должно подаваться сглаженное напряжение, то необходим фильтрующий (сглаживающий) конденсатор СФ1..
Для выходного каскада известны и . Средний ток через диод определяется по формуле:
Рассчитаем эквивалентное сопротивление нагрузки источника питания:
Зададимся некоторым коэффициентом пульсации Кп?6-7%. При таком коэффициенте пульсации можно аппроксимировать временную диаграмму напряжения, получаемого на выходе фильтра, отрезками прямых. Тогда справедлива формула для расчета емкости конденсатора: Кп=5%.
Выберем конденсатор 330 МКФ.
Чтобы оценить пиковые значения зарядного тока Іпик, протекающего через диоды и конденсатор, можно воспользоваться специальными таблицами (графиками), дающими зависимость . Можно также прибегнуть к графическому методу оценки: зная и , найдем постоянную времени цепи разряда: ? = . Затем построим диаграмму напряжения, отложив ? по оси времени, рисунок 6.
Рисунок 6 - диаграмма напряжений
Отсюда графически оценим отношение времен заряда и разряда (тзар/ тразр).
Соотношения токов разряда и заряда приблизительно обратно пропорциональны соотношениям соответствующих времен: (Іразр / Ізар.)= (тзар /тразр).
Поскольку при максимальном потреблении тока от источника: Іразр=Іп-макс, то ток заряда найдем как: Ізар.= Іп-макс (тразр /тзар)= 1.94 (А).
Пиковый ток через диод: Іпик =Ізар Іп-макс =2.593 (А).
Максимальный ток через диод: Ід-макс= Іпик =2.593 (А).
С учетом падения напряжения на открытых диодах на входе моста необходимо обеспечить: Uвх.D4 макс= Uп - макс 2 Uд.прям=17.031 2*1=19.031 (В).
Обратное напряжение на диоде определим по формуле: Uд-обр= Uвх.D4 макс - Uд.прям=19.031-1=18.031 (В). где Uд-пр - падение напряжения на прямо включенном (открытом) диоде, приблизительно равное 1В.
Далее выбираем диодный блок D4 из условий:
Выберем диодный блок, в таблице 8 приведены данные на диодный блок КЦ 407А - диоды кремниевые в пластмассовом корпусе, соединенные по мостовой схеме.
Таблица 8 - Диодный блок КЦ 407А Обозначение, принимаемое в расчетах Значение параметра Описание
Ід.бл-ср [МА] 300 Постоянный или средний прямой ток при T= 328°К
Ід.бл-ср [МА] 150 Постоянный или средний прямой ток при T= 358°К
Uд.бл-обр [В] 500 Обратное падение напряжения на диоде
Ід.бл-макс [А] 3 Прямой импульсный ток
3.1 Организация питания операционных усилителей
Микросхемы операционных усилителей требуют питания сглаженным стабилизированным напряжением. Для организации такого питания можно использовать интегральную сборку сдвоенного диодного моста и микросхему двуполярного стабилизатора напряжения, или же отдельно два мостовых выпрямителя и два стабилизатора напряжения. Мы используем последний вариант. Он показан на рисунке 7. По требуемому для ОУ значению Uп мс=±15В, выберем из справочника стабилизаторы D7, D8 КР142ЕН8В, характеристики которого приведены в таблице 9.
Рисунок 7 - Организация питания микросхемы ОУ
Таблица 9 - Характеристики стабилизатора КР142ЕН8В
Обозначение, принимаемое в расчетах Значение параметра Описание
[В]35Максимальное входное напряжение
[В]17.5Минимальное входное напряжение
[В](14,55. 15,45)Выходное напряжение при
[МА]1500Максимальный выходной ток
[МА]600Минимальный выходной ток
[ДБ]30Коэффициент сглаживания пульсаций
[МА]20Ток потребления
В паспорте на микросхему КР142ЕН8В рекомендовано придерживаться следующих условий: Однако необходимо обеспечить уровень пульсаций напряжения на входе КР142ЕН8В, при котором бы оно не опускалось ниже =17.5В. Зададимся амплитудным значением напряжения на выходе диодного моста D5, например, Uвых.D5 макс = 20В. Тогда приемлемым будет уровень пульсаций менее 2,5В. Потребуем 2В, т.е. 10%. Выясним, какая понадобится емкость конденсатора С4 для обеспечения таких пульсаций.
Определим из рисунка 9 требуемую постоянную времени ?1. Отложим на диаграмме Uвых.D5 макс = 20В и Uвых.D5 мин = 18В. Через полученные точки A и B проведем наклонную прямую. На пересечении с осью абсцисс имеем ?1.
Рисунок 9 - Диаграмма напряжений
Найдем эквивалентное сопротивление нагрузки для одного из диодных блоков. Ток, потребляемый стабилизатором, определяется потреблением трех ОУ и собственным потреблением микросхемы стабилизатора. Значит,
Среднее напряжение на выходе диодного блока при Uвых.D5 макс = 20В и уровне пульсаций 10% составит Uвых.D5 ср =19В. Тогда эквивалентное сопротивление нагрузки: .
Для С6 получим тот же результат. С5 и С7 можно взять согласно рекомендации паспорта на микросхему КР142ЕН8В (10 МКФ). Необходимое напряжение на входе мостов: Uвх.D5 макс= Uвых.D5 макс 2 Uд.прям=22 (В), Прямое падение напряжения на диоде Uд.прям ?1В. Пиковый ток через диоды: I.ПИКD5= IВЫХD5 (тразр1 /тзар1) IВЫХD5 = 128 (МА), где времена тразр1, тзар1 определяются графически. Средний ток: ICPD5 = IВЫХD5=32 (МА).
Обратное напряжение на диоде определим по формуле:
Выбираем диодные блоки D5, D6 из условий:
Выбираем диодный блок КЦ 407А - диоды кремниевые в пластмассовом корпусе, соединенные по мостовой схеме. Параметры блока приводятся в таблице 10.
Таблица 10 - Характеристики диодного блока КЦ 407А Обозначение, принимаемое в расчетах Значение параметра Описание
Ід.бл-ср [МА] 300 Постоянный или средний прямой ток при T= 328°К
Ід.бл-ср [МА] 150 Постоянный или средний прямой ток при T= 358°К
Uд.бл-обр [В] 500 Обратное падение напряжения на диоде
Ід.бл-макс [А] 3 Прямой импульсный ток
3.3 Требования к выбору силового трансформатора
Необходимо обеспечить питание выходного каскада и операционных усилителей, а также управление подавителем квадратурных помех, используя силовой трансформатор, запитанный общим напряжением питания системы. Чтобы удовлетворить всем заданным требованиям, необходим трансформатор с одной первичной обмоткой и 5 вторичными. При выборе учитываем, что. Трансформатор должен быть рассчитан на частоту 400 Гц. Климатические условия - такие же как и для работы двигателя. Электрическая схема трансформатора представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 - Электрическая схема трансформатора
Действующие значения напряжений на вторичных обмотках: U1= Uвх.D4 макс/v2= 13.5 (В) (для питания выходного каскада)
U2=U3=Uвх.D5 макс/v2= 15.6 (В) (для питания ОУ)
U4=U5=UУПР ПКП макс/v2= 11.3 (В) (для управления подавителем помех)
Необходимо обеспечить баланс мощностей, то есть необходимая мощность силового трансформатора: Р сил.тр > Рупр 2Ррасс.ут Рпотр.ОУ, где Рпотр.ОУ - мощность, потребляемая блоком питания ОУ: Рпотр.ОУ ?2 Uвых.D5 ср IВЫХD5=
Р сил.тр > 5.5 2.14 1.28=8.92
Список литературы
1 В.В. Дубровский., Д.М. Иванов и др. «Резистроы: Справочник». Москва. Радио и связь. 1991 г.
2. В.А. Веселов, Е.Б. Коротков Исполнительные устройства систем автоматики Часть 2 1983 г.
3. В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев «Электроника». М.: Высшая школа, 1991
