міністерство освіти інауки україни
ЖИТОМИРСЬКИЙ
ІНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧНИЙ ІНСТИТУТ
Група
Кафедра АіКТ
ЕЛЕМЕНТИ ТА ПРИСТРОЇ АВТОМАТИКИ
Курсова робота
„ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНИЙ МОДУЛЯТОР
НА БАЗІ МАГНІТНОГО ПІДСИЛЮВАЧА"
Пояснювальна записка
Керівник(
Виконавець()
Житомир 2005
1.ТЕХНИЧНЕ ЗАВДАННЯ
Тип двигуна СЛ – 521
Номінальна напруга 110 В
Номінальна потужність 77Вт
Номінальний струм 1.2А
Номінальна частота обертання 3000 об/хв
Номінальний обертальний момент 25 Н×см
Момент інерції якоря 1,7кг×см2
Пусковий момент 65Н×см
Статичний момент тертя 3.5Н×см
Опір обмотки якоря 8.5Ом
Закон регулювання n/nп
= const = 0,5
2.ВСТУП
В сучасних системах автоматичного керування досить широко використовуються перетворювачі синусоїдної напруги в імпульси струму. В автоматизованому електроприводі такі джерела керування дозволяють отримати досить м'які механічні характеристики.
3.ВИБІР СХЕМИ
Одним з варіантів створення перетворювачів синусоїдної напруги в імпульси струму є використання магнітних однотактних підсилювачів (керованих дроселів) у режимі вимушеного намагнічування. В таких дроселях імпульси струму завжди мають прямокутну форму, а форма імпульсів напруги на навантаженні залежить від властивостей останнього. Звичайний керований дросель у режимі вимушеного намагнічування дозволяє отримати імпульси напруги трикутної форми на ємності (рис.3.1, а), увімкненій в ланцюг робочої обмотки.
Формування таких імпульсів напруги на ємності виникає за умови, якщо незначний сигнал управління Іу викликає насичення одного з осердь. Це призводить до того, що конденсатор С буде періодично перезаряджатись струмом з постійною амплітудою (рис. 3.1, б). З урахуванням цієї обставини напруга на конденсаторі на протязі одного півперіоду може бути визначена за формулою:
де п -
порядковий номер півперіоду; Uc0
- напруга на конденсаторі на
початку півперіоду (в момент зміни напрямку струму ip
).
На базі такого формувача імпульсів напруги трикутної форми можна побудувати, широтно-імпульсний модулятор (ШІМ), схема якого зображена на рис. 3.2, а.
Напруга на конденсаторі Uc випрямляється двопівперіодним випрямлячем і подається у вигляді імпульсів напруги UR
трикутної форми подвоєної частоти в ланцюг база - колектор транзистора VT.
Ця напруга намагається відкрити транзистор. На протязі відрізку часу ti
, коли Uб
< UR
транзистор відкритий (рис. 3.2, б) і через якір двигуна під дією напруги UR
буде протікати відповідний струм.
У відповідності до діаграми (рис. 3.2, б) напруга UR
в інтервалі
0< ωt <π/2 дорівнює:
UR
= kIу
t
Тоді за умови Uб
<UR
(UR
– амплітуда імпульсу напруги) тривалість імпульсу напруги, що буде прикладена до якоря двигуна,
Отже тривалістю імпульсу напруги ti
на навантаженні можна керувати, змінюючи струм управління керованого дроселя або напругу Uб
. Cереднє значення напруги на опорі навантаження R дорівнює:
3.3. Розрахунок параметрів електронного ключа
В схемі Ш1М (рис. 3.2) використовуємо вмикання транзистора за схемою(рис. 3.3) з загальним емітером (ЗЕ), оскільки така схема характеризується досить малою потужністю керування і в той же час має хороші формувальні властивості за рахунок коефіцієнта підсилення по напрузі Кu
>> 1.
Рис 3,3
Вибір транзистора виконуємо на підставі напруги і струму якоря виконавчого двигуна:
Uke
≥ 1.2Uaном
≥1.2·110 ≥ 132B
Iкмакс
≥ Iаном
≥ 1,2А
Вибираємо транзистор типу КТ851А з такими характеристиками:
Ukeмакс
= 200В > 132В; Iкмакс
= 2А > 1,2А
Pкмакс
=25Вт; h21
e
мін
=40; Ікб0
≤ 1мА;
tр
≤ 2,6мкс; Uбемакс
= 5В; Ібн
= 50мА.
Для забезпечення нормальних умов роботи транзистора вибираємо
Необхідну величину опору резистора Rб
для забезпечення режиму відсічки транзистора отримуємо за формулою:
Потужність на опорі:
Вибираємо по стандарту Rб
– типу МЛТ-0,125-3кОм
Навантаженням колекторного ланцюга є обмотка якоря двигуна, тому:
Rк
= Rа
= 8,5Ом
Напруга живлення:
Ежив
= 1,2Uaном
= 1.2·110 = 132B
3.4.Розрахунок параметрів магнітного підсилювача та транс
форматора
Посільки рівень напруги UR
макс
= 3В , то використовуємо розділювальний трансформатор з потужністю
Ртр
= Іб
2
нас
×Rб
/ηтр
= (50×10-3
)2
× 3×103
/0,9 = 8,4Вт
В цьому виразі можна прийняти, що коефіцієнт корисної дії трансформатора ηтр
=
0,9.
Для забезпечення відповідного режиму роботи ШІМ необхідно щоб магнітний підсилювач (МП) працював в режимі вимушеного намагнічування. Варто нагадати, що такий режим роботи МП характеризується наявністю великого реактивного опору у ланцюзі керування [1], повний активний опір контуру навантаження є незначним і складається лише з активного опору робочої обмотки а напруга живлення робочої обмотки вибирається такою, що незначний струм керування почергово призводить до насичення осердя з ідеальною кривою намагнічування. Як наслідок, у робочій обмотці буде протікати періодичний змінний струм прямокутної форми.
Конструктивні параметри та характеристики магнітного підсилювача (МП) значною мірою залежать від його потужності. Останню в цій задачі можна визначити за формулою:
Рмп
=Рб
/ηтр
=3/0,9=3,3 мВт
де Рб
- максимальна потужність, що споживається резистором Rб;
ηтр
– коефіцієнт корисної дії трансформатора.
Вибір марки феромагнітного матеріалу для виготовленн
Для виготовлення осердя МП вибираємо електромагнітну сталь Э310, яка є однією із найпоширеніших в електромагнітних пристроях.
|
||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||
Розрахунок МП розпочинаємо з визначення об’єму його осердя за формулою:
де Hmax
кз
– напруженість в режимі короткого замикання (див.рис 3,5)
Вибравши точку А на ділянці перегібу основної кривої намагнічування, знаходимо індукцію Вхх
= 1,45Тл та відповідну їй
напруженість магнітного поля Нхх
= 5 А/см.
Коефіцієнт кратності струму ккр
для малопотужних МП, що використовуються як регулюючий елемент в ШІМ рекомендується:
ккр
= 5
Максимальне значення напруженості в режимі короткого замикання (насичення) визначаємо за формулою:
Hmax
= ккр
Нхх
= 5×5 = 25А/см =0,25А/м
Графічним шляхом за допомогою рис.3.5 визначаємо індукцію короткого замикання Вm
кз
= 0,1Тл.
Кутова швидкість двигуна
ω = 2πn = 2×3,14×3000 =18840рад/хв
Таким чином:
Згідно нормального ряду осердь (додаток 1 в [2]) вибираємо найближче осердя з геометрічними розмірами D1
/ D2
/ hтипу ОЛ 16/20-2 (2шт)
Тоді уточнений об’єм осердя становить
Середня лінія осердя:
Тоді площа поперечного перерізу осердя
де Кзос
=0,9 – коефіцієнт заповнення загального перерізу осердя сталлю.
Середнє значення довжини одного витка робочої обмотки lр ср
та обмотки управління lу ср
(див. рис. 3.6)визначаємо за формулами:
де χ = 5мм – припуск на кути.
Кількість витків робочої обмотки змінного струму розраховуємо за формулою:
де =0,0175 Ом×мм2
/м (для меди)
J=2 – нормована щільність струму [1].
Приймаємо початкове значення струму Іу макс
=1мА. Тоді число витків обмотки управління визначаємо за формулою:
Напруженість Ну
макс
знаходимо графічним методом (рис. 3.5) як напруженість управління, що зумовлює режим Нмакс
кз
.
Струм робочої обмотки знаходимо за формулою
Площу поперечного перерізу дроту для кожної з обмоток визначаємо через максимальний струм, що протікатиме через неї, та нормовану щільність струму:
Відповідні діаметри дротів кожної обмотки:
Обираємо відповідно марки проводів:
Для робочої обмотки ПЕВ-I-0,05мм;
Для обмотки управління ПЕВ-I-0,03мм.
Опір одного метра вибраних проводів відповідно дорівнюють:
R1М 0,05
= 9,3 Ом/м R1М 0,03
= 24,7 Ом/м
Довжина обмотки управління:
lУ
= lУср
×wУ
=0,03×6 = 0,18м
Довжина робочої обмотки:
lР
= l Рср
×wУ
=0,021×28 = 0,59м
Активний опір обмотки управління:
RУ
=R1М
×lУ
= 24,7 × 0,18 = 4,45Ом
Активний опір робочої обмотки :
RР
=R1М
×lР
= 9,3 × 0,59 = 5,48 Ом
Приведений до ланцюга управління опір робочої обмотки:
R/
Р
= 2RР
(WУ
/ WР
)2
= 2×5,48(6/28)2
=0,5Ом.
Реактивний опір ХУ
, який необхідно увімкнути в контур управління для подавлення парних гармонік, знаходимо з формули повного опіру обмотки управління ZУ,
що повинен задовольняти наступній умові:
ZУ
=
Звідси :
ХУ
=
Знаходимо індуктивність дроселя:
Визначаємо падіння напруги на індуктивній ланці робочої обмотки:
UL
= 4.44×f×WP
×S×BXX
=4.44×28×50×0,016×1,45 =144В,
де f =50Гц – частота живлення робочої обмотки;
S = (D2
– D1
)h = (20 -16)4 = 16мм2
- площа поперечного перерізу стрижня магнітопроводу;
Вхх
- індукція в магнітопроводі на ділянці перегину основної кривої намагнічування.
Напруга джерела живлення робочої обмотки без урахування впливу ємності в режимі вимушеного намагнічування:
Значення ємності С, яка є нагрузкою робочої обмотки знаходимо за
формулою:
Вибираємо за стандартом С = 0,22мкФ.
ЛІТЕРАТУРА
1. Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики: Учебник для вузов. -4-е изд., перераб. й доп. -М.: Высш.школа, 1983. -408 с.
2. Боярченков М.А., Черкашина А.Г. Магнитные злементы автоматики й вычислительной техники. Учеб. Пособие для специальности "Автоматика й телемеханика" вузов. М., "Высш. школа", 1976. -383 с.
3. Изьюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы й устройства промышленной злектроники. Учебник для вузов. -М.: Высш.школа, 1986.-398с.
4. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. Изд. 8-е, перераб. Киев, "Техніка", 1977. 376 с.
5. Подлипенский В.С., Петренко В.И. Злектромагнитные и злектромашинные устройства автоматики. -К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987.-592 с.
6. Волков Н.И., Миловзоров В.П. Злектромашинные устройства автоматики: Учеб. для вузов для спец. „Автоматика й телемеханика". -2-е изд. й доп. -М.: Вьісш. шк.., 1986. - 335 с.
7. Желєзна А.О. Дипломні (курсові) проекти. Вимоги до оформлення документації: Навчальний посібник. - Житомир: ЖІТІ, 2000. -244с.