Широтно імпульсний модулятор на базі магнітного підсилювача

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/n_п = 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 i_p).

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 U_R трикутної форми подвоєної частоти в ланцюг база - колектор транзистора VT. Ця напруга намагається відкрити транзистор. На протязі відрізку часу t_i, коли U_б < U_R транзистор відкритий (рис. 3.2, б) і через якір двигуна під дією напруги U_R буде протікати відповідний струм.

У відповідності до діаграми (рис. 3.2, б) напруга U_R в інтервалі

0< ωt <π/2 дорівнює:

U_R = kI_уt

Тоді за умови U_б <U_R(U_R – амплітуда імпульсу напруги) тривалість імпульсу напруги, що буде прикладена до якоря двигуна,

Отже тривалістю імпульсу напруги t_i на навантаженні можна керувати, змінюючи струм управління керованого дроселя або напругу U_б. 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 К_u>> 1.

Рис 3,3

Вибір транзистора виконуємо на підставі напруги і струму якоря виконавчого двигуна:

U_ke ≥ 1.2Ua_ном ≥1.2·110 ≥ 132B

Iк_макс ≥ Iа_ном ≥ 1,2А

Вибираємо транзистор типу КТ851А з такими характеристиками:

Uke_макс = 200В > 132В; Iк_макс = 2А > 1,2А

Pк_макс =25Вт; h_21eмін =40; Ікб₀ ≤ 1мА;

t_р ≤ 2,6мкс; Uбе_макс = 5В; І_бн = 50мА.

Для забезпечення нормальних умов роботи транзистора вибираємо

Необхідну величину опору резистора R_б для забезпечення режиму відсічки транзистора отримуємо за формулою:

Потужність на опорі:

Вибираємо по стандарту R_б – типу МЛТ-0,125-3кОм

Навантаженням колекторного ланцюга є обмотка якоря двигуна, тому:

R_к = R_а = 8,5Ом

Напруга живлення:

Е_жив = 1,2Ua_ном = 1.2·110 = 132B

3.4.Розрахунок параметрів магнітного підсилювача та транс­форматора

Посільки рівень напруги U_Rмакс = 3В , то використовуємо розділювальний трансформатор з потужністю

Р_тр = І_б²_нас×R_б /η_тр = (50×10^-3)²× 3×10³/0,9 = 8,4Вт

В цьому виразі можна прийняти, що коефіцієнт корисної дії трансформатора η_тр = 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:

Р_мп=Р_б/η_тр=3/0,9=3,3 мВт

де Р_б - максимальна потужність, що споживається резистором R_б;

η_тр – коефіцієнт корисної дії трансформатора.

Вибір марки феромагнітного матеріалу для виготовлення осердя виконуємо з урахуванням частоти живлення робочої обмотки та потужності МП на підставі рекомендацій, зазначених в [1].

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 H_maxкз – напруженість в режимі короткого замикання (див.рис 3,5)

Вибравши точку А на ділянці перегібу основної кривої намагнічування, знаходимо індукцію В_хх = 1,45Тл та відповідну їй

напруженість магнітного поля Н_хх = 5 А/см.

Коефіцієнт кратності струму к_кр для малопотужних МП, що використовуються як регулюючий елемент в ШІМ рекомендується:

к_кр = 5

Максимальне значення напруженості в режимі короткого замикання (насичення) визначаємо за формулою:

H_max = к_крН_хх = 5×5 = 25А/см =0,25А/м

Графічним шляхом за допомогою рис.3.5 визначаємо індукцію короткого замикання В_{m 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 К_зос =0,9 – коефіцієнт заповнення загального перерізу осердя сталлю.

Середнє значення довжини одного витка робочої обмотки l_{р ср} та обмотки управління l_{у 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 І_{у макс} =1мА. Тоді число витків обмотки управління визначаємо за формулою:

Напруженість Н_умакс знаходимо графічним методом (рис. 3.5) як напруженість управління, що зумовлює режим Н_макскз.

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:

R_{1М 0,05} = 9,3 Ом/м R_{1М 0,03} = 24,7 Ом/м

Довжина обмотки управління:

l_У = l_Уср ×w_У =0,03×6 = 0,18м

Довжина робочої обмотки:

l_Р = l _Рср ×w_У =0,021×28 = 0,59м

Активний опір обмотки управління:

R_У =R_1М×l_У = 24,7 × 0,18 = 4,45Ом

Активний опір робочої обмотки :

R_Р =R_1М×l_Р = 9,3 × 0,59 = 5,48 Ом

Приведений до ланцюга управління опір робочої обмотки:

R^/_Р = 2R_Р(W_У / W_Р)² = 2×5,48(6/28)² =0,5Ом.

Реактивний опір Х_У, який необхідно увімкнути в контур управління для подавлення парних гармонік, знаходимо з формули повного опіру обмотки управління Z_У, що повинен задовольняти наступній умові:

Z_У =

Звідси :

Х_У =

Знаходимо індуктивність дроселя:

Визначаємо падіння напруги на індуктивній ланці робочої обмотки:

U_L = 4.44×f×W_P×S×B_XX =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;

В_хх - 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.