міністерство освіти і
науки 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×см
2 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; Uc
0 - 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
у t
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
21e мін =40; Ікб
0 ≤ 1мА;
t
р ≤ 2,6мкс; Uбе
макс = 5В; І
бн = 50мА.
3.4.Розрахунок параметрів магнітного підсилювача та трансформатора Посільки рівень напруги U
Rмакс = 3В , то використовуємо розділювальний трансформатор з потужністю
Р
тр = І
б2нас×R
б /η
тр = (50×10
-3)
2× 3×10
3/0,9 = 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
max кз – 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
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:
H
max =
ккрН
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 D
1 / D
2 / h типу 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×мм
2/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
у макс знаходимо графічним методом (рис. 3.5) як напруженість управління, що зумовлює режим Н
макс 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:
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
ХУ, 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 = (D
2 – D
1)h = (20 -16)4 = 16мм
2 - 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.
Зм Арк № Докум Підпис Дата |