МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КАФЕДРА СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ І
ЕЛЕКТРОПРИВОДА
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
З ДИСЦИПЛІНИ: “ТЕОРІЯЕЛЕКТРОПРИВОДА”
НА ТЕМУ: “ПЛАВНИЙ ПУСК ДВИГУНАПОСТІЙНОГО СТРУМУ
ПО СИСТЕМІ “ ШИРОТНО ІМПУЛЬСНИЙПЕРЕТВОРЮВАЧ – ДВИГУН
ПОСТІЙНОГО СТРУМУ“
Розробив:
Керівник:
2002
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН№ Назва етапів курсового проекту
Строк виконання
етапів проекту 1
Аналіз технічного завдання і вибір
широтно імпульсного перетворювача 15 жовтня 2002 2
Аналіз функціональної схеми та розробка
технічної документації 30 жовтня 2002 3
Розробка системи управління транзистором та
виготовлення печатної плати 20 листопада 2002 4 Розрахунок схеми заміщення 30 листопада 2002 5
Побудова статичних, механічних та
швидкісних характеристик 5грудня 2002 6
Вибір силових елементів та розрахунок
параметрів схеми 10 грудня 2002 7 Розрахунок енергетичних характеристик 25 грудня 2002 8 Математичне моделювання 10 січня 2003 9 Оформлення проекту 27 січня 2003
Студент _____________
Керівник _____________
“_______”______________________200 р
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ
ШИП — широтно імпульсний перетворювач
ДПТ — двигун постійного струму
АД — асинхронний двигун
ИП — імпульсний перетворювач
ЭОМ – електронно-обчислювальна машина
ИДК — вимірювально діагностичний комплекс
ШД — шаговий двигун
ЧРП — частотно регульований привод
КПД — коефіцієнт корисної дії
ГПИ — генератор пилоподібних коливань
ЗАВДАННЯ
на курсовий проект студента
____________________________________
1. Тема роботи Плавний пуск двигуна постійногоструму по системі “ Широтно імпульсний перетворювач – двигун постійногоструму “. Основна частина – розробка системи плавного пускадвигуна постійного струму на базі мікроконтроллера PIC 16F 877
2. Строк здачі студентом закінченої роботи 28.01.03
3. Вихідні дані до роботи технічніхарактеристики двигуна, технічні характеристики існуючих систем широтноімпульсних модуляторів
4. Зміст розрахунково – пояснювальної запискианаліз існуючих імпульсних перетворювачів і вибір найбільш оптимальної,розробка технічної документації на стенд, розробка принципової тафункціональної схем, вибір силових елементів.
5. Дата видачі завдання жовтня 200 р
СОДЕРЖАНИЕ
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН… 2
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ. 3
ЗАВДАННЯ… 4
Введение. 6
1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ. 8
1.1 Импульсные преобразователипостоянного напряжения (общие сведения) 8
1.2 Анализ существующих импульсныхпреобразователей. 8
2. Функциональная схемалабораторного стенда. 11
3. Разработка техническойдокументации на лабораторный стенд системы ШИП – ДПТ. 13
3.1 Общий вид лабораторного стенда. 13
3.2 Принципиальная схема стенда после доработки. 15
3.3 Перечень функциональных возможностей лабораторногостенда. 16
3.4 Система управления на базе микроконтроллера PIC 16F 877. 17
4. Расчет схемы замещения. 24
5. Статические характеристики системы ШИП – ДПТ. 26
6. Выбор силовых элементов. 31
6.1 Выбор силового трансформатора. 31
6.2 Выбор силового транзистора. 32
6.3 Выборобратного диода. 33
7. Расчет преобразователя. 35
8. Расчет энергетических характеристик. 42
9. Математическая модель системы ШИП – ДПТ. 45
ВЫВОД… 50
Введение
Сохранение электрической энергии становится важнойчастью общей тенденции по защите окружающей среды. Электродвигатели, приводящиев действие системы в быту и на производстве, потребляют значительную частьпроизводимой энергии. Большинство этих двигателей работают в нерегулируемомрежиме и, следовательно, с низкой эффективностью. Недавний прогресс вполупроводниковой индустрии, особенно в силовой электронике имикроконтроллерах, сделали приводы с регулированием скорости более практичнымии значительно менее дорогими. Сегодня приводы с регулировкой скорости требуютсяне только в высокопрофессиональных и мощных промышленных применениях, таких какобрабатывающие машины или подъемные краны, но все больше и больше в бытовойтехнике, например, в стиральных машинах, компрессорах, небольших насосах,кондиционерах воздуха и т.п. Эти приводы, управляемые по развитым алгоритмам спомощью микроконтроллеров, имеют ряд преимуществ:
увеличение энергетической эффективности системы (регулирование скорости снижает потери мощности вдвигателях)
усовершенствование функционирования (цифровое управление может добавить такие свойства,как интеллектуальные замкнутые контуры, изменение частотных свойств, диапазонаконтролируемых неисправностей и способность к взаимодействию с другимисистемами)
упрощение электромеханического преобразования энергии (регулируемые приводы позволяют устранитьнеобходимость в трансмиссиях, коробках передач, редукторах) простота обновленияпрограммного обеспечения системы на базе микроконтроллеров с флэш-памятью могутбыстро изменять при необходимости увеличивается. Основным условием их использованияявляется сохранение общей стоимости системы в обоснованных границах. Для рядасистем, особенно в быту, общая стоимость должна быть эквивалентна стоимостинерегулируемого варианта.
1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ1.1 Импульсные преобразователипостоянного напряжения (общие сведения)
Изменение величины напряжения потребителя посредствомимпульсных преобразователей (ИП) называют импульсным регулированием.
С помощью импульсного преобразователя источникнапряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходепреобразователя формируются импульсы напряжения. Регулирование напряжения на нагрузкеможно осуществить тремя способами:
изменением интервала проводимости ключа при постояннойчастоте переключения (широтно-импульсный)
изменением частоты переключения при постоянноминтервале проводимости ключа (частотно-импульсный)
изменением частоты переключения и интервалапроводимости ключа (время-импульсный)
При этом регулируется относительное время проводимостиключа, что приводит к плавному изменению среднего значения напряжения на нагрузке(в нашем случае на якоре ДПТ) 1.2 Анализ существующихимпульсных преобразователей
Схема ШИП с параллельной емкостной коммутациейизображена на рисунке 1.1.
/>
Рисунок 1.1. ШИП с параллельной емкостной коммутацией
Недостатком ШИП с параллельной емкостной коммутациейявляется то, что в процессе переключения напряжение на нагрузке достигает удвоенныхзначений питающего напряжения. Также недостатком является сложность настройкирезонансного контура с конденсатором ‘C’ и дросселем ‘Др’.
На рисунке 1.2 изображена схема ШИП с дополнительнымкоммутирующим тиристором и линейным дросселем в узле коммутации.
/>
Недостатком схемы является связь контура коммутации сцепью нагрузки. Эта особенность затрудняет коммутацию в режимах малых нагрузоки делает невозможной работу устройства на холостом ходу.
На рисунке 1.3 изображена схема нереверсивного ИП споследовательным ключевым элементом.
/>
Рисунок 1.3. Нереверсивный ШИП
Данная схема является наиболее приемлемой для нашейцели, так как она отличается малым количеством элементов, простотой конструкции,достаточно высоким быстродействием и надежностью.
Принцип действия:
Когда транзистор VT отперт отисточника питания потребляется энергия. При запирании транзистора VTток нагрузки за счет Э.Д.С. самоиндукции сохраняет свое прежнее направление,замыкаясь через обратный диод VD. В связи с тем что источник питания, как правило,обладает индуктивностью, для защиты транзистора от перенапряжений, возникающихпри разрывах цепи питания, на входе ИП ставится фильтр нижних частот, выходнымзвеном которого является конденсатор Свх.
2. Функциональная схемалабораторного стенда
Функциональная схема уже существующего лабораторногостенда представлена на рисунке 2.1
/>
Рисунок 2.1Функциональная схема стенда
На функциональной схеме изображены основные элементыстенда и функциональные взаимодействия между ними.
Основным элементом стенда есть преобразователь частотыACS 300. Через него питание подается на асинхронныйдвигатель с короткозамкнутым ротором М1 – АОЛ2-21-4. Стенд предусматриваетвозможность работы асинхронного режим динамического торможения. Такжепредусмотрена возможность контроля скорости асинхронного двигателя, токи инапряжения как АД так и ДПТ.
В силовой цепи АД расположены трехфазный датчик тока итрехфазный датчик напряжения, данные с которых подаются через блок связи на ЭОМ.Блок связи и ЭОМ образуют измерительно-диагностический комплекс (ИДК). На ИДКподаются сигналы и с других датчиков и контролирующих элементов
3. Разработка техническойдокументации на лабораторный стенд системы ШИП – ДПТ3.1 Общий вид лабораторногостенда
Внешний вид проектируемого стенда показан на рисунке 3.1
/>
1. Ручка нагрузочного резистора
2. Кнопка SB2 “Стоп АД”
3. Кнопка SB1 “Пуск АД”
4. Автомат QF1 (подключение стенда к сети питания)
5. Функциональная схема ПЧ-АД
6. Амперметр А1 (контроль тока сети питания)
7. Амперметр А2 (контроль тока статора АД)
8. Преобразователь частоты ABB ACS 300
9. Амперметр А3 (контроль тока якоря ДПТ)
10. Вольтметр V1 (контроль напряжения статора АД)
11. Автомат QF2 (подключение нагрузочной машины)
12. Амперметр А1 (контроль тока ДПТ)
13. Функциональная схема ШД
14. Вольтметр V1 (контроль напряжения ДПТ)
15. Нагрузочный ДПТ
16. Шаговый двигатель
17. Амперметр А2 (контроль тока АД)
18. Частотомер PF1 (контроль частоты на КД)
19. Переключатель SB1 (реверс ДПТ)
20. Переключатель SB2 (реверс ШД)
21. Ручка переменного резистора R1 (регулированиечастоты коммутации)
22. Автомат QF1 (подключение стенда к сети питания)
23. Переключатель SB3 (включение/выключение ШД)
24. Переключатель SB4 (выбор источника заданияплавно/дискретно)
25. Ручка ЛАТРа ATV1 (смена напряжения ДПТ)
26. Переключатель SB5 (выбор режима работы ШД
3.2 Принципиальная схема стенда после доработки
Доработкой схемы будет включение в ее состав силовоготранзистора, системы управления на микроконтроллере (рисунок 3.3) питающейся оттрансформатора ТР2 через блок питания (БП1) и драйвера управления транзистором(рисунок 3.4) питающегося через блок питания (БП1).
В доработанном стенде ДПТ может выполнять роль нетолько нагрузочной машины но и являться исследуемым объектом, поэтому для егопитания от постоянного тока в схему включается выпрямитель.
Общий вид доработанной схемы представлен на рисунке 3.2
Тр1-силовой трансформатор
К1-контактор, включение режима ШИП-ДПТ
К2-контактор, включение режима динамическоготорможения
SB1 и SB2 кнопки включения соответствующего режима.
SB3-сброс режимов (СТОП)
Rдт-нагрузочный резистор для режима динамическоготорможения (вмонтирован в стенде)
Р1-реле защиты VT1.
/>3.3 Перечень функциональных возможностейлабораторного стенда
Существующие возможности:
А) Исследование системы ЧРП – АД только при линейнойнагрузке на валу
Б) динамика системы ЧРП-АД
В) статический характер ЧРП-АД
Г) исследование режимов работы преобразователя принелинейном характере нагрузки
Новые возможности:
А) реализация режимов плавного пуска ДПТ
Б) электропривод по системе ШИП-ДПТ
В) режим динамического торможения
Г) имитация различных видов нагрузки для системыЧРП-АД3.4 Система управления на базе микроконтроллера PIC 16F 877
Основой системы управления является однокристальныймикроконтроллер PIC 16F877. Широкий набор периферийных устройств входящих всостав серии микроконтроллеров семейства PIC 16Xпозволяет строить современные системы управления с высокими показателями.
PIC16FX – семейство дешевых, высокоэффективных, 8-разрядныхКМОП микроконтроллеров со встроенным аналого-цифровым (analog-to-digital) преобразователем.
Среди микроконтроллеров PIC 16F877занимает среднее положение. Все микроконтроллеры PIC 16FXиспользуют RISC структуру процессорного ядра. Семействомикроконтроллеров PIC 16F877 имеет расширенные возможности ядра, стек глубиной8 уровней и множество внутренних и внешних прерываний. Гарвардская архитектурас отдельными именами команд и данных позволяет одновременно передавать 16разрядные команды и 8 разрядные данные. Двухкомандный конвейер позволяетвыполнять все команды за один машинный цикл, кроме команд ветвления программы,которые выполняются за два цикла.
Уменьшенная система команд (всего 35 команд). Высокаяэффективность достигается использованием новшеств архитектуры и большого наборадополнительных регистров.
Микроконтроллер PIC 16F877по сравнению с другими 8 разрядными микроконтроллерами такого же классапозволяет уменьшить программу 2: 1 и увеличить быстродействие 4:
1.
устройство PIC 16F877 имеет 368байт памяти данных. Кроме того, PIC имеет 13 контактов ввода/вывода(I/O), периферийные устройства: три таймера/счетчика, двамодуля сравнения и шин, два последовательных порта и 8 разрядный параллельныйпорт.
двухпроводная шина (I2C). Универсальныйсинхронно-асинхронный приемопередатчик (USART) такжеизвестный как последовательный интерфейс связи (SCI), а такжебыстродействующий 8 разрядный A/D преобразователь идеально подходит для дешевых приложений,требующих аналоговый интерфейс.
Для того чтобы уменьшить количество внешнихкомпонентов и таким образом уменьшить стоимость, повысить надежность системы иснизить потребление, микроконтроллер PIC 16F877 имеетдополнительные возможности. Имеются 4 режима генератора: RCгенератор на одном контакте обеспечивает дешевое решение, LPгенератор обеспечивает минимальное потребление, XT генератор –стандартное решение и HS генератор для высокочастотных приложений. Режимостанова позволяет резко уменьшить потребление. Пробуждение из режима остановаможет осуществляться при помощи внешних и внутренних прерываний и сбросов.
Высоконадежный сторожевой таймер со своим RCгенератором обеспечивает защиту от зацикливания программы. Малогабаритныекорпуса микроконтроллеров задают семейство PIC 16FXсовершенными для всех приложений без ограничений. Низкая цена, малаяпотребляемая мощность, высокая эффективность, устройство при использовании и гибкостьI/O делает PIC универсальным даже в областях,где использование микроконтроллеров прежде не рассматривалось (например,функции таймера, последовательная связь, сбор и сравнение данных, функции ШИМ иприложения с компрессором).
Таблица 3.1 Основные электрические параметрыДиапазон рабочих температур -55 ÷ +125оС Напряжение VDD относительно VSS -0.3 ÷ +7.5 В Напряжение на MCLR 0 ÷ +14 В Напряжение на RA4 0 ÷ +14 В Напряжение на любом контакте (за исключением UDD, MCLR и RA4) -0.3 ÷ +7.5 В Общая рассеиваемая мощность 10 Вт Максимальный ток через VSS 300 mA Максимальный ток через VDD 250 mA
Ограничение входного тока I1k
(U1UDD) ± 20 mA
Ограничение выходного тока I0k
(U0UDD) ± 20 mA Максимальный выходной вытекающий ток по любому контакту I/O 25 mA Максимальный выходной вытекающий суммарный ток портов А, В и Е 200 mA Максимальный выходной втекающий суммарный ток портов А, В и Е 200 mA Максимальный вытекающий суммарный ток портов C и D 200 mA Максимальный выходной втекающий ток портов C и D 200 mA
Принципиальная схема системы управления представленана рисунке 3.3 Для реализации функций управления ШИП используются следующиемодули микроконтроллера:
A/Dпреобразователь для контроля выходного тока и напряжения, скорости двигателяпостоянного тока
компаратор (накопитель) ШИМ (ССP) дляуправления выходным силовым ключом в силовой схеме
таймер 2 для быстрого программного регулирования
I/Oпорты ввода – вывода.
Микроконтроллеры PIC имеют четыреразличных режима генератора. Для того чтобы выбрать один из этих четырехрежимов необходимо соответственно запрограммировать два бита конфигурации (OSC1:OSC2)
LPнизкочастотный кварцевый генератор;
XTсреднечастотный кварцевый генератор;
HSвысокочастотный кварцевый генератор;
RCрезистивно-емкостной генератор.
С учетом того, что требуется точное тактированиемодуля ШИМ PIC контроллера (для задания частоты и скважности) наиболееприменимым вариантом является использование внешнего кварцевого генератора(режим HS). В режиме HS к выводам OSC1и OSC2 подключают кварцевый генератор. Для PIC16F877 используют кристалл с параллельным срезом. Применениедругих кристаллов может привести к получению частоты, не соответствующейспецификации кристалла. В режиме HS устройство работает от внешнеготактового сигнала со входа OSC1 (рисунок 4.3)
В качестве внешнего кварца выбираем резонатор ZQ120 Мгц. Значения внешних конденсаторов С1 и С2 выбираем из таблицы 1 согласнорекомендациям фирмы производителя “Microchip”
Таблица 3.2.Параметры конденсаторовРежим Частота OSC1 OSC2 LP 32 кГц 33 пФ 33 пФ 200 кГц 15 пФ 15 пФ XT 200 кГц 47-16 пФ 47-68 пФ 1 МГц 15 пФ 15 пФ 4 МГц 15 пФ 15 пФ HS 4 МГц 15 пФ 15 пФ 8 МГц 15-33 пФ 15-33 пФ 20 МГц 15-33 пФ 15-33 пФ
Внешний сброс контроллера, по контакту MCLR,при помощи внешних компонентов предназначен для разрешения работы устройствакогда эксплуатационные параметры станут в норме. Если это условие не выполняется,устройство должно быть задержано в сбросе, пока эксплуатационные режимы неустановятся.
Согласно руководству применения микроконтроллеров PICдля этих целей используется внешняя RC цепочка на входе контакта MCLR.Значение RC цепочки должны находится в пределах R
С учетом этого принимаем: R1 => МЛТ – 0.12522 кОм ± 10%
C5=> 0.1 мкФ
Резистор R2 ограничивает входной ток, приначальном заряде конденсатора, контакта MCLR. Значение R2принимаем: R2 => МЛТ – 0.125 680 Ом ± 10%
Задание установок коэффициентов регулированияосуществляется построечными резисторами R1 – R3,которые выполняют роль делителей напряжения. Снимаемое напряжения с переменныхдвижков резисторов подается на аналоговые входы контроллера RA1 –RA3. Сигнал обратной связи по току Iосподключен на вход RA0. Неиспользуемые аналоговые входы АЦП RA4 –RA5 закорочены на корпус, с целью уменьшенияэнергопотребления и снижения уровня наводок помех от внешних цепей на АЦПконтроллера.
Неиспользуемый порт REзапрограммирован на вход линии и подключены на общий корпус, для сниженияобщего энергопотребления микросхемой. Ввод информации пользователемосуществляется через клавиатуру, состоящую из 4 кнопок SB1 – SB4.
Выбор контактов RB4 — RB7(к которым подключена клавиатура) обусловлена тем, что по входам RB4 –RB7 в PIC контроллере существует встроенная опция формированияпрерывания при изменении уровня на данных линиях ввода. Входные линии подтянутык высокому уровню через резисторы R12 – R15. Значениярезисторов принимаем следующие: МЛТ 0.125 10кОм ±10% с учетом этого высокийуровень является не активным, что соответствует не нажатой ни одной клавиши. Вслучае нажатия какой-либо кнопки SB1 – SB4 входнойуровень линий RB4 – RB7 изменится на низкий, что будет причинойвозникновения прерывания подпрограммы обработки клавиатуры. Дребезг контактовклавиатуры аппаратно не осуществляется, и реализуется программным способом.
Для визуального отображения информации пользователю всостав системы управления входит светодиодная матрица индикации VD6 –VD9. С учетом того, что нагрузочная способность по токулиний вывода PIC контроллера должна быть не более 20 mA,выбираем светодиоды АЛ 307, с током свечения 10 mA.
Ограничительные резисторы принимаем следующегозначения: МЛТ 0.125
Сигнал ШИМ формируется на контактe RC2 и подается через ограничительный резистор R4 насиловой ключ преобразователя.
Питание микросхемы осуществляется от стабилизирующегоисточника “+5” В и подается на ножки VDD и общий вывод VSS. КонденсаторС3 выполняет роль фильтра высокочастотных помех, и находится в непосредственнойблизи от ножек питания микроконтроллера.
/>
Рисунок 3.3 Система управления транзистором
3.5 Принципиальная электрическая схема драйверауправления
/>
Рисунок 3.4 Драйвер управления
4. Расчет схемы замещения
Упрощенная эквивалентная схема замещения двигателяпостоянного тока приведена на рисунке 4.1
/>
Рисунок 4.1 Схема замещения двигателя
Определим номинальную скорость вращения якоря исходяиз каталожного значения частоты вращения
/>; (4.1)
/>рад/с;
Активное сопротивление якорной обмотки:
/>; (4.2)
где /> для двигателей постоянного токанезависимого возбуждения;
/> для двигателей постоянного токасмешанного возбуждения.
/> для двигателей постоянного токапоследовательного возбуждения.
Принимаем />
Индуктивность обмотки якоря определяется всоответствии с формулой Уманского:
/>; (4.3)
где k = 0.2 – 0.25 для компенсированных машин;
k = 0.5– 0.6 для некомпенсированных машин.
Принимаем k = 0.25
/> Гн;
Момент инерции для машины постоянного тока составляет
/>кг м2(4.4)
/>;
Номинальный коэффициент потока
/>; (4.5)
/>/>;
Таблица 4.1 Параметры двигателяПараметры двигателя Тип двигателя ДПУ 240 1100 3 Д4109 Номинальная мощность
/> кВт Номинальное напряжение Uн = 110 В Номинальный ток IН = 12.5 А Номинальный момент MН = 3.5 н м Номинальная частота вращения якоря nн = 3000 об/мин Активное сопротивление якорной обмотки
/>Ом Индуктивность обмотки якоря
/>Гн Момент инерции
/>
5. Статические характеристики системы ШИП – ДПТ
В проектируемом лабораторном стенде напряжениеподаваемое на якорь двигателя подается импульсным методом, когда двигательпериодически подключается к источнику питания и отключается от него. Приширотно-импульсном регулировании период коммутации “Tk” остаетсяпостоянным, а изменяется время “t0” замкнутого состояния ключаскважность />
Среднее значение напряжения на якоре при ШИМ равно:
/>; (5.1)
Уравнение механической характеристики двигателя длясредних значений угловой скорости и момента имеет вид:
/>; (5.2)
Механическая характеристика будет представлять собойсемейство характеристик при изменяющемся значении скважности />. Зависимости /> при разныхзначениях скважности сведены в таблицах.
Таблица 5.1 Зависимость /> при />
/> 50 100 150 200 250 314 М 13.5 11.84 10.22 8.6 6.99 5.32 3.4
Таблица 5.3 Зависимость /> при />
/> 50 100 130 180 220 250 М 8.07 6.45 4.84 3.84 2.25 0.96
Таблица 5.4 Зависимость /> при />
/> 40 70 100 120 140 166 М 5.38 4.1 3.11 2.15 1.5 0.86
Таблица 5.5 Зависимость /> при />
/> 15 30 50 60 70 83 М 2.69 2.2 1.72 1.07 0.75 0.43
/>
Рисунок 5.1 Механические характеристики
Уравнение скоростной характеристики двигателя длясредних значений угловой скорости и момента имеет вид:
/>; (5.3)
Скоростная характеристика будет представлять собойсемейство характеристик при изменяющемся значении скважности />. Зависимости /> при разныхзначениях скважности сведены в таблицах.
Таблица 5.6 Зависимость /> при />
/> 60 120 180 240 300 440 I 54 46.8 39.5 32 24.8 17.5
Таблица 5.7 Зависимость /> при />
/> 90 135 180 225 270 354 I 43.3 32.4 27 21.3 15.8 10.3
Таблица 5.8 Зависимость /> при />
/> 66 99 132 165 199 265 I 32.5 24.4 20.4 16.4 12.3 8.2
Таблица5.9 Зависимость /> при />
/> 25 50 75 100 125 177 I 21.7 18.6 15.6 12.5 9.4 6.4
Таблица 5.10 Зависимость /> при />
/> 13 26 39 52 65 88 I 10.8 9.24 7.6 6 4.4 2.88
/>
Рисунок 5.2 Скоростные характеристики
Уравнение для механических и скоростных характеристикв относительных единицах имеет вид:
/>; (5.4)
где /> относительная скорость двигателя;
/> относительный ток якоря;
Графически механические характеристики системы ШИП –ДПТ представляют собой семейство прямых с постоянным углом наклона к осиабсцисс, пересекающих ось ординат при />, где прямые 1, 2, 3, 4 и 5 соответствуютхарактеристикам при значениях скважностей 1, 0.8, 0.6, 0.4 и 0.2 соответственно.
/>
Рисунок 5.3 Скоростные характеристики в относительныхединица
6. Выбор силовых элементов 6.1 Выбор силового трансформатора
При выборе силового трансформатора необходимо учестьвеличину напряжения имеющегося в аудитории, а также требуемую величину напряженияна двигателе с учетом коэффициента передачи однофазного выпрямителя. Ваудитории 2411 электрическая сеть выдает линейное напряжение 220 В, которое идолжно быть номинальным напряжением первичной обмотки выбираемоготрансформатора. С учетом коэффициента передачи выпрямителя по напряжению, дляданного типа выпрямителей равного Ku = 0.9, напряжение на вторичнойобмотке должно быть не менее 122 В.
Также должна быть учтена и мощность двигателя, котораяне должна превышать мощности трансформатора. Исходя из этих условий выбираемнаиболее близкий по параметрам силовой трансформатор ОСМ — 0.16
Таблица 6.1. Параметры трансформатораНоминальное напряжение первичной обмотки U1 = 220 В Номинальное напряжение вторичной обмотки U2= 130 В Ток короткого замыкания Iкз = 23 А Номинальная мощность Pном = 160 ВА
Выбор транзистора и обратного диода рассмотрен наупрощенной схеме лабораторного стенда представленной на рисунке 6.1
/>
Рисунок 6.1 Упрощенная схема лабораторного стенда.
Принцип действия:
Когда транзистор VT отперт от источника питанияпотребляется энергия. При запирании транзистора VT ток нагрузки за счет Э.Д.С. самоиндукциисохраняет свое прежнее направление, замыкаясь через обратный диод VD. 6.2 Выбор силового транзистора
Выбор транзистора производим по максимально возможномутоку протекающему через него, а также поскольку наш транзистор работает в ключевомрежиме то при выборе также необходимо учесть допустимую частоту коммутацииключа.
Определим постоянную времени двигателя.
/>; (6.1)
/>;
превышать величины эквивалентной постоянной временидвигателя и составляет 1/5 – 1/7 часть ее значения.
/>; (6.2)
/>;
Определим максимально возможный ток протекающий черезякорную цепь двигателя. Им является ток короткого замыкания цепи который определяетсяиз соотношения:
/>; (6.3)
/>A;
В соответствии с полученными параметрами периодакоммутации и максимального тока по каталожным данным выбираем тип транзистора IGBT IRG4PC 40UD
Таблица 6.2 Параметры транзистораМаксимально допустимое напряжение Umax = 600 В Максимально допустимый ток Imax = 40 А Максимальная частота переключения fmax = 40 кГц Диапазон рабочих температур T = — 55 ÷ +150 oC 6.3 Выбор обратногодиода
Выбор диода производим из условия что ток через негобудет протекать лишь в случае запертого состояния транзистора. В случаевышеприведенной схемы выбор можно произвести по нескольким параметрам: максимальномутоку, максимальному напряжению и времени проводимости:
При выборе диода по максимальному напряжениюнеобходимо учесть момент когда это напряжение достигнет максимального значения.Максимальным напряжением на диоде будет величина максимальной ЭДС двигателякоторая достигнет своего наибольшего значения при номинальной величине угловойскорости, и определяется из выражения:
/>; (6.4)
/>В;
Максимальный ток который может замкнуться на диодопределяется из выражения:
/>; (6.4)
/>А;
При выборе диода по времени проводимости необходимоопределить максимальное время проводимости. Максимальным временем проводимостидиода будут промежутки времени когда транзистор формирует импульсы минимальнойскважности. То есть с уверенностью можно сказать что время проводимости диодане может быть больше периода коммутации ключа />с.,
Таблица 6.3 Параметры обратного диодаМаксимально допустимый прямой импульсный ток Iи. пр. max= 60 А Максимально допустимое обратное импульсное напряжение Uи. обр= 400 В Максимальная частота f = 50 кГц
7. Расчет преобразователя
При работе нереверсивного ШИП на якорь двигателяпостоянного тока возможны два режима: непрерывных токов якоря и прерывистыхтоков якоря. Режим прерывистых токов якоря может возникнуть при весьма малыхнагрузках, когда период переключения рабочего вентиля соизмерим с постояннойвремени цепи нагрузки. Во избежание прерывистых токов для данной системычастота коммутации ключом ранее была принята равной 1/5 части эквивалентнойпостоянной времени двигателя. Исходя из этого, считаем, что в исследуемойсистеме исключено появление прерывистых токов естественным путем, и вдальнейшем этот режим работы рассмотрен не будет.
Основным режимом является режим непрерывных токов. Учитываяпараметры силового трансформатора можно определить относительное времяпроводимости ключа, при котором среднее напряжение на якоре двигателя было быравно номинальному />В.
Так как со вторичной обмотки трансформатора снимаемоенапряжение равно />В, и с учетом коэффициентапередачи выпрямителя по напряжению равного />, то напряжение на преобразователебудет равно:
/>; (7.1)
/>В.
Зная напряжение на преобразователе можно определитьтребуемую скважность.
/>; (7.2)
/>;
Максимальное и минимальное значение тока якоря вустановившихся
/>; (7.3)
/>; (7.4)
Где коэффициенты a1 и b1определяются следующим образом
/>(7.5)
/>(7.6)
Расчетные значения коэффициентов a1, b1 и IMAXсведены в таблицах
Таблица 7.1 Значения коэффициентов а1 и b1
/> 0.2 0.4 0.6 0.8 1
/> 0.819 0.819 0.819 0.819 0.819 0.819
/> 1 1.041 1.083 1.127 1.174 1.121
Таблица 7.2 Значения максимального тока якоря
/> 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Imax 11.7 23 33.8 44 54
Для номинального режима />;
/>;
/>А;
/>А;
Амплитуда пульсаций тока якоря:
/>; (7.7)
Таблица 7.3 Амплитуда пульсаций тока якоря
/> 0.2 0.4 0.6 0.8 1
/> 0.153 0.230 0.230 0.153
Для номинального режима:
/>А;
Из (7.7) следует, что амплитуда пульсаций тока якоря,при заданных параметрах цепи нагрузки, зависит от времени включенного состояния
и частоты переключения транзистора и уменьшается сувеличением частоты переключения при заданном времени выключенного состояниятранзистора.
/>
Рисунок 7.1 Амплитуды пульсаций тока якоря
Среднее значение тока транзистора
/>; (7.8)
/>А;
Таблица 7.4 Среднее значение тока транзистора прискважности />
/> 55 110 165 220 275 330 385 440 IТ. СР 54 47.4 40.7 34 27 20.5 13.8 7
Таблица 7.5 Среднее значение тока транзистора прискважности />
/> 45 90 135 180 225 270 315 354 IТ. СР 43 38.7 34.4 30 25.5 21 16.7 12.4 8.5
Таблица 7.6 Среднее значение тока транзистора прискважности />
/> 33 66 99 132 165 198 231 265 IТ. СР 32.3 29.8 27.4 25 22.6 20.1 17.7 15.3 12.8
Таблица 7.7Среднее значение тока транзистора прискважности />
/> 22 44 66 88 110 132 154 177 IТ. СР 21.4 20.3 19.3 18.2 17.1 16 15 13.9 12.8
Таблица 7.4 Среднее значение тока транзистора прискважности />
/> 12 24 36 48 60 72 84 90 IТ СР. 10.7 10.4 10 9.8 9.5 9.2 8.9 8.6 8.4
Среднеезначение тока обратного диода
/>; (7.9)
Для номинального режима работы:
/>
Таблица 7.5 Среднее значение тока обратного диода при />
/> 45 90 135 180 225 270 315 354 IД. СР 8.7 7.5 6.5 5.4 4.3 3.2 2 0.9
Таблица 7.6 Среднее значение тока обратного диода при />
/> 33 66 99 132 165 198 231 265 IД. СР 13 11.4 9.7 8.1 6.5 4.9 3.3 1.7
Таблица 7.7 Среднее значение тока обратного диода при />
/> 22 44 66 88 110 132 154 177 IД. СР 13 11,4 9.7 8.1 6.5 4.9 3.3 1.7
Таблица 7.8 Среднее значение тока обратного диода при />
/> 12 24 36 48 60 72 84 90 IД. СР 8.7 7.5 6.3 5.1 3.9 2.8 1.6 0.4
Зависимость среднего действующего тока в обратномдиоде от относительной длительности включения транзистора представлена на рисунке7.2
/>
Рисунок 7.2 Зависимость среднего действующего тока вдиоде от скважности.
Где кривая “1” – при скорости 314 рад/с;
кривая “2” – при скорости 250 рад/с;
кривая “3” – при скорости 150 рад/с;
кривая “4” – при скорости 50 рад/с.
8. Расчет энергетических характеристик
Потери в двигателе складываются из переменных,зависящих от нагрузки, и постоянных потерь, не зависящих от нагрузки.
Мощность потребляемая двигателем равна:
/>; (8.1)
где />Вт — номинальная мощностьдвигателя.
/> Вт;
/> Вт;
Потери мощности в якоре двигателя определяются извыражения:
/>; (8.2)
/> Вт;
Номинальные потери в двигателе:
/>; (8.3)
/> Вт;
Механические потери двигателя постоянного токасоставляют 0.5% от номинальных потерь:
/>; (8.4)
/> Вт;
Потери в стали:
/>(8.5)
Для построения зависимости /> и /> можно воспользоваться (4.2) преобразовавее следующим образом:
/>;
/>;
/>; (8.6)
/>; (8.7)
/>; (8.8)
/>; (8.9)
/>; (8.10)
/>; (8.11)
Расчетные значения функции /> представлены в таблице 8.1
Таблица8.1 Расчет функции />
/> 417 360 314 250 200 120 70
/> 1 0.69 0.55 0.43 0.37 0.3 0.26
В графической форме расчет значений /> изображен на рисунке 8.1
/>
Рисунок 8.1 Зависимость К.П. Д от скорости
Расчетные значения функции /> представлены в таблице 8.2
Таблица 8.2 Расчет функции />
/> 3 7 12.5 25 40 51
/> 1 0.84 0.69 0.55 0.38 0.28 0.23
В графической форме расчет значений /> изображен на рисунке 8.2
/>
9. Математическая модель системы ШИП – ДПТ
Математической моделью системы ШИП – ДПТ для плавногопуска будет являться модель обычного ДПТ, с той лишь разницей, что на якорь напряжениедолжно подаваться импульсами с возрастающей скважностью. Моделью системы можетбыть модель представлена на рисунке 1 выполнена в пакете “Matlab”
/>
Рисунок 1 Модель системы ШИП – ДПТ
Генератор пилообразных колебаний “1” вырабатывает колебания пилообразной формы с периодом равным периоду коммутации транзистора />, и амплитудойравной “10” форма которых представлена на рисунке 2.
/>
Рисунок 2 Сигнал 1 на входе компаратора
Блоки “2” и “3” формируют возрастающую во времени функцию, наклон которой может регулироваться изменением коэффициента блока “3”. В нашем случае коэффициент должен быть равным амплитуде пилообразных колебаний.
Предполагается, что формирование импульсов происходитс минимального значения скважности принятого, например, />. Изменять начальнуюскважность можно изменяя значение блока “4”. С возрастанием времени будет уменьшаться разность функций после сумматора “5”. Ограничение этого разностного сигнала с помощью блока ограничения “6” на уровне равном “0.6”, позволит в дальнейшем получить рассчитанную ранее номинальную скважность />.
Вид полученного разностного сигнала с ограничением науровне “0.6” представлен на рисунке 3.
/>
Рисунок 3 Сигнал 2 на входе компаратора
Этот сигнал поступает на вход компаратора “7” совместно с сигналом от блока пилообразных колебаний. На компараторе эти два сигнала сравниваются,и в моменты времени когда функции оказываются равными, компаратор “7” на выходе выдает единичный импульс. Сигнал с выхода компаратора показан на рисунке 3. Рассмотренне все время пуска, а только три периода коммутации ключа ввиду сильногозагромождения графика.
/>
Рисунок 4 Формирование импульсов.
С помощью усилителя “8” полученные импульсы усиливаются до величины требуемого напряжения />В.
Модель двигателя постоянного тока применяетсястандартной и подробно описываться не будет. Данные для моделирования ДПТберутся из расчета схемы замещения. Блок “9” является передаточной функцией Uя=>Iя. Далее полученный ток умножается на блоке умножения“11” с потоком полученным с блока “10”. Полученный в результате умножениямомент складывается на сумматоре с моментом сопротивления имеющим отрицательныйзнак. Во избежание захода скорости в отрицательную область в начальные моментывремени, момент сопротивления подается лишь после достижения двигателемноминальной скорости. Это реализовано с помощью блока “12”. Блоки “13” и “14” являются передаточной функцией вида М-Мс=>/>. Противо-Э.Д.С. определяется умножениемугловой скорости /> на поток в блоке “15”. Сравнение угловых скоростей и токов якоря при прямом и плавном пуске для одного и того жедвигателя графически представлено на рисунке 5
/>
Рисунок 5 Ток и скорость при разных пусках
где кривая “1” — график изменения угловой скорости отвремени при прямом пуске;
кривая “2” — график изменения тока якоря от временипри прямом пуске;
кривая “3” — график изменения угловой скорости отвремени при плавном пуске;
кривая “4” — график изменения тока от времени приплавном пуске;
Время пуска можно увеличивать или уменьшать, изменяясоответствующим образом значение коэффициента блока “3”.
ВЫВОД
В ходе выполнения курсового проекта была произведенаоценка эффективности использования широтно-импульсных преобразователей дляпромышленности и других отраслей народного хозяйства, а также возможностьприменения ШИП для плавного пуска двигателя.
В процессе работы были разработаны принципиальная,функциональная схемы проектируемого стенда, а также разработана и смонтированасистема управления силовым транзистором на базе микроконтроллера PIC 16F877. Рассчитаны и выбраны силовые элементы цепи, рассчитана схема замещения,построены статические и энергетические характеристики, а также методомматематического моделирования в пакете “Matlab” полученамодель системы ШИП – ДПТ. На основании полученных динамических характеристиксделаны выводы относительно разности прямого и плавного пуска.