Системотехническое проектирование

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине: «ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС»

 

на тему: «Электронный ключ для управления скоростью вращения двигателя»

 

 

Выполнил студент гр

 

Проверил:                                                                                

 

г. Сарапул

Содержание

 

Введение                                                                                                      3

1 Расчет условных размеров печатной платы                                           5

2 Выбор и определение типа платы                                                                    6

3 Надежность и определение среднего времени безотказной работы     8

4 Расчет виброустойчивости                                                                                11

5 Тепловой расчет системы                                                                        12

6 Расчет параметров электрических соединений                                      13

7 Определение комплексного показателя технологичности                              15

Заключение                                                                                                  17

Литература                                                                                                           18

Приложение

 

ВВЕДЕНИЕ

    Асинхронные электродвигатели (в том числе трехфазные) находят широкое применение в быту и на производстве для привода машин и механизмов, скорость работы которых постоянна или изменяется с помощью редукторов с переменным передаточным числом и других механических приспособлений. Там, где необходимо плавно регулировать частоту вращения вала, предпочтение отдают, как правило, более дорогим и менее надежным коллекторным электродвигателям, у которых эту операцию выполнить просто - достаточно изменить напряжение питания или ток в обмотке возбуждения. Чтобы управлять частотой вращения вала асинхронного двигателя, приходится изменять не только напряжение но и частоту переменного тока в его обмотках.

 

 

Расчет условных размеров печатной платы

 

Определение площади, занимаемой элементами на плате.

 

Расчет сводится к тому, что определятся габаритные размеры элементов. Не важно какой вариант установки имеет тот или иной элемент, важны его установочные и габаритные размеры. Зная длину и ширину элемента определяем площадь которую он занимает, или площадь занимаемую элементами с одинаковыми габаритными размерами.

Таблица 1.1

N п/п	Элементы	Количество ЭРЭ, шт.	Длина, мм	Ширина, мм	Занимаемая пощадь, мм2
1	Резистор	8	12,5	2,2	220
2	Конденсатор	1	10	4	40
3	Диод	1	6,5	7,5	48,75
4	Диод	2	10	1,8	36
5	Микросхема	2	19,5	7,5	292,5
6	Микросхема	2	21,5	7,5	322,5
7	Транзистор	2	15,6	5	156
Итого					1115,75

 

Коэффициент заполнения выберем равным 3,1. Т. о., площадь, занимаемая элементной базой равна:

S_У = S_ЭРЭּК_З                                                                                                                                    (1.1)

S = 1115,75*3,1=3458,83 мм².

Выбираем площадь платы равной 3458,83 мм². Размеры платы уточнятся позже [3,4,7].

 

 

Выбор и определение типа платы

 

Печатная плата устройства является основным элементом при проектировании РЭА. Она объединяет печатные узлы и другие элементы. Разработку конструкции печатной платы можно производить исходя из базовых несущих конструкций, то есть исходя из размеров корпуса. Это позволяет повысить коэффициент заполнения объема, уменьшить массу и габаритные размеры изделия.

Для пайки применяют припой ПОС – 61.

Габаритные размеры печатной платы в длину и ширину соответственно: 75 мм и 55 мм.

Высота определяется высотой установки применяемых радиоэлементов на печатной плате и составляет 16 мм.

По конструкции печатные платы с жестким и гибким основанием делятся на типы:

- односторонние;

- двусторонние;

- многослойные.

Для данного изделия достаточно использовать одностороннюю печатную плату без металлизированных монтажных отверстий. ОПП характеризуются высокими коммутационными свойствами и повышенной прочностью соединения вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы.

Для изготовления печатной платы в соответствии с ОСТ 4.010.022 и исходя из особенностей производства выбираем комбинированный позитивный метод.

В соответствии с ГОСТ 2.3751-86 для данного изделия необходимо выбрать четвертый класс точности печатной платы.

Габаритные размеры печатных плат должны соответствовать ГОСТ 10317-79. Для ДПП максимальные размеры могут быть 600 х 600 мм. Габаритные размеры данной печатной платы удовлетворяют требованиям данного ГОСТа.

В соответствии с требованиями ОСТ 4.077.000 выбираем материал для платы на основании стеклоткани – стеклотекстолит СФ-1-50-1,5 ГОСТ 10316-78. Толщина 1,5 мм.

В соответствии с ГОСТ 24140-78 и исходя из особенностей схемы, выбираем шаг координатной сетки 1,25 мм.

Способ получения рисунка – фотохимический.

 

 

Расчет виброустойчивости

 

Для аппаратуры группы 2 механические вибрации частотой от 100 Гц до 1 кГц оказывают разрушительное воздействие. Рассчитаем резонансную частоту механических колебаний собранного охранного устройства.

1 Размеры печатной платы:

длина (L) ─ 75мм;

ширина (B)─ 55мм;

высота (h)─ 1,5мм.

2 Масса изделия (m): 78г.

3 Определяем цилиндрическую жесткость:

где, E ─ модуль упругости, Е = 3,02*10¹⁰ Н/м;

h ─ толщина платы, h=1,5*10^-3 м;

V ─ коэффициент Пуассона, V = 0,22.

где, к ─ коэффициент зависящий от способа крепления платы к корпусу;

k = 9,87; α = 1; β = 2,57; γ = 5,14.

Расчет показал, что полученное значение не входит в диапазон опасных частот для данного устройства [7].

Тепловой расчет системы

 

1 Расчет поверхности корпуса блока:

L₁─ условная длина, 75мм;

L ₂─ условная ширина, 55мм;

L ₃─ условная высота, 16мм.

2 Определим условную поверхность нагретой зоны:

где К_з ─ коэффициент заполнения;

 

3 Определим удельную мощность блока:

где, Q ─ потребляемая мощность, 0,45Вт.

По графику зависимости температуры внутри блока от удельной мощности блока определим температуру перегрева внутри блока V=4ْС, что для данного устройства допустимо и не нарушит ритм его работы [7].

 

 

Заключение

 

При проектировании электронного ключа были разработана оптимальная схема, которая соответствует требованиям технического задания. Печатная плата размерами 75×55мм крепится в металический корпус, что обеспечивает защиту от неблагоприятных внешних воздействий. Проведены необходимые расчеты и разработан комплект конструкторской документации.

 

 

Литература

 

1. Шелестов И.П., Радиолюбителям: полезные схемы, кн. 1 -М.; «СОЛОН», 1998─193с.

2. Р. М. Терещук, К.М. Терещук “Справочник радиолюбителя” - М.: Радио и связь, 1989.

3. Справочник по полупроводниковым приборам. – С-П.: Наука и техника, 1989 г.

4. Справочник по интегральным микросхемам. – С-П.:Наука и техника, 1990 г.

5. Яншин А. А. “Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА”: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1983.

6. Туркельтауб Р. “Методы исследования точности и надежности схем аппаратуры”.

7 Павловский В.В., Васильев В.И., Гутман Т.Н. Проектирование технологических процессов изготовления РЭА. Пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1982.-160с.,ил.

8. Трейстер Р. «Радиолюбительские схемы на ИС типа 555(КР1006ВИ1)», Пер. с англ. – М.: Мир, 1988.

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине: «ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС»

 

на тему: «Электронный ключ для управления скоростью вращения двигателя»

 

 

Выполнил студент гр

 

Проверил:                                                                                

 

г. Сарапул

Содержание

 

Введение                                                                                                      3

1 Расчет условных размеров печатной платы                                           5

2 Выбор и определение типа платы                                                                    6

3 Надежность и определение среднего времени безотказной работы     8

4 Расчет виброустойчивости                                                                                11

5 Тепловой расчет системы                                                                        12

6 Расчет параметров электрических соединений                                      13

7 Определение комплексного показателя технологичности                              15

Заключение                                                                                                  17

Литература                                                                                                           18

Приложение

 

ВВЕДЕНИЕ

    Асинхронные электродвигатели (в том числе трехфазные) находят широкое применение в быту и на производстве для привода машин и механизмов, скорость работы которых постоянна или изменяется с помощью редукторов с переменным передаточным числом и других механических приспособлений. Там, где необходимо плавно регулировать частоту вращения вала, предпочтение отдают, как правило, более дорогим и менее надежным коллекторным электродвигателям, у которых эту операцию выполнить просто - достаточно изменить напряжение питания или ток в обмотке возбуждения. Чтобы управлять частотой вращения вала асинхронного двигателя, приходится изменять не только напряжение но и частоту переменного тока в его обмотках.

 

 

Системотехническое проектирование

Сначала выделим функции, которые должна выполнять система управления скорости вращения электродвигателя:

- регулирование скорости вращения электродвигателя;

- возможность подключения его к однофазной сети 220 В, 50 Гц.

Для формирования системы определим блоки необходимые для реализации заложенных функций:

Для реализации управления скорости вращения двигателя по закону ШИМ, необходимо изменять длительность импульсов питающего напряжения. Т.о. на двигатель необходимо подавать импульсное напряжение по всем трём фазам. Для реализации этого воспользуемся транзисторными ключами (блоки К1-К3) (см. рис. 2.1.). Для реализации управления ключами необходимо на них подавать управляющие импульсы. Их можно подавать с ШИМ генератора, собранного на микроконтроллере (блок ФИУ) (см. рис. 2.1.). Также в блоке ФИУ осуществляется необходимая задержка управляющих импульсов для реализации возможности подключения устройства к трёхфазной сети. Для реализации закона управления и для обеспечения необходимых параметров необходимо преобразовать напряжение сети 220 В, 50 Гц, в постоянное регулируемое напряжение 1..440 В (блок БПЗ) (см. рис. 2.1.).  

Регулятор скорости вращения двигателя (см. рис. 2.1.) представляет собой управляемый микроконтроллером инвертор с промежуточным звеном постоянного тока и с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения. Он может использоваться для регулирования частоты вращения редукторных и серийных, стандартных асинхронных двигателей мощностью до 300 Вт. Устройство подключается непосредственно к однофазной сети переменного тока (напряжением 220В и частотой 50 Гц). Преобразователь рассчитан на подключение АД треугольником. Он обеспечивают изменение трехфазного выходного напряжения до значения напряжения сети и частоты в соответствие с законом управления U/f =const, где U - действующее значение основной гармоники выходного напряжения, f - частота основной гармоники. Функциональная схема приведена на рис 2.1.

Структурная схема работы устройства представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1.

 

ФИУ – формирователь импульсов управления;

БПЗ – блок питания;

К1, К2, К3 – ключи;

 

Принцип работы устройства:

БПЗ преобразует однофазное переменное напряжение 220 В, 50 Гц в постоянное регулируемое. С помощью трех силовых ключей К1-К3 коммутируют обмотки трехфазного электродвигателя М1, подключая их в нужной очередности.

Импульсы, управляющие ключами, генерирует блок ФИУ – формирователь импульсов управления. В БПЗ имеется маломощный выпрямитель для питания ФИУ и ключей. 

 

 

А)

Б)

 Рис.2.2. Графики изменения напряжения, подаваемого на обмотку статора двигателя при широтно-импульсном регулировании (а) и при широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону (б).

В качестве задающего генератора инвертора преобразователя напряжения в частоту используется микроконтроллер ATmega16. На вход АЦП, которого подается часть регулируемого постоянного напряжения Uрег. В результате, регулируя напряжение питания инвертора, пропорционально изменяется частота задающего генератора и тем самым частота вращения двигателя, сохраняя таким образом постоянными потребляемый ток, магнитный поток в статоре и вращающий момент на валу двигателя. На этом же микроконтроллере собран образующий генератор трехфазной импульсной последовательности. Уровни управляющих импульсов на выходах микроконтроллера приведены на временных диаграммах рис 2.3.

       Рис. 2.3. Уровни управляющих импульсов на выходах микроконтроллера.

 

 

2. Выбор схем ключей

 При работе в импульсных схемах электронные приборы (лампы, транзисторы, тиристоры и др.) имеют два рабочих состояния. В одном из них электронный прибор закрыт, ток через него практически не проходит и его внутреннее со­противление R_i велико; в другом состоянии прибор открыт, ток в выходной цепи имеет заданное значение, а внутреннее сопротивление мало. Переход из одного состояния в другое сопровождается переходным процессом, время которого определяет длительность фронта и среза импульса. Такой режим работы электронного прибора называется ключевым. Когда коммутируемая импульсная мощность не превышает де­сятков ватт, в качестве ключевых элементов используются тран­зисторы [7].

В силу ряда неоспоримых преимуществ (отсутствие накала, ма­лые габариты, малая потребляемая мощность, высокая надеж­ность) полупроводниковые приборы полностью заменили электронные лампы в импульсных схемах. Более того, использование тран­зисторов позволило создать такие схемы, реализация которых с помощью ламп принципиально невозможна. В импульсных схемах используются германиевые и кремниевые, биполярные и полевые транзисторы. В дальнейшем будем рассматривать схемы на кремниевых транзисторах n-p-n-типа, поскольку они наиболее широко применяются.

В большинстве случаев используют транзисторный ключ с общим эмиттером (ОЭ), в котором нагрузочный резистор включен в коллекторную цепь (рис. 3.5). (Если в схеме используется

Рис. 3.5. Схема транзисторного ключа с общим эмиттером

не п-р-п, а p-n-p-транзистор, то на коллектор подается отрица­тельное напряжение.) Напряжения и токи, соответствующие за­крытому и открытому состояниям транзистора, могут быть опре­делены с помощью входных и вы­ходных статических характеристик транзистора, включенного по схе­ме ОЭ (рис. 3.6).

 

                                           а)                                        в)

Рис. 3.6. Входная (а) и выходная (в) характеристики транзисторного ключа ОЭ.

    В [6] предлагаются транзисторные схемы управления с гальванической развязкой управляющей схемы от выходной цепи. На рис.3.7. представлена схема данного ключа.

Рис. 3.7.

 

После доработки получается следующая схема (рис. 3.8.).

 

Рис. 3.8.

 

Данное схемотехническое решение нам не подходит, т.к. оно ограничивает нас в мощности питаемого устройства (50 Вт, 40 Гц, 300 В), поэтому вместо использования биполярных транзисторов выбираем полевые.

На сайте фирмы MGDs [29] представлена схема ключа для управления электродвигателем, выполненном на полевых транзисторах и с использованием драйвера ключей, но после практических испытаний пришлось отказаться от данного решения т.к. данная схема не рассчитана на то что управляющий сигнал в одном из каналов может пропадать, при этом в данной схеме на высоких напряжениях микросхема драйвера ключа (IR2308) мгновенно выходит из строя, что в нашем случае не допустимо.

Для решения данной задачи, модернизировав известную схемы на драйвере IR2308 и используя другие компоненты получаем необходимое схемотехническое решение (рис. 3.9.)

 

 

Рис. 3.9.

В качестве драйверов выходных полевых транзисторов VT1, VT2, применены таймеры КР1006ВИ1 (DA1, DA2), работающие в режиме триггеров Шмидта. Они позволяют получить импульсы тока затвора транзисторов амплитудой до 200 мА, что гарантирует быстрое переключение.

Для питания микросхем применен «бутстрепный» способ питания. Он позволяет обойтись без трансформатора питания с несколькими изолированными вторичными обмотками, отдельных выпрямителей и стабилизаторов напряжения для питания аналогичных узлов в каждой из фаз. 

Когда открыт транзистор VT2, минусовой вывод конденсатора С1 фактически соединен с общим проводом. Через диод VD1 это конденсатор заряжается до напряжения 12 В. При закрытом транзисторе VT2 закрыт и диод VD1, но накопленный конденсатором С1 заряд остается достаточным для питания микросхемы DA1, пока транзистор вновь не будет открыт.

Данная схема позволяет регулировать частоту вращения трехфазного асинхронного двигателя мощностью до 300 Вт. Заменив силовые элементы более мощными подобный регулятор можно применять с двигателями мощностью до 1,1 кВт.