Дискретный регулятор мощности секционированной солнечной батареи

  • Вид работы:
    Дипломная (ВКР)
  • Предмет:
    Информатика, ВТ, телекоммуникации
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    1,27 Мб
  • Опубликовано:
    2012-07-26
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Дискретный регулятор мощности секционированной солнечной батареи
















Дискретный регулятора мощности секционированной солнечной батареи

ВВЕДЕНИЕ

Система электропитания (СЭП) является одной из важнейших частей в составе оборудования спутника, обеспечивая энергией все его служебные системы и полезную нагрузку КА. Важнейшими характеристиками СЭП являются качество выходного напряжения, масса, габариты, КПД, надежность и стоимость.

Одним из способов достижения требуемого качества является использование оптимальной структуры энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА), входящей в состав СЭП.

В настоящее время существует ЭПА, предназначенная для работы с 6, 18 и 40 секционными БС. В такой аппаратуре использованы шунтовые стабилизаторы с ШИМ силового ключа, причем число ШС равно числу секций БС. При реальной работе большинство каналов ШС либо полностью закорачивают секцию БС, либо пропускают весь ток в нагрузку. То есть фактически большинство каналов работает в дискретном режиме. При этом конструкция всех ШС одинакова, в результате этого появляется большое количество избыточных элементов, приводящее к усложнению и удорожанию конструкции ЭПА.

Целью дипломного проекта является разработка дискретного регулятора мощности секционированной солнечной батареи, входящего в состав ЭПА, в части системы управления шунтирующими коммутаторами. Задача такой системы - формирование дискретных сигналов (команд) управления состояниями ключей, для обеспечения требуемого качества выходного напряжения КЭП.

Применение такой системы, имеющей более простую схемную реализацию, позволит упростить конструкцию СЭП, повысить её надежность и снизить стоимость.

1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

.1 Цель и объект исследования

Темой выпускной квалификационной работы является «Разработка дискретного регулятора мощности секционированной солнечной батареи».

Целью исследования является разработка опытного образца системы управления многосекционным коммутатором выходного тока секционированной солнечной батареи.

Объект исследования - математическая и физическая модели системы электропитания КА (СЭП КА), на основе шунтовых стабилизаторов, в режиме регулирования мощности солнечной батареи. По результатам исследования разрабатывается система управления многосекционным коммутатором токов БС.

.2 Состав и назначение СЭП

СЭП предназначена для обеспечения систем КА напряжением заданного качества.

Исследуемая СЭП включает в себя: секционированную солнечную батарею; аккумуляторные батареи; энергопреобразующую аппаратуру - КЭП;

В режиме регулирования мощности солнечной батареи в КЭП используются системы: шунтовые стабилизаторы, количество которых соответствует количеству секций БС; узлы управления стабилизаторами, в состав которых входит интегратор отклонения выходного напряжения от заданного и схема формирования дифференцирующей обратной связи.

На рисунке 1.1 представлена функциональная схема регулятора мощности БС.

Назначение функциональных узлов входящих в состав КЭП.

Интегратор предназначен для определения интеграла отклонения напряжения выходной шины СЭП от опорного. Шунтовые стабилизаторы ограничивают лишнюю энергию, вырабатываемую БС, и обеспечивают тем самым требуемое выходное напряжение. Дифференцирующая ОС определяет скорость изменения выходного напряжения шины и формирует дополнительный сигнал управления ШС, обеспечивая тем самым необходимые параметры переходных процессов, возникающих при изменении нагрузки

Рисунок 1.1. Функциональная схема КЭП

БС- батарея солнечная

ШС - Шунтовой стабилизатор с ШИМ

ДТК - датчик тока ключа

ДТ - датчик тока

И100 - интегратор модель 100В.

ЛС - логический сигнал (состояние ключа)

Сигналы которые можно использовать для управления коммутатором:инт - Напряжение интегратора

Ток ШС

Ток БС крыла (суммарный)

Ток нагрузки

токи ключей

Скорость изменения тока

Скорость изменения напряжения интегратора или нагрузки

Количество включенных ключей коммутатора БС

Сигнал производной от напряжения фильтра.

.3 Принцип работы СЭП

При отсутствии освещения панелей БС ключи ШС разомкнуты, выходное напряжение интегратора имеет отрицательную полярность а амплитуда меняется в зависимости от отклонения от опорного напряжения. В этом режиме работает разрядное устройство, и энергия потребляется только от аккумуляторных батарей. С ростом интенсивности освещения секций БС, в них генерируется фототок, так как ключи ШС разомкнуты, то весь фототок протекает через нагрузку. Когда выработанной энергии становится больше, чем потребляет нагрузка, выходное напряжение интегратора меняет знак (становится положительным). В этом режиме (положительной зоне И100) начинают работать ШС и зарядные устройства.

Положительная зона выходных напряжений интегратора И100 распределена между фазами ШС, причем рабочие зоны ШС перекрываются. Чем больше выходное напряжение интегратора, тем больше ключей ШС замкнуты. В пределах рабочего диапазона фазы ключ ШС работает в режиме ШИМ, ограничивая часть энергии, генерируемой секцией БС. Очевидно, что большинство ключей ШС в конкретный момент времени находятся в одном из устойчивых состояний (замкнуты либо разомкнуты), а в режиме ШИМ работают от одной до трёх секций. Причем, с увеличением числа секций БС, увеличивается число ключей ШС, которые находятся в устойчивом состоянии.

1.4 Технические требования

СЭП должна обеспечивать нагрузку напряжением (100 ± 1)В, конструкция БС должна быть многосекционной, в зависимости от числа секций мощность нагрузки изменяется от 3 до 18 кВт.

При скачкообразном подключении/отключении нагрузки 2кВт, длительность переходного процесса не 500мкс, переходной процесс апериодический без перерегулирования, амплитуда переходного отклонения напряжения не более 1В.

1.5 Математические модели СЭП

Система электропитания, по своей сути, является классической системой автоматического регулирования (САР). Для анализа САР удобно представить её в виде структурной схемы, состоящей из передаточных функций входящих в неё звеньев. Так как в рамках данной дипломной работы разрабатывается только та часть СЭП, которая регулирует энергию вырабатываемую БС, то из состава модели будут исключены: зарядно - разрядное устройство и аккумуляторные батареи.

Согласно структурной схеме, приведенной на рисунке 1.1 и с учетом указанных выше допущений, составим структурную схему, состоящую из пяти каналов ШС (представлена на рисунке 1.2).

Обозначения на схеме (рис 1.2): оп - опорное напряжение (100В); Uсм - напряжение смещения; Wинт - передаточная функция интегратора; Wшс - передаточная функция ШС; Wдиф - передаточная функция дифференциатора; Wн - передаточная функция нагрузки; НЭ - нелинейный элемент имитирующий ВАХ БС; IБСном - номинальный ток БС.

Рис. 1.2. Математическая модель СЭП

.6 Постановка задачи

В пункте 1.3 было сказано, что ключам находящимся в устойчивых состояниях система с ШИМ не нужна, ими можно управлять посредством дискретных сигналов (команд). Формировать эти сигналы можно с помощью простых логических устройств.

Избыточность структуры применяемой ЭПА является её недостатком.

Для упрощения схемы управления и удешевления конструкции целесообразно обеспечить дискретный режим работы части ключей (ключ замкнут либо разомкнут). Сигналы управления, в этом случае, должны формироваться несложной логической схемой на основе анализа уже имеющихся в системе сигналов (сигналы показаны на рисунке 1.1). При этом система стабилизации выходного напряжения должна оставаться устойчивой во всех режимах работы и удовлетворять требованиям, предъявляемым к параметрам переходных процессов и качеству выходного напряжения.

В рамках дипломной работы необходимо разработать систему управления многоканальным коммутатором. Разработка коммутатора состоит из трёх этапов - разработка структуры и схемы, математического моделирования и натурного эксперимент. Так как в рамках дипломной работы отсутствует возможность изготовить и исследовать образец аппаратуры с параметрами близкими к штатному, то натурный эксперимент будет проводится с приемлемым масштабированием по напряжению шины и выходной мощности.

На первом и втором этапах будет разработана схема и исследована модель системы, полностью отражающая логику работы усовершенствованного регулятора и удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к прототипу. После того, как работоспособность модели будет подтверждена имитационным моделированием на ПК, будет разработана принципиальная схема системы для натурных экспериментов, с уменьшенными значениями напряжения и мощности, в определённом масштабе по отношению к прототипу. Такой подход позволит определить целесообразность разработки рассматриваемой системы, не прибегая к излишним затратам ресурсов. Кроме того в процессе моделирования будет определен функциональный состав системы, принципиальные схемы функциональных блоков и рациональные, с точки зрения предъявляемых требований, параметры элементов входящих в состав схем.

.7 Варианты реализации системы управления коммутатором

.7.1 Описание формирователя сигналов переключения

Принципиально возможны несколько вариантов формирования сигналов управления коммутаторами. Все их можно свести к двум основным: первый вариант, когда сигналы коммутации формируются на основе сигнала суммы токов ключей ШС; второй вариант сигналы формируются по отклонению выходного напряжения от заданного, или интегралу ошибки.

Рассмотрим преимущества и недостатки обоих вариантов. Укрупненная функциональная схема первого варианта формирователя представлена, на рисунке 1.3. Сигналы, характеризующие состояние ключей ШС, логические (0, 1) либо линейные (от 0 до 1), поступают на вход суммирующего устройства. Сумма сигналов поступает в устройство сравнение, которое, в зависимости от значения суммы, выдает сигналы коммутации секций.





Рис 1.3. Функциональная схема формирователя сигнала переключения коммутатора (Токовый вариант).

Второй вариант представлен на рисунке 1.4. Напряжение интегратора поступает на вход порогового устройства, если напряжение оказывается выше верхнего порога, то одна секция замыкается, если ниже нижнего то одна секция размыкается. Такой вариант имеет существенный потенциальный недостаток, в нем организуется два параллельных контура управления, а это может привести к неустойчивой работе всей системы в целом. Поэтому предпочтительнее использовать первый вариант.






Рис 1.4. Функциональная схема формирования сигнала переключения коммутатора (вариант с отклонением интегральной ошибки).

Заштрихованные области (на рисунке 1.4) - области уменьшения и увеличения числа подключенных секций.

Очевидно, что с целью увеличения скорости реакции регулятора, при больших амплитудах скачкообразного изменения тока, целесообразно изменение одновременно коммутируемых секций до 2х - 3х. Для реализации этой функции необходимо измерение амплитуды приращения тока выходного фильтра.

.7.2 Описание устройства обработки сигналов (на счетчиках и регистрах)

Сигналы полученные с формирователя необходимо обработать. Обработка заключается в установлении количества замкнутых и разомкнутых ключей в текущий момент времени, в соответствии с входными сигналами и начальными условиями для текущего момента времени условиями.

Наиболее простое решение - применение сдвиговых регистров или счетчиков импульсов. И те и другие могут быть как реверсивные так и не реверсивные. Нереверсивный счетчик применить в данной конструкции невозможно, не прибегая к через мерно сложной схемотехнике. Использование реверсивного счетчика (типа К564ИЕ11) устраняет этот недостаток, но такая схема потребует сложного дешифратора (вариант схемы дешифратора приведен в приложении 1.1). Применение сдвигового регистра позволяет обойтись без дешифратора, но при дальнейших исследованиях выяснилось, что схема с нереверсивным сдвиговым регистром имеет существенный недостаток. При появлении сигнала замыкания ключей, при условии что несколько ключей в текущий момент времени разомкнуты, происходит сдвиг данных по выходам регистра, а общее число замкнутых и разомкнутых ключей не меняется, происходит только смена их местоположения. Такой сдвиг происходит пока старшая логическая единица записанного в регистр числа не потеряется из-за превышения разрядности. Такой алгоритм работы значительно снижает быстродействие схемы, а последовательное замыкание и размыкание ключей вызывает множество накладываемых друг на друга переходные процессов. Также из за работы ключей не в статическом а в динамическом режиме, увеличивает потери, а соответственно снижает КПД.

Если использован регистр с возможностью реверсирования направления записи данных, то он лишен указанного выше недостатка

В качестве схемы обработки в данной дипломной работе была использована типовая схема реверсивного регистра сдвига из источника [1]. Схема приведена в приложении 1.2.

.8 Аналитическое моделирование

Аналитическое моделирование включает в себя этапы:

1.       Постановка задачи компьютерного моделирования;

2.       Определение исходной информации;

.        Обоснование критериев оценки эффективности системы;

.        Выбор вычислительных средств для моделирования;

.        Составление плана работ по разработке;

.        Проверка достоверности системы;

.        Определение требований к вычислительным средствам.

.8.1 Постановка задачи на компьютерное моделирование

Задачей компьютерного моделирования нужно считать полное и безошибочное отражение существующих математических моделей, т.е. создание компьютерной модели на основе математических моделей. Для решения поставленной задачи достаточно современных средств компьютерного моделирования.

.8.2 Определение исходных данных

Исходные данные для проведения моделирования представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Исходные данные для проведения программирования

Название параметра

Обозначение

Размерность

Значение

1

2

3

4

Выходное напряжение шины

Uвых

В

100.0

Номинальный ток секции БС

IБСном

А

7.4

Максимальный наброс нагрузки

Pmax

Вт

2000

Максимальная амплитуда переходного процесса

В2.8



Максимальная длительность переходного процесса

мкс500



Постоянная времени интегратора

мкс30



Постоянная времени дифференциатора

мкс3



Постоянная времени шунтового стабилизатора

мкс10




.8.3 Обоснование критериев оценки эффективности системы

Следует определить, что для решения поставленной задачи о синтезе схемы управления коммутатором необходимо составить, по возможности, наиболее полную математическую модель СЭП с тем, чтобы иметь возможность оценки работы проектируемой системы. Необходимо также выбрать ряд критериев для оценки этой работы.

Критериями для оценки достоверности модели исходной СЭП и разработанного коммутатора будут: длительность ПП, амплитуда ПП и значение выходного напряжения, при максимально допустимом набросе нагрузки.

В процессе разработки системы будет составлена адекватная модель типовой СЭП, удовлетворяющей заданным требованиям (таблица 1.1). На основе модели типовой СЭП будет разработана модель коммутатора, и она должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к исходной системе.

1.8.4 Выбор средств разработки для моделирования

В настоящее время существует множество систем автоматического проектирования (САПР), помогающих при разработке электрических схем. Основными из них являются: MiсroCap 9.0 (Spectrum Software), OrCad 10.0 (Cadence Design Systems) и Altium Designer 9.0 (Altium). Данные средства разработки обладают подобным функциональным набором, и в основе их лежит язык программирования Spice. Для обоснования выбора среды программирования был проведён экспертный анализ указанных систем.

Для удобства проведения экспертизы, оценка эффективности среды программирования оценивается по пятибалльной шкале. В качестве экспертов были приглашены сотрудники предприятия, специализирующиеся на разработке электрических схем. Результаты экспертизы приведены в таблицах 1.2-1.4.

Таблица 1.2 - Оценка среды программирования Miсro Cap 9.0

Наименование критерия

Эксперт 1

Эксперт 2

Эксперт 3

Средняя оценка

Итог

1.Возможности моделирования

4

5

5

4.7

23.8

2.Полнота базы компонентов

4

5

5

4.7


3.Скорость выполнения моделирования

5

4

5

4.7


4. Редактирование свойств компонентов

5

4

5

4.7


5.Интерфейс программы

5

5

5

5



Таблица 1.3 - Оценка среды программирования OrCad 10.0

Наименование критерия

Эксперт 1

Эксперт 2

Эксперт 3

Средняя оценка

Итог

1.Скорость компиляции

4

5

3

4

20.9

2.Скорость выявления ошибок в программе

4

3

4

3.6


3.Скорость написания программы

4

4

5

4.3


4.Удобство структурирования программ

5

4

4

4.3


5.Интерфейс программы

5

5

4

4.7



Таблица 1.4 - Оценка среды программирования Altium Designer 9.0

Наименование критерия

Эксперт 1

Эксперт 2

Эксперт 3

Средняя оценка

Итог

1.Скорость компиляции

5

5

5

5

24.4

2.Скорость выявления ошибок в программе

5

5

5

5


3.Скорость написания программы

5

4

5

4.7


4.Удобство структурирования программ

5

5

4

4.7


5.Интерфейс программы

5

5

5

5



Из представленной экспертизы видно, что САПР Altium Designer 9.0 является наиболее подходящей для разработки функциональной и электрической схем. Кроме того, определяющим фактором при выборе стала совместимость с используемым в подразделении разработчиками бортовой аппаратуры ПО. Altium Designer является новейшей комплексной САПР, позволяющей выполнять все этапы разработки: от принципиальной схемы до модели для станка с ЧПУ. Применение Altium Designer 9.0 позволило разработать схему в кратчайшие сроки (3 мес).

1.8.5 Определение требований к вычислительным средствам

Рекомендуемые системные требования: Windows XP SP2 Professional или выше; Intel Core 2 Duo / Quad 2,66 ГГц или выше; 2 Гб оперативной памяти; 10 Гб места на жестком диске; Два монитора, разрешение экрана 1680x1050 (широкоэкранный) или 1600x1200 (4:3); NVIDIA GeForce 80003 серия, 256 МБ (или больше) видеокарта или выше; Параллельный порт (для подключении к NanoBoard-NB1); USB2.0 порт (при подключении к NanoBoard-NB2); Adobe Reader 8 или выше DVD-привод; Подключение к Интрнет для получения обновлений и технической поддержки онлайн.

.8.6 План выполнения дипломной работы

План выполнения дипломной работы приведён в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - План выполнения дипломной работы

Наименование работы

Трудоёмкость чел/час

Сроки выполнения

Связь с другими работами

1

2

3

4

5

1

Сбор информации, подготовительные мероприятия

168

01.02.2012 01.03.2012

2

2

Исследование модели СЭП, рассмотрение вариантов реализации коммутатора.

112

02.03.2012 22.03.2012

1

3

Написание ТЭО, БЖД и экологического обоснование

88

23.03.2012 08.04.2012

1,2

4

Разработка принципиальной схемы коммутатора для макетирования

40

09.04.2012 15.04.2012

2, 3

5

макетирование, проведение испытаний

80

16.04.2012 28.04.2012

4

6

Написание отчета по макетированию

56

29.04.2012 12.05.2012

5

7

Редактирование текста, сбор окончательного варианта диплома

40

13.05.2012 26.05.2012

1-4,6

8

Заключительное редактирование разработка презентации

40

27.05.2012 1.06.2012

7


1.9 Оценка качества модели

Исследование модели СЭП в MatLab показало, что модель соответствует требования сформулированным в пункте 1.7.3. Следовательно можно проводить дальнейшую разработку.

.10 Экономическая часть

Внедрение новых технологий всегда должно сопровождаться оценкой экономической эффективности их создания и использования. Решение экономических вопросов в дипломной работе позволяет дать объективную оценку качеству инженерной проработки, целесообразности внедрения результатов дипломной работы в производств. Данный раздел позволяет объективно оценить целесообразность разработки штатного образца коммутатора.

.10.1 Расчет затрат на разработку коммутатора

Затраты на разработку коммутатора (S) определим по формуле 1.1 [8]:

S=n∙Tp∙Зро∙ (1+Крд)∙(1+Крс)+Tмо∙Ep+Тк∙Зк+Kоб,

(1.1)


где:= 1 - количество разработчиков;

Тp = 4 мес. - общее время, затраченное на разработку многоканального коммутатора;

Зро = 4100 руб./мес. - основная заработная плата разработчика с учётом районного коэффициента;

Крд = 0.6 - коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату разработчика программы, в долях к основной заработной плате (по материалам базового предприятия);

Крс = 0.3 - коэффициент, учитывающий страховые взносы, в долях к сумме основной заработной платы;мо = 376 час. - общее время работы на ПК= 2.4 - эксплутационные расходы на 1 час машинного времени, руб. / машино-час;

Тк = 25 час. - время консультаций;

Зк = 100 руб/час - оплата консультанта по отраслевому тарифу.

Kоб = 20000 руб. - стоимость оборудования;

S = 1*4*4100*(1+0.6)*(1+0.3)+376*2.4+25*100+20000 = 57514.4 руб.(1.2)

.10.2 Расчёт капиталовложений, связанных с изготовлением физической модели многоканального коммутатора и его испытаниями

Таблица 1.6. Перечень и стоимость компонентов для одного комплекта 8-ми канального коммутатора.

Наименование

Количество, шт.

Стоимость, руб.

Общая сумма, руб. Ском

К564ИР9

2

42.57

871.74

К564ЛА7

3

36.00


К564ТЛ1

3

66.00


К564ЛЕ5

1

46.00


К544УД2

4

90.00


К564ЛН2

2

18.00


КД522А

4

0.90


Резистор  МЛТ-0.125

18

0.50


Конденсатор  К10-17

5

4.00



Затраты на электроиспытания складываются из эксплуатационных расходов на лабораторное оборудование. Величина расходов определяется исходя из величины амортизационных отчислений и затрат на электрическую энергию. В таблице 1.7 приведён перечень использованного оборудования и расходы на его эксплуатацию.

Таблица 1.7. Перечень оборудования и эксплуатационные расходы.

Наименование

Эксплуатационные расходы, руб./час

Время работы, час

Общие расходы, руб.

Осциллограф TDS3014B

7.7

80

616

Источник питания ATH2031

1.7

80

136

Вольтметр Mastech MY62

0.02

80

1.6

Паяльная станция HAKKO 702B

4.28

80

342.4


Общая стоимость эксплуатационных расходов на оборудование равна 1096руб.

.10.3 Расчёт показателей экономической эффективности от внедрения коммутатора

Задачей дипломной работы является: разработка системы управления многоканальным коммутатором, следовательно, для определения экономической эффективности, будут сравниваться стоимости системы управления ШС и системы управления многоканального коммутатора. В исходной СЭП, в каждом канале ШС стоит своя система управления, конструкции их абсолютно идентичны. Разрабатываемая в дипломной работе система управления рассчитана на 8 каналов. В таблице 1.8 приведен перечень и стоимость компонентов одного канала СУ ШС.

Наименование

Количество, шт.

Стоимость, руб.

Общая сумма, руб.

1114ЕУ8

2

770.00

2136.60

IR2110

1

98.00


К564ТЛ1

1

66.00


КТ3102А

4

40.00


К544УД2

2

90.00


КД522А

4

0.90


Резистор  МЛТ-0.125

42

0.50


Конденсатор  К10-17

17

4.00



Общая стоимость системы управления для 8-ми каналов равна:

ССУШС = 2136.60∙8 = 17092.8(1.3)

В пункте 1.10.2 была определена стоимость СУ для многоканального коммутатора. Экономическая эффективность от применения новой системы будет равна:

ССУШС - Ском = 17092.8 - 871.74 = 16221.06 (руб.)(1.4)

Кроме этого, использование сдвиговых регистров К564ИР9 позволяет, с добавлением каждой новой микросхемы, увеличивать число каналов коммутатора на 4, при этом остальная часть схемы остаётся без изменения. Следовательно в системах с большим числом каналов, экономическая эффективность будет возрастать.

Выводы:

Экономическая эффективность от внедрения многоканального коммутатора составляет 16221.06. При этом с увеличением числа каналов экономическая эффективность так же увеличивается. На основании этого можно считать, что разработка штатного образца КЭП на основе многоканального коммутатора экономически оправдана.

2. ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ

.1 Разработка структурной схемы СЭП в Matlab

.1.1 Подбор моделей элементов (формирование модели ШС, БС и тд)

Чтобы оценить работоспособность всей СЭП не прибегая к натурному моделированию, необходимо составить достоверные модели всех узлов входящих в её состав.

Основываясь на проведенных ранее опытах [2] структурная схема БС (без учета динамики) может иметь вид показанный на рисунке 2.1 Входными параметрами для данной модели являются величина фототока и приложенное напряжение, а выходным параметром ток БС. В состав модели входит нелинейный элемент имитирующий ВАХ БС.

Рис. 2.1. Модель БС в MatLab.

Модель ШС представлена на рисунке 2.2. она состоит из источника смещения входного сигнала ошибки, коэффициента передачи схемы управления ШС (или её передаточной функции), нелинейного элемента (типа зона насышения, с линейным диапазоном от 0 до 1) и устройства умножения. В зависимости от величины входного сигнала ШС либо не пропускает ток БС в нагрузку, либо пропускает его часть, либо весь ток целиком.

Рис 2.2. Модель ШС в MatLab.

Так как в такой постановке модели фаз ШС являются моделями источников токов, и эти токи текут в нагрузку, следовательно по второму закону Кирхгофа (закон о сумме токов в узле) [3], токи можно просуммировать, и пропустить через передаточную функцию, характеризующую структуру и параметры нагрузки (в данном случае активное сопротивление и емкость соединённые параллельно), на выходе передаточной функции будет напряжение шины.

Выходное напряжение сравнивается с опорным, пропускается через передаточную функцию интегратора, на выходе будет сигнал пропорциональный интегралу ошибки (модель интегратора приведена на рисунке 2.3). Этот сигнал и подаётся на фазы ШС.

Рис. 2.3. Модель интегратора в MatLab.

Медленный контур (контур коммутатора) построен следующим образом: сигнал на выходе нелинейного элемента зона насыщения в модели ШС является аналогом коэффициента заполнения, в реальной схеме, и пропорционален току ШС. Сумма этих сигналов показывает в каком состоянии находятся все каналы ШС. Сравнивая эту сумму с заданными пределами можно сформировать сигналы управляющие коммутатором. Если сумма будет больше верхнего предела то формируется +1 если меньше нижнего то формируется -1 во всех остальных случаях формируется 0. Пропустив этот сигнал через интегратор с постоянной времени подобранной так, чтобы его выходное значение увеличивалось либо уменьшалось на единицу за время несколько большее чем время переходного процесса, возникающего при коммутации ключа. Получим число равное количеству подключенных, в текущий момент времени, секций коммутатора. Чтобы это число менялось дискретно, его нужно пропустить через нелинейный элемент дискритизатор (шаг дискретизации единица) причем с ограничением от 0 до числа равного максимальному количеству секций коммутатора (рисунок 2.4). Коэффициент К1 задает скорость переключения коммутатора.

Рис. 2.4. Модель коммутатора в MatLab.

Вся структурная схема для моделирования в Matlab представлена в приложении 2.1.

2.1.2 Оценка устойчивости

Система, структурная схема которой приведенная в приложении 2.1, является, с точки зрения классификации применяемой в ТАУ, многоконтурной нелинейной одномерной системой автоматического управления. Все нелинейности входящие в состав системы однозначные. Одна нелинейность содержится в блоке БС (по сути ограничивает выходное напряжение на уровне 150В), вторая нелинейность содержится в блоке ШС (коэффициент заполнения меняется от 0 до 1), и три нелинейности в блоке СУ коммутатора. Если ток нагрузки не выходит за пределы возможностей ШС, то этот контур можно временно исключить из анализа устойчивости. Нелинейность в составе БС проявляется только когда выходное напряжение приближается к значению 150В, следовательно ей так же можно пренебречь. Нелинейностью присутствующей в блоках ШС пренебречь нельзя, но так как логика их работы построена таким образом, что все каналы работают по очереди, то систему можно привести к более простому виду: вместо 5 каналов ШС с коэффициентом от 0 до 1 один канал с коэффициентом от 0 до 5. Ещё одни острый момент это наличие в системе умножителя, но так как при вышеперечисленных допущениях БС является источником тока, то умножитель можно заменить коэффициентом численно равным номинальному току БС. Такая система является нелинейной одноконтурной, с устойчивой линейной частью (астатизм равен 1), и об её устойчивость можно судить по тому, пересекаются годографы нелинейного элемента и линейной части или нет. Упрощенная структурная схема приведена на рисунке 2.5.

дискретный регулятор коммутатор солнечный батарея

Рис. 2.5. Упрошенная структурная схема ШС.

На схеме приведенной на рисунке 2.5 присутствуют интегратор (слева), нелинейность блока ШС, и быстрая обратная связь (дифференциатор). В зависимости от параметров дифференциатора система может быть ка устойчива так и не устойчива (об этом можно судить по ЛАХ и ФЧХ приведенных на рисунке 2.7). На устойчивость ШС в основном влияют: коэффициент интегратора, коэффициент передачи и постоянная времени дифференциатора и величина нагрузки.

Рис. 2.6. ЛАХ и ФЧХ системы при разных нагрузках, без дифференциатора, (Бирюзовый график - сопротивление равно 0.6Rн, синий график - 2Rн, зелёный - 4Rн, красный - 8Rн ).

При изменении величины нагрузки, изменяется не только коэффициент в контуре, но и значительно изменяется постоянная времени, в результате этого значительно изменяется фазочастотная характеристика системы (рисунок 2.6). Чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше запас по фазе на частоте среза, и тем колебательнее переходные процессы.

Введение в структуру дифференциатора, позволяет уменьшить колебательность переходных процессов, но при слишком при увеличении постоянной времени происходит переворот фазы и система становится не устойчивой (рисунок 2.7). Увеличение коэффициента передачи так же вызывает переворот фазы.

Рис. 2.7. ЛАХ и ФЧХ системы при разных параметрах дифференциатора.

Пояснения к графику (рисунок 2.7): Синий график - без дифференциатора запас по фазе 5°, зеленый график - постоянная времени 9мкс коэффициент усиления 5, запас по фазе 6°, красный график - постоянная времени 22.5мкс, бирюзовый график - постоянная времени 27мкс, сиреневый график - постоянная времени 45мкс, наблюдается переворот фазы.

Коэффициент усиления интегратора входит в состав коэффициента прямого пути системы, следовательно при его увеличении ЛАХ системы поднимается, частота среза смещается в права по оси частот, и это приводит к уменьшению запаса по фазе. Так как в линейной части системы содержится чистый интегратор, то система является астатической первого порядка, статическая ошибка в ней равна 0.

Вывод: подбирая параметры дифференциатора и коэффициента интегратора можно добиться переходных процессов требуемого качества.

.1.3 Оценка устойчивости системы с коммутатором.

Требуемое качество переходных процессов обеспечивается контуром ШС, если режимы нагружения системы выбраны правильно, то коммутатор только смещает рабочую току, следовательно при условии устойчивости контура ШС и вся система так же будет устойчива. Подтвердить это можно проведя моделирования при разных режимах нагружения. Моделирование проведём как при скачкообразном изменении нагрузки, так и при синусоидальном. Упростить структуру таким образом, чтобы её можно было анализировать используя классические методы ТАУ невозможно, так как в системе присутствуют несколько нелинейных элементов, и привести к систему к одному нелинейному элементу и эквивалентной линейной части, как в предыдущем случае, нельзя. Поэтому, об устойчивость системы с коммутатором мы будем судить по качеству переходных процессов возникающих в системе при различных изменениях в нагрузки.

Для моделирования воспользуемся упрощенной структурой, аналогичной той что приведена на рисунке 2.5, только добавим к ней модель коммутатора (рисунок 2.8).

Рис. 2.8. Модель системы с коммутатором.

Из вида переходного процесса (рисунок 2.9) можно заключить, что если нагрузка находится в диапазоне регулирования ШС, то все выводы сделанные в пункте 2.1.2 справедливы. Если изменение нагрузки оказывается больше того которое может скомпенсировать ШС, то начинает сказываться быстрота работы коммутатора. На качество переходных процессов в таком случае будут влиять пороги срабатывания коммутатора и скорость набора требуемого количества секций. Этими параметрами мы будем варьировать для достижения нужной формы ПП.

Рис. 2.9. Переходной процесс (напряжение на шине) в системе.

Разберем подробно переходной процесс изображенный на рисунке 2.9. Колебательность в момент включения обусловлена тем, что нагрузка слишком мала, следовательно запас по фазе тоже мал (об этом говорилось в предыдущей главе). В момент времени 0.15с происходит наброс нагрузки (нагрузка увеличивается в 4 раза), при этом происходит просадка выходного напряжения, так как такая нагрузка выходит за пределы возможностей регулирования ШС. В момент времени 0.23с интегратор находящийся в составе модели коммутатор набирает требуемую величину и происходит подключение дополнительной секции. Так как добавленный ток оказался больше требуемого происходит увеличение выходного напряжения выше опорного. К моменту 0.30с ШС полностью отрабатывает этот выброс. В момент времени 0.38 из - за накапливающейся ошибки происходит подключение еще одной дополнительной секции, но этот выброс очень быстро отрабатывается ШС.

Но 0.6с происходит скачкообразное уменьшение нагрузки в 4 раза. Так как в системе отсутствует нелинейность БС, а быстродействие ШС и коммутатора ограничено, то происходит значительны выброс выходного напряжения. Знак ошибки при этом изменяется, значение накопленное интегратором начинает убывать и происходит отключение двух секций, напряжение просаживается и на 0.75с ШС начинает доводить его до номинала. На 0.8с переходные процессы завершаются и система работает устойчиво.

Несмотря на большую длительность переходных процессов и значительное перерегулирование данная модель работает правильно и предсказуемо.

Проведенный выше анализ носит только качественный характер и не преследует цели определить параметры реальной схемы. Связано это с тем что реальная схема гораздо сложнее по функциональному составу, и содержит множество более сложных нелинейностей в различных сочетаниях. Такой анализ позволяет лучше понять процессы протекающие в системе и выработать методику анализа её работы. Кроме этого на основе структурной схемы, на следующем этапе, можно будет разработать функциональную схему устройства, более подробную.

В последующем так же можно будет подобрать параметры дифференциатора для реальной схемы, предварительно скорректировав согласно реальной схемы модель приведённую на рисунке 2.5.

.1.4. Неустойчивые режимы работы коммутатора (Прогнозирование неустойчивых режимов работы).

Неустойчивая работа системы может быть вызвана двумя основными факторами: неустойчивая работа контура ШС; неустойчивая работа самого коммутатора. Так же есть предположение, что контур коммутатора может повлиять на устойчивость работы ШС и вывести систему из строя, но в дальнейших экспериментах мы постараемся опровергнуть это утверждение.

Причины неустойчивой работы ШС были подробно рассмотрены в пункте 2.1.2, поэтому останавливаться на них мы не будем. В данной главе мы рассмотрим факторы влияющие на неустойчивость работы коммутатора, и влияние коммутатора на работу ШС.

Первый эксперимент будет связан с порогами переключения. Если пороги переключения поменять местами система очевидно будет работать неустойчиво. Если очередность порогов верная, и их значения близки. Задав пороги переключения 2.3 и 3.0 а коэффициент К1 коммутатора (определяет скорость переключения) равный 5, запускаем моделирование. Форма переходных процессов ухудшается, но система продолжает работать устойчиво. Увеличиваем коэффициент в 2 раза и повторно запускаем моделирование (результаты приведены на рисунке 2.10 и 2.11).

Рис. 2.10. Переходной процесс (выходное напряжение).

Рис. 2.11. Число подключенных секций.

На рисунке 2.11 видно, что если переключения происходят слишком быстро, коммутатор начинает работать не стабильно. Забегая в перёд, в реальной схеме в качестве порогового устройства используется не интегратор с нелинейными элементами а компаратор, коэффициент усиления у него равен коэффициенту усиления разомкнутого ОУ (порядка 106), поэтому, что бы добиться нестабильности достаточно будет сдвинуть пороги близко друг к другу, и переключения будут происходить настолько быстро, насколько быстро ШС отрабатывает отклонение выходного напряжения (так как управление осуществляется по сумме токов).

Предположение, что при некоторых условиях коммутатор вызовет не стабильную работу ШС, подтвердилось. Бороться с такой неустойчивостью можно путем ограничения скорости работы ШС (но это вызовет ухудшение качества ПП), либо разнесением порогов переключения коммутатора и ограничении скорости его срабатывания.

.2. Разработка функциональной схемы СЭП

.2.1 Разработка функциональной схемы.

После того как работоспособность была подтверждена, началась разработка укрупненной функциональной схемы. Используя пакет прикладного ПО Altium Designer, на основе структурной схемы для Matlab, была разработана функциональная схема, с элементами принципиальной. Функциональная схема была сделана таким образом, чтобы на втором этапе можно было смоделировать её работу с использованием средств Altium Designer и на основе этих результатов перейти к разработке принципиальной схемы.

Состав блоков функциональной схемы такой же как и у структурной, но часть блоков заменена моделями электрических элементов.

Схема замещения БС приведена на рисунке 2.12. Источник тока задает ток БС в режиме короткого замыкания, Диод в сочетании с источником смещения формирует вольт - амперную характеристику батареи, последовательный резистор имитирует внутреннее сопротивление БС, а конденсатор - внутреннюю ёмкость [2].

Рис. 2.12. Схема замещения БС.

Шунтовые стабилизаторы заменены источниками тока управляемыми напряжением (ИТУН). На входе источника установлен нелинейный элемент зона насыщения, с линейным участком от 0 до тока короткого замыкания БС (в данном случае 7.4А). На вход НЭ, через источник смещения (свой для каждого канала ШС), подаётся сигнал ошибки. Схема замещения приведена на рисунке 2.13.

Рис. 2.13. Схема замещения ШС

Так же как и в реальной схеме на выходе каждой фазы ШС установлен диод. Все фазы ШС подключены параллельно и работают на общую нагрузку.

Схема замещения интегратора приведена на рисунке 2.14.

Рис. 2.14. Схема замещения интегратора.

Она состоит из источника смещения (равного опорному напряжению) и источника напряжения управляемого напряжением с коэффициентом передачи больше единицы (в данной схема коэффициент передачи равен 20).

Как и в предыдущей главе сигнал переключения формируется на основе коэффициентов заполнения ключей каналов ШС. Сигналы с нелинейных элементов подаются на сумматор, а сумма подаётся на узел формирующий сигнал определяющий направление переключения и тактовый сигнал. Узел формирования этих сигналов получил рабочее название «Входной узел». Рассмотрим его функциональный состав (рисунок 2.15):

Рис 2.15. Схема входного узла.

Как было сказано ранее сумма коэффициентов заполнения подаётся на пороговое устройство с двумя порогами, состоящее из источников смещения определяющих пороги переключения, нелинейных элементов формирующих сигналы логической единицы и умножителей с коэффициентом 5 для формирования сигнала амплитудой 5В, для последующей подачи на входы логических микросхем.

Были составлены таблицы истинности входами которых явились логические сигналы пороговых устройств, а выходы логический сигнал определяющий направление переключения, и сигнал разрешения прохождения тактовых импульсов (таблица 2.1 и 2.2). В соответствии с таблицами были записаны логические выражения связывающие входы и каждый выход (выражение 2.1 и 2.2), а по ним составлены логические схемы. Вход А - нижний порог срабатывания, Вход В - верхний порог срабатывания, Y1 - выход направления переключения, Y2 - выход тактовый.

Таблица 2.1

A

B

Y1

0

0

0 (поправить)

0

1

0

1

0

1

1

1

ошибка


A

B

Y2

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

ошибка

Таблица 2.2

    (2.1)

    (2.2)

Схема управления ключами выполнена на реверсивном сдвиговом регистре (приложение 1.2). Схема работает следующим образом: В начальный момент времени на всех выходах регистра установлены логические нули. Если сигнал на входе P/S имеет уровень логической единицы, то регистр установлен в режим приёма последовательных данный и по каждому фронту последовательности тактовых импульсов происходит запись со входов J-K логической единицы на первый выход регистра, а предыдущее его состояние сдвигается на разряд выше. Состояние старшего разряда при этом теряется. Если на входе P/S установлен сигнал логического нуля, то регистр находится в режиме параллельной записи, а по каждому фронту последовательности тактовых импульсов в старший разряд записывается логический 0, состояние n-го выхода, через n-1 вход параллельной записи, записывается в n-1 выход, и так до самого младшего разряда. Состояние самого младшего разряда теряется. К выходам регистра подключены инверторы, в реальной схеме они выполняют роль дополнительных усилителей, но основное их предназначение, организация отрицательной обратной связи.

Схема регистра может быть выполнена без использования выходных инверторов, с применением не инвертирующих драйверов, однако, в этом случае придется изменить логику работы регистра и увеличить число элементов добавлением дополнительных инверторов по входам.

Рис. 2.16. Секция коммутатора.

Секции коммутаторов выполнены аналогично секциям ШС (рисунок 2.16). Коэффициент передачи ИТУН подобран таким образом, что бы при напряжении на входе 5В, выходной ток был равен току короткого замыкания БС.

Укрупнённая функциональная схема представлена в приложении 2.2.

2.2.2 Моделирование укрупненной функциональной схемы СЭП

Целью моделирования является: убедиться в устойчивости работы системы, подобрать статический коэффициент передачи и пронаблюдать переходные процессы в системе, при ступенчатом изменении нагрузки. Также необходимо проверить правильность функционирования регистра. Для проверки правильности функционирования системы, к ней был добавлен блок переменной нагрузки (рисунок 2.17).

Рис. 2.17. Блок переменной нагрузки.

Постоянная нагрузка равна 5Ом, при выходном напряжении 100В, ток протекающий через неё равен 20А. Через 2мс после начала моделирования, нагрузка увеличивается ещё на 15А (за счет блока переменной нагрузки). Ещё через 2мс нагрузка снова увеличивается на 15А. На 7-й мс моделирования, нагрузка уменьшается на 15А, и на 10-й мс остаётся только начальная нагрузка. График тока нагрузки и выходного напряжения представлен на рисунке 2.18.

Рис. 2.18. График выходного напряжения (100В), и тока нагрузки.

Правильности функционирования системы проверялась по функциональным блокам.

Критерием, по которому можно судить о правильности формирования команд на переключения является сумма токов ключей (рисунок 2.19).

Рис. 2.19. График суммы токов ключей (зеленый и коричневый графики - пороги переключения).

Рис. 2.20. Графики выходных сигналов входного узла.

На рисунке 2.20. показаны графики выходных сигналов входного узла. Красный график - сигнал определяющий направление переключения регистра. Высокий уровень означает, что дополнительные секции нужно закорачивать. Зеленый график - сигнал ошибки. Если сигнал имеет высокий уровень, значит одновременно сработали два порога переключение, это недопустимо. Синий график - тактовый сигнал. Когда происходит срабатывание одного из порогов, снимается запрет на прохождение тактовых импульсов в регистр.

Приведенные выше диаграммы показывают, что входной узел функционирует правильно, смена направления переключения происходит когда сумма токов пересекает нижний порог, а тактовые импульсы проходят на выход когда срабатывает один из порогов, верхний либо нижний.

Величины порогов срабатывания влияют на устойчивость и динамику системы, следовательно, для каждого конкретного варианта реализации, пороги должны подбираться индивидуально. Значения указанные для данной схемы предназначены только для проверки логики работы.

После проверки правильности работы входного узла необходимо убедиться, что регистр также работает верно. На рисунке 2.21 приведены графики напряжений на выходах первых 4 инверторов (так как в данном диапазоне нагрузок происходит подключение максимум трёх секций коммутатора).

Рис. 2.21. Напряжения на выходе первых четырёх каналов регистра.

Верхний график, на рисунке 2.21, это тактовые импульсы, приходящие на регистр. Нижние четыре графика это выходные напряжения регистра. Желтый график - напряжение первого канала, зеленый - второго канала, красный - третьего и синий - четвертого. Приведенные вые диаграммы показывают, что моменты смены состояния выходов соответствуют сочетанью входных сигналов. По каждому фронту тактового импульса происходит смена состояния выходов. Направление переключения соответствует уровню входного сигнала.

Блок ключей в проверки не нуждается, при правильности сборки, и подборе параметров схема должна работать без предварительной настройки.

Критерий по которому можно судить о качестве системы в целом, это длительность переходных процессов и их амплитуда (рисунок 2.22).

Рис. 2.22. Переходные процессы при ступенчатом изменении нагрузки.

На рисунке 2.22 верхний график - напряжение шины, нижний график - ток через управляемую нагрузки. Так как передаточная функция обратной связи имеет вид коэффициента, то в системе присутствует статическая ошибка. Переходные процессы не колебательные, без перерегулирования.

Выводы по разделу:

Моделирование показало, что система устойчива, логика работы соответствует заложенным принципам, следовательно можно начать разработку принципиальной схемы, на основе которой будет изготовлен макет.

.3 Разработка электрической принципиальной схемы

Важно отметить, что для отработки принципа работы схемы не обязательно строить сложную схему, полностью копирующую реальный блок, в данной дипломной работе такой задачи не ставится. Моделирование и макетирование производится для упрощенной схемы, с ключами работающими в линейном режиме, также принимается допущение, что комплекс ШС способен скомпенсировать любой наброс нагрузки, не выходящий за пределы технических требований предъявляемых к нему, и обеспечивает заданные показатели качества выходного напряжения, а блок шунтового коммутатора обеспечивает нахождение ШС в рабочем диапазоне.

2.3.1 Разработка окончательной функциональной схемы

Прежде чем разрабатывать электрическую принципиальную схему, необходимо определиться с её окончательным функциональным составом. Принципиальная схема и функциональная, должны быть максимально близки к структуре прототипа. В составе прототипа присутствуют каналы ШС, интегратор, быстрая дифференциальная связь. Кроме вышеперечисленного, в состав функциональной схемы должен входить блок коммутаторов, и схема управления им. Чтобы не усложнять схему, число каналов ШС было выбрано 5, а число каналов коммутатора 8, исходя из возможностей регистра собранного на двух микросхемах 564ИР9.

Для повышения быстродействия системы необходимо добавить канал определяющий число коммутируемых за раз секций, в зависимости от скорости изменения нагрузки. Для проверки его влияния на работу системы в целом, в функциональную схему были введены: дифференциатор; пороговое устройство, с двумя порогами; одновибратор (формирует 1 прямоугольный импульс заданной амплитуды и длительности, как только произошло срабатывания порогового устройства); формирователь парных импульсов; и схема выборки либо одиночных импульсов от основной СУ коммутатором, либо парных от дополнительного канала.

Логика работы дополнительного канала управления:

При резком изменении нагрузки возникает переходной процесс, и выходное напряжение откланяется от номинала. Дифференциатор определяет скорость этого изменения (чем выше скорость, тем больше амплитуда импульса формируемого на выходе дифференциатора), а полярность импульса зависит от того сброс или наброс нагрузки произошел. Импульс с дифференциатора подается на пороговое устройство, и если его амплитуда больше верхнего порога или меньше нижнего, то на выходе порогового устройства возникает короткий импульс. Этот импульс запускает ждущий одновибратор, который формирует импульс заданной длительности. Единичный импульс поступает на формирователь парных импульсов, и на его выходе формируется два импульса, суммарная длительность которых вместе с паузой между ними равна длительности входного одиночного импульса.

Одиночный импульс одновибратора и парный поступают на схему выборки. Схема выборки построена таким образом, что если на неё придет одиночный импульс от основного канала, то он свободно пройдет на выход и попадет на вход регистра, если при этом пришел парный импульс, то прохождение одиночного импульса запрещается и на выход проходит парный.

Логика работы основного канала управления:

Значение величины тока каждого ключа ШС поступает на вход суммирующего устройства. На выходе суммирующего устройства формируется величина характеризующая состояние всего блока ШС. Эта величина поступает на вход порогового устройства с двумя порогами. Если сумма больше верхнего порога, то возникает условие разрешения закорачивание дополнительных секций, если меньше нижнего, то формируется условие на разрешение подключения дополнительных секций. В принципе, схема построена таким образом. Что одновременное срабатывание двух порогов невозможно, но логическая схема на которую подаются сигналы с порогового устройства имеет дополнительный выход ошибки, если возникли одновременно два условия. Логическая схема идущая за пороговым устройством формирует сигнал направления переключения идущий на регистр (приложение 1.2), и сигнал тактовых импульсов, который идет на вход схемы выборки (логика её работы описана в пункте 2.1).

Есть предположение, что в процессе работы дополнительный канал не понадобится, либо наоборот будет мешать работе системы, но подтвердить или опровергнуть это можно только проведя натурные испытания макета. Окончательная функциональная схема приведена в приложении 2.3.

2.3.2 Поиск схемных реализаций блоков

Схемные реализации некоторых блоков частично или полностью были определены в предыдущем разделе., поэтому досконально разбирать схемотехнику каждого блока мы не будем, а остановимся лишь на наиболее значимых. Так как нет возможности изготовить и испытать высоковольтную схему, и в наличии нет достаточного количества имитаторов БС, было принято решение понизить напряжении шины до 6В, напряжение холостого хода 9В, ток короткого замыкания 200мА, а БС с имитировать с помощью несложной схемы на стабилитроне (рисунок 2.24а). Вольт - амперная характеристика такой схемы (рисунок 2.24б) очень похожа на характеристику реальной БС [4]. Всего для макета понадобится 13 блоков формирующих ВАХ БС.

Рис. 2.24. а) Имитатор ВАХ БС и б) его характеристика.

Расчет параметров:

По условию заданы: ток короткого замыкания и напряжение холостого хода. Напряжение холостого хода ограничивается стабилитроном. Применим стабилитрон Д818Б с напряжением стабилизации 9В и током стабилизации от 3 до 33 мА. Составим систему уравнений для определения сопротивления R1 ограничивающего ток КЗ и ток стабилизации.

  (2.3)

где Uп - напряжение питания имитатора БС, Iкз - ток короткого замыкания имитатора БС, Uст - напряжение холостого хода (напряжение стабилизации стабилитрона), Iст - ток стабилизации стабилитрона.

Разделим первое уравнение системы 2.3 на второе, выразим напряжение питания и подставим значения параметров:

  (2.4)

Выберем ближайшее большее значение напряжения равное 12В, тогда сопротивление резистора согласно системе уравнений 2.3 определяется из выражения:

   (2.5)

Внутреннюю ёмкость имитатора согласно источнику [2] выберем равной 0.2мкФ, а внутреннее сопротивление 0.5Ом.

.3.3 Схемная реализация основного канала управления

Для отработки схемы нужны каналы ШС (5шт), ключи в них работают в режиме ШИМ, использовать готовые блоки нет возможности, а разработка нового блока ШС выходит за рамки данной дипломной работы. В качестве ШС используем типовую схему линейного регулятора на операционном усилители и биполярном транзисторе, усилитель включен по инвертирующей схеме (рисунок 2.25). Сумматор на входе усилителя выполнен в виде резисторной звезды. На сумматор приходит: напряжение ошибки, с интегратора; производная от выходного напряжения, с дифференциатора быстрой связи; напряжение смещения; напряжение пропорциональное току транзистора.

Рисунок 2.25. Один канал ШС.

Через R45 приходит напряжение ошибки от интегратора, R47 напряжение быстрой связи, R51 - напряжение пропорциональное току транзистора, R48 напряжение смещения. Для каждого канала номинал сопротивления R48 расчитывается по формуле:

                          (2.6)

- резистор обратной связи определяющий коэффициент передачи усилителя (добавить резистор на прямой вход операционника), C13 позволяет подобрать скорость работы узла такую же как у реального ШС. VD19 - защитный диод, не позволяющий опустится потенциалу базы транзистора ниже

.7В. R43 задает режим работы транзистора.

Расчет параметров шунтового стабилизатора:

Операционный усилитель выберем из имеющихся: 153УД1А, напряжение питания ±12В. Силовой транзистор выберем так же из имеющийся номенклатуры КТ819А. Но необходимо подтвердить возможность его работы в данной схеме.

Ток транзистора в данной схемы не может превышать 200мА, напряжение прикладываемое к переходу к-э не более 9В. Согласно источнику [5] (стр. 491) допускается прикладывать к транзистору напряжение до 25В, постоянный ток коллектора до 10А, постоянный ток базы до 3А, статический коэффициент передачи по току 20 - 50. Согласно этому, данный транзистор подходит по параметрам для работы в схеме.

Для К153УД1А максимальный выходной ток равен 5мА? [6], выходное напряжение 12В, следовательно сопротивление базового резистора определяется из следующего выражения:

  (2.7)

Сопротивление резистора эмиттера должно быть таковым (из удобства расчета), что бы при токе 200мА падение напряжения на нем равнялось 1В. Следовательно:

  (2.8)

Расчет входного резисторного сумматора:

Выражение согласно которому определяется напряжение на инвертирующем входе усилителя определяется согласно выражению 2.9:

  (2.9)

где, К1 - К2 значения проводимостей в соответствующих ветвях, Uош - напряжение интегратора, Uэ - напряжение на эмиттере транзистора, Uвых - напряжение на выходе ОУ, Uсм - напряжение смещения, Uдиф - напряжение быстрой обратной связи (дифференциатора).

Из условия согласования источника и потребителя и инженерного опыта, сопротивления резистора, через который подается напряжение интегратора выберем 10КОм. Из заданной логики работы ШС, при напряжении интегратора 1В, ключ должен быть полностью открыт, т.е. напряжение эмиттерного резистора должно быть 1В, следовательно K2 = K1. В качестве опорного напряжения, выбрано -12В. Для первого канала ШС напряжение смещения равно 0, для второго канала 1В, третьего 2В, четвертого 3В, и пятого 4В. Следовательно для каждого канала коэффициент K4 определяется по выражению 2.10.

   (2.10)

Согласно выражению 2.10, определим величину коэффициента K4 для каждого канала:

канал:                         (2.10.1)

канал:    (2.10.2)

канал:   (2.10.3)

канал:   (2.10.4)

канал:   (2.10.5)

На основе инженерного опыта, резистор R5 выбираем 30КОм. В процессе настройки схемы коэффициент быстрой обратной связи можно будет подобрать изменяя параметры дифференциатора.

Операционный усилитель включен по инвертирующей схеме, зададимся коэффициентом передачи -10, тогда коэффициент K3 рассчитаем согласно выражению 2.11.

                               (2.11)

канал:  (2.11.1)

канал:  (2.11.2)

канал:  (2.11.3)

канал:  (2.11.4)

канал:           (2.11.5)

Таблица 2.3. Значения сопротивлений обратной связи ОУ в канале ШС.


1 канал

2 канал

3 канал

4 канал

5 канал

R3, КОм

42.9

41.4

40.0

38.7

37.5


Расчет ёмкости конденсатора обратной связи:

Постоянная времени одного канала реального ШС приблизительно равна 10-6с. Постоянная времени определяется по формуле 2.12.

              (2.12)

Из формулы 2.12 можно вычислить ёмкость конденсатора ОС для каждого канала.

канал:   (2.12.1)

канал:            (2.12.2)

канал:                          (2.12.3)

канал:            (2.12.4)

канал:            (2.12.5)

Расчет балансного сопротивления, подключенного к не инвертирующему входу.

Балансное сопротивление задается равным сопротивлению параллельного соединения всех сопротивлений подключенных к инвертирующему входу.

канал:    (2.13.1)

канал:    (2.13.2)

канал:    (2.13.3)

канал:    (2.13.4)

канал:    (2.13.5)

Таблица 2.4. Значения балансных сопротивлений ОУ в канале ШС.

1 канал2 канал3 канал4 канал5 канал






Rбал, КОм

3.9

3.8

3.6

3.5

3.4


Следующий важный узел, это интегратор ошибки (рисунок 2.26), в реальном блоки его роль выполняет прибор И100. Динамические характеристики интегратора должны бить приближены к характеристикам реального прибора.

Рис. 2.26. Интегратор ошибки с инвертирующим усилителем.

Кроме интегрирования ошибки, данный блок должен выполнять функцию сумматора, сравнивая выходное напряжение с опорным. Роль сумматора выполняет резисторная звезда R7 и R9, (необходимо добавить стабилитрон, либо использовать стабильный источник напряжения, иначе от питания будет плавать). В качестве опорного напряжения принять -12В, напряжение на шине должно быть 6В, следовательно напряжение ошибки (выходное напряжение сумматора) определяется по следующему выражению:

,                                       (2.14)

где Uвх - напряжение на шине, а Uсм - опорное напряжение -12В.

Расчет параметров блока интегратора:

Как и в предыдущем случае, входной резистор R7 выберем 10КОм, тогда согласно выражению 2.14, сопротивление резистора смещения равно 20КОм. Важно отметить, что коэффициент передачи резисторного сумматора меньше единицы и зависит от номиналов резисторов входящих в него. Следовательно выражение 2.14 записано не корректно. В нашем случае этот факт не имеет значения так как сумматор подключен ко входу интегратора, а выход интегратора подключен к инвертору, коэффициент передачи которого будет подобран при окончательной настройке схемы.

Конденсатор C1 и резистор R10 определяют постоянную времени интегратора. Постоянная времени интегратора подбиралась в процессе моделирования исходя из устойчивости переходного процесса, при сочетании параметров R и C приведенных на схеме (рисунок 2.26), она равна:

   (2.15)

Инвертирующий усилитель в составе блока интегратора нужен для подбора статического коэффициента передачи, и введении в контур обратной связи дополнительной инверсии (чтобы ОС стала отрицательной).

На начальном этапе проектирования коэффициент передачи инвертора был задан -1 (R5=10КОм, R3=10КОм), но в процессе моделирования (об этом будет подробно описано в главе моделирование) оказалось, что качество переходных процессов не приемлемое, и причина тому низкий коэффициент в контуре обратной связи. Поэтому коэффициент передачи инвертора был увеличен до -3 (R5=10КОм, R3=30КОм). Это позволило добиться требуемой статической ошибки и качества ПП.

Быстрая обратная связь состоит из дифференцирующей R11 С4 цепочки и буферного не инвертирующего усилителя (исключает взаимовлияние каналов ШС друг на друга через резисторную звезду) (рисунок 2.27). Используя методы ТАУ для анализа структурной схемы системы, можно подобрать ориентировочные значения параметров элементов входящих в неё, но из - за того, что модель не полно описывает свойства реальной системы, эти параметры при дальнейшей работе придётся уточнять. Моделируя систему в целом в Altium Disigner, исходя из качества ПП, постоянная времени дифференциатора была подобрана:

   (2.16)

Коэффициент передачи также подбирался при моделировании путём изменения номинала резистора R4. Резистор R12 был задан как и в предыдущих случаях 10КОм.

Рис. 2.27. Дифференциатор усилитель быстрой ОС.

Напряжения пропорциональные токам ключей ШС поступают на вход резисторного сумматора (резисторная звезда) (рисунок 2.28). Сумма напряжений поступает на два компаратора выполненных на операционных усилителях, порог срабатывания первого выше 0.5В, порог срабатывания второго ниже 0.15В. Величина порогов влияет на устойчивость работы схемы, и зависит от числа каналов ШС, следовательно при макетировании её придётся уточнять.

Рис. 2.28. Сумматор величин токов ключей и пороговое устройство с двумя порогами срабатывания.

Номинал входных резисторов, из условия согласования источника и потребителя, был выбран 10КОм.

К выходам компараторов подключены диодные переключатели напряжения, предназначенные для формирования напряжения логической единицы и логического нуля, то есть согласования выхода операционного усилителя и входа логических микросхем серии 564 (указать тип логики и напряжение?). Данный вариант диодного переключателя отработан и широко применяется в изделиях лаборатории 630 «ОАО ИСС» номинал резистора R46 рекомендуется 20КОм, R42 = 3КОм.

Напряжения с диодных переключателей поступают на вход логической схемы, которая формирует сигнал направления переключения и сигнал разрешения переключения (рисунок 2.29).

Рис. 2.29. Схема формирователя сигнала направления переключения и разрешения переключения.

Таблица истинности и логика работы приведена в пункте 2.1. Сигнал направления переключения снимается с вывода 11 DD3:4, сигнал разрешения переключения снимается с вывода 8 DD4:3.

Для повышения быстродействия и упрощения конструкции вместо дополнительного тактового генератора (как было описано в пункте 2.1), сигнал разрешения переключения поступает на ждущий генератор, поэтому последовательность тактовых импульсов появляется сразу при возникновении условия. Схема генератора приведена на рисунке 2.30 [1].

Рис. 2.30. Схема ждущего генератора (564ТЛ1).

Рисунок 2.31. Диаграммы напряжений ждущего генератора.

Описание работы генератора (см рис 2.31): в начальный момент времени и до 0.5мс напряжение на входе 1 микросхемы равно 0, на выходе 3 равно напряжению питания, следовательно конденсатор заряжен до напряжения питания. Напряжение на выходе 4 равно логической единице. С приходом разрешающего импульса на вход 2 микросхемы (0.5мс) напряжение на выходе 3 становится равным 0 и происходит разряд ёмкости через цепь R38 VD15. Длительность импульса формируемого генератором должна составлять 100мкс. Если считать, что переходной процесс заканчивается за три постоянных времени, то постоянная времени должна быть равна 33мкс. Задавшись сопротивлением резистора R38 = 500Ом, тогда ёмкость равна:

нФ              (2.16)

После того как конденсатор разрядился до уровня логического 0 происходит переключения логического элемента и на выходе 3 появляется напряжение логической единицы. Диод запирается и конденсатор заряжается до напряжения питания через резистор R37. Длительность импульса должна быть 1мс. Для данной микросхемы верхний порог срабатывания равен приблизительно половине напряжения питания. Конденсатор заряжается до половины питания примерно за 1 постоянную времени. Следовательно постоянная времени 2 тоже равна 1мс. Зная ёмкость конденсатора можно определить сопротивление резистора R37:

                                       (2.17)

Входное сопротивление R41 зададим 5КОм.

.3.4 Схемная реализация дополнительного канала управления.

Выходное напряжение шины подается на дифференцирующую RC цепочку с постоянной времени

            (2.18)

Сопротивление резистора R24 было задано 10КОм, емкость конденсатора подобрана по виду переходного процесса при моделировании. Выходной сигнал RC цепочки подается на пороговое устройство аналогичное описанному в предыдущем разделе, пороги срабатывания +1В и -1В (рисунок 2.32).

Рис. 2.32. Схема порогового устройства с дифференциатором.

Сигналы с порогового устройства подаются на вход элемента логическое ИЛИ, собранного на элементах логическое И-НЕ (564ЛА7)(рисунок 2.33) и далее на вход одновибратора, который из коротких импульсов формирует импульсы постоянной длительности. Схема одновибратора взята из источника [1], согласно этому источнику постоянная времени одновибратора рассчитывается по формуле:

, резистор рекомендован 20КОм. Необходимая постоянная времени 200мкс. Тогда емкость конденсатора равна:

                         (2.19)

Однако моделирование показало, что для достижении длительности импульса в 200мкс, емкость необходимо увеличить минимум в 2 раза. В данной схеме применен конденсатор ёмкостью 40нФ.

Рис. 2.33. Элемент логическое ИЛИ и одновибратор

Рис. 2.34. Диаграммы напряжений на элементах одновибратора.

Одиночные импульсы с одновибратора подаются на вход формирователя парных импульсов (рисунок 2.35).

Рис. 2.35. Схема формирователя парных импульсов.

Рис. 2.36. Диаграммы напряжений формирователя парных импульсов.

Диаграммы напряжений формирователя, поясняющие его работу, приведены на рисунке 2.36. Номинал входных сопротивлений был задан 1КОм. Значения ёмкостей подбирались в процессе моделирования (указаны на схеме рисунок 2.35). Порядок работы. С приходом импульса напряжения первая RC, с меньшей постоянной времени, начинает заряжаться, и происходит смена состояния вывода 10 микросхемы. Вместе с первым конденсатором заряжается и второй, но его ток заряда меньше. Когда второй конденсатор заряжается до напряжения логической единицы, происходит смена состояния вывода 11 микросхемы на логический 0, это вызывает смену состояния вывода 10 на логическую единицу. В конечном итоге происходит формирование пары импульсов.

Парные и одиночные импульсы дополнительного канала управления поступают на схему выборки (рисунок 2.37). Так же в неё поступают одиночные импульсы основного канала. Схема выборки предназначена для смешивания сигнала парных импульсов дополнительного канала и одиночных импульсов основного канала, причем у парных импульсов приоритет прохождения выше. По сути, схема выборки является элементом ИЛИ, но с активацией одного из входов по сигналу от дополнительного канала. Если одиночный импульс в дополнительном канале присутствует, то на выход схемы выборки проходят парные импульсы, если отсутствует то на выход проходят одиночные импульсы из основного канала.

Рис. 2.37. Схема выборки

Сигналы тактовых импульсов (от схемы выборки) и направления переключения поступают на вход реверсивного регистра сдвига (рисунок 2.38) [1]. Логика работы и назначения элементов была описана в пункте 2.2.1.

Рис. 2.38. Схема реверсивного сдвигового регистра на 564ИР9.

Логические сигналы с выходов регистра поступают на входы силовых ключей находящихся в блоках имитаторов секций коммутаторов.

Необходимые напряжения смещения формируются отдельным узлом (рисунок 2.39).

Рис. 2.39. Схема формирователя опорных напряжений.

Расчет параметров делителя:

Схеме требуется 4 напряжения смещения. Составив схему (рисунок 2.39) для получения этих напряжений, можно рассчитать параметры сопротивлений. Резистор задающий режим стабилитрона рассчитывался в начале раздела для имитатора БС. Его целесообразно увеличить до 100Ом. Получив два стабильных напряжения +9В и -9В, можно приступить к расчету делителя. Первое напряжение +1В, опорное напряжение 9В, следовательно R74 зададим 8КОм, а сумма остальных трёх должна быть равна 1КОм. Аналогичным образом из напряжения -9В получим напряжение -1В. Следующее напряжение +0.5В. Это означает, что R73=0.5КОм, а сумма двух оставшихся сопротивлений так же 0.5КОм. Что бы найти значения последних двух сопротивлений составим систему уравнений:

                             (2.20)

Из системы 2.20 сопротивление R75=115Ом, а R72=330Ом.

Окончательная принципиальная схема устройства приведена в приложении 2.4, перечень элементов приведен в приложении 2.5.

2.4 Моделирование

На первом этапе необходимо обеспечить устойчивую работу шунтового стабилизатора, при допустимых для него нагрузках. Принципиальная схема ШС приведена в приложении 2.6 (обозначен блок ШС).

Наладка ШС сводится к подбору коэффициента усиления интегратора (от него зависит статическая ошибка и время регулирования), и подбору постоянной времени дифференциатора и его коэффициента передачи. Остальные параметры схемы были определены в предыдущем разделе.

Переходные процессы возникающие в системе приведены на рисунке 2.40.

Красный график на рисунке 2.40 - выходное напряжение ШС, верхний зеленый график - ток нагрузки, синий график - напряжение на выходе интегратора, нижний зеленый график - напряжение на выходе дифференциатора быстрой ОС.

Рис. 2.40. Переходные процессы (выходное напряжение ШС).

На рисунке 2.40 показано изменение выходного напряжения при изменении нагрузки. В момент времени 1мс происходит увеличение тока нагрузки на 350мА. Такая нагрузка не превышает нагрузочную способность пяти канального ШС, поэтому, выходное напряжение восстанавливается до номинального. Переходной процесс без перерегулирования, время регулирования 200мкс. В момент времени 4мс нагрузка увеличивается еще на 180мА. Такая нагрузка превышает возможности ШС, поэтому выходное напряжение опускается ниже номинала, а пороговое устройство формирует сигнал разрешения подключения дополнительных секций (рисунок 2.41).

Рис 2.41. Сигналы порогового устройства.

На рисунке 2.41 верхний график: сиреневая диаграмма - верхний порог переключения, зеленая - нижний порог переключения, бирюзовая - сумма токов ключей. Второй сверху график: напряжения на выходе диодного переключателя, зеленая диаграмма - нижний порог, красная диаграмма верхний порог. Третий сверху график - сигнал направления переключения. Нижний график - сигнал разрешения переключения.

Как видно на рисунке 2.41, в момент когда нагрузка превышает возможности ШС, формируется сигнал разрешения подключения дополнительных секций. Когда нагрузка уменьшается, формируется сигнал на отключение секций.

На втором этапе отладки, в схему ШС добавляется блок коммутатора, но без схемы выборки и дифференциатора с пороговым устройством. Схема для моделирования приведена в приложении 2.6. Переходные процессы приведены на рисунках 2.42 - 2.44.

Рис. 2.42. Выходное напряжение и ток нагрузки.

Рис. 2.43. Сигнал суммы токов ШС, сигнал направления переключения и тактовый сигнал.

Рис. 2.44. Токи через 1 - 4 ключи коммутатора.

На рисунке 2.43 видно, что при срабатывании порогов, происходит формирование тактовых импульсов. Тактовые импульсы (в зависимости от уровня сигнала направления переключения), вызывают смену состояний выходов регистра и коммутацию соответствующих ключей (рисунок 2.44).

Третий этап - моделирование всей системы в целом. В схему добавляется второй канал управления коммутатором и схема выборки. На рисунке 2.45 приведен график выходного напряжения и тока нагрузки.

Рис. 2.45. Выходное напряжение модели СЭП.

Рис. 2.46. Сигнал на выходе схемы выборки, сигнал на выходе дифференциатора коммутатора и токи ключей коммутатора.

На рисунке 2.46 видно, что при превышении производной выходного напряжения установленных порогов происходит формирование двойных тактовых импульсов, и переключение коммутатора происходит не на одну позицию, а на две.

Выводы по главе

Моделирование принципиальной схемы завершено успешно, разработана последовательность отработки макета, определены параметры всех элементов и т.д.

.5 Макетирование

Отладка макетной платы будет производится в той же последовательности, что и отладка модели, описанная в пункте (подразделе) 2.4.

Правильно собранная схема в настройки не нуждается, и начинает правильно работать после включения, необходимо подстроить напряжения смещения каналов, что бы они работали по очереди, и подобрать соотношение входных резисторов интегратора, что бы выходное напряжение было 6В. Для проверки схемы подключаем на выходную шину балластное нагрузочный переменный резистор 100Ом и балластный резистор 5Ом (что бы сопротивление нагрузки было не менее 5Ом).

.5.1 Порядок сборки и наладки схемы

Во избежание порчи радиоэлектронных компонентов, сборка изделия осуществляется по функциональным узлам и последующей проверкой каждого узла в отдельности, совместно с другими блоками и всего изделия в целом (согласно принципам ОКР для спутника).

На первом этапе собирается блок имитаторов секций БС, в данном блоке контролируется напряжение холостого хода каждой секции и ток короткого замыкания. (напряжение холостого хода должно быть в пределах от 8.0В до 9.0В, ток короткого замыкания 180мА - 220мА).

На втором этапе на специально изготовленной печатной плате собираются 5 шунтовых стабилизаторов напряжения (без силовой части). После этого подаётся питание, на шину сигнала ошибки подаётся напряжения изменяющиеся от -Uп до +Uп и с помощью многоканального осциллографа (осциллографов) контролируются напряжения на выходах ОУ. Если напряжение ошибки больше 0, то напряжение на выходах ОУ должно быть меньше 0, при понижении входного напряжения и переходе его через 0 в отрицательную область напряжения на выходах ОУ должны стать больше 0, причем из за разных напряжений смещения выходные напряжения ОУ должны возрастать по очереди (от первого до пятого).

Далее монтируется силовая часть, к ней подключаются имитаторы БС и переменная нагрузка от 5Ом до 100ОМ. Выставив максимальное сопротивление нагрузки, контролируют изменение напряжения на нагрузки в зависимости от напряжения ошибки. Если логика работы схемы верная, то на плату монтируют интегратор и подают питание. Изменяя соотношение резисторов входного делителя интегратора добиваются того, что бы при минимальной нагрузки выходное напряжение было 6.0В. После настройки интегратора питание снимается, на плату монтируется дифференциатор и дополнительная нагрузка сопротивление которой должно изменяться скачком от бесконечности до 14Ом. На схему подается питание, а с помощью осциллографа контролируется устойчивая работа схемы (отсутствие автоколебаний напряжения шины 6В), при плавном изменении нагрузки и ступенчатом. При подключении нагрузки с сопротивлением менее 10Ом выходное напряжение должно понижаться, так как такая нагрузка выходит за пределы диапазона регулирования ШС.

На следующем этапе на плату монтируются: сумматор токов ключей, пороговое устройство, схема формирования сигналов управления коммутатором, ждущий генератор и формирователь опорных напряжений. Подается питание. Изменяя сопротивление нагрузки, осциллографом контролируется правильность формирования сигнала направления переключения (согласно схеме) и возникновение последовательности импульсов на выходе генератора.

Далее собираются: второй дифференциатор, пороговое устройство, одновибратор, формирователь парных импульсов и схема выборки. Подаётся питание, и при скачкообразном изменении нагрузки проверяется осциллографом сначала срабатывание на заданных порогах, потом формирование одиночных импульсов, затем парных импульсов и прохождение их на выход схемы выборки.

На этом плата ШС считается собранной и полностью работоспособной.

На четвёртом этапе собирается сдвиговый регистр с выходными инверторами, подаётся питание, и изменяя сопротивление нагрузки контролируются изменения выходных состояний инверторов, согласно величины нагрузки (логика работы описана в предыдущих разделах). Если схема работает правильно, то собирается силовая часть коммутатора, подключаются имитаторы БС. На схему подается питание и всё изделие проходит завершающий комплекс испытаний описанный далее.

.5.2 Порядок проведения испытаний

) Подключить к выходной шине нагрузку 100Ом и вольтметр. Подать питание ±12.0В. Напряжение на шине должно быть 6.0 ±0.1В. Отключить питание.

) Подключить к выходной шине переменное сопротивление (диапазон изменения 100Ом до 6Ом). Подключить параллельно нагрузки измерительный канал осциллографа и вольтметр. Подать питание ±12.0В. Плавно изменяя нагрузку от минимума до максимума контролировать выходное напряжение по вольтметру (6.0 ±0.1В), и убедиться в отсутствии автоколебаний (по осциллографу) в схеме во всех режимах нагружения. Отключить питание.

) Подключить к выходной шине переменное сопротивление (диапазон изменения 100Ом до 6Ом). Подключить параллельно нагрузки измерительный канал осциллографа, второй измерительный канал подключить к выходу сумматора токов ключей, а третий к опорному напряжению 200мВ (узел формирования опорных напряжений). К выходам инверторов подключить через балластные резисторы (1.2КОм) светодиоды (любой марки с током потребления не более 10мА). Подать питание на схему. Плавно изменяя нагрузку от минимума до максимума убедиться, что при понижения суммы токов ниже нижнего порога срабатывания, происходит подключении секции и один из светодиодов гаснет, а сумма токов ключей ШС возрастает. Отключить питание.

) Подключить постоянную нагрузку 30Ом и нагрузку 26Ом через ключ. Подключить параллельно нагрузки измерительный канал осциллографа, переключить его в режим захвата по спаду. Так же необходимо подключить измерительные каналы к выходу сигнала направления переключения и тактового сигнала. Подать на схему питание. Замкнуть ключ, зафиксировать на осциллографе переходной процесс. При данной нагрузки должен формироваться один импульс переключения. Разомкнуть ключ, зафиксировать переходной процесс. В обоих случаях ПП должен быть апериодический, амплитуда не должно превышать 1В, длительность не более 200мкс. Снять питание.

) Подключить постоянную нагрузку 30Ом и нагрузку 19Ом через ключ. Каналы осциллографа подключены как в предыдущем пункте. Замкнуть ключ, зафиксировать на экране осциллографа переходной процесс. В тактовом канале должны формироваться парные или тройные импульсы. Разомкнуть ключ зафиксировать переходной процесс для отчета. В обоих случаях ПП должен быть апериодический, амплитуда не должно превышать 1В, длительность не более 200мкс. Закоротить входной резистор дифференциатора (формирователя парных импульсов). Замкнуть ключ зафиксировать переходной процесс. Парные импульса не должны возникать, а длительность переходного процесса должна увеличиться в несколько раз по сравнению со случаем, когда дифференциатор работает. Отключить питание.

2.5.3 Результаты испытаний изделия

В первом испытании к шине 6В была подключена нагрузка 100Ом по показаниям вольтметра MY62 напряжение при этом равнялось 6.03В. При увеличении нагрузки напряжение снизилось, и при 5Ом составило 5.99В, при этом все 8 секций коммутатора были подключены к нагрузки, а ШС нагружен до предела (остался минимальный регулировочный ресурс одного канала) (приложение 3.1 и 3.2).

В приложении 3.2 видно, что с ростом нагрузки сумма токов ключей ШС уменьшается, и когда она доходит до нижнего порога происходит подключение дополнительной секции коммутатора, сумма токов ключей ШС при этом возрастает.

Светодиодные индикаторы, подключенные к выходам инверторов коммутатора, позволяют увидеть, без помощи осциллографа, как с ростом нагрузки подключаются, по очереди, секции коммутатора.

Во втором испытании к шине 6В была подключена постоянная нагрузка 30Ом, а дополнительная нагрузка 26Ом подключалась параллельно через ключ. При коммутации такой нагрузки не происходит формирование парных тактовых импульсов. Графики переходных процессов приведены в приложении 3.3. Длительность переходного процесса 40мкс, амплитуда ПП 1.0В. На графике видно, как по иссечению некоторого времени (определяемого периодом работы ждущего генератора), формируется импульс подключающий дополнительную секцию.

В следующем эксперименте сопротивление коммутируемой ключом нагрузки было уменьшено до 19Ом. Это привело к формированию двойных тактовых импульсов при коммутации (на графиках в приложении 3.4 это хорошо видно). Так же на графике видно, что формируется третий импульс переключения, он формируется ждущим генератором, так как условие переключения еще не снято. Длительность основного переходного процесса 200мкс, амплитуда 1.5В. Если отключить формирователь парных импульсов, то длительность ПП увеличивается примерно в 2 раза, при таком же набросе нагрузки (приложение 3.9 и 3.10).

В третьем испытании сопротивление нагрузки коммутируемой ключом было уменьшено до 9Ом. Сделано это было с целью увидеть, как отрабатывает переходные процессы коммутатор (приложение 3.5). Из-за того, что скважность импульсов ждущего генератора была выбрана около 20 (что бы не допустить возможной неустойчивой работы системы), то переходные процессы оказываются затянутыми, так как ШС не в состоянии самостоятельно скомпенсировать такую нагрузку. Длительность переходного процесса 2.8мс, амплитуда 2В, и в отличии от предыдущих случаев есть перерегулирование 0.5В длительностью 400мкс

Так же в процессе испытаний производился подбор коэффициента передачи интегратора и дифференциатора. С ростом коэффициента передачи дифференциатора длительность ПП уменьшается, но при большом коэффициенте система начинает работать неустойчиво. В данной схеме рациональный (с точки зрения длительности ПП) коэффициент передачи дифференциатора равен 2. Коэффициент передачи интегратора влияет на амплитуду переходного процесса. Его увеличением амплитуда ПП уменьшается, а скорость отработки увеличивается, однако при значении больше 12 амплитуда перестаёт уменьшаться, а переходной процесс становится колебательным. На основании этого коэффициент передачи интегратора в данной схеме был установлен 12.

Выводы по макетированию:

При моделировании амплитуда переходного процесса была 4В, а длительность 200мкс (рис 2.45). При макетировании амплитуда ПП 1В, длительность 100мкс (приложение 3.3). Испытания макета подтвердили работоспособность предложенной идеи. Алгоритмы заложенные на этапе теоретического проектирования оказались верными, а расчетные параметры элементов подходящими и для макета.

3. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

.1 Описание производственного участка

Разработка и изготовление опытного образца регулятора будет выполняться в лаборатории. Разработка выполняется в два этапа: 1 этап - моделирование системы на ПК в специальном ПО; 2 этап - изготовление действующего макета и его испытание. Инженер - конструктор будет использовать два рабочих места, находящихся в одном помещении. Одно рабочее место оборудовано персональным компьютером, второе рабочее место оборудовано паяльной станцией (HAKKO 702B ), цифровым осциллографом (TDS3014B ), источником питания (Актаком ATH2031) и мультиметром (MASTECH MY62). Рабочее помещение (Рис 3.1) оборудовано кондиционером (KENTATSU) и рассчитано на работу 5 человек. Длинна помещения 9м, ширина 4м, высота 3.5м. В помещении есть одна входная дверь и одно окно, ориентированное на север.

Рис. 3.1. Схема производственного помещения.

- дверь; 2 - окно; 3 - шкафы, сейфы, кассы для хранения оборудования, комплектующих и ЭРИ; 4 - офисный стул; 5 - ЖК монитор; 6 - клавиатура и мышь ПК; 7 - системный блок ПК; 8 - офисный стол; 9 - лабораторное оборудование (осциллограф, паяльная станция, измерительные приборы, источники питания); 10 - настольная бестеневая лампа VKG L51 с увеличивающей линзой; 11 - кондиционер KENTATSU; 12 - специальный монтажный стол VIKING; 13 - телефон; 14 - принтер; 15 - лабораторное оборудование (стойки с измерительными приборами, источниками питания, АСК, БИН).

.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов

При работе с компьютером и измерительными приборами человек подвергается воздействию электромагнитных полей, инфракрасного и ионизирующего излучений, шума и вибрации, статического электричества, испытывает высокое зрительное и умственное напряжение.

В процессе пайки радиоэлементов оператору приходится работать с припоями и флюсами, кроме этого при нагревании платы могут выделяться вредные вещества, накопленные в ней в процессе изготовления. Пайка выполняется вручную, поэтому оператор может получить ожёг при соприкосновении с нагретыми частями оборудования и изделия. При электроиспытаниях оператор работает с мощными источниками электрической энергии и может получить поражение электрическим током.

В таблице 3.1 приведены опасные и вредные производственные факторы действующие на оператора.

Таблица 3.1. ОПАСНЫЕ И ВРЕДНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ФАКТОРЫ

№ п/п

Опасные и вредные производственные факторы

Количественная оценка



факт

норма

1

Физические



1.1

повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны

х.п.г.: 18-22°С

х.п.г.: 22 - 24°С



т.п.г.: 18 - 24°С

т.п.г.: 23 - 25°С

1.2

повышенный уровень шума на рабочем месте

-

50дБА

1.3

повышенная или пониженная влажность воздуха

60- 40%

60 - 40%

1.4

повышенная или пониженная подвижность воздуха

0 - 0,1 м/с

0,1 м/с

1.5

повышенная или пониженная ионизация воздуха

-

600< ро(-) ≤15000 0,4≤У≤1,0

1.6

повышенный уровень ионизирующих излучений в рабочей зоне

-

1 мкЗв/час (100 мкР/час)

1.7

повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека

220 В 50 Гц


1.8

повышенный уровень статического электричества

-

500В

1.9

повышенный уровень электромагнитных излучений

-


1.10

повышенная напряженность электрического поля

-

25 В/м

1.11

повышенная напряженность магнитного поля

-

250 нТл

1.12

отсутствие или недостаток естественного света

-

1,5%

1.13

недостаточная освещенность рабочей зоны

-

300 лк

1.14

повышенная яркость света

-

200 кд/м2

1.16

прямая и отраженная блесткость


 

1.17

повышенная пульсация светового потока

-

5%

2

Психофизиологические



2.1

физические перегрузки



2.1.1

статические



2.2

нервно-психические перегрузки



2.2.1

умственное перенапряжение



2.2.2

монотонность труда



Примечание: х.п.г. - холодный период года; т.п.г. - теплый период года; ро - концентрация аэроионов; У - коэффициент униполярности.

Параметры микроклимата (температура, относительная влажность и скорость движения воздуха) нормируются СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений». Работа инженера-конструктора относится к категории Iа (работы, производимые сидя и сопровождающиеся незначительным физическим напряжением). Оптимальные величины параметром определены по табл. 1 СанПиН 2.2.4.548-96

Предельно допустимые уровни шума на рабочих местах нормируется СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки». Категория тяжести трудового процесса - легкая физическая нагрузка. Категория напряженности трудового процесса - напряженный труд 2 степени.

Минимально и максимально допустимые значения нормируемых показателей аэроионного состава воздуха приведены в СанПиН 2.2.4.1294-03 «Гигиенические требования к аэроионному составу воздуха производственных и общественных помещений»

Максимальная мощность экспозиционной дозы мягкого рентгеновского излучения в любой точке на расстоянии 0,05 м от экрана и при любых положениях установлена в СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы»

Временные допустимые уровни электромагнитных полей, создаваемых ПЭВМ, приведенный в табл. 3 Приложения 1 к СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.

Требования к освещению на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ, приведены в СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 и СанПиН 2.2.2.542-96 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы».

.3 Мероприятия по обеспечению безопасных условий труда

.3.1 Техника безопасности

Электропитание ПК, лабораторных источников и измерительных приборов осуществляется переменным током частотой 50 Гц и напряжением 220 В, что превышает предельно допустимые значения напряжений прикосновения, указанных ГОСТ 12.1.038-82 (2001) «Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов».

Спроектируем способы и средства защиты людей, при взаимодействии их с электроустановками. Руководящий документ - ГОСТ 12.1.019-79 (2001) «Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты».

В соответствии с ГОСТ 12.1.019-79 «Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты» предусматриваются технические средства защиты:

-       применение устройства аварийного отключения;

-       изоляция токопроводящих частей;

-       защитное заземление и зануление оборудования (ГОСТ 12.1.030-81 2001г «Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление»).

Случайное прикосновение к токоведущим частям исключено, т.к. применена изоляция токоведущих частей, корпуса приборов заключены в защитную оболочку. Прикосновение к задней панели системного блока, источников питания и паяльной станции при включенном питании, самостоятельное вскрытие и ремонт оборудования ЗАПРЕЩАЕТСЯ, согласно инструкции по охране труда для пользователей и операторов ПЭВМ и ВДТ.

Производственное помещение относится к помещениям без повышенной опасности. Для обеспечения защиты от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции, применим защитное заземление. Согласно Правилам устройства электроустановок, сопротивление защитного заземления, для электроустановок 380В с заземленной нейтралью, должно быть не более 4Ом (ГОСТ 12.1.030-81).

Расчет заземлителя:

Определим сопротивление одного заземлителя если удельное сопротивление грунта (глина) ρ = 70Ом·м, длинна заземлителя Lз = 4м, расстояние между заземлителями а = 3м.

              (3.1)

Исходя из максимального сопротивления (r = 4Ом) определим начальное число заземлителей: . Число вертикальных заземлителей, с учетом коэффициента экранирования ηтр=0.66, . Одиночные заземлители соединяются вместе металлической полосой, её длинна определяется по следующей формуле: . Определим сопротивление растеканию электрического тока через соединительную полосу:

.                      (3.2)

Определим результирующее сопротивление заземляющего устройства, коэффициент экранирования соединяющей полосы ηп=0.36.

   (3.3)

Получившееся сопротивление оказалось меньше максимального, следовательно защитное заземление рассчитано верно.

3.3.2 Защита от электромагнитного и ионизирующего излучения

На рабочем месте установлен монитор Samsung Sync Master B2230, класс по электромагнитному излучению B (бытовое информационно-коммуникационное оборудование), согласно информации производителя. Цифровой осциллограф TDS3014B по электромагнитному излучению соответствует классу А согласно EN55011. Примерные значения создаваемые ими приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений (в соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96)

Наименование параметра

Фактические параметры

Допустимые значения

Напряженность электрической составляющей электромагнитногополя на расстоянии 50см от поверхности видеомонитора

10,4В/м

10В/м

Напряженность магнитной составляющей электромагнитногополя на расстоянии 50см от поверхности видеомонитора

0,3А/м

0,3А/м

Напряженность электростатического поля не должна превышать: для взрослых пользователей для детей дошкольных учреждений и учащихся средних специальных и высших учебных заведений

  20,5 кВ/м

  20кВ/м  15кВ/м


В таблице 3.2 видно, что параметры превышают допустимые нормы. Для снижения воздействия этих видов излучения используются специальные компьютерные очки, а также соблюдаются регламентированные режимы труда и отдыха.

Напряжённость электромагнитных полей на рабочих местах и в местах возможного нахождения персонала, связанного профессионально с воздействием ЭМП, нормирует СанПиН 2.2.2.542-96 «Гигиенические требования к видео дисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации труда».

Для защиты от воздействия ЭМП используются:

• экранирование системного блока, источников питания и измерительных приборов предусмотренное их конструкциями;

• удаление рабочего места от источника ЭМП не менее чем на 500мм;

• рациональное размещение оборудования, излучающего ЭМП, для того, чтобы не попадать под перекрёстное облучение.

Для защиты аппаратуры от разрядов статического электричества применяется защитное заземление корпусов приборов, общая шина макета при пайки соединяется с заземлением, а монтажник одевает специальный заземляющий браслет. В рабочих помещениях на пол нанесены антистатические покрытия.

.3.3 Защита от шума

Для решения вопросов о необходимости и целесообразности снижения шума необходимо знать уровни шума на рабочем месте инженера-конструктора.

Уровень шума, возникающий от нескольких некогерентных источников, работающих одновременно, подсчитывается на основании принципа энергетического суммирования излучений отдельных источников (формула 3.4), значения уровней шума создаваемых используемыми в помещении приборами приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Уровни звукового давления различных источников.

Источник шума

Уровень шума, дБ

Системный блок

25

Монитор

7

Клавиатура

10

Принтер

36

Кондиционер

36

Лабораторный источник питания

30

Цифровой осциллограф

25

Паяльная станция (в момент включения)

35


 (3.4)

Полученное значение 40дБ не превышает допустимый уровень шума для рабочего места, равный 50 дБ согласно ГОСТ 12.1.003-89. «Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности». Кроме того, не все приборы используются одновременно. Следовательно мероприятия по защите от шума проводить не нужно.

3.3.4 Освещение

Освещённость помещений нормируется в соответствии с СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования». Наиболее приемлемым является использование в помещении, где работают операторы ПК совмещённого освещения, которое представляет собой дополнение естественного освещения искусственным. На монтажных столах освещение комбинированное (установлены настольные светильники VKG L51 с увеличивающей линзой).

-             система искусственного освещения - общая

-       источники света - люминесцентные лампы

Расчёт искусственного освещения осуществляется методом коэффициента использования светового потока. Данный метод предназначен для расчёта общего освещения горизонтальных поверхностей при отсутствии крупных затеняющих предметов.

Наименьший или эквивалентный размер объекта различения-0,5-1 мм

Фон -светлый

Контраст объекта различения с фоном -большой

Согласно табл. 1 СНиП 23-05-95 получим:

Характеристика зрительной работы-средней точности

Разряд зрительной работы-IV

Подразряд зрительной работы-Г

Освещенность, Ен -200 лк

Для освещения помещения с размерами A=9 м, В=4 м и высотой H=3.5 м выберем потолочные светильники типа ARS/R 4´18W с четырьмя лампами L18W765 (n=4). Коэффициенты отражения светового потока от потолка и пола соответственно qПОТ=70%, qПОЛ=50%. Затенения рабочих мест нет. Определим необходимое число светильников при общем равномерном освещении.

Уровень рабочей поверхности над полом составляет 0,8 м. Тогда h=H-0,8=2,7 м. У светильников ARS/R наивыгоднейшее отношение L/h=0,5. Таким образом, расстояние между рядами L≈1.35 м. Располагаем светильники вдоль длинной стороны помещения. Расстояние между стенами и крайними рядами светильников принимаем равным LKP = (0,3...0,5)L. При ширине В=4 м имеем число рядов светильников n=B/L=3. Определим индекс помещения

= S/(h*(A+B))=36/(2.7·(9+4))≈1

С учетом заданных qПОТ, qПОЛ при i=1 находим коэффициент использования η = 49%. Коэффициент запаса k = 1.5, коэффициент равномерности освещения z = 1.2.

Номинальный световой поток лампы L18W765 Фл=1150 лм.. Определяем необходимое число светильников в ряду:

            (3.5)

На плане помещения светильники указаны пунктиром.

3.3.5 Оздоровление воздушной среды - микроклимат

Согласно СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 («Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы») предусматривается производственной площади Sпр на одно рабочее место пользователя ПК 6 м2, объёма производственного помещения V не менее 20 м3. Площадь данного производственного помещения равна Sпр=9·4=36 м2, объём помещения = 9 *4*3.5=126 м3, помещение рассчитано на работу 5 человек.

Исходя из размеров помещения на одного человека приходится Sпр = 7.2 м2 площади и V= 25.2м3 объёма, это соответствует требованиям СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.

Так как на рабочих местах производится пайка, то каждое их них необходимо оборудовать индивидуальной вытяжкой типа HAKKO 493.

Работа оператора ПК соответствует 1-ой категории работ, лёгкой. В соответствии с СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 в рабочей зоне рекомендуется нормировать температуру и относительную влажность, а также скорость движения воздуха соответственно с данными, предоставленными в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Нормирование параметров воздушной среды

  Период года

Температура, t 0C

Относительная влажность воздуха, %

Скорость движения воздуха, м/с


опт.

доп.

опт.

доп.

опт.

доп.

Холодный

22-24

21-24

40-60

75

0,1

£0,1

Теплый

23-25

22-28

40-60

75

0,1

0,1-0,2


Для обеспечения нормируемых параметров микроклимата в холодный период года предусматривается центральное отопление, при этом колебание температуры в течение суток не должно превышать 40C в соответствии с СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. В летнее время года используются специально предназначенные для вентиляции открываемые части окон естественная вентиляция и кондиционер.

.4 Пожарная безопасность

Участок ЭВМ по пожарной опасности относится к категории пожароопасных и характеризуется тем, что в помещении находятся несгораемые вещества и материалы в холодном состоянии. Согласно СНиП 21-01-97 “Пожарная безопасность зданий и сооружений”, пожар на производстве может возникнуть вследствие причин неэлектрического и электрического характера.

Для тушения пожара, а также для обеспечения безопасности работников на предприятии, предусмотрены определенные средства пожаротушения.

В рабочем помещении инженера-конструктора имеется средство тушения пожара - углекислотный огнетушитель ОУ-3, который применяется для эффективного тушения пожаров электроустановок, находящихся под напряжением.

Также в целях пожарной безопасности в помещении установлены датчики системы охранно-пожарной сигнализации. Датчик системы охранно-пожарной сигнализации предназначен для круглосуточного контроля охраняемого объекта, а в частности для раннего оповещения владельца об обнаружения признаков пожара или задымления.

ППБ 01-03 правила пожарной безопасности в российской федерации; СНиП 21-01-97; СП 1.13130.2009; СП 3.13130.2009; СП 5.13130.2009; СП 9.13130.2009;

.5 Устойчивость работы в условиях чрезвычайных ситуаций

Во время чрезвычайной ситуации инженер-конструктор должен внимательно слушать средства массовой информации и подчиняться указаниям Министерства чрезвычайных ситуаций. При необходимости выключить все электроприборы из сети и покинуть рабочее помещение.

Вывод: рабочее место соответствует всем предъявляемым к нему требованиям и не представляет опасности для персонала.

4. ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА

.1 Влияние на окружающую среду

В современном мире большое внимание уделяется экологической безопасности. При работе любых устройств имеет место загрязнение окружающей среды. Устройства могут оказывать влияние на гидросферу и атмосферу, выделять тепло и различного рода излучения, а также в результате работы систем могут оставаться утилизируемые и неутилизируемые отходы. Разрабатывая проект проектировщик должен стараться использовать такие материалы и технологии, которые позволят уменьшить влияние на окружающую среду. Если это сделать невозможно, то он должен разработать способы снижающие влияние изделия на окружающую среду.

.1.1 Загрязнение атмосферы и гидросферы

Загрязнением атмосферы является изменение её химического состава, либо соотношения входящих в её состав газов. При работе программы на персональном компьютере не происходит никаких химических реакций с образованием газов, следовательно, атмосфера не загрязняется. Также функционирование персонального компьютера не предусматривает использование воды, и сбросов в бытовую и промышленную канализацию не производится, следовательно, отсутствует загрязнение гидросферы.

При пайке под действием высокой температуры из платы и ЭРИ выделяются газообразные вещества (в основном пары свинца). Для расчета массы вредных веществ, образующихся при пайке необходимо знать количество припоя, расходуемого на операции пайки. Пайка осуществляется припоем ПОСК50-18. Состав: олово - 50 %; свинец - 32 %: кадмий - 18 %.

Остановимся на оценке воздействия свинца и олова, как наиболее ядовитых веществ. Масса припоя затраченного на пайку платы равна 100г.

Исходя из полной загруженности монтажник за 1 час может затратить в среднем 4,6 г припоя. Часовая концентрация свинца и олова находится по формуле:

М= N* Мпр,

где N - процентное содержание вредного вещества

Мол=0,5*4,6=2,3 г

Мсв=0,32*4,6=1,5 г

В процессе пайки в воздухе рабочей зоны за 1 час работы выделяется от 0,02 до 0,04% массы каждого компонента. Отсюда имеем:ОЛ=0,0004*2,3=0,92 мг СВ=0,0004*1,5=0,6 мг

Рабочее место монтажника организовано в виде монтажного стола. Исходя из этого находим объем рабочей зоны, а именно ширина - 1,5 м; глубина - 1 м; высота, определяющаяся высотой потолка помещения - 3.5 м. Объем рабочей зоны равен: V=1*1,5* 3.5=5.25м3.

Проверим фактическую концентрацию вредных веществ в рабочей зоне:

Кол=0,92/5.25=0,17 мг/м3

Ксв=0,6/5.25=0,11 мг/м3

ПДК свинца согласно ГОСТ 12.1.007-88 составляет 0,01 мг/м3, поэтому необходимо предусмотреть меры по снижению его концентрации. Для этого на рабочем месте используется вытяжка HAKKO 493 с угольным фильтром, который адсорбирует вредные вещества.

.1.2 Воздействие излучения на окружающую среду

Основными опасными факторами, оказывающими влияние на окружающую среду, являются излучения, связанные с функционированием аппаратных модулей работающего компьютера. В основном это электромагнитное излучение и статическое электричество.

Статическое электричество, накапливаемое на корпусе компьютера, устраняется заземлением корпуса, при этом вреда окружающей среде не наносится.

Спектр и мощность излучения ЖК монитора соответствует классу B (бытовое информационно-коммуникационное оборудование). Для рабочего места оператора согласно требованиям и нормам СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» значения параметров электромагнитных излучений (ЭМИ) не должны превышать:

-   напряжённость электромагнитного поля по электрической составляющей - 10 В/м;

-   напряжённость электромагнитного поля по магнитной составляющей - 0,3 А/м;

-   напряжённость электростатического поля - 20кВ/м;

-       мощность экспозиционной дозы рентгеновского излучения - 7.74*10-12 А/кг на расстоянии 0.05м от экрана и корпуса компьютера.

Уровень ультрафиолетового излучения на рабочем месте пользователя:

в длинноволновой области (400 - 315 нм) - не более 10 Вт/м;

в средневолновой области (315 - 280 нм) - не более 0,01 Вт/м;

в коротковолновой области (280 - 200 нм) должен отсутствовать.

Но так как дозы этих излучений малы и не выходят за допустимые нормы, а персональные компьютеры установлены в помещении, то эти опасные факторы гасятся конструктивными элементами (стенами, окнами) и не выходят за пределы зданий, не оказывая никакого вредного экологического воздействия на окружающую среду.

.1.3 Тепловое загрязнение

В персональных компьютерах нового поколения выбросы тепловой энергии значительно меньшие, чем у предыдущих и не превышают 300Вт. Основными источниками теплового загрязнения при работе персональных компьютеров являются:

·        кристалл центрального процессора;

·        кристаллы микросхем ОЗУ;

·        кристаллы контроллеров материнской платы;

·        кристалл графического процессора видео карты;

·        блок питания;

·        винчестер;

·        ЖК - монитор

Тепловое выделение с жидкокристаллического монитора и винчестера сведено к минимуму и в ближайшее время не будет представлять никакой опасности.

При изготовлении много тепла излучается паяльным оборудованием, а при испытаниях макета тепло выделяется измерительными приборами, источниками питания, самой схемой и нагрузкой. Однако испытания длятся по несколько минут с большими перерывами, мощность выделяющаяся при каждом испытании не превышает 500Вт.

Тепловое загрязнение в ходе эксплуатации компьютера определяется по следующей формуле:

,   (4.1)

где  - температура воздуха на выходе вентиляции,  - температура воздуха в помещении.

Тепловое загрязнение при испытаниях изделия:

   (4.2)

где  - температура воздуха на расстоянии 2см от макета.

.2 Утилизация

Утилизации могут подвергаться некоторые компоненты и детали программно-аппаратного комплекса, лабораторного оборудования (измерительные устройства, источники питания) после их морального устаревания или физического износа, а также различные расходные материалы.

Необходимо рассмотреть коэффициенты безотходности в двух вариантах:

·        отходность технологии (работа программного комплекса);

·        отходность аппаратного комплекса (ПК).

Неправильная утилизация оборудования и техники, то есть простой вынос их на свалку бытовых отходов, существенно загрязняет окружающую среду. Помимо цветных, черных и драгоценных металлов, оргтехника включает в свой состав органические составляющие (пластик различных видов, материалы на основе поливинилхлорида, фенолформальдегида). Все эти компоненты не являются опасными в процессе эксплуатации изделия. Однако ситуация коренным образом меняется, когда изделие попадает на свалку. Такие металлы, как свинец, сурьма, ртуть, кадмий, мышьяк, входящие в состав электронных компонентов переходят под воздействием внешних условий в органические и растворимые соединения и становятся сильнейшими ядами.

Данные о массе ПЭВМ и утилизируемых деталей сведены в таблицу 4.1.

 
Таблица 4.1 Данные о массе ПЭВМ и утилизируемых деталей

Наим\материал

Пласт- массы, кг

Металл, кг

Стекло- Текстолит, кг

Радио- детали, кг

TFT дисплей, кг

Всего, кг

Масса УВ*, кг

Монитор

0.7

0.1

0.06

0.14

4

5.0

0.27

0.5

5.5

0.16

0.84

-

7.0

6.21

Принтер

0.8

0.2

0.01

0.1

-

1.11

0.8

Клавиатура, мышь

0.4

0.1

0.08

0.02

-

0.6

0.12

Масса ПЭВМ

13.71

7.4

* УВ - утилизируемое вещество

Расчет коэффициента безотходности ведется по формуле (4.3):

,                (4.3)

где  - масса деталей, подлежащих вторичной переработке,  - масса ПЭВМ.

       (4.4)

Значение коэффициента безотходности  показывает, что данный вид деятельности является отходным.

Для печати отчетов используется бумага, вторичная переработка которой составляет 100%. Коэффициент безотходности для печати отчетов можно рассчитать как отношение массы бумаги к массе расходных материалов. Один картридж позволяет произвести печать примерно 1000 страниц. Лист бумаги имеет размеры 210×297 мм и плотность 80 г/м2. 1000 листов обладают массой:

.   (4.5)

Масса картриджа кг. Коэффициент безотходности для печати:

.   (4.6)

Значение коэффициента безотходности  показывает, что данный вид деятельности является малоотходным.

4.3 Экологическое обоснование проекта

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что наибольшее влияние на окружающую среду при работе на персональном компьютере и испытаниях изделия оказывает тепловое загрязнение, а такие факторы, как загрязнение атмосферы и гидросферы отсутствуют. Электромагнитные излучения сведены к минимуму.

Используемый для работы программного продукта персональный компьютер на 54% подлежит повторной переработке (отходное производство), при этом коэффициент безотходности технологии близок к безотходному производству, а используемые для печати материалы (бумага и картридж) подлежат повторной переработке на 90 ÷ 94 % в зависимости от качества используемой бумаги. Уменьшить отходность можно путем внедрения специализированных средств утилизации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные выше технические и экономические исследования и расчеты подтвердили целесообразность разработки коммутатора для реальных КА.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. ОСТ 11 340.907-80 Микросхемы интегральные серии 564, ОС564. Руководство по применению.

. Курсовой Струговец

. Электротехника для техникумов

. Раушенбах.

. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Под ред. Н. Н. Горюнова. Москва. Энергоатомиздат. 1985г.

. Справочник по операционным усилителям.

. Мизрах ТАУ или др. ТАУ

. Методичка Лукьяненко - Чурляева.

. Книга по Altium Designer Сабунин А. Е.

Список сокращений

АБ - аккумуляторная батарея

БС - батарея солнечная

АСК - автоматизированная система контроля

БИН - блок изменяемой нагрузки

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ВДТ - выводной дисплейный терминал

БЖД - безопасность жизнедеятельности

ЖК - монитор с изображающей матрицей на основе «жидких кристаллов»СЭП - система электропитания

ИТУН - источник тока управляемый напряжением

КА - космический аппарат

КЗ - короткое замыкание

КПА - контрольно-проверочная аппаратура

КПД - коэффициент полезного действия

ЛАХ - логарифмическая амплитудная характеристика

НЭ - нелинейный элемент

ОЗУ - оперативно запоминающее устройство

ОС - обратная связь

ОУ - операционный усилитель

ПВМ - персональная вычислительная машина

ПК - персональный компьютер

ПО - программное обеспечение

ПП - переходные (ной) процессы (процесс) (в зависимости от контекста)

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина

САПР - система автоматического проектирования

САР - система автоматического регулирования

СУ - система управления

ТАУ - теория автоматического управления

ТЭО - технико-экономическое обоснование

ФЧХ - фазо-частотная характеристика

ШИМ - широтно-импульсный (ная) модулятор (модуляция) (в зависимости от контекста)

ШС - шунтовой стабилизатор

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ЭМП - электромагнитные помехи

ЭМИ - электромагнитное излучение

ЭПА - энергопреобразующая аппаратура

ЭРИ - электро-радио изделия

Похожие работы на - Дискретный регулятор мощности секционированной солнечной батареи

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!