Проектирование и расчет каскада управления двухфазным асинхронным двигателем

Параметр

Обозначение

Значение параметра

Коэффициент усиления

К_ус

2·10⁴

Тип двигателя

АД-32В

Напряжение питания системы

U_{п сист.}

40 В

Частота питающего напряжения

f_р

400 Гц

Температура окружающей среды

Т_окр

333 К

Характер питающего напряжения для выходного каскада

Сглаженное

Параметр

Обозначение

Значение параметра

Частота

f_р

400 Гц

Напряжение возбуждения

U_возб

40 В

Напряжение управления последовательное

U_{упр посл}

24 В

Напряжение управления параллельное

U_{упр парал}

12 В

Напряжение трогания двигателя

U_трог

0.6 В

Полное сопротивление обмотки возбуждения

Z_возб

(77+j·121) Ом

Полное сопротивление обмотки управления

Z_упр

(25+j·50) Ом

Мощность возбуждения

Р_возб

5.5 Вт

Мощность управления

Р_упр

5.5 Вт

Cos j обмотки управления

Cos j_упр

0.5

Cos j обмотки возбуждения

Cos j_возб

0.5

Обозначение

Значение параметра

Описание

30Минимальный статический коэффициент передачи по току при T_к =298К

I_б-const, А

0.5

Постоянный ток базы

I_к-обр, мА

1

Обратный ток коллектора при T_к =373К

I_к-сonst, А

1.5

Постоянный ток коллектора

P_{рас-доп}, Вт

1

Мощность, рассеиваемая без теплоотвода при T_к =233-298К.

P_{рас-т-доп}, Вт

12

Мощность, рассеиваемая с теплоотводом при T_к =233-298К

I_б-макс, A

0.5

Максимальный ток базы

U_кэ-доп, B

80

Напряжение коллектор-эмиттер допустимое

U_кэ-нас, B

0,6

Напряжение коллектор-эмиттер насыщения

U_бэ-доп, В

5

Постоянное напряжение база - эмиттер при T_к =213-273К

Т, K

233-373

Температура окружающей среды

Т_п-доп, К

398

Максимально допустимая температура перехода

Обозначение

Значение параметра

Описание

U_{п мс}, В

Напряжение питания

I_{пот ОУ}, мA

4

Ток потребления микросхемы

U_{вых-мс-макс}, В

11

Выходное напряжение микросхемы

R_н-мс, кОм

Сопротивление нагрузки

К_ос, дБ

Коэффициент ослабления пульсаций питающего напряжения

Обозначение

Значение параметра

Описание

N

0.2

Коэффициент трансформации

r₁, Ом

29

Сопротивление первичной обмотки току при

r₂, Ом

1.7

Сопротивление вторичной обмотки току при

U_1тр, В

15

Напряжение на первичной обмотке

Р_ном-тр, Вт

0.5

Номинальная мощность трансформатора

U_н > U_{бэ-макс} + U_Rэ-макс=1+1=2 (В).

Если да, то трансформатор может быть использован.

Рисунок 2 - Эквивалентную схему трансформатора

Для нахождения U_н оценим потери ΔU на сопротивлениях и  по формулам:

.137>2, следовательно необходимое условие выполняется и трансформатор подобран правильно.

2.3 Расчёт предварительных усилителей

Структурная схема цепи усиления, обеспечивающая необходимый коэффициент усиления, приведена на рисунке 3. Согласующий трансформатор Т2 обеспечивает связь предварительного и выходного усилителей. Трансформатор Т1 служит для управления ключами

Рисунок 3 - Структурная схема цепи усиления

По условию необходимо обеспечить коэффициент усиления =20000. Примем коэффициент передачи подавителя помех К_пп=. Рассчитаем коэффициент усиления выходного каскада (К_вк) по формуле:

Общий коэффициент усиления определяется по формуле:

положим К1=К2=К3=К. Отсюда найдем К - такое значение коэффициента усиления, при котором обеспечивается необходимый общий коэффициент усиления:

Расчет резисторов

Произведем расчет первого усилителя. Примем, что через резисторы  протекает некоторый ток значительно меньший, чем максимальный выходной ток микросхемы. Так, как максимальный выходной ток не известен, то вместо него возьмем ток потребления микросхемы. Тогда можно составить систему уравнений для нахождения  и :

Выбираем R_k1=6,2 (кОм).

Выбираем R_oc=270 (кОм).

Определим номинал резистора :

Выбираем =6,2 (кОм).

Расчет конденсаторов

Рассчитаем емкости разделительных конденсаторов С1, С2 и С3, используемых для развязки по постоянному напряжению между каскадами усиления. Определим параметры разделительных конденсаторов по формуле:

Выбираем С₂ =С₁= 0.68 (мкФ).

Для расчета  найдем приведенное эквивалентное сопротивление на входе согласующего трансформатора Т2.

Выберем R_пр=1,2 (кОм).

где r1 - сопротивление первичной обмотки, r2 - сопротивление вторичной обмотки, n-коэффициент передачи, R_н - сопротивление нагрузки трансформатора.

 выберем из соотношения:

Выберем С₃= 1 (мкФ).

2.4 Расчет подавителя квадратурной помехи

Подавитель состоит из последовательно включенных демодулятора, RC-звена и модулятора, рисунок 4.

Рисунок 4 - Подавитель квадратурной помехи

Выберем полевые транзисторы VT3, VT. КП304А - кремниевый диффузионно-планарный полевой с изолированным затвором и индуцированным каналом. Паспортные характеристики транзистора приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Паспортные характеристики транзистора КП304А

Для нахождения емкости конденсатора С’ необходимо задаться t - постоянной времени заряда конденсатора С’. Она выбирается из условия:

t

где T - период следования сигнала.

С’ =

Выберем С’=1 (мкФ).

R’ возьмем значительно меньшим (хотя бы в 5 раз), чем R’’. А сопротивление R_п - хотя бы в 5 раз меньшим, чем R’, R’=1.16к (Ом), Выберем резистор номиналом 1,2 (кОм).

R_п=232 (Ом).

Конденсатор С_П рассчитаем по формуле:

Выберем конденсатор номиналом 17,2 (кОм).

Амплитудное значение напряжения U_{УПР ПКП} должно удовлетворять требованию открывания транзистора:

U_зи> U_{УПР ПКП макс}> U_ПОР,

> U_{УПР ПКП макс}> 5,

Диоды D1 и D2 можно взять маломощные. Возьмем КД510, характеристики которого представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Паспортные характеристики диода КД510

Отсюда можно найти сопротивления R_ОГ1= R_ОГ2 по формуле:

,

выберем R_ОГ=510 (кОм).

3. Организация питания выходного каскада и операционных усилителей

3.1 Организация питания выходного каскада

Рисунок 5 - Схема диодного блока

Целесообразно использовать диодный блок (в интегральном исполнении), в котором диоды соединены по мостовой схеме, рисунок 5. Для выбора блока необходимо знать средний и максимальный токи через диоды и обратные напряжения на них.

Так, как на выходной каскад должно подаваться сглаженное напряжение, то необходим фильтрующий (сглаживающий) конденсатор С_Ф1..

Для выходного каскада известны  и . Средний ток через диод определяется по формуле:

Рассчитаем эквивалентное сопротивление нагрузки источника питания:

Зададимся некоторым коэффициентом пульсации Кп≤6-7%. При таком коэффициенте пульсации можно аппроксимировать временную диаграмму напряжения, получаемого на выходе фильтра, отрезками прямых. Тогда справедлива формула для расчета емкости конденсатора: Кп=5%.

Выберем конденсатор 330 мкФ.

Чтобы оценить пиковые значения зарядного тока I_пик, протекающего через диоды и конденсатор, можно воспользоваться специальными таблицами (графиками), дающими зависимость . Можно также прибегнуть к графическому методу оценки: зная и , найдем постоянную времени цепи разряда: τ =. Затем построим диаграмму напряжения, отложив τ по оси времени, рисунок 6.

Рисунок 6 - диаграмма напряжений

Отсюда графически оценим отношение времен заряда и разряда (t_зар/ t_разр).

Соотношения токов разряда и заряда приблизительно обратно пропорциональны соотношениям соответствующих времен: (I_разр / I_зар.)= (t_зар /t_разр).

Поскольку при максимальном потреблении тока от источника:

I_разр=I_п-макс,

то ток заряда найдем как:

I_зар.= I_п-макс (t_разр /t_зар)= 1.94 (А).

Пиковый ток через диод:

I_пик =I_зар+ I_п-макс =2.593 (А).

Максимальный ток через диод:

I_д-макс= I_пик =2.593 (А).

С учетом падения напряжения на открытых диодах на входе моста необходимо обеспечить:

U_{вх.D4 макс}= U_{п - макс}+2 U_д.прям=17.031+2*1=19.031 (В).

Обратное напряжение на диоде определим по формуле:

U_д-обр= U_{вх.D4 макс} - U_д.прям=19.031-1=18.031 (В).

где U_д-пр - падение напряжения на прямо включенном (открытом) диоде, приблизительно равное 1В.

Далее выбираем диодный блок D4 из условий:

Выберем диодный блок, в таблице 8 приведены данные на диодный блок КЦ 407А - диоды кремниевые в пластмассовом корпусе, соединенные по мостовой схеме.

Таблица 8 - Диодный блок КЦ 407А

3.1 Организация питания операционных усилителей

Микросхемы операционных усилителей требуют питания сглаженным стабилизированным напряжением. Для организации такого питания можно использовать интегральную сборку сдвоенного диодного моста и микросхему двуполярного стабилизатора напряжения, или же отдельно два мостовых выпрямителя и два стабилизатора напряжения. Мы используем последний вариант. Он показан на рисунке 7. По требуемому для ОУ значению U_{п мс}=±15В, выберем из справочника стабилизаторы D7, D8 КР142ЕН8В, характеристики которого приведены в таблице 9.

Рисунок 7 - Организация питания микросхемы ОУ

Таблица 9 - Характеристики стабилизатора КР142ЕН8В

В паспорте на микросхему КР142ЕН8В рекомендовано придерживаться следующих условий:

Однако необходимо обеспечить уровень пульсаций напряжения на входе КР142ЕН8В, при котором бы оно не опускалось ниже =17.5В. Зададимся амплитудным значением напряжения на выходе диодного моста D5, например, U_{вых.D5 макс} = 20В. Тогда приемлемым будет уровень пульсаций менее 2,5В. Потребуем 2В, т.е. 10%. Выясним, какая понадобится емкость конденсатора С4 для обеспечения таких пульсаций.

Определим из рисунка 9 требуемую постоянную времени τ1. Отложим на диаграмме U_{вых.D5 макс} = 20В и U_{вых.D5 мин} = 18В. Через полученные точки A и B проведем наклонную прямую. На пересечении с осью абсцисс имеем τ1.

Рисунок 9 - Диаграмма напряжений

Найдем эквивалентное сопротивление нагрузки для одного из диодных блоков. Ток, потребляемый стабилизатором, определяется потреблением трех ОУ и собственным потреблением микросхемы стабилизатора. Значит,

Cреднее напряжение на выходе диодного блока при U_{вых.D5 макс} = 20В и уровне пульсаций 10% составит U_{вых.D5 ср} =19В. Тогда эквивалентное сопротивление нагрузки:

.

Отсюда требуемая емкость фильтрующего конденсатора:

Выбираем C4=20 (мкФ).

Для С6 получим тот же результат. С5 и С7 можно взять согласно рекомендации паспорта на микросхему КР142ЕН8В (10 мкФ). Необходимое напряжение на входе мостов:

U_{вх.D5 макс}= U_{вых.D5 макс}+2 U_д.прям=22 (В),

Прямое падение напряжения на диоде U_д.прям ≈1В. Пиковый ток через диоды:

I_.пикD5= I_выхD5 (t_разр1 /t_зар1)+ I_выхD5 = 128 (мА),

где времена t_разр1, t_зар1 определяются графически. Средний ток: I_срD5 = I_выхD5=32 (мА).

Обратное напряжение на диоде определим по формуле:

Выбираем диодные блоки D5, D6 из условий:

Выбираем диодный блок КЦ 407А - диоды кремниевые в пластмассовом корпусе, соединенные по мостовой схеме. Параметры блока приводятся в таблице 10.

Таблица 10 - Характеристики диодного блока КЦ 407А

3.3 Требования к выбору силового трансформатора

Необходимо обеспечить питание выходного каскада и операционных усилителей, а также управление подавителем квадратурных помех, используя силовой трансформатор, запитанный общим напряжением питания системы. Чтобы удовлетворить всем заданным требованиям, необходим трансформатор с одной первичной обмоткой и 5 вторичными. При выборе учитываем, что. Трансформатор должен быть рассчитан на частоту 400 Гц. Климатические условия - такие же как и для работы двигателя. Электрическая схема трансформатора представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Электрическая схема трансформатора

Действующие значения напряжений на вторичных обмотках:

U1= U_{вх.D4 макс}/√2= 13.5 (В) (для питания выходного каскада)

U2=U3=U_{вх.D5 макс}/√2= 15.6 (В) (для питания ОУ)

Необходимо обеспечить баланс мощностей, то есть необходимая мощность силового трансформатора:

Р _сил.тр > Р_упр + 2Р_{расс.ут} + Р_{потр.ОУ},

где Р_{потр.ОУ} - мощность, потребляемая блоком питания ОУ:

Р_{потр.ОУ} ≈2 U_{вых.D5 ср} I_выхD5=

Р _сил.тр > 5.5+2.14+1.28=8.92

Список источников

1 В.В. Дубровский., Д.М. Иванов и др. «Резистроы: Справочник». Москва. Радио и связь. 1991 г.

. В.А. Веселов, Е.Б. Коротков Исполнительные устройства систем автоматики Часть 2 1983 г.

. В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев «Электроника». М.: Высшая школа, 1991

. Н.Н. Горюнов «Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник Изд.2».

© 2003 - 2022 «Библиофонд»

Обратная связь

Пользовательское соглашение

Политика конфиденциальности

Полная версия

Помощь по учебным работам

Консультация по курсовой работе

Консультация по дипломной работе ВКР

Консультация по реферату

Консультация по отчетам о практике