Широтно-імпульсний модулятор на базі магнітного підсилювача

міністерство освіти і науки україни

ЖИТОМИРСЬКИЙ

ІНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧНИЙ ІНСТИТУТ

Група

Кафедра АіКТ

ЕЛЕМЕНТИ ТА ПРИСТРОЇ АВТОМАТИКИ

Курсова робота

„ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНИЙ МОДУЛЯТОР

НА БАЗІ МАГНІТНОГО ПІДСИЛЮВАЧА"

Пояснювальна записка

Керівник (

Виконавець ( )

Житомир 2005

1.ТЕХНИЧНЕ ЗАВДАННЯ

Тип двигуна СЛ – 521

Номінальна напруга 110 В

Номінальна потужність 77Вт

Номінальний струм 1.2А

Номінальна частота обертання 3000 об/хв

Номінальний обертальний момент 25 Нсм

Момент інерції якоря 1,7кгсм²

Пусковий момент 65Нсм

Статичний момент тертя 3.5Нсм

Опір обмотки якоря 8.5Ом

Закон регулювання n/n_>п> = const = 0,5

2.ВСТУП

В сучасних системах автоматичного керування досить широко використовуються перетворювачі синусоїдної напруги в імпульси струму. В автоматизованому електроприводі такі джерела керування дозволяють отримати досить м'які механічні характеристики.

3.ВИБІР СХЕМИ

Одним з варіантів створення перетворювачів синусоїдної напруги в імпульси струму є використання магнітних однотактних підсилювачів (керованих дроселів) у режимі вимушеного намагнічування. В таких дроселях імпульси струму завжди мають прямокутну форму, а форма імпульсів напруги на навантаженні залежить від властивостей останнього. Звичайний керований дросель у режимі вимушеного намагнічування дозволяє отримати імпульси напруги трикутної форми на ємності (рис.3.1, а), увімкненій в ланцюг робочої обмотки.

Формування таких імпульсів напруги на ємності виникає за умови, якщо незначний сигнал управління Іу викликає насичення одного з осердь. Це призводить до того, що конденсатор С буде періодично перезаряджатись струмом з постійною амплітудою (рис. 3.1, б). З урахуванням цієї обставини напруга на конденсаторі на протязі одного півперіоду може бути визначена за формулою:

де п - порядковий номер півперіоду; Uc_>0> - напруга на конденсаторі на

початку півперіоду (в момент зміни напрямку струму i_>p>).

На базі такого формувача імпульсів напруги трикутної форми можна побудувати, широтно-імпульсний модулятор (ШІМ), схема якого зображена на рис. 3.2, а.

Напруга на конденсаторі Uc випрямляється двопівперіодним випрямлячем і подається у вигляді імпульсів напруги U_>R> трикутної форми подвоєної частоти в ланцюг база - колектор транзистора VT. Ця напруга намагається відкрити транзистор. На протязі відрізку часу t_>i>, коли U_>б> < U_>R> транзистор відкритий (рис. 3.2, б) і через якір двигуна під дією напруги U_>R> буде протікати відповідний струм.

У відповідності до діаграми (рис. 3.2, б) напруга U_>R> в інтервалі

0< ωt <π/2 дорівнює:

U_>R> = kI_>у> t

Тоді за умови U_>б><_>>U_>R>_>>(U_>R> – амплітуда імпульсу напруги) тривалість імпульсу напруги, що буде прикладена до якоря двигуна,

Отже тривалістю імпульсу напруги t_>i> на навантаженні можна керувати, змінюючи струм управління керованого дроселя або напругу U_>б>. Cереднє значення напруги на опорі навантаження R дорівнює:

3.3. Розрахунок параметрів електронного ключа

В схемі Ш1М (рис. 3.2) використовуємо вмикання транзистора за схемою(рис. 3.3) з загальним емітером (ЗЕ), оскільки така схема характеризується досить малою потужністю керування і в той же час має хороші формувальні властивості за рахунок коефіцієнта підсилення по напрузі К_>u>_>>>> 1.

Рис 3,3

Вибір транзистора виконуємо на підставі напруги і струму якоря виконавчого двигуна:

U_>ke> ≥ 1.2Ua_>ном>≥1.2·110 ≥ 132B

Iк_>макс>≥ Iа_>ном> ≥ 1,2А

Вибираємо транзистор типу КТ851А з такими характеристиками:

Uke_>макс> = 200В > 132В; Iк_>макс>= 2А > 1,2А

Pк_>макс>=25Вт; h_>21>_>e>_>>_>мін> =40; Ікб_>0>≤ 1мА;

t_>р> ≤ 2,6мкс; Uбе_>макс> = 5В; І_>бн>= 50мА.

Для забезпечення нормальних умов роботи транзистора вибираємо

Необхідну величину опору резистора R_>б> для забезпечення режиму відсічки транзистора отримуємо за формулою:

Потужність на опорі:

Вибираємо по стандарту R_>б> – типу МЛТ-0,125-3кОм

Навантаженням колекторного ланцюга є обмотка якоря двигуна, тому:

R_>к> = R_>а> = 8,5Ом

Напруга живлення:

Е_>жив> = 1,2Ua_>ном> = 1.2·110 = 132B

3.4.Розрахунок параметрів магнітного підсилювача та трансформатора

Посільки рівень напруги U_>R>_>макс> = 3В , то використовуємо розділювальний трансформатор з потужністю

Р_>тр>= І_>б>²_>нас>R_>б>/η_>тр>= (5010^-3)² 310³/0,9 = 8,4Вт

В цьому виразі можна прийняти, що коефіцієнт корисної дії трансформатора η_>тр> = 0,9.

Для забезпечення відповідного режиму роботи ШІМ необхідно щоб магнітний підсилювач (МП) працював в режимі вимушеного намагнічування. Варто нагадати, що такий режим роботи МП характеризується наявністю великого реактивного опору у ланцюзі керування [1], повний активний опір контуру навантаження є незначним і складається лише з активного опору робочої обмотки а напруга живлення робочої обмотки вибирається такою, що незначний струм керування почергово призводить до насичення осердя з ідеальною кривою намагнічування. Як наслідок, у робочій обмотці буде протікати періодичний змінний струм прямокутної форми.

Конструктивні параметри та характеристики магнітного підсилювача (МП) значною мірою залежать від його потужності. Останню в цій задачі можна визначити за формулою:

Р_>мп>=Р_>б>/η_>тр>=3/0,9=3,3 мВт

де Р_>б> - максимальна потужність, що споживається резистором R_>б;>

η_>тр>– коефіцієнт корисної дії трансформатора.

Вибір марки феромагнітного матеріалу для виготовлення осердя виконуємо з урахуванням частоти живлення робочої обмотки та потужності МП на підставі рекомендацій, зазначених в [1].

Для виготовлення осердя МП вибираємо електромагнітну сталь Э310, яка є однією із найпоширеніших в електромагнітних пристроях.

16 32 48 Н, А/см

В_>m>_>,>Тл

1,6

0,8

Н_{>макс кз}>

Рис 3.5

H = 0

H = 4

В_>ХХ>

H = 8

H = 16

H = 24

Розрахунок МП розпочинаємо з визначення об’єму його осердя за формулою:

де H_>max>_>>_>кз> – напруженість в режимі короткого замикання (див.рис 3,5)

Вибравши точку А на ділянці перегібу основної кривої намагнічування, знаходимо індукцію В_>хх> = 1,45Тл та відповідну їй

напруженість магнітного поля Н_>хх> = 5 А/см.

Коефіцієнт кратності струму к_>кр> для малопотужних МП, що використовуються як регулюючий елемент в ШІМ рекомендується:

к_>кр> = 5

Максимальне значення напруженості в режимі короткого замикання (насичення) визначаємо за формулою:

H_>max> = к_>кр>Н_>хх> = 55 = 25А/см =0,25А/м

Графічним шляхом за допомогою рис.3.5 визначаємо індукцію короткого замикання В_>m>_{> кз}> = 0,1Тл.

Кутова швидкість двигуна

ω = 2πn = 23,143000 =18840рад/хв

Таким чином:

Згідно нормального ряду осердь (додаток 1 в [2]) вибираємо найближче осердя з геометрічними розмірами D_>1> / D_>2> / h типу ОЛ 16/20-2 (2шт)

Тоді уточнений об’єм осердя становить

Середня лінія осердя:

Тоді площа поперечного перерізу осердя

де К_>зос>=0,9 – коефіцієнт заповнення загального перерізу осердя сталлю.

Середнє значення довжини одного витка робочої обмотки l_{>р ср}> та обмотки управління l_>у
ср> (див. рис. 3.6)_>>визначаємо за формулами:

де χ = 5мм – припуск на кути.

Кількість витків робочої обмотки змінного струму розраховуємо за формулою:

де =0,0175 Оммм²/м (для меди)

J=2 – нормована щільність струму [1].

Приймаємо початкове значення струму І_{>у макс}>=1мА. Тоді число витків обмотки управління визначаємо за формулою:

Напруженість Н_>у> _>макс> знаходимо графічним методом (рис. 3.5) як напруженість управління, що зумовлює режим Н_>макс> _>кз>.

Струм робочої обмотки знаходимо за формулою

Площу поперечного перерізу дроту для кожної з обмоток визначаємо через максимальний струм, що протікатиме через неї, та нормовану щільність струму:

Відповідні діаметри дротів кожної обмотки:

Обираємо відповідно марки проводів:

Для робочої обмотки ПЕВ-I-0,05мм;

Для обмотки управління ПЕВ-I-0,03мм.

Опір одного метра вибраних проводів відповідно дорівнюють:

R_>1>_>М
0,05> = 9,3 Ом/м R_>1>_>М
0,03> = 24,7 Ом/м

Довжина обмотки управління:

l_>У> = l_>Уср> w_>У> =0,036 = 0,18м

Довжина робочої обмотки:

l_>Р> = l_>
Рср> w_>У> =0,02128 = 0,59м

Активний опір обмотки управління:

R_>У> =R_>1М> l_>У>= 24,7  0,18 = 4,45Ом

Активний опір робочої обмотки :

R_>Р> =R_>1М> l_>Р>= 9,3  0,59 = 5,48 Ом

Приведений до ланцюга управління опір робочої обмотки:

R^/_>Р> = 2R_>Р>(W_>У> / W_>Р>)² = 25,48(6/28)² =0,5Ом.

Реактивний опір Х_>У>, який необхідно увімкнути в контур управління для подавлення парних гармонік, знаходимо з формули повного опіру обмотки управління Z_>У,> що повинен задовольняти наступній умові:

Z_>У> =

Звідси :

Х_>У> =

Знаходимо індуктивність дроселя:

Визначаємо падіння напруги на індуктивній ланці робочої обмотки:

U_>L> = 4.44fW_>P>SB_>XX>=4.4428500,0161,45 =144В,

де f =50Гц – частота живлення робочої обмотки;

S = (D_>2> – D_>1>)h = (20 -16)4 = 16мм² - площа поперечного перерізу стрижня магнітопроводу;

В_>хх> - індукція в магнітопроводі на ділянці перегину основної кривої намагнічування.

Напруга джерела живлення робочої обмотки без урахування впливу ємності в режимі вимушеного намагнічування:

Значення ємності С, яка є нагрузкою робочої обмотки знаходимо за

формулою:

Вибираємо за стандартом С = 0,22мкФ.

ЛІТЕРАТУРА

1. Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики: Учебник для вузов. -4-е изд., перераб. й доп. -М.: Высш.школа, 1983. -408 с.

2. Боярченков М.А., Черкашина А.Г. Магнитные злементы автоматики й вычислительной техники. Учеб. Пособие для специальности "Автоматика й телемеханика" вузов. М., "Высш. школа", 1976. -383 с.

3. Изьюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы й устройства промышленной злектроники. Учебник для вузов. -М.: Высш.школа, 1986.-398с.

4. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. Изд. 8-е, перераб. Киев, "Техніка", 1977. 376 с.

5. Подлипенский В.С., Петренко В.И. Злектромагнитные и злектромашинные устройства автоматики. -К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987.-592 с.

6. Волков Н.И., Миловзоров В.П. Злектромашинные устройства автоматики: Учеб. для вузов для спец. „Автоматика й телемеханика". -2-е изд. й доп. -М.: Вьісш. шк.., 1986. - 335 с.

7. Желєзна А.О. Дипломні (курсові) проекти. Вимоги до оформлення документації: Навчальний посібник. - Житомир: ЖІТІ, 2000. -244с.

Масш

Аркушів