Учебная работа. Разработка транзисторного преобразователя и схемы управления двигателем АИР71А2

Учебная работа. Разработка транзисторного преобразователя и схемы управления двигателем АИР71А2

Расположено на /

КУРСОВАЯ РАБОТА

по предмету «электрические устройства систем автоматизации«

Задание

Создать транзисторный преобразователь и схему управления движком АИР71А2, главные элементы — транзисторы, напряжение питания 220В.

Избираем электродвигатель

АИР71А2

M = 2,6Нм

U = 220 В

I = 1,3 А

n = 3000 о/мин

P = 0,75 кВт

КПД = 79%

Введение

Для современного шага научно-технического прогресса характерно непрерывное улучшение элементной базы электроники в устройствах измерения, обработки инфы и управления. Обширное применение микросхемотехники привело к развитию новейшего шага всеохватывающей автоматизации — гибким автоматическим производствам, управление которыми основано на широком применении процессоров и микроЭВМ. Электроника и микросхемотехника обеспечивают автоматическое управление технологическими действиями, исследованиями, отдельными объектами.

Серия АИР имеет выполнение для использования в различных погодных критериях. Используются в электронных приводах, которые не требуют периодической регулировки частоты вращения вала. Почаще всего такие движки используют в насосах, разных редукторах, вентиляторах.

1. анализ схемной реализации устройства

Транзисторные преобразователи для управления трехфазным асинхронным движком.

Принципы построения и управления.

Принципная схема мотора приведена на рисунке ниже

Электродвигатель имеет две общие обмотки, расположенные в пазах статора. Обмотка 1 именуется главной (обмоткой возбуждения) и повсевременно находится под напряжением. На другую обмотку 2 (обмотка управления) напряжение через управляющий усилитель 3 подаётся только тогда, когда требуется привести вал 4 мотора во вращение. От величины напряжения на обмотке управления зависит скорость вращения и механическая мощность, развиваемая электродвигателем.

Для ЭМС переменного тока нужен синусоидальный источник питания, с возможностью конфигурации величин (частот, амплитуд, фаз, форм напряжений), что реализуется при помощи преобразовательных устройств, в качестве которых употребляются автономные инверторы.

Так как, не считая частоты и амплитуды, управляющими переменными могут быть так же фаза и форма питающих напряжений, используются автономные инверторы с широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону.

Для управления движками обширно используются широтно-импульсные транзисторные преобразователи различного типа, к примеру, реверсивный широтно-импульсный преобразователь

Транзисторы в преобразователях работают в главном режиме с целью наибольшего использования допустимой мощности вентиля.

Питание преобразователя нередко осуществляется от неуправляемого выпрямителя, на выходе которого устанавливается фильтр.

Вероятны два варианта управления транзисторным мостом: симметричное и несимметричное.

В первом случае к перегрузке прикладывается разнополярное напряжение, во 2-м знакопостоянное.

Применение транзисторных выпрямителей в качестве преобразователей имеет ряд особенностей, которые влияют на механические и регулировочные свойства электроприводов.

дискретность регулирования;

воздействие характеристик преобразователя на статические свойства электродвигателя;

прерывистость тока обмотки якоря при малых моментах перегрузки.

Принципиальной индивидуальностью транзисторов будет то, что они могут работать на наиболее больших частотах, чем тиристоры. По сопоставлению с тиристорами транзисторы просто запираются, что исключает необходимость использовать особые схемы искусственной коммутации и сиим значительно упрощают управление преобразователем.

2. Статический расчёт транзисторного ключа

Наибольший ток коллектора выходного транзистора VТ1 определяется наибольшим током фазы

Ik1max=Imax=1,3А.

Наибольшее напряжение на запертом транзисторе для инвертора мостового типа равно напряжению питания инвертора

Uэк1max=Uп=220 В

Выберем транзистор типа КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)809А (n-p-n), имеющий статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h21эmax=15…100 и последующие максимально допустимые характеристики: Ikmax=3A, Uэкmax=400 В.

С целью увеличения надёжности ключа и обеспечения пассивного запирания выходного транзистора даже при исчезновении напряжения питания запирающего источника включают параллельно переходу база-эмиттер резистор R1=10 Ом.

При огромных коэффициентах форсировки скважность отпирающих импульсов, поступающих на ключ, мала, и наибольшее база-эмиттер транзистора VT1 Uбэнас=4В определим наибольший ток коллектора транзистора VT2 в режиме насыщения

Ik2max=Iб1+IR1=Ik1max/h21max + Uбэнас/R1 = 1,3/100 + 4/10 = 0,413А

Наибольшее напряжение на запертом транзисторе VT2 равно напряжению питания инвертора Uкэmax=380 В. В целях унификации типов силовых транзисторов в качестве VT2 избираем транзистор КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)809А.

Сопротивление резистора R2 примем равным 10 Ом.

Определим ток, протекающий в резисторе R3, нужный для отпирания составного транзистора:

IR3отп=Iб2+IR2=Kнас*Ik2max/h12э2max+Uбэ2нас/R2=1,5*0,413/100+4/10=0.406 А,

где Кнас=1,5.

Напряжение отпирающего источника Uп1 определим последующим образом. При включении оптрона транзисторы VT6 и VT5 из состояния отсечки перебегают в активный режим работы, а напряжение Uэк5 составляет несколько вольт (насыщение VT6 и VT5 неприемлимо по условиям наибольшего быстродействия фотоусилителя). При всем этом напряжение на выходе эмиттерного повторителя на транзисторах VT3 и VT4: Uэп=Uп1-Uэк5-Uбэ3 обязано превосходить Uбэ1нас+Uбэ2нас на величину, достаточную для сотворения в сопротивлении R3 требуемого тока. Таковым образом,Uп1 обязано быть больше:

Uбэ1нас+Uбэ2нас+Uкэ5+Uбэ3=4+4+3+1=12В.

Примем Uп1=24В,Uп2=-24В — напряжение питающего источника. Транзистор VT3 избираем по наибольшему току коллектора Ik3max=IR3отп=0,406 А и наибольшему оборотному напряжению Uk3max=2Uп1=48В.

В целях унификации избираем транзистор КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)809А. Зная ток эмиттера VT3, при отпирании составного транзистора, определим ток базы

Iбэ3=IR3отп/ (h21э3min+1) =0.406/16=0.027=27мА

ЗадаваяUэк3=3В, определим сопротивление резистора R3, нужное для отпирания составного транзистора.

R3= (Uп1-Uэк5-Uбэ3-Uбэ1нас-Uбэ2нас) /IR3отп= (24-3-1-4-4) /0,406=29,5 Ом

Избираем из номинального ряда R3=30 Ом.

Определим ток базы транзистора VT1, нужный для его запирания, задавая коэффициент запирания равным 1:

Iб13=Kзап (Ik1max/ (h21эmin+1)) =1*1.3/16=0.08А.

Этот ток складывается из тока активного и пассивного запирания:

Iб1зап=Iб1пас+Iб1акт=Uбэ1насmin/R1+ (-Uэпзап+Uбэ1насmin-Uд2) /R3.

Выбирая в качестве VD2 частотный диодик 2Д220Д, имеющий последующие максимально допустимые характеристики: Iпрmax=3А, Iимпmax=60А, Uобрmax=400В и прямое падение напряжения Uд2, не превышающее 1В, найдём:

Uэпзап=- ( (Iб1зап*R1*R3-Uбэ1насmin*R3+ (Uбэ1насmin-Uд2)) /R1) =

=- (0.08*10*30-4*30+ (4-1)) /10=-9.3В

Транзистор VT4 избираем по наибольшему току коллектора и наибольшему оборотному напряжению

Ik4max=Iб1акт= (-Uэпзап+Uбэ1насmin-Uд2) /R3= (9,3+4-1) /30=0,41А, Uэк4max=48В.

Избираем транзистор КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)809А. При запирании VT4 перебегает в активный режим и его ток базы равен:

Iб4=Iб1акт/ (h21э4min+1) =0,41/16=0,03А

При всем этом Uэб4=1В, а падение напряжения на сопротивление R4 равно

UR4=Uэпзап-Uэб4+Uп2=-9,3-1+24=13,7В

Считая VT1, VT2 и VT3 запертыми и пренебрегая оборотными токами коллекторов этих транзисторов, определим:

R4=UR4/Iб4=13,7/0,03=457 Ом

Примем R4=470 Ом.

Сопротивление R7 рассчитывается из условия получения данного прямого тока светодиода Iпрсд=0,02А.

R7= (Uп3-Uо-Uпрсд) /Iпрсд= (5-0,3-1,25) /0,02=172,5 Ом, принимаем 180 Ом.

Где Uпрсд — прямое падение напряжения на светодиоде, Uо — напряжение логического нуля микросхемы, управляющей ключом. С учётом коэффициента передачи тока для оптрона АОД101А, равного KI=1%, получим ток фотодиода

Iфд=Iб6=KIIпрсд=0,2мА

В качестве транзисторов VT5 и VT6 фотоусилителя выберем высокочастотные транзисторы типа КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)809Асо последующими параметрами:

Iкmax=3А, Uэкmax=400В, h21э6=15…100.

Определим токи коллектора и эмиттера VT6 при включении ключа

Iкб=h21э6min*Iб6=15*0,2=3мА, Iэб= (h21э6min+1) *Iб6= (16) *0,2=3,2мА

ток базы транзистора VT3

Iб3=IR3отп/ (h21э3min+1) =0,406/16=25мА

ток, протекающий через R4:

IR4= (Uп1-Uэк5-Uп2) /R4= (24-3+24) /470=95мА

ток коллектора транзистора VT5

Iк5=Iб3+IR4-Iэб=25+95-3,2=117мА

ток базы транзистора VT5 и соответственное ему падение напряжение на переходе база-эмиттер.

Iб5=Ik5/h21э5min=117/15=8mA; Uэб5=0,8В

R6=Uэб5/ (Iэб-Iб5) =0.8/ (8-3,2) =160 Ом

Напряжение, приложенное к переход у эмиттер — коллектор VT6 и резистору R5:

Uэк6+UR5=Uэк5-Uэб5=3-0,8=2,2В

Для обычной работы VT6 в режиме усиления обязано быть не меньше 1,5В, как следует,UR5=2,2-1.5=0.7В. Зная ток IR5, определяем сопротивление резистора R5=233Ом. Примем R5=250 Ом.

3. Динамический расчёт

Определим по каталогу граничные частоты коэффициентов передачи в схеме с общим эмиттером для транзисторов, входящих в состав ключа:

МГц; МГц.

Собственные неизменные времени транзисторов при работе в активной зоне

;

мкс; мкс

Так для силовых транзисторов VT1 и VT2 в справочной литературе не указаны динамические характеристики, примем их неизменные времени большими из вероятных для класса диффузионных транзисторов (0,01ч0,3 мкс): мкс;

время включения и выключения оптрона соизмеримо с неизменными времени транзисторов и также обязано учитываться: мкс.

Расчет времени включения ключа будем проводить, приняв последующие допущения: ток базы VT6 изменяется по линейному закону за время , ток базы всякого из следующих транзисторов наращивается также линейно за время, равное времени включения предшествующего транзистора. Потому что относительная крутизна фронта базисного тока, ч=tв (i+1) /i где i — номер транзистора в ключе, для всех транзисторов принимаются такие значения, что >1, то время включения можно отыскать из непознаваемого уравнения

Результаты расчетов сведены в таблицу.

Параметр

Транзистор

VT6

VT5

VT3

VT2

VT1

kнас

1

1

1

1,5

1

i, мкс

0,016

0,016

0,005

0,3

0,3

0,132/0,005

=26,4

0,137/0,3

=1,32

0,437/0,3

=1,46

tв, мкс

0,116

0,132

0,137

0,437

0,737

Таковым образом, включение ключа происходит за время, не превышающее 0,737мкс. При определении времени отключения учтем, что оно складывается из времени включения транзистора VT4, которое можно считать равным времени включения транзистора VT3 (0,137мкс), времени запирания VT2 (tз2), времени рассасывания лишнего заряда VT1 (tр1), времени рассасывания VT2 (tр2).

Определим сначала запирающий базисный ток VT2

Iб2зап=4/10+20/30=0,4+0,6=1

Коэффициент запирания транзистора VT2

Kзап= (Iб2зап*h21э) /Ik2= (1*15) /0.4=3.75

Неизменная времени транзистора в режиме насыщения на порядок превосходит постоянную времени в активной зоне. Примем . Если представить, что VT2 закрывается безупречным импульсом базисного тока, то

С учетом времени нарастания тока, равного , получим

За время рассасывания VT2, базисный ток успевает достигнуть наибольшего значения, переходный процесс запирания VT2 соответствует реакции на безупречный импульс тока базы

Примем и, предполагая, что опосля запирания VT2 базисный ток имеет форму близкую к безупречному импульсу, получим

время запирания выходного транзистора ключа

Полное время отключения ключа

Оценим динамические утраты в выходном транзисторе ключа, считая за ранее, что частота ШИМ не превосходит 20 кГц. Утраты на этих перезарядах коллекторной емкости и добавочно утраты в течение времени рассасывания блокирующего диодика учтем коэффициентом припаса, равным

Падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер открытого ключа

UКЭ1=UБЭНАС1 + UБЭНАС2=4+4=8 В.

Утраты в открытом транзисторе без учета пульсаций тока:

Суммарные утраты мощности в выходном транзисторе в самом неблагоприятном режиме работы инвертора 50 не превосходит допустимых Ркдоп=50 Вт, что свидетельствует о работоспособности спроектированного ключа. Формирование полосы переключения следует использовать только с целью увеличения надежности инвертора.

4. Расчёт частей формирующих линию включения транзисторов

При включении ключа с элементами, формирующими линии движения переключения транзистора, время переключения определяется скоростью нарастания коллекторного тока, протекающего через дроссель L, оборотный диодик VD1 и транзистор VT1 в режиме насыщения,

,

где Iдоп — допустимое время таковым же, как в ключе без формирующих частей, найдем требуемую индуктивность дросселя, приняв

Емкость C2 обусловили из условия, чтоб время отключения ключа не превышало времени отключения без цепей формирования линии движения переключения

С2=

Примем C2=0,001 мкФ, сопротивление разрядного резистора

В качестве разрядного диодика VD3 избираем частотный диодик КД212А. Оценим времена разряда дросселя и емкости C2 опосля включения либо отключения ключа. При выполнении критерий, справедливых в нашем случае, эти времена можно найти так:

Как видно, отвод энергии, скопленной в реактивных элементах ключа, просит довольно огромного времени. Если к следующему переключению эта энергия не израсходуется на сто процентов, то цель введения формирующих частей не будет достигнута. Потому полное время включения и отключения ключа следует считать равным

5. Расчёт мощности резисторов

PR1=U2БЭ1max/R1=4/10=0,4 Вт

PR2=U2БЭ2max/R2=4/10=0,4 Вт

PR3=I2R3отп*R3= (0,406) 2*30=4,9Вт

PR4=U2R4/R4= (13,7) 2/470=0,3Вт

PR5= U2R5/R5= (0,7) 2/250=0,002Вт

PR6=U2БЭ5max/R6= (0,8) 2/160=0,004Вт

PR7=I2пр. сд*R7= (0,02) 2*180=0,072 Вт

PR8=U2п/R8= (380) 2/300=481Вт

МЛТ — 0,125 — 10 Ом5 — А ГОСТ 2825-67

МЛТ — 0,125 — 10 Ом5 — А ГОСТ 2825-67

МЛТ — 0,125 — 30 Ом5 — А ГОСТ 2825-67

МЛТ — 0,125 — 470 Ом5 — А ГОСТ 2825-67

МЛТ — 0,125 — 250 Ом5 — А ГОСТ 2825-67

МЛТ — 0,125 — 160 Ом5 — А ГОСТ 2825-67

МЛТ — 0,125 — 180 Ом5 — А ГОСТ 2825-60

ПЭВ — 100 — 300 Ом5 — А ГОСТ 6513-66.

Транзистор КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)809А

Диодик 2Д220Д

Оптопара диодная АОД101А

транзисторный преобразователь трехфазный асинхронный движок

Литература

1. Справочник по электронным конденсаторам под редакцией Карабанова В.И., Преснякова В.И.

2. Справочник по электронным машинкам Копылова Т.Г.

3. Рассказчиков Н.Г. «Электроника и полупроводниковые устройства системного управления». Методические указания к курсовому проектированию.

]]>