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 Нсм

Момент інерції якоря 1,7кгсм2

Пусковий момент 65Нсм

Статичний момент тертя 3.5Нсм

Опір обмотки якоря 8.5Ом

Закон регулювання n/nп = 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; Uc0 - напруга на конденсаторі на

початку півперіоду (в момент зміни напрямку струму ip).

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 UR трикутної форми подвоєної частоти в ланцюг база - колектор транзистора VT. Ця напруга намагається відкрити транзистор. На протязі відрізку часу ti, коли Uб < UR транзистор відкритий (рис. 3.2, б) і через якір двигуна під дією напруги UR буде протікати відповідний струм.

У відповідності до діаграми (рис. 3.2, б) напруга UR в інтервалі

0< щt <р/2 дорівнює:

UR = kIу t

Тоді за умови Uб < UR (UR - амплітуда імпульсу напруги) тривалість імпульсу напруги, що буде прикладена до якоря двигуна,

Отже тривалістю імпульсу напруги ti на навантаженні можна керувати, змінюючи струм управління керованого дроселя або напругу Uб. 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 Кu >> 1.

Рис 3,3

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

Uke = 1.2Uaном =1.2·110 = 132B

Iкмакс = Iаном ? 1,2А

Вибираємо транзистор типу КТ851А з такими характеристиками:

Ukeмакс = 200В > 132В; Iкмакс = 2А > 1,2А

Pкмакс =25Вт; h21e мін =40; Ікб0 ? 1мА;

tр ? 2,6мкс; Uбемакс = 5В; Ібн = 50мА.

Для забезпечення нормальних умов роботи транзистора вибираємо

Необхідну величину опору резистора Rб для забезпечення режиму відсічки транзистора отримуємо за формулою:

Потужність на опорі:

Вибираємо по стандарту Rб - типу МЛТ-0,125-3кОм

Навантаженням колекторного ланцюга є обмотка якоря двигуна, тому:

Rк = Rа = 8,5Ом

Напруга живлення:

Ежив = 1,2Uaном = 1.2·110 = 132B

3.4.Розрахунок параметрів магнітного підсилювача та транс-форматора

Посільки рівень напруги URмакс = 3В , то використовуємо розділювальний трансформатор з потужністю

Ртр = Іб2насRб /зтр = (5010-3)2 3103/0,9 = 8,4Вт

В цьому виразі можна прийняти, що коефіцієнт корисної дії трансформатора зтр = 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:

Рмп=Рб/зтр=3/0,9=3,3 мВт

де Рб - максимальна потужність, що споживається резистором Rб;

зтр - 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.

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

де Hmax кз - напруженість в режимі короткого замикання (див.рис 3,5)

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

напруженість магнітного поля Нхх = 5 А/см.

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

ккр = 5

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

Hmax = ккрНхх = 55 = 25А/см =0,25А/м

Графічним шляхом за допомогою рис.3.5 визначаємо індукцію короткого замикання Вm кз = 0,1Тл.

Кутова швидкість двигуна

щ = 2рn = 23,143000 =18840рад/хв

Таким чином:

Згідно нормального ряду осердь (додаток 1 в [2]) вибираємо найближче осердя з геометрічними розмірами D1 / D2 / h типу ОЛ 16/20-2 (2шт)

Тоді уточнений об'єм осердя становить

Середня лінія осердя:

Тоді площа поперечного перерізу осердя

де Кзос =0,9 - коефіцієнт заповнення загального перерізу осердя сталлю.

Середнє значення довжини одного витка робочої обмотки lр ср та обмотки управління lу ср (див. рис. 3.6) визначаємо за формулами:

де ч = 5мм - припуск на кути.

Кількість витків робочої обмотки змінного струму розраховуємо за формулою:

де =0,0175 Оммм2/м (для меди)

J=2 - нормована щільність струму [1].

Приймаємо початкове значення струму Іу макс =1мА. Тоді число витків обмотки управління визначаємо за формулою:

Напруженість Ну макс знаходимо графічним методом (рис. 3.5) як напруженість управління, що зумовлює режим Нмакс 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:

R1М 0,05 = 9,3 Ом/м R1М 0,03 = 24,7 Ом/м

Довжина обмотки управління:

lУ = lУср wУ =0,036 = 0,18м

Довжина робочої обмотки:

lР = l Рср wУ =0,02128 = 0,59м

Активний опір обмотки управління:

RУ =R1М lУ = 24,7 0,18 = 4,45Ом

Активний опір робочої обмотки :

RР =R1М lР = 9,3 0,59 = 5,48 Ом

Приведений до ланцюга управління опір робочої обмотки:

R/Р = 2RР(WУ / WР)2 = 25,48(6/28)2 =0,5Ом.

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

ZУ =

Звідси :

ХУ =

Знаходимо індуктивність дроселя:

Визначаємо падіння напруги на індуктивній ланці робочої обмотки:

UL = 4.44fWPSBXX =4.4428500,0161,45 =144В,

де f =50Гц - частота живлення робочої обмотки;

S = (D2 - D1)h = (20 -16)4 = 16мм2 - площа поперечного перерізу стрижня магнітопроводу;

Вхх - 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.