Методические указания по выполнению курсовой работы на тему: «Проектирование и расчет каскада управления двухфазным асинхронным двигателем»

Введение. В рамках данной работы необходимо приобрести первоначальные знания и навыки, необходимые для проектирования и расчета электрических цепей управления двухфазным асинхронным двигателем.

Постановка задачи. Расчет производится согласно заданным параметрам. Пример задания приведен в табл.1.

Таблица 1

Параметр	Обозначение	Значение параметра
Коэффициент усиления	Кус	3·104
Тип двигателя		АД-32Б
Напряжение питания системы	Uп сист.	40 В
Частота питающего напряжения	fр	400 Гц
Температура окружающей среды	Токр	333 К
Характер питающего напряжения для выходного каскада		Сглаженное

Альтернативный вариант характера питающего напряжения для выходного каскада – пульсирующее.

Параметры двигателя берутся из документации на двигатель (копии соответствующих документов можно получить у преподавателя). В качестве примера в табл.2 приведены основные параметры двигателя типа АД-32Б.

Таблица 2

Параметр	Обозначение	Значение параметра
Частота	fр	400 Гц
Напряжение возбуждения	Uвозб	40 В
Напряжение управления последовательное	Uупр посл	40 В
Напряжение управления параллельное	Uупр парал	20 В
Напряжение трогания двигателя	Uтрог	1 В
Полное сопротивление обмотки возбуждения	Rвозб	(77+j·121 ) Ом
Полное сопротивление обмотки управления	Rупр	(74+j·123 ) Ом
Мощность возбуждения	Рвозб	5.5 Вт
Мощность управления	Рупр	5.5 Вт
Cos  обмотки управления	Cos упр	0.5
Cos  обмотки возбуждения	Cos возб	0.5

Рекомендованная последовательность выполнения работы

Расчет усилительного каскада для управления двигателем проводится в 3 этапа:

1. Выбор конфигурации и расчет выходного каскада.

2. Выбор конфигурации и расчет цепи предварительного усиления и схемы подавителя квадратурной помехи.

3. Организация питания выходного каскада и цепи усиления.

1. Выбор конфигурации и расчет выходного каскада.

1.1.Выбор конфигурации выходного каскада.

С точки зрения уменьшения потерь предпочтительно выполнить выходной каскад по схеме, работающей в режиме В. Рекомендуется использовать двухтактный каскад па базе биполярных транзисторов. С учетом конструкции предлагаемых в задании двигателей (с двойной управляющей обмоткой) имеет смысл строить каскад по бестрансформаторной схеме, с включением дополнительного конденсатора параллельно управляющей обмотке.

В соответствии с изложенным схема каскада может иметь вид, представленный на рис.1.

Рис.1

Здесь изображен двухтактный каскад усиления, транзисторы включены по схеме с общим эмиттером.

1.2.Выбор транзистора. Необходимо выбрать транзистор, который бы соответствовал требуемым электрическим характеристикам каскада.

Предпочтительно использовать кремниевые транзисторы, т.к. они имеют лучшие характеристики при работе в условиях повышенных температур.

Первичный выбор транзистора осуществляется по трём параметрам:

U_кэ-мaкс– максимальное (для данной схемы) значение напряжения на закрытом транзисторе,

P_{рас-мaкс} - максимальная (для данной схемы) мощность рассеяния на транзисторе,

I_к-макс. - максимальный (для данной схемы) ток через околлектор.

Допустимые значения соответствующих параметров выбираемого транзистора, приводимые в справочных материалах, должны быть строго больше указанных величин.

U_кэ-мaкс может быть рассчитано по формуле:

При сглаженном характере питающего напряжения для выходного каскада P_{рас-мaкс} рассчитывается по формуле:

При пульсирующем:

Для минимизации токов через транзисторы целесообразно ввести в схему конденсатор С_у такой величины, чтобы нагрузка каскада имела активный характер. Для этого контур, образуемый обмотками управления ОУ1, ОУ2 и конденсатором С_у, должен быть настроен в резонанс на рабочей частоте питающего напряжения.

Две обмотки управления со средней точкой можно рассматривать как автотрансформатор с коэффициентом трансформации n=0.5. Рассчитаем конденсатор С_пр, приведенный к одной обмотке, из условия резонанса с индуктивностью обмотки управления на рабочей частоте Для приведенной емкости получим:

Тогда для конденсатора С_у справедливо:

Рассчитаем максимальный ток через коллектор:

Для обеспечения большей линейности характеристик каскада рекомендуется выбирать R_э таким, чтобы максимальное падение напряжения на нем U_{Rэ max} равнялось (1 - 1,5) В:

R_э=U_{Rэ max}/I_к-max

По полученным значениям трёх основных параметров из справочника выбирается транзистор, удовлетворяющий условиям:

(5)

В качестве примера в таблице 3 приведены справочные данные на транзистор КТ815Г.

Таблица 3

Обозначение	Значение параметра	Описание
	30	Минимальный статический коэффициент передачи по току при Tк =298К
Iб-const, А	0.5	Постоянный ток базы
Iк-обр, мА	1	Обратный ток коллектора при Tк =373К
Iк-сonst, А	1.5	Постоянный ток коллектора
Pрас-доп, Вт	1	Мощность, рассеиваемая без теплоотвода при Tк =233-298К.
Pрас-т-доп, Вт	12	Мощность, рассеиваемая с теплоотводом при Tк =233-298К
Iб-макс, A	0.5	Максимальный ток базы
Uкэ-доп , B	80	Напряжение коллектор-эмиттер допустимое
Uкэ-нас, B	0,6	Напряжение коллектор-эмиттер насыщения
Uбэ-доп, В	5	Постоянное напряжение база –эмиттер при Tк =213-273К
Т, K	233-373	Температура окружающей среды
Тп-доп, К	398	Максимально допустимая температура перехода

Если допустимая мощность, рассеиваемая без теплоотвода, P_{рас-доп}, меньше, чем P_{рас-мaкс} , то потребуется применить теплоотвод (расчет см. ниже)

Многие параметры транзистора зависят от температуры. В данном примере допустимое значение температуры p-n-перехода транзистора: Т_п-доп =398 К , её нельзя превышать, т.е. следует задаться рабочей температурой перехода, исходя из условия:

Т_окр < Т_пр< Т_п-доп

т.е. для нашего случая: 333 К < Т_пр< 398 К.

Пусть Т_пр =373 К, тогда запас по температуре К.

Определим максимальный ток базы транзистора для данной схемы:

Максимальное напряжение база-эмиттер U_{бэ-макс} можно выбрать из диапазона:

Тогда максимальное значение входной мощности каскада :

1.3.Расчёт термических сопротивлений и площади теплоотвода. Рассчитаем уточненную мощность рассеяния на транзисторе с учетом наличия ненулевого напряжения U_кэ-нас на открытом транзисторе, а также тока утечки закрытого транзистора:

где P_доб- добавочная мощность, обусловленная током утечки закрытого транзистора.

Ток утечки равен обратному току коллектора I_к-обр, при выбранной рабочей температуре. Это значение берется из справочных данных (см. табл.3)

определяется как:

Теперь можно рассчитать требуемое термическое сопротивление «переход-среда»:

Далее, чтобы рассчитать требуемое термическое сопротивление «теплоотвод-среда» R_т-т-ср , следует учесть, что при размещении транзистора на теплоотводе R_т-п-ср определяется тремя составляющими: R_т-п-ср= R_т-п-к+ R_т-к-т+ R_т-т-ср,

где R_т-п-к- термическое сопротивление «переход-корпус», R_т-к-т- термическое сопротивление «корпус-теплоотвод», R_т-т-ср- термическое сопротивление «теплоотвод-среда». Если знать два первых слагаемых данного уравнения, то R_т-т-ср можно найти как

Из справочника известно термическое сопротивление «переход-корпус» R_т-п-к. Если оно не дано в явном виде (как в случае табл.3), то оно находится по максимально допустимой температуре перехода Т_п-доп и максимальной температуре, для которой дано значение P_{рас-т-доп} (см. правый столбец табл.3). В данном примере:

R_т-п-к= (Т_п-доп – 298К)/ P_{рас-т-доп}

Если транзисторы ставятся непосредственно на теплоотвод, без изолирующей прокладки, то термическое сопротивление «корпус-теплоотвод» находится в пределах:

,

При наличии прокладок:

Зная эти величины, рассчитываем требуемое термическое сопротивление «теплоотвод-среда»:

Далее находим требуемое значение площади теплоотвода по эмпирической формуле:

, где R_т-т-ср подставляется в К/Вт