Сборник 70 студ конференции БГТУ

621

Advanced RISC Machine – усовершенствованная RISC-машина) Cortex-M4 32разрядном RISC-процессоре (англ. Reduced instruction set computer –

компьютер с сокращённым набором команд), который размещён на отладочной плате Discovery. Написание и отладка программ для микроконтроллера производится в мощной интегрированной среде разработки u-Vision производства компании Keil.

Данное устройство нужно для того, чтобы не испытывать микропроцессорную систему управления на самом преобразователе, где есть большие напряжения и токи, во избежание каких либо повреждений конструкции, а отладить работу системы управления на модели, которая является низковольтной схемой замещения преобразователя, имеющей такие же параметры с точки зрения теории автоматического управления.

Работа выполнена под руководством к. т. н., доц. А.И. Андриянова

Москоленко Д.А., Шауро В.А. ЭЛЕКТРОПРИВОД С АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ И

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ AСSM1

Объект исследования: электропривод с асинхронным двигателем и преобразователем частоты aсsm1

.Результаты, полученные лично авторами: осциллограммы переходных процессов при различных конфигурация и параметрах электропривода.

Электропривод, выполненный по схеме "преобразователь частоты – асинхронный двигатель", в настоящее время получил широкое применение в силу своих бесспорных достоинств. В данной работе на лабораторной установке исследован электропривод с двигателем мощностью 2,2 кВт и преобразователем частоты ACSM1-04.

Было проделано несколько опытов по запуску асинхронного двигателя с преобразователем частоты: разгон без нагрузки, движение на холостом ходу, движение под нагрузкой, движение на холостом ходу и торможение без момента сопротивления. При скалярном управление сразу был выявлен существенный недостаток: если не установлен датчик скорости нельзя управлять скоростью вращения вала, так как она зависит от нагрузки, в этом случае расчет скорости идет по математической модели. Под нагрузкой реальная скорость двигателя может отличаться от расчетной более чем на 10%. Также нет возможности управлять моментом.

Запуск двигателя при прямом управление моментом (DTC) также проводился с использованием энкодера и при его отключении. Опыт показал, что реальная скорость двигателя без использования энкодера имеет меньше колебаний. После этого был настроен регулятор при различных коэффициентах пропорционального, интегрального и дифференциального звена. Моделирование показало: при увеличении коэффициента пропорционального звена момент на валу двигателя начинает колебаться значительно сильнее. Таким образом можно сказать, что чем больше

622

коэффициент усиления, то есть, чем больше разница между входом и выходом, тем меньше наша статическая ошибка. Но рост этого коэффициента может привести к автоколебаниям в системе, а дальнейшее его увеличение приведет к потере устойчивости. Следующий опыт проводился при добавлении интегральной составляющей к сигналу пропорционального регулятора (ПИ-регулятор). По результатам этого опыта сделан вывод: введение интегральной составляющей уменьшает быстродействие и снижает ошибку. Последний запуск осуществлялся при введении дифференциальной составляющей к П-регулятору. В этом случае не удалось запустить двигателя, так как введение дифференцирующего звена приводит к неустойчивой работе привода, что проявилось в больших колебаниях момента на валу двигателя и, по этой причине, в громких звуках, доносившихся сто стороны привода.

Работа выполнена под руководством доц. А.А. Пугачева

А.А.Павлов УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Объект исследования:процессы ультразвуковой сварки в микроэлектроники

Результаты, полученные лично автором:исследование и анализ процессов происходящих при использованииультразвуковойсварки

Стабильная работа колебательных систем дает разброс в прочности сварных соединений не более, чем это наблюдается при использовании других видов сварки.

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или при пластическом деформировании, или совместным действием того и другого.

Ультразвуковая сварка характеризуется весьма ценными технологическими свойствами: возможностью соединения металлов без снятия поверхностных пленок и расплавления, особенно хорошей свариваемостью чистого и сверхчистого алюминия, меди, серебра. Возможностью соединения тончайших металлических фольг со стеклом и керамикой.

Технологическое оборудование для ультразвуковой сварки, применяемой в микроэлектронике, независимо от физико-механических

свойств свариваемых материалов, имеет одну структуру и состоит из следующих узлов: источника питания, аппаратуры управления сварочным циклом, механической колебательной системы и привода давления.

В настоящее время все больше и больше предприятий микроэлектроники используют ультразвуковую сварку для своих целей, так как она дает много преимуществ над другими видами сварки.

Одним из важных преимуществ УЗС является возможность получения надежных сварных соединений, обладающих высокими эксплуатационными

623

характеристиками, без предварительной обработки поверхностей перед сваркой.Проведенные эксперименты над зависимостью сварного шва от свариваемой поверхности, указывают на возможность получения равнопрочных сварных соединении металлов с обезжиренными поверхностями и поверхностями, покрытыми жировыми пленками.Независимо от исходного состояния поверхности, можно получить высокопрочные соединения с незначительным отклонением его от среднего значения разрушающей нагрузки.

Установлено, что характер покрытия и его толщина оказывают значительное противодействие образованию неразъемного соединения металлов.

В будущем можно ожидать, что метод УЗС будет использован при сварке металлов, образующих хрупкие интерметаллические соединения, для приварки микродеталей, что сильно увеличит интеграцию,а тем самым и КПД всей микросхемы.

Работа выполнена под руководством доц. М.Ю.Некрасовой

Пивторак А.И., Шелков Н.Н. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНЧЕСКИХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ MATLAB/SIMULINK

Объекты исследования: двухполупериодный выпрямитель, однофазный автономный инвертор напряжения.

Результаты, полученные лично авторами: разработаны математические модели, позволяющие исследовать особенности функционирования двухполупериодного выпрямителя со средней точкой при различных нагрузках и автономного инвертора напряжения.

В данной работе рассматриваются математические модели и блокдиаграммы электротехнических систем, созданные с использованием средств

Matlab/Simulink.

Была построена математическая модель двухполупериодного выпрямителя со средней точкой с RL-нагрузкой. Моделирование проводилось в штатных и нештатных режимах. В первом случае, при корректной работе двух диодов, на нагрузке получаем кривые выпрямленного тока и напряжения. При пробое одного из диодов происходит короткое замыкание с возрастанием обратного тока и часть выпрямленного напряжения с рабочего диода поступает в нагрузку. Со временем происходит пробой второго диода, аварийный ток при этом в нагрузку не проходит и течет через источник и пробитые диоды. Далее в качестве нагрузки был взят двигатель постоянного тока. В результате пробоя двух диодов выпрямителя наблюдаем падение угловой скорости вследствие снижения электромагнитного момента.

Однофазный автономный инвертор напряжения был смоделирован выходными сигналами. В результате моделирования были сравнены графики тока на RL-нагрузке с однократной коммутацией инвертора на периоде и с

624

использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При увеличении несущей частоты ШИМ форма тока нагрузки приближается к синусоидальной. Средствами Matlab/Simulink выполнен гармонический анализ графика тока.

Благодаря моделированию мы могли наблюдать работу электротехнических устройств в штатных и аварийных режимах, что улучшило наше понимание происходящих процессов.

Работа выполнена под руководством проф. Федяевой Г.А.

Поша С.А.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ДВУХ- И ТРЕХУРОВНЕВЫМИ ИНВЕРТОРАМИ

Объекты исследования: электроприводы с автономными инверторами напряжения.

Результаты, полученные лично автором: смоделированы двух- и трехуровневые автономные инверторы напряжения, получены графики выходных токов и напряжений, графики частоты вращения и момента асинхронных двигателей, выявлены достоинства и недостатки каждого из сравниваемых инверторов.

Всовременных производственных механизмах, электропривод является одним из элементов, определяющих технологические возможности и надежность функционирования механизмов. Преобразователь частоты, главным образом, определяет наиболее важные показатели и характеристики электроприводов, такие, как массогабаритные, энергетические, регулировочные и стоимостные.

Впоследние годы в электроприводе в качестве автономных инверторов напряжения начали активно применять трехуровневые инверторы. Основной целью применения является улучшение гармонического состава выходных напряжений и токов, а также уменьшение пульсаций моментов и потокосцеплений при реализации систем прямого управления моментом.

По отношению к двухуровневому инвертору напряжения, который способен генерировать только 8 векторов напряжения, трехуровневый инвертор имеет 27 состояний. Если в схеме применены конденсаторы, имеющие равные значения емкости, то напряжения между ними распределяется поровну. В этом случае некоторые вектора напряжений совпадают друг с другом, в результате чего остается 19 эффективных векторов.

Векторы напряжения можно условно поделить на 4 группы в зависимости от амплитуды. Большие векторы образуются путем подключения всех трех фаз к положительной или отрицательной шине питания p или n (кроме случая, когда все три плеча соединены в одной точке). Средние векторы напряжения – это векторы, образуемые при подключении одной фазы к средней точке о, две другие фазы подключаются

кположительной p и отрицательной n шинам питания соответственно.

625

Одновременное подключение двух фаз к одной и той же точке, а третьей фазы – к соседней, образует группу маленьких векторов. Нулевые вектора – это вектора, генерируемые инвертором при одновременном подключении всех трех фаз к одной и той же точке. Нулевой вектор не имеет напряжения. Особенностью такой конфигурации трехуровневого инвертора является то, что группа маленьких векторов может быть образована двумя различными комбинациями управляющих функций.

Работа выполнена под руководством доц. А.А. Пугачева

Сморудова Т.В. МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАНЕВРОВЫХ ЛОКОМОТИВОВ

Объект исследования: комплексная математическая модель многодвигательного асинхронного тягового электропривода.

Результаты, полученные лично автором: исследованы динамические процессы при различных способах регулирования, проанализировано влияние на динамические процессы разброса параметров двигателей.

В данной работе рассматривается комплексная математическая модель, включающая модели электрической и механической подсистем, позволяющая проводить моделирование и анализ динамических процессов асинхронного тягового электропривода.

По экономическим соображениям и условиям размещения часто применяют потележечное регулирование электропривода локомтивов, при котором двигатели в пределах тележки питаются от одного инвертора и регулируются совместно. Для реализации предельных тяговых усилий необходимо так регулировать скорость двигателя, приведенную к скорости локомотива, чтобы обеспечить максимальный коэффициент сцепления. При совместном регулировании степень использования потенциальных условий сцепления существенно зависит от способа управления двигателями.

При управлении по переменным состояния двигателей первой оси эта ось регулируется на пределе по сцеплению. Электромагнитный момент второго двигателя при этом выше заданного, так как второй двигатель, работая по той же механической характеристике, вращается медленнее и развивает больший электромагнитный момент. В случае управления по переменным состояния двигателя второй оси эта ось регулируется на пределе по сцеплению в соответствии с заданием и реализует больший электромагнитный момент, и, как следствие, большую силу тяги. Но двигатель первой оси попадает на падающий участок характеристики сцепления, в результате чего возникают колебания электромагнитного момента, что ведет к колебанию скорости колес и повышенным динамическим нагрузкам.

Для дальнейшего анализа было рассмотрено влияние на динамические процессы разброса параметров двигателей. Основным параметром для анализа влияния разброса было выбрано сопротивление статора второго

626

двигателя. При управлении по переменным состояния двигателя первой оси изменение сопротивления ведет к пропорциональному изменению момента и силы тяги. При управлении по переменным состояния двигателя второй оси разброс параметров двигателей увеличивает колебания момента и динамические нагрузки.

Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ (НИР № 1633 (06/62) «Прогнозирование динамических процессов в электромеханотронных системах»).

Работа выполнена под руководством проф. Федяевой Г.А.

П. И. Халитов РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ

ПРЕЦИЗИОННОГО РЕГУЛИРУЕМОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ТИПА C

ПОВЫШЕННОЙ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ

Объект исследования: интегральная микросхема прецизионного регулируемого стабилизатора напряжения параллельного типа c повышенной радиационной стойкостью.

Результаты, полученные лично автором: проведена разработка конструкции полупроводниковой интегральной схемы и приведены методы для достижения повышенной радиационной стойкости.

Микросхема предназначена для применения в различных источниках вторичного питания радиоэлектронной аппаратуры специального назначения в качестве термокомпенсированного источника опорного напряжения.

Использование 3-х выводного прецизионный параллельного стабилизатора с улучшенной температурной стабильностью дает возможность установки любого значения выходного напряжения в диапазоне от

Uref ( 2.47…2.52) В до 30В, с помощью всего двух внешних резисторов. Стабилизатор параллельного действия использует регулирующий

элемент (транзистор), включенный параллельно нагрузке. Если напряжение на нагрузке падает, то шунтирующий нагрузку регулирующий элемент уменьшает свою проводимость, заставляя тем самым больший ток протекать через нагрузку, если напряжение на нагрузке растёт, то больший ток будет протекать через регулирующий элемент.

Для повышения радиационной стойкости и обеспечения стабильности показателей качества интегральной схемы после воздействия проникающей радиации используются вертикальные p-n-p и n-p-n транзисторы которые изготавливается по технологии КСДИ (кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией). Это позволит существенно снизить негативное влияние радиации на стабильность параметров микросхемы, кроме того замена изоляции p-n переходами на изоляцию диэлектриком уменьшает паразитные связи между элементами микросхемы, что положительно сказывается на быстродействии изделия.

627

Исследуемая тема является актуальной для предприятия Брянской области - ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ», одним из перспективных направлений деятельности которого является выпуск интегральных схем специального назначения. Результатом исследования явился выбор приемлемой технологии для изготовлении интегральной схемы с повышенной радиационной стойкостью.

Работа выполнена под руководством доц. А. А. Малаханова

В.В. Шведов

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЛИМЕНТАРНОЙ ПАРЫ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Биполярные транзисторы являются основными полупроводниковыми приборами современной твердотельной электроники. В настоящее время они занимают первое место по выпуску и использованию в аппаратуре. Эти транзисторы имеют очень широкий спектр параметров.

При воздействии радиации на транзисторы в них возникают различного рода эффекты, которые можно разделить на три группы.

Во-первых, это так называемые необратимые радиационные эффекты, вызванные дефектообразованием в объеме кристалла.

Во-вторых, это необратимые радиационные эффекты за счет дефектообразования на поверхности полупроводникового кристалла. Кроме того, радиация может приводить к изменению свойств материала вблизи поверхности. Эти дефекты существуют достаточно долгопо сравнению со сроком службы приборов.

В третьих, это так называемые обратимые эффекты, возникающие в полупроводниках под действием ионизационных потерь излучения.

Сточки зрения разработки интегральных схем, устойчивых к радиации, интересно рассматривать два основных типа излучений:

1.Ионизирующая радиация, т.е. рентгеновские лучи и гамма-лучи.

2.Нейтронное излучение.

Каждый из этих типов излучений оказывает различное влияние на полупроводниковые устройства и характеристики схем, поэтому для повышения радиационной устойчивости ИС необходимо применять специальные технологические процессы, использовать дополнительные устройства и некоторые схемные решения:

1.Минимизация площади p-n переходов.

2.Использование транзисторов с тонкой базовой областью.

3.Обеспечение высокого исходного значения коэффициента усиления β.

4.Обеспечение высокой поверхностной концентрации примесей во всех областях p-типа.

5.Устранение по возможности МОП транзисторов

6.Применение тонкопленочных резисторов вместо диффузионных

630

Результаты, полученные лично автором: рассмотрены перспективы использования производства сжатого воздуха поршневыми ВМ.

Иногда, сжатый воздух называют «четвертым видом энергии». Несмотря на не столь широкое распространение, как электричества, бензина и газа, применение сжатого воздуха занимает значительное место, в современном мире. Основным отличием применения сжатого воздуха является его производство пользователями, непосредственно, на месте использования. Соответственно, пользователь имеет возможность выбирать метод сжатия воздуха.

Зачастую, важность применения сжатого воздуха недооценивается. В действительности, сжатый воздух играет большую роль, в промышленности и общем развитии современной цивилизации. В настоящее время, большинство используемых товаров не может быть изготовлено, без его использования. В промышленности, применение сжатого воздуха составляет около 10% от всего количества потребляемой энергии.

Сжатый воздух получается с помощью различного типа компрессоров. Компрессоры низкого давления называют вентиляторами и применяют для перемещения и подачи воздуха в калориферы сушильных установок, воздухоподогреватели, топки, а также для преодоления сопротивления движению газов, чтобы обеспечить тягодутьевой режим в различных установках.

В поршневых компрессорах поршни совершают возвратнопоступательные движения в цилиндрах. Поршни, как правило, приводятся в движение при помощи кривошипно-шатунного механизма. На одном колене коленчатого вала могут располагаться до пяти шатунов. Всасыванием и выпуском воздуха управляют автономно открывающиеся и закрывающиеся клапаны.

Существуют поршневые компрессоры с одним или несколькими цилиндрами, оппозитные, с V, W-образным или с L-образным расположением цилиндров, с одной или несколькими ступенями сжатия.

Компрессорные установки выполненные на базе поршневых компрессоров предназначены для производств, в которых потребителям воздуха требуется воздух высокого давления и в небольшом количестве (при малых расходах). Для повышения давления воздуха используется многоступенчатые компрессоры. После каждой ступени могут быть установлены промежуточные холодильники.

Повышение температуры связано с повышением давления. Для маслозаполненных воздушных компрессоров максимально допустимое повышение давления в ступени сжатия ограничивается максимально допустимым значением температуры сжатого воздуха на выходе из компрессора. Верхний предел температур, в зависимости от режима работы, в соответствии с Германскими Правилами Безопасной Эксплуатации (UVV, VBG 16), составляет от 160 до 220ºС.