4. Электрическая принципиальная схема

4.1. Расчет выходного импульсного каскада

Согласно заданию на курсовое проектирование, необходимо выбрать элементы П-схемы выходного каскада, обеспечивающие реверс двигателя в соответствии со знаком сигнала на выходе системы стабилизации температуры.

Рисунок 4.1.1 - Схема выходного каскада

Рисунок 4.1.2 – Импульсный режим работы двигателя

Двигатель постоянного тока питается через мощные транзисторы. Для безопасной работы выходного каскада необходимо правильно выбрать транзисторы мощного каскада, исходными данными для выбора которых являются напряжение питания и ток якоря. При этом необходимо учесть импульсный режим работы двигателя (рисунок 4.1.2).

Можно производить расчёт графическим методом и разложением функции в ряд Фурье. Второй способ предпочтительнее, т.к. даёт более верный результат.

На рисунке 4.1.2 штриховая линия изображает напряжение U_n и ток I_непр, которые необходимо приложить к двигателю, чтобы он развил номинальную мощность, и эти номинальные величины приводятся в справочных данных двигателя. Пауза вводится для того, чтобы подготовиться к формированию очередного импульса. Амплитуда импульса U_v должна быть больше в сравнении со значением U_n. При t_n = 0,2 T получаем, что для несимметричного закона управления

(4.1.1)

Напряжение нагрузки:

(4.1.2)

Амплитуда импульсов:

(4.1.3)

Найдем напряжение, которое необходимо подавать на усилительный каскад:

(4.1.4)

Принимает согласно ГОСТу стандартное значение .

Найдем ток, который должен выдерживать транзистор:

(4.1.5)

Напряжение, которое должен выдерживать транзистор:

В, (4.1.6)

где К – коэффициент запаса, К=(1,1…2)=1,1.

Согласно стандарту, принимаем

Величина периода коммутации ключей Т () оказывает большую роль на энергетические и качественные показатели системы. Считается, что при импульсном управлении поведение двигателя практически будет мало отличаться от линейного при выполнении следующего условия:

(4.1.7)

Т_я находится в пределах 0,0002-0,008 с. Зададимся Т_я = 0,0002 с, тогда f_ком = 5000 гЦ.

Если частоту уменьшить, то становятся заметны рывки скорости. При больших частотах возрастают потери на гистерезис в элементах двигателя, а так же в ключах схемы.

Тогда период следования тактовых импульсов будет равен

, (4.1.8)

где Т – период импульсов, для данного двигателя Т = 0,0002 с.

По произведенным расчетам выбираем транзисторы VT1-VT4, характеристики которых приведены в таблице 4.1.1

Таблица 4.1.1

Параметры транзисторов

Тип прибора	Струк-тура	IК А	UКЭ нас В	UКЭ доп В	h21Э	Pдоп Вт	fгр МГц
2Т709В2	p-n-p	20	60	60	60	30	5

Найдём R_н и Rя для пускового и номинального режима

Ом (4.1.9)

Ом (4.1.10)

Рассчитаем значения T и t_и.

Зададимся 10% уровнем пульсации. Эквивалентную схему якоря представим в виде рисунка 4.1.3.

jωL_я

R₂

Рисунок 4.1.3 - Эквивалентная схема цепи якоря

Сопротивление этой цепи равно:

, (4.1.11)

где .

Индуктивность цепи якоря рассчитаем по формуле:

Гн, (4.1.12)

где β – коэффициент, который для двигателей без компенсации принимается равным 0,6-0,8;

U – напряжение питания двигателя;

ρ – число полюсов, принимаем равным 2;

ω_н – угловая скорость вращения, рад/с (рад/с);

I_я – номинальный ток в цепи якоря.

Длительность ШИМ импульсов рассчитаем по формуле:

с, (4.1.13)

где I_нач = 1.20.9 = 1.08 А;

I_кон = 1,11.2 = 1.32 А;

А.

Величину С_е найдем по формуле

(4.1.14)

с. (4.1.15)

. (4.1.16)

При сохранении величинаU_ср независима от Т, что обеспечивает постоянство угловой скорости двигателя.

В (4.1.17)

Возможен другой подход к расчёту Т.

В качестве критерия берутся дополнительные потери мощности. Окончательная формула для расчёта имеет вид:

(4.1.18)

Максимальные потери будут при =0,5, т.е.

(4.1.19)

Проведя перевод к относительным величинам, минимизируя выражения получим формулу для расчёта величины Т при условии минимальных потерь:

с (4.1.20)

При условии максимальных потерь

с (4.1.21)

Наиболее оптимальный метод расчёта - разложение в ряд Фурье

Мощность, рассеиваемая транзистором:

(4.1.22)

В пусковом режиме Е = Е_пит = 60 В, t_и - длительность импульсов и для пускового режима t_и ≈ 0,8·Т = 0,8·0,0002 = 0,00016 с.

Временной параметр t_s является суммой:

t_s = t_ф + t_с, (4.1.23)

где t_с - время размыкания ключа;

t_Ф – время замыкания ключа.

(4.1.24)

(4.1.25)

где - время пролета неосновных носителей в области базы,

-открывающий и закрывающий токи базовой цепи ключа;

(4.1.26)

(4.1.27)

, (4.1.28)

где - коэффициент принимают в пределах 1,3 <К < 5, принимаем К = 4.

Закрывающий ток выбираем равным, тогда

.

Подставив значения в выражение 4.1.22 получаем:

.

Так как рассчитанная величина рассеиваемой мощности удовлетворяет условию Р_тр < Р_доп, то расчет произведен корректно.

Площадь теплоотвода, S_рад:

(4.1.29)

где - коэффициент, характеризующий радиатор, для алюминия чернёного;

- максимальная температура среды, эта величина равна 20°С;

- тепловое сопротивление переход-корпус, ;

- тепловое сопротивление корпус-радиатор, можно принять , при условии применения шлифовки контакта корпус-радиатор, различных паст, медных шайб.

Выбираем диоды VD. Они должны выдерживать те же U_доп, I_мах, что и VT. Эти диоды предназначены для защиты П-образной схемы от сквозных токов и рекуперации.

Рассчитаем мощность диода P_д:

(4.1.30)

Компоненты в формуле те же, что были использованы для расчеты транзисторов.

Выбираем по полученным данным пару диодов, параметры которых приведены в таблице 4.1.2

Таблица 4.1.2

Параметры элементов

Диод	IК А	UКЭ доп В	T, C	fгр кГц
КД2995В	30	70	40	50