Курсовая работа на тему «Разработка транзисторного преобразователя и схемы управления двигателем АИР71А2»

Для современного этапа научно-технического прогресса свойственно непрерывное совершенствование элементной базы электроники в устройствах измерения, обработки информации и управления.

Скачать пример Заказать работу Скачать пример Заказать работу

По предмету «Электронные устройства систем автоматизации»

Разработать транзисторный преобразователь и схему управления двигателем АИР71А2, ключевые элементы — транзисторы, напряжение питания 220В.

Выбираем электродвигатель

АИР71А2

M = 2,6Нм

U = 220 В

I = 1,3 А

n = 3000 об/мин

P = 0,75 кВт

КПД = 79%

Широкое применение микросхемотехники привело к развитию нового этапа комплексной автоматизации — гибким автоматизированным производствам, управление которыми основано на широком применении микропроцессоров и микроЭВМ. Электроника и микросхемотехника обеспечивают автоматизированное управление технологическими процессами, научными исследованиями, отдельными объектами.

Серия АИР имеет исполнение для использования в разных климатических условиях. Применяются в электрических приводах, которые не требуют систематической регулировки частоты вращения вала. Чаще всего такие двигатели применяют в насосах, различных редукторах, вентиляторах.

1. Анализ схемной реализации устройства

Транзисторные преобразователи для управления трехфазным асинхронным двигателем.

Нужна помощь в написании курсовой?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

Принципы построения и управления.

Принципиальная схема двигателя приведена на рисунке ниже

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

Для ЭМС переменного тока необходим синусоидальный источник питания, с возможностью изменения величин (частот, амплитуд, фаз, форм напряжений), что реализуется с помощью преобразовательных устройств, в качестве которых используются автономные инверторы.

Поскольку, кроме частоты и амплитуды, управляющими переменными могут быть так же фаза и форма питающих напряжений, применяются автономные инверторы с широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону.

Для управления двигателями широко применяются широтно-импульсные транзисторные преобразователи различного типа, например, реверсивный широтно-импульсный преобразователь

Транзисторы в преобразователях работают в ключевом режиме с целью максимального использования допустимой мощности вентиля.

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

Возможны два варианта управления транзисторным мостом: симметричное и несимметричное.

В первом случае к нагрузке прикладывается разнополярное напряжение, во втором знакопостоянное.

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

дискретность регулирования;

влияние параметров преобразователя на статические характеристики электродвигателя;

прерывистость тока обмотки якоря при малых моментах нагрузки.

Нужна помощь в написании курсовой?

Заказать курсовую

Важной особенностью транзисторов является то, что они могут работать на более высоких частотах, чем тиристоры. По сравнению с тиристорами транзисторы легко закрываются, что исключает необходимость применять специальные схемы искусственной коммутации и этим существенно упрощают управление преобразователем.

2. Статический расчёт транзисторного ключа

Максимальный ток коллектора выходного транзистора VТ1 определяется максимальным током фазы

I_k₁_max=I_max=1,3А.

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

U_эк1_max=U_п=220 В

Выберем транзистор типа КТ809А (n-p-n), имеющий статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h21эmax=15…100 и следующие предельно допустимые параметры: I_kmax=3A, U_эк_max=400 В.

С целью повышения 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 больших коэффициентах форсировки скважность отпирающих импульсов, поступающих на ключ, мала, и максимальное значение среднего тока, протекающего через обратный диод VD1, равно току фазы I_ср_max=_I_ф_max=1,3А. Максимальное обратное напряжение диода равно напряжению питания инвертора U_обр_max=U_п=380 В.

В качестве обратного диода выбираем высокочастотный диод типа 2Д220Д со следующими предельно допустимыми параметрами U_обр_max=400В, I_ср_max=3А.

С учётом максимального напряжения насыщения база-эмиттер транзистора VT1 U_бэнас=4В определим максимальный ток коллектора транзистора VT2 в режиме насыщения

I_k₂_max=I_б1+I_R₁=I_k₁_max/h₂₁_max + U_бэнас/R₁ = 1,3/100 + 4/10 = 0,413А

Максимальное напряжение на запертом транзисторе VT2 равно напряжению питания инвертора U_кэ_max=380 В. В целях унификации типов силовых транзисторов в качестве VT2 выбираем транзистор КТ809А.

Сопротивление резистора R2 примем равным 10 Ом.

Нужна помощь в написании курсовой?

Заказать курсовую

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

I_R_3отп=I_б2+I_R₂=K_нас*I_k₂_max/h_12э2_max+U_бэ2нас/R2=1,5*0,413/100+4/10=0.406 А,

где К_нас=1,5.

Напряжение отпирающего источника U_п1 определим следующим образом. При включении оптрона транзисторы VT6 и VT5 из состояния отсечки переходят в активный режим работы, а напряжение U_эк5 составляет несколько вольт (насыщение VT6 и VT5 недопустимо по условиям максимального быстродействия фотоусилителя). При этом напряжение на выходе эмиттерного повторителя на транзисторах VT3 и VT4: U_эп=U_п1-U_эк5-U_бэ3 должно превышать U_бэ1нас+U_бэ2нас на величину, достаточную для создания в сопротивлении R3 требуемого тока. Таким образом,U_п1 должно быть больше:

U_бэ1нас+U_бэ2нас+U_кэ5+U_бэ3=4+4+3+1=12В.

Примем Uп1=24В,Uп2=-24В — напряжение питающего источника. Транзистор VT3 выбираем по максимальному току коллектора I_k₃_max=I_R_3отп=0,406 А и максимальному обратному напряжению U_k₃_max=2U_п1=48В.

В целях унификации выбираем транзистор КТ809А. Зная ток эмиттера VT3, при отпирании составного транзистора, определим ток базы

I_бэ3=I_R_3отп/ (h_21э3_min+1) =0.406/16=0.027=27мА

ЗадаваяU_эк3=3В, определим сопротивление резистора R3, необходимое для отпирания составного транзистора.

R3= (U_п1-U_эк5-U_бэ3-U_бэ1нас-U_бэ2нас) /I_R_3отп= (24-3-1-4-4) /0,406=29,5 Ом

Выбираем из номинального ряда R3=30 Ом.

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

I_б13=K_зап (I_k₁_max/ (h_21э_min+1)) =1*1.3/16=0.08А.

Этот ток складывается из тока активного и пассивного запирания:

Нужна помощь в написании курсовой?

Подробнее

I_б1зап=I_б1пас+I_б1акт=U_бэ1нас_min/R1+ (-U_эпзап+U_бэ1нас_min-U_д2) /R3.

Выбирая в качестве VD2 высокочастотный диод 2Д220Д, имеющий следующие предельно допустимые параметры: I_пр_max=3А, I_имп_max=60А, U_обр_max=400В и прямое падение напряжения U_д2, не превышающее 1В, найдём:

U_эпзап=- ( (I_б1зап*R1*R3-U_бэ1нас_min*R3+ (U_бэ1нас_min-U_д2)) /R1) =

=- (0.08*10*30-4*30+ (4-1)) /10=-9.3В

Транзистор VT4 выбираем по максимальному току коллектора и максимальному обратному напряжению

I_k₄_max=I_б1акт= (-U_эпзап+U_бэ1нас_min-U_д2) /R3= (9,3+4-1) /30=0,41А, U_эк4_max=48В.

Выбираем транзистор КТ809А. При запирании VT4 переходит в активный режим и его ток базы равен:

I_б4=I_б1акт/ (h_21э4_min+1) =0,41/16=0,03А

При этом U_эб4=1В, а падение напряжения на сопротивление R4 равно

U_R₄=U_эпзап-U_эб4+U_п2=-9,3-1+24=13,7В

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

R4=U_R₄/I_б4=13,7/0,03=457 Ом

Сопротивление R7 рассчитывается из условия получения заданного прямого тока светодиода I_прсд=0,02А.

R7= (U_п3-U_о-U_прсд) /I_прсд= (5-0,3-1,25) /0,02=172,5 Ом, принимаем 180 Ом.

Нужна помощь в написании курсовой?

Подробнее

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

I_фд=I_б6=K_II_прсд=0,2мА

В качестве транзисторов VT5 и VT6 фотоусилителя выберем высокочастотные транзисторы типа КТ809Асо следующими параметрами:

I_к_max=3А, U_эк_max=400В, h_21э6=15…100.

Определим токи коллектора и эмиттера VT6 при включении ключа

I_кб=h_21э6_min*I_б6=15*0,2=3мА, I_эб= (h_21э6_min+1) *I_б6= (16) *0,2=3,2мА

Ток базы транзистора VT3

I_б3=I_R_3отп/ (h_21э3_min+1) =0,406/16=25мА

Ток, протекающий через R4:

I_R₄= (U_п1-U_эк5-U_п2) /R4= (24-3+24) /470=95мА

Ток коллектора транзистора VT5

I_к5=I_б3+I_R₄-I_эб=25+95-3,2=117мА

Ток базы транзистора VT5 и соответствующее ему падение напряжение на переходе база-эмиттер.

I_б₅=I_k5/h₂₁_э_5min=117/15=8mA; U_эб₅=0,8В

Нужна помощь в написании курсовой?

Подробнее

R6=U_эб5/ (I_эб-I_б5) =0.8/ (8-3,2) =160 Ом

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

U_эк6+U_R₅=U_эк5-U_эб5=3-0,8=2,2В

Для нормальной работы VT6 в режиме усиления должно быть не меньше 1,5В, следовательно,U_R₅=2,2-1.5=0.7В. Зная ток I_R₅, 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.

Собственные постоянные времени транзисторов при работе в активной зоне

;мкс

Так для силовых транзисторов VT в справочной литературе не указаны динамические параметры, примем их постоянные времени наибольшими из возможных для класса диффузионных транзисторов (0,01÷0,3 мкс): мкс;

Время включения и выключения оптрона соизмеримо с постоянными времени транзисторов и также должно учитываться: мкс.

Расчет времени включения ключа будем проводить, приняв следующие допущения: ток базы VT, ток базы каждого из последующих транзисторов нарастает также линейно за время, равное времени включения предыдущего транзистора. Так как относительная крутизна фронта базового тока, χ=t_{в (}_i₊₁₎/t_i где i — номер транзистора в ключе, для всех транзисторов принимаются такие значения, что >1, то время включения можно найти из трансцендентного уравнения

Результаты расчетов сведены в таблицу.

Параметр	Транзистор
	VT6	VT5	VT3	VT2	VT1
	1	1	1	1,5	1
t	0,016	0,016	0,005	0,3	0,3

c0,132/0,005

Нужна помощь в написании курсовой?

Подробнее

=26,40,137/0,3

=1,320,437/0,3

=1,46
мкс	0,116	0,132	0,137	0,437	0,737

Таким 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 избыточного заряда VT1 (tр1), времени рассасывания VT2 (tр2).

Определим вначале запирающий базовый ток VT2

I_б2зап=4/10+20/30=0,4+0,6=1

Коэффициент запирания транзистора VT2

K_зап= (I_б2зап*h_21э) /I_k₂= (1*15) /0.4=3.75

Постоянная времени транзистора в режиме насыщения на порядок превосходит постоянную времени в активной зоне. Примем . Если предположить, что VT2 запирается идеальным импульсом базового тока, то

С учетом времени нарастания тока, равного , получим

За время рассасывания VT, базовый ток успевает достичь максимального значения, переходный процесс запирания VT соответствует реакции на идеальный импульс тока базы

Время запирания выходного транзистора ключа

Полное время отключения ключа

Оценим динамические потери в выходном транзисторе ключа, считая предварительно, что частота ШИМ не превышает 20 кГц. Потери на этих перезарядах коллекторной емкости и дополнительно потери в течение времени рассасывания блокирующего диода учтем коэффициентом запаса, равным

Падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер открытого ключа

Нужна помощь в написании курсовой?

Подробнее

U=4+4=8 В.

Потери в открытом транзисторе без учета пульсаций тока:

Суммарные потери мощности в выходном транзисторе в самом неблагоприятном режиме работы инвертора =50 Вт, что свидетельствует о работоспособности спроектированного ключа. Формирование линии переключения следует применять лишь с целью повышения надежности инвертора.

4. Расчёт элементов формирующих линию включения транзисторов

При включении ключа с элементами, формирующими траектории переключения транзистора, время переключения определяется скоростью нарастания коллекторного тока, протекающего через дроссель L в режиме насыщения,

,где I — допустимое значение броска тока фазы.

Считая, это время таким же, как в ключе без формирующих элементов, найдем требуемую индуктивность дросселя, приняв

Емкость C определили из условия, чтобы время отключения ключа не превышало времени отключения без цепей формирования траектории переключения

С2=

Примем C=0,001 мкФ, сопротивление разрядного резистора

В качестве разрядного диода VD выбираем высокочастотный диод КД212А. Оценим времена разряда дросселя и емкости C справедливых в нашем случае, эти времена можно определить так:

Как видно, отвод энергии, накопленной в реактивных элементах ключа, требует достаточно большого времени. Если к очередному переключению эта энергия не израсходуется полностью, то цель введения формирующих элементов не будет достигнута. Поэтому полное время включения и отключения ключа следует считать равным

5. Расчёт мощности резисторов

P_R₁=U²_БЭ1_max/R₁=4/10=0,4 Вт

Нужна помощь в написании курсовой?

Подробнее

P_R₂=U²_БЭ2_max/R₂=4/10=0,4 Вт

P_R₃=I²_R_3отп*R₃= (0,406) ²*30=4,9Вт

P_R₄=U²_R₄/R₄= (13,7) ²/470=0,3Вт

P_R₅= U²_R₅/R₅= (0,7) ²/250=0,002Вт

P_R₆=U²_БЭ5_max/R₆= (0,8) ²/160=0,004Вт

P_R₇=I²_{пр. сд}*R₇= (0,02) ²*180=0,072 Вт

P_R8=U²_п/R₈= (380) ²/300=481Вт

1. МЛТ — 0,125 — 10 Ом±5% — А ГОСТ 2825-67

2. МЛТ — 0,125 — 10 Ом±5% — А ГОСТ 2825-67

3. МЛТ — 0,125 — 30 Ом±5% — А ГОСТ 2825-67

4. МЛТ — 0,125 — 470 Ом±5% — А ГОСТ 2825-67

5. МЛТ — 0,125 — 250 Ом±5% — А ГОСТ 2825-67

6. МЛТ — 0,125 — 160 Ом±5% — А ГОСТ 2825-67

7. МЛТ — 0,125 — 180 Ом±5% — А ГОСТ 2825-60

Нужна помощь в написании курсовой?

Цена курсовой

ПЭВ — 100 — 300 Ом±5% — А ГОСТ 6513-66.

Транзистор КТ809А

Диод 2Д220Д

Оптопара диодная АОД101А

транзисторный преобразователь трехфазный асинхронный двигатель

Источники

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

2. Справочник по электрическим машинам Копылова Т.Г.

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

Предыдущий пример

Следующий пример