Электронный блок управления двигателем постоянного тока

 

 

5 Электрические расчёты.

 

5.1    Электрический расчет мощного каскада

 

Исходными данными для выбора транзисторов являются напряжение питания и ток якоря. Нагрузкой является двигатель постоянного тока. Параметры двигателя приведены в таблице 5.1.1

Таблица 5.1.1-Параметры двигателя

1.2	12	0.02	0.125	4500

 

Для выбора транзисторов необходимо два параметра: максимальный коллекторный ток Ik max и напряжение перехода К-Э допустимое Uкэ доп. Для того, чтобы рассчитать Ik max необходимо рассчитать Iпуск:

 

Рисунок 5.1.1 П-образная схема управления двигателем постоянного тока

 

Чтобы рассчитать Uкэ доп необходимо вычислить напряжение источника питания Е1, которое складывается из амплитуды импульса Ub и падения напряжения на открытых транзисторах, т.е.

 

где UКЭ нас=2 В (ориентировочно)

 

 

где  Uнепр=Uн;

γ=0.8

α=0, для симметричного закона управления (рисунок 5.1.2)

 

Рисунок 5.1.2- Временная диаграмма несимметричного закона управления.

 

В П–образной схеме транзисторы и диоды выбирают на напряжение:

 

где К– коэффициент запаса: К=1,1 – 2.

Исходя из UКЭ доп=23   В и Iк max= 9     А, выбираем кремневый транзистор n-p-n  2Т875Г  параметры которого приведены в таблице 5.1.2.

Таблица 5.1.2-Параметры транзистора

	10
	80
	50
	150
	40
	0.5
	0.2
	20
	1.4

 

Уточним напряжение питания

 

Тогда принимаем стандартное напряжение питания 

Рассчитаем мощность, которая нагревает VT. Эта мощность состоит из потерь в стационарном режиме (VT открыт) и потерь в динамическом режиме (VT открывается или закрывается и находится в активном режиме).

Для расчета необходимо воспользоваться следующей формулой:

 

 

В пусковом режиме E0=Eпит; tи - длительность импульсов и для пускового режима tи≈0.8T, ;

Величина периода коммутации ключей Т (fком =1/T)  оказывает большую роль на энергетические (КПД) и качественные (пульсация скорости двигателя Δn) показатели системы. Считается, что при импульсном управлении поведение двигателя практически будет мало отличаться от линейного (подача Ucp=[1+α(1-γ)]Uпит) при выполнении следующего условия:

                             (1.1)

При выполнении (1.1) зависимость изменения среднего тока в якоре Iнепр определяется в основном постоянной времени якоря Tя=Lя/Rя.

Для уточнения величины Т могут применяться различные подходы. Например, можно непосредственно задаться величиной пульсации тока в якорной цепи ΔIя=Iкон-Iнач, причем Iкон=Iнепр+KIнепр, Iнач=Iнепр-KIнепр.  Для расчетов величину К примем К=0,1.

Задачу нахождения Т проще всего решать для номинальных режимов работы двигателя Iнепр = Iн, nср = nн, M = CмIн=Mн.

 

 

 

Где Сe коэффициент противоЭДС, зависящий от конструктивных параметров двигателя.

Переходный процесс при коммутации Eпит в цепи описывается экспонентой. Поэтому для нахождения величин tи и tп можно воспользоваться формулой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На промежутке времени Dt=tи к двигателю коммутируется Eпит и ток I¥Dt=tи  согласно схеме замещения при nср=const равен

 

 

На интервале Dt=tп предельный ток переходного процесса в общем случае равен

 

 

Тогда за максимальную величину скачка тока для расчета tп следует принять

 

 

Величину Т можно рассчитать на базе другого подхода. В качестве критерия возьмем дополнительные потери мощности ΔР, связанные с пульсациями тока в обмотке якоря относительно его среднего значения Iср. При этом автоматически учитываются потери и от пульсации скорости Δn с учетом механической постоянной Тм в отличие от выше рассмотренной методики, где пср двигателя принималась за постоянную величину nср= const за период Т.

 

где К примем равным 0.01

 

Очевидно, что с увеличением fком дополнительные потери DP уменьшаются (уменьшаются DIя и Dn), но увеличиваются динамические потери на переключение транзисторов мощного каскада. Эти потери с учетом законов коммутации (с учетом числа переключаемых VT) равны.

 

.

Поэтому желательно для увеличения КПД выбрать величину Т так, чтобы минимизировать сумму этих потерь, т.е.

 

.

Если провести минимизацию этого выражения по параметру Т (взятие производной и приравнивание результата к нулю), то можно получить выражение для расчета в следующем виде:

 

               .    (1.2)  

Если расчеты производить с учетом максимальных дополнительных потерь DPmax при g=0,5, то выражение (1.2) преобразуется к следующему виду:

.

 

Временной параметр ts является суммой tф+tc.

 

 

 

 

 

Для дальнейших расчетов примем период коммутации ключей равным 0.00019 c, т.к. расчеты производились с учетом максимальных дополнительных потерь ΔРmах при γ=0,5.

Рассчитаем мощность, потребляемую транзистором:

 

 

Здесь выполняется соотношение Ртр < Рдоп, значит выбор VT произведён корректно и сейчас необходимо рассчитать площадь теплоотвода по формуле:

 

 

где

   ;

tc-максимальная температура среды;

Rп-к –тепловое сопротивление переход корпус;

Rткм - тепловое сопротивление корпус радиатор.

 

 

Выберем диоды VD  , которые предназначены для исключения VT в ключевом режиме. Они должны выдерживать те же Uдоп, Iнас , что и VT. Выбираем диод  2Д239Б   параметры которого приведены в таблице 5.1.3.

Таблица 5.1.3-Параметры диода

 

Рассчитаем мощность диода Pvd:

 

 

 

5.2   Электрический расчет предмощного каскада

 

Предмощный каскад, включенный между гальванической развязкой и мощными    ключами,    предназначен    для    формирования   импульсов открывающей и закрывающей полярности по отношению к мощным ключам. Закрывающая полярность обязательна, так как при этом формируются процессы закрывания ключей, а также они надежно удерживаются в закрытом состоянии на интервале паузы между импульсами. При этом он должен обладать некоторыми качествами, такими как: высокий КПД, максимальная скорость фронтов и спадов импульса (т.е. фронты и спады должны быть   более крутыми), достаточный коэффициент по току для согласования гальванической развязки и мощных ключей, а также должен исключить режим «оборванной» базы.

Известно, что наибольшее усиление по току дают схемы эмиттерных повторителей, которые также дают и максимальное быстродействие. На основе вышеизложенного, схема предмощного каскада будет выглядеть следующим образом:

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.2.1- Схема предмощного каскада

 

Эта схема имеет два источника питания +E1 и -E2. Составной транзистор n–p–n на комплементарной паре VT1 и VT2 формирует открывающий импульс тока для силового ключа VT5 П–образной и Т–образной схем, а составной транзистор p–n–p на комплементарной паре VT3 и VT4 формирует закрывающий импульс тока, а затем обеспечивает закрывающее напряжение для силового ключа VT5. Резисторы R1, R2 устанавливают необходимые величины токов. Диод VD защищает переход эмиттер–база ключа VT5 от чрезмерной величины закрывающего напряжения. Режим "оборванной" базы ключа VT5 отсутствует. При переключении пары VT2–VT4 образуется сквозной ток, величина которого ограничивается  резисторами R1, R2 и поэтому безопасна для VT2, VT4.

Теперь необходимо выбрать транзисторы предмощного каскада. А начинают всегда с выбора комплиментарной пары VT2, VT4, причём исходными данными      являются ток и напряжение питания. Примем напряжение питания E1=E2=5 В. Как транзистор VT2, так и транзистор VT4 выбираем на двойное напряжение, так как в импульсном режиме один из них открыт, второй закрыт, следовательно, к одному из них прикладывается двойное напряжение. Так как током Ik2 транзистора VT2 является ток базы Iб1 силового ключа VT5, рассчитанный в предыдущем разделе, выбрали следующую комплиментарную пару:   КТ814А (p-n-p) и КТ815А (n-p-n)   . Параметры которых представлены в таблице 5.2.1

  Таблица 5.2.1- Параметры транзисторов

 

Основная часть тока, активного для VT5, протекает по цепи: +Е,, Rb открытый VT2, переход база-эмиттер VT5, земля, -Е,. Составляем уравнение для расчета сопротивления Ri

 

E1=IK2 R1 + UКЭ нас VT2 + UБЭ VT5 .     (2.2)

Находим R1:

Согласно  стандарту   выбираем   резистор  ближайшего стандартного номинала, R1 = 5.1Ом.

Рассчитываем мощность рассеяния по формуле:

Выбираем резистор R1 типа МЛТ  5.1Ом мощностью 0.5 Вт  .

Произведем расчет мощности рассеивания транзистора VT2, в качестве сопротивления нагрузки принимаем величину

 

Рассчитанная величина мощности ниже в сравнении с той, которая приведена в справочнике, расчет считаем законченным.

Расчет мощности рассеивания транзистора VT4 не производим, так как он симметричен VT2.

Затем выбираем и рассчитываем диод VD. Исходя из тех же параметров, что и транзисторы, выбираем диод 2Д906Б , параметры которого представлены в таблице 5.2.2.

 

Таблица 5.2.2-Параметры диода

 

Рассчитаем мощность рассеяния:

 

 

5.3 Электрический расчет гальванической развязки.

Для электрической изоляции между выходным (мощным) и информационным каскадом используют гальваническую развязку. Есть много способов развязки, но наиболее часто в качестве гальванической развязки используют диодно-транзисторную оптопару.

Схема гальванической развязки на диодно-транзисторной оптопаре приведена ниже (на рисунке 5.3.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Выбор  элементов схемы и их расчет  производится из следующих  
условий:

- Транзистор  VTопт должен работать в ключевом режиме.

- Допустимый  выходной ток Iвых схемы DD1 должен быть больше,  чем принимаемый при расчетах входной ток оптопары Iвх.опт. Поэтому приходится включать в схему электронного блока буферные каскады (DD1) и даже дополнительные буферные транзисторы.

-Допустимый  выходной ток оптопары Iвых доп должен  быть на 10-20% больше Iвх предмощного каскада.

 

Выбираем оптопару согласно условию:

 

Iвых мах >1.2 Iб max VT1,VT3

 

Выбираем оптопару АОТ147А, параметры которой представлены в таблице 5.3.1.

Таблица 5.3.1-Параметры оптопары

 

 Задаваясь величиной напряжений êЕ2÷ = êЕ3÷ = 5 В, согласно уравнению (VT1 опт – открыт, VT2 опт – закрыт)

 

 

определяется величина резистора R5:

 

 

Согласно стандарту R5 примем равным 4.3кОм  .

Т.к. |E2|=|E3|, то R5=R10= 4.3кОм

 

Iопт max≤(1.1÷1.2)Iск max

0.0011<=0.005