Разработка блока управления контактором, предназначенного для работы в сетях как постоянного, так и переменного тока

В систему управления включен резистивный делитель R1, R3 и конденсатор С9 выполняющие функцию датчика напряжения.

Расчет резистивного делителя производим из соображений максимального напряжения получающегося при делении напряжения в высоковольтной цепи. Максимальное напряжение для АЦП определяется опорным напряжением, которое в нашей схеме равно питающему и равно 3,3В.

Зададимся током через делитель: 1mA.

Зададимся максимальным напряжением в цепи постоянного тока: 120 В.

Максимальное напряжение, подаваемое на АЦП: 3.3 В.

Минимальное измеряемое напряжение для 10 битного режима:

В (4.1)

Найдем сопротивление всего делителя:

Ом (4.2)

На сопротивлении R3 выделяется сигнал не превышающий 3.0В

(4.3)

(4.4)

Выберем резисторы с номиналами:

Ом (4.5)

Напряжение на делителе при входном его напряжении 5В:

В (4.6)

Рассеиваемая мощность на каждом резисторе при входном напряжении делителя 150В:

 (4.7)

(4.8)

Выберем чип резисторы c рассеиваемой мощностью: 0.125Вт

Типоразмера 1206, с допустимым напряжением 200В.

Выберем емкость С9, которую рассчитываем из необходимости снизить высокочастотные помехи в сигнальной цепи.

Найдем номинал емкости с помощью моделирования в программе PSPICE.

Рассмотрим R1, R3, C9 как фильтр низкой частоты, и подберем конденсатор таким образом, чтобы амплитуда выходного напряжения на частоте 100Гц отличалась от входной не более чем на 0,5%, для того чтобы процессор получал адекватные данные от сигнальной цепи.

В процессе моделирования была найдена необходимая емкость конденсатора 33нФ. С таким номиналом емкости амплитуда выходного сигнала уменьшилась на 0,15% на частоте 100Гц.

Используем керамический конденсатор фирмы MURATA: GRM15 типоразмера 0805, со следующими параметрами:

Выберем емкости С11-С14.

Данные емкости предназначены для защиты от высокочастотных помех и рекомендуются производителем.

Выберем конденсаторы фирмы MURATA: B37931K9104K0 с параметрами:

Выберем номинал резистора R2. Этот резистор необходим для подачи напряжения логической единицы на вход RESET процессора от источника питания. Внутри контроллера уже есть параллельный ему резистор, но он имеет большое сопротивление, в связи с чем есть большая вероятность пропустить наведенную помеху линии RESET на процессор.

Для уменьшения номенклатуры номиналов резисторов выберем резистор с сопротивлением 3.3кОм. Из-за низких токов утечки, рассеиваемая мощность будет незначительна.

Выберем чип резистор R2 c рассеиваемой мощностью: 0.125Вт С типоразмером 0805.

5. Источник питания системы управления

Для нашего случая необходима микросхема с высоковольтным силовым ключом и схемой запуска, для питания собственных схем управления.

В качестве ИС импульсного преобразователя используется микросхема DA2 DPA422G. Ее структура изображена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Структура DPA422G

Основные параметры микросхемы:

Максимальное напряжения стока силового ключа: 220В

Максимальный ток стока силового ключа: 1.31A

Частота коммутаций 300/400 кГц

Ток потребления: 10ma

Сопротивление канала Ом

Мощность рассеяния: 1.5Вт

Особенности этой микросхемы:

«Мягкий» запуск и перезапуск, уменьшающие перегрузки.

Внешняя установка тока ограничения.

Внешняя установка допустимого уровня входного напряжения.

Возможность работы на одной из частот 300/400 кГц.

Описание выводов микросхемы:

D-Drain: высоковольтный вывод - сток силового транзистора.

L-Line-sense: входной вывод для датчика перенапряжения, пониженного напряжения, с отключением нагрузки случае обнаружения на этом выходе критических напряжений.

X - EXTERNAL CURRENT LIMIT: вход для внешнего ограничения тока, либо удаленного включения, выключения контроллера.

F - FREQUENCY: вход задания частоты коммутаций. Если соединен с землей-400кГц, если соединен с выводом С -300кГц.

S - Source: сток силового транзистора соединяется с общей точкой преобразователя.

С-Control: вход обратной связи. Также используется для питания контроллера и для заряда конденсатора питающего контроллер.

Принцип работы микросхемы:

Микросхема включает в себя (рис. 5.1.) мощный высоковольтный транзистор VT2 и все необходимые цепи его управления. Это, прежде всего, задающий генератор G1, с трех выходов которого снимаются сигналы требуемой формы. Сигнал с выхода D_MAX поступающий на вход элемента И-НЕ DD6, определяет максимально возможный коэффициент заполнения. Короткие импульсы с выхода CLOCK устанавливают триггер DD5 в единичное состояние, что включает (при отсутствии на двух верхних входах DD6 запрещающий сигналов) транзистор VT2.

В нормальном режиме работы сброс триггера происходит по сигналу рассогласования с выхода компаратора A3. На один из его входов поступает напряжение треугольной формы с выхода SAW генератора G1, на другой - напряжение, пропорциональное превышению напряжения на управляющем входе С микросхемы уровня 5.8 В, что реализует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Операционный усилитель А1. полевой транзистор VT1 и резисторы R1 и R2 обеспечивают стабильный нормированный коэффициент передачи сигнала превышения уровни 5.8 В на вход компаратора, а цепочка R3C1 совместно с внешними элементами цепи обратной связи - устойчивость петли авторегулирования.

Остальные элементы микросхемы решают вспомогательные, но очень важные для надежной работы устройства задачи.

При повышении температуры кристалла микросхемы сверх допустимой, сигнал с выхода узла тепловой защиты А5 блокирует прохождение импульсов генератора G1 через элемент DD6, что запрещает включение транзистора VT2.

Компаратор А6 сравнивает падение напряжения на канале сток-исток включенного транзистора VT2 с максимально допустимой величиной, определяемой узлом установки тока ограничения А8. В результате, если ток через транзистор VT2 превысит заданный уровень, выходной сигнал компаратора А6 сбросит триггер DD5 и закроет транзистор. При нормальной работе преобразователя в момент включения транзистора VT2 возникает кратковременный импульс тока стока, вызванный восстановлением обратного сопротивлении одного из диодов во вторичной цепи преобразователя напряжения. При этом, хотя компаратор А6 срабатывает, это не приводит к сбросу триггера DD5 за счет кратковременного сигнала запрета, поступающего на вход элемента DD8 с выхода узла маскирования переднего фронта импульса А7.

Генератор тока А9 обеспечивает питание микросхемы в момент пуска.

При подаче питания, напряжение на конденсаторе подключенного к выводу С равно нулю, и он относительно медленно заряжается через генератор тока А9 и замкнутый ключ SW1 (рис. 5.1.), как это показано на диаграмме U_c (рис 5.2., временной участок 1). Когда напряжение на конденсаторе достигает величины 5.8 В, компаратор А2 закрывает ключ SW1, и конденсатор начинает разряжаться на элементы микросхемы. Импульсы с генератора G1 поступают на затвор транзистора VT2 и преобразователь начинает работать в режиме плавного запуска. При этом коэффициент заполнения плавно увеличивается от нуля до максимума. Диаграмма U_DS на (рис. 5.2.) демонстрирует упрощенную форму напряжения сток-исток U_DS ключевого транзистора микросхемы. Если напряжение на конденсаторе соответствует номинальному, амплитуда импульсов в цепи обратной связи достаточна для питания микросхемы по входу С, преобразователь выходит на рабочий режим. Работа микросхем происходит аналогично ранее описанному - при отсутствии перегрузки замыкается цепь обратной связи. Элементы микросхемы, образующие широтно-импульсный модулятор, поддерживают коэффициент заполнения D на таком уровне, чтобы напряжение на входе С было близко к 5,8 В (большая часть участка 2).

Рис. 5.2. Временные диаграммы работы ИС

Если во вторичной цепи есть короткое замыкание или перегрузка (конец участка 2 и участок 3), напряжение в ОС не достигнет необходимой величины, и конденсатор С1, разрядившись до напряжения 4.8 В (диаграмма U_C на рис. 5.2.) переключит компаратор А2. Компаратор, в свою очередь, замкнет ключ SW1 и переключит счетчик DD1 в новое состояние, что запретит прохождение импульсов тактового генератора G1 через элементы DD6 и DD7 на затвор VT2. Напряжение на конденсаторе начнет снова повышаться. После семи циклов за ряда-разряда конденсатора счетчик DD1 вновь разрешит прохождение импульсов через DD6, и произойдет новая попытка запуска преобразователя. В таком режиме время работы преобразователя в 20 раз меньше периода попыток запуска, что предотвращает перегрев его элементов и делает безопасными короткие замыкания во вторичной цепи. Когда перегрузка будет снята, преобразователь выйдет на рабочий режим.

На графиках (рис. 5.2.) проиллюстрированы также процессы при снижении входного напряжения до недопустимого уровня (участок 4).

Для микросхемы DPA422 есть некоторые особенности при управлении ими по входам F, X и L, возможно одновременное управление током ограничения I_LIMIT (вывод Х) и контроль за выходом напряжения питания за допустимые пределы (Вывод L).

Если выводы F, X и L соединить с выводом истока S, реализуется простейший трехвыводной режим с работой на частоте 400 кГц, если же вывод F соединить с управляющим входом микросхемы С, частота работы составит 300 кГц,

Особенности микросхем более полно реализуются при соответствующем подключении выводов X и L, управляющих режимом иx работы.

5.3 Принцип работы SEPIC преобразователя

SEPIC преобразователь строится на базе обыкновенного BOOST преобразователя напряжения с добавлением разделительного конденсатора Cp, устанавливаемого между L1 и D1 (рис. 5.3.). Очевидно, что он блокирует постоянную составляющую напряжения между входом и выходом. Однако анод D1 должен быть подключён к определённому потенциалу. Для этого служит вторая индуктивность L2, через которую D1 соединяется с землёй.

Рассмотрим преобразователь с фиксированной частотой, работающий в режиме непрерывного тока для обоих индуктивных элементов. Диаграммы работы преобразователя предоставлены на рис. 5.4.

Чтобы понять принцип работы преобразователя, рассмотрим сначала установившийся режим, при котором ключ разомкнут. Через конденсатор С_Р постоянный ток не течет. Напряжение на конденсаторе С_Р равно V_IN, так как его левая обкладка подключена к источнику питания через L1, а правая - к земле через L2.

В ходе фазы включения правый вывод L1 подключен к земле, и напряжение на L1 равно V_IN. Левая обкладка конденсатора СР подключается на землю, а поскольку он уже заряжен до напряжения V_IN, то на его правом выводе напряжение равно - V_IN. Так как нижний вывод элемента L2 заземлен, то L2 оказывается подключенным параллельно С_Р, и напряжение на его верхнем полюсе также равно - V_IN. Диод D1 находится в обратном включении и закрыт.

В этой фазе L1 заряжается от источника питания, a L2 - от конденсатора С_Р. Поскольку диод D1 закрыт, энергия, запасенная в индуктивности, не идет ни на зарядку выходного конденсатора С_оuт, ни в нагрузку. Таким образом, токи в обоих элементах индуктивности линейно возрастают.

В ходе фазы отключения, поскольку ток через индуктивность L1 не может измениться моментально, через правый вывод L1 течет прежний ток. При этом напряжение на этом выводе повышается, превышая входное напряжение VIN. Таким образом, потенциал левой обкладки конденсатора СР также становится выше V_IN, а диод D1 переходит в открытое состояние. Это означает, что напряжение на правом выводе конденсатора С_Р, совпадающее с напряжением на верхнем выводе L2, является и выходным напряжением V_0UT за вычетом незначительного падения напряжения на диоде. Кроме того, отметим, что напряжение между обкладками конденсатора С_Р равно V_IN, и таким образом напряжение в точке между С_Р и L1 составляет V_IN + V_OUT.

Токи в элементах индуктивности L1 и L2 теперь заряжают выходной конденсатор С_оuт и поддерживают ток нагрузки, линейно убывая.



Рис. 5.3. Схема преобразователя SEPIC

Рис. 5.4. Диаграммы работы преобразователя

5.4 Расчет элементов преобразователя

Предположим, что значения пульсаций токов и напряжений намного меньше значения постоянной составляющей. Для начала заметим, что в установившемся режиме падения напряжений на катушках L1 и L2 не имеют постоянной составляющей (если пренебречь падениями напряжения на их паразитных сопротивлениях). Поэтому одна из обкладок разделительного конденсатора C15 (рис. 5.3.) находится под потенциалом Vin (через катушку L1), а другая - под потенциалом земли (через L2). Тогда выражение для среднего напряжения на конденсаторе C15 будет иметь вид:

(5.1)

Пусть T - период одного цикла работы преобразователя. Обозначим через часть периода T, во время которой ключ Sw замкнут, а через 1- - оставшуюся часть периода. Так как среднее значение напряжения на катушке L1 в установившемся режиме равно нулю, напряжение на L1 за время T (Ton), в течение которого ключ замкнут, полностью компенсируется напряжением за время (1-) T (Toff), в течение которого ключ разомкнут:

(5.2)

где Vd - прямое падение напряжения на диоде VD4 для суммы токов через индуктивности L1 и L2, а Vc15 равно Vin:

(Vout + Vd) / Vin = / (1-) = Ai (5.3)

(5.4)

Ai - коэффициент усиления (amplification factor), идеальный случай, когда паразитные сопротивления равны нулю. Если пренебречь в первом приближении падением напряжения на диоде Vd, мы увидим, что отношение Vout к Vin может быть как больше, так и меньше 1, в зависимости от величины (и они равны, когда = 0,5). Это соотношение демонстрирует отличие топологии SEPIC от классической повышающей или понижающей (step-down) топологии.

Экстраполируем соответствующие значения из (2):

(5.5)

Постоянная составляющая тока через разделительный конденсатор C15 равна нулю. Это означает, что выходной ток течёт только через L2:

I_OUT = I_L2=0.05A (5.6)

К рассеиваемой мощности L2 не предъявляется жёстких требований, так как средний ток через L2 всегда равен выходному току и не зависит от изменений входного напряжения Vin. Чтобы вычислить ток через L1 (I_L1), вспомним, что через C15 не может протекать постоянный ток. Таким образом, заряд, протекающий в то время (интервал T), когда ключ замкнут, полностью уравновешивается зарядом, который течёт в то время, когда ключ разомкнут (интервал (1-) T). Ток через C15 есть ток через L2. Когда ключ разомкнут во время (1-T), ток L2 течёт через VD4, пока ток L1 течёт через C15: . Зная, что I_L2 = Iout, запишем:

(5.7)

Так как входная мощность равна выходной мощности, поделенной на к.п.д., I_L1 зависит только от Vin. Для заданной выходной мощности I_L1 увеличивается, если уменьшается Vin. Зная, что I_L2 (и, следовательно, Iout) течёт через C15 во время T, мы выберем Cp так, чтобы пульсации напряжения на нём Vcp были намного меньше Vcp *( = 5%). Наихудший случай будет для минимального Vin.

(5.8)

Найдем допустимый среднеквадратичный ток:

 (5.9)

Выберем в качестве С15 керамический конденсатор фирмы MURATA GRM55DR72E105KW01L типоразмера 2220, со следующими характеристиками:

Rsw, состоящее обычно из сопротивления сток-исток ключа MOSFET, включённого последовательно с шунтом для ограничения максимального тока, вносит следующие потери:

Вт (5.10)

L1 и L2 выбирается так, чтобы доля () пульсаций тока (I_L) составляла от 20% до 50% среднего тока I_L. Пусть = 0,4:

(5.11)

Гн (5.12)

Выберем катушку со стандартным номиналом индуктивности, ближайшим к рассчитанному значению, и убедимся, что её ток насыщения удовлетворяет следующему условию:

А (5.13)

Расчёты для L2 аналогичны расчётам для L1:

А (5.14)

Выберем катушки индуктивности фирмы EPCOS: типоразмера 2220 со следующими параметрами:

Потери Prl1 и Prl2 на внутренних сопротивлениях L1 и L2 рассчитываются так:

Вт (5.15)

Вт (5.16)

Выходной конденсатор C20 должен сглаживать импульсы тока большой величины, поступающие через диод D1 во время Toff. Поэтому C20 должен быть высококачественным компонентом. Минимальная ёмкость C20 определяется из допустимого значения пульсаций выходного напряжения Vout=500мВ:

(5.17)

Необходимо подобрать конденсатор с низким последовательным эквивалентным сопротивлением (ESR).Найдем необходимое ESR:

Ом (5.18)

Для выбора выходного конденсатора необходимо рассчитать его среднеквадратичный ток:

А (5.19)

В действительности может потребоваться выходной конденсатор существенно большей ёмкости, особенно, если ток нагрузки сильно пульсирует. Входной конденсатор может быть очень небольшим благодаря фильтрующим свойствам топологии SEPIC.

Выберем номинал емкости для конденсатора (С20). Конденсатор MURATA GRM31CR71C475K:1206 - X7R 16-4.7мкФ со следующими параметрами:

Рассчитаем максимальное напряжение на диоде VD4:

В (5.20)

При расчёте потерь на диоде D4 вычислим Pd для суммы токов I_L1 + I_L2:

Вт (5.21)

Средний ток диода равен среднему выходному току преобразователя:

А

Рассчитаем параметры диода VD6.

Напряжение на диоде:

В

Ток диода определяется током потребления ИС импульсного преобразователя.

Рассчитаем параметры диода VD3, находящийся в цепи питания преобразователя напряжения, с учетом кпд преобразователя 0,85.

(5.22)

Где -ток потребления преобразователем напряжения.

Для диодов VD3, VD4, VD6 выберем один диод BAS21 со следующими характеристиками:

Где -максимальный прямой ток диода

-напряжение пробоя диода

- падение напряжения на диоде

Выберем резистор обратной связи R5.

Выходное напряжение преобразователя устанавливается с помощью резистивного делителя выходного напряжения, подающего необходимое напряжение на вход С микросхемы.

Внутри микросхемы уже есть один из резисторов делителя обратной связи R2 (см рис. 5.4.) Номинал резистора R5 найдем методом подбора.

Используем резистор с номиналом 1 кОм, типоразмером 0805.

Выбор емкости С19. Емкость служит для питания микросхемы в момент запуска микросхемы, величина этой емкости выбирается из следующих соображений: Большая емкость этого конденсатора будет вносить большие задержки на включение микросхемы, т. к. в момент включения преобразователя, это конденсатор заряжается через внутренний высоковольтный источник тока до напряжения 5.8В, и только после этого начинает работу.

Выберем эту емкость с помощью подбора:

Конденсатор керамический MURATA GRM31CR71C475K:1206 - X7R 16-4.7mkF со следующими параметрами:

Конденсатор С10 рассчитывается, как источник запасной энергии, который будет поддерживать напряжение на преобразователе в течение пяти полупериодов, при питании от переменного напряжения или 50 мс при питании от постоянного напряжения, в случае пропадания напряжения. Необходимая емкость рассчитывается из переходного процесса. Конденсатор разряжается в момент пропадания напряжения с напряжения установившегося режима - напряжения 24-30% В, до минимального напряжения работы преобразователя 5В.

Переходной процесс описывается по формулам:

(5.23)

Где -минимальное напряжение работы преобразователя.

-минимальное напряжение питания.

-время переходного процесса.

(5.24)

(5.25)

(5.26)

Где - ток потребления преобразователем.

-входное сопротивление преобразователя.

-постоянная времени цепи

(5.27)

(5.28)

Выберем электролитический конденсатор фирмы «TREC» серии SR со следующими параметрами:

Для нахождения максимального среднеквадратичного тока конденсатора, воспользуемся методикой изложенной в [9]:

Исходные данные для расчета:

амплитудное напряжение конденсатора.

Гц частота пульсаций

минимальное пилообразное напряжение на конденсаторе, этот параметр находим с помощью моделирования в программе PSPICE.

ток в нагрузке.

Вычислим время заряда конденсатора (в течение которого ток потребляется от сети). Диаграммы напряжений на конденсаторе изображены на рис. 5.5.

Рис. 5.5.

Так как напряжение изменяется по синусоидальному закону, используем для расчета формулу:

С (5.29)

1. Вычисляется время разряда конденсатора:

С (5.30)

2. Находим пиковый зарядный ток:

, (5.31)

Где , а - это время заряда конденсатора, т.е.

А (5.32)

3. Находим среднеквадратичное значение импульсного тока через конденсатор по формуле:

(5.33)

где -среднеквадратичный ток через конденсатор на цикле заряда, а - среднеквадратичный ток через конденсатор на цикле разряда.

Считаем, что ток заряда конденсатора имеет треугольную форму, тогда

А (5.34)

На интервале разряда через конденсатор течет ток нагрузки, поэтому

А (5.35)

Итак, среднеквадратичный ток равен:

А (5.36)

Рассчитанный ток удовлетворяет максимально допустимому среднеквадратичному току выбранного конденсатора.

5.5 Выбор линейного стабилизатора

Для питания МК от преобразователя напряжения необходимо использовать компенсационный стабилизатор в интегральном исполнении. Т.к. ток нагрузки не большой мощность рассеяния небольшая.

Необходимые параметры стабилизатора:

Выходное напряжение: 3.3В.

Ток нагрузки: 10 mA.

Входное напряжение стабилизатора: 12В.

Под данные параметры подходит стабилизатор LP2980-3.3 в корпусе для планарного монтажа не требующий дополнительных внешних компонентов, кроме входных, выходных конденсаторов. Имеет следующие характеристики:

Максимальное входное напряжение: 16В

Выходное напряжение: 3.3В.

Максимальный выходной ток: 150mA

Номинальный выходной ток: 50mA

Максимальное падение напряжение: 125mB

Ток потребления, при токе нагрузке 50mA:

Остальные параметры указанны в приложении: X.*

Выберем конденсаторы С16-С17. Руководствуясь рекомендациями из документации на стабилизатор DA1 необходимо установить керамические конденсаторы не менее 1. Мы установим ранее использовавшиеся конденсаторы фирмы MURATA GRM31CR71C475K:1206 - X7R 16-4.7мкФ

Необходимо выбрать стабилитрон с напряжением стабилизации () меньше чем максимальное напряжение линейного стабилизатора (), но больше чем выходное напряжение преобразователя напряжения():

 (5.37)

Выберем стабилитрон TZMC15 фирмы TEMIC с напряжением стабилизации 15В, максимальной рассеиваемой мощностью 500мВт, максимальным обратным током 2.

Проверим стабилитрон на максимальную рассеиваемую мощность:

(5.38)

6. Экспериментальная часть

6.1 Моделирование работы преобразователя напряжения

Для моделирования работы преобразователя зададимся теми же параметрами, что и в ТЗ на преобразователь. Используем при моделировании преобразователя ИС импульсного источника - NCP1031 фирмы «ON semiconductor», т. к. он наиболее близок по параметрам к использующимся в схеме преобразователя напряжения контроллеру.

Схема преобразователя в программе PSPICE изображена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема моделирования в программе PSPICE

Задача моделирования выявить работоспособность преобразователя т.е. выдавать заданное выходное напряжение при максимальном и минимальном входном напряжении. Для этого необходимо провести два этапа моделирования с повышенным и пониженным напряжением. На рис. 6.2 эпюры работы преобразователя с входным напряжением 5В, на рис. 6.3. при напряжении питания 100в.



Рис. 6.2. Эпюры работы преобразователя напряжения (5В)

Рис. 6.3. Эпюры работы преобразователя напряжения (100В)

Как видно из эпюр работы преобразователя, выходное напряжение достигает заданного уровня.

Для проведения испытаний была изготовлена макетная плата блока управлением контактора (приложение *), на этом макете были отсняты осциллограммы напряжений преобразователя напряжения и силовой части БУК в различных условиях.

6.2 Исследование преобразователя напряжения

В этом эксперименте проверим работоспособность преобразователя напряжения на низком напряжении, ток потребляемый нагрузкой 50мА.

Проиллюстрируем осциллограммы выходного напряжения, напряжение на силовом ключе и напряжение на выводе С ИС импульсного преобразователя напряжения.

Рис. 6.4. Осциллограммы преобразователя напряжения

управление микроконтроллер преобразователь программный

На осциллограммах видна форма выходного напряжения, с помощью востренных функций осциллографа найдено среднее напряжение, которое равно 11,4В. Напряжение на выводе С 5,76В, что говорит о нормальной работе преобразователя. Силовой транзистор по показаниям осциллографа коммутируется с частотой 400Кгц.



Рис. 6.5 Осциллограммы преобразователя напряжения

На осциллограмме изображенной, на рис. 6.5. Показано выходное напряжение равное 10В, при входном напряжении 5В. Напряжение пульсаций выходного напряжения 750мВ. Выходное напряжение удовлетворяет ТЗ.

Из этих осциллограмм видно, что преобразователь работает в режиме повышения напряжения.

Далее покажем выходное напряжение при входном напряжении 100В.

Рис. 6.6. Осциллограммы преобразователя напряжения

Выходное напряжение удовлетворяет ТЗ и равно 12В, с напряжением пульсаций в 780мВ. В данном опыте видно, что преобразователь работает в режиме понижения напряжения.

6.3 Исследование силовой части блока

За основу возьмем контактор на номинальное постоянное напряжение 24В, со средним напряжением в катушках в режиме удержания 4,35В.

Частота коммутации силового транзистора БУК 20Кгц.

Ниже представлены осциллограммы напряжения в катушках в режиме удержания (Рис. 6.7).

Рис. 6.7. Осциллограммы работы силовой части

На верхней осциллограмме отображено напряжение на входе БУК.

На нижней осциллограмме изображена форма напряжения в катушке, вычисленное среднее напряжение на катушках средствами осциллографа, равно 4,37В, что говорит о правильной работе системы управления и силовой части устройства.

Проведем эксперимент позволяющий наблюдать переход из режима в режим БУК, для этого зафиксируем осциллографом момент включения устройства.

На осциллограмме (рис. 6.8.) показан момент включения контактора, в котором виден режим удержания и режим форсажа, который длится 225mS.

Рис. 6.8. Осциллограммы работы силовой части

В результате проведенных испытаний, были получены ожидаемые результаты, что доказывает правильность принятых инженерных решений. На основании вышеизложенных осциллограмм можно сделать вывод, что устройство удовлетворяет требованиям ТЗ.

Разработка программного обеспечения

Программа микроконтроллера обеспечивает выполнение следующих функций:

1. Включение контактора (режим форсажа).

2. Обеспечение режима сброса мощности (режим удержания).

3. Отключение контактора, в случае несоответствия входного напряжения положенному.

7.1 Расчет параметров программного обеспечения

Тактовая частота микроконтроллера 8 МГц, а таймер-счетчик работает без предделителя, при частоте ШИМ 20КГц, найдем необходимый период таймера счетчика(ICR1)

(7.1)

Где , период и частота ШИМа.

, период и частота шины контроллера.

Расчет времени форсажа ведется отсчетом числа прерываний т\с1 по переполнению:

(7.2)

Где время форсажа.

Напряжение удержания в кодах АЦП:

 (7.3)

Где напряжения на катушке контактора.

усредненное напряжение в кодах АЦП.

Отсюда время импульса ШИМ высчитывается так:

(7.4)

Найдем уставку REF (для напряжения удержания 4,35В) в кодах АЦП:

(7.5)

Напряжение отпада в кодах АЦП, рассчитывается при 0,3*Uн +Uvd В на входе датчика напряжения:

(7.6)

Где Uvd-падение напряжения на выпрямительном мосту.

Напряжение на входе АЦП:

В (7.7)

Переменная вычисляется следующим образом:

 (7.8)

7.2 Описание работы ПО

Программа микроконтроллера блока управления контактором написана на языке программирования высокого уровня Си. Это позволяет, в отличие от ассемблера, с минимальными временными затратами вносить изменения в программу и переносить ее на другие микроконтроллеры. Текст программы приведен в приложении *.

Проект реализован в среде (системе) WinAVR. Используется компилятор GNUСС. Программа отлажена в среде AVRstudio. Контроллер программируется по интерфейсу ISP.

Соответствие имен функций в тексте программ и рисунков блок-схем алгоритмов представлены в табл. 2:

Таблица 2. Имена функций в программе

Функция	Название в тексте программы	Блок-схема алгоритма
Головная функция	Main	Рис. 7.2
Функция расчета скважности ШИМ	CALC_PWM	Рис. 7.3
Функция отключения	OTPAD	Рис. 7.4
Функция обработки прерывания АЦП

Страница:

•  1 
•  2 

дипломная работа "Разработка блока управления контактором, предназначенного для работы в сетях как постоянного, так и переменного тока" скачать

Подобные документы

• Разработка блока управления контактором

  Способы управления вакуумным контактором, предназначенным для работы в сетях переменного и постоянного токов. Анализ функциональной и принципиальной схемы устройства. Расчет силовой части. Опытно-конструкторская разработка блока управления контактором.
  
  дипломная работа [3,0 M], добавлен 15.08.2011
  

• Блок управления контактором

  Разработка функциональной и принципиальной схемы блока управления контактором и расчет силовой части устройства. Расчет параметров силового транзистора и элементов блока драйвера. Выбор микроконтроллера и вычисление параметров программного обеспечения.
  
  дипломная работа [3,4 M], добавлен 16.12.2011
  

• Разработка блока управления контактором

  Разработка функциональной и принципиальной схемы контактора. Расчет силовой части устройства: выбор варистора и диодного моста, фильтровых конденсаторов. Расчет параметров силового диода и расчет тепловой загрузки. Источник питания системы управления.
  
  дипломная работа [3,9 M], добавлен 08.11.2011
  

• Стабилизатор тока электродиализатора

  Технологические параметры очистки щелочного электролита. Сущность метода электродиализа. Разработка функциональной схемы устройства. Расчет параметров и выбор элементов силовой части. Разработка алгоритма работы микроконтроллера системы управления.
  
  дипломная работа [646,9 K], добавлен 27.04.2011
  

• Разработка системы автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика

  Описание работы системы автоматической регулировки напряжения. Разработка принципиальной схемы. Источник питания АЦП микроконтроллера. Аттенюаторы мелкого и крупного шага. Описание блок-схемы алгоритма работы блока управления АРН. Расчет сметы затрат.
  
  дипломная работа [96,1 K], добавлен 22.02.2012
  

• Микропроцессорная система управления скоростью вращения двигателя постоянного тока

  Разработка структурной функциональной схемы устройства, его аппаратного обеспечения: выбор микроконтроллера, внешней памяти программ, устройства индикации, IGBT транзистора и драйвера IGBT, стабилизатора напряжения. Разработка программного обеспечения.
  
  курсовая работа [495,1 K], добавлен 23.09.2011
  

• Расчет управляемого преобразователя автоматизированного электропривода

  Разработка силовой схемы преобразователя. Расчет параметров и выбор силового трансформатора, тиристоров, сглаживающего дросселя. Проектирование функциональной схемы АЭП и электрической схемы блока системы импульсно-фазного управления электропривода.
  
  курсовая работа [575,2 K], добавлен 17.05.2014
  

• Силовая часть преобразователя частоты для индукционного нагрева средней мощности и средней частоты

  Структурная схема преобразователя, расчет и выбор элементов силовой части схемы. Выбор и описание системы управления частотным преобразователем. Синтез и описание функциональной схемы работы системы управления. Особенности моделирования силовой части.
  
  курсовая работа [6,2 M], добавлен 28.01.2015
  

• Система управления стабилизатором напряжения

  Составление функциональной схемы стабилизатора напряжения, принципиальной электрической схемы. Принцип работы силовой части. Специфика разработки системы управления стабилизатором напряжения, управляемым по принципу широтно-импульсного моделирования.
  
  курсовая работа [248,4 K], добавлен 11.10.2009
  

• Разработка архитектуры, принципиальной схемы и конструкции специализированного микроконтроллера

  Разработка принципиальной схемы и описание работы контроллера клавиатуры/дисплея КР580ВД79. Схема сопряжения микроконтроллера с фотоимпульсным датчиком. Расчет потребляемого тока от источника питания. Блок-схема программы вывода информации на индикацию.
  
  курсовая работа [736,9 K], добавлен 18.02.2011
  

Другие документы, подобные "Разработка блока управления контактором, предназначенного для работы в сетях как постоянного, так и переменного тока"

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам