Пояснювальна записка до дипломного проекту бакалавра містить: 100 сторінок, 29 малюнків, 30 таблиць, 4 додатки, 23 джерела інформації.

Об'єкт розробки - мікропроцесорний блок захисту електродвигуна.

Мета розробки - розробити конструкцію і технологію виготовлення мікропроцесорного блоку захисту електродвигуна згідно запропонованій схемі електричної принципової і вимогам технічного завдання.

У дипломному проекті виконаний докладний аналіз технічного завдання, розроблені конструкція і технологія виготовлення друкованої плати блоку захисту електродвигуна. Проведені конструктивні розрахунки, розрахунки по постійному і змінному струму, розрахунки теплового режиму і надійності проектованого пристрою. При проектуванні друкованої плати і випуску конструкторської документації використовувалися можливості САПР PCAD і AutoCAD2004.

ЕЛЕМЕНТНА БАЗА, НАВІСНИЙ ЕЛЕМЕНТ, МІКРОСХЕМА, МІКРОКОНТРОЛЕР,ДРУКОВАНА ПЛАТА, МОНТАЖНИЙ ОТВІР, АВТОМАТИЗАЦІЯ, КОНСТРУКЦІЯ, НАДІЙНІСТЬ, ТЕХНОЛОГІЧНІСТЬ, САПР, ТРАСУВАННЯ

ОТЗЫВ

На дипломный проект бакалавра студента группы БЭА-26Д Цветова Дмитрия Сергеевича «Микропроцессорный блок защиты электродвигателя».

Целью работы является выбор оптимального конструкторско-технологического решения в соответствии с техническим заданием на разработку устройства. Поставленная задача решена студентом Цветовым Д.С. на высоком научно-техническом уровне с использованием научно-технической литературы, как отечественных, так и зарубежных разработок. Документация к дипломному проекту выполнена комплексно с соблюдением требований, оговоренных в стандартах и в методических указаниях к выполнению дипломного проекта. Для разработки устройства, контроля проектных решений и выпуска конструкторско-технологической документации были применены САПР P-CAD и AutoCAD. Студент Цветов Д.С. систематически и грамотно работал над дипломным проектом, подготовлен к инженерной деятельности. Дипломный проект может быть предоставлен к защите перед государственной экзаменационной комиссией. Дипломный проект заслуживает оценки «________________».

Руководитель дипломного проекта ___________________(Зотов А.В.)

РЕЦЕНЗИЯ

На дипломный проект бакалавра студента группы БЭА-26Д Цветова Д.С. «Микропроцессорный блок защиты электродвигателя».

Предъявленный на рецензирование дипломный проект соответствует заданию на дипломное проектирование и установленным требованиям. Тема дипломного проекта является актуальной в области разработки электронных аппаратов.

Содержание и объём разделов пояснительной записки к дипломному проекту раскрывают полноту разработки, качество выполненных расчетов, умение студента пользоваться научно-технической литературой и разработками отечественных предприятий, специализирующихся в области проектирования ЭА. Состав конструкторской документации соответствует требованиям к дипломному проекту и выполнен с учётом требований отечественных стандартов.

Рецензируемая работа соответствует требованиям к дипломным проектам. Дипломный проект заслуживает оценки «_______________».

Рецензент к.т.н. доц. каф. ЭА__________________(Арушанов А.П.)

По функціональності схему електричну принципову можна розбити на наступні частини:

ь без трансформаторний блок живлення;

ь дільники напруги;

ь датчик температури;

ь мікроконтролер;

ь індикація роботи пристрою;

ь керування роботою двигуна.

Алгоритм роботи програми мікроконтролера показаний на малюнку 1.2. Після включення мікроконтролера виконується ініціалізація його регістрів і включається управляючий вихід. Під час пуску двигуна (або групи двигунів) можливі провали або скачки напруг у фазах, тому пристрій захисту по напрузі починає роботу через одну хвилину після включення двигуна. Затримка реалізована шляхом послідовного включення преддільника, таймера TMR0 і двох дільників, кожний з яких має коефіцієнт розподілу 30.

Далі послідовно виконуються вимірювання напруги фаз А, В, С. Після кожного вимірювання фаза перевіряється на обрив. Якщо зміряна напруга рівно нулю, то вихід відразу вимикається. Потім слідує перевірка значень зміряних напруг на вихід за межі діапазону 190...250 В. В цьому випадку включається лічильник помилок, який необхідний для підвищення перешкодостійкості пристрою. При декрементуванні восьмирозрядного лічильника від нуля до нуля його коефіцієнт розподілу виходить рівним 256. При періоді проходження всієї програми, рівному 7 мс, час затримки виключення двигуна приблизно рівно 1,8 с. Для кожного порівняння є свій лічильник, тому якщо наступна зміряна напруга увійде до норми, то даний лічильник обнуляється. Таким чином, для виключення двигуна необхідні підряд 256 помилок вимірювання.

Після порівняння напруг фаз А--В, В--С, С--А їх різниця перевіряється на перевищення значення 30. Якщо перекіс фаз більше 30 В, то включається лічильник помилок. Виключення виходу відбувається аналогічно описаному вище через 1,8 с.

При виключенні виходу через будь-яку помилку встановлюється прапор помилки, який скидається тільки після перезапуску мікроконтролера. За відсутності помилки підтверджується включення виходу, і мікроконтролер переходить до підпрограми вимірювання температури двигуна.

Малюнок 1.2 - Алгоритм роботи програми мікроконтролера

Вимірювання температури починається з ініціалізації термодатчику DS1820 і видачі команди на дозвіл перетворення. Після прийому даних від датчика температури перевіряється прапор «двох секунд». Річ у тому, що перші дані, які приходять від датчика, недостовірні, тому для стабілізації даних необхідно якийсь час. Для цього введена затримка початку порівняння по температурі, рівна 1,8 с. Оскільки за такий короткий час двигун не встигне нагрітися до температури 60 °С, подібна затримка не знижує якості захисту двигуна.

Після відробітку часу затримки встановлюється прапор «двох секунд», і кожне наступне зміряне значення температури перевіряється на перевищення 60. Якщо температура перевищить 60 °С, вихід вимикається. Програма переходить до нового циклу вимірювання напруги по фазах.

Принципова схема пристрою показана на малюнку 1.3.

Малюнок 1.3 - Схема принципова електрична блоку захисту двигунів

Напруга фаз подається та знижується дільниками напруги на резисторах Rl--R3 і R10--R12, мають коефіцієнт розподілу 1:100. Змінна напруга фаз випрямляється однополуперіодним випрямлячем, що складається з діодів VD1--VD3 і стабілітронів VD7--VD9, згладжується конденсаторами фільтру С4--С6 і поступає на входи RA0 -- RA2 мікроконтролера DD2. Лінія зв'язку термодатчику DDI з входом RC4 мікроконтролера має «підтягаючий резистор» R13.

Тактується мікроконтролер від внутрішнього генератора частотою 4 Мгц. Частоту тактового генератора, ділену на чотири (1 Мгц), можна спостерігати на виході RA4 (вихід 3 мікроконтролера), контролюючи, таким чином, працездатність мікроконтролера.

Вихід RC3 мікроконтролера через оптотиристор U1 і симістор VS1 включає пускове реле К1. Його контакти К1.1--К 1,3 включають/вимикають подачу напруги на двигун. Світлодіоди HL1--HL4 сигналізують про виникнення аварійної ситуації. Гасячі резистори R6--R9 залежно від вибраного типу світлодіодів і необхідної яскравості свічення. Кнопка SB1 «Скидання» необхідна для перезапуску мікроконтролера і включення двигуна після усунення аварійної ситуації.

Бестрансформаторний джерело живлення з гасячим конденсатором знижує мережеву напругу, випрамляє та стабілізує до наруги 5,1 В [19].

Програма для прошивки мікроконтролеру приведена в Додатку А.

Лінії зв'язку по розміщенню різнять на вхідні, вихідні та лінії зв'язку між елементами. По призначенню лінії електричного зв'язку підрозділяють на інформаційні та потенційні. Позначення ліній зв'язку приведено в Таблиці 1.1 та на схемі (Малюнок 1.4).

Малюнок 1.4 - Позначення ліній зв'язку

Виділення (уточнення) контрольних точок, необхідних для настроювання або контролю основних функціональних вузлів пристрою (Малюнок 1.5).

На малюнку 1.5 позначені контрольні точки, які використовуються для настроювання:

Таблиця 1.1 - Позначення ліній зв'язку

А - контрольна точка наяву фази «А»;

В - контрольна точка наяву фази «В»;

С - контрольна точка наяву фази «С»;

D - контрольна точка наяву живлячої напруги мікроконтролеру (5,1 В);

Малюнок 1.5 - Позначення контрольних точок

Е - контрольна точка наяву керуючої напруги на оптопару;

F - контрольна точка наяву керуючої напруги на реле;

К - контрольна точка наяву керуючої напруги на симістор.

L - загальна контрольна точка «земля».

Виділення мереж, що знаходяться під високим потенціалом, та виявлення можливих способів їх конструкторської реалізації (Малюнок 1.6).

Малюнок 1.6 - Виділення мереж під високим потенціалом

На малюнку 1.6 позначені мережі які знаходяться під високою напругою - жирні риски. Потенціал резисторів R1-R3, R5, R16 реле К1, симістор VS1 у робочому стані - 380 В. Треба пам'ятати, що при виході з ладу деяких елементів - вони теж опилюються під високою напругою! Тому перераховані елементи повинні знаходитися на визначеній відстані. Схема має безтрансформаторне живлення, тому треба бути обережним.

Струмонавантажені кола схеми є вхідні, та вихідні з'єднувачі та елементи схеми резистор R5 та семістор VS1 (вихід 2).

Проходження струму від вхідного з'єднувача до вихідного здійснюється по дроту з перетином до 4 квадратів.

Електричне з'єднання з'єднувачів та монтажною платою здійснюється за допомогою жгутів. Як видно з приведеного вище опису, проектована акустична система містить високовольтні ланцюги, що накладає обмеження на перетин провідників (для друкарського монтажу - на ширину провідних доріжок).

Найбільш теплонавантаженими елементами схеми є резистор R5 та семістор VS1. Для забезпечення нормального теплового режиму, сказаних елементів, а також для зменшення впливу на теплочутливі прилади (напівпровідникові елементи) необхідно рівномірно розподілити теплонавантажені елементи по поверхні друкарської плати.

Схема даного пристрою не містить оригінальних елементів. Це дозволяє зменшити кількість типоразмеров і трудомісткість збірки за рахунок застосування автоматизованих методів, що зрештою приводить до підвищення технологічності конструкції і зниження собівартості.

У пристрої, що розробляється, ланцюг «землі» є найбільш довгим ланцюгом, чим інші. Тому його трасування необхідно виконати в першу чергу, оскільки від його довжини залежатиме сумарна довжина ліній зв'язку всього пристрою в цілому.

На базі аналізу схеми та прикладу дії можна зробити слідуючи висновки:

а) схема доволі проста, тому її можна реалізувати на друкованій платі з класом точності - 3 та двостороннім розташуванням друкованих провідників;

б) симістор VS1та резистор R5 потрібно розташувати в безпосередній близькості від кінця плати;

г) резистор R5 є найбільш теплонавантаженим елементом, тому його треба розмістити поодаль від мікроконтролеру

1.3 Аналіз умов експлуатації

Малюнок 1.7 - Конструкційні параметри мікроконтролера PIC16F676

Таблиця 1.3 - Електричні режими експлуатації мікроконтролера PIC16F676

Малюнок 1.8 - Структурна схема мікроконтролера PIC16F676

Датчик температури DS1820

Малюнок 1.9 - Конструкційні параметри датчика температури DS1820

Таблиця 1.4 - Режими експлуатації датчика температури DS1820

Оптопара MOC3041 M

Малюнок 1.10 - Конструкційні параметри оптопари MOC3041 M

Таблиця 1.5 - Основних електричних параметрів оптопари MOC3041 M

Таблиця 1.6 - Гранично допустимі режими експлуатації оптопари MOC3041 M

Симістор ВТ 134

Малюнок 1.11 - Конструкційні параметри симістора ВТ 134

Діоди

У даному приладі використовуються діоди КД226А.

Діоди типу КД226А - кремнієві дифузійні, випрямні діоди, призначений для роботи в приймальнею, підсилювальною і іншій радіоелектронній апаратурі при частоті живлячої напруги до 50кГц. Діоди цих типів відповідають технічним умовам АО.336.543 ТУ.

Таблиця 1.7- Основні електричні параметри діодів КД226А

Малюнок 1.12 - Габаритні розміри діода КД226А

Стабілітрони 1N4733A

Малюнок 1.13 - Габаритні розміри стабілітрона 1N4733A

Таблиця 1.8- Основні електричні параметри стабілітронів 1N4733A

Резистори

Резистори типу С2-23, які будуть використані для установки на ДП в блоці захисту електродвигунів - резистори загального призначення, з металодіелектричним провідним шаром. Призначені для роботи в ланцюгах постійного, змінного і імпульсного струмів як елементи навісного монтажу.

Малюнок 1.14 - Конструктивні параметри і спосіб установки резисторів

Таблиця 1.9 - Граничні експлуатаційні параметри резисторів С2-23

Таблиця 1.13-Конструктивні параметри резисторів С2-23

Конденсатори

Конденсатори типу К50-35 - конденсатори алюмінієві оксидно-діелектричні загального призначення з однонаправленими дротяними виводами. Призначені для роботи в ланцюгах постійного, пульсуючого і імпульсного струму. Положення анода маркірується знаком "+" на корпусі конденсатора або анодний вивід робиться на 3-5 мм коротше, ніж катодний.

Таблиця 1.14 - Граничних експлуатаційних даних конденсаторів

Малюнок 1.15 - Конструктивні параметри конденсатора типу К50-35

Таблиця 1.16- Технічні дані електролітичного конденсатора К50-35

Конденсатори типу К10-17 - це конденсатори з неорганічним діелектриком, керамічні монолітні. Призначені для роботи в ланцюгах постійного, змінного і імпульсного струму. Конструктивно виконані ізольованими з однонаправленими виводами.

Малюнок 1.16 - Конструктивні параметри конденсатора К10-17

Таблиця 1.17-Технічні дані конденсатора К10-17

Таблиця 1.18 -Технические дані конденсатора К10-17

Проаналізувавши технічні дані елементної бази, можна зробити наступні виводи:

ь блок захисту електродвигунів засновано як на вітчизняній елементній базі так і закордонній з використанням мікроконтролера;

ь навісні елементи встановлюються однаково, тому спеціальних мір по формуванню виводів проводити не передбачається;

ь інтегральні схеми знаходяться в прямокутних корпусах, що дозволяє автоматизувати процес установки мікросхем на друкарську плату;

ь симістор ВТ 134 і резистор R5 необхідно розташовувати на максимально можливому видаленні від теплочутливих елементів, оскільки можливо відбуватися розсіювання великої кількості теплової енергії;

ь для полегшення трасування друкарської плати, мікросхеми необхідно мати в своєму розпорядженні групу (максимальна завантаженість друкарської плати провідниками буде усередині функціонального блоку);

ь вибрані елементи мають достатньо високу надійність, що дозволяє спроектувати пристрій, що має великий ресурс роботи;

ь елементна база комплектувалася по ознаках відповідності технічних характеристик експлуатаційних вимог;

ь інтервал робочих температур елементної бази, допустима величина відносної вологості повітря, атмосферного тиску, вібрації, одиночних ударів і лінійних навантажень дозволяє спроектувати пристрій, що працює за заданих в технічному завданні умов експлуатації.

В результаті проаналізованих фактів і вимог до ЕРА, вибираємо двосторонню друковану плату. Трасування з'єднань на платі проводитимемо з обох сторін плати. Дивлячись на те, що відстань між виводами мікросхем складає 2,5мм, необхідно прийняти крок координатної сітки рівний 1,25 мм. По пред'явленню вимог мінімальних розмірів до блоку захисту електродвигунів вибираємо 3 клас точності для друкарської плати. Для уникнення паразитних наведень необхідно прокладати, в першу чергу, провідники ланцюгів живлення і землі, а тільки потім комутаційні провідники.

1.5 Аналіз конструкторсько-технологічних аналогів

Мета цього пункту полягає в необхідності порівняння розроблювального виробу з аналогічними, подібними по функціям і призначенням, виявленні недоліків та запропонувати шляхи їхнього усунення.

Підприємство «Електротрейд» виробляє ряд пристроїв для захисту електродвигунів від перевантаження ( Малюнок 1.17). Це такі пристрої як БЗ-031, БЗ-03, БЗ-031М, БЗ-041.

Усі ці пристрої виконані на мікроконтролерах, мають захист від вологи, естетичний вигляд, та інше.

Конструкторсько-технологічнім аналогом, схожого по виконуваним функціям мною блок захисту електродвигунів є блок захисту БЗ-03, за призначенням який збігається із призначенням розроблювальним мною блоком захисту електродвигунів. У першу чергу відмінність цих систем полягає в розходженні їх схемотехніки, що призводить до розходження їхніх подальших конструкцій. Вибранний блок має наступні параметри:

Мікропроцесорний блок захисту асинхронних електродвигунів БЗ-03

ТУ 3435-001-71765290-2005

Призначення:

Мікропроцесорний блок захисту електродвигуна БЗ-03 призначений для відключення трифазних асинхронних електродвигунів від живлячої мережи при :

* Неприпустимих перевантаженнях по струму при пуску і в процесі роботи;

* Обриві або пропаданню будь-якій з фаз;

* Для контролю кількості спрацьовувань по обривах фаз і перевантаженнях.

Захист здійснюється шляхом виключення електродвигуна при виникненні аварійних режимів. Перегорання справного електродвигуна, захищеного правильно набудованим БЗ, принципово неможливе.

Блоки БЗ виготовлені в кліматичному виконанні УXЛ категорії 3.1 по ГОСТ 15150-69 і призначені для експлуатації в наступних умовах:

- навколишнє середовище - вибухобезпечна і не містить агресивних газів і пари в концентраціях, що руйнують метали і ізоляцію;

- температура повітря від 233К до 333К (-40°С... +60°С);

- відносна вогкість повітря - до 80% при 293К

- атмосферний тиск від 86,6кПа до 106,7кПа.

Технологічній процес виробництва проектуємого блоку є більш зхожим стосовно техпроцесу для БЗ-03. Це виникає за рахунок різниці між компонентами, які встановлюються на ДП.

Проаналізував, можна сказати, що в БЗ-03 приблизно на 30-35 елементів більше чим у розроблювального блоку захисту електродвигунів. Данний факт затрудняє трасування друкованої плати. Це призвело до того, що БЗ-03 збирається на чотирьохслойній платі, тим самим збільшується її розмір. Так само в розроблювальному пристрої велика кількість елементів і є присутні кілька мікросхем із кроком виводів 2,5 мм. Технологічність виробу БЗ-03 оцінюється нижче, ніж даний блок захисту елелектродвигунів.

Аналогічні пристрої розглядаються в додатках Б.

1.6 Аналіз технології виготовлення

Блок захисту електродвигунів, який проектується в даній роботі є відносно середнім по складності пристроєм, як з конструкторської, так і з технологічної точки зору.

З пункту 1.4 витікає, що блок захисту електродвигунів має наступну елементну базу:

ь резистори з осьовими виводами.................... 17шт.;

ь діоди з осьовими виводами............................ 5шт.;

ь стабілітрони з осьовими виводами ………….. 4 шт.;

ь конденсатор з осьовими виводами ………….. 1 шт.;

ь конденсатори з аксіальними виводами......... . 5шт.;

ь мікросхемa в корпусі DIP(14pin)..................... 1шт

ь оптопара …………………………………………1шт.;

ь симістор …………………………………………1шт..

Виходячи з вживаної елементної бази, намічаємо, що у виробі застосовуватиметься двостороння друкована плата, що виготовляється комбінованим позитивним способом. Враховуючи порівняно невелику потребу ринку у виробі, що розробляється, недоцільно організовувати окреме підприємство по виробництву макету. Оптимальним варіантом є виробництво виробу на багатономенклатурному підприємстві з достатньо високим рівнем гнучкості виробництва. Тип виробництва - багатономенклатурний, серійний.

Обсяг виробництва нашого прибору становить близько 10000 штук на рік, тому установку навісних елементів доцільніше робити вручну. Збільшиті продуктивність ручної зборки можна за рахунок модернізації робочого місця: застосування світломонтажних столів, спеціального інструмента й інших допоміжних пристроїв і пристосувань. Аналіз підприємства, на якому передбачається випуск виробу, показує, що на ньому є устаткування і відпрацьовані наступні техпроцеси:

1) хімічний метод виготовлення друкарських плат;

2) комплексна підготовка навісних елементів до монтажу;

3) ручна установка навісних елементів на друкарську плату;

4) програмована збірка на світомонтажних столах;

5) паяння хвилею припою;

6) паяння за допомогою станції ERSA VAC 6500.

При застосуванні типових технологічних процесів розроблених на даному підприємстві, дозволяє нам понизити собівартість виробу при його невеликих об'ємах виробництва. Також на підприємстві не освоєна автоматична установка навісних елементів. Отже, необхідне внідряти на підприємстві технології автоматичної установки навісних елементів. Докладний опис технологічних процесів установки ЕРЕ з осьовими виводами і підбірка устаткування буде проводитися в технологічному розділі дипломного проекту.

1.7 Розробка додаткових технічних вимог до конструкції ЕА

ь Попередній розмір друкарської плати блоку захисту електродвигунів - 50 x 80 мм.

2 РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ БЛОКУ ЗАХИСТУ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ