Проектирование и расчет каскада управления двухфазным асинхронным двигателем

Малогабаритный согласующий трансформатор низкой частоты типа ТПП предназначен для согласования внутреннего сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением каскадов усилителей низкой частоты, выполненных на полупроводниковых приборах.

Используя эквивалентную схему трансформатора, следует проверить, будет ли на входе выходного каскада обеспечено необходимое максимальное напряжение согласно условию:

Uн > Uбэ-макс + URэ-макс = 2.7 В                                                                  

Эквивалентная схема трансформатора

Оценим сопротивление нагрузки и потери на и по формулам:

Т.к. Uн > 2.7 В , то согласующий трансформатор ТПП2-40-400 можно использовать в схеме.

2.3. Расчёт предварительных усилителей.

По условию требуемый  коэффициент усиления. Приведем структурную схему цепи усиления:

Структурная схема цепи усиления.

Коэффициент передачи подавителя помех Кпп=. На выходе  подавителя помех имеется остаточное напряжение, которое после усиления не должно превышать напряжения трогания двигателя (Uтрог=1 В).

В качестве подавителя помех выберем из справочника  микросхему К101КТ1В. Паспортные данные на микросхему представлены в таблице.

Паспортные данные микросхемы К101КТ1В

Для работы двигателя необходимо выполнение условия :

.                                                             

Рассчитаем коэффициент усиления выходного каскада (Квк) по формуле:

.                                                                      

   Будем считать, что К1=К2=К3=К .

Определим минимальный коэффициент усиления каждого усилительного звена. Общий коэффициент усиления определяется по формуле:

,

откуда получаем минимальное значение коэффициента усиления:

Выберем К1=К2=К3=К  из условия:

Примем К1=К2=К3=К=49

2.3.1.                                                . Расчет резисторов

Приведем схему цепи усиления с указанием элементов:

Схема цепи усиления.

Необходимо, чтобы  сопротивление входного усилителя было большим, поэтому первый усилитель делаем неинвертирующим. Второй и третий усилители будут инвертирующими.

Рассчитаем сначала параметры инвертирующих усилителей по формуле:

Примем  R2=R3=10 кОм, тогда из формулы получим:

Примем 505 кОм из ряда Е192. Тогда

Произведем расчет первого усилителя (неинвертирующего). Примем, что через резисторы   протекает ток тогда можно составить систему уравнений для нахождения и :

Получим:

Примем из ряда Е192,

Определим номинал резистора :

Примем из ряда Е192.                                    

Скорректируем коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

Теперь рассчитаем фактический общий коэффициент усиления:

Фактический коэффициент усиления больше требуемого Ку_дв= , значит резисторы с рассчитанными номиналами можно использовать в цепи усиления.

2.3.2 Расчет конденсаторов.

Рассчитаем электроемкости разделительных конденсаторов С3, С4 и С5, используемых для избавления от остаточного напряжения на выходе усилителей в цепи усиления. Чтобы избежать больших падений напряжений на конденсаторах будем выбирать их из условия:

  или                                                     

где R – полное активное сопротивление последовательного участка цепи в который входит конденсатор,

- круговая частота, соответствующая рабочей частоте 400 Гц.

Окончательно формула для вычисления электроемкости разделительных конденсаторов:

Определим параметры разделительных конденсаторов:             

мкФ .

мкФ .

Ом

Ом.

мкФ.

Для из ряда Е24 выберем конденсатор с емкостью 0.2 мкФ.

Для из ряда Е24 выберем конденсатор с емкостью 0.39 мкФ.

Для из ряда Е192 выберем конденсатор с емкостью 1.35 мкФ.

3.Организация питания выходного каскада и операционных усилителей.

3.1.           Организация питания выходного каскада.

Используем диодный блок (в интегральном исполнении), в котором диоды соединены по мостовой схеме.

Т.к. напряжение питания сглаженное то необходим фильтрующий (сглаживающий) конденсатор СФ1.

Средний ток через диод определяется по формуле:

Рассчитаем эквивалентное сопротивление нагрузки источника питания:

Зададимся некоторым коэффициентом пульсации Кп≤6-7% . При таком коэффициенте пульсации можно аппроксимировать временную диаграмму напряжения, получаемого на выходе фильтра, отрезками прямых. Тогда справедлива формула для расчета емкости конденсатора:

Для из ряда Е192 выберем конденсатор с емкостью 138 мкФ.

Чтобы оценить пиковые значения зарядного тока Iпик, протекающего через диоды и конденсатор, используем графический метод оценки: зная и , найдем постоянную времени цепи разряда: τ ==0.006(с). Затем построим диаграмму напряжения, отложив  τ по оси времени.

Отсюда графически оценим отношение времен заряда и разряда (tзар/ tразр).

tзар=0.00375-0.0029=0.00085(c)

tразр=0.0029-0.00125=0.00165(c)

Соотношения токов разряда и заряда приблизительно обратно пропорциональны соотношениям соответствующих времен: (Iразр / Iзар.)= (tзар /tразр) . 

Поскольку при максимальном потреблении тока от источника:

Iразр=Iп-макс=0.4(A),

то ток заряда найдем как:

Iзар.= Iп-макс (tразр /tзар) =0.78(A).

Пиковый ток через диод:     Iпик =Iзар+ Iп-макс=1.18(A)

Максимальный ток через диод:   Iд-макс= Iпик =1.18(A)

С учетом падения напряжения на открытых диодах на входе моста необходимо обеспечить:

Uвх.D4 макс= Uп- макс+2 Uд.прям=19.4(В),

Обратное напряжение на диоде определим по формуле:

Uд-обр= Uвх.D4 макс - Uд.прям=18.4(В),

где Uд-пр - падение напряжения на прямо включенном (открытом) диоде, приблизительно равное 1В.

              Далее выбираем диодный блок D4 из условий:

Выберем диодный блок КЦ 407А – диоды кремниевые в пластмассовом корпусе, соединенные по мостовой схеме.

3.2. Организация питания операционных усилителей

Микросхемы операционных усилителей требуют питания сглаженным стабилизированным напряжением. Для организации такого питания используем отдельно два мостовых выпрямителя и два стабилизатора напряжения . Здесь по требуемому для ОУ значению выбран из справочника стабилизатор КР142ЕН15А, характеристики которого приведены в таблице .

Характеристики стабилизатора КР142ЕН15А