Ефремов
.pdfМІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІ-
ВЕРСИТЕТ
Центр заочного навчання Кафедра автомобільної електроніки
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до курсового проекту
з дисципліни: Проектування та розрахунок електрообладнання АТЗ на тему: Розрахунок генераторної установки АТЗ
Перевірив к.ф.-м.н., доц. |
Ю.М. Бороденко |
Виконав ст. гр. РЕз-51 |
О.С. Єфремов |
2014
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИСТЕТ
Факультет |
ЦЗН |
|
Кафедра |
|
автомобільної електроніки |
|
||||||||||
Спеціальність 7.092201 – Електричні системи та комплекси транспортних засобів |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЗАТВЕРДЖУЮ: |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зав. кафедрою |
|
АЕ |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Проф. |
|
|
|
Бажинов О.В. |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
" |
|
" |
|
|
2014 р. |
||
|
|
|
|
ЗАВДАННЯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
на курсовий проект студентові |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Єфремову О.С. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1. Тема проекту |
Проектування та розрахунок електронного регулятора напруги |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
2. Термін здачі студентом закінченого проекту 15 травня 2014 р. |
|
|
|
|||||||||||||
3. Вихідні дані до проекту: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
3.1 |
рівень напруги що регулюється U рн |
26,6В ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3.2 |
номінальний струм навантаження генераторної установки I н 94 А ; |
|
|
|
||||||||||||
3.3 |
максимальне значення струму навантаження Imax |
120 A ; |
|
|
|
|
|
|
||||||||
3.4 |
мінімальна частота обертання двигуна nmin |
840 хв 1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
3.5 |
максимальна частота обертання двигуна n |
3050 хв 1 ; |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.6 |
допустимий рівень пульсації напруги що регулюється U |
3% . |
|
|
|
|
4.Зміст розрахунково-пояснювальної записки:
4.1Аналіз початкових даних і визначення параметрів генератора;
4.2Синтез схеми електричної принципової регулятора напруги;
4.3Розрахунок елементів схеми регулятора напруги та вибір елементної бази;
4.4Розрахунок згладжуючих фільтрів;
4.5Оптимізація параметрів елементів схеми за допомогою машинного моделювання;
4.6Перевірка температурної стабільності регулятора напруги;
4.7Розрахунок робочих характеристик генераторного пристрою;
4.8Енергетичний розрахунок регулятора напруги;
5.Висновки.
6. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов'язкових креслень):
6.1Схема визначення параметрів великого сигналу вихідних транзисторів (режими насичення та відсічки);
6.2Схема визначення параметрів великого сигналу вимірювальної частини (режими насичення та відсічки);
6.3Схема регулятора напруги в динамічному режимі;
6.4Результати моделювання роботи регулятора напруги (осцилограми колекторної напруги вихідних транзисторів);
6.5 Графіки залежностей Uср f n ; |
f n ; Iв f n ; f f n . |
|
ЗМІСТ |
|
ВСТУП |
.......................................................................................................... |
3 |
1 Аналіз початкових даних і визначення параметрів генератора.......... |
4 |
|
1.1 |
Вибір генератора............................................................................ |
4 |
1.2 |
Аналіз характеристики і визначення |
|
|
параметрів генератора ................................................................... |
7 |
2 Синтез схеми електричної принципової регулятора напруги .......... |
10 |
|
2.1 |
Синтез схеми вимірювальної частини....................................... |
10 |
2.2 |
Синтез схеми вихідного каскаду................................................ |
10 |
3 Розрахунок елементів схеми та вибір елементної бази ..................... |
12 |
|
3.1 |
Визначення типу та параметрів великого сигналу |
|
|
вихідних транзисторів ................................................................. |
12 |
3.2 |
Вибір стабілітрона і транзистора вимірювальної частини ...... |
14 |
3.3 |
Розрахунок вимірювальної частини регулятора....................... |
19 |
3.4 |
Знаходження ємкості конденсатора зворотного зв’язку Cz..... |
21 |
3.5 |
Визначення номіналів елементів схеми .................................... |
21 |
4 Оптимізація елементів схеми за допомогою машинного |
|
|
моделювання .......................................................................................... |
23 |
|
4.1 |
Робота регулятора напруги в статичних режимах ................... |
23 |
4.2 |
Робота регулятора напруги в динамічному режимі ................. |
24 |
5 Енергетичний розрахунок регулятора напруги.................................. |
26 |
|
ВИСНОВКИ ................................................................................................ |
27 |
|
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ ............................................................................ |
28 |
ЦЗН АЕ РЕ51.2110.3734.000 П3
Змн. Арк. |
№ докум. |
Підпис Дата |
Розроб. |
Єфремов |
|
Перевір. |
Бороденко |
|
Н. Контр. |
|
|
Затверд. |
|
|
Пояснювальна |
Літ. |
Лист |
Листів |
|
К П |
Р 3 |
28 |
||
|
||||
записка |
|
ХНАДУ |
|
|
|
|
кафедра АЕ |
ВСТУП
Генераторний пристрій складається з генератора і регулятора напруги та зазвичай являє собою конструктивно закінчений агрегат (регулятор монтується у корпусі генератора). Генераторний пристрій призначено для забезпечення на-
пругою бортових споживачів електроенергії.
Регулятор напруги (РН) виконує широтно-імпульсне регулювання струму в обмотці збудження генератора з метою підтримання постійного рівня напруги бортової мережі при русі автомобіля (трактора) з різною швидкістю та при ко-
ливаннях значень струму, що споживається системою електрообладнання. Ре-
гулятор напруги є частиною системи автоматичного регулювання напруги бор-
тової мережі та виконує в ній функції від'ємного зворотного зв’язку.
|
|
Арк. |
|
МТЗ АЕ РЕ42.2110.3734.000 П3 |
3 |
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата |
|
|
|
|
1 АНАЛІЗ ПОЧАТКОВИХ ДАНИХ І ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ГЕ-
НЕРАТОРА
1.1 Вибір генератора
Синтез генераторного пристрою починають з вибору типу генератора. По-
тужносні параметри генератора повинні задовольняти вимогам, що ставляться з боку навантаження (бортових споживачів електроенергії) та узгоджуватися з швидкісними характеристиками ДВЗ. Необхідно також враховувати умови екс-
плуатації, які зумовлюють тип генератора, додаткові вимоги, що ставляться до схеми регулятора напруги. Як вихідні данні для синтезу та розрахунку генерато-
рного пристрою, згідно варіантам, задаються такі параметри: Uрн , Iн , Imax , nmin ,
nmax , |
U % . |
|
|
|
|
|
|
|
|
Генератор змінного струму з електромагнітним збудженням характери- |
|||||||
зується такими параметрами: |
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
номінальною напругою Ugн |
28В ; |
|
|
|
|
|
|
- |
номінальним струмом Igн |
100 A ; |
|
|
|
|
|
|
- |
максимальним струмом I gmax |
125 A; |
|
|
|
|
||
- |
обертами неробочого ходу (початок віддачі потужності) n |
x |
1350мин 1 ; |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
номінальною частотою обертання n |
x |
1350мин 1 ; |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
максимальною частотою обертання ngmax |
5000мин 1 ; |
|
|
||||
- |
кількістю фаз m 3 ; |
|
|
|
|
|
|
|
- |
кількістю пар полюсів p |
6 , або числом зубців ротора z ; |
|
|
||||
- |
кількістю витків фазної обмотки Wф |
66 ; |
|
|
|
|||
- |
кількістю витків обмотки збудження Wз |
560 ; |
|
|
||||
- |
опором обмотки збудження rз |
3.4Ом . |
|
|
|
|
||
|
Номінальні значення напруги та струму генератора Ugн , Igн |
можуть відрізня- |
ЦЗН АЕ РЕ51.2110.3734.000 П3
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Арк.
4
тися від значень напруги, що регулюється Upн та номінального струму наванта-
ження Iн не більш як на 15%. Максимальне значення струму навантаження Imax не повинно перевищувати максимального струму генератора Imax Ig max . Кратність частоти обертання генератора повинна бути не менша за кратність обертання дви-
|
ng max |
|
n |
|
гуна |
|
|
max |
. |
|
|
|||
|
nx |
|
nmin |
Вибираємо генератор Г263 з дзьобоподібним ротором, який задовольняє вище зазначених вимог.
1.2 Аналіз характеристики і визначення параметрів генератора
Від категорії пересувного составу залежить вибір типу генератору. Маю-
чи другу категорію експлуатації, вибираємо генератор з дзьобоподібним рото-
ром.
Відповідно до параметрів вибраного генератора визначаємо його конс-
труктивну сталу:
|
|
|
|
|
|
|
C |
4k |
|
k |
k |
k |
k |
|
p |
W , |
|
|
|
0 60 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
f |
s |
v |
γ |
|
ф |
||
де k f |
1,05– коефіцієнт форми поля; |
|
||||||||||||||
ks |
2sin |
90 |
– коефіцієнт схеми випрямлення; |
|||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
m =3 – кількість фаз генератора; |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
kv |
2m |
|
2 |
sin |
90 |
– коефіцієнт випрямлення; |
||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||
|
π |
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k0 |
0,966 – обмотковий коефіцієнт; |
|
||||||||||||||
kγ |
0,935 – коефіцієнт комутації для двонапівперіодного випрям- |
лення;
|
|
Арк. |
|
ЦЗН АЕ РЕ51.2110.3734.000 П3 |
5 |
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата |
|
|
|
|
Ce |
4 1,05 2sin |
90 |
|
2 3 |
2 |
sin |
90 |
0,935 0,966 |
3 |
66 16,902 |
3 |
3,14 |
|
3 |
60 |
||||||
|
|
|
|
|
|
2 СИНТЕЗ СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРИНЦИПОВОЇ РЕГУЛЯТОРА
НАПРУГИ
2.1 Синтез схеми вимірювальної частини
Схема електронного регулятора напруги складається з вимірювальної час-
тини та вихідного каскаду. Якщо потрібно, то схема доповнюють посилюючими каскадами.
Згідно варіанту величина пульсацій U менша за 4%, тому слід обрати мостову схему вимірювальної частини рис. 2.
Рисунок 2.1 - Вимірювальна частина регулятора напруги з використанням чотириплечового моста
У вимірювальну діагональ моста ввімкнений вхід транзистора VT1. Пе-
ревагою такої схеми є більша динамічна чутливість до вимірювання рівня на-
пруги, що регулюється.
|
|
Арк. |
|
ЦЗН АЕ РЕ51.2110.3734.000 П3 |
6 |
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата |
|
|
|
|
2.2 Синтез схеми вихідного каскаду
Опір обмотки збудження rЗ 3,4 Ом , тому рекомендується використовувати схему вихідного каскаду з паралельним ввімкненням транзисторів (рис. 2.2). Це дозволяє знизити опір вихідного каскаду, що приводе до зменшення втрат поту-
жності на вихідному транзисторі, збільшується ККД схеми регулятора напруги.
Збільшується значення максимального струму в обмотці збудження.
Рисунок 2.2 – Вихідний каскад регулятора напруги з паралельним вклю-
ченням транзисторів
До недоліків цього схемного рішення слід віднести зменшення вхідного опору транзистора та збільшення вхідної ємності, що не дуже добре впливає на динамічні характеристики підсилюючого каскаду (час переключення транзис-
тора збільшується). Введення зворотного зв’язку зменшить час переключення транзистора. Паралельне ввімкнення (рис. 2.2) дозволяє використовувати тран-
зистори меншої потужності.
|
|
Арк. |
|
ЦЗН АЕ РЕ51.2110.3734.000 П3 |
7 |
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата |
|
|
|
|
3 РОЗРАХУНОК ЕЛЕМЕНТІВ СХЕМИ ТА ВИБІР ЕЛЕМЕНТНОЇ БАЗИ
3.1 Визначення типу та параметрів великого сигналу вихідних транзисторів
Дискретне регулювання струму в обмотці збудження передбачає роботу схеми регулятора в двох ключових станах, при яких вихідний транзистор знахо-
диться або в режимі насичення (відчинений стан), або в режимі відсічки (зачине-
ний стан). При цьому миттєве значення напруги, виробленої генератором, змі-
нюється від напруги спрацьовування U до напруги повернення U'. Знаходимо значення напруги спрацювання U
U |
0,03 UР Н |
0,03 26,6 |
0,798 В. |
U 0,5 |
U UР Н |
0,5 0,798 |
26,6 26,999 В. |
Знаходимо значення напруги повернення U'
U ' U |
U |
26,999 0,798 |
26,201 В. |
|||||
Виходячи із співвідношень |
U |
|
2U , I |
|
(1, 2...1,5) |
U |
, вихідний тран- |
|
к max |
к max |
|
||||||
|
|
|
|
|
r3 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
зистор повинен мати параметри:
Uк max 2U = 2 26,999 |
53,998 В. |
|||||
Iк max |
(1, 2...1,5) |
U |
=1,5 |
26,999 |
11,91 А. |
|
|
|
|||||
|
|
r3 |
3,4 |
|
У разі паралельного підключення вихідних транзисторів:
I |
|
(1, 2...1,5) |
U |
/2=1,5 |
26.999 |
/ 2 5,965 А. |
|
к max |
r3 |
3.4 |
|||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Арк. |
|
ЦЗН АЕ РЕ51.2110.3734.000 П3 |
8 |
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата |
|
|
|
|
Заданим вимогам відповідає транзистор типу n-p-n 2N3879, критичні параметри якого: U кmax4 75 В , Iкmax4 7А..
Визначаємо параметри великого сигналу транзистора 2N3879 при парал-
лельному включені у програмному забезпеченні Multisim 10.1:
Рисунок 3.1 – Схема ввімкнення транзисторів VT4.1 VT4.2 для дослі-
дження параметрів великого сигналу
Значення параметрів великого сигналу отриманих у результаті модулю-
вання: 0,55В ,UБН4 1,4 В , IБН4 1,398 А ,UКН4 0,828В , IКН4 7,697А .
Знаходимо інваріантні параметри: вихідний та вхідний опір в стані наси-
чення та статичний коефіцієнт передачі струму
r |
|
U кн4 |
= |
0,828 |
|
0,1076 Ом. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
кн4 |
|
Iкн4 |
7,697 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
r |
U бн4 |
U бо4 |
= |
1,4 |
0,55 |
0,608 Ом. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
бн4 |
|
Iбн4 |
|
|
|
|
1,398 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
Iкн4 |
= |
7,697 |
5,5057 |
||||||
|
4 |
|
Iбн4 |
|
||||||||
|
|
|
|
1,398 |
|
|
|
|
Арк. |
|
ЦЗН АЕ РЕ51.2110.3734.000 П3 |
9 |
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата |
|
|
|
|