 |
Назначение и область применения
|
|
|
|
В настоящее время, когда потребителей энергии становится всё больше и больше, технологии становятся на путь понижения потребляемой мощности и увеличиваются разработки альтернативных источников энергии не загрязняющих окружающую среду. Сейчас можно увидеть ветряные электрогенераторы, использующие энергию ветра и преобразующие её в электрическую; биологические электростанции которые преобразуют энергию разложения органический веществ в электрическую. Но иногда когда энергии таких источников не хватает, и чтобы не было перебоев и скачков напряжения, то приходится переключаться на питание от стационарной сети. Для этих целей и предназначена тема моего исследовательского диплома.
Данное устройство предназначено для работы в составе ветряной электростанции средней мощности. Устройство реагирует на изменение напряжения на генераторе и, когда его не хватает, для питания потребителей переключает их на стационарную сеть. Также данное устройство реагирует на изменения тока протекающего в цепи нагрузки: когда ток в цепи нагрузки увеличивается до максимального тока, который может дать генератор, устройство переключает потребителей на стационарную сеть. И переключается обратно на генератор при восстановлении контролируемых параметров.
Данное разрабатываемое устройство предназначено для работы в различных бытовых и стационарных условиях. Оно способно работать в широком диапазоне температур и способно коммутировать цепь с сетевым напряжением 230В и током в 28А, эти параметры максимальные, которые может выдавать генератор СГВМ16-У1 в течении длительного времени, по индивидуальному заданию.
Разработка структурной схемы
|
|
|
Структурная схема определяет основные части изделия и связи между ними. Она лишь в общих чертах раскрывает назначение устройства и его функциональных частей и блоков, определяет основные части устройства и служит лишь для общего ознакомления с изделием.
Составные части проектируемого устройства изображаются упрощённо в виде прямоугольников произвольной формы и внутри каждого указывается наименование блока, узла.
Структурная схема разрабатываемого устройства приведена в графической части диплома на формате А1.
В основе данного устройства находится устройство сравнения. Оно следит за напряжение на генераторе и величиной тока в цепи нагрузки; и сравнивает их с эталонными или опорными значениями, которые также можно подбирать в небольших пределах. Для работы устройства требуется датчик напряжения на генераторе. Он предназначен для слежения за генератором: когда напряжение достаточное для питания потребителей, устройство подключает потребителей к генератору, а когда напряжение падает и его не достаточное для питания, то устройство переключает потребителей на стационарную сеть. Также для данного разрабатываемого устройства требуется датчик тока. Он следит за током в цепи потребителей: когда ток потребления увеличивается, и генератор не способен поддерживать стабильный режим работы, то устройство также переключает потребителей на стационарную сеть; и обратно, если ток падает и с генератора способен давать энергию без перебоев.
Блок опорного напряжения предназначен для задания эталонных значений контролируемых параметров и подстройки, устройства управления блоком переключателей, на точный режим работы и под конкретные значения максимального тока и напряжения которые может поддерживать генератор в условиях длительного времени работы. Блок индикации предназначен для контроля работы за устройством управления и источника питания потребителей: сеть или генератор. Блок питания, для запитывания разрабатываемого устройства подключён выходу устройства, т.к. на выходе устройства напряжение есть всегда, или от генератора или от сети.
|
|
|
Разработка функциональной схемы
Для работы разрабатываемого устройства потребуется два датчика: датчик тока, для контроля потребителей; и датчик напряжения, для контроля генератора. Датчик напряжения: пропорционально уменьшает выходное напряжение генератора, для возможности его сравнения его с опорным напряжением. Это напряжение находится в районе 1 – 1,5В. Датчик тока: преобразует определённую величину тока в соответствующее напряжение на его выходе, для сравнения со вторым опорным напряжением. Это напряжение, при максимальном значении тока в цепи, находится в районе 1В.
На устройство управления подается опорное напряжение для сравнения с подаваемым напряжением, взятое с датчика напряжения. Одновременно с этим напряжением на устройство сравнения подаётся второе опорное напряжение для сравнения с напряжением, взятым из датчика тока.
Блок переключателей подключён к блоку управления с помощью оптронов, для гальванической развязки высокого напряжения сети с низкими напряжениями в основной схеме.
Блок индикации совмещён с устройством управления и показывает, что происходит в определённые моменты времени: нет напряжения на генераторе, большой ток в цепи потребления, нормальный режим работы, работу блока питания.
Разработка принципиальной схемы
Расчёт узлов и блоков
Принципиальная схема разрабатываемого устройства приведена в графической части диплома на формате А1.
Для работы устройства сравнения требуется опорное напряжение не высокого потенциала. Первое опорное напряжение берётся со светодиода, ток через которые стабилизируется полевым транзистором. Для корректного зажигания светодиода требуется ток в 10мА, тогда на нём выделяется напряжение 2В. Конкретный транзистор для стабилизации тока выбирается по сток-истоковой вольтамперной характеристике. Второе опорное напряжение берётся из такой же конструкции, но вместо светодиода в истоковую цепь обычный диод. В данном случае ГД508А: падение напряжения на диоде 0,7В при токе в 10мА, что позволяет использовать одинаковые транзисторы в двух источниках опорного напряжения. Исходя из вышеописанного, и после сравнения сток-истоковых характеристик, мною выбран транзистор КП303А, у него наблюдается не значительное изменение тока стока в диапазоне 7 – 15В.
|
|
|
Блок переключателей выполнен на симисторах включённых по стандартной схеме включения, и со стандартными наборами подключаемых элементов. Симисторы должны выдерживать максимальное действующее напряжение в схеме и максимальный расчётный ток:
Umax = √2 ∙ 230 = 322 В;
Imax = 30 А.
Блок, содержащий в себе датчик напряжения, выполнен на основе резисторного делителя напряжения, подключённого к выпрямителю. От выпрямителя не требуется больших мощностей, т.к. он практически не несёт нагрузки, ток выпрямления настолько мал, что сюда подойдут практически любые диоды способные выдержать напряжение сети 220В. Резисторы делителя выбираются отталкиваясь от опорного напряжения в 2В. Делитель состоит из трёх резисторов токоограничивающего, подстроечного и ограничительного. Они все рассчитываются на основе закона Ома:
Rто = U / I,
примем величину протекающего в делителе тока 2мА, тогда общее сопротивление делителя будет:
Rобщ = 230 / 0.002 = 115000 (Ом) ≈ 120кОм, величина сопротивления с которого будет сниматься контролируемое напряжение будет составлять (по закону Ома):
R = 2 / 0.002 = 1000 (Ом) ≈ 1кОм.
Параллельно с ним включён конденсатор ёмкостью 1мкФ для сглаживания пульсаций на выходе датчика.
Блок датчика тока выполнен на основе резистора очень маленького сопротивления из-за того, чтобы не вносить потерь в цепь питания потребителей. Для того чтобы напряжение на выходе этого датчика было постоянным резистор включён в разрыв цепи диодного моста, который включён последовательно с потребителями. Данное включение диодного моста позволяет добиться минимальных потерь в цепи питания и материальных затрат компоненты. Данный диодный мост должен выдерживать максимальный ток в цепи (28А) и напряжение сети (230В). Сопротивление резистора с которого снимается напряжение сравнения 0,7В при максимальном протекающем в цепи токе 28А (по закону Ома):
|
|
|
RД = 0.7 / 28 = 0.025 (Ом),
РД = U ∙ I = 0.7 ∙ 28 = 19.6 (Вт) ≈ 20Вт.
Такой резистор можно составить из четырёх отдельных резисторов сопротивлением 0,1Ом и мощностью 5Вт. Для сглаживания пульсаций напряжения, параллельно с этим резистором включён конденсатор ёмкостью в 1мкФ.
Блок устройства управления состоит из двух операционных усилителей включённых в качестве компараторов. Для ограничения тока, оптронов и светодиодов включённых попарно, и для стабильной их работы сопротивления резисторов (по закону Ома):
Rн = 4 / 0,01 = 400 (Ом),
резистор выбираем из стандартного набора, сопротивлением 470Ом. Переключающий транзистор выбирается из маломощных способных выдержать данный ток транзисторов, имеющих относительно не дорогую стоимость, а также обладающих хорошей помехозащищённостью.
Блок питания состоит из параметрического стабилизатора напряжения со стандартным набором деталей. А так как мощность потребляемая устройством не выходит за пределы 40 мА, то стабилизатор должен быть рассчитан на данный ток.
Выбор элементной базы
Любое устройство вычислительной техники на низшем конструктивном уровне содержит следующие элементы: микросхемы, полупроводниковые приборы, резисторы, конденсаторы, коммутационные элементы и так далее.
Выбор конкретных элементов для построения проектируемого устройства производится после анализа множества взаимосвязанных факторов. Всю совокупность факторов, влияющих на принятие решения, можно разбить на группы по следующим признакам:
¾ назначение и область применения проектируемого устройства;
¾ заданные электрические характеристики, такие как рабочий диапазон частот, ограничение на потребляемую мощность, точность и стабильность характеристик и тому подобное;
¾ условия эксплуатации: климатические и механические воздействия, квалификация обслуживающего персонала и тому подобное;
¾ конструктивные показатели: требуемая надежность, ограничения на габаритные размеры и массу, заданные тепловые режимы, механическая прочность и так далее;
¾ уровень развития и наличие элементной базы, возможности ее применения в данной конструкции;
¾ организационно-производственные показатели: сроки, отведенные на конструирование, размер партии, серийность выпуска.
Сделав, анализ приведенных выше групп факторов с учетом состояния современного мирового уровня развития микроэлектронной и вычислительной техники, произведем выбор микросхемы и радиоэлектронных элементов разрабатываемого устройства. На основе выбора компонентов будем разрабатывать печатную плату.
|
|
|
Выбор компонентов будем производить из распространённых на рынке радиодеталей. Все резисторы МЛТ, кроме резистора для датчика тока он требуется большой мощности и обладающий повышенной жаро- и огнестойкостью. И поэтому я остановился на выборе недорогого резистора SQP-5W-0.1±5%. Конденсаторы оксидные типа К50-6. Транзисторы: в блоке опорного напряжения выбирается КП303А, по сток-истоковой вольтамперной характеристике, а в блоке управления транзистор КП501А. Диоды: в блоке датчика напряжения КД105Б, в блоке датчика тока КД2958А, стабилитрон в блоке питания Д814А рассчитанный на напряжение питания устройства 8 – 9В. В блоке переключателей симисторы BTA41-600 (400B, 40A). Микросхема LM358N или советский аналог КР1040УД1А.
|
|
|
