Автор работы: Пользователь скрыл имя, 03 Апреля 2014 в 11:53, реферат
Стабилизатор напряжения – это устройство, гарантирующее получение стабилизированного в оговорённых пределах напряжения, и может быть выполнено с использованием различных технологий, актуальных на сегодняшний день.
Стабилизатор напряжения, будь он поставлен для питания всей электрической системы или какой-либо её части, способен дать:
Экономию энергии благодаря устранению фактора излишне высокого напряжения.
Рост ресурса и производительности оборудования благодаря тому, что устройства не подвергаются неожиданным изменениям напряжения питания и работают на том напряжении, для которого они разработаны.
Так как возрастает ресурс устройств, процесс замены отдельных узлов или аппаратов в целом также замедляется, благодаря долгому сохранению ими работоспособности. Количество поломок и отказов также снижается благодаря устранению фактора перенапряжения.
1 Введение 5
1.1 Стабильность напряжения равно безусловная экономия 5
1.2 Основные области экономии 7
2 Постановка задачи 8
2.1 Анализ предпроектной ситуации 8
2.2 Постановка задачи проектирования 9
2.2.1 Обоснование актуальности разработки 9
2.2.2 Краткий обзор методов решения аналогичных задач 10
2.2.3 Краткая характеристика выполненной работы 11
2.3 Техническое задание 12
2.3.1 Назначение разработки 12
2.3.2 Основные функции 12
2.3.3 Технические требования 13
2.3.4 Требования к интерфейсу 13
2.3.5 Требования по безопасности 13
2.3.6 Требования к документации 13
2.3.7 Требования к надежности 14
2.3.8 Дополнительные и специальные требования 14
3 Коммутационный узел и автотрансформатор. 14
4 Выбор шагового двигателя 15
4.1 Шаговый двигатель 15
4.2 Виды шаговых двигателей 16
4.2.1 Двигатели с переменным магнитным сопротивлением 17
4.2.2 Двигатели с постоянными магнитами 18
4.2.3 Гибридные двигатели 20
4.3 Типы шаговых двигателей 22
4.4 Расчёт требуемого момента 24
5 Разработка системы управления для шагового двигателя 26
5.1 Способы управления фазами шагового двигателя 26
5.2 Расчёт усилителя тока для управления шаговым двигателем. 28
5.3 Датчики системы управления электромеханического стабилизатора напряжения 33
5.3.1 Датчик входного и выходного напряжения 33
5.3.2 Датчик тока 35
5.4 Программное обеспечение разработанное для ЭлМСН 38
5.4.1 Программа для обработки информации с датчиков напряжения и датчика тока. 38
5.4.2 Подпрограмма управления шаговым двигателем. 40
Электромеханический стабилизатор напряжения (ЭлМСН) предназначается для стабилизации сетевого напряжения переменного тока.
Пользователям должна быть
предоставлена полная
Она должна содержать:
Разрабатываемый ЭлМСН должен обеспечить стабильное синусоидальное напряжения в заданных пределах при номинальных входных параметрах. Характер нагрузки, на которую работает стабилизатор, не должна оказывать никакого влияния. ЭлСН должен выполнять свои функции во всем диапазоне допустимых условий эксплуатации стабилизатора напряжения.
Предприятие ООО «НПП ИНТЕПС» имеет собственное производство автотрансформаторов. Поэтому вся идея создания ЭлМСН основывалась на том что бы по максимуму задействовать собственные ресурсы. Следовательно получить коммерчески выгодный стабилизатор, с наименьшими по себестоимости затратами.
Был создан автотрансформатор имевший 12 отводов (12-ый отвод входной) с диапазоном стабилизации +/- 25% на разные мощности от 3 до 12 кВА.
Вопрос коммутации отводов конструкторами ООО НПП «ИНТЕПС» был решен следующим образом. Взамен электронной коммутации ключей, был создан коммутационный узел, выполненный в форме кольца из диэлектрика, на внутренней поверхности которого расположены ламели с выводами для подключения к отводам автотрансформатора, щеткодержатель с двумя щётками установлен с возможностью контактирования щёток с указанными ламелями (рисунок 2). Созданный коммутационный узел необходимо приводить в движение и при этом иметь возможность точно управлять положением электрощёток относительно ламелей. Исходя из данных требований, наименьшей стоимости, габаритных размером с такой задачей может справиться шаговый двигатель (ШД).
Фото К.У.
Рисунок 2- Коммутационный узел
В качестве электропривода для переключения ламелей автотрансформатора будем использовать шаговый двигатель. Такие двигатели позволяют преобразовывать сигнал управления в угловое перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. К преимуществам таких двигателей можно отнести:
Но, как и у любого устройства у таких же двигателей есть свои недостатки, а именно:
Существуют три основных типа шаговых двигателей:
Определить тип двигателя можно даже на ощупь: при вращении вала обесточенного двигателя с постоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное сопротивление вращению, двигатель вращается как бы щелчками. В то же время вал обесточенного двигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридные двигатели являются дальнейшим усовершенствованием двигателей с постоянными магнитами и по способу управления ничем от них не отличаются.
В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находиться в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.
Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор зубчатой формы из магнитомягкого материала (рисунок 2). Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель имеет шаг 30 град.
Рисунок 3 − Двигатель с переменным магнитным сопротивлением.
При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках. Реальный двигатель может иметь большее количество полюсов статора и большее количество зубцов ротора, что соответствует большему количеству шагов на оборот. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значения угла шага, порядка нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях.
Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты (рисунок 3). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.
Рисунок 4 − Двигатель с постоянными магнитами.
Показанный на рисунке 3 двигатель имеет три пары полюсов ротора и две пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 град. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 – 24 шага на оборот (угол шага 7.5 – 15 град). Разрез реального шагового двигателя с постоянными магнитами показан на рисунке 4.
Рисунок 5 − Разрез шагового двигателя с постоянными магнитами.
Для удешевления конструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.
Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость. Для работы на высоких скоростях используются двигатели с переменным магнитным сопротивлением.
Гибридные двигатели являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9 град.). Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении (рисунок 5).
Рисунок 6 − Гибридный двигатель.
Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8- и 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.
Продольное сечение гибридного шагового двигателя показано на рисунке 6. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.
Рисунок 7 − Продольный разрез гибридного шагового двигателя.
Как видно на рисунке, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубьев. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора, и постоянный магнит его «видит» слабо. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.