/>/>/>/>/>МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯИ НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
____________________
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙИНСТИТУТ
(Технический университет)
Кафедра ЭлектротехническихКомплексов Автономных Объектов
Курсовой проект
Регулятор напряжения автомобильного синхронногогенератора с когтеобразным ротором
Москва, 2010/>
СОДЕРЖАНИЕ
Техническое задание
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ЭМС ИПРИНЦИП ЕЕ ДЕЙСТВИЯ
1.1 Функциональные задачи, выполняемые ЭМС
1.2 Функциональная схема ЭМС
1.3 Принцип действия системы в целом. Характеристики системы
1.4 Основные технические данныерассматриваемой ЭМС
1.5 Описание элементов,входящих в состав ЭМС
1.5.1 Генераторная установка
1.5.2 Выпрямитель
1.5.3 Регулятор напряжения
Глава 2. КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА
2.1 Описание компьютерной модели
2.2 Выбор элементной базы
2.2.1 Выбор вспомогательного транзистора Q1
2.2.2 Выбор силового транзистора M1
2.2.3 Выбор диода D1
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованных источников
Техническое задание
Назначение электромеханической системы (ЭМС)
ЭМС предназначена для питания бортовыхпотребителей автомобилей постоянным током, напряжением 14 В, суммарноймощностью не более 1 кВт.
Тип электрической машины
Синхронный генератор со встроенным выпрямителем, независимым возбуждением,когтеобразной (клювообразной) конструкцией ротора.
Требуется:
– Составить структурную схему ЭМС. Дать краткое описание ЭМС в целом и её элементов(принцип действия, конструкцию, статические характеристики). Исходя изназначения ЭМС, руководствуясь соответствующим ГОСТ, определить условия еёработы.
– Используя принципиальную схему электронного преобразователя (ЭП)описать его принцип действия, привести диаграммы процессов поясняющие егоработу.
– Составить компьютерную модель ЭП.
– С помощью компьютерной модели провести необходимые, для выбораэлементной базы ЭП расчёты токов, напряжений и выбрать подходящую элементнуюбазу для его реализации. Рассчитать потери на полупроводниковых компонентах.
– Оценить массо – габаритные показатели и стоимость комплектующихЭП. синхронный генераторкогтеобразный ротор
ВВЕДЕНИЕ
Современный автомобиль невозможно представить себе без электрооборудования. Всепотребители нуждаются в стабильном источнике постоянного тока, которым являетсягенератор. Конечно, помимо генератора в автомобилях есть ещё один источникэлектроэнергии — аккумуляторная батарея, однако в её задачи входит толькопитание стартера в моменты пуска ДВС и кратковременное снабжениемаломощных потребителей.
В данном расчётном задании рассматривается автомобильная системаэлектроснабжения, в основе которой лежит синхронный генератор независимоговозбуждения с когтеобразным (клювообразным) ротором. Генератор приводится вдвижение ременной передачей от коленчатого вала ДВС. В данный момент, это самаяраспространённая конструкция, применяемая на автомобилях.
Глава 1. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕЭМС И ПРИНЦИП ЕЕ ДЕЙСТВИЯ/> 1.1 Функциональныезадачи, выполняемые ЭМС
Рассматриваемаяэлектромеханическая система (ЭМС) – это автономная система электроснабженияпостоянного тока на базе синхронного генератора с независимым возбуждением. Онапредназначена для питания электрической энергией бортовых потребителейавтомобиля общей мощностью 1 кВт, напря-жением 14 В постоянного тока. Выработкуэлектроэнергии в данной системе осуществляет двигатель внутреннего сгорания(ДВС)./>1.2 Функциональная схема ЭМС
Функциональнаясхема рассматриваемой ЭМС представлена на рис. 1
/>
Рис. 1.Функциональная схема ЭМС
Всостав приведённой на рис. 1 ЭМС входят следующие устройства:
- двигательвнутреннего сгорания (ДВС);
- генераторс электромагнитным возбуждением (Г);
- выпрямитель(В);
- нагрузка(Н);
- датчикнапряжения (ДН);
- регулятор(Р).
/>1.3 Принцип действия системы в целом. Характеристикисистемы
Принципдействия электромеханической системы основан на преобразовании механическойэнергии в электрическую с заданным качеством. Рассмотрим его подробнее.
Генератор,приводимый в движение через ременную передачу от ДВС, вырабатываетэлектрическую энергию. Наводимая в обмотках генератора ЭДС описываетсяследующей формулой:
EГ=cnФОВ.
Изнеё видно, что значение напряжения на выходе генератора прямо пропорциональночастоте вращения ротора генератора и току в обмотке возбуждения. Так какобороты генератора нестабильны, а напряжение на нагрузке должно бытьнеизменным, в систему введён датчик напряжения и регулятор тока обмоткивозбуждения. Как правило, датчик напряжения встроен в регулятор, такоеустройство называют регулятором напряжения. Выпрямитель преобразует переменноенапряжение выдаваемое генераторомв постоянное. Это напряжение иподаётся на нагрузку. Любое отклонение напряжения на нагрузке система подавляетувеличивая или снижая ток в обмотке возбуждения генератора. Регулирование токав обмотке возбуждения осуществляет силовой транзистор управляемый микроконтроллеромпо принципу ШИМ.
Главнойособенностью рассматриваемой системы является то, что от привода (ДВС) нетребуется постоянство частоты вращения. Величина напряжения на нагрузке можетотклоняться на ±0,15 В от номинального значения (установлено техническимиданными генератора).
Частотавращения вала генератора, при которой его напряжение Uдостигает номинального значения, получила название частоты вращения холостогохода nх или частоты начала отдачи мощности./>1.4 Основные технические данные рассматриваемой ЭМС
а)Параметры выходного напряжения: постоянное 14В. Номинальная мощность нагрузки –1 кВт;
б)Условия эксплуатации:
– температураокружающего воздуха от –40 °С до +45 °Спри относительной влажности до 90% при 25 °С;
– высотанад уровнем моря до 4000 м;
в)Максимальное отклонение напряжения при изменении тока нагрузки в пределах от0,1Iн до 0,9Iн ±0,25 В;
г)Точность регулируемого напряжения ±0,1 В при изменении частоты вращения валагенератора в пределах 2000-5000 об/мин;
д)Регулируемое напряжение при отключённой аккумуляторной батарее при частотевращения ротора генератора 7500 об/мин и токе нагрузки 5 А не превышает 17 В;
е)Диапазон рабочих температур регулятора -40…+120 °С;
ж)Соблюдение требований ГОСТ Р 52230-2004./> 1.5 Описаниеэлементов, входящих в состав ЭМС/>1.5.1 Генераторная установка
Генераторнаяустановка (ГУ) состоит из ДВС и генератора.
Двигательвнутреннего сгорания (ДВС) – привод генератора, вырабатывает механическуюэнергию вращения вала. Частота вращения может быть переменной, в данной системеона никак не стабилизируется.
Генераторс электромагнитным возбуждение от регулятора напряжения на выходе даётпеременное электрическое напряжение, зависящее от частоты вращения валадвигателя и тока в обмотке возбуждения. Конструкция генератора представлена нарис.2.
/>
Рис. 2.Конструкция генератора.
Принципдействия генератора: обмотка возбуждения, создаёт постоянныйоднонаправленный магнитный поток, изменяющий свою величину по меренеобходимости. Благодаря когтеобразной (клювообразной) конструкции ротора, на нёмвозникает неподвижное магнитное поле переменной полярности (см. рис. 1). КогдаДВС приводит во вращение ротор генератора, магнитное поле начинает вращатьсяотносительно неподвижной обмотки статора и наводить в ней переменную ЭДС (/>).Если на статоре уложена симметричная трёхфазная обмотка (магнитные оси фазсдвинуты в пространстве на 120 электрических градусов, а электрическиесопротивления и числа витков фаз одинаковы), то в этой обмотке индуцируетсясимметричная система ЭДС. Если к трёхфазной обмотке якоря подключитьсимметричное внешнее сопротивление, то по этой обмотке будет протекатьсимметричная система токов.
Характеристикигенератора.
–внешняя характеристика n,IОВ=const:
/>
Уменьшениенапряжения U генератора с ростомнагрузки вызвано размагничивающим действием реакции якоря и возрастаниемпадения напряжения в фазах обмотки якоря.
–скоростная характеристика IН,IОВ=const:
/>
/>–токоскоростная харктеристика:
/>
–регулировочная характеристика:
/>
Достоинстватакого генератора:
–простота конструкции;
–высокая удельная мощность;
–простота технического обслуживания;
–малый уровень шума;
–незначительные радиопомехи;
–значительный ресурс.
Недостатки:
–наличие щёточного узла;
–невозможно самовозбуждение, необходим первичный источник напря-жения (АКБ)./>1.5.2 Выпрямитель
Вданной ЭМС используется трёхфазный мостовой выпрямитель, так как именно такаяконструкция позволяет обеспечить минимальный уровень пульсаций выходногонапряжения. Схема реализуется на диодах.
Назначениевыпрямителя – преобразовать трёхфазное переменное напряжение в постоянное. Всовременных генераторах уже имеется встроенный выпрямитель.
Схемавыпрямителя представлена на рис. 3.
Принципдействия.
Рассмотримработу схемы рис. 4 на активную нагрузку. С момента времени q1ток проводят диоды VD1и VD6,а остальные диоды находятся в непроводящем состоянии. Тогда к нагрузкеприложено линейное напряжение uab,и выпрямленный ток Idпротекает по контуру: обмотка фазы А – диод VD1– нагрузка Rd–диод VD6– обмотка фазы В. Этот процесс продолжается до момента времени q2.Начиная с этого момента времени напряжение ubcстановится положительным, т.е. прямым для диода VD2– он начинает проводить ток, а диод VD6закроется. В момент времени q3в работу вступает диод VD3,а диод VD1закрывается, т.к. напряжение фазы В становится выше напряжения фазы А.
Далеечерез интервалы времени, равные p/3, происходятвключения следующих пар диодов: VD2-VD4,VD3-VD5,VD5-VD1.Таким образом, длительность прохождения тока через каждый диод составляет 2p/3,а остальное время он закрыт.
Поочерёднаяработа пар диодов в схеме приводит к появлению на сопротивлении нагрузки Rdвыпрямленногонапряжения, состоящего из частей линейных напряжений, приходящих на входвыпрямителя.
/>
Рис.3.
Диаграммытоков и напряжение рассматриваемой трёхфазной мостовой схемы выпрямленияприведены на рис. 4.
/>
Рис. 4.Диаграммы напряжений и токов выпрямителя/> 1.5.3 Регулятор напряжения
В данной системе используется регулятор на основемикроконтроллера, управляющего силовым транзистором по принципу ШИМ.Принципиальная схема управления показана на рис. 5.
/>
Рис.5. Принципиальная схема управления током обмотки возбуждения.
/>Как видно из схемы, на вход регулятора подаётсявыпрямленное напряжение Ud с блока диодов. Затем снизившись до необходимого уровня наделителе напряжений R12-R14 поступает на вход микроконтроллера DA2, который сравнивает его с заданным уровнем. Конденсатор С7отвечает за продолжительность периодов ШИМ, а С8 вкупе срезистором R16 – за стабильностьпитания микроконтроллера. Свой сигнал на включение обмотки возбуждения (ОВ)микроконтроллер создаёт путём подачи управляющего тока базы вспомогательноготранзистора VT4, в следствии чего,потенциал затвора силового транзистора IRF1 становится меньше потенциала истока, и он открывается.Время открытого состояния IRF1 зависит от скоростивращения ротора генератора и подключённой нагрузки. Дабы уберечь силовойтранзистор в момент закрытия от перенапряжения из-за ЭДС самоиндукции обмоткивозбуждения, установлен обратный диод VD7.
Глава 2.КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА
2.1Описание компьютерной модели
На рис. 6 изображена модель схемы управления током обмотки возбуждения. ВместоШИМ контроллера DA2 установленгенератор импульсов V2, которыйсоздаёт периодические сигналы на открытие вспомогательного транзистора Q1, вследствие чего открывается силовой транзистор M1, замыкающий вывод обмотки возбуждения L1 на «массу». R3 – имитациясопротивления обмотки возбуждения. V1 – это источник постоянного напряжения 14 В, питающий обмоткувозбуждения.
/>
Рис. 6. Модель схемы управления токомвозбуждения.
Исходя из того, что в обмотка возбуждения имеет индуктивность L=66,2 мГн и активное сопротивление R=1,3 Ом, то постоянная времени переходного процесса Т=L/R=66,2/1,3=50,92мсек. По правилам ТОЭ переходной процесс считается установившимся, если смомента его начала проходит (5 – 6)Т . В связи с этим убеждением, примерное время окончания переходного процесса 306 мсек, поэтомудиаграммы будем строить на отрезке времени от 0 до 0,4 сек. Рассматривать будем4 главных состояния:
– Частота импульсов ШИМ f=25 Гц, скважность Q=0,25, рис. 7;
– Частота импульсов ШИМ f=25 Гц, скважность Q=1, рис.8;
– Частота импульсов ШИМ f=10 кГц, скважность Q=0,25, рис.9 (а, б);
– Частота импульсов ШИМ f=10 кГц, скважность Q=1, рис. 10 (а, б).
На рис. 7 – 10 изображены следующие осциллограммы сверху – вниз:
– Напряжение генератора импульсов;
– Ток эмиттера вспомогательного транзистора Q1;
– Напряжение исток – сток силового транзистора М1;
– Мгновенное и среднее значение тока в обмотке возбуждения.
/>
Рис.7
/>
Рис. 8
/>
Рис. 9а
/>
Рис. 9б
/>
Рис.10а
/>
Рис. 10б
2.2 Выбор элементной базы
2.2.1 Выбор вспомогательного транзистора Q1
Для выбора биполярного транзистора необходимо знатьего токи протекающие через базу – эмиттер и коллектор – эмиттер, а такжевыделяемую мощность потерь и предельное напряжение. Рассматривать будем 3 осциллограммыпредельных режимов:
– Частота генератора импульсов f=25Гц, скважность Q=0,25, рис. 11;
– Частота генератора импульсов f=10кГц, скважность Q=1, рис. 12;
– Частота генератора импульсов f=10кГц, скважность Q=0,5, рис. 13.
На рис. 11 – 12 изображены следующие осциллограммы сверху – вниз:
– Ток базы вспомогательноготранзистора Q1;
– Ток коллектора вспомогательного транзистора Q1;
– Напряжение коллектор — эмиттер вспомогательного транзистора Q1;
– Среднее значение выделяющейся мощности.
/>
Рис.11
/>
Рис. 12
/>
Рис. 13
/>
Из полученных характеристик подбираемвспомогательный транзистор КТ301Ж. Диаметр транзистора d=5 мм, высота с учётом ножек h=18 мм. Цена транзистора 20 руб.
2.2.2 Выбор силового транзистора M1
Для выбора полевого транзистора необходимо знать его ток,протекающий через сток – исток, а также выделяемую мощность потерь напряжениесток – исток. Рассматривать будем осциллограммы режимов f=25 Гц, Q=0,25 рис. 14 и f=10 кГц, Q=1 рис.15.
На рис. 14 – 15 изображены следующиеосциллограммы сверху – вниз:
– Ток сток – исток силового транзистора М1;
– Напряжение сток – исток силового транзистора М1;
– Среднее значение выделяющейся мощности.
/>
Рис. 14
/>
Рис.15
По полученнымпараметрам подбираем транзистор 2N6491 TO-220AB. Размеры с учётом ножек: 10х4,5х17мм. Цена: 100 руб.
2.2.3 Выбор диода D1
Для выбора диодадостаточного проверить, чтобы он выдерживал ток, проходящий через него и чтобывремя переориентации неосновных носителей было значительно меньше, чем периодкоммутаций обмотки возбуждения. Ввиду высокой максимальной частоты коммутаций выбираем диод HFA08TA60C, 2UFAST диода 2x4А 600В TO220AB. Размеры с учётомножек: 10х4,5х17 мм. Цена: 140 руб.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе было произведено моделирование схемы управлениятоком возбуждения автомобильной генераторной установки с когтеобразным ротором.В процессе моделирования были получены данные для выбора элементной базы,наглядные осциллограммы переходных процессов в разных режимах работы установки.Кроме того, была произведена настройка модели таким образом, чтобы она удовлетворяла поставленным требованиям по рабочим частотам икачеству тока возбуждения генератора.
/>Списокиспользованных источников
1. Л.Л.Таланов, А.В. Берилов, Д.С. Грузков Электронные преобразовательные устройства.М.: МЭИ, 2010. 184с.
2. АкимовС.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. М.: «За рулём», 2007. 336с.
3. РозановЮ.К., Рябчицкий М.В. Силовая электроника. М.: МЭИ, 2007. 632 с.
4. ТыричевП.А., Лозенко В.К. Учебно-методическое пособие по курсу «Электромеханическиесистемы». М.: МЭИ, 1998. 126 с.