3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ КОЛЛЕКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

3.1 Описание работы системы регулирования скорости вращения

коллекторного двигателя

Электродвигатель М1 питают от управляемого выпрямителя из транзисторах VS1, VS2 и диодов VD3, VD4. Питание постоянным током благоприятно и для коллекторных двигателей переменного тока, так как они развивают в этом режиме вращающий момент больше номинального. Резистор R10, шунтирующий электродвигатель, гарантирует, что при свойственных коллекторно-щеточному узлу двигателя кратковременных разрывах цепи ток через включенный транзистор остается большим тока его выключения.

Импульсы, открывающие транзисторы, формируют узел, состоящий из генератора на транзисторах VT3, VT4, соединенных по схеме аналога однопереходного транзистора, усилителя мощности на транзисторе VT5 и импульсного трансформатора Т1.

Детектор нуля на транзисторах VT1, VT2 в начале каждого полупериода сетевого напряжения разряжает конденсатор С1, после чего конденсатор заряжается током, текущим через резисторы R6, R19 и диод VD10 и пропорциональным выходному напряжению операционного усилителя DA1. Чем больше зарядный ток, тем быстрее напряжение на конденсаторе С1 достигает порога срабатывания аналога однопереходного транзистора. В этот момент формируется импульс длительностью приблизительно 200 мкс, открывающий тот из транзисторов VS1, VS2, напряжение на аноде которого в данном полупериоде положительно относительно катода. Импульс такой длительности достаточен, чтобы открыть любой из транзисторов. За счет укорочения импульса уменьшается мощность, потребляемая устройством управления до 1,6 Вт (с учетом мощности, рассеиваемой на резисторе R1).

От механически связанного с двигателем М1 тахогенератора G1 напряжение, пропорциональное частоте вращения вала, поступает в систему стабилизации. Операционный усилитель DA1 служит элементом сравнения этого напряжения с поступающим с движка переменного резистора R12 – регулятора частоты вращения. Конденсатор С4 устраняет кратковременное включение полных оборотов двигателя в момент подачи сетевого напряжения. Благодаря обратной связи по цепи R20 C5 ОУ DA1 не только усиливает сигнал ошибки, но и выполняет функцию пропорционально-интегрирующего фильтра системы стабилизации частоты вращения. Переменным резистором R19 регулируют вращающий момент. Чем больше сопротивление, тем меньше момент. Механическая связь валов тахогенератора G1 и электродвигателя должна быть жесткой и без люфта, в противном случае система стабилизации может потерять устойчивость и возникнут незатухающие колебания частоты вращения.

3.2Оценка элементной базы

Используемая элементная база широко применяется в отечественной промышленности, обладает свойствами безотказности, долговечности, сохраняемости и хорошими электрическими показателями, а также имеет множество отечественных и зарубежных аналогов, что повышает ремонтопригодность изделия.

---

3.2.1 Микросхемы. В разрабатываемом устройстве применяется
микросхема серии К140. Они представляют собой операционный усилитель с малыми входными токами и внутренней коррекцией. Предназначены для преобразования и обработки аналоговых сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции, применяются в аналоговых регулирующих устройствах, в узлах и блоках сравнения. Напряжение питания микросхем составляет +14В±10%. Диапазон рабочих температур от минус 30 до плюс70 °С.

В схеме управления использована 1 микросхема:

- Операционный усилитель: К140УД6 (DА1);

Микросхемы данной серии имеют круглый металлостеклянный корпус с 8 выводами 201.8-1. Вариант установки VIII-a.

3.2.2 Резисторы. В качестве распределителей электрической энергии
между цепями и элементами схемы шахматных часов применены резисторы
общего назначения с металлодиэлектрическим проводящим слоем типа МЛТ-0.125 , МЛТ-2 - резисторы металлизированные лакированные теплостойкие постоянного сопротивления, которые характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью. Температурный диапазон от минус 20 до плюс 80°С. Вариант установки II-а. Устанавливается на печатной плате.

Переменные непроволочные резисторы СП-I регулировочные без стопорения оси одинарного конструктивного варианта. Характеризуются слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью. Температурный диапазон от минус 20 до плюс 80°С. Устанавливаются на корпус.

Проволочный эмалированный постоянный резистор с жесткими выводами ПЭВ-10,

в качестве проводящего элемента, в котором используются изолированные и неизолированные провода из сплавов с высоким сопротивлением (манганин, константан, нихром). Температурный диапазон от минус 20 до плюс 150°С. Устанавливается с силовой части устройства.

3.2.3 Конденсаторы. В проектируемом устройстве используются малогабаритные трубчатые керамические конденсаторы серии КМ50-35, К73-17В предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Диапазон рабочих температур от минус 50 до плюс 130 °С. Вариант установки II-в. Устанавливается на печатной плате.

3.2.4 Транзисторы. Транзистор КТ315Г, КТ361А, КТ630А маломощный высокочастотный. Статический коэффициент передачи тока базы транзистора не
менее 40. Диапазон температур от минус 10 до плюс 60 °С. Вариант установки II-в.
Устанавливается на печатной плате.

3.2.5 Предохранители. Предохранитель ВП21 выполнен из легкоплавкого материала (проволоки), плавящегося при превышении заданного предела прохождения электрического тока в 10А. Диапазон температур от минус 30 до плюс 150 °С.
Устанавливается в цепи питания силовой части устройства.

3.2.6 Трансформатор. Применяется импульсный трансформатор МИТ-4вм, состоящий из ферритового кольца, изготовленного по технологии порошковой индустрии и двух обмоток по 50 витков провода ПЭВ-2 0,35, изолированных друг от друга и от магнитопровода отрезками полихлорвиниловой трубки. Диапазон рабочих температур от минус 50 до плюс 100 °С. Устанавливается на печатной плате.

---

3.2.7 Диоды. Диод импульсный Д223, Д232, Д814Д применяемый для преобразования импульсного сигнала. , . Однофазный диодный мост КЦ405Г представляет собой выпрямительный блок средней мощности. , . Диапазон температур от минус 55 до плюс 100 °С. Вариант установки II-а. Устанавливается на печатной плате.

3.2.8 Тиристоры. Тиристоры КУ202Н представляют сбой управляемые диоды с широким диапазоном управления. Диапазон температур от минус 55 до плюс 100 °С.

Устанавливается с силовой части устройства.

3.2.9 Тахогенератор. В качестве тахогенератора применен малогабаритный коллекторный электродвигатель постоянного тока ДПИ-25-Н3-03 закрытого типа. Диапазон температур от минус 20 до плюс 150 °С. Устанавливается с силовой части устройства.

Из анализа температурных диапазонов всех элементов схемы, получаем, что диапазон температур «регулятора-стабилизатора частоты вращения коллекторного двигателя» составляет от минус 10 до плюс 60°С.

Основные параметры элементной базы, размещённой на печатной плате проектируемого регулятора-стабилизатора частоты вращения коллекторного двигателя, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные конструктивные параметры элементной базы

Наименование элемента	Кол-во	Вариант установки	Установочная площадь одного элемента,	Общая площадь,
Микросхемы: К140УД6А	1	VIII-a	71,65	71,65
Резисторы: МЛТ-0,125 МЛТ-2	16 1	II-a II-a	13,2 159,1	211,2 159,1
Конденсаторы: К50-35-4,7 мкФ К50-35-100 мкФ К73-17В-0,1 мкФ К73-17В-1 мкФ	2 1 1 1	II-в II-в II-в II-в	28,26 44,16 50 105	56,52 44,16 50 105
Трансформатор: МИТ-4вм	1	II-в	254,34	254,34
Диоды: Д223 Д814Д	4 1	II-а II-а	36 90	144 90
Диодный мост: КЦ405Г	1	II-а	484	484
Транзисторы: КТ315Г КТ361А КТ630А	3 1 1	II-в II-в II-в	18 18 69,36	54 18 69,36

3.3 Предварительная разработка конструкции устройства

При разработке конструкции устройства были учтены требования, приведенные в разделе "Расширенное техническое задание". Объем устройства должен быть минимален, а коэффициент заполнения - максимален. Помимо этого конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от дестабилизирующих факторов. Разрабатываемый регулятор-стабилизатор частоты вращения

коллекторного двигателя также должны быть ремонтопригодными и обеспечивать удобства эксплуатации.

3 .3.1 Выбор предварительного варианта компоновки устройства. Для обеспечения поставленных требований рассмотрим на данном этапе два варианта компоновки проектируемого устройства, представленных на рисунке 1.

3

2

1

Вариант 1

---

Вариант 2

1 – печатная плата; 2 – герметизированное отверстие для подведения к плате необходимых проводов; 3 – регуляторы частоты вращения и вращающего момента двигателя.

Рисунок 25 – Варианты компоновки блоков устройств

3.3.2 Определение габаритных размеров блока двух

вариантов компоновки. Габариты печатной платы, определяются, исходя из суммарной площади, занимаемой элементами.

Площадь, занимаемая одним элементом (конденсатором или микросхемой), определяется по формуле:

(36)

где В и L - габаритные (установочные) размеры элемента, мм.

Для микросхемы (К140УД6А):

Для конденсаторов:

К50-35-4,7 мкФ:

К50-35-100 мкФ:

К73-17В-0,1 мкФ:

К73-17В-1 мкФ:

Площадь, занимаемая одним резистором (транзистором) определяется по формуле:

S=Dl (37)

где D - габаритный размер элемента, мм; 1 - установочная длина элемента, мм.

Для резисторов МЛТ-0,125: S_p=16(2,26)=211,2 (мм²)

Для резисторов МЛТ-2: S_p= (8,618,5)=159,1 (мм²)

Для транзистора КТЗ15Г, КТ361А: S_T=4(36)=72 (мм²)

Для транзистора КТ630А: S_T=(мм²)

Для диодного моста КЦ405Г: S_T=2222=484 (мм²)

Для диода Д223: S_д=4(312)=144 (мм²)

Для диода Д814Д: S_д= 156=90 (мм²)

Для трансформатора МИТ-4вм:

Определим общую площадь, занимаемую всеми ЭРЭ на печатной плате:

S=

где N - количество ЭРЭ одного типа, устанавливаемых на печатную плату.

S=(мм²)

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади печатной платы для бытовой РЭА, равного 0,6, получим значение площади:

Так как необходимо учесть площадь, занимаемую группой отверстий для вывода соединительных проводов на резисторы, тиристоры, управляющие диоды, с трансформатора и на подключение питания было рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон печатной платы (40х80, 40х100, 60x110) и по ГОСТ 10317-79 был выбран следующий - 40x120мм.

Для определения объема печатной платы необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ плюс толщина основания ПП. Высота рассматриваемой печатной платы равна 21мм (высота резистора ПЭВ-10, равная 17 мм, плюс толщины платы, равная 1,5 мм, плюс сторона припаивания выводов, равная 1,5). Следовательно:

(мм³)

Для выбора рациональной компоновки блока используют три параметра:

1. приведенная площадь наружной поверхности;

2. коэффициент приведенных площадей;

3. коэффициент заполнения объема.

Определим объемы внутреннего оборудования (внутренние размеры):

• регуляторы частоты вращения и вращающего момента – переменные резисторы СП-I (R12, R19):

(мм³)

- герметизированное отверстие для подведения к плате необходимых проводов:

(мм³)

Для выбора компоновки цифрового частотомера рассмотрим два возможных варианта. Варианты отличаются расположением регуляторов частоты вращения и вращающего момента.

Определяем габаритные размеры блоков обоих вариантов в зависимости от расположения регуляторов частоты вращения и вращающего момента двигателя. В первом варианте регуляторы расположены на крышке корпуса (рисунок 24, вариант 1).

---

С учетом этого и зазоров между печатной платой, регуляторами, герметизированным отверстием и стенками корпуса, а также с учетом толщины стенок корпуса, получаем габаритные размеры первого варианта блока: длина =135 мм, ширина =55 мм и высота =50 мм.

Во втором варианте регуляторы частоты вращения и вращающего момента расположены на боковой стенке корпуса (рисунок 24, вариант 2). С учетом этого и зазоров между печатной платой, регуляторами, герметизированным отверстием и стенками корпуса, а также с учетом толщины стенок корпуса, получаем габаритные размеры второго варианта блока: длина А₂=135 мм, ширина В₂=70 мм и высота Н2=45 мм.

Сравним выбранные варианты компоновки блока.

1) Определим полный объем первого (рисунок 25,а) и второго (рисунок 25,6)
вариантов компоновки блока.

= (мм³) (38)

V₂ = (мм³). (39)

Площади наружной поверхностей блоков:

(мм²); (40)

(мм²) (41)

Приведенные площади наружной поверхности:

2) Коэффициент приведенных площадей определяется по формуле:

где - приведенная площадь шара

где d – диаметр шара, мм

Диаметр d определим из условия равновеликости объёмов блока, выполненного в форме прямоугольного параллелепипеда, и блока, выполненного в форме шара, то есть

Следовательно

Таким образом коэффициент приведенных площадей равен

Это значит, что лучшим вариантом по площади наружной поверхности является 2 вариант блока.

3) Для определения коэффициентов заполнения объема определим объем занимаемой аппаратурой

(мм³).

Коэффициент заполнения объема для первого и второго вариантов компоновки блока, %:

;

Коэффициент заполнения объема для первого варианта компоновки блока больше, чем для второго варианта. Следовательно, в первом случае объем используется более эффективно.

Таким образом, по результатам расчета основных компоновочных характеристик блоков, выбираем первый вариант компоновки (рисунок 1, вариант 1), так как его объем используется наиболее эффективно. Этот вариант и является исходным для дальнейшей разработки конструкции.

3.3.3 Выбор типа электрического монтажа. В
проектируемом устройстве применяются два типа монтажа - печатный и
объемный. Печатный монтаж применяется для соединения между собой
радиоэлементов. Объемный монтаж необходим для соединения платы с регуляторами частоты вращения и вращающего момента двигателя и через герметизированное отверстие с внешними устройствами.

3.3.4 Выбор способов защиты устройства от внешних воздействий. Из требований по условиям эксплуатации, записанных в
техническом задании следует, что нет необходимости в применении специальных способов защиты устройства от климатических факторов, вибрации и
помехонесущих полей. Частичную герметизацию осуществляет корпус устройства.

3.3.5 Выбор способов обеспечения нормального
теплового режима устройства. Тепловой режим блока
характеризуется совокупностью температур отдельных его точек. Целью расчета
является определение нагретой зоны модуля и среды вблизи поверхности ЭРЭ.

---

Смотрите также файлы

• Лабораторный практикум(ненужно).docx

• 8 БЖД.docx

• 5 ОБРАБОТКА ЭКСПИРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.docx

• 6 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ.docx

• 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.docx