Стабилизатор тока электродиализатора

Федеральное агентство по образованию Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Кафедра промышленной электроники (ПрЭ) Пояснительная записка к дипломному проекту Стабилизатор тока электродиализатора

Реферат

Объектом разработки является источник питания электродиализатора для концентрирования щелочного электролита.

Цель работы — разработка устройства с регулируемым током и минимальными габаритами и массой.

В процессе работы производился сравнительный анализ с существующими аналогами. Определялись недостатки и выбирались решения для устранения недостатков в разрабатываемом устройстве.

В результате проведенной работы разработана принципиальная схема устройства, удовлетворяющая заданным параметрам, изучены особенности устройств подобного типа и назначения.

Достигнуты технико-эксплуатационные показатели: широкий диапазон регулирования тока и высокая точность его регулирования при воздействии внешних факторов.

Дипломная работа выполнена в текстовом редакторе MS Word 2007, с применением MathCad 14, Microsoft Visio 2007, Р-CAD 2004, Photoshop 13, SolidWorks 2006.

Abstract

The object of development is the power source elektrodializatora for the concentration of alkaline electrolyte.

The purpose of this project is to develop device with adjustable current and minimal dimensions and weight.

Based on the comparing analysis of the existing similar models the disadvantages of the unit were revealed and the ways of improving investigated.

As a result the principle board of the device corresponding to all the basic parameters required has been developed, the specific features of the similar devices and their purposes have been investigated.

Operational parameters are achived: wide range of use of welding current and high accuracy of its regulation at at influence of external factors.

Degree project is executed in text editor MS Word 2007 with use of MathCad 14, Microsoft Visio 2007, Р-CAD 2004, Photoshop 13, SolidWorks 2006.

Установка концентрирования щелочного электролита, предназначена для увеличения содержания щелочи в исходном растворе методом его электродиализного концентрирования.

Простейшая эквивалентная схема электродиализатора представляет собой нелинейное активное сопротивление с емкостью включенной параллельно. Величина этого сопротивления зависит: от температуры, от концентрации примесей в исходной воде, от производительности и режима работы и изменяется в широких пределах. Скорость электрохимических процессов в диализаторе прямо пропорциональна величине среднего значения тока, поэтому электродиализатор целесообразно питать от источника тока [1,2].

1. Описание установки

Технологические параметры очистки щелочного электролита:

— содержание щелочи в исходном растворе не менее…20 г/л

— содержание щелочи в готовом обработанном растворе

не менее…170 г/л

— производительность по исходному электролиту

не менее…20 л/час Технология обработки электролита с целью его концентрирования основана на электродиализном способе, позволяющем разделить поток исходного раствора электролита на два потока — более концентрированный и более разбавленный (деминерализованный) растворы по отношению к исходному. Принципиальная схема установки концентрирования представлена на рисунке 1.1.

Исходный поток разбавленного электролита Iис из бака БП подаётся на электродиализатор ЭДА-1, где происходит его разделение на два потока. Сильно разбавленный поток электролита Iр направляется в бак БВРЩ. Второй, более концентрированный поток электролита Iк, подаётся для дальнейшего концентрирования в бак БПР второй ступени концентрирования и далее на электродиализатор ЭДА-2, где, в свою очередь, делится на два потока. Поток Ip разбавленного электролита поступает обратно в бак БПР или в бак БРЧЩ для повторного концентрирования, а поток Iк концентрированного раствора щёлочи направляется в промежуточный бак БХЧЩ, из которого затем поступает в бак БЧЩ для приготовления аккумуляторного электролита, заливаемого в АБ[3].

Сущность метода электродиализа заключается в использовании направленного движения ионов в растворе в соответствии со знаками их зарядов под действием разности потенциалов, приложенной к электродам.

Электродиализный аппарат состоит из двух электродов и пакета рабочих рамок, разделенных ионоселективными мембранами, анионо — и катионоселективными. Таким образом, часть рабочих рамок выполняет функцию камер обессоливания, а часть камер концентрирования.

2. Разработка функциональной схемы устройства

2.1 Выбор структуры силовой части

Простейшая система питания электродиализатора представляет собой однофазный управляемый выпрямитель со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, подключенный к его электродам.

Среднее значение тока на нагрузке стабилизируется временем открытого состояния тиристоров. При уменьшении эквивалентного сопротивления нагрузки, для поддержания среднего тока на заданном уровне, угол проводимости тиристоров уменьшается, что приводит к увеличению действующего значения тока, а значит и к увеличению нагрева как самого электролита, так и силовых элементов регулятора. Ставится задача стабилизации среднего значения тока без изменения его формы. В качестве регулятора для такого стабилизатора может выступать непосредственный преобразователь напряжения понижающего типа, работающий на повышенной частоте много большей частоты сети. Структурная схема предлагаемого стабилизатора тока представлена на рисунке 2.1.

Обоснование этому служат расчетные формулы [5]:

(2.1)

где T — период синусоиды, г — относительная длительность паузы на полупериоде напряжения сети, I_max — амплитуда тока, I_ср — среднее значение за полпериода, I_д — действующее значение, k_ф — коэффициент формы.

Для коэффициента k_ф формы можно построить наглядный график приведенный на рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 показывает, что у тиристорной схемы управления при увеличение относительной длительности г паузы действующее значение тока возрастает, а у предложенной схемы оно остается неизменным.

В качестве такого регулятора может выступать непосредственный преобразователь напряжения понижающего типа работающий на повышенной частоте много большей частоты сети. Функциональная схема предлагаемого стабилизатора тока изображена на рисунок 2.3.

В схеме представлено два непосредственных преобразователя понижающего типа включенных параллельно, со сдвигом в 180 градусов, и работающих с одного входа на один выход.

2.2 Выбор структуры системы управления

Для управления ключами в данном проекте используется принцип широтно-импульсной модуляции. На сегодняшний день производители выпускают широкий ряд интегральных микросхем, реализующих этот принцип управления. Использование этих микросхем значительно упрощает систему управления, позволяет минимизировать потребляемую мощность и число вспомогательных источников питания системы управления, реализовать защиту по току силовых ключей и т. д. В конечном счете, использование интегральных микросхем позволяет снизить стоимость и повысить качество работы источника питания.

При реализации сложных алгоритмов управления с применением аналоговых интегральных микросхем принципиальная схема модуля управления значительно усложняется и требует увеличения числа элементов, что приводит к уменьшению надежности устройства в целом. Уход параметров дискретных элементов таких как: сопротивление резисторов, емкость конденсаторов — приводит к деградации параметров стабилизатора. Изменяется петлевой коэффициент усиления обратной связи стабилизатора, а соответственно коэффициент стабилизации возмущающих воздействий, изменение коэффициентов усиления цепи защиты приводит к непраильному срабатыванию аппаратной защиты и т. д. Так же к недостаткам аналоговых схем управления нужно отнести повышенную чувствительность к кондуктивным и электромагнитным помехам возникающим в результате коммутации силовых элементов преобразователя.

Дальнейшее увеличение сложности алгоритмов работы преобразователя привело к появлению комбинированных систем управления, содержащую аналоговый и цифровой контроллер (или комбинированных аналого-цифровых схем управления. В которых как и прежде функцию стабилизации выходного параметра тока, напряжения или мощности осуществляет аналоговая часть, а цифровой микроконтроллер осуществляет функцию задатчика через ЦАП для аналоговой части и осуществляет весь алгоритм работы: старт преобразователя, выход на режим, работа, отключение и т. д. Кроме управления преобразователем микроконтроллер может осуществлять другие функции, например цифровую индикацию, настройку преобразователя с помощью кнопок, связь с другими устройствами и др. Это значительно повышает функциональность и удобство использования преобразователя. Но использование аналогового и цифрового контроллеров вместе ведет к повышению стоимости системы управления. По-прежнему сохраняется зависимость от качества дискретных компонентов. Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый требуются дополнительные согласующие устройства. Такой структуре присуще практически все недостатки аналоговой системы управления.

Производители интегральных микросхем продолжают создавать новую продукцию, отвечающую современным потребностям разработчиков. На сегодняшний день в системах управления источников электропитания нашли широкое применение цифровые сигнальные микроконтроллеры, DSP микроконтроллеры. Основным отличаем DSP микроконтроллеров от обычных является наличие MAK функций позволяющих реализовать алгоритмы цифровой обработки данных с АЦП и реализовать цифровые фильтры. Сегодня можно приобрести цифровые DSP контроллеры, предназначенные специально для управления преобразователями. Они отличаются от обычных микроконтроллеров тем, что имеют в своем составе быстродействующие модули АЦП и модуль ШИМ, содержащий все необходимые элементы для реализации управления (корректирующее звено, защита по току, формирователь импульсов и т. д.). Использование таких микроконтроллеров уменьшает количество дискретных аналоговых компонентов, время разработки и ее стоимость, повышают удобство настройки прибора. Поэтому в данном проекте будет использован один из таких специализированных микроконтроллеров — 56F8013 фирмы Freescale Semiconductor.

3. Разработка электрической принципиальной схемы устройства

3.1 Расчет параметров и выбор элементов силовой части

По техническим требованиям:

— амплитуда входного напряжения ;

— средний выходной ток ;

— пульсации тока на частоте преобразования ;

— частота преобразования .

Диаграммы работы преобразователя приведены на рисунке 3.1. Диаграммы работы показывают работу одного непосредственного преобразователя т.к. диаграммы работы второго будут идентичны, за исключением сдвига в 180 градусов.

На вход преобразователя подается выпрямленное синусоидальное напряжение амплитудой 70 В. На рисунке 3.1 показаны напряжения управления транзисторами с частотой преобразования 40 кГц. При расчете были заложены пульсации выходного тока в 10 процентов, но так как у нас два преобразователя включенных параллельно, то фактические пульсации будут в два раза меньше.

Действующий ток на выходе преобразователя рассчитывается по формуле:

(3.1)

Мощность нагрузки рассчитывается по формуле:

(3.2)

Активное сопротивление рассчитывается по формуле:

(3.3)

Максимальный ток в нагрузке рассчитывается по формуле:

(3.4)

При равном распределении мощности в обоих каналах получим ток каждого канала по формуле:

(3.5)

Действующий ток нагрузки рассчитывается по формуле:

(3.6)

Максимальные пульсации тока будут при относительной длительности импульса равной 0.5 и рассчитываются по формуле:

(3.7)

Определим индуктивность дросселя по формуле:

(3.8)

3.1.1 Расчет силового дросселя

Выбираем Ш — образный сердечник из материала N87 фирмы Epcos. Конструктивные параметры которого приведены на рисунке 3.2 в мм.

В таблице 3.1. приведены эффективные параметры сердечника.

Таблица 3.1 — Эффективные параметры

где C1 — коэффициент формы сердечника (Magnetic Core Factor);

Ae — эффективная площадь сечения магнитопровода;

Le — эффективная длина средней магнитной линии сердечника;

Ve — эффективный магнитный объем;

AL — индуктивность на виток.

Произведем расчет площади сердечника по формуле 3.9.

(3.9)

Введем зазор. Магнитная постоянная

Подставим значения в формулу 3.10 и получим число витков

(3.10)

округлим значение число витков до 15.

Индукция насыщения рассчитывается по формуле 3.11

(3.11)

Зададимся значением коэффициента укладки и плотности тока

Необходимая площадь сечения провода:

(3.12)

Определим площадь провода:

(3.13)

выполняется соотношение

Площадь провода диаметром равным 1.1 мм:

(3.14)

Число жил в витке:

(3.15)

округляем значение до 6 жил в витке.

Высота окна вычисляем ширину окна

(3.16)

Таблицы обмоточных данных приведены в Приложении Б.

3.1.2 Выбор выходных диодов

Начальными параметрами для выбора силового диода являются максимальное обратное напряжение и максимальный средний ток через диод. Наибольший средний ток на диодах будет при максимальном выходном токе стабилизации т. е. при 70А на выходе преобразователя при коротком замыкание в нагрузке. Преобразователе имеет два одинаковых канала которые делят средний ток по полам, поэтому максимальный средний ток в диодах будет равен:

(3.17)

очистка щелочной электродиализ устройство Максимальное обратное напряжение на диоде будет во время открытого ключа VT1 (рис) и составляем максимально возможное входное напряжение.

Выберем диоды 80CPQ150 фирмы International Rectifier[8]. В одном корпусе содержаться два диода Шотки. Параметры диода:

I_F(AV)=80 А — среднее значение прямого тока в диоде при температуре t=90°C;

V_R=150 В — максимальное обратное напряжение;

V_FM=1.09 В — максимальное прямое напряжение при t=25°C (из графика в документации).

Определим максимальные статические потери в диоде:

(3.18)

Общие потери в выходных диодах:

(3.19)

3.1.3 Расчет и выбор силовых транзисторов

Появление в 70-х годах прошлого века высоковольтных полевых транзисторов с вертикальной структурой произвело переворот в схемотехнике и характеристиках источников вторичного электропитания (ИВЭП). Высокие скорости переключения, отсутствие насыщения, простота управления затворами, устойчивость к перегрузкам по току и dV/dt позволили проектировать ИВЭП с частотами преобразования до сотен килогерц и удельными мощностями свыше 1000 Вт/дм³. В то же время по статическим потерям MOSFET значительно проигрывали биполярным транзисторам и тиристорам, что ограничивало их применение в мощных преобразователях. Поэтому основные усилия фирм-производителей были направлены на уменьшение величины сопротивления в открытом состоянии и увеличение максимального напряжения «сток — исток».

В 1998 году компания Infineon Technologies представила новый тип MOSFET-транзисторов под торговой маркой CoolMOS с напряжением «сток — исток» в закрытом состоянии 600 и 800 В, в которых удалось снизить сопротивление в открытом состоянии более чем в 5 раз по сравнению с обычными полевыми транзисторами с вертикальной структурой. Помимо сверхнизких статических потерь транзисторы CoolMOS обеспечивают более высокую, чем у MOSFET, скорость переключения благодаря меньшей площади кристалла и, как следствие, более низкие потери переключения.

Общим недостатком полевых транзисторов с вертикальной структурой является наличие паразитного антипараллельного диода с неудовлетворительными характеристиками обратного восстановления, что очень усложняет их использование в преобразователях с рекуперацией реактивной энергии. Это заставляет производителей разрабатывать технологии, позволяющие улучшить характеристики встроенного диода. Примером может служить семейство транзисторов HiPerFET компании IXYS.

Второй подход к решению данной проблемы заключается в блокировке паразитного диода последовательным с транзистором диодом Шоттки и подключении встречно-параллельно диода ULTRAFAST или SiC (рисунок 3.3). Приборы, реализующие этот принцип, выпустила компания Advanced Power Technology. Однако наличие последовательного диода резко увеличивает статические потери по сравнению с одиночным MOSFET.

Для выбора силового транзистора требуются следующие параметры:

— амплитуда входного напряжения ;

— действующий выходной ток .

С учетом этих параметров выбираем транзистор IRFPS3815 фирмы International Rectifier[10]. С параметрами:

— максимальное напряжение ключа V_DSS=150 В;

— действующий ток через транзистор I_d=105 А;

— сопротивление открытого транзистора R_DS=0.015 Ом.

Корпус транзистора в ТО-247.

Определим статические и динамические потери в транзисторе при сопротивлении затвора R_{затвора}= 1 Ом, напряжении питания U_упр= 10 В. Сопротивление открытого транзистора взято из технической документации и равно R_откр=0.015 Ом

Статические потери в транзисторе равны:

(3.20)

Для расчета динамических потерь зададимся следующими параметрами:

— время нарастания фронта t_{нарастания}= 130 нс;

— время спада фронта t_спада=60 нс.

(3.21)

3.1.4 Расчет цепи питания драйверов

Для обеспечения питания выходного каскада драйвера было принято решение сделать трансформаторную развязку. Первичная обмотка трансформатора запитывается от одной из вторичных обмоток трансформатора вторичного источника питания. Для этого произведем расчет трансформатора. Определим начальные условия:

— магнитная индукция B_ипсн=0.1 Тл;

— частота преобразования F_ипсн=100 кГц;

— площадь сердечника S_ипсн=15 мм²;

— входное напряжение переменное U_вх=12 В;

— выходное напряжение U_вых=15 В.

Определим количество витков первичной обмотки:

(3.22)

Определим коэффициент трансформации:

(3.23)

Произведем пересчет ко вторичной обмотки, получим:

(3.24)

В качестве сердечника используем сердечник марки EFD15 фирмы Epcos. Провод выбираем ПЭВ-2−0.15 ГОСТ 7262–78.

3.2 Моделирование силовой части

Целью моделирования является построение нагрузочных характеристик преобразователя с учетом обратной связи, подтверждения правильного выбора цепей обратной связи, корректирующего звенах[11]. Моделирование проводится в специализированном пакете OrCAD 9.2, модель представлена на рисунке 3.4

Количество каналов НПН преобразователей не влияет на нагрузочную характеристику источника питания, поэтому с целью ускорения расчетов модели моделирование проводилось с учетом одного канала. Уменьшение коэффициента пульсаций до уровня с двумя НПН преобразователями было за счет выходной индуктивности. Для ускорения расчета модели преобразователя некоторые элементы заменены их идеальными эквивалентами. Диод и транзистор выполнены на идеальных ключах S1 и S2, имеющие параметры:

— напряжение открытого состояния ключа 1 В;

— напряжение закрытого состояния ключа 0 В;

— сопротивление открытого состояния ключа 0.001 Ом;

— сопротивление закрытого состояния ключа 1 МОм.

В качестве нагрузки используется резистор R1, резистор R4 используется в качестве токового шунта и рассчитывается по формуле:

Задания входного напряжения нужной формы и амплитуды был использован источник синусоидального напряжения V1 с параметрами: Амплитудное значение 70 В и частота 50 Гц, последовательно соединенный с математическим элементом ABS, представляющий из себя математический операционный модуль, на выходе которого мы получали выпрямленное напряжение с частотой 100 Гц и средним значением 50 В. Система управления представляет собой формирователь импульсов, генератор линейно-изменяющегося напряжения, источник опорного напряжения, сумматоры и ПИД регулятор. Генератор линейно-изменяющегося напряжения V2 имеет параметры:

— напряжение нижнего уровня V0 — 0 В;

— напряжение высокого уровня V1 — 2.5 В;

— время задержки TD — 0 c;

— время нарастания фронта TR — 24.9 мкс;

— время спада фронта TF — 0.1 мкс;

— длительность импульса PW — 0 c;

— длительность периода PER — 25 мкс.

Источник опорного напряжения представлен источником постоянного напряжения V3 и значением 2.5 В. В ПИД регуляторе числитель задает усиление, а знаменатель представлен в виде интегрирующего звена.

Моделирование проводится путем изменения нагрузки от холостого хода до короткого замыкания, при этом учитывается сопротивление токового шунта и снятия показаний выходного тока с шунтирующего резистора. Значения снятые с шунтирующего резистора подставлялись в формулы 3.23 и 3.24 для определения среднего значения тока и напряжения.

(3.25)

(3.26)

В таблице 3.2 приведены результаты расчетов для построения нагрузочных характеристик, где R_n диапазон изменения сопротивления нагрузки, I_sr среднее значение тока, U_sr среднее значение напряжения.

Таблица 3.2 — Результаты расчетов

После полученных результатов были построены графически нагрузочные прямые и представлены на рисунке 3.5.

По полученным нагрузочным характеристикам можно увидеть, что разрабатываемый преобразователь является источником тока в диапазоне требуемого изменения выходного напряжения удовлетворяет требованиям технического задания.

Так же нужно отметить, что форма выходного тока при разных относительных длительностях импульса управления не изменяется, а только меняет свою амплитуду. Это хорошо видно на рисунке 3.6.

При построении диаграмм сопротивление нагрузки оставалось неизменным. Пульсации возрастают при уменьшении относительной длительности импульса, и максимальные пульсации будут при относительной длительности импульса равной 0.5.

3.3 Расчет параметров и выбор элементов системы управления

Система управления источника должна выполнять несколько функций:

— формирование алгоритма работы ключей инвертора;

— отслеживание и стабилизация выходного тока;

— защита от перегрева прибора.

3.3.1 Расчет и выбор датчика выходного тока

Основной задачей источника является стабилизация заданного значения тока. Для этого требуется знать значение тока в выходной цепи источника. Существует несколько распространенных типов датчиков тока:

— токовый шунт;

— датчик тока на основе эффекта Холла.

Токовый шунт устанавливается последовательно в цепь протекания тока, поэтому на нем рассеивается около десяти ватт мощности, поэтому габариты такого датчика весьма велики. Кроме того, стоимость шунтов рассчитанных на токи в сотни ампер довольно высока и сопоставима со стоимостью без контактных датчиков на эффекте Холла. Поэтому применение шунта становится не выгодным.

Магнитные датчики тока на эффекте Холла гальванически развязаны с измеряемой цепью и, следовательно, потери на измерение тока будут ничтожно малы. Конструкция этих датчиков такова, что требуется пропустить провод с измеряемым током через отверстие в концентраторе магнитного поля. Это создает сложности при размещении всех компонентов на одной печатной плате.

Более дешевой и удобной альтернативой датчикам тока на эффекте Холла является датчик магнитного поля. Измерение тока датчиком магнитного поля происходит посредством преобразования магнитного поля, создаваемого тока, в напряжение, пропорциональное этому току. Существует два типа датчиков магнитного поля: магниторезистивные мосты и датчики на эффекте Холла. Магниторезистивные мосты обладают большей чувствительностью, чем датчики Холла. Однако по стоимости они сопоставимы с датчиками тока на эффекте Холла, которые имеют магнитный концентратор, а поэтому обладают больше чувствительностью. Датчики магнитного поля на эффекте Холла обладают не большой чувствительностью, но при достаточно больших значениях измеряемых токов этот недостаток не будет влиять на их работу. Стоят такие датчики в несколько раз дешевле других типов датчиков.

Выбираем датчик серии CSNT651 фирмы Honeywell[12]. С параметрами:

— напряжение питания: ± 12 В;

— измерение тока: от 0 до 150 А.

Схема подключения датчика приведена на рисунке 3.7.

С выхода датчика тока, напряжение поступает на вход АЦП микроконтроллера.

3.3.2 Расчет цепи управления силовыми ключами

Для управления ключами кроме формирователя сигнала управления, которым является микроконтроллер, требуется также усилитель этого сигнала. Для усиления управляющего сигнала обычно применяются интегральные микросхемы — драйверы. Существуют драйверы верхнего ключа, драйверы нижнего ключа, драйверы верхнего и нижнего ключа и полумостовые. Для управления транзисторами VT и VT было применено схемное решение, которое заключается в использовании двух не инвертирующих драйверов. Один из которых IR2127 выполняет защиту по току, а другой UCC37322 реализует открытие транзистора[13,14]. С параметрами:

— напряжение питания драйверов: 10−20 В;

— выходной ток микросхемы UCC37322: 9 А;

— входное напряжение: совместимо с 3.3 В и 5 В логикой.

Напряжение питания драйверов выберем равным 15 В. Схема подключения драйверов изображена на рисунке 3.8.

Для ограничения тока затвора транзисторов VT2 и VT9 используем резисторы, номинал которых рассчитываем по формуле:

Выбираем чип резисторы RC0805 номиналом 2.2 Ом.

Защита по току реализована на делители напряжения R2 и R3 и срабатывает при токе равном 250 мА.

3.3.3 Расчет датчика температуры

Датчик температуры выполнен как резистивный делитель напряжения, изображенный на рисунке 3.9. Один из элементов этого делителя — терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом R1. Терморезистор должен располагаться непосредственно на радиаторе для измерения его температуры вблизи транзисторов. При повышении температуры сопротивление терморезистора уменьшается, а напряжение на резисторе R2 увеличивается. Заложим температуру срабатывания защиты равной 60 °C. Используем терморезистор B57045-K фирмы Epcos[15]. Его сопротивление при 25 °C составляет 6.8 кОм. Максимальное напряжение на входе микроконтроллера должно составлять 2.5 В. Исходя из этого выбираем сопротивление R2 равным 2 кОм. Используем чип резистор RC0805 2 кОм.

3.4 Расчет и выбор радиатора

Тепловые процессы в преобразователе можно достаточно точно описать с помощью электрической схемы. Каждый компонент имеет тепловое сопротивление, разность температур эквивалентна разности напряжений между двумя точками, а мощность, рассеиваемую данным компонентом можно представить как ток. На рисунке 3.10 приведена электрическая схема, отражающая процесс передачи тепла в преобразователе. На схеме отображены только элементы, которые будут охлаждаться с помощью радиатора: выходные диоды VD16, VD17, транзисторы VT4, VT5. Однако корпус транзистора является одновременно стоком, поэтому между корпусом транзистора и радиатором следует разместить диэлектрическую прокладку с достаточно малым температурным сопротивлением. Для изоляции используем оксид алюминиевые прокладки. Все тепловые сопротивления, кроме сопротивления радиатора, даны в справочной информации. Требуется определить тепловое сопротивление радиатора.

R_JC(VT4,VT5) = 0.34 К/Вт — тепловое сопротивление кристалл-корпус каждого транзистора;

R_{JC(VD16,VD17)} = 0.7 К/Вт — тепловое сопротивление кристалл-корпус каждого диода;

R_ПОДЛ = 0.08 К/Вт — тепловое сопротивление подложки;

P_VD16,VD17 = 149 Вт — мощность, рассеиваемая выходными диодами;

P _VT4,VT5= 76.3 Вт — мощность, рассеиваемая всеми транзисторами.

Максимальная рабочая температура кристалла составляет 150 ^оС, а максимальная температура окружающей среды из технического задания 40 ^оС. Значит в системе кристалл-корпус-радиатор разность температур равна 110 ^оС. Общее тепловое сопротивление этой системы определим из соотношения:

(3.27)

где ДT_jhs = 110 ^oC — разность температур кристалл-среда;

P_jhs — общая мощность, рассеиваемая радиатором.

Она равна сумме мощностей, рассеиваемых всеми компонентами, расположенными на радиаторе:

. (3.28)

Определим общее тепловое сопротивление:

Это сопротивление складывается из двух составляющих: общего сопротивления полупроводниковых приборов и сопротивления радиатора. Определим общее сопротивление полупроводниковых приборов:

(3.29)

Определим тепловое сопротивление радиатора:

(3.30)

Для того, чтобы температура кристалла не превысила предельно допустимое значение тепловое сопротивление выбранного радиатора не должно превышать R_РАД. Выбираем радиатор АВ95. Тепловое сопротивление радиатора без обдува 0,12 К/Вт. Из графика, приведенного в документации видно, что при обдуве воздухом со скоростью 5 м/с тепловое сопротивление уменьшается до 0,08 К/Вт.

4. Разработка алгоритма работы микроконтроллера системы управления

Для запуска преобразователя и для установки заданного тока используются синхронный и асинхронный последовательные интерфейсы. Асинхронный последовательный интерфейс используется для связи с компьютером, а Синхронный используется для связи с панелью индикации. Управление инвертором осуществляется модулем ШИМ DSP-контроллера.

Исходя из этого, можно построить структуру программы, которая представлена на рисунке 4.1.

Блок измерений предназначен для считывания данных с датчиков тока и температуры, а так же производит запись в соответствующие переменные Блока глобальных переменных.

Блок связи с панелью индикации предназначен для приема управляющих команд от управляющего контроллера панели индикации, таких как: команда старт, команда стоп преобразователя, а также передачи данных о токе, температуре и коде сигнала ошибки из блока глобальных переменных для отображение на лицевой панели источника питания

Блок глобальных переменных предназначен для хранения прочитанных и рассчитанных данных, а также необходимых для расчетов констант и массивов. Также в блоке содержится информация о текущем режиме работы каждого блока.

Блок логики работы силовой части. Этот блок реализует работу силовой части по заданному алгоритму, стабилизируя согласно переменной задатчика ток на выходе источника. Алгоритм управления ключами приведен на рисунке 4.2. Также отслеживает аварийные режимы источника и, при возникновении их, в блок глобальных переменных записывается соответствующий код ошибки.

Блок связи с ЭВМ. Предусмотрена возможность связи источника с ЭВМ, но в данной работе не реализовано.

Для реализации программного обеспечения устройства управления преобразователем необходимо использовать следующие аппаратные модули DSP-контроллера: PWM, SPI, UART, ADC.

4.1 Разработка диаграммы прецедентов

Визуальное моделирование с использованием нотации UML можно представить как некоторый процесс поуровневого спуска от наиболее абстрактной модели исходной системы к логической, а затем и к физической модели соответствующей программной системы. На этапе построения абстрактной модели строится диаграмма прецедентов, которая описывает функциональное назначение системы. Для системы управления преобразователем диаграмма прецедентов представлена на рисунке 4.3.

Иногда очень удобно описывать прецеденты в виде таблицы.

Таблица 4.1 — Таблица прецедентов программного обеспечения устройства управления преобразователем

Таблица прецедентов показывает, какие действия может осуществить пользователь и реакция система на эти действия.

4.2 Разработка диаграммы состояний модуля PWM

Для того чтобы смоделировать поведение системы на логическом уровне в языке UML используется диаграмма состояний. Диаграмма состояний описывает процесс изменения состояний системы при реализации всех прецедентов. При этом изменение состояния системы вызвано какими-либо внешними событиями.

Диаграмма состояний системы для системы управления преобразователем представлена на рисунке 4.4.

В таблице 4.2 представлено соответствие событий и процедур, отвечающих за обработку этих событий.

Таблица 4.2 — События и обрабатывающие их процедуры

Состояние «режим простоя». В этом состояний источник находится после поступления на вход питания. При этом на ключах нет управляющих сигналов, измерения не проводятся, ток на выходе равен нулю. Это состояние устойчивое, из него возможен переход только в режим «Вычисление нулевого уровня тока». Код ошибки в этом состоянии равен нулю. Состояние «Вычисление нулевого уровня тока». В это состояние источник переходит после возникновения события «старт». В этом режиме на ключи не подается управляющих сигналов, производится считывание значения тока с АЦП, устанавливается нулевой уровень тока. Возможны переходы в состояния: «режим простоя» при возникновении события «стоп», «вывод на режим» при возникновении события «конец вычисления». Событие «конец вычисления» возникает после заданного количества считываний тока с АЦП.

Состояние «вывод на режим». В этом состояний на ключи подаются управляющие ШИМ — сигналы, ток на выходе плавно нарастает в течение заданного времени до значения тока задатчика, выходной ток стабилизируется. При возникновении события «стоп» переходит в состояние «режим простоя». При превышении выходным током тока задатчика возникает событие «превышен заданный ток», источник переходит в состояние «превышение заданного тока». При превышении полупроводниковыми приборами заданной температуры, возникает событие «превышена температура», источник переходит в состояние «перегрев». Каждые 100 мкс. возникает событие «такт стабилизаций», при этом рассчитывается длительность управляющих импульсов ШИМ, и запускаются новые измерения тока, и температуры. Так же каждые 50 мс. происходит событие «такт вывода на режим», при этом увеличивается значение опорного тока задатчика. Состояние «режим стабилизации». Переход в это состояние происходит при возникновении события «выход на режим». Это событие возникает, когда ток на выходе достигнет тока задатчика. При возникновении события «стоп» происходит переход в состояние «режим простоя», при этом управляющие сигналы сбрасываются. При превышении выходным током тока задатчика возникает событие «превышен заданный ток», источник переходит в состояние «превышение заданного тока». При превышении полупроводниковыми приборами заданной температуры, возникает событие «превышена температура», источник переходит в состояние «перегрев». Каждые 100 мкс. возникает событие «такт стабилизаций», при этом рассчитывается длительность управляющих импульсов ШИМ, и запускаются новые измерения тока, и температуры. Состояние «превышение заданного тока». В этом состоянии управляющие сигналы сбрасываются, ток на выходе равен нулю, происходит запись в соответствующие переменные значения кода ошибки. При возникновении события «стоп» переходит в состояние «режим простоя».

4.2.1 Разработка блок-схем процедур модуля PWM

Для написания программы будет использоваться язык программирования высокого уровня C++. Написание кода будет осуществляться в среде разработки CodeWarrior. Также будет использован инструмент Processor Expert, предназначенный для ускорения процесса настройки регистров DSP-контроллера. Интерфейс среды разработки CodeWarrior представлен на рисунке 4.5.

POWER_MODE — переменная, предназначенная для отображения состояния, в котором находится модуль стабилизации в данный момент. В таблице 4.3 приведены в соответствии состояния системы и значения переменной POWER_MODE, которые она принимает в данном состоянии.

Таблица 4.3 — Состояния переменной POWER_MODE

BORDER_I — переменная, предназначенная для счетчика интегратора.

BORDER — переменная, предназначенная для вычисления полочки тока.

Iop — ток задатчика (опора).

Iz — ток задатчика.

Step — шаг для вывода на режим.

CURRENT_FROM_ADC — переменная, предназначенная для считывания в нее значения с АЦП.

k, b (COUNT_TEMPRET_TABLE) — константы для вычисления температуры (взяты из технической документации на датчик температуры).

SPI_MODE — переменная, предназначенная для идентификации команды, поступившей системе по параллельному порту.

В таблице 4.4 приведены в соответствии команды системе, поступающие по параллельному интерфейсу, и значения переменной SPI_MODE, которые она принимает при поступлении этой команды.

Таблица 4.4 — Команды переменной SPI_MODE

DATA_TO_SEND — массив данных отправляемых по параллельному интерфейсу на управляющий контроллер.

Значения которые может отправлять массив DATA_TO_SEND:

— начало пакета DATA_TO_SEND [0];

— текущее значение тока DATA_TO_SEND [1];

— текущая температура DATA_TO_SEND [2];

— код ошибки DATA_TO_SEND [3];

— конец пакета DATA_TO_SEND [4];

В таблице 4.5 приведены в соответствии команды системе, поступающие по параллельному интерфейсу, и значения переменной DATA_TO_SEND, которые она отправляет.

Таблица 4.5 — Коды переменной DATA_TO_SEND

CounRX — счетчик принятых байт.

PACET — массив для хранения принятых байт.

В таблице 4.6 приведены в соответствии команды системе, поступающие по параллельному интерфейсу, и значения переменной PACET.

Таблица 4.6 — Команды переменной PACET

Описание основных процедур:

SS1_RecvChar () — процедура чтения данных из буфера приемника SPI.

SS1_ClearRxBuf () — процедура очистки буфера приемника SPI.

SS1_SendBlck () — процедура посылки данных в буфер приемника SPI.

TI1_OnInterrupt () — процедура вызываемая при возникновении прерывания по таймеру-счетчику.

TI1_Disable () — процедура запрещения работы таймера-счетчика.

TI1_Enable () — процедура разрешения работы таймера-счетчика.

AD1_GetValue16() — процедура считывания данных с АЦП.

AD1_Mesure () — процедура инициализации АЦП.

AD1_GetChanOfSet () — процедура установки нулевого уровня АЦП.

AD1_OnHighLimit () — процедура срабатывающая при достижении верхнего порога АЦП.

AD1_OnLowLimit () — процедура срабатывающая при достижении нижнего порога АЦП.

AD1_SetLowChanLimit () — процедура установки нижнего уровня срабатывания АЦП.

AD1_SetHighChanlimit () — процедура установки верхнего уровня срабатывания АЦП.

Математические процедуры:

— процедура вычитания SUB ();

— процедура умножения L_MULT_TS ();

— процедура сложения L_ADD ().

4.3 Разработка диаграммы состояний блока связи с панелью индикации

Модуль SPI необходим для обмена информацией между панелью индикации и программной системой. Диаграмма состояний модуля SPI представлена на рисунке 4.6.

Состояние «ожидание пакета/передача данных». Модуль переходит в это состояние после подачи питания. В этом состояний модуль SPI ожидает начало передачи данных, при поступлении тактового сигнала отправляет байт данных. Возможен переход в состояние «прием/передача пакета» при возникновении события «такт работы (получение стартового символа пакета)». Также возможно событие такт работы.

Состояние «прием/передача пакета». В этом состоянии принимается символ данных по каждому тактовому сигналу, при этом отправляет байт данных. Модуль находится в этом состоянии, пока не возникнет событие «такт работы (получение последнего символа пакета)». В этом состояний также возможно событие «такт работы», при котором он остается в том же состояний.

5. Разработка платы индикации

Панель управления и индикации служит для настройки параметров преобразователя и для индикации этих параметров. Он располагается на отдельной печатной плате, соединенной с основной платой шлейфом. Для индикации параметров используем семисегментные индикаторы. Они обладают хорошей яркостью и достаточным температурным диапазоном работы. Так как контроллер силового блока загружен, чтобы управлять индикацией и настройкой, для этих целей целесообразно использовать дополнительный микроконтроллер. Контроллер панели управления и индикации будет управлять индикацией параметров, обрабатывать нажатие кнопок и производить передачу управляющих команд и параметров в микроконтроллер, осуществляющий управление силовым блоком .

Каждый семисегментный индикатор состоит из набора светодиодов, аноды которых объединены, как показано на рисунке 5.1. чтобы зажечь определенный светодиод требуется подать питание на анод, а соответствующий катод подключить «земле"[17].

Катоды каждой ячейке индикатора, а так же трех светодиодов подключены к отдельным выводам микроконтроллера. Подавая сигнал управления на определенный катод и анод можно зажечь необходимый светодиод. В каждый момент времени может гореть только один светодиод. Чтобы не было заметно мерцания весь цикл переключения светодиодов должен происходить с частотой 100 Гц или выше. На пульте управления расположены три кнопки: «СТАРТ/СТОП», «+», «-». Контроллер должен обрабатывать одиночное нажатие кнопки. При включении устройства на индикаторе высвечивается значение тока, установленное во время последнего процесса работы. При нажатии на кнопки «+» и «-» это значение соответственно увеличивается или уменьшается с шагом 1 А в пределах от 0 А до 70 А. Если не нажимать кнопки «+» или «-» в течении трех секунд или нажать кнопку «СТАРТ» в течении этого времени, текущее значение тока сохраняется и передается в контроллер системы управления. Если во время работы преобразователя нажать кнопки «+» или «-», то на семисегментном индикаторе отобразится температура на радиаторе преобразователя.

5.1 Разработка принципиальной схемы

Для управления пультом используем микроконтроллер MC9S08QE8 (DD2) фирмы Freescale Semiconductor[18]. Это один из недорогих микроконтроллеров, обладающий нужным количеством портов. Контроллер поддерживает протокол SPI, который удобно использовать для связи с другими контроллерами с использованием гальванической развязки. Для индикации используем сборку из трех семисегментных индикаторов BA56−11SRWA (HG1) желтого цвета и светодиоды L-53SGD (HL1 — HL3). Для свечения светодиодов требуется обеспечить ток I_F=20 мА. Выводы контроллера не могут обеспечить такой ток, поэтому для их усиления используем сборку из восьми транзисторов дарлингтона ULN2803AF (DA1). Резисторы включенные между выходами DA1 и катодами HG1 ограничивают выходной ток. Для ограничения тока I_F требуется использовать резисторы с номиналом:

(5.1)

Однако при таком токе свечение светодиодов будет слишком ярким. Экспериментальным путем было установлено, что для обеспечения нужной яркости свечения требуется использовать резисторы номиналом 220 Ом. Используем чип резисторы RC0805 620 Ом. VT1 — VT3 — полевые p-n-p транзисторы IRLML5103 в корпусе SOT-23 для поверхностного монтажа. Максимальный ток стока — 760 мА, максимальное напряжение сток-исток 30 В. R9 — R11 — чип резисторы RC0805 1 кОм. Кнопки SB1 — SB3 типа DTSM81.

Напряжение питания пульта управления 3.3 В. Питание обеспечивается источником питания собственных нужд, который расположен на силовой плате преобразователя. Конденсаторы C65, C66 — чип конденсаторы CC0805 15 пФ [стр. 16, 18]. Остальные конденсаторы на плате пульта управления служат для защиты микросхем и других элементов схемы от помех по питанию. Используются чип конденсаторы CC0805 0.1 мкФ и электролитические конденсаторы SR 25 В 47 мкФ.

5.2 Разработка алгоритма программы

Для запуска преобразователя и для установки заданного тока используется асинхронный последовательный интерфейс. Исходя из этого, можно построить структуру программы, которая представлена на рисунке 5.2.

Блок SPI предназначен для передачи команд «старт», «стоп» параметров о требуемом токе стабилизации, а также принимает данные о токе, температуре и коде сигнала ошибки.

Блок глобальных переменных предназначен для хранения прочитанных и рассчитанных данных, а также необходимых для расчетов констант и массивов. Также в блоке содержится информация о текущем режиме работы источника.

Блок логики работы. Этот блок реализует работу платы индикации по заданному алгоритму. Он осуществляет функцию обработки всех команд и сообщений от остальных модулей. Блок клавиатуры предназначен для обработки портов МК, подключенных к кнопкам и передачи событий «СТАРТ/СТОП», «Больше», «Меньше» в блок «Логики работы».

Блок индикации предназначен для отображения информации о текущем значении тока, температуры, состояние силового блока. Осществляет управление соответствующими портами МК.

5.2.1 Разработка диаграммы состояний блока логики работы

Диаграммы состояний блока логики работы платы индикации изображен на рисунке 5.3

При включении прибора программа переходит в состояние «Стоп силовой части» и считает, что инвертор находиться в выключенном состоянии. По нажатию кнопки «Больше/Меньше» осуществляет увеличение или уменьшение значения задатчика тока. При нажатии кнопки «Старт/Стоп» в МК блока преобразователя по синхронному интерфейсу передается установленный параметр задатчика тока и происходит запуск инвертора, при этом в блок индикации посылается сообщение «Работа». Блок «Логики работы» переходит в состояние «Работа силовой части»

Для обеспечения надежности предусмотрены три режима защиты:

— перегрев силового блока;

— превышение выходного тока;

— защита силовых ключей инвертора.

При срабатывании одной из защит МК преобразователя в блок индикации посылается сообщение «Ошибка» и блок «Логики работы» переходит в соответствующий режим.

При нажатии кнопки «Стоп» МК преобразователя посылается команда об остановке инвертора и блок переходит в состояние «Стоп силовой части»

При срабатывании защиты «Перегрев» происходит остановка инвертора и длится она до тех пор пока температура не спадет до заданного уровня.

При срабатывании защит «КЗ нагрузки» и «Защита инвертора» так же происходит остановка инвертора и переход в состояние «Стоп силовой части».

5.2.2 Разработка диаграммы состояний блока клавиатуры

Каждые 5 мс. происходит опрос кнопок и ожидание нажатия кнопки, это сделано для того что бы устранить дребезг контактов.

В данном дипломном проекте используется динамическая индикация. Она осуществляется при помощи таймера-счетчика и называется «такт роботы индикации».

При включении прибора индицируется ток уставки задатчика. Когда приходит команда «Работа» от блока логики работы, то начинается индикация текущего выходного тока.

Можно изменить режим отображения, это делается нажатием кнопок «больше/меньше» при этом индицируется текущий ток или текущая температура силового блока.

При нажатии кнопки «Стоп» индицируется начальный ток уставки.

6. Разработка источника питания собственных нужд

Источник питания собственных нужд должен обеспечить питание компонентов системы управления преобразователем от входного напряжения 70 В частотой 100 Гц. Система управления питается от напряжения пяти уровней: 12 В, переменное 12 В, дифференциальное 12 В, 5 В, 3,3 В. В таблице 6.1 указаны потребители и максимальный потребляемый ими ток.

Таблица 6.1 — Основные потребители энергии