Система управления топливоподачей транспортного дизель-генератора: блок питания управляющего устройства

Блок питания (БП) -- устройство, предназначенное для формирования напряжения, необходимого системе, из напряжения электрической сети. Чаще всего блоки питания преобразуют переменное напряжение сети 220 В частотой 50 Гц (для России, в других странах используют иные уровни и частоты) в заданное постоянное напряжение.

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное. В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания. Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Основными элементами, на которых построен блок питания в данном курсовом проекте, являются:

- трансформатор;

- диодный мост;

- интегральный стабилизатор напряжения;

- усилительный каскад.

1. Техническое задание

Напряжение на выходе первого канала электронного блока питания (ЭБП):

Напряжение на выходе второго канала ЭБП:

Номинальный ток нагрузки первого канала ЭБП:

Номинальный ток нагрузки второго канала ЭБП:

Нестабильность входного напряжения первого канала ЭБП:

Нестабильность входного напряжения второго канала ЭБП:

Нестабильность выходного напряжения первого канала ЭБП:

Нестабильность выходного напряжения второго канала ЭБП:

Уровень пульсации на выходе первого канала ЭБП:

Уровень пульсации на выходе второго канала ЭБП:

Максимальная температура окружающей среды:

Минимальная температура окружающей среды:

1.1 Электрическая функциональная схема блока питания

Р_вх1.nom = U_вх1.nom * I_н1 ,

Р_вх1.nom = 10.23 Вт;

Р_вх2.nom = U_вх2.nom * I_н2 ,

Р_вх2.nom = 48.4 Вт;

Р_тр = 90.144 Вт.

2.3 Расчет мощности, рассеиваемой регулирующими транзисторами

U_вх1.max = U_вх1.min*(1+U_вх1.отн),

U_вх1.max = 22.32 В;

U_вх2.max = U_вх2.min*(1+U_вх2.отн),

U_вх2.max = 13.2 В.

Рассчитывается максимальное падение напряжения на регулирующих элементах:

U_рэ1.max = U_вх1.max - U_вых1 - 2U_vд , U_рэ1.max = 7.72 В;

U_рэ2.max = U_вх2.max - U_вых2 - 2U_vд , U_рэ2.max = 6.2 В.

Рассчитывается максимальная мощность рассеиваемая на регулирующих элементах:

Р_рэ1.max = U_рэ1.max*I_н1, Р_рэ1.max = 3.86 Вт,

Р_рэ2.max = U_рэ2.max*I_н2, Р_рэ1.max = 24.8 Вт,

2.4 Расчет абсолютного коэффициента стабилизации схем

U_вх1 = U_вх1.nom - 2U_vд ,

U_вх1 = 18.46 В;

U_вх2 = U_вх2.nom - 2U_vд ,

U_вх2 = 10.1 В.

Определяется относительный коэффициент стабилизации каналов:

К_ст1 = 20 ,

К_ст2 = 20 .

Абсолютный коэффициент стабилизации:

k_ст1 = 29.302 ;

k_ст2 = 40.4 .

2.5 Расчет необходимого коэффициента усиления схем усилителей

Поскольку датчики А5, А9 используются для коррекции выходного напряжения стабилизаторов, то их коэффициенты передачи могут изменяться в пределах: , ,

Задаётся минимальное значение этого коэффициента:

Простейшие схемы компенсационных стабилизаторов имеют К_п.вх, незначительно отличающийся от единицы. Принимается: К_п.вх = 1.

Коэффициент усиления регулирующего элемента, который в большинстве случаев включается по схеме ОК, также близок к единице. Принимается: К_ур = 1. Таким образом:

К_у1 = 40.431;

К_у2 = 56.286.

При расчете зададимся: К_у1 = 40, К_у2 = 56.

Расчет необходимого коэффициента усиления схем усилителей проводится по формуле для определения коэффициента стабилизации:

k_ст1 = 29 ;

k_ст2 = 40.2

где К_у - искомый коэффициент усиления УПТ;

K_д -коэффициент передачи датчика выходного напряжения, совмещающего функции корректора U_вых;

K_ур -коэффициент усиления по напряжению регулирующего элемента;

K_п.вх -коэффициент передачи входного напряжения напрямую через регулирующий элемент.

Итак, получены все данные для выбора и расчета элементов электрической принципиальной схемы стабилизаторов. Целесообразно начать расчет схемы с большим значением K_у.

3. Выбор и расчет элементов электрической принципиальной схемы

3.1 Регулирующий элемент

Рассчитывается необходимый коэффициент передачи тока регулирующих транзисторов. Для этого задаемся базовым током транзистора I_б.рэ в диапазоне 50...150 мА. Тогда:

А;

А;

Так как < 100, то достаточно использовать один транзистор.

Максимально - допустимый ток коллектора выбранных транзисторов должен превышать ток нагрузки в 1,5...2 раза. Предельно - допустимое напряжение на коллекторе также должно быть выше максимального входного напряжения регулирующего элемента как минимум в 1,5 раза.

VT1: VT2: КТ819Г КТ819АМ

N-P-N N-P-N

I_kmax=10 А I_kmax =10 А

в=12-225 в=15-225

U_kmax=80 В U_kmax=40 В

R_п=1.67 С/Вт R_п=1 C/Вт

3.2 Усилитель постоянного тока

,

;

,

Рассчитаем резистор R1.

Резистор R2 рассчитывается из следующего условия:

175 Ом;

Рассчитаем резистор R4.

3.2.1 Расчет резисторов R4, R5, R6

,

;

R4-R10 = 13.33•10³ Ом,

R5-R11 = 26.67•10³ Ом,

R6-R12 = 93.33•10³ Ом.

3.3 Расчёт выходного сопротивления

Выходное сопротивление схемы компенсационного стабилизатора напряжения примерно в K_у?Kст раз меньше, чем выходное сопротивление регулирующего элемента:

Выходное сопротивление регулирующего элемента при холостом ходе:

Выходное сопротивление регулирующего элемента при номинальной нагрузке:

1.422 Ом ;

Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора:

0.04 Ом;

3.4 Расчет и выбор элементов схемы защиты от перегрузок по току

Рассчитаем мощность, рассеиваемую резисторами R1-R3:

0.017 Вт ;

Вт.

Рассчитаем мощность, рассеиваемую резисторами R4-R6:

Найдем ток, протекающий через делитель первого и второго каналов:

Рассчитаем мощность, рассеиваемую каждым резистором делителя (для обоих каналов):

,

,

,

,

,

,

В соответствии с полученными данными выбираем следующие сопротивления:

R1: С2-33-1Вт 175 Ом(Д5%)

R7: С2-33-0,5Вт 37.5 Ом(Д5%)

R2: С2-33-0,125Вт 3,5 кОм(Д5%)

R8: С2-33-0,125Вт 0,75 кОм (Д5%)

R3: С2-23-0.5Вт 1,18 Ом(Д5%)

R9: KNP-100-1Вт 0,1 Ом(Д5%)

Для двух каналов выбираем R4=R10, R5=R11, R6=R12.

R4-10: С2-33-0,125Вт 13.3 кОм(Д1%)

R5-11: С2-33-0,125Вт 26.6 кОм(Д1%)

R6-12: С2-33-0,125Вт 93.3 кОм(Д1%)

4. Расчет и выбор конденсаторов сглаживающего фильтра

Для обеспечения рассчитанной ёмкости установим следующие конденсаторы:

1 канал: К50-35 С₁₁=10000 мкФ 50 В.

2 канал: К50-77 С₁₂=80000 мкФ 25 В.

Также в схеме используются следующие конденсаторы:

С₂=0.1 мкФ К10-17Б H90

С₃=10 мкФ К10-19

5. Выбор силового трансформатора

Напряжения на обмотках равны:

U_11-12= 5 В

U_13-14= 5 В

U_15-16= 1.46 В

U_17-18= 5 В

U_19-20= 5 В

U_21-22= 1.46 В

Для получения необходимого напряжения соединяем следующие обмотки:

1 канал: последовательно U_11-12 , U_13-14, U_17-18, U_19-20;

U1 = 20 В, I1 = 4.85 А.

2 канал: последовательно U_17-18, U_19-20, U_21-22;

U2 = 11.46 В, I2 = 4.85 А.

Выбор предохранителя

В качестве предохранителей выбираем плавкие предохранители FU1, FU2 типа ПМ1-1-2А.

Выбор диодов в схеме.

Диодные мосты:

, U_Добр1= 37.8 В;

, U_Добр2= 15 В.

Среднее значение тока текущего по выпрямительным диодам:

, I_Дср1 = 0.25 А;

, I_Дср1 = 2 А.

1 канал-VD1-VD4 КД243А U_обр = 50 В.

Iср.пр= 1 А.

2 канал-VD5-VD8 КД202А U_обр = 50 В.

Iср.пр= 5 А.

Диоды над регулирующими транзисторами:

VD9-VD10 Д219С Uобр=70 В.

Iср.пр=50 мА.

6. Расчет и оптимизация конструкции охладителей для силовых транзисторов

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Tpn, C= 125.000

Tcp, C= 50.000

Rpk, C/Вт= 1.670

Rko, C/Вт= 1.110

Pvt, Вт= 3.860

Ho, мм= 24.800

L, мм= 45.306

L1, мм= 70.000

d, мм= 2.500

n, шт= 10.000

b, мм= 5.000

d1, мм= 5.000

Pmax, Вт= 26.978

Rocd, C/Вт= 6.477

Roc, C/Вт= 5.905

Pohl, Вт= 4.234

Tohl, C= 72.793

S, мм2= 31207.520

V, мм3=43946.580

G, г= 120.853

L1min, мм= 40.000

L1max, мм= 90.000

Homin, мм= 20.000

Homax, мм= 30.000

ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОХЛАДИТЕЛЯ

Vopt, мм3= 37407.450

L1opt, мм= 53.000

Hopt, мм= 29.000

bopt, mm= 4.714

nopt, шт= 8.

Gopt, г= 102.870

2 канал:

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Tpn, C= 125.000

Tcp, C= 50.000

Rpk, C/Вт= 1.000

Rko, C/Вт= 0.446

Pvt, Вт= 24.800

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Ho, мм= 34.000

L, мм= 141.559

L1, мм= 179.000

d, мм= 2.500

n, шт= 20.000

b, мм= 6.789

d1, мм= 5.000

Pmax, Вт= 51.867

Rocd, C/Вт= 1.008

Roc, C/Вт= 0.924

Pohl, Вт= 27.068

Tohl, C= 72.905

S, мм2=249803.400

V, мм3=367344.800

G, г= 1010.198

L1min, мм= 90.000

L1max, мм= 200.000

Homin, мм= 20.000

Homax, мм= 40.000

ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОХЛАДИТЕЛЯ

Vopt, мм3= 333936.100

L1opt, мм= 145.000

Hopt, мм= 40.000

bopt, mm= 7.000

nopt, шт= 16.

Gopt, г= 918.324

По полученным результатам делается радиатор. Общий вид радиаторов для транзисторов VT1, VT2 приведен в приложении.

Выводы и заключения

- во-первых, был выбран по требуемой мощности понижающий трансформатор. Он был выбран по методическим указаниям: выбран трансформатор ТПП294-127/220-50, мощностью 110 Вт и током вторичной обмотки 4.85 А.

- во-вторых, были выбраны диоды, на которых строятся диодные мосты. Для канала с положительным напряжением выбираем выпрямительный диод КД243А, а для канала с отрицательным напряжением - КД202А.

- в-третьих, были выбраны схемы интегральных стабилизаторов напряжения, которые обеспечивают необходимую стабилизацию входного напряжения. Для канала с положительным и отрицательным напряжением выбираем КРЕН1В.

- в-четвёртых, были выбраны силовые регулирующие элементы (силовые транзисторы) обеспечивающие рассчитанный коэффициент усиления. Для канала с положительным напряжением выбираем КТ819Г, а для другого канала выбираем КТ819АМ. Также был произведен расчёт и оптимизация конструкции охладителей силовых транзисторов.

Все элементы были выбраны из справочников с запасом, чтобы предотвратить повреждения блока при случайном увеличении тока или напряжения.

Расчет охладителей регулирующих элементов производился программой. Получены охладители массой G1=102.87 г. и G2=918.324 г.

Итогом этого курсового проекта можно считать рассчитанную и полученную схему двух канального блока питания управляющего устройства, вырабатывающего следующие напряжения: +12.6 В и -5 В.

Литература

1. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник -2-е изд., стереотип.- А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др.: Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, КУбК-а 1994. -640 с.: ил.

2. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры. - Справочник.-/ В.И. Галкин, А.Л. Булычев, П.М. Лямин.- Мн.: Беларусь, 1994.-347 с.

3. Резисторы: (справочник) / Ю.Н. Андреев, А.И. Антонян, Д.М. Иванов и др.; Под ред. И.И. Четверткова.- М.: Энергоиздат, 1981.-352 с., ил.

4. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник / В.П. Берзан, Б.Ю. Геликман, М.Н. Гураевский и др.; Под ред. Г.С. Кучинского.- М. :Энергоатомиздат, 1987.-656с.: ил.

компенсационный стабилизатор трансформатор транзистор

Приложение 1