Байбарак

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ

УНІВЕРСИТЕТ

Центр заочного навчання Кафедра автомобільної електроніки

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до курсового проекту

з дисципліни: Проектування та розрахунок електрообладнання АТЗ

на тему: Розрахунок генераторної установки АТЗ

Перевірив к.ф.-м.н., доц.	Ю.М. Бороденко
Виконав ст. гр. РЕз-51	О.Е. Байбарак

2014

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Факультет ЦЗН Кафедра автомобільної електроніки

Спеціальність 7.092201 – Електричні системи та комплекси транспортних засобів

				Затверджую:
Зав. кафедрою				АЕ
Проф.				Бажинов О.В.
"		"		2014р.

Завдання

на курсовий проект студентові

Байбарак О.Е.

1.Тема проекту Розрахунок генераторної установки АТЗ

2.Термін здачі студентом закінченого проекту

3.Вихідні дані до проекту:

3.1	рівень напруги що регулюється Uрн 13, 2B;
3.2	номінальний струм навантаження генераторної установки Iн		42 A ;
3.3	максимальне значення струму навантаження Imax 60 A ;
3.4	мінімальна частота обертання двигуна n	720 хв 1
	min
3.5	максимальна частота обертання двигуна n	3060 хв 1 ;
	max
3.6	допустимий рівень пульсації напруги що регулюється U		5% .

4.Зміст розрахунково-пояснювальної записки:

4.1Аналіз початкових даних і визначення параметрів генератора;

4.2Синтез схеми електричної принципової регулятора напруги;

4.3Розрахунок елементів схеми регулятора напруги та вибір елементної бази;

4.4Розрахунок згладжуючих фільтрів;

4.5Оптимізація параметрів елементів схеми за допомогою машинного моделювання;

4.6Перевірка температурної стабільності регулятора напруги;

4.7Розрахунок робочих характеристик генераторного пристрою;

4.8Енергетичний розрахунок регулятора напруги;

5.Перелік графічного матеріалу:

5.1Схема визначення параметрів великого сигналу вихідного транзистора (режими насичення та відсічки);

5.2Схема визначення параметрів великого сигналу вимірювальної частини (режими насичення та відсічки);

5.3Схема регулятора напруги в динамічному режимі;

5.4Результати моделювання роботи регулятора напруги (осцилограми колекторної напруги вихідних транзисторів);

5.5 Графіки залежностей Uср f n ;

f n ; Iв f n ; f f n .

ЗМІСТ

1	Аналіз початкових даних і визначення параметрів генератора	..........4
2	Синтез схеми електричної принципової регулятора напруги ............	5
3	Розрахунок елементів схеми та вибір елементної бази .......................	6
4	Розрахунок згладжуючи фільтрів ........................................................	11
5	Оптимізація елементів схеми за допомогою машинного
	моделювання ..........................................................................................	12
6	Енергетичний розрахунок регулятора напруги..................................	13
ВИСНОВКИ ................................................................................................		14
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ ............................................................................		15
ДОДАТОК А ..............................................................................................		16
ДОДАТОК Б ...............................................................................................		18

ЦЗН АЕ РЕз51.0000.0010.000 П3

Змн. Арк.	№ докум.	Підпис Дата
Розроб.	Байбарак
Перевір.	Бороденко
Н. Контр.	Бикова
Затверд.	Бажинов

	Пояснювальна	Літ.	Лист	Листів
		К П	Р 3	18
	записка		ХНАДУ
			кафедра АЕ

				Додаток Б
Поз.		Найменування	Кіл.	Примітка
познач.
	Конденсатори
Cz	C-CER 47µF		1
	Стабілітрони
VD1	BZX85C6V8		1
	Резистори
R1	МЛТ – 0,5 - 120 Ом ± 5%		1
R2	МЛТ – 0,5 - 330 Ом ± 5%		1
R3	МЛТ – 0,05 – 68 Ом ± 5%		1
Rz	МЛТ – 0,125 – 910 кОм ± 5%		1
Rб	МЛТ - 0,05 - 39 Ом ± 5%		1
Rк	МЛТ - 10 - 15 Ом ± 5%		1
	Діоди
VD2	10BQ015		1
	Транзистори
VT1	2N2222A		1
VT’,VT’’	2N3054		2

Лист 18

Розрахунок генераторної установки АТЗ

Листів 18

ЦЗН АЕ РЕз51.0000.0010.000 П3

Змн. Арк.	№ докум.	Підпис Дата
Розроб.	Байбарак
Перевір.	Бороденко
Реценз.
Н. Контр.	Бикова
Затверд.	Бажинов

Літ.	Арк.	Акрушів
Регулятор напруги	1	1
Перелік елементів	ХНАДУ
	кафедра АЕ

1. АНАЛІЗ ПОЧАТКОВИХ ДАНИХ І ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ГЕНЕРАТОРА

Генераторний пристрій складається з генератора і регулятора напруги та зазвичай являє собою конструктивно закінчений агрегат (регулятор монтується у корпусі генератора). Генераторний пристрій призначено для забезпечення напругою бортових споживачів електроенергії.

Регулятор напруги (РН) виконує широтно-імпульсне регулювання струму в обмотці збудження генератора з метою підтримання постійного рівня напруги бортової мережі при русі автомобіля (трактора) з різною швидкістю та при коливаннях значень струму, що споживається системою електрообладнання. Регулятор напруги є частиною системи автоматичного регулювання напруги бортової мережі та виконує в ній функції від'ємного зворотного зв’язку.

Синтез генераторного пристрою починається з вибору типу генератора. Потужностні параметри генератора повинні задовольняти вимогам, що ставляться з боку навантаження (бортових споживачів електроенергії) та узгоджуватися з швидкісними характеристиками ДВЗ. Необхідно також враховувати умови експлуатації, які зумовлюють тип генератора, додаткові вимоги, що ставляться до схеми регулятора напруги. Як вихідні данні для синтезу та розрахунку генераторного пристрою, згідно варіанту, є:

- рівень напруги, що регулюється Uрн 13,2В ;

- номінальний струм навантаження генераторної установки Iн 42А ; - максимальне значення струму навантаження Imax 60А ;

- мінімальна частота обертання двигуна nmin	720об/хв;
- максимальна частота обертання двигуна nmax	3060об/хв ;
- допустимий рівень пульсації напруги що регулюється U 5%;
- категорія експлуатації – 1.

На підставі вихідних даних обираємо тип генератора.

Номінальні значення напруги та струму генератора Ugн , Igн можуть відрізнятися від значень напруги, що регулюється Upн та номінального струму навантаження Iн не більш як на 15%.

Кратність частоти обертання генератора повинна бути не менша за кратність обертання двигуна

ng max		n
		max	.
nx		nmin

Згідно з умовами експлуатації вибираємо генератор змінного струму з дзьобоподібним ротором 16.3701.

ФЗН АЕ РЕз51.0000.0010.000 П3

Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.

4

Обраний генератор має такі параметри:
- номінальна напруга U gн	14 В;
- номінальний струм Igн	45А ;
- максимальний струм Ig max 64А ;

- оберти неробочого ходу (початок віддачі потужності) nх 1150об/хв ;

- номінальна частота обертання nн	2550об/хв;
- максимальна частота обертання ng max		5000об/хв ;
- кількість фаз m 3;
- кількість пар полюсів p 6 ;
- кількість витків фазної обмотки Wф	54 ;
- кількість витків обмотки збудження Wз		480;
- опір обмотки збудження rз 2,5Ом .

Відповідно до параметрів вибраного генератора визначаємо його конструктивну сталу:

С	4k	k k k k		p	W 1,05	1,97 2,66 0,93 0,96	6	54 108 .
			0 60
е	f	s v			ф	60
	2. СИНТЕЗ СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРИНЦИПОВОЇ
					РЕГУЛЯТОРА НАПРУГИ
Схема електронного регулятора напруги складається з вимірювальної
частини та вихідного каскаду.
Так як величина пульсацій						U 5% від рівня напруги Uрн , то в якості

вимірювальної частини обираємо схему з вимірювальним подільником напруги (рис.2). Вимірювальна частина наведеного регулятора складається з подільника напруги R1, R2 та стабілітрона VD1, який виконує функції елемента формування опорного рівня.

+

R4

R1

VD1

VT1

				R2			R3

Рисунок 2 – Вимірювальна частина регулятора напруги з використанням вимірювального подільника

Арк.

5

Згідно вихідним даним, опір обмотки збудження генератора має мале значення rз 2,5Ом , тому у вихідне коло потрібно включати транзистор

великої потужності. Альтернативним схемним рішенням є паралельне включення двох транзисторів меншої потужності (рис.3), що, в свою чергу, зменшить вихідний опір каскаду й спричинить збільшення ККД каскаду й регулятора напруги в цілому. Збільшення ККД обумовлюється зменшенням потужності, що розсіюється на колекторних переходах вихідних транзисторів (з-за рахунок зменшення вихідного опору паралельно з’єднаних транзисторів). Тому потужність, що віддається в навантаження зростає. Однак дане схемне рішення має й ряд недоліків, таких як зменшення вхідного опору каскаду й разом з тим погіршення його динамічних властивостей, з-за збільшення величини ємності загального колекторного переходу.

+

ОЗ

VT' VT''

Рисунок 3 – Вихідний каскад регулятора напруги

3. РОЗРАХУНОК ЕЛЕМЕНТІВ СХЕМИ РЕГУЛЯТОРА НАПРУГИ ТА ВИБІР ЕЛЕМЕНТНОЇ БАЗИ

Дискретне регулювання струму в обмотці збудження передбачає роботу схеми регулятора в двох ключових станах, при яких вихідний транзистор знаходиться або в режимі насичення (відчинений стан), або в режимі відсічки (зачинений стан). При цьому миттєве значення напруги, виробленої генератором, змінюється від напруги спрацьовування U до напруги повернення U'. Значення напруг U і U' визначаються з початкових даних:

U	Uрн	0,5	U Uрн	13,2	0,5 5% 13,2	13,53В;
U '	Uрн	0,5	U Uрн	13,2	0,5 5% 13,2	12,87 В

3.1 Вибираємо тип вихідного транзистора виходячи із співвідношень

Арк.

6

UКmax

2U ;

IК max

(1, 2...1,5) U .

rз

Дану умову (UК max

27В; IК max

7,57А ) при паралельному з’єднанні

задовольняє

транзистор

2N3054

(n-p-n),

з

параметрами

UК max

90В;

IК max

4А.

Для отримання параметрів великого сигналу транзистора в

електронному пакеті Proteus зберемо схему наведену на рисунку 4. Струм

навантаження транзисторів візьмемо 0,8 від максимального. Для більш

наглядного відображення режиму насичення побудуємо графік залежності

IК

f

IБ

(рис.4). З графіка видно, що режим насичення починається в

момент зламу кривої, й далі струм колектору майже не змінюється, при зміні

струму бази.

+30V

RН

4.5R

AC Amps +6.28

Ube

VT'

VT''

+0.68

2N3054

2N3054

+1.76

AC Amps

Volts

+0.78

Volts

Рисунок 4 – Схема дослідження параметрів великого сигналу транзисторів

та графік залежності IК

f

IБ

За результатами моделювання отримані такі параметри великого

сигналу Uб0

0,64В; Uбн

0,78В;

Iбн

0,68А ; Uкн

1,755В; Iкн

6,27А .

На основі параметрів великого сигналу обраного транзистора,

визначаємо його інваріантні параметри: вихідний та вхідний опір в стані

насичення та статичний коефіцієнт передачі струму

rкн

Uкн

1,755

0,28Ом ,

Iкн

6,27

Uбн

Uб0

0,78

0,64

0,206Ом ,

rбн

Iбн

0,68

Арк.

7

	Iкн		6, 27	9, 22 .
	Iбн	0,68

Визначаємо режим роботи кінцевого транзистора

	Iк		U		13,53				4,86 А	;
		rкн		rз	0, 28		2,5
	Iб		Iк	S		4,86 1,5			0,79 А ;
					9,22
	Uбе Uб0 Iб			rбн	0,64		0,79 0,206			0,8В ,

де S 1,5 – коефіцієнт насичення.

З метою поліпшення термостабільності характеристики (виключення впливу зворотного струму колектору) та підвищення електричної міцності колекторного переходу вихідного транзистора в зачиненому стані при перехідних процесах в реактивному навантаженні (обмотці збудження), емітерний перехід транзистору шунтують опором Rб виходячи з власних параметрів транзистора

	Rб	Uб0				0,64	40Ом .
		2IК max	10	3	2 8 10 3

Струм через шунтуючий резистор становить

	IR	Uбe		0,8	0,02 А .
		Rб	40

Для забезпечення заданого режиму транзистора визначимо величину опору обмежуючого резистора, який є одночасно і колекторним навантаженням попереднього каскаду

	RК	U	Uбе		13,53	0,8	15,67 Ом .
		Iб	IR	0,79		0,02

3.2. Вибір стабілітрона VD1 і транзистора вимірювальної частини VT1 виконується одночасно на підставі співвідношень

U

0,5U ,

I

Iк1max

,

U

2U ,

I

I

,

P

ст min

β1

К1max

К1max

ст max

де UР – напруга пробою стабілітрона;

Іст min,

Iст max –

мінімальний

та

максимальний

струм

стабілізації

стабілітрона.

Арк.

8

Так як навантаженням транзистора вимірювальної частини VT1 є RК то

його максимальний струм

IК1max

U

13,53

0,86 А .

RК

15,67

З елементної бази Proteus вище зазначеним вимогам задовольняють

стабілітрон BZX85C6V8 UP

6,81В ; Iст min

10,1мА та транзистор 2N2222A

UК max

40В ; IКmax

0,8А .

Для отримання параметрів великого сигналу транзистора VT1 в

електронному пакеті Proteus зберемо схему наведену на рисунку 5 та

побудуємо графік залежності

IК

f

IБ . Струм навантаження транзисторів

візьмемо 0,8 від максимального. В результаті моделювання отримані такі

параметри великого сигналу транзистора:

Uб01

0,68В ; Uбн1

0,96В ;

Iбн1

7,5мА ; Uкн1

0,42В; Iкн1

0,64А.

+30V

RН

46R

+0.64 Amps

Ube

VT1

+0.01

2N2222A

+0.42

Amps

Volts

+0.96

Volts

Рисунок 5 – Схема дослідження параметрів великого сигналу транзистору

та графік залежності IК

f

IБ

На основі параметрів великого сигналу обраного транзистора,

визначаємо його інваріантні параметри: вихідний та вхідний опір в стані

насичення та статичний коефіцієнт передачі струму

rкн1

Uкн1

0,42

0,65Ом ,

Iкн1

0,64

rбн1

Uбн1

Uб01

0,96

0,68

37,3Ом ,

Iбн1

0,0075

Iкн1

0,64

85,73 .

1

Iбн1

0,0075

Арк.

9