Лабораторный макет для изучения тиристорных выпрямителей с цифровой системой управления

0

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Лабораторный макет для изучения тиристорных выпрямителей с цифровой системой управления

Аннотация

Пояснительная записка содержит XXX страницы, в том числе XX рисунка и XX таблицы. Графическая часть выполнена на X листах формата A1.

В процессе выполнения дипломного проекта была решена задача разработки алгоритма и программы управления импульсным источником тока и напряжения, полученное решение удовлетворяет поставленным требованиям технического задания.

Диплом содержит расчёт экономической части, а также рассмотрены вопросы по безопасности труда.

Содержание

Введение. 6

1 Анализ поставленной технической задачи. 7

1.1 Назначение стенда. 7

1.2 Анализ существующих реализаций лабораторных стендов управляемых выпрямителей. 7

1.3 Возможности применения лабораторного тиристорного выпрямителя МПП 03 13

2 Анализ принципа управления. Структурный синтез 14

2.1 Фазоимпульсный метод регулирования. Структурная схема одного канала управления. 14

2.2 Выбор способа реализации цифровой системы управления. 17

2.3 Структурная схема лабораторного стенда. 18

3 Разработка схемы электрической принципиальной. 20

3.1 Устройство сравнения фазных напряжений. 20

3.2 Устройство согласования. 25

4 Разработка программного обеспечения. 28

4.1 Инициализация модулей и портов ввода-вывода. 28

5 Конструкторское проектирование. 39

6 Безопасность труда. 44

6.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда. 44

6.2 Расчёт защитного заземления. 48

6.3 Возможные чрезвычайные ситуации. 51

6.4 Расчет значений поражающих фактов при взрыве ПГВС.. 52

7 Экономический расчёт. 57

7.1 Расчёт себестоимости аппаратной части устройства. 57

7.2 Расчёт себестоимости программной части устройства. 60

7.3 Расчёт себестоимости изготовления опытного образца. 64

Список использованных источников. 70

Приложение А.. 71

Приложение Б. 73

Приложение В.. 77

Приложение Г. 79

Введение

Целью дипломного проектирования является разработка лабораторного стенда для изучения тиристорных выпрямителей с цифровым управлением следующих конфигураций:

трёхфазный мостовой;
однофазный мостовой.

Лабораторные работы, реализующиеся на разрабатываемом стенде, относятся к дисциплинам: энергетическая или силовая электроника, основы преобразовательной техники и другим предметам, связанным с изучением источников питания. Работы предназначены для изучения студентами:

способов управления тиристорными выпрямителями;
определяющих характеристик (регулировочной и выходной) тиристорных выпрямителей;
электрических процессов в выпрямителях.

Предлагаемые на рынке лабораторные стенды, содержащие подобные макеты, являются, как правило, универсальными, и включают в себя множество других лабораторных работ, связанных с абсолютно другими предметами. Стоимость их при этом очень высока – более пятисот тысяч рублей.

1 Анализ поставленной технической задачи

1.1 Назначение стенда

Разрабатываемый лабораторный стенд предназначен для решения учащимися задач синтеза и анализа.

При решении задач синтеза разрабатываемый стенд должен обеспечивать возможности:

моделирования следующих схем управляемых выпрямителей:
двухполупериодного мостового;
трёхфазного мостового;
подключения внешних источников переменного напряжения – трёхфазного, либо однофазного понижающего трансформаторов с выходными напряжениями и током, вычисленными предварительными расчётами;
синтеза индуктивного либо индуктивно-емкостного сглаживающего фильтров, параметры элементов которого получены предварительным расчетом;
регулирования пользователем угла управления и формирования соответствующих управляющих сигналов на выходе цифровой системы.

При решении задач анализа стенд должен обеспечивать возможности достижения следующих целей лабораторной работы:

практического освоения способов управления тиристорами управляемых выпрямителей;
измерения определяющих характеристик (регулировочной и выходной) тиристорных выпрямителей при резистивном и резистивно-индуктивном характерах нагрузки;
практического изучения электрических процессов в основных узлах управляемых выпрямителей – вентильной схеме, сглаживающем фильтре, трансформаторе.
1.2 Анализ существующих реализаций лабораторных стендов управляемых выпрямителей

Предварительно был выполнен поиск и обзор выпускаемых промышленностью лабораторных стендов, решающих подобные указанным в техническом задании задачи. Ниже приведено их описание.

1.2.1 Лабораторный стенд НТЦ-01.01

Данный стенд представляет собой установку, оснащенную платами исследуемых схем, которые разбиты на группы в соответствии с тематикой проводимых работ. На панели установлены коммутационные гнёзда, стрелочные щитовые приборы, коммутационная аппаратура, а также органы управления, позволяющие изменять параметры элементов при проведении лабораторной работы.

В корпусе стенда размещены:

блок питания +24 В 0,5 А, +5 В 0,5 А;
плата резистивного моста с дополнительным регулируемым источником ЭДС;
плата секундомера с разрешающей способностью 0,1 с;
плата транзисторного реле времени с времязадающей RC цепью;
плата транзисторных усилителей;
плата измерителя частоты вращения электродвигателей с разрешающей способностью 1 об/с;
плата тиристорного управляемого выпрямителя и широтно-импульсного преобразователя;
автотрансформатор 0,16 кВт.

К органам управления относятся:

переключатели лабораторного автотрансформатора, который позволяет изменять напряжение в пределах 0..260 В с шагом 2 В;
переключатели блока переменного резистора, позволяющие изменять сопротивление в пределах 0..10 кОм с шагом 10 Ом;
тумблеры магазина конденсаторов, которые дают возможность изменять емкость в пределах 0...63 мкФ с шагом 1 мкФ;
задающий потенциометр однофазного мостового тиристорного управляемого выпрямителя;
задающий потенциометр широтно-импульсного преобразователя;
задающий переключатель дополнительного источника ЭДС, позволяющий изменять ЭДС в пределах 0..10 В с шагом 1 В;
задающий потенциометр реле времени.

Технические характеристики стенда представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Технические характеристики стенда НТЦ-01.01

Питание, В	3~220/127
Потребляемая мощность, кВт не более	0,8
Частота, Гц	50 ± 0,5
Класс защиты от поражения электрическим током	1

В силовом модуле установлены:

резисторы ПЭВ-100, представляющие нагрузки в лабораторных работах по исследованию трехфазных и однофазных цепей переменного тока;
трансформаторы ОСМ1-0,1, катушки индуктивности, дроссели;
конденсаторы МБГО, представляющие магазин конденсаторов;
силовой трансформатор ОСМ1-0,25.

Для проведения работы необходимо собрать схему объекта исследования с помощью унифицированных перемычек, позволяющих собирать схемы без потери их наглядности.

Измерения производятся с помощью стрелочных щитовых приборов. На панели стенда установлено 9 щитовых измерительных приборов.

С помощью стенда можно проводить следующие лабораторные работы:

исследование режимов работы и методов расчета линейных цепей постоянного тока с одним и двумя источником питания;
исследование режимов работы и методов расчета нелинейных цепей постоянного тока;
определение параметров и исследование режимов работы электрической цепи переменного тока с последовательным соединением катушки индуктивности, резистора и конденсатора;
исследование режимов работы линии электропередачи переменного тока при изменении коэффициента мощности нагрузки;
определение параметров и исследование режимов работы трехфазной цепи при соединении потребителей в звезду и треугольник;
исследование линейных цепей несинусоидального периодического тока, содержащих катушку и конденсатор;
определение параметров схемы замещения катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом и при наличии воздушного зазора;
определение параметров и основных характеристик однофазного трансформатора;
исследование процесса зарядки конденсатора от источника постоянного напряжения при ограничении тока с помощью резистора;
однокаскадный транзисторный усилитель;
исследование двухкаскадных усилителей с непосредственной связью;
исследование параметров транзисторного реле времени с времязадающей RC цепью;
исследование генератора синусоидальных колебаний;
исследование работы широтно-импульсного преобразователя напряжений (ШИП);
исследование работы триггера Шмидта и цифровых счетчиков в интегральном исполнении.

Таким образом, видим, что лабораторный стенд позволяет выполнять множество лабораторных работ, чем и объясняется его высокая стоимость. Но подавляющее большинство этих лабораторных работ не относится к дисциплинам, изучающим узлы источников питания. В рассматриваемом стенде содержится только одна плата, на которой реализован всего один вид тиристорных выпрямителей. Согласно же техническому заданию требуется реализовать ещё три модификации выпрямителей.

1.2.2 Лабораторный стенд ЭЦОЭ1-Н-Р

Стенд предназначен для проведения лабораторных занятий по учебной дисциплине «Электротехника и основы электроники» и смежным с ней.

На панели стенда установлены коммутационные гнёзда, цифровые измерительные приборы, коммутационная аппаратура, а также органы управления, позволяющие изменять параметры элементов при проведении лабораторной работы.

Перечень экспериментов (лабораторных работ), которые выполняются на лабораторном стенде ЭЦОЭ1-Н-Р:

основы электроники:
исследование диода;
исследование стабилитрона;
исследование биполярного транзистора;
исследование однофазных выпрямителей;
исследование трехфазного мостового выпрямителя;
исследование управляемых выпрямителей и тиристорных регуляторов;
исследование двухкаскадного транзисторного усилителя;
знакомство с работой RS-триггера, мультивибратора и одновибратора;
исследование цепей с операционными усилителями;

электрические цепи постоянного тока:
измерение сопротивлений, токов, напряжений и мощности в цепи постоянного тока;
цепь постоянного тока с последовательным соединением резисторов;
параллельное соединение резисторов в цепи постоянного тока;
снятие вольтамперных характеристик нелинейных элементов на постоянном токе;
магнитные цепи:
экспериментальное исследование и расчёт магнитной цепи при постоянном токе;
исследование магнитной цепи при переменном токе;
испытания однофазного трансформатора;

Технические характеристики лабораторного стенда представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Технические характеристики стенда ЭЦОЭ1-Н-Р

Питание от однофазной сети переменного тока, В	220 ± 22
Потребляемая мощность, Вт	50
Частота, Гц	50 ± 0,5
Класс защиты от поражения электрическим током	1

Подробное рассмотрение лабораторного стенда ЭЦОЭ1-Н-Р показало, что стенд также позволяет выполнять множество лабораторных работ, из-за чего его стоимость высока. Однако большинство этих лабораторных работ также не относятся к дисциплинам, изучающим узлы источников питания. Следовательно, приобретение данного стенда является не рациональным расходованием бюджетных средств.

1.2.3 Тиристорный выпрямитель ТВН-3

Здесь рассмотрена возможность применения в качестве лабораторного стенда промышленных выпрямителей.

Выпрямитель ТВН-3 предназначен для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное и регулирования его действующего значения на активной, активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузке. Регулирование осуществляется за счет изменения угла задержки отпирания силовых тиристоров.

Выпрямитель может применяться как для ручного регулирования напряжения на нагрузке, для чего предназначены кнопки и переменный резистор на передней панели шкафа, так и дистанционного управления в составе системы автоматизации.

В качестве управляющих сигналов могут применяться:

стандартный сигнал 0...10 В;
стандартный сигнал 0...20 мА;
стандартный сигнал 4...20 мА;
сигнал с внешнего переменного резистора 1..10 кОм.

Под управлением микропроцессора перечисленные сигналы преобразуются в информационно-управляющей системе выпрямителя в фазомодулированные импульсные сигналы управления тиристорами.

Команду разрешения для пуска работы выпрямителя можно сформировать как вручную с помощью тумблера на лицевой панели, так и дистанционно, замкнув соответствующие клеммы.

Выбор сигнала управления и команды разрешения программируется оператором. Все запрограммированные оператором установки хранятся в энергонезависимой памяти микропроцессора.

На дисплее выпрямителя отображаются текущие данные о величине задаваемого напряжения, о текущем токе нагрузки, выходном напряжении, режимах работы, а также значения программируемых установок и коды ошибок.

Основные технические характеристики устройства приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Технические характеристики тиристорного выпрямителя ТВН-3

Питание от трёхфазной сети переменного тока, В	Uф=100 - 240 В, Uл=173/440 В
Мощность потребления системы управления, Вт	20
Частота, Гц	50
Выходное постоянное напряжение, В	0 - 540
Номинальный ток нагрузки, А	40, 80, 125, 160, 200, 250, 400, 500, 630
Управление фазами	Совместное
Тип тиристорных модулей	Semikron
Вспомогательное питание для системы управления, В	198 - 242
Регулирующий элемент	Тиристор
Тип системы управления	Микропроцессорная
Сигнал управления	0..10 В, 0..20 мА, 4..20 мА, встроенный переменный резистор, внешний переменный резистор, кнопки панели управления
Вход управления / входное сопротивление	0-10 В / 20 кОм 0-20 мА / 91 Ом 4-20 мА / 91 Ом
Индикация	Жидкокристаллический индикатор 32- символьный, 2 светодиода
Точность поддержания выходного напряжения в режиме стабилизации напряжения	2%Uн
Точность поддержания тока в режиме стабилизации тока	2%Iн

Таким образом, к преимуществам рассматриваемого выпрямителя можно отнести:

высокую надёжность;
большую выходную мощность;
высокий уровень интеллекта.

Недостатки:

подключаемая нагрузка электрически не развязана с сетью, и на ней формируется напряжение, превышающее предельные уровни допустимых напряжений при работе с учащимися;
прошивка микропроцессора защищена, что не позволяет преподавателю или учащемуся изменять управляющую программу;
при большой выходной мощности и габаритных размерах в ТВН-3 невозможно трансформировать трёхфазную мостовую вентильную схему в остальные варианты схем, указанных в ТЗ.

Анализ остальных промышленных управляемых выпрямителей показывает, что они обладают аналогичными свойствами. Таким образом, применение промышленных управляемых выпрямителей в учебных целях нецелесообразно.

1.3 Возможности применения лабораторного тиристорного выпрямителя МПП 03

Рисунок 1.1 – Структурная схема стенда МПП 03

В состав стенда входит система управления (СУ) выпрямителем, основанная на микропроцессоре МР 580 и управляемая с помощью ПЭВМ через порт LPT. Также в стенде имеется тиристорный выпрямитель (ТВ), построенный на оптотиристорах ТО125-10.

Преимущества лабораторного стенда МПП 03:

электрическая безопасность;
оптическая развязка между СУ и ТВ;
доступность участков цепи ТВ для измерительных приборов;
возможность замены платы управления.

Выполняемый дипломный проект предполагает замену схемы управления тиристорным выпрямителем лабораторного стенда МПП 03. Разрабатываемая схема управления основана на микроконтроллере Mega 16 фирмы AVR и имеет связь с ПЭВМ посредством USB-интерфейса.

2 Анализ принципа управления. Структурный синтез

2.1 Фазоимпульсный метод регулирования. Структурная схема одного канала управления

Существующие системы управления тиристорами вырабатывают отпирающие фазомодулированные импульсы между управляющим электродом и катодом (анодом) тиристоров. Указанный метод управления в литературе называется импульсно-фазовым. В дальнейшем по тексту метод будем называть фазовым. Анализ схем промышленных регулируемых выпрямителей показал, что других методов управления не применяется, поэтому в проектируемом учебном устройстве будет реализован только фазовый метод.

Суть фазового метода можно понять, познакомившись с принципом функционирования тиристорных выпрямителей в приложениях А и Б. Коротко – импульсы управления формируются с некоторым запаздыванием относительно точек естественной коммутации. В учебной, научной и технической литературе это «запаздывание» численно представляется углом запаздывания α, отсчитываемом относительно точек естественной коммутации (рисунок 1.4, а, б).

2.1

а)

б)

Рисунок 2.1 – Диаграммы, поясняющие отсчёт угла запаздывания (управления) α в однофазных (а) и трёхфазных (б) выпрямителях

Фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении пилообразного сигнала и сигнала задания. Равенство мгновенных значений этих сигналов определяет момент, при котором схема вырабатывает импульс, затем усиливает и подает между управляющими электродами тиристора. Изменение фазы запаздывания α управляющего импульса достигается изменением уровня сигнала задания Uвх. Структурная схема, реализующего указанный способ управления для одного тиристора приведена на рисунке Рисунок 2.2.

Опорный сигнал начинает вырабатываться генератором пилообразного сигнала (ГПС) по одному из фронтов синхроимпульса, формируемого синхронизированным с сетью через понижающий трансформатор (ПТ) формирователем импульсов (ФИ). В блоке сравнения (БС) пилообразный сигнал сравнивается с сигналом задания α. Со схемы сравнения через распределитель импульсов (РИ) сигнал поступает на оконечные усилители мощности или устройства согласования и гальванической развязки (УС). Выход УС подключается к управляющим выводам тиристора.

Рисунок 2.2 – Структурная схема фазового метода управления для одного тиристора

Диаграммы работы устройства управления однофазного мостового выпрямителя представлены на рисунке Рисунок 2.3.

Рисунок 2.3 – Диаграммы работы устройства управления однофазного мостового выпрямителя

Диаграммы работы устройства управления трёхфазного мостового выпрямителя представлены на рисунке Рисунок 2.4.

Рисунок 2.4 – Диаграммы работы устройства управления трёхфазного мостового выпрямителя

2.2 Выбор способа реализации цифровой системы управления

Блок ГПС можно реализовать по известной схеме транзисторного ключа, нагруженного на RC-цепочку, либо по известным схемам генераторов на операционных усилителях. Но это получится реализация аналогового устройства управления, а по ТЗ требуется цифровое.

ГПС также возможно реализовать на счётчиках, объединённых в схему некоего цифрового таймера, блок СС – на комбинационной цифровой схеме. Таким образом, возможна цифровая реализация схемы рисунка Рисунок 2.2 на дискретных цифровых микросхемах. Однако процесс разработки такой схемы трудоёмок, сопровождается большим количеством ошибок и большим число итераций процесса проектирования.

Но оба цифровых блока можно сконфигурировать программно в микроконтроллере (МК), так как в современных МК аппаратно реализованы программируемые таймеры и ШИМ-компараторы. В пользу реализации на МК говорит также целесообразность задания угла запаздывания α с помощью клавиатуры и необходимость отображения этой же задаваемой величины, для чего требуется дисплей.

В соответствии с ТЗ, на выходе системы управления должно формироваться либо два, либо шесть управляющих сигналов. Однако количество описанных в подразделе 2.1 каналов управления, аналогичных схеме рисунка Рисунок 2.2, можно в два раза уменьшить.

При управлении однофазным мостовым ТВ. Пилообразный опорный сигнал для управления тиристорами VS1 и VS3 (рисунок

Рисунок 2.5) может запускаться по положительному фронту сигнала с выхода ФИ (рисунок Рисунок 2.7), а пилообразный сигнал для тиристоров VS2 и VS4 – по заднему фронту сигнала с выхода ФИ. При любых значениях угла α из рабочих диапазонов (0°…90° или 0°…180°) оба пилообразных импульса никогда не перекроются по времени, поэтому для их формирования и применения можно использовать в МК всего один таймер и один ШИМ-компаратор. Распределить же между парами тиристоров управляющий сигнал можно по информации о направлении фронта сигнала с выхода ФИ.

Рисунок 2.5 – Однофазный мостовой тиристорный выпрямитель

При управлении трёхфазным мостовым тиристорным выпрямителем (ТВ) пилообразный опорный сигнал для управления тиристором VS1 (рисунок

Рисунок 2.5) может запускаться по положительному фронту сигнала с выхода ФИ (рисунок Рисунок 2.7) при совпадении фаз «А» и «С», а пилообразный сигнал для тиристора VS4 – по заднему фронту сигнала с выхода того же ФИ, при совпадении тех же фаз. При любых значениях угла α из рабочих диапазонов (0°…90° или 0°…120°) оба пилообразных импульса также никогда не перекроются по времени, поэтому для их формирования и применения можно использовать в МК также один таймер и один ШИМ-компаратор. Распределить же между тиристорами VS1 и VS4 управляющий сигнал можно по информации о направлении фронта сигнала с выхода ФИ. Таким образом, для управления трёхфазным мостовым ТВ потребуется всего три таймера и три ШИМ-компаратора.

Рисунок 2.6 – Трёхфазный управляемый мостовой тиристорный выпрямитель

2.3 Структурная схема лабораторного стенда

Определим место разрабатываемой системы управления в лабораторном стенде для изучения тиристорных выпрямителей, структурная схема которого представлена на рисунке Рисунок 2.7.

Рисунок 2.7 – Структурная схема лабораторного стенда для исследования управляемых тиристорных выпрямителей

Структурная схема лабораторного стенда для исследования тиристорных выпрямителей включает в себя следующие блоки:

блок силовых трансформаторов – для понижения сетевого напряжения;
блок измерительных трансформаторов – для измерения фаз;
управляемый выпрямитель (УВ) – объект изучения и моделирования;
устройство согласования (УС) – устройство гальванической развязки и согласования току и напряжению;
устройство сравнения фазных напряжений (УСФН) – нахождение точек естественной коммутации;
схема управления (СУ) – управление углом открывания тиристоров;
источник питания (ИП) – обеспечивает питание УСФН, УС и СУ;
монтажное поле для соединения силовых трансформаторов и выпрямителя – обеспечение питания тиристоров;
монтажное поле для соединения измерительных трансформаторов и устройства управления – понижение сетевого напряжения.

Перечисляешь блоки, которые ты разрабатываешь. Указываешь их соответствие блокам структурной схемы рисунка 2.7, ещё лучше сделать их обозначения одинаковыми.

3 Разработка схемы электрической принципиальной

3.1 Устройство сравнения фазных напряжений

Устройство сравнения фазных напряжений – блок ФИ структурной схемы рисунка Рисунок 2.2 – служит для определения точек естественной коммутации тиристоров. Согласно временным диаграммам рисунков Рисунок 2.3 и Рисунок 2.4, точкам естественной коммутации соответствуют фронты импульсов ФИ.

Формируются таковые импульсы сравнением:

в однофазном мостовом выпрямителе – пониженного измерительным трансформатором сетевого напряжения с нулём;
в трёхфазной мостовой схеме – пониженных измерительными трансформаторами напряжений фазы «A» и фазы «C», фазы «B» и фазы «A», фазы «C» и фазы «B».

Таким образом, для однофазного выпрямителя потребуется один канал сравнения – один компаратор (схема рисунка Рисунок 3.1). Для трёхфазного – три аналогичных канала.

Рисунок 3.1– Схема одного канала сравнения

Так как в ТЗ жёстких требований к погрешности задания угла управления нет, в качестве компаратора можно использовать микросхему широкого потребления LM393N. В микросхеме – два компаратора. Параметры микросхемы LM393N приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Параметры микросхемы LM393N

Двуполярное питание, В	±18
Входное напряжение, В	±9
Входной ток, мА	50
Предельное значение выходного тока, мА	16
Предельное значение выходного напряжения, В	±36
Потребляемый ток, мА	0,6
Тип коллектора	открытый

Схема включения – триггер Шмидта. Применение схемы сравнения с гистерезисом вызвано следующими причинами:

при подключении к измерительным трансформаторам компаратора по простой схеме имели место частые ложные переключения;
предположив, что ложные срабатывания вызваны помехами в сети, на основе компаратора была собрана схема триггера Шмидта (рисунок Рисунок 3.1) и экспериментально определена минимальная величина гистерезиса, после которой ложных срабатываний не наблюдалось

(3.1)

То есть применение триггера Шмидта позволило избавиться от помех сети.

3.1.1 Расчёт параметров схемы сравнения фазных напряжений.

Так как на входе триггера Шмидта присутствует переменное двуполярное напряжение, питание используем также двуполярное.

Так как по условиям ТЗ внешний источник напряжений U_СС1=+12 B и U_ЕЕ1=минус 12 В – нестабильный, требуются стабилизаторы напряжений. Так как потребляемые микросхемой LM393N токи меньше 10 мА, можно воспользоваться микросхемами маломощных линейных стабилизаторов 78L09 и 79L09, для модуля выходных напряжений U_СС=9 В и U_ЕЕ=минус 9 В которых выполняется условия

Для напряжения на резисторе R4 делителя, для корректной работы компаратора должно выполняться условие

При управлении трёхфазным выпрямителем на входе резистивного делителя R4, R1 присутствует разность между фазами измерительных трансформаторов. Максимальное, амплитудное значение определить соотношением

где U_ф – фазное напряжение с выхода измерительного трансформатора ТРК2-3V, равно 4,44 В.

Рассчитаем параметры резисторов делителя

.

Следовательно, принимая R4=10 кОм, получаем

Принимаем R2=5,1 кОм.

Рассчитаем параметры резисторов обратной связи триггера Шмидта. Величину гистерезиса ∆U имеет смысл принять с некоторым запасом относительно ∆U_min. Но ввод гистерезиса приводит к появлению методической ошибки задания угла управления

(3.2)

Определим максимальное значение ∆U_max

(3.3)

В итоге, для ∆U формируем условие

(3.4)

Принимаем ∆U≈50 мВ

Принимая R5=1 кОм, получаем

3.1.2 Расчёт цепи согласования с TTL-схемами.

Ток стабилизации I_стстабилитрона определяется формулой

(3.5)

где U_ст ≈ 5 В – напряжение стабилизации стабилитрона.

В качестве стабилитрона был выбран тот, который есть в наличии – BZX85/C 5V1. В таблице 3.2 представлены его параметры.

Таблица 3.2 – Параметры стабилитрона BZX85/C 5V1

Напряжение стабилизации, В	4,8 – 5,4
Номинальный ток стабилизации, мА	45
Минимальный ток стабилизации, мА	1

Из выражения (3.5) оценим значение суммарного сопротивления R1+R3

(3.6)

Сопротивление R13 для ограничения выходного тока компаратора при U_вых=U_ЕЕ

(3.7)

Принимаем R13=1,5 кОм. Из выражения (3.6) получаем

Принимаем R14=750 Ом.

Остальные два канала рассчитываем по аналогичной методике (рисунок Рисунок 3.2).

На входе схемы питания для устранения пульсаций напряжения устанавливаем два электролитических конденсатора С1 и С2 по 470 мкФ каждый.

Рисунок 3.2 – Схема трёх каналов управления

3.2 Устройство согласования

Устройство согласования – служит гальванической развязкой и согласует токи и напряжения.

Рассчитываем параметры резистора R1, принимая, что напряжение питания транзистора VT1 U_CC=5 В

где I_б – ток базы транзистора КТ3107, мА.

где β_кт3107 – коэффициент усиления по току транзистора КТ3107.

где I_LEDVS – ток светодиода тиристорной оптопары, А.

β_кт815 – коэффициент усиления по току транзистора КТ815.

Выбираем R1=11 кОм.

Выбираем R7=110 Ом.

Схема согласования токов и напряжений представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема согласования уровней напряжения и тока

4 Разработка программного обеспечения

Задача разработки программного обеспечения сводится к разработке алгоритма, настройке встроенных периферийных модулей МК и написанию программного обеспечения. Алгоритм управления тиристорным выпрямителем представлен в приложении ХХ.

4.1 Инициализация модулей и портов ввода-вывода

4.1.1 Работа с таймером/счётчиком T1

В качестве режима работы таймера/счётчика T1 выбираем режим СТС (сброс при совпадении). В этом режиме счётный регистр функционирует как обычный суммирующий счетчик, инкремент которого осуществляется по каждому импульсу тактового сигнала clk T1. Однако максимально возможное значение счётного регистра и, следовательно, разрешающая способность счётчика определяется регистром сравнения блока «A» OCR1A. После достижения максимального значения счёт продолжается со значения $0000. В том же такте сигнала clkT1, в котором обнуляется счётный регистр, устанавливается флаг прерывания TOV1 регистра TIFR.

Для работы с таймером Т1 в микроконтроллере Mega16 используются следующие регистры ввода/вывода:

шестнадцатиразрядный счётный регистр TCNT1;
шестнадцатиразрядный регистр захвата ICR1;
два шестнадцатиразрядных регистра сравнения OCR1A, OCR1B;
два восьмиразрядных регистра управления TCCR1A, TCCR1B.

Счётный регистр таймера/счётчика TCNT1 входит в состав основного блока модуля – блока реверсивного счетчика. В зависимости от режима работы модуля содержимое счётного регистра сбрасывается, инкрементируется или декрементируется по каждому импульсу тактового сигнала таймера/счетчика clkT1. Независимо от того, присутствует тактовый сигнал или нет, регистр доступен в любой момент времени как для чтения, так и для записи. При этом любая операция записи в счетный регистр блокирует работу всех блоков сравнения на время одного периода тактового сигнала таймера/счетчика. После подачи напряжения питания в регистре TCNT1 находится нулевое значение.

Регистр захвата ICR1 входит в состав блока захвата, назначение которого – сохранение в определенный момент времени состояния таймера/счетчика в регистре захвата ICR1 (ICR3). Это действие может производиться либо по активному фронту сигнала на выводе ICP1 микроконтроллера, либо (для таймера/счетчика T1) по сигналу от аналогового компаратора. Одновременно с записью в регистр захвата устанавливается флаг ICF1 регистра TIFR и генерируется запрос на прерывание. Разрешение прерывания осуществляется установкой в «1» разряда TICIE1 регистра TIMSK.

Регистры сравнения OCR1A/OCR1B входят в состав блоков сравнения. Во время работы таймера/счётчика производится непрерывное (в каждом машинном цикле) сравнение этих регистров с регистром TCNT1. В случае равенства содержимого регистра сравнения и счетного регистра в следующем машинном цикле устанавливается соответствующий флаг OCF1A/OCF1B регистра TIFR и генерируется прерывание (если оно разрешено). Также при наступлении этого события может изменяться состояние вывода OC1A/OC1B микроконтроллера. Записываем в регистр OCR1A значение 221, это модуль счёта, который обеспечивает счёт угла с частотой 18 кГц. .

Регистры TCCR1A, TCCR1B используются для управления таймером/счётчиком. Формат регистра TCCR1A представлен на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Формат регистра TCCR1A

Разряды регистра TCCR1A:

биты 7-2 – режим работы блока сравнения. Эти разряды определяют поведение вывода OC1А при наступлении события «Совпадение». Влияние содержимого этих разрядов на состояние вывода зависит от режима работы таймера/счетчика (выбираем '000000');
биты 1-0 – режим работы таймера/счетчика. Совместно с разрядами WGMn3 и WGMn2 регистра TCCRnB определяют режим работы таймера/счетчика T1 (выбираем '00').

Формат регистра TCCR1В представлен на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Формат регистра TCCR1В

Разряды регистра TCCR1В:

бит 7 – управление схемой подавления помех блока захвата. Если разряд сброшен в «0», схема подавления помех выключена (захват производится по первому активному фронту). Если разряд установлен в «1», схема подавления помех включена и захват осуществляется только в случае четырех одинаковых выборок, соответствующих активному фронту сигнала (выбираем '0');
бит 6 – выбор активного фронта сигнала захвата. Если разряд ICES1 сброшен в «0», сохранение счетного регистра в регистре захвата осуществляется по спадающему фронту сигнала. Если разряд установлен в «1», сохранение счетного регистра в регистре захвата осуществляется по нарастающему фронту сигнала. Одновременно с сохранением счетного регистра устанавливается также флаг прерывания ICF1 регистра TIFR (выбираем '0');
бит 5 – не используется, читается как '0';
биты 4,3 – режим работы таймера/счетчика. Совместно с разрядами WGMn1:WGMn0 регистра TCCR1А определяют режим работы таймера/счетчика T1;
биты 2-0 – управление тактовым сигналом. Эти разряды определяют источник тактового сигнала микроконтроллера.

Записываем в регистр значение (1<<WGM12)|(1<<CS10), это значит, что регистр настроен на режим СТС и установлен делитель тактового сигнала на единицу.

4.1.2 Регистры портов ввода/вывода

Обращение к портам производится через регистры ввода/вывода. Под каждый порт в адресном пространстве ввода/вывода зарезервировано по 3 адреса, по которым размещены следующие регистры: регистр данных порта PORTx, регистр направления данных DDRx и регистр выводов порта PINx. Действительные названия регистров получаются подстановкой названия порта вместо символа «x», соответственно регистры порта A называются PORTA, DDRA, PINA, порта B – PORTB, DDRB, PINB и т. д. Поскольку с помощью регистров PINx осуществляется доступ к физическим значениям сигналов на выводах порта, они доступны только для чтения, тогда как остальные два регистра доступны и для чтения, и для записи.

Каждому выводу порта соответствуют три разряда регистров ввода/вывода: PORTxn (регистр PORTx), DDxn (регистр DDRx) и PINxn (регистр PINx). Действительные названия разрядов регистров получаются подстановкой названия порта вместо символа «x» и номера разряда вместо символа «n». Порядковый номер вывода порта соответствует порядковому номеру разряда регистров этого порта.

Разряд DDxn регистра DDx определяет направление передачи данных через контакт ввода/вывода. Если этот разряд установлен в «1», то n-й вывод порта является выходом, если же сброшен в «0» – входом. Разряд PORTxn регистра PORTx выполняет двойную функцию. Если вывод функционирует как выход (DDxn=«1»), этот разряд определяет состояние вывода порта. Если разряд установлен в «1», на выводе устанавливается напряжение ВЫСОКОГО уровня. Если разряд сброшен в «0», на выводе устанавливается напряжение НИЗКОГО уровня. Если же вывод функционирует как вход (DDxn=«0»), разряд PORTxn определяет состояние внутреннего подтягивающего резистора для данного вывода. При установке разряда PORTxn в «1» подтягивающий резистор подключается между выводом микроконтроллера и проводом питания.

Выставляем значение регистра PORTА = 0, т.е. выключены все выходные сигналы с порта А (отключены все внутренние подтягивающие резисторы), и регистра DDRА = 0xff – все линии порта А установлены на вывод.

Структурная схема одного из каналов порта ввода/вывода Pxn при работе его в качестве цифрового входа/выхода общего назначения приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Структурная схема контакта ввода/вывода

Все возможные сочетания состояний управляющих разрядов и соответственно конфигурации выводов портов представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1– Конфигурации выводов портов

DDxn	PORTxn	PUD* (в SFIOR)	Функция вывода	Резистор	Примечания
0	0	Х	Вход	Отключён	Третье состояние (Hi-Z)**
0	1	0	Вход	Подключён	При подключении нагрузки между выводом и общим проводом, вывод является источником тока
0	1	1	Вход	Отключён	Третье состояние (Hi-Z)**
1	0	Х	Выход	Отключён	Выход установлен в "0"
1	1	Х	Выход	Отключён	Выход установлен в "1"
**Состояние выводов порта при сбросе.

Также стоит отметить, что подавляющее большинство контактов ввода/вывода всех микроконтроллеров семейства имеют дополнительные функции и могут использоваться различными периферийными устройствами микроконтроллеров. При этом возможны две ситуации. В одних случаях пользователь должен самостоятельно задавать конфигурацию вывода, а в других – вывод конфигурируется автоматически при включении соответствующего периферийного устройства.

4.1.3 Обработка прерываний

Для глобального разрешения/запрещения прерываний предназначен флаг I регистра SREG. Для разрешения прерываний он должен быть установлен в «1», а для запрещения сброшен в «0». При возникновении прерывания флаг I регистра SREG аппаратно сбрасывается, запрещая тем самым обработку следующих прерываний. Однако в подпрограмме обработки прерывания этот флаг можно снова установить в «1» для разрешения вложенных прерываний.

Все имеющиеся прерывания можно разделить на два типа. Прерывания первого типа генерируются при наступлении некоторого события, в результате которого устанавливается флаг прерывания. Затем, если прерывание разрешено, в счётчик команд загружается адрес вектора соответствующего прерывания. При этом флаг прерывания аппаратно сбрасывается. Он также может быть сброшен программно, путём записи лог. 1 в разряд регистра, соответствующий флагу.

Прерывания второго типа не имеют флагов прерываний и генерируются в течение всего времени, пока присутствуют условия, необходимые для генерации прерывания. Соответственно, если условия, вызывающие прерывание, исчезнут до разрешения прерывания, генерации прерывания не произойдёт.

Наименьшее время отклика для любого прерывания составляет 4 машинных цикла, в течение которых происходит сохранение счётчика команд в стеке. В течение последующих трёх циклов выполняется команда перехода к подпрограмме обработки прерывания. Если прерывание произойдёт во время выполнения команды, длящейся несколько циклов, то генерация прерывания произойдёт только после выполнения этой команды. Все разряды этого регистра доступны как для чтения, так и для записи; после сброса микроконтроллера все разряды регистра сбрасываются в «0».

4.1.4 Прерывания от таймеров/счётчиков

Для разрешения/запрещения прерываний от таймеров/счётчиков T0, T1 и T2 в микроконтроллере AT Mega 16 предназначен регистр TIMSK (Timer/Counter Interrupt MaSK Register – регистр маски прерываний от таймеров/счётчиков). Формат регистра TIMSK показан на рисунке 4.4, а описание его разрядов в таблице 4.2.

Рисунок 4.4 – Формат регистра TIMSK

Таблица 4.2 – Описание разрядов регистра TIMSK

Назначение	Описание
OCIE2	Флаг разрешения прерывания по событию "Совпадение" таймера/счётчика Т2
TOIE2	Флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счётчика Т2
TICIE1	Флаг разрешения прерывания по событию "Захват" таймера/счётчика Т1
OCIE1A	Флаг разрешения прерывания по событию "Совпадение А" таймера/счётчика Т1
OCIE1B	Флаг разрешения прерывания по событию "Совпадение В" таймера/счётчика Т1
TOIE1	Флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счётчика Т1
OCIE10	Флаг разрешения прерывания по событию "Совпадение" таймера/счётчика Т0
TOIE0	Флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счётчика Т0

Для разрешения какого-либо прерывания от таймера/счётчика необходимо установить в «1» соответствующий разряд регистра TIMSK и, разумеется, флаг I регистра SREG.

В нашем случае записываем в регистр TIMSK значение (1<<OCIE1A), т.е. разрешаем прерывание по событию "Совпадение А" таймера/счётчика Т1.

Для индикации наступления прерываний от таймеров T0, T1 и T2 предназначен регистр TIFR (Timer/Counter Interrupt Flag Register — регистр флагов прерываний от таймеров/счетчиков).

4.1.5 Внешние прерывания

Для разрешения/запрещения внешних прерываний в микроконтроллере AT Mega 16 предназначен регистр GICR.

Формат этого регистра показан на рисунке ХХ, а описание его разрядов в таблице ХХ.

Рисунок ХХ – Формат регистра GICR

Биты 0 и 1 являются зарезервированными и не подлежат изменению.

Таблица ХХ – Описание разрядов регистра GICR

Разряд

Название

Описание

7

INT1

Разрешение внешнего прерывания INT1. Если в этом разряде записана логическая единица и флаг I регистра SREG также установлен в единицу, то разрешается внешнее прерывание с вывода INT1. Условие генерации прерывания определяется содержимым разрядов ISC01 и ISC00 регистра MCUCR.

6

INT0

Разрешение внешнего прерывания INT0. Если в этом разряде записана логическая единица и флаг I регистра SREG также установлен в единицу, то разрешается внешнее прерывание с вывода INT0. Условие генерации прерывания определяется содержимым разрядов ISC01 и ISC00 регистра MCUCR.

5

INT2

Разрешение внешнего прерывания INT2. Если в этом разряде записана логическая единица и флаг I регистра SREG также установлен в единицу, то разрешается внешнее прерывание с вывода INT2. Условие генерации прерывания определяется содержимым разрядов ISC2 регистра MCUCR.

4

PCIE1

Разрешение прерывания по изменению состояния выводов 1-й группы. Если в этом разряде записана логическая единица и флаг I регистра SREG также установлен в единицу, то разрешается внешнее прерывание по изменению состояния выводов PCINT15...8 микроконтроллера. К возникновению прерывания приводит любое изменения сигнала на любом выводе.

3

PCIE0

Разрешение прерывания по изменению состояния выводов 0-й группы. Если в этом разряде записана логическая единица и флаг I регистра SREG также установлен в единицу, то разрешается внешнее прерывание по изменению состояния выводов PCINT7...0 микроконтроллера. К возникновению прерывания приводит любое изменения сигнала на любом выводе.

Выставляем значение регистра GICR=(1<<INT0)|(1<<INT1)|(1<<INT2), т.е. разрешаем все внешние прерывания.

Регистр GIFR (General Interrupt Flag Register — общий регистр флагов прерываний), расположенный по адресу $3A ($5A), предназначен для индикации наступления внешних прерываний. Формат этого регистра показан на рисунке ХХ, а описание его разрядов в таблице ХХ.

Рисунок ХХ – Формат регистра GIFR

Таблица ХХ – Описание разрядов регистра GIFR (рассматриваются только те разряды, которые представлены в выбранном нами микроконтроллере Mega16)

Разряд	Название	Описание
7	INTF1	Флаг внешнего прерывания INT1. Если в результате события на выводе INT1 сформировался запрос на внешнее прерывание, этот разряд устанавливается в единицу. Флаг сбрасывается аппаратно при запуске подпрограммы обработки прерывания или программно, записью в него лог. 1. Флаг INTF1 сброшен постоянно, если генерация прерывания должна происходить по НИЗКОМУ уровню на выводе INT1.
6	INTF0	Флаг внешнего прерывания INT0. Если в результате события на выводе INT0 сформировался запрос на внешнее прерывание, этот разряд устанавливается в единицу. Флаг сбрасывается аппаратно при запуске подпрограммы обработки прерывания или программно, записью в него логической единицы. Флаг INTF0 сброшен постоянно, если генерация прерывания должна происходить по НИЗКОМУ уровню на выводе INT0.
5	INTF2	Флаг внешнего прерывания INT2. Если в результате события на выводе INT2 сформировался запрос на внешнее прерывание, этот разряд устанавливается в единицу. Флаг сбрасывается аппаратно при запуске подпрограммы обработки прерывания или программно, записью в него логической единицы. Флаг INTF2 сброшен постоянно, если генерация прерывания должна происходить по НИЗКОМУ уровню на выводе INT2.

Выставляем значение регистра GIFR= (1<<INTF2), т.е. cбрасываем прораммно флаг INTF2, записывая в него логическую единицу.

Прерывания INT0 и INT1 могут быть сгенерированы по нарастающему/спадающему фронту сигнала или при появлении НИЗКОГО уровня на входе. Условия генерации этих прерываний определяются состоянием младших 4-х разрядов регистра MCUCR. Формат этого регистра показан на рисунке ХХ, а описание его разрядов в таблице ХХ.

Рисунок ХХ – Формат регистра MCUCR

Таблица ХХ – Описание разрядов регистра MCUCR

Разряд	Название	Описание
3,2	ISC11, ISC10	Определяют условие генерации внешнего прерывания INT1 следующим образом:
		ISC11	ISC10	Условие
		0	0	По НИЗКОМУ уровню на выводе INT1
		0	1	Зарезервировано
		1	0	По спадающему фронту сигнала на выводе INT1
		1	1	По нарастающему фронту сигнала на выводе INT1
1,0	ISC01, ISC00	Определяют условие генерации внешнего прерывания INT0 следующим образом:
		ISC01	ISC00	Условие
		0	0	По НИЗКОМУ уровню на выводе INT0
		0	1	Зарезервировано
		1	0	По спадающему фронту сигнала на выводе INT0
		1	1	По нарастающему фронту сигнала на выводе INT1

Выставляем значение регистра MCUCR = 0xf, т.е. устанавливаем выводы INT0 и INT1 на срабатывание по нарастающему фронту сигнала.

Прерывание INT2 может быть сгенерировано только по нарастающему или спадающему фронту сигнала. Условие генерации прерывания INT2 определяется состоянием разряда ISC2 (6-й разряд регистра MCUCSR). Если этот разряд сброшен в «0» (начальное состояние), прерывание будет сгенерировано по спадающему фронту сигнала, если установлен в «1» — по нарастающему фронту. Обнаружение перепадов сигнала на выводе INT2 осуществляется асинхронно, при этом минимальная длительность импульса, гарантирующая генерацию прерывания, составляет 50 нс. Формат регистра MCUCSR приведен на рисунке ХХ.

Рисунок ХХ – Формат регистра MCUCSR

Выставляем значение регистра MCUCSR = (1<<ISC2), т.е. устанавливаем прерывание INT2 по переднему фронту.

Для облегчения задачи разработки программы управления тиристорами, определим очередь открывания тиристоров и номера внешних прерываний, отвечающих за управление тиристорами. Введём понятие номера прерывания, который формально показывает, какой тиристор будет открыт при внешнем прерывании, настроенном на срабатывание по переднему или заднему фронту.

На рисунке ХХ представлен трёхфазный тиристорный выпрямитель, нумерация тиристоров в котором приведена в соответствии с их открытием в программе управления.

Рисунок ХХ – Трёхфазный тиристорный выпрямитель

В таблице ХХ представлена последовательность открытия тиристоров. Внешнее прерывание INT по переднему фронту обозначается как ↑, а по заднему фронту – ↓.

Таблица ХХ – Последовательность открытия тиристоров

Номер прерывания	Номер внешнего прерывания	Номер открытого тиристора	Фаза	Группа тиристора
0	0↑	1	А	КГ
1	2↓	4	В	АГ
2	1↑	5	С	КГ
3	0↓	2	А	АГ
4	2↑	3	В	КГ
5	1↓	6	С	АГ

5 Конструкторское проектирование

Печатные платы являются основным элементом, выполняя функции несущей конструкции и коммутационного устройства на различных уровнях разукрупнения аппаратуры:

в микросборках;
в ячейках;
в коммутационных (монтажных) панелях.

Печатные платы широко применяются в бытовой технике, аппаратуре средств связи, вычислительной технике, в системах автоматизации, контрольно-измерительной аппаратуре, в медицинском приборостроении, в автомобильной промышленности, в других областях промышленной электроники, в авиационной, космической промышленности, в спецтехнике, в городском коммунальном хозяйстве.

Технологический процесс изготовления печатных плат – сложный многооперационный процесс с использованием большого количества оборудования, производственных площадей, требующий не только узкоспециализированных специалистов в области химии, физики, схемотехники, программирования, конструирования электронной аппаратуры, организации производства, но и специалистов широкого профиля, представляющих все проблемы и пути комплексного решения вопросов, стоящих в настоящее время в производстве печатных плат.

Печатная плата – изделие, состоящее из плоского изоляционного основания с отверстиями (текстолит), пазами, вырезами и системой токопроводящих полосок металла (проводников), которое используют для установки и коммутации электрорадиоизделия и функциональных узлов в соответствии со схемой электрической принципиальной.

ГОСТ 23751–86 ПП устанавливает пять классов точности выполнения элементов конструкции (проводников, контактных площадок, отверстий и пр.) и предельных отклонений. В данном проекте был выбран второй класс точности печатных плат, так как изготовление печатной платы с меньшим классом точности не возможно на оборудовании, применяемом мной при изготовлении платы:

ширина проводников, мм – 0,45;
зазоры между проводниками, мм – 0,45;
зазоры между проводником и контактной площадкой, мм – 0,45.

Разработка печатных плат велась в среде программы Altium Designer. Было принято решение, что печатные платы для устройства согласования и устройства сравнения фазных напряжений будут разрабатываться отдельно.

Размещение компонентов в среде Altium Designer производилось в ручном режиме.

Используя данные о диаметре выводов компонентов, были определены необходимые размеры контактных площадок. Эта информация была введена при редактировании стратегии трассировки. Трассировка печатного монтажа выполнялась в одном слое с шагом 0,5 мм в интерактивном режиме.

После решения задач синтеза конструкции необходимо выполнить верификацию полученного проектного решения на соответствие принципиальной электрической схеме и соблюдение заданных конструкторско-технологических норм. В ходе решения задач верификации выполняют и устраняют несоответствия между схемой и печатной платой и нарушения технологических требований. В проекте несоответствий между схемой принципиальной и печатной платой выявлено не было, следовательно было принято решение о корректности полученного проектного решения.

На рисунках Рисунок 5.1 и Рисунок 5.2 приведен печатный монтаж устройства согласования и устройства сравнения фазных напряжений.

Рисунок 5.1 – Печатный монтаж устройства согласования

Рисунок 5.2 – Печатный монтаж устройства сравнения фазных напряжений

Размещение элементов на рассмотренных выше печатных платах представлено на рисунках Рисунок 5.3, Рисунок 5.4,Рисунок 5.5 и Рисунок 5.6.

Рисунок 5.3 – Размещение элементов на плате устройства сравнения фазных напряжений со стороны монтажа навесных компонентов

Рисунок 5.4 – Размещение элементов на плате устройства сравнения фазных напряжений со стороны поверхностного монтажа

Рисунок 5.5 – Размещение элементов на плате устройства согласования со стороны монтажа навесных компонентов

Рисунок 5.6 – Размещение элементов на плате устройства согласования со стороны поверхностного монтажа

6 Безопасность труда

6.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда

Целью данного раздела является проверка состояния безопасности труда в помещении без постоянного присутствия людей. Таким помещением является аудитория для лабораторных занятий. В связи с этим, предъявляются минимальные требования к характеристике климата района расположения проектируемого стенда для лабораторных работ, освещению и источникам шума.

Оптимальные и допустимые условия микроклимата для рабочей зоны помещения устанавливаются в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 "Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.": температура не ниже +24 °С, давление 740-760 мм.рт.ст., влажность не более 70 %, скорость движения воздуха 0,1 м/с. В рассматриваемой аудитории для лабораторных занятий средняя температура воздуха составляет +24 °С, давление 745 мм.рт.ст., а влажность 63 %. Таким образом, делаем вывод, что микроклимат в аудитории удовлетворяет требованиям, изложенным в ГОСТ.

В холодное время для поддержания оптимальной температуры воздуха в аудитории используется водяное отопление. Вентиляция применяется приточно-вытяжная принудительная, искусственного типа. Также в аудитории установлен кондиционер фирмы Dantex.

Общая классификация средств и методов защиты от шума приведена в ГОСТ 12.1.029-80 "Система стандартов безопасности труда. Средства и методы защиты от шума. Классификация". Помещение не граничит с помещениями, имеющими повышенные уровни воздушного и ударного шума. Уровень шума внутри помещения не превышает 80 дБ по ГОСТ 12.1.003-89 "Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности." и равен 70 дБ.

Естественное освещение в аудитории для лабораторных занятий представлено двумя окнами, площадью 2,25 м² каждое. Искусственное освещение устраивается для работы при недостаточном естественном освещении или в темное время суток, также в местах, где отсутствует естественное освещение. Искусственное освещение по конструктивному исполнению может быть трех видов – общее, местное и комбинированное.

В нашем случае применяем систему общего освещения, так как аудитория относится к типу помещений, где по всей полезной площади выполняются однотипные работы. В качестве источников света применяются парные люминесцентные лампы типа ЛБ (белый свет). Светильники установлены в 4 ряда по 3 штуки в каждом. Светильник содержит по 2 лампы, мощностью 40 Вт каждая. Световой поток от каждой люминесцентной лампы равен 2800 люменов, а суммарный световой поток составляет 67200 люменов.

Среда, где находится разрабатываемый стенд, не содержит химически активных газов и испарений, токопроводящей пыли и взрывоопасных материалов. Требования безопасности осуществляются по ГОСТ 12.2.007.0-75 "Система стандартов безопасности труда. Изделия электротехнические".

Электробезопасность – это система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества. Главная причина электрических травм – человек дистанционно не может определить находится ли установка под напряжением или нет.

Поражения электрическим током происходят в случаях, когда человек замыкает собой электрическую сеть и по нему пойдет ток, обусловленный напряжением прикосновения. Например:

при прикосновениях к токоведущим частям электроустановок, находящимся под напряжением; металлическим нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением (корпусам оборудования, металлическим конструкциям сооружений и т. д.); отключенным токоведущим частям, на которых остался заряд;
при воздействии электрической дуги в сетях напряжением выше 1000 В, возникающей между токоведущей частью электрооборудования и человеком, если человек окажется в непосредственной близости от токоведущих частей;
при замыкании тока на землю, если человек находится в зоне растекания тока.

Статистика производственного и бытового электротравматизма показывает, что поражения током при работе с электроустановками напряжением до 1000 В случаются примерно в 3 раза чаще, чем с электроустановками напряжением выше 1000 В. Это объясняется их более широким применением, а также нарушениями правил эксплуатации: несогласованными и ошибочными действиями персонала; подачей напряжения на установку, где работают люди; оставлением установки под напряжением без надзора; работой на отключенном электрооборудовании без проверки отсутствия напряжения и т.д.

Одним из наиболее простых и распространенных, но в то же время весьма эффективных методов защиты от поражения электрическим током в соответствии с ГОСТ 12.1.019-79(96) является защитное заземление.

Защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части электрооборудования, которые вследствие неисправности изоляции могут оказаться под напряжением и к которым возможно прикосновение людей. В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также в наружных установках заземление является обязательным при номинальном напряжении электроустановка выше 42 В переменного и 110 В постоянного тока, а в помещениях без повышенной опасности - при напряжении 380 В и выше переменного и 440 В и выше постоянного тока. Во взрывоопасных помещениях заземление выполняется независимо от значения напряжения.

Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения током, проходящим через человека в момент касания им неисправного электрооборудования, за счет снижения до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (за счет уменьшения сопротивления заземления), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого, к значению потенциала заземленного оборудования).

Область применения защитного заземления:

трёхфазные трёхпроводные и однофазные двухпроводные сети переменного тока до 1000 В с изолированной нейтралью;
сети выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали.

Заземляющее устройство состоит из заземлителя - проводников (электродов), соединенных между собой и находящихся в непосредственном соприкосновении с землёй, и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем. При наличии заземляющего устройства образуется дополнительная цепь: фаза "С" - корпус электроустановки - заземляющее устройство - земля - сопротивления ХА, RА, ХВ, RВ - фазы "А" и "В". Схема защитного заземления представлена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 – Схема защитного заземления: 1- электроустановка; 2- заземляющий проводник; 3- заземлитель

При этом ток замыкания распределяется между заземляющим устройством и человеком, но за счет малого сопротивления заземлителя через тело человека будет проходить малый ток, не вызывающий его поражения. Основная же часть тока пойдет по цепи через заземлитель.

Заземлители могут быть естественные - находящиеся в земле металлические конструкции и арматура, водопроводные и канализационные трубопроводы, проложенные в земле, предметы иного назначения; и искусственные, предназначенные исключительно для целей заземления.

В качестве искусственных вертикальных электродов используются стальные трубы с толщиной стенки не менее 3,5 мм и диаметром не менее 3,2 см.; угловая сталь с толщиной полок не менее 4 мм; стальные полосы сечением не менее 100 мм². Длина вертикальных электродов составляет не менее 2 м, расстояние между ними принимают не менее 2,5 - 3,0 м. Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного горизонтального электрода применяется полосовая сталь сечением не менее 4x12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

В зависимости от места размещения заземлителя относительно заземляемого оборудования различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное.

Выносное заземляющее устройство располагают за пределами площадки, на которой размещено заземляемое оборудование или сосредотачивают на части этой площадке. Существенный недостаток выносного заземляющего устройства - отдаленность заземлителя от защищаемого оборудования, из-за чего этот тип заземляющего устройства применяется лишь при малых токах замыкания на землю и, в частности, в установках до 1000 В, где потенциал заземлителя не превышает значения допустимого напряжения прикосновения.

Контурное заземляющее устройство характеризуется тем, что электроды его заземлителя размещаются по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки.

Безопасность при контурном заземляющем устройстве может быть обеспечена не за счет уменьшения потенциала заземлителя до безопасных значений, а за счет выравнивания потенциалов на защищаемой территории до такого значения, чтобы максимальные напряжения прикосновения и шага не превышали допустимых значений. Это достигается путем равномерного распределения электродов по площадке, и поэтому контурное заземляющее устройство называется также распределенным.

Ниже приведены основные термины и определения по ГОСТ 12.1.009-76(1999).

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Электрическое замыкание на корпус - случайное электрическое соединение токоведущей части с металлическими нетоковедущими частями электроустановки.

Рабочая изоляция – электрическая изоляция токоведущих частей электроустановки, обеспечивающая ее нормальную работу и защиту от поражения электрическим током.

Ощутимый ток – электрический ток, вызывающий при прохождении через организм ощутимые раздражения.

Напряжение прикосновения - напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.

Малое напряжение – номинальное напряжение не более 42 В, при меняемое в целях уменьшения опасности поражения электрическим током.

Зона растекания тока – зона земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на земле, может быть условно принят равным нулю.

Ток замыкания на землю – ток, проходящий через место замыкания на землю.

Напряжение относительно земли – напряжение относительно точки земли, находящейся вне зоны растекания тока замыкания на землю.

Напряжение шага – напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.

Требования пожарной безопасности осуществляются по ГОСТ 12.1.004-91. Используется система пожарной сигнализации. В случае возгорания должна сразу же сработать пожарная сигнализация, за которой следует регламентированная система мероприятий. Пожарное управление принимает и обрабатывают сигнал, оперативно направляет пожарных на место пожара и приступает к операции борьбы с огнем. Как бы быстро ни работали пожарные, решающее значение для спасения жизней и имущества имеет раннее пожароизвещение с помощью автоматической пожарной сигнализации, а также теоретические и практические занятия с персоналом, направленные на грамотную эвакуацию из здания.

6.2 Расчёт защитного заземления

Исходные данные для расчёта представлены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 – Исходные данные для расчёта

Напряжение электроустановки, В	380
Мощность источника питания сети, Вт	менее 1кВт
Длина вертикального электрода l, м	2
Отношение расстояний между заземлителями к их длине a/l	1
Грунт	торф
Климатическая зона	II
Глубина размещения вертикальных электродов h, м	0,7

Сначала определяется расчётное удельное сопротивление грунта с учётом климатического коэффициента

(6.1)

где ρ_гр = 40 – удельное сопротивление глины, Ом∙м;

К_П = 1,7 – повышающий коэффициент для заземлителей, расположенных ниже уровня земли.

Повышающий коэффициент для заземлителей выбирается в зависимости от типа электрода. В нашем случае это вертикальные электроды длиной два метра при глубине заложения 0,7 метра. Также значение коэффициента зависит и от климатической зоны, в нашем случае это зона II.

Определяем сопротивление искусственного заземления (в том случае, если сопротивление естественных заземлителей превышает норму)

(6.2)

где R_Е = 5,7 – сопротивление естественных заземлителей, Ом;

R_З = 4 – сопротивление растеканию тока, Ом.

Надежное защитное заземление должно иметь определенное сопротивление не более 4 Ом, по правилам устройства электроустановок (ПУЭ) для установок напряжением до 1кВ.

Сопротивление растеканию тока одного заземлителя зависит от удельного сопротивления грунта, глубины забивки и размеров самого заземлителя (вертикальные электроды). Для одиночного вертикального стержневого заземлителя сопротивление растеканию тока определяется при помощи формулы

(6.3)

где ρ – удельное сопротивление грунта, Ом∙м;

l = 2 – длина заземлителя, м;

d = 0,05 – эквивалентный диаметр стержней, м;

H = 0,7 – глубина забивки стержня, м.

Для уменьшения экранирования рекомендуется одиночные заземлители располагать на расстоянии не менее двух метров друг от друга. Затем определяем ориентировочное число вертикальных заземлителей без учета коэффициента экранирования

(6.4)

Установив характер расположения заземлителей, в нашем случае в ряд, определяем число стержневых заземлителей по формуле

(6.5)

где η_СТ – коэффициент использования стержневых заземлителей, зависящий от количества стержней и расстояния между ними.

Так как стержни будут располагаться на расстоянии двух метров друг от друга и их ориентировочное количество десять штук, то коэффициент использования вертикальных заземлителей выбираем равным 0,59

При устройстве простых заземлителей в виде короткого ряда стержней расчёт на этом можно закончить и не определять сопротивление соединительной полосы, поскольку длина её относительно невелика. Но в этом случае фактическая величина сопротивления заземляющего устройства будет несколько завышена, поэтому продолжаем расчёт дальше.

При устройстве контурных заземлителей из ряда стержней целесообразно учитывать сопротивление растеканию полос. Учет сопротивления полосы даёт возможность уменьшить количество стержней. Для этого определяем длину соединительной полосы по формуле

(6.6)

где а = 2 – расстояние между стержнями, м.

Определяем сопротивление растеканию тока соединительной полосы. Для полосы сечением 48-50 мм² это сопротивление можно определить по упрощенной формуле

(6.7)

где η_П – коэффициент использования соединительной полосы.

Так как стержни будут располагаться на расстоянии двух метров друг от друга и их количество равно четырём, то коэффициент использования соединительных полос выбираем равным 0,45.

Результирующее сопротивление растеканию электрического тока всего заземляющего устройства

(6.8)

Окончательно определяется число вертикальных стержней

(6.9)

6.3 Возможные чрезвычайные ситуации

Чрезвычайная ситуация (ЧС) – состояние, при котором в результате возникновения источника чрезвычайной ситуации на объекте, определенной территории или акватории нарушаются нормальные условия жизни и деятельности людей, возникает угроза их жизни и здоровью, наносится ущерб имуществу населения, народному хозяйству и окружающей природной среде по ГОСТ Р 22.0.02 – 94.

Причинами возникновения ЧС являются: стихийные бедствия, техногенные аварии и катастрофы, антропогенные катастрофы, применение средств массового поражения и тому подобные происшествия.

ЧС техногенного характера - это аварии, пожары, взрывы и т.п. спровоцированные хозяйственно деятельностью человека. По мере насыщения производства и сферы услуг современной техникой и технологией резко возрастает число вышеуказанных катастроф (ГОСТ Р22.0.05-94).

На расстоянии 750 метров от здания, в котором будет располагаться разрабатываемый лабораторный стенд, проходит железная дорога, которую пересекает автомобильная трасса, проходящая в 150 метрах от здания. Железнодорожный переезд – место, где наиболее велик риск возникновения ЧС, при которой возможно столкновение товарного поезда, перевозящего аварийно химически опасные вещества (АХОВ), с автотранспортом.

Также на расстоянии 200 метров от учебного корпуса находится автомобильная заправочная станция, в резервуарах которой хранится бензин и дизельное топливо, которые, испаряясь, испускают легковоспламеняющиеся пары. Возможное воспламенение газовоздушной смеси приведёт к взрыву с полным разрушением заправочной станции, а также к повреждениям учебного корпуса, в том числе и аудитории, где располагается разрабатываемый лабораторный стенд.

6.4 Расчет значений поражающих фактов при взрыве ПГВС

В радиусе 150 метрах от здания находится трасса с возможным передвижением по ней транспорта, перевозящего взрывоопасные газовоздушные смеси. Предположим, что дизельное топливо перевозится в наружном резервуаре ёмкостью V=4500 м . Температура окружающей среды Т=260 К. Определим возможную степень разрушения здания в случае аварии с разрушением резервуара. При расчете принимаем, что молекулярная масса жидкости М=252 кг/моль; температура кипения Т_кип=569 К; удельная теплота кипения жидкости при температуре перегрева 120 кДж/кг.

Предположим, что резервуар заполнен жидким дизельным топливом на 80 %, а 20 % объема занимают пары дизельного топлива. Поскольку дизельное топливо в резервуаре находится при начальном давлении Р=101 кПа, то по формуле находим массу паров первичного облака, образующегося при мгновенном испарении топлива

(6.10)

где R- универсальная газовая постоянная, Дж/(К·кмоль);

α - объемная доля оборудования, заполненная газовой фазой, %;

М - молекулярная масса жидкости, кг/моль;

Т - температура окружающей среды, К;

V - объём резервуара, м³;

Р - начальное давление в резервуаре, Па.

Находим давление насыщенного пара дизельного топлива при температуре окружающей среды по формуле:

(6.11)

где L - удельная теплота кипения жидкости при температуре перегрева, кДж/кг;

T_кип - температура кипения, К.

Интенсивность испарения разлившегося бензина W определяется по формуле

(6.12)

Масса паров во вторичном облаке, образующемся при испарении разлившегося дизельного топлива

(6.13)

где τ = 3600 - время испарения, в течении которого должны быть приняты меры по устранению аварии;

F_под - площадь поверхности, занимаемая разлившейся жидкостью.

Суммарная масса паров дизельного топлива в облаке

(6.14)

m= 10602+4,85=10606,85 кг.

Определим приведенную массу паров по формуле

(6.15)

где Q_V_,_T - энергия взрыва пара, кДж/кг;

Q_V_,тнт - энергия взрыва тротила, кДж/кг;

Z - коэффициент участия горючих газов и паров в горении.

Найдем избыточное давление на фронте ударной волны по формуле

(6.16)

Тогда на границе облака R_нгр=80м избыточное давление на фронте ударной волны составит

На границе облака R=150м избыточное давление на фронте ударной волны составит

На границе облака R=220м избыточное давление на фронте ударной волны составит

Вероятность получения зданий средней степени разрушения можно найти, определив значение пробит-функции

(6.17)

Для этого найдем величину импульса фазы сжатия ударной волны при R=80м

(6.18)

Величина импульса фазы сжатия ударной волны при R=150 м равна

Величина импульса фазы сжатия ударной волны при R=220 м равна

Тогда при R=80м значение пробит-функции равно

При R=150 м значение пробит-функции равно

При R=220 м значение пробит-функции равно

7 Экономический расчёт

В данном разделе производится экономическое обоснование разработки и изготовления лабораторного макета для исследования тиристорных выпрямителей с цифровой системой управления. Производится расчёт себестоимости устройства, программного обеспечения, а также стоимость изготовления опытного образца.

7.1 Расчёт себестоимости аппаратной части устройства

Расчёт себестоимости включает в себя расчёт необходимых затрат, связанных с созданием устройства. Калькуляция включает в себя следующие статьи затрат:

1) материалы;

2) покупные комплектующие изделия и детали;

3) основная и дополнительная плата работников;

4) отчисления на социальные нужды;

5) затраты на потребление электроэнергии;

6) накладные расходы.

Цены на материалы, покупные комплектующие изделия и детали взяты из прайс-листов торговых организаций.

Создание устройства связано с проведением опытно-конструкторских работ (ОКР), стоимость которых определяется следующим образом

(7.1)

где – стоимость проведения эскизно-технического проектирования и разработки конструкторской документации, р.;

– стоимость разработки программного обеспечения, р.;

– стоимость изготовления опытного образца с учётом отладки.

Стоимость проведения эскизно-технического проектирования и разработки технической документации включает затраты на оплату труда разработчиков, накладные расходы и контрагентские расходы (стоимость услуг сторонних организаций).

Затраты на оплату труда разработчиков включают основную и дополнительную заработную плату, а также отчисления на социальные нужды, которые рассчитываются по ниже приведённым формулам

(7.2)

где: t – трудоемкость проведения эскизно-технического проектирования и разработки конструкторской документации, час

– оклад инженера-разработчика за месяц, р./мес.;

– фонд рабочего времени работника за месяц, ч/мес.;

– процент премии, %;

– районный коэффициент, %.

Часы, затраченные на основные операции, представлены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Основные этапы разработки

Стадии разработки	Трудоёмкость t_и, ч
Анализ технического задания	1
Сбор материала к решению поставленного комплекса задач	36
Анализ существующих решений комплекса задач	24
Выбор методов решений	24
Проектирование основных узлов и блоков	30
Синтез принципиальной схемы	12
Разработка платы устройства	24
Изготовление устройства	13
Комплексная отладка устройства	36
Всего:	200

Фонд рабочего времени работника за месяц определяется по формуле

(7.3)

где – количество рабочих дней в месяце;

– продолжительность рабочего дня, ч.

Дополнительная заработная плата разработчика определяется по формуле

(7.4)

где – норматив дополнительной заработной платы, %.

Отчисления на социальные нужды рассчитываются следующим образом

(7.5)

где – норматив отчислений на социальные нужды, %.

Таким образом, затраты на заработную плату составят

(7.6)

Накладные расходы определяются пропорционально основной заработной плате по формуле

(7.7)

где – норматив накладных расходов, %.

В результате стоимость проведения эскизно-технического проектирования составит

(7.8)

7.2 Расчёт себестоимости программной части устройства

Стоимость разработки программного обеспечения включает затраты на вспомогательные (расходные) материалы (бумага, тонер), затраты на оплату труда программиста с отчислениями, затраты на оплату машинного времени и накладные расходы.

Затраты на оплату труда программиста определяются по формулам (7.2) – (7.6), при условии, что t – трудоёмкость разработки ПО, ч.; – оклад программиста, р./мес.

Затраты на электроэнергию по отладке и оформлению документации на компьютере определяются по формуле

(7.9)

где – номинальная мощность электрооборудования, кВт;

– действительный фонд времени работы электрооборудования, ч;

– тариф на электроэнергию, р./кВт∙ч;

– коэффициент использования по мощности.

Затраты на оплату машинного времени определяются по формуле

(7.10)

где – трудоёмкость отладки и оформления документации на компьютере, ч.;

– стоимость машинного часа работы ЭВМ, р./ч.

Стоимость машинного часа работы ЭВМ

(7.11)

где – полные затраты на эксплуатацию ЭВМ в течении года, р./год;

– действительный годовой фонд времени работы ЭВМ, ч/год.

Действительный годовой фонд времени работы ЭВМ

(7.12)

где – количество рабочих дней в году, дней;

– длительность рабочего дня, ч.;

– количество смен;

– процент потерь рабочего времени на ремонтно-профилактические работы.

Полные затраты на эксплуатацию ЭВМ определяются по формуле

(7.13)

где – годовые издержки на зарплату обслуживающего персонала, р./год;

– годовые издержки на амортизацию;

– годовые издержки на электроэнергию;

– годовые издержки на расходные материалы;

– годовые издержки на техническое обслуживание и ремонт ЭВМ;

– прочие расходы.

Годовые издержки на зарплату обслуживающего персонала

(7.14)

где – количество категорий обслуживающего персонала;

– оклад i-категории обслуживающего персонала, р./мес.;

– численность i-категории обслуживающего персонала, чел.;

– количество машин в компьютерном зале.

Принимаем, что обслуживанием ЭВМ занимается один работник с окладом 5000 р/мес.

Годовые издержки на амортизацию

(7.15)

где – балансовая стоимость ЭВМ, р.;

– норма амортизации.

Норма амортизации

(7.16)

где – срок полезного использования.

Годовые издержки на электроэнергию

(7.17)

где – суммарная мощность ПК, кВт;

– тариф на электроэнергию, р./кВт∙ч;

– коэффициент использования по мощности.

Годовые издержки на техническое обслуживание и ремонт ЭВМ

(7.18)

где – норматив затрат на текущее техническое обслуживание и ремонт, %.

Годовые издержки на расходные материалы

(7.19)

где – коэффициент затрат на вспомогательные расходные материалы, %.

Прочие расходы

(7.20)

где – коэффициент прочих расходов, %.

Накладные расходы, включаемые в стоимость разработки ПО, определяются по формуле (7.7) исходя из основной заработной платы программиста.

Таким образом, стоимость разработки программного обеспечения составит

(7.21)

где – затраты на вспомогательные материалы.

7.3 Расчёт себестоимости изготовления опытного образца

Стоимость изготовления опытного образца включает затраты на материалы, затраты на покупные комплектующие изделия, затраты на основную и дополнительную заработную плату рабочих, отчисления на социальные нужды, затраты на электроэнергию на технологические цепи, стоимость возмещения износа специального оборудования, накладные расходы и прочие расходы.

Стоимость материалов вычисляется по формуле

(7.22)

где – количество наименований материалов;

– норма расхода i-го материала на единицу продукции, м², кг;

– цена за единицу i-го материала без НДС, р./ м², р./кг.

Стоимость основных материалов представлена в таблице 7.2.

Таблица 7.2 – Стоимость основных материалов

Наименование материала	Единица измерения	Количество	Цена, р./ед.	Общая стоимость, р.
Бумага 500л.	шт.	1	140	140
Тонер для лазерного принтера	кг.	0,02	500	10
Текстолит листовой	см²	10х20	100	100
Жир паяльный нейтральный	гр.	10	1,25	12,5
Припой	г.	20	140	28
Итого:				290,5

В соответствии с данными таблицы 7.2 определяется общая стоимость покупных комплектующих изделий по формуле

(7.23)

где – количество наименований покупных изделий;

– количество изделий i-го наименования, шт.;

– цена за единицу i-го изделия без НДС, р/шт.

Покупные комплектующие изделия представлены в таблице 7.3.

Таблица 7.3 – Покупные комплектующие изделия

Наименование элемента	Количество, шт.	Цена, руб.	Стоимость, руб.
Резистор 0805	30	0,08	2,4
Конденсатор электролитический К50-35	2	5,5	11
Микроконтроллер AT Mega16	1	173	173
Клеммник винтовой, двухконтактный	4	5	20
Клеммник винтовой, трёххконтактный	1	7	7
Вилка штыревая PLD-10	2	8,2	16,4
Вилка штыревая PLD-4	1	6	6
Стабилизатор напряжения 78L09	1	8	8
Стабилизатор напряжения 79L09	1	8	8
Стабилизатор напряжения 78L05	1	8	8
Компаратор LM393N	2	10	20
Кварцевый резонатор 4МГц	1	6	6
Стабилитрон BZX85-C5V1	3	7	21
Транзистор КТ3107	6	4,5	27
Итого			333,8

Основная заработная плата определяется по формуле

(7.24)

где – число категорий работников;

– трудоёмкость работ для i-категории работников, ч;

– часовая тарифная ставка работника i-категории, р./ч.

Допустим, что изготовлением опытного образца занимается монтажник.

Дополнительная заработная плата и отчисления на социальные нужды для рабочих определяются по формулам (7.4) и (7.5).

Затраты на электроэнергию на технологические цели определяются по формуле

(7.25)

где – номинальная мощность электрооборудования, кВт;

– действительный фонд времени работы электрооборудования, ч.

Принимаем, что используется оборудование для пайки мощностью 0,05 кВт, а время его работы составляет 10-15 % от трудоёмкости монтажа.

Расходы на возмещение износа спецоборудования составляют 22,6 % от основной заработной платы рабочих.

(7.26)

Накладные расходы, связанные с обслуживанием производства и управлением определяются по формуле (7.7), исходя из основной заработной платы рабочих

Прочие расходы принимают в размере 5% от основной заработной платы рабочих. В итоге стоимость изготовления опытного образца составит

(7.27)

Стоимость отладки опытного образца определяется по формуле

(7.28)

где – коэффициент на проведение отладочных работ, %.

Полная стоимость изготовления опытного образца с учётом отладки составит

(7.29)

Результаты выполненных расчётов заносим в таблицу 7.4.

Таблица 7.4 – Экономические показатели

Наименование статьи затрат	Сумма, р.
1.Материалы	290,5
2.Покупные комплектующие изделия	333,8
3.Заработная плата, в том числе: а) основная б) дополнительная	51438,31 44728,97 6709,34
4.Отчисления на социальные нужды	9909,56
5.Затраты на потребление электроэнергии	50,43
6.Накладные расходы	13418,69
7.Себестоимость аппаратной части	95762,37
8. Себестоимость программной части	33868,49
9. Полная себестоимость устройства	129630,86

Вывод:

Список использованных источников

Розанов, Ю.К. Основы силовой электроники [Текст] / Ю.К. Розанов – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 296 с. – ISBN 5-283-00681-6
Шпак, Ю.А. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров [Текст] / Ю.А. Шпак – К.: МК-Пресс, 2006. – 400 с. – ISBN 966-8806-16-6
Евстифеев, А.В. Микроконроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы ATMEL [Текст] / А.В. Евстифеев – М.: Издательский дом "Додэка-ХXI", 2008. – 560 с. – ISBN 987-5-94120-220-1
Разработка функциональной схемы системы управления тиристорами выпрямителя: учебное пособие [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://edu.dvgups.ru/METDOC/GDTRAN/DEPEN/ELMASH/SIL_ELEKT_EP/METOD/VLASEVSKI/MP2.htm
Описание лабораторного стенда НТЦ-01.01 [Электронный ресурс]. –Режим доступа: http://uilomsk.ru/profobrazovanie/electrotechnika_osnovi_ electroniki/image/laboratornyy-stend-ntc-01.01-elektrotehnika-i-osnovy-elektro
Описание лабораторного стенда ЭЦОЭ1-Н-Р [Электронный ресурс]. –Режим доступа: http://uilomsk.ru/profobrazovanie/electrotechnika_osnovi_ electroniki/image/elektricheskie-cepi-i-osnovy-elektroniki-ecoe1-n-r.-cena-103
Руководство по эксплуатации тиристорного выпрямителя ТВН-3 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.zvezda-el.ru/doc/rukovodstvo_tvn.pdf
Наумова, Т.В. Безопасность жизнедеятельности: Пособие по выполнению практической работы «Расчет защитного заземления»: Методические указания [текст] / Т.В. Наумова – М.: МГТУ ГА, 2010. – 20с.
Акулова, А.Ш. Расчет экономического эффекта от внедрения разработанного устройства: Методические указания [текст] / А.Ш. Акулова – : ООО «Агентство «ПРЕССА», 2008. – 21 с.
Акимов, В.А. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера: Учебное пособие [текст] / В.А. Акимов, Ю.Л. Воробьёв, М.И. Фалеев – М.: Высшая школа, 2007. – 592 с. – ISBN 978-5-06-004895-7
СТО 02069024.101-2010. Работы студенческие. Общие требования и правила оформления. – Введ. 2010 - 10 - 01. – : ИПК ГОУ ОГУ, 2010. – 97 с.

Приложение А

(обязательное)

Функционирование однофазного мостового тиристорного выпрямителя

Однофазная мостовая схема тиристорного выпрямителя представлена на рисункеРисунок А.0.1.

Рисунок А.0.1 – Однофазный мостовой тиристорный выпрямитель

Принцип действия схемы следующий. Предположим, что нагрузка активная. В момент ϑ=0 потенциал точки а становится выше потенциала точки b (на рисункеРисунок А.0.1 соответствующая полярность показана без скобок), а на тиристоры VS1 и VS3 подаются управляющие импульсы. В результате этого тиристоры VS1 и VS3 включаются. Напряжение Uаb будет, таким образом, приложено к нагрузке Rd, и по цепи (вторичная обмотка трансформатора – тиристор VS1 – нагрузка Rd – тиристор VS3) начнёт протекать ток, повторяющий форму питающего напряжения.

Тиристоры VS2 и VS4 на этом интервале выключаются и будут находиться под напряжением вторичной обмотки, которое по отношению к ним является обратным. Например, анод тиристора VS2 соединён непосредственно с точкой а обмотки, а катод – с точкой b через включённый тиристор VS1, падение напряжения в котором принято равным нулю. Таким образом, анод тиристора VS2 будет находиться под отрицательным потенциалом по отношению к катоду.

В момент ϑ= π, то есть через половину периода, ток в тиристорах VS1 и VS3 спадёт до нуля и они выключаются, а тиристоры VS2 и VS4 включаются, поскольку потенциал точки b становится положительным по отношению к потенциалу точки а (полярность указана на рисункеРисунок А.0.1 в скобках) и на тиристоры поступают управляющие импульсы.

Далее указанные процессы периодически повторяются. Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы будут такими же, как для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой, отличие заключается только в том, что амплитуда обратного напряжения на тиристоре в мостовом выпрямителе будет в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном выпрямителе. Диаграммы токов и напряжений однофазного мостового выпрямителя представлены на рисунке Рисунок 0.2.

Рисунок 0.2 – Диаграммы токов и напряжений однофазного мостового выпрямителя

Приложение Б

(обязательное)

Функционирование трёхфазного мостового управляемого выпрямителя

Работа схемы с углом управления α=0. В каждый момент времени ток проводит тот единственный тиристор катодной группы (группы тиристоров с общим катодом), на аноде которого фазное напряжение самое положительное, и один тиристор анодной группы (группы тиристоров с общим анодом), на катоде которого фазное напряжение самое отрицательное. Моментами естественного отпирания тиристоров катодной группы являются точки пересечения синусоид Ua, Ub, Uc при положительных напряжениях, для тиристоров анодной группы – точки пересечения синусоид при отрицательных напряжениях (рисунокРисунок 0.1). От моментов естественного отпирания отсчитываются углы управления α.

Рисунок 0.1 – Трёхфазный мостовой управляемый тиристорный выпрямитель

Начиная с фазы ϑ1 до фазы ϑ2 ток проводят тиристоры VS1 и VS6, к нагрузке Rd приложено линейное напряжение Uab и выпрямленный ток протекает по контуру фаза А – VS1 – Ld – Rd – VS6 – фаза B. Длительность интервала - π/3. После фазы ϑ2 потенциал фазы С станет более отрицательным, чем потенциал фазы B, и до момента времени ϑ3 ток проводят тиристоры VS1 и VS2. В момент времени ϑ3 подается импульс на тиристор VS3 и он включается, а тиристор VS1 оказывается в выключенном состоянии, так как потенциал фазы В более положителен, чем потенциал фазы А. Далее, через интервалы времени равные π/3, производится коммутация следующих тиристорных пар: VS2 и VS4; VS3 и VS5; VS4 и VS6; VS5 и VS1, таким образом, что первый тиристор из пары выключается, а второй включается.

Следует отметить, что нумерация тиристоров в данной схеме носит не случайный характер, а соответствует порядку вступления их в работу. Поочередная работа различных пар тиристоров в схеме приводит к появлению на сопротивлении Rd выпрямленного напряжения, состоящего из частей линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора. Длительность прохождения тока через каждый тиристор равна 2π/3, в этот период времени падение напряжения на тиристоре равно нулю, остальное время к нему приложено обратное напряжение, состоящее из частей соответствующих линейных напряжений. Диаграммы токов и напряжений трёхфазного мостового выпрямителя представлены на рисункеРисунок 0.2.

Рисунок 0.2 – Диаграммы токов и напряжений при активной нагрузке и угле α=0

Работа схемы с углом управления α>0. В трёхфазной мостовой схеме управляющие импульсы на тиристоры поступают с задержкой на угол α относительно нулей линейных напряжений (или моментов пересечения синусоид фазных напряжений). Диаграммы токов и напряжений трёхфазного мостового выпрямителя при углах α<π/3 представлены на рисунке Рисунок 0.3.

Рисунок 0.3 – Диаграммы токов и напряжений трёхфазного мостового выпрямителя при углах α<π/3

В результате задержки моментов коммутации тиристоров на угол α среднее значение выпрямленного напряжения, образованного из соответствующих частей линейных напряжений, снижается. До тех пор, пока кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения Ud остаётся выше нуля (что соответствует диапазону изменения угла управления 0<α<π/3), выпрямленный ток id будет непрерывным вне зависимости от характера нагрузки. поэтому при углах 0<α<π/3 среднее значение выпрямленного напряжения для активной и активно-индуктивной нагрузок будет равно

(0.1)

где U2 – действующее значение фазного напряжения вторичных обмоток трансформатора;

Ud0 – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы при угле α=0°.

Угол α=π/3 соответствует при активной нагрузке гранично-непрерывному режиму. При углах α>π/3 и активной нагрузке в напряжении Ud и токе id появляются интервалы с нулевым значением, то есть наступает режим работы с прерывистым выпрямленным током. Диаграммы токов и напряжений трёхфазного мостового выпрямителя при углах α=π/3 и α>π/3 представлены на рисунке Рисунок 0.4.

Рисунок 0.4 – Диаграммы токов и напряжений трёхфазного мостового выпрямителя при углах α=π/3 и α>π/3

Среднее значение выпрямленного напряжения для этого случая может быть выражено следующим образом

(0.2)

Следует отметить, что в режиме с прерывистым током id для обеспечения работы данной схемы, а также для ее первоначального запуска на тиристоры схемы следует подавать сдвоенные управляющие импульсы с интервалом π/3 или одиночные, но с длительностью большей, чем π/3. Это объясняется тем, что для образования замкнутой цепи протекания тока id необходимо обеспечить одновременное включение тиристора анодной группы и тиристора катодной группы.

При активно-индуктивной нагрузке и углах α>π/3, если ωLd=∞ или отношение ωLd/Rd таково, что обеспечивается режим непрерывного тока id, среднее значение выпрямленного напряжения определяется по формуле (0.1). При α=π/2 среднее значение, согласно формуле (0.1), становится равным нулю. На диаграмме, представленной на рисунке Рисунок 0.4, это соответствует равенству площадей положительного и отрицательного участков кривой выпрямленного напряжения, что свидетельствует об отсутствии в нём постоянной составляющей.

Приложение В

(обязательное)

Программатор-отладчик STK 500

Программатор-отладчик подключается к компьютеру посредством интерфейса RS-232 через СОМ-порт.

В состав отладочной платы STK500 входят:

стабилизированный источник питания с входным напряжением 10…15 В и программно управляемым выходным напряжением;
восемь кнопок общего назначения;
восемь светодиодов общего назначения;
разъемы всех портов ввода;вывода микроконтроллера;
8-, 20-, 28-, 40-выводные панели для установки DIP-корпусов микроконтроллеров AVR;
интерфейс RS-232 для программирования и управления из программы AVR Studio 6, установленной на персональном компьютере;
дополнительный порт RS-232 общего назначения;
разъемы расширения для подключения внешних модулей при макетировании;
память DataFlash емкостью 2 Мбит для энергонезависимого хранения данных;
средства поддержки параллельного и последовательного программирования повышенным напряжением всех AVR-микроконтроллеров;
средства последовательного внутрисистемного программирования (ISP) всех AVR-микроконтроллеров;
внутрисистемный программатор для программирования микроконтроллера непосредственно в целевом приложении.

Схема расположения основных компонентов стенда представлена на рисунке В.1.

Рисунок В.1 - Основные компоненты стенда STK 500

После установки микроконтроллера в панель может быть выполнено программирование, для чего необходимо использовать AVR Studio 6 и один из предлагаемых методов:

- внутрисистемное программирование при нормальном напряжении питания. Этот метод используется как основной при проведении лабораторных работ;

- программирование повышенным напряжением, при котором напряжение питания всегда равно 5 В. Допускается подключение цепей VTARGET, RESET, XTAL1 и AREF к секции панелей.

Приложение Г

(обязательное)

Листинг программы

include <avr/io.h>

#include <avr/interrupt.h>

#include <avr/signal.h>

int AUp=0;// счетчик угла катодной группы (считает угол +1 до ==альфа)

int Adown=0; //счётчик угла анодной группы (считает угол -1)

int Amax=120; // Пока не применяется, нужна для связи с USB

int alpha=120;// Переменная для хранения угла отсечки

int intcount=7; номер прерывания (например, инт0 по переднему фронту это прерывание 0)

int SNum=7, SNumA=7; //переменные, хранящие номер управляемого тиристора (катодной(SNum) и анодной(SNumA) групп тиристоров )

unsigned char KT=0, AN=0; //переменные, которые в процессе работы принимают значения 0 и 1, запрещают/разрешают в программе таймера вести счёт угла для катодной/анодной группы

void main(void)

{

OCR1A = 221; // модуль счёта для Т1, который обеспечивает счет угла с частотой около 18 кГц

*************ЧАСТЬ ЛИСТИНГА НЕ ДОСТУПНА ДЛЯ ПУБЛИЧНОГО ПРОСМОТРА******************

PORTA=(1<<SNumA)|PORTA;

Adown=0;

AN=0;

}

Чертежи:

Скачать: novaya-papka-7.rar

Категория: Дипломные работы / Дипломные работы по электронике

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Привет студент

Наверх