Мікропроцесорний блок захисту електродвигуна

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ

СХІДНОУКРАЇНСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

(м. СЄВЄРОДОНЕЦЬК)

Факультет комп’ютерної і електронної техніки

Кафедра електронних апаратів

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

ДО ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТУ

на освітньо-кваліфікаційний рівень — бакалавр

за напрямом — 0910 «Електронні апарати»

На тему: «Мікропроцесорний блок захисту електродвигунів»

Студент групи П ЕА-26д Цвєтов Д.С.

Керiвник проекту: Зотов О.В.

Сєвєродонецьк, 2010

ЗАВДАННЯ

на дипломний проект бакалавра студента

1.Тема проекту (роботи) Мікропроцесорний блок захисту електродвигунів

2. Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи) 15.06.2010

3. Початкові дані до проекту (роботі) Схема електрична принципова, перелік елементів, габаритні розміри — не більше 150×200, маса не більше 0,5 кг., напруга живлення 220 В, середній час наробітку на відмову не менше 20 000 годин.

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік тих, що підлягають розробці питань) Введення, аналіз технічного завдання, конструкторська частина, технологічна частина, автоматизація конструкторсько-технологічного проектування, виводи, перелік посилань, додаток.

5. Перелік графічного матеріалу (з точною вказівкою обов’язкових креслень)

Схема електрична принципова (один лист формату А1), складальне креслення (один лист формату А1), пошарові креслення друкованої плати (один лист формату А1), схема технологічного процесу (один лист формату А1), схема автоматизованого проектування (один лист формату А1).

7. Дата видачі завдання 02.02.2010

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до дипломного проекту бакалавра містить: 100 сторінок, 29 малюнків, 30 таблиць, 4 додатки, 23 джерела інформації.

Об'єкт розробки — мікропроцесорний блок захисту електродвигуна.

Мета розробки — розробити конструкцію і технологію виготовлення мікропроцесорного блоку захисту електродвигуна згідно запропонованій схемі електричної принципової і вимогам технічного завдання.

У дипломному проекті виконаний докладний аналіз технічного завдання, розроблені конструкція і технологія виготовлення друкованої плати блоку захисту електродвигуна. Проведені конструктивні розрахунки, розрахунки по постійному і змінному струму, розрахунки теплового режиму і надійності проектованого пристрою. При проектуванні друкованої плати і випуску конструкторської документації використовувалися можливості САПР PCAD і AutoCAD2004.

ЕЛЕМЕНТНА БАЗА, НАВІСНИЙ ЕЛЕМЕНТ, МІКРОСХЕМА, МІКРОКОНТРОЛЕР, ДРУКОВАНА ПЛАТА, МОНТАЖНИЙ ОТВІР, АВТОМАТИЗАЦІЯ, КОНСТРУКЦІЯ, НАДІЙНІСТЬ, ТЕХНОЛОГІЧНІСТЬ, САПР, ТРАСУВАННЯ

ОТЗЫВ

На дипломный проект бакалавра студента группы БЭА-26Д Цветова Дмитрия Сергеевича «Микропроцессорный блок защиты электродвигателя».

Целью работы является выбор оптимального конструкторско-технологического решения в соответствии с техническим заданием на разработку устройства. Поставленная задача решена студентом Цветовым Д. С. на высоком научно-техническом уровне с использованием научно-технической литературы, как отечественных, так и зарубежных разработок. Документация к дипломному проекту выполнена комплексно с соблюдением требований, оговоренных в стандартах и в методических указаниях к выполнению дипломного проекта. Для разработки устройства, контроля проектных решений и выпуска конструкторско-технологической документации были применены САПР P-CAD и AutoCAD. Студент Цветов Д. С. систематически и грамотно работал над дипломным проектом, подготовлен к инженерной деятельности. Дипломный проект может быть предоставлен к защите перед государственной экзаменационной комиссией. Дипломный проект заслуживает оценки «________________».

Руководитель дипломного проекта ___________________(Зотов А.В.)

РЕЦЕНЗИЯ

На дипломный проект бакалавра студента группы БЭА-26Д Цветова Д. С. «Микропроцессорный блок защиты электродвигателя».

Предъявленный на рецензирование дипломный проект соответствует заданию на дипломное проектирование и установленным требованиям. Тема дипломного проекта является актуальной в области разработки электронных аппаратов.

Содержание и объём разделов пояснительной записки к дипломному проекту раскрывают полноту разработки, качество выполненных расчетов, умение студента пользоваться научно-технической литературой и разработками отечественных предприятий, специализирующихся в области проектирования ЭА. Состав конструкторской документации соответствует требованиям к дипломному проекту и выполнен с учётом требований отечественных стандартов.

Рецензируемая работа соответствует требованиям к дипломным проектам. Дипломный проект заслуживает оценки «_______________».

Рецензент к.т.н. доц. каф. ЭА__________________(Арушанов А.П.)

• ЗМІСТ
• ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ 6
• ВВЕДЕННЯ 7
• 1 АНАЛІЗ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ 16
• 1.1 Аналіз призначення і складу виробу 16
• 1.2 Аналіз схеми електричною принциповою і принцип її дії 11
• 1.3 Аналіз умов експлуатації 17
• 1.4 Аналіз елементної бази 18
• 1.5 Аналіз конструкторсько-технологічних аналогів 29
• 1.6 Аналіз технології виготовлення 39
• 1.7 Розробка додаткових технічних вимог до конструкції ЕА 41
• 2 РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ БЛОКА ЗАХИСТУ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ… 42
• 2.1 Вибір типу і розмірів друкарської плати 42
• 2.2 Конструктивно-технологічний розрахунок друкованої плати 35
• 2.3 Розрахунок по постійному струму 39
• 2.4 Розрахунок по змінному струму 42
• 2.5 Трасування друкованого монтажу 44
• 2.6 Перевірочний розрахунок теплового режиму 47
• 2.7 Розрахунок надійності РЕА 48
• 3 РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ 50
• 3.1 Вибір структурної схеми виробництва 50
• 3.2 Вибір й обґрунтування методів виготовлення 51
• 3.2.1 Друкована плата 51
• 3.2.2 Збірка й монтаж 53
• 3.2.2.1 Підготовка навісних елементів до монтажу 53
• 3.2.2.2 Установка ЕРЕ 54
• 3.2.2.3 Пайка навісних елементів 56
• 3.3 Напівавтоматична установка навісних елементів з використанням світомонтажного столу 58
• 3.3.1 Обгрунтування 58
• 3.3.2 Структурна схема світомонтажного столу 59
• 3.3.3 Вказівка посадочного місця ЕРЕ на ДП 60
• 3.3.4 Накопичувачі 62
• 3.3.5 Керування 63
• 3.4 Аналіз технологічності виробу 66
• 4 АВТОМАТИЗОВАНЕ ПРОЕКТУВАННЯ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ 68
• 4.1 Структура і функції системи P-CAD 2000 68
• 4.2 Технологія автоматизованого проектування МПП 69
• 4.3 Опис бібліотеки уніфікованих конструктивів БДП 74
• 4.4 Розміщення ЕРЕ 75
• 4.5 Трасування друкованих з'єднань на БДП 76
• 4.5.1 Технологія безсіточного трасування 77
• 4.5.1.1 Ручне трасування 77
• 4.5.1.2 Інтерактивне трасування 78
• 4.5.1.3 Автоматичне трасування 79
• ВИСНОВОК 81
• ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 82
• ДОДАТКИ 84
• ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
• АЧХ — амплітудно-частотна характеристика
• БДП — багатошарова друкована плата
• ГАВ — гнучке автоматизоване виробництво
• ІМС — інтегральна мікросхема
• ІС — інтегральна схема
• ЕА — електронна апаратура
• ЕД — електродвигун
• ЕРА — електрорадіоапаратура
• ЕРА — електроннорахувальна апаратура
• ЕРЕ — електрорадіоелемент
• ЕОМ — електронообчислювальна машина
• ДМ — друкарський монтаж
• ДП — друкарська плата
• ДДП — двостороння друкарська плата
• МК — мікроконтролер
• САПР — система автоматизованого проектування
• ТЕЗ — типовий елемент заміни
• ТУ — технічні умови
• ТЗ — технічне завдання
• НЕ — навісний елемент
• ОДП — одностороння друкарська плата
• ФШ — фотошаблон
• ЧПУ — числове програмне управління

ВСТУП

Сучасний рівень розвитку електронного апаратобудування жадає від фахівців комплексного підходу до створення нових апаратів, щоб вони використали досягнення світової техніки й забезпечували більш високі технічні параметри, сучасний дизайн; відповідали б високим експлуатаційним вимогам і були конкурентноздатні в порівнянні з кращими зразками-аналогами.

Проектування електронних апаратів полягає в обґрунтованому виборі найбільш ефективних взаємопогоджуваних схемотехнічних, конструкторських і технологічних рішень, що можливо тільки на базі аналізу різних варіантів конструкцій і технологій виготовлення з обліком конкретних технічних вимог, можливостей конкретного виробництва, програми випуску, вартості виробів.

Тема дипломного проектування — «Мікропроцесорний блок захисту електродвигуна», яка і є предметом дослідження.

Мета роботи — згідно технічному завданню, розробити мікропроцесорний блок захисту електродвигунів.

Частіше за все трифазні двигуни виходять з ладу через перекіс фаз живлячої напруги або перегріву при роботі у важкому режимі. В промисловості існують такі прилади які захищають електродвигуни при відсутності однієї з фаз. Пропонується пристрій захисту який вимикає двигун при обриві фази, відхиленні напруги будь-якої фази (перекосі фаз) більш ніж на ±30 В або нагріві корпусу двигуна понад 60 °C.

Пристрій пропонується побудовати на мікроконтролері PIC16F676 і датчику температури DS1820. Виникнення аварійної ситуації в кожній фазі і перевищення температури корпусу двигуна відображається включенням відповідних сигнальних світлодіодів. Для вимірювання і порівняння використовується середня випрямлена напруга фаз щодо нульового дроту.

Дана тема розробки пристрою актуальна, оскільки в народному господарстві трифазні двигуни дуже часто виходять з ладу при обриві однієї з фаз, а також через перегрів двигуна (навантаження вище передбаченого, заклинювання двигуна через пошкодження підшипника, невчасне мастило — робота двигуна «в суху» та інше).

Робота даного пристрою повинна бути надійною та простою, а по відношенню з пристроями — аналогами, він повинен бути ще й дешевше.

Новизна і перевага — вперше розроблюється універсальний пристрій на мікропроцесорі для захисту електродвигунів, який контролює декілька функцій (перекіс та обрив фаз, температуру двигуна). Розміри приладу суттєво відрізняються від пристроїв-аналогів.

Використання даного пристрою дасть можливість економити на ремонті трьохфазних двигунів. Пристрій може бути пропонованим усім галузям народного господарства, де використовуються трифазні електродвигуни.

Цей пристрій повинен бути надійним, легким в експлуатації та ремонті, мати надійний захист від вібрацій та вологості, зручний та надійний монтаж.

Проектування треба розбити на етапи:

— конструкторсько-технологічний аналіз технічного завдання на проектування;

— розробка конструкції пристрою;

— розробка технології виготовлення пристрою;

— автоматизація конструкторсько-технологічного проектування.

1 АНАЛІЗ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ

1.1 Аналіз призначення і складу виробу

Пристрій призначається для захисту усіх типів трифазних двигунів від перекосу фаз та нагріві двигуна від перевантажень.

Структурний склад блоку захисту можна представити у вигляді структурної схеми, показаної на малюнку 1.1.

«А»

«В»

«С»

«0»

«Скид»

Малюнок 1.1 — Схема електрична структурна блока захисту двигунів

Частіше за все трифазні двигуни виходять з ладу через перекіс фаз живлячої напруги або перегріву при роботі у важкому режимі. Розроблюванний пристрій захисту вимикає двигун при обриві фази, відхиленні напруги будь-якої фази (перекосі фаз) більш ніж на ±30 В (Дільник напруги) або нагріві корпусу двигуна понад 60 °C (Датчик температури).

Пристрій побудований на мікроконтролері PIC16F676 і датчику температури DS1820. Виникнення аварійної ситуації в кожній фазі і перевищення температури корпусу двигуна відображається включенням відповідних сигнальних світло діодів (Блок індикаторів). Для вимірювання і порівняння використовується середня випрямлена напруга фаз щодо нульового дроту.

Безтрансформаторний блок живлення (для зменшення розміру пристрою) використовується для живлення мікроконтролеру та елементів схеми. Цю напругу отримують за рахунок гасіння мережної напруги 220 В до напруги живлення мікроконтролеру 5,1 В, використовуючи схему випрямлення і стабілізації напруги.

Пристрій призначається для захисту усіх типів трифазних двигунів від перекосу фаз та нагріві двигуна від перевантажень.

Блок захисту двигунів, побудований по даній схемі, володіє наступними перевагами, перед іншими системами:

ь має власний блок живлення;

ь кращі характеристики захисту;

ь можливість простої індикації роботи приладу;

ь просте управління, не потребує додаткове вивчення інструкцій з роботою приладу.

При будуванні за даною схемою, блок захисту двигунів матиме мінімальні габарити і високу якість роботи.

На основі аналізу призначення можна зробити слідуючи висновки:

а) в пристрої є загрозлива для користувачів напруга-220 В та 380 В, тому при розробці треба дотримуватись заходів щодо захисту людини від ураження електричним струмом;

б) оскільки блок захисту двигунів може використовуватись як на виробництві, так і в побутових умовах, слід звернути щільну увагу на економіку та дизайн виробу;

в) необхідно добитись максимальної технологічності конструкції - це збільшить її конкурентоспроможність.

1.2 Аналіз схеми електричною принциповою і принцип її дії

По функціональності схему електричну принципову можна розбити на наступні частини:

ь без трансформаторний блок живлення;

ь дільники напруги;

ь датчик температури;

ь мікроконтролер;

ь індикація роботи пристрою;

ь керування роботою двигуна.

Алгоритм роботи програми мікроконтролера показаний на малюнку 1.2. Після включення мікроконтролера виконується ініціалізація його регістрів і включається управляючий вихід. Під час пуску двигуна (або групи двигунів) можливі провали або скачки напруг у фазах, тому пристрій захисту по напрузі починає роботу через одну хвилину після включення двигуна. Затримка реалізована шляхом послідовного включення преддільника, таймера TMR0 і двох дільників, кожний з яких має коефіцієнт розподілу 30.

Далі послідовно виконуються вимірювання напруги фаз А, В, С. Після кожного вимірювання фаза перевіряється на обрив. Якщо зміряна напруга рівно нулю, то вихід відразу вимикається. Потім слідує перевірка значень зміряних напруг на вихід за межі діапазону 190…250 В. В цьому випадку включається лічильник помилок, який необхідний для підвищення перешкодостійкості пристрою. При декрементуванні восьмирозрядного лічильника від нуля до нуля його коефіцієнт розподілу виходить рівним 256. При періоді проходження всієї програми, рівному 7 мс, час затримки виключення двигуна приблизно рівно 1,8 с. Для кожного порівняння є свій лічильник, тому якщо наступна зміряна напруга увійде до норми, то даний лічильник обнуляється. Таким чином, для виключення двигуна необхідні підряд 256 помилок вимірювання.

Після порівняння напруг фаз А—В, В—С, С—А їх різниця перевіряється на перевищення значення 30. Якщо перекіс фаз більше 30 В, то включається лічильник помилок. Виключення виходу відбувається аналогічно описаному вище через 1,8 с.

При виключенні виходу через будь-яку помилку встановлюється прапор помилки, який скидається тільки після перезапуску мікроконтролера. За відсутності помилки підтверджується включення виходу, і мікроконтролер переходить до підпрограми вимірювання температури двигуна.

Малюнок 1.2 — Алгоритм роботи програми мікроконтролера Вимірювання температури починається з ініціалізації термодатчику DS1820 і видачі команди на дозвіл перетворення. Після прийому даних від датчика температури перевіряється прапор «двох секунд». Річ у тому, що перші дані, які приходять від датчика, недостовірні, тому для стабілізації даних необхідно якийсь час. Для цього введена затримка початку порівняння по температурі, рівна 1,8 с. Оскільки за такий короткий час двигун не встигне нагрітися до температури 60 °C, подібна затримка не знижує якості захисту двигуна.

Після відробітку часу затримки встановлюється прапор «двох секунд», і кожне наступне зміряне значення температури перевіряється на перевищення 60. Якщо температура перевищить 60 °C, вихід вимикається. Програма переходить до нового циклу вимірювання напруги по фазах.

Принципова схема пристрою показана на малюнку 1.3.

Малюнок 1.3 — Схема принципова електрична блоку захисту двигунів Напруга фаз подається та знижується дільниками напруги на резисторах Rl—R3 і R10—R12, мають коефіцієнт розподілу 1:100. Змінна напруга фаз випрямляється однополуперіодним випрямлячем, що складається з діодів VD1—VD3 і стабілітронів VD7—VD9, згладжується конденсаторами фільтру С4—С6 і поступає на входи RA0 — RA2 мікроконтролера DD2. Лінія зв’язку термодатчику DDI з входом RC4 мікроконтролера має «підтягаючий резистор» R13.

Тактується мікроконтролер від внутрішнього генератора частотою 4 Мгц. Частоту тактового генератора, ділену на чотири (1 Мгц), можна спостерігати на виході RA4 (вихід 3 мікроконтролера), контролюючи, таким чином, працездатність мікроконтролера.

Вихід RC3 мікроконтролера через оптотиристор U1 і симістор VS1 включає пускове реле К1. Його контакти К1.1—К 1,3 включають/вимикають подачу напруги на двигун. Світлодіоди HL1—HL4 сигналізують про виникнення аварійної ситуації. Гасячі резистори R6—R9 залежно від вибраного типу світлодіодів і необхідної яскравості свічення. Кнопка SB1 «Скидання» необхідна для перезапуску мікроконтролера і включення двигуна після усунення аварійної ситуації.

Бестрансформаторний джерело живлення з гасячим конденсатором знижує мережеву напругу, випрамляє та стабілізує до наруги 5,1 В.

Програма для прошивки мікроконтролеру приведена в Додатку А.

Лінії зв’язку по розміщенню різнять на вхідні, вихідні та лінії зв’язку між елементами. По призначенню лінії електричного зв’язку підрозділяють на інформаційні та потенційні. Позначення ліній зв’язку приведено в Таблиці 1.1 та на схемі (Малюнок 1.4).

Малюнок 1.4 — Позначення ліній зв’язку Виділення (уточнення) контрольних точок, необхідних для настроювання або контролю основних функціональних вузлів пристрою (Малюнок 1.5).

На малюнку 1.5 позначені контрольні точки, які використовуються для настроювання:

Таблиця 1.1 — Позначення ліній зв’язку

А — контрольна точка наяву фази «А»;

В — контрольна точка наяву фази «В»;

С — контрольна точка наяву фази «С»;

D — контрольна точка наяву живлячої напруги мікроконтролеру (5,1 В);

Малюнок 1.5 — Позначення контрольних точок Е — контрольна точка наяву керуючої напруги на оптопару;

F — контрольна точка наяву керуючої напруги на реле;

К — контрольна точка наяву керуючої напруги на симістор.

L — загальна контрольна точка «земля».

Виділення мереж, що знаходяться під високим потенціалом, та виявлення можливих способів їх конструкторської реалізації (Малюнок 1.6).

Малюнок 1.6 — Виділення мереж під високим потенціалом На малюнку 1.6 позначені мережі які знаходяться під високою напругою — жирні риски. Потенціал резисторів R1-R3, R5, R16 реле К1, симістор VS1 у робочому стані - 380 В. Треба пам’ятати, що при виході з ладу деяких елементів — вони теж опилюються під високою напругою! Тому перераховані елементи повинні знаходитися на визначеній відстані. Схема має безтрансформаторне живлення, тому треба бути обережним.

Струмонавантажені кола схеми є вхідні, та вихідні з'єднувачі та елементи схеми резистор R5 та семістор VS1 (вихід 2).

Проходження струму від вхідного з'єднувача до вихідного здійснюється по дроту з перетином до 4 квадратів.

Електричне з'єднання з'єднувачів та монтажною платою здійснюється за допомогою жгутів. Як видно з приведеного вище опису, проектована акустична система містить високовольтні ланцюги, що накладає обмеження на перетин провідників (для друкарського монтажу — на ширину провідних доріжок).

Найбільш теплонавантаженими елементами схеми є резистор R5 та семістор VS1. Для забезпечення нормального теплового режиму, сказаних елементів, а також для зменшення впливу на теплочутливі прилади (напівпровідникові елементи) необхідно рівномірно розподілити теплонавантажені елементи по поверхні друкарської плати.

Схема даного пристрою не містить оригінальних елементів. Це дозволяє зменшити кількість типоразмеров і трудомісткість збірки за рахунок застосування автоматизованих методів, що зрештою приводить до підвищення технологічності конструкції і зниження собівартості.

У пристрої, що розробляється, ланцюг «землі» є найбільш довгим ланцюгом, чим інші. Тому його трасування необхідно виконати в першу чергу, оскільки від його довжини залежатиме сумарна довжина ліній зв’язку всього пристрою в цілому.

На базі аналізу схеми та прикладу дії можна зробити слідуючи висновки:

а) схема доволі проста, тому її можна реалізувати на друкованій платі з класом точності - 3 та двостороннім розташуванням друкованих провідників;

б) симістор VS1та резистор R5 потрібно розташувати в безпосередній близькості від кінця плати;

г) резистор R5 є найбільш теплонавантаженим елементом, тому його треба розмістити поодаль від мікроконтролеру

1.3 Аналіз умов експлуатації

Електронна апаратура класифікується по інтенсивності і характеру дії кліматичних, механічних і радіаційних чинників. Існують стаціонарні і ЕА, що транспортуються. Відповідно до ДСТУ 203 397−82 «Загальні технічні вимоги, приймання, методи випробувань, маркування, упакування, транспортування й зберігання, гарантії виготовлювача» блок захисту електродвигунів відноситься до групи 1, тобто вона призначена для роботи в сухих опалювальних приміщеннях і належить до наземної стаціонарної апаратури. Сукупність кліматичних і механічних чинників, яким повинна відповідати така апаратура, приведена в таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 — Кліматичні і механічні чинники умов експлуатації

Проаналізувавши дані, приведені в таблиці 1.2, дозволяє зробити висновок про те, що для даної розробки не потрібна теплоізоляція, конструювання елементів примусового охолоджування і забезпечення герметичності блоку від дій кліматичних чинників.

1.4 Аналіз елементної бази

Розгляд параметрів елементів, які входять до складу блока захисту електродвигунів дозволити зробити висновок про можливість застосування їх у даному виробі й відповісти на запитання, чи відповідають обрані ЕРА та їх характеристики умовам роботи приладу, зазначеним у розділі 1.3, чи придатні вони для автоматизованого друкованого монтажу, чи відповідає елементна база необхідному значенню надійності.

Мікроконтролер PIC16F676

Малюнок 1.7 — Конструкційні параметри мікроконтролера PIC16F676

Таблиця 1.3 — Електричні режими експлуатації мікроконтролера PIC16F676

Малюнок 1.8 — Структурна схема мікроконтролера PIC16F676

Датчик температури DS1820

Малюнок 1.9 — Конструкційні параметри датчика температури DS1820

Таблиця 1.4 — Режими експлуатації датчика температури DS1820

Оптопара MOC3041 M

Малюнок 1.10 — Конструкційні параметри оптопари MOC3041 M

Таблиця 1.5 — Основних електричних параметрів оптопари MOC3041 M

Таблиця 1.6 — Гранично допустимі режими експлуатації оптопари MOC3041 M

Симістор ВТ 134

Малюнок 1.11 — Конструкційні параметри симістора ВТ 134

Діоди

У даному приладі використовуються діоди КД226А.

Діоди типу КД226А — кремнієві дифузійні, випрямні діоди, призначений для роботи в приймальнею, підсилювальною і іншій радіоелектронній апаратурі при частоті живлячої напруги до 50кГц. Діоди цих типів відповідають технічним умовам АО.336.543 ТУ.

Таблиця 1.7- Основні електричні параметри діодів КД226А

Малюнок 1.12 — Габаритні розміри діода КД226А

Стабілітрони 1N4733A

Малюнок 1.13 — Габаритні розміри стабілітрона 1N4733A

Таблиця 1.8- Основні електричні параметри стабілітронів 1N4733A

Резистори

Резистори типу С2−23, які будуть використані для установки на ДП в блоці захисту електродвигунів — резистори загального призначення, з металодіелектричним провідним шаром. Призначені для роботи в ланцюгах постійного, змінного і імпульсного струмів як елементи навісного монтажу.

Малюнок 1.14 — Конструктивні параметри і спосіб установки резисторів Таблиця 1.9 — Граничні експлуатаційні параметри резисторів С2−23

Таблиця 1.13-Конструктивні параметри резисторів С2−23

Конденсатори

Конденсатори типу К50−35 — конденсатори алюмінієві оксидно-діелектричні загального призначення з однонаправленими дротяними виводами. Призначені для роботи в ланцюгах постійного, пульсуючого і імпульсного струму. Положення анода маркірується знаком «+» на корпусі конденсатора або анодний вивід робиться на 3−5 мм коротше, ніж катодний.

Таблиця 1.14 — Граничних експлуатаційних даних конденсаторів

Малюнок 1.15 — Конструктивні параметри конденсатора типу К50−35

Таблиця 1.16- Технічні дані електролітичного конденсатора К50−35

Конденсатори типу К10−17 — це конденсатори з неорганічним діелектриком, керамічні монолітні. Призначені для роботи в ланцюгах постійного, змінного і імпульсного струму. Конструктивно виконані ізольованими з однонаправленими виводами.

Малюнок 1.16 — Конструктивні параметри конденсатора К10−17

Таблиця 1.17-Технічні дані конденсатора К10−17

Таблиця 1.18 -Технические дані конденсатора К10−17

Проаналізувавши технічні дані елементної бази, можна зробити наступні виводи:

ь блок захисту електродвигунів засновано як на вітчизняній елементній базі так і закордонній з використанням мікроконтролера;

ь навісні елементи встановлюються однаково, тому спеціальних мір по формуванню виводів проводити не передбачається;

ь інтегральні схеми знаходяться в прямокутних корпусах, що дозволяє автоматизувати процес установки мікросхем на друкарську плату;

ь симістор ВТ 134 і резистор R5 необхідно розташовувати на максимально можливому видаленні від теплочутливих елементів, оскільки можливо відбуватися розсіювання великої кількості теплової енергії;

ь для полегшення трасування друкарської плати, мікросхеми необхідно мати в своєму розпорядженні групу (максимальна завантаженість друкарської плати провідниками буде усередині функціонального блоку);

ь вибрані елементи мають достатньо високу надійність, що дозволяє спроектувати пристрій, що має великий ресурс роботи;

ь елементна база комплектувалася по ознаках відповідності технічних характеристик експлуатаційних вимог;

ь інтервал робочих температур елементної бази, допустима величина відносної вологості повітря, атмосферного тиску, вібрації, одиночних ударів і лінійних навантажень дозволяє спроектувати пристрій, що працює за заданих в технічному завданні умов експлуатації.

В результаті проаналізованих фактів і вимог до ЕРА, вибираємо двосторонню друковану плату. Трасування з'єднань на платі проводитимемо з обох сторін плати. Дивлячись на те, що відстань між виводами мікросхем складає 2,5 мм, необхідно прийняти крок координатної сітки рівний 1,25 мм. По пред’явленню вимог мінімальних розмірів до блоку захисту електродвигунів вибираємо 3 клас точності для друкарської плати. Для уникнення паразитних наведень необхідно прокладати, в першу чергу, провідники ланцюгів живлення і землі, а тільки потім комутаційні провідники.

1.5 Аналіз конструкторсько-технологічних аналогів

Мета цього пункту полягає в необхідності порівняння розроблювального виробу з аналогічними, подібними по функціям і призначенням, виявленні недоліків та запропонувати шляхи їхнього усунення.

Підприємство «Електротрейд» виробляє ряд пристроїв для захисту електродвигунів від перевантаження (Малюнок 1.17). Це такі пристрої як БЗ-031, БЗ-03, БЗ-031М, БЗ-041.

Усі ці пристрої виконані на мікроконтролерах, мають захист від вологи, естетичний вигляд, та інше.

Конструкторсько-технологічнім аналогом, схожого по виконуваним функціям мною блок захисту електродвигунів є блок захисту БЗ-03, за призначенням який збігається із призначенням розроблювальним мною блоком захисту електродвигунів. У першу чергу відмінність цих систем полягає в розходженні їх схемотехніки, що призводить до розходження їхніх подальших конструкцій. Вибранний блок має наступні параметри:

Мікропроцесорний блок захисту асинхронних електродвигунів БЗ-03

ТУ 3435−001−71 765 290−2005

Призначення:

Мікропроцесорний блок захисту електродвигуна БЗ-03 призначений для відключення трифазних асинхронних електродвигунів від живлячої мережи при :

* Неприпустимих перевантаженнях по струму при пуску і в процесі роботи;

* Обриві або пропаданню будь-якій з фаз;

* Для контролю кількості спрацьовувань по обривах фаз і перевантаженнях.

Захист здійснюється шляхом виключення електродвигуна при виникненні аварійних режимів. Перегорання справного електродвигуна, захищеного правильно набудованим БЗ, принципово неможливе.

Блоки БЗ виготовлені в кліматичному виконанні УXЛ категорії 3.1 по ГОСТ 15 150–69 і призначені для експлуатації в наступних умовах:

— навколишнє середовище — вибухобезпечна і не містить агресивних газів і пари в концентраціях, що руйнують метали і ізоляцію;

— температура повітря від 233К до 333К (-40°С… +60°С);

— відносна вогкість повітря — до 80% при 293К

— атмосферний тиск від 86,6кПа до 106,7кПа.

Технологічній процес виробництва проектуємого блоку є більш зхожим стосовно техпроцесу для БЗ-03. Це виникає за рахунок різниці між компонентами, які встановлюються на ДП.

Проаналізував, можна сказати, що в БЗ-03 приблизно на 30−35 елементів більше чим у розроблювального блоку захисту електродвигунів. Данний факт затрудняє трасування друкованої плати. Це призвело до того, що БЗ-03 збирається на чотирьохслойній платі, тим самим збільшується її розмір. Так само в розроблювальному пристрої велика кількість елементів і є присутні кілька мікросхем із кроком виводів 2,5 мм. Технологічність виробу БЗ-03 оцінюється нижче, ніж даний блок захисту елелектродвигунів.

Аналогічні пристрої розглядаються в додатках Б.

1.6 Аналіз технології виготовлення

Блок захисту електродвигунів, який проектується в даній роботі є відносно середнім по складності пристроєм, як з конструкторської, так і з технологічної точки зору.

З пункту 1.4 витікає, що блок захисту електродвигунів має наступну елементну базу:

ь резистори з осьовими виводами… 17шт.;

ь діоди з осьовими виводами… 5шт.;

ь стабілітрони з осьовими виводами … 4 шт.;

ь конденсатор з осьовими виводами … 1 шт.;

ь конденсатори з аксіальними виводами…. 5шт.;

ь мікросхемa в корпусі DIP (14pin)… 1шт ь оптопара …1шт.;

ь симістор …1шт.

Виходячи з вживаної елементної бази, намічаємо, що у виробі застосовуватиметься двостороння друкована плата, що виготовляється комбінованим позитивним способом. Враховуючи порівняно невелику потребу ринку у виробі, що розробляється, недоцільно організовувати окреме підприємство по виробництву макету. Оптимальним варіантом є виробництво виробу на багатономенклатурному підприємстві з достатньо високим рівнем гнучкості виробництва. Тип виробництва — багатономенклатурний, серійний.

Обсяг виробництва нашого прибору становить близько 10 000 штук на рік, тому установку навісних елементів доцільніше робити вручну. Збільшиті продуктивність ручної зборки можна за рахунок модернізації робочого місця: застосування світломонтажних столів, спеціального інструмента й інших допоміжних пристроїв і пристосувань. Аналіз підприємства, на якому передбачається випуск виробу, показує, що на ньому є устаткування і відпрацьовані наступні техпроцеси:

1) хімічний метод виготовлення друкарських плат;

2) комплексна підготовка навісних елементів до монтажу;

3) ручна установка навісних елементів на друкарську плату;

4) програмована збірка на світомонтажних столах;

5) паяння хвилею припою;

6) паяння за допомогою станції ERSA VAC 6500.

При застосуванні типових технологічних процесів розроблених на даному підприємстві, дозволяє нам понизити собівартість виробу при його невеликих об'ємах виробництва. Також на підприємстві не освоєна автоматична установка навісних елементів. Отже, необхідне внідряти на підприємстві технології автоматичної установки навісних елементів. Докладний опис технологічних процесів установки ЕРЕ з осьовими виводами і підбірка устаткування буде проводитися в технологічному розділі дипломного проекту.

1.7 Розробка додаткових технічних вимог до конструкції ЕА

На основі вивчення принципу роботи приладу, аналізу елементної бази, аналізу ТЗ, аналогічного приладу та аналізу вимог до виробництва можна сформувати додаткові умови, які необхідно врахувати при розробці конструкції та технології виробництва виробу:

ь Тип друкарської плати блоку захисту електродвигунів — двостороння;

ь Клас точності друкарської плати блоку захисту електродвигунів — 3;

ь Крок координатної сітки друкарської плати 1,25 мм;

ь Варіант трасування провідників — спочатку потенційні, потім інформаційні;

ь Вихідні ланцюги розміщати як найдалі від вхідних;

ь Необхідно передбачити отвори для подальшого кріплення друкарської плати за допомогою гвинтового з'єднання;

ь Необхідно передбачити захист блоку від вологи у вигляді полімерного (лакофарбового) покриття;

ь Попередній розмір друкарської плати блоку захисту електродвигунів — 50×80 мм.

2 РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ БЛОКУ ЗАХИСТУ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ

2.1 Вибір типу і розмірів друкованої плати

Друкована плата (ДП) є основним конструктивним елементом ЕА [ 4 ]. Їх застосовують в якості несущої конструкції та для електричних з'єднань. Друкована плата є ізоляційною основою, що містить необхідні отвори, контактні майданчики і друковані провідники, що забезпечують електричне і механічне з'єднання навісних елементів.

З причини середньої складності електричної схеми для виготовлення блоку захисту електродвигунів найбільш прийнятним буде використання двосторонньої ДП .

За точністю виконання елементів конструкції друкарські плати діляться на чотири класи точності. Друковані плати 1 і 2 класів точності найбільш прості у виконання, надійні в експлуатації і мають мінімальну вартість. Друковані плати 3 і 4 класів точності вимагають використання високоякісних матеріалів, інструменту, устаткування, обмеження габаритних розмірів і так далі. Друковані плати ЕА рекомендується виготовляти по 2 і 3 класам точності. У зв’язку з цим ДП, що розробляється, виготовлятиметься по третьому класу точності.

Для визначення площі конструкції ПП, що розробляється, скористаємося формулою:

(2.1)

де — настановна площа i-го навісного елементу (таблиця 2.1);

— коефіцієнт втрат площі (=1…3), приймаємо =3.

З формули (2.1) отримуємо для плати підсилювачів потужності:

Оскільки блок захистуелектродвигунів є нестандартним виробом і плати уніфікованих типових конструкцій (Е1,Е2,Е3,Е4 і так далі) мають площі що у багато разів перевершують розраховану раніше, то для конструкції ДП, що розробляється, візьмемо плату довільних розмірів (з дотриманням вимог: ГОСТ 10 317–79 обумовлює співвідношення сторін ДП не більше 3:1, причому форма ДП тільки прямокутна). Враховуючи велику кількість монтажних отворів під дротяний монтаж друкарську плату необхідно вибирати із запасом. Згідно вищевикладеному вибираємо ДП розмірами 475×775мм.

Таблиця 2.1-Настановні параметри елементів

Як діелектрична основа для виготовлення ДП широкого поширення набули шаруваті діелектрики, що складаються з наповнювача і речовини (синтетичної смоли), що пов’язує, керамічні і металеві (з поверхневим діелектричним шаром) матеріали. Оскільки ДП при експлуатації не піддаватиметься високим механічним і тепловим діям, діям агресивних середовищ, то згідно ГОСТ 10 316–78 вибираємо найбільш поширений матеріал склотекстоліт СТФ-1−35−1,5.

Розміщення на ДП здійснюємо відповідно до ОСТ.4ГО.010.030 і ОСТ.4ГО.010.009. При компоновці ДП необхідно забезпечити відповідно до ГОСТ 23 751–79 раціональне розміщення навісних елементів з урахуванням електричних зв’язків і теплового режиму із забезпеченням мінімальних значень довжин зв’язків, кількості переходів друкарських провідників з шару в шар, паразитних зв’язків між елементами, по можливості рівномірний розподіл мас навісних елементів по поверхні.

При розташуванні ІС, ЕРЕ на друкарській платі необхідно передбачати забезпечення основних технологічних вимог, що пред’являється до апаратури (автоматизовану збірку, паяння, контроль, ремонтопридатність).

В процесі конструювання ДП виконуються наступні розрахунки:

ь конструктивно-технологічний;

ь розрахунок по постійному струму;

ь розрахунок по змінному струму.

2.2 Конструктивно-технологічний розрахунок друкованої плати

Для визначення основних параметрів друкованого монтажу виконується конструктивно-технологічний розрахунок друкарського монтажу, який проводиться з урахуванням виробничих погрішностей малюнка провідних елементів, фотошаблону, базування, свердлення і таке інше. При виконанні розрахунку слід керуватися [ 4 ].

Основні умовні позначення, використовувані при розрахунку, і графічне зображення ДП приведені на малюнку 2.1.

Малюнок-2.1 Графічне зображення ДП

Hn — товщина ДП;

Hnc — загальна сумарна товщина ДП;

Hм — товщина підстави ДП;

hn — товщина фольги;

h — товщина провідного малюнка;

l — відстань між центрами елементів;

t — ширина друкарського провідника;

Q — відстань від краю плати до елементів провідного малюнка;

d — діаметр отвору;

b — ширина гарантійного поясу;

D — діаметр контактної площі;

S — відстань між краями сусідніх елементів провідного малюнка.

Мінімальний діаметр перехідного отвору

(2.2)

де Нп — товщина друкарської плати мм;

I — відношення діаметру металізованого отвору до товщини ПП (таблиця 2.2) .

Таблиця 2.2-Номінальні значення основних параметрів друкарського монтажу для вузьких місць

.

Приймаємо діаметр перехідного отвору 0,5 мм.

Мінімальне значення діаметру монтажного отвору визначаємо із співвідношення:

(2.3)

де d_В — максимальне значення діаметру виведення навісного елементу;

d_НО — нижнє граничне відхилення номінального значення диметра отвору (таблиця 2.3);

— зазор між виводами і монтажним отвором для паяння (=0,1−0,4 мм).

Для d_В =0,5 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_МО1 0,5 + 0,2 + 0,1 = 0,8 мм Для d_В =0,6 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_МО2 0,6 + 0,2 + 0,1 = 0,9 мм Для d_В =0,7 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_МО3 0,7 + 0,1 + 0,1 = 0,9 мм Для d_В =0,75 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_МО4 0,75 + 0,2 + 0,1 = 1,05 мм Таблиця 2.3- Допустимі погрішності виконання конструктивних елементів

Для d_В =0,8 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_МО5 0,8 + 0,2+ 0,1 =1,1 мм Для d_В=0,9 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_МО6 0,9+ 0,2 + 0,1 = 1,2 мм Для d_В=1,1 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_МО7 1,1+ 0,2 + 0,1 = 1,4 мм Для d_В=1,3 мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_МО8 1,3+ 0,2 + 0,1 = 1,6 мм Приймаємо діаметри монтажних отворів

d_МО1 = d_МО2 = d_МО3 = 0,9 мм;

d_МО4 = 1,1 мм;

d_МО5 = d_МО6 = d_МО7 = 1,4 мм;

d_МО8 = 1,8 мм.

Номінальне значення ширини провідника t розраховуємо по формулі:

(2.4)

де t_HO — нижнє граничне відхилення ширини провідника (таблиця 2.3).

Для вільного місця номінальне значення ширини провідника :

t₁ = 0,5 + 0,05 = 0,55 мм Приймаємо номінальне значення ширини провідника t₁=0,55 мм.

Номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка визначаємо по формулі:

S = Sм + tво (2.5)

де tво — верхнє граничне відхилення ширини провідника (таблиця 2.3).

Для вільного місця номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка :

S₁ = 0.5 + 0,05 = 0,55 мм Приймаємо номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка S₁ = 0,55 мм.

Розрахунок мінімального діаметру контактного майданчика вироблюваний по формулі:

(2.6)

де d_BO — верхнє граничне відхилення діаметру отвору (таблиця 2.3).

Dпо = 0,5 + 0,05 + 2*0,05 +0,05+(0,12 + 0,32 + 0,052)^½ = 1 мм

D₁ = D₂ = D₃ = 0,9 + 0,05 + 2 * 0,05 +0,05+(0,12 + 0,32 + 0,052)^½ =1,4 мм

D₄= 1,1 + 0,05 + 2 * 0,05 +0,05+(0,12 + 0,32 + 0,052)^½ = 1,6 мм

D₅ = D₆ = D₇ = 1,4 + 0,1 + 2 * 0,05 + 0,05 + (0,12 + 0,32 + 0,052)^½ = 2,0 мм

D₈ = 1,8 + 0,1 + 2 * 0,05 + 0,15 +(0,12 + 0,32 + 0,052)^½ = 2,4 мм Приймаємо Dпо=1мм, D₁=D₂=D₃=1,4 мм, D₄=1,6 мм, D₅=D₆=D₇=2,0 мм, D₈= 2,4 мм.

Розрахунок мінімальної відстані для прокладки n — го кількості провідників між контактними майданчиками проводимо тільки для елементів між виводами яких проходять друкарські провідники:

l=D+t*n+S*(n+1)+д1, (2.7)

де n — кількість провідників, n = 1;

дl — позиційний допуск розташування провідника (таблиця 2.2).

l₁=1,4+0,55+0,55*(1+1)+0,05=3,1 мм

l₂=1,6+0,55+0,55*(1+1)+0,05=3,3 мм

l₃=2,0+0,55+0,55*(1+1)+0,05=3,7 мм

l₄=2,4+0,55+0,55*(1+1)+0,05=4,1 мм З вищенаведеного розрахунку можна зробити виcновок, що відстань між двома сусідніми контактними майданчиками, призначеними для установки мікросхеми DD2 недостатньо для прокладки одного провідника з урахуванням обмежень, що пред’являються до друкованного монтажу, тому контактні майданчики у разі потреби можна підрізати із збереженням ширини гарантійного поясочка b=0,05 мм.

Аналізуючи приведений вище конструктивно — технологічний розрахунок, можна виділити основні параметри друкарського монтажу:

1) діаметр перехідного отвору 0,5 мм;

2) діаметр монтажного отвору: 0,9 мм, 1,1 мм, 1,4 мм, 1,8 мм;

3) номінальна ширина провідника 0,55 мм;

4) номінальна відстань між сусідніми елементами провідного малюнка 0,55 мм;

5) діаметр контактного майданчика: 1 мм, 1,4 мм, 1,6 мм, 2 мм і 2,4 мм;

Набутих значень параметрів друкарських елементів можуть коректуватися у бік збільшення на підставі електричного розрахунку тих же елементів по постійному струму, який приведений в підрозділі 2.3.

2.3 Розрахунок по постійному струму

Найбільш важливими електричними властивостями друкарських плат по постійному струму є перевантажувальна здатність провідників по струму, опір ізоляції і діелектрична міцність підстави друкарської плати.

Розрахунок проводимо для якнайгіршого випадку, тобто при максимальній споживаній потужності для двосторонньої друкарської плати виконаній по третьому класу точності і напруги живлення 220 В.

Необхідна ширина друкаованого провідника сигнального ланцюга:

(2.8)

де с — питомий опір провідника, Ом мм²/м (для мідної катаної фольги с складає 0,017 Ом мм²/м);

I — струм, А (I = 0,1 А);

l — довга провідника, м;

Uз.пу. — запас перешкодостійкості елементів (Uз.пу. = 0,4 В);

hф — товщина фольги (hф = 0,035 мм).

При максимально можливій довжині траси 44,5+77,5=122 мм ширина провідника сигнального ланцюга повинна бути:

З технологічних міркувань ширину провідників сигнальних ланцюгів приймаємо 0,55 мм.

Необхідна ширина друкованих провідників шин живлення і землі:

(2.9)

де с — питомий опір провідника, Ом * мм² / м (для мідної катаної фольги с складає 0,017 Ом * мм² / м);

I — струм, А ;

l — довжина провідника, м;

Uп. — максимальне падіння напруги на шині живлення (0,4 В);

hф — товщина фольги (hф = 0,035 мм).

Струм шини живлення:

I = P/U (2.10)

де Р — споживана потужність;

U — напруга живлення, В;

U = 220 B.

При максимально можливій довжині траси мм ширина провідника сигнального ланцюга повинна бути:

Приймаємо ширину провідників шин живлення і землі 1,5 мм.

Кількість контактів nк з'єднувача прямого зчленування, що здійснюють підведення напруги живлення і землі:

n_П=Sп.з./Sк., (2.12)

де Sп. з — потрібний перетин друкарського провідника шини живлення, мм²;

Sк — площа контакту контактної пари.

(2.13)

(2.14)

n_П = 0,052 / 1,53 = 0,033

Приймаємо n_П =1.

Мінімальна відстань між провідниками для плат без захисного лакового покриття залежить від напруги пробою і тиску навколишнього середовища. Зазор між провідниками для нормального атмосферного тиску вибираємо на підставі даних приведених в [ 6 ] залежно від різниці напруги між сусідніми провідниками. Для друкарської плати, що розробляється, мінімальний зазор складає 0,25 мм для всіх провідників. Отриманий для конкретної різниці потенціалів зазор між провідниками може бути збільшений, якщо опір витоку між провідниками перевищить допусні значення, обчислене на основі аналізу принципової схеми, що реалізовується на платі.