Проектирование модуля управления трехфазным асинхронным двигателем

Аннотация

В мире производится множество 3х-фазных асинхронных двигателей. Они используются практически везде. К плюсам этих двигателей можно отнести их относительно невысокую стоимость. Минус же их в том, что асинхронными двигателями сложно управлять. Повышая и понижая питающее напряжение можно в некоторой степени управлять скоростью вращения, но при низком напряжении будет мал вращающий момент, а при повышенном напряжении появляется риск перегрева двигателя. Существуют схемы управления такими двигателями, но они имеют значительную стоимость, зачастую превышающую стоимость самого двигателя.

В данной работе была разработана и спроектирована схема управления небольшим и маломощным 3х-фазным асинхронным двигателем. Основной упор был сделан на использование аккумуляторной батареи в качестве источника питания, что позволяет устройству быть мобильным, а не стационарным. В качестве основных направлений по использованию этого устройства может быть изготовление передвижных платформ. Произведя дальнейшую модернизацию устройства, можно использовать его в качестве привода инвалидных колясок.

• Аннотация
• Введение
• 1. 3х-фазный асинхронный двигатель
• 1.1 Выбор двигателя в качестве нагрузки
• 1.2 Математическая модель переходного процесса в обмотке двигателя
• 2. Схемотехнический раздел
• 2.1 Выбор и обоснование схемного решения
• 2.2 Разработка принципиальной схемы
• 2.3 Разработка схемы размещения элементов
• 3. Конструкторский раздел
• 3.1 Выбор и обоснование конструкции модуля
• 3.2 Расчет тепловых режимов ключевых элементов, выбор теплоотвода
• 3.3 Вывод
• 4. Технологическая часть
• 4.1 Разработка технологии сборки ячейки модуля
• 4.2 Вывод
• 5. Организационно-экономический раздел
• 5.1 Введение: технико-экономическая целесообразность разрабатываемой темы
• 5.2 Расчёт сметы затрат на НИР
• 6. Раздел охраны труда
• 6.1 Организация рабочего места при монтаже и настройке модуля
• 6.2 Расчет вентиляции
• Заключение

• Список литературы

  и других источников

В настоящее время создано множество схем управления двигателями переменного напряжения. При этом делается большой акцент на применение в этих схемах специальных унифицированных микросхем управления мощными ключевыми транзисторами. Высокая скорость управления, удобная схема сопряжения, простое управление, все эти и многие другие преимущества делают данные схемы перспективными в развитии и в дальнейшем использовании во многих отраслях производства.

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными, а также позволяет уменьшить их стоимость. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.

Цифровые схемы управления двигателями в наши дни сделали большой шаг вперед и вплотную приблизились к использованию совершенных электронных технологий. На рынке можно встретить множество модулей управления двигателями, имеющие свои отличительные особенности в схемотехнике, которые значительно влияют на скорость обработки данных, удобство в использовании, и, конечно, же на их стоимость.

1. 3х-фазный асинхронный двигатель

1.1 Выбор двигателя в качестве нагрузки

Для дальнейшего расчёта электронных компонентов необходимо определиться с типом двигателя и ознакомиться с его рабочими характеристиками.

Фирма MOTOVARIO выпускает большую линейку трёхфазных асинхронных двигателей. Двигатели разделены на несколько групп: трёхфазные с разделением по количеству полюсов; двухскоростные трёхфазные асинхронные двигатели с разным количеством полюсов; и двигатели с наличием тормоза.

Для нашей разработки выбираем наиболее экономичный, маломощный двигатель типа 63С8. Двигатель обладает следующими техническими характеристиками:

Мощность двигателя 70Вт

Скорость вращения 620 об/мин

Номинальный ток потребления 0,5 А

Номинальный вращающий момент 1,08 Н•м

Кпд двигателя 41%

cosц =0,52

Момент инерции 4,3•10^-4 Кг•м²

1.2 Математическая модель переходного процесса в обмотке двигателя

Для обеспечения работы двигателя в номинальном режиме необходимо чтобы его вращающий момент был постоянным. При увеличении частоты питающего напряжения, а следовательно и скорости вращения двигателя, его реактивная составляющая сопротивления обмотки возрастает, тем самым токопотребление уменьшается и уменьшается вращающий момент. При некоторой повышенной частоте питания двигатель перестаёт работать даже при холостой нагрузке. Для того чтобы этого избежать необходимо поддерживать постоянным вращающий момент пропорциональный коэффициенту отношения напряжения питания к частоте. Этого можно добиться регулируя время работы ключевого каскада управления двигателем. Таким образом нам необходимо поддерживать постоянным ток потребления двигателя.

Чтобы обеспечить режим постоянного токопотребления, необходимо промоделировать переходной процесс в обмотке двигателя. Тем самым мы получим значения моментов включения и выключения ключевых транзисторов.

Рассчитаем составляющие сопротивления обмотки исходя из следующих данных:

напряжение питания 230В

частота источника питания 50Гц

ток потребления 0,5А

cosц =0,52

Как известно из курса электротехники, треугольник сопротивлений, он же треугольник напряжений, имеет вид представленный на рисунке 1.

рис. 1

рис. 2.

Из графика видно, что при частоте 80Гц необходимо иметь напряжение питания не ниже 340 В.

Схема по которой работает двигатель:

рис. 3

Сплошной линией показан путь прохождения тока при открытых ключах (ток протекает по открытым каналам транзисторов), пунктирной — путь прохождения тока при закрытых ключах (ток протекает по обратно включённым диодам).

Из схемы видно, что при закрытых транзисторах моста имеет место расход энергии, накопленной обмоткой двигателя, без участия внешнего источника.

Таким образом получили формулу описывающую переходной процесс протекающий в обмотке двигателя при переключении транзисторных ключей:

где i_o — ток в начальный момент времени.

Проведём аппроксимирование синусоидальной функции полученной зависимостью. Для более жёстких условий возьмём синус с частотой 80Гц.

рис. 4

Из графика видно, что напряжения питания недостаточно для быстрого совершения переходного процесса, поэтому мы не сможем аппроксимировать данную синусоиду. Необходимо увеличить напряжение питания до 450 В.

рис. 5

Теперь можно провести с некоторой погрешностью аппроксимацию, включая и выключая в нужные моменты транзисторы.

рис. 6

Так выглядит аппроксимированная синусоида с погрешностью 2,3% от I_max

Проделав тоже и для остальных частот с шагом в 5Гц получим таблицу временных интервалов, которую в дальнейшем запрограммируем в микроконтроллер.

Таким образом мы получили новые условия для разработки модуля управления:

напряжение питания ключевого моста Uп = 450В

ток потребления нагрузки Iп = 0,5А

трехфазный асинхронный двигатель управление

2. Схемотехнический раздел

2.1 Выбор и обоснование схемного решения

На сегодняшний день на рынке существует большое количество разнообразных схем управления двигателями разных фирм-производителей, но стоимость их достаточно высока и предназначены они, прежде всего, для использования в стационарном режиме с питанием от трёхфазного источника. В нашем же случае необходимо создать схему по возможности с минимальным набором электронных компонентов и функциональную логику удовлетворяющую заданным техническим характеристикам (скорость вращения, направление вращения, экономное потребление питания, преобразование напряжения источника питания до уровня необходимого для устойчивой работы двигателя).

Разработка системы управления двигателем предполагается в виде конструктивного законченного модуля.

В связи с этим предлагается структурная схема всего модуля управления, которая приведена в приложении в виде схемы электрической структурной (НГТУ.430 431.003 Э1).

Для того чтобы использовать как можно меньшее количество электронных компонентов, а также упростить проектирование устройства, необходимо применить микросхемы, разработанные специально для данной области применения.

Главным компонентом модуля является микроконтроллер. Именно он управляет всеми процессами, происходящими в системе — получение команд запуска, останова, управление скоростью вращения двигателя, переключение вращения в обратную сторону, подстройкой уровня питания двигателя.

Для повышения кпд инвертора и уменьшения размеров конструкции будем использовать мостовую схему включения ключевых транзисторов.

Для обеспечения необходимого согласованного режима управления ключами инвертора необходимо использовать специализированные микросхемы драйверов.

Микросхемы драйверов работают от развязывающего трансформатора, который переворачивает фазу для управления противоположными ключами.

Для согласования нагрузок между микроконтроллером и развязывающим трансформатором используем буферный усилитель.

В качестве преобразующего элемента используется повышающий трансформатор.

Оконечный выпрямитель выполнен в виде диодного моста. Это сделано из следующих соображений: во-первых, используя диодный мост вместо полумоста мы тем самым уменьшаем габариты трансформатора; во-вторых, имея на выходе напряжение порядка 400 вольт необходимо подобрать диоды с обратным напряжением пробоя превышающем как минимум в два раза имеющееся, т. е Uобр > 800 В. Выпускаемые в настоящее время быстродействующие диоды Шоттки имеют максимальное Uобр = 600 В.

Для управления двигателя используются шесть высоковольтных ключей, включенных по мостовой схеме. Ключи работают под управлением драйвера, имеющего шесть входов и защитные цепи.

2.2 Разработка принципиальной схемы

Выбор микроконтроллера.

Для реализации устройства был выбран микроконтроллер ATmega64 фирмы Atmel. Основными факторами при выборе контроллера являлись: стоимость, достаточное количество линий ввода-вывода, наличие встроенных модулей UART и SPI, наличие бесплатной интегрированной среды разработки и отладки программ Code Vision AVR.

рис. 7

Ниже приведены основные характеристики микроконтроллера ATmega64 [7]:

Высокоскоростная RISC архитектура

130 инструкций

Все инструкции выполняются за один цикл, кроме команд переходов, выполняемых за два цикла

Тактовая частота до 16 МГц, период до 62.5 нс.

До 64кбайт FLASH памяти программ.

До 4кбайт памяти данных ОЗУ.

До 2кбайт EEPROM памяти данных.

Система прерываний (14 источников), 8 — ми уровневый аппаратный стек.

Прямой, косвенный и относительный режимы адресации.

Высокоскоростная, энергосберегающая CMOS FLASH/EEPROM технология.

Программирование в готовом устройстве (используются два вывода микроконтроллера)

Широкий диапазон напряжений питания от 2.7 В до 5.5 В

Повышенная нагрузочная способность портов ввода/вывода (25 мА).

Малое энергопотребление:

< 0,6 мА 4,0 В, 4 МГц.

< 1 мкА в режиме энергосбережения.

6 независимых счётных выходов необходимые для управления шестью силовыми ключами.

Для обеспечения устойчивой работы микроконтроллера в качестве частотозадающего элемента тактового генератора был применен кварцевый резонатор с резонансной частотой 10 МГц, подключенный к выводам XTAL1 и XTAL2. Конденсаторы C15 и C16 используются для устойчивого запуска внутреннего генератора. Конденсаторы С17, С18 и резистор R23 используются для коррекции аналоговой части микроконтроллера. Применены шесть управляющих кнопок с самовозвратом. Резисторы R17-R22 используются для ограничения тока.

Согласование выходной шины микроконтроллера с инвертором.

Для сопряжения микроконтроллера ATmega64 со входными цепями инвертора используется буферный усилитель UCC 37 324, имеющий следующие характеристики:

Использование биполярных и полевых транзисторах на выходе.

Сопряжение с ТТЛ и КМОП логикой на входе независимо от источника напряжения.

Напряжение питания 4 — 15В

ток потребления 0,3 мА

выходы могут быть объединены для увеличения нагрузочной способности.

Структурная схема UCC 37 324:

рис. 8

Развязывающий трансформатор.

Развязывающий трансформатор используется для разделения сигналов управления верхним и нижним ключом. Сигнал, приходящий с микроконтроллера имеет форму показанную на рис.9

рис. 9

После прохождения его через буферный усилитель и развязывающий трансформатор сигналы управления ключами имеют вид показанный на рис. 10:

рис. 10

Для подключения нижнего плеча необходимо изменить фазировку выходной обмотки на противоположную по отношению к верхнему плечу. Для управления оставшимися двумя ключами нужен дополнительный буферный усилитель и развязывающий трансформатор. На дополнительную цепь подаётся тот же сигнал с микроконтроллера, как и рассмотренный ранее. Для управления ключевым мостом необходимо правильное подключение транзисторных ключей к развязывающим трансформаторам. Необходимо соблюсти режим работы, при котором возможно одновременное отпирание транзисторов находящихся в диагонали ключевого моста. Этого можно достичь правильным включением вторичных обмоток развязывающего трансформатора.

Трансформатор проще всего выполнить на ферритовом кольце марки Epocon N87 R16 0×9 6×6,3 проводом МГТФ 0,12 по 13 витков на обмотку. [3]

Схема драйвера.

Драйвер необходим для согласования развязывающего трансформатора с ключами инвертора. Для этого используется UCC 37 324. Питание микросхемы осуществляется от тактируемых импульсов с трансформатора. Для защиты микросхем от импульсов обратной полярности в цепь питания ставится резистор R1 сопротивлением 3Ома и диод VD1 — 10BQ040. Сигнал управления снимается с резистивного делителя R2, R5 номиналами 1кОм и 2,7кОм соответственно.

Преобразующий элемент (повышающий трансформатор).

Для уменьшения массогабаритных показателей будем использовать планарный трансформатор фирмы Payton. Планарные трансформаторы фирмы Payton обладают высоким кпд, низким электромагнитным излучением, малыми размерами и весом.

Частота ШИМ равна 125кГц

Ток нагрузки равен 0,5А

Исходя из этих данных выбираем трансформатор типа T50 DC P. N.16 452. Этот трансформатор работает с мощностью до 400Вт, с частотой до 2.5МГц; максимальный ток 50А; при этом имеет габаритные размеры: 30×22×10 мм.

Ключи инвертора.

Можно воспользоваться транзисторами IRFP054 фирмы International Rctifier. Параметры IRFP054:

U_си = 60В

I_с = 70А

P_си = 230Вт

S = 25 000мА/В

Для обеспечения нормальной работы транзисторов и сглаживания импульсных всплесков параллельно цепи питания включаем конденсатор из расчёта 2мкФ на 1 В. С9 — 100мкФ 50 В.

Выпрямительный мост и сглаживающий фильтр.

Через выпрямительный мост протекает ток 0,5А. Обратное напряжение имеет всплески до 2U_пит, (до 900В). Для данной цели выбираем диодный мост Шоттки FBS 10−06SC. Он имеет U_об = 600 В, I_max = 6,6A, C_j = 9пФ. Параллельно каждому из диодов моста включаем RC цепочку, которая сглаживает выбросы напряжения с трансформатора и ограничивает полосу пропускания. Для эффективной фильтрации необходимо иметь С7, С8, С9, С11 по 0,1нФ, а R7-R10* по 27Ом. [6]

C12 — 1мкФ необходим для фильтрации высоких гармоник.

Дроссель L1 ставится для подавления синфазной помехи и имеет как со стороны входа так и со стороны выхода одинаковые ёмкости примерно по 1мкФ на 1 В. В итоге имеем: С13, С14 — 470 мкФ 500 В.

Драйвер ключей трёхфазного двигателя.

В качестве драйвера используется микросхема IR2130, которая имеет следующие характеристики [8]:

напряжение коммутации до 600В

напряжение подаваемое на затворы ключей 10−20В

независимое управление шестью мощными ключами

управляемая защита от сквозных токов, блокирует выходы

логические входы

Резисторы R24, R25 используются для подстройки необходимого тока затворов ключей; R26, R27 задают порог срабатывания защиты. Номиналы для цепей коррекции выбраны в соответствии с рекомендацией.

рис. 11

Ключи управления двигателем.

U_си не менее 450В

I_c не менее 0,5А

IRFPC60 имеет следующие характеристики:

U_си = 600В

I_с = 16А

P_си = 280Вт

S = 13 000мА/В

Система стабилизированного питания.

Для обеспечения мобильности устройства в качестве питающего элемента выбран комплект батарей с суммарным напряжение 36 В.

Разные напряжения питания микросхем обусловили применение нескольких стабилизаторов:

LM7805 имеет на выходе напряжение +5 В для питания микроконтроллера

LM7812 имеет на выходе напряжение +12 В для питания микросхем буферного усилителя UCC37324 и драйвера ключей двигателя.

2.3 Разработка схемы размещения элементов

Для лучшей электромагнитной совместимости необходимо разнести силовые цепи и компоненты, и управляющие цепи и компоненты как можно дальше друг от друга. Лучше всего мощные ключевые транзисторы размещать не далеко от разъема, а микросхемы управления разместить на противоположной стороне от разъема. Таким образом мы добьемся минимизации импульсных помех от силовых транзисторов. Пример одного из вариантов размещения элементов показан в приложении 6 (НГТУ.687 274.003). В дальнейшем на этот вариант размещения была произведена разводка печатной платы.

3. Конструкторский раздел

3.1 Выбор и обоснование конструкции модуля

Уровень развития радиоэлектронных средств немыслим без применения систем автоматизированного проектирования (САПР) на различных этапах разработки и производства аппаратуры.

Автоматизированное проектирование — важная составная часть научно — технического прогресса. Для решения этого вопроса нужны специалисты по системам автоматизированного проектирования (САПР). Поэтому в технических вузах страны идет подготовка таких специалистов. Особое внимание при этом уделяется специалистам «Электронные вычислительные машины», «Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры», «Автоматизированные системы управления», в рамках которых готовятся как инженеры — пользователи, так и инженеры — разработчики.

На современном этапе проектирование РЭС очень трудно добиться необходимого качества продукции без использования современных САПР. В последние несколько лет заметна тенденция резкого сокращения сроков проектирования новых изделий при возрастающих требованиях к их качественным характеристикам. Создание нового электронного устройства включает в себя следующие этапы:

формирование технического задания (ТЗ) на разработку, определение структуры алгоритмов функционирования схемы;

разработка электрической принципиальной схемы, перечня элементов и выпуск соответственной документации;

моделирование и макетирование отдельных узлов или всего устройства в целом;

разработка конструкции печатной платы и выпуск комплекса конструкторской и технологической документации;

подготовка к производству и изготовлению печатных плат;

сборка, настройка и регулировка изделия

Проектирование современной радиоаппаратуры занимает очень много времени, так как это очень сложная задача, поэтому применение САПР позволяет сократить время и количество рабочих на этапе проектирование РЭА.

Состав технических средств САПР выбирается исходя из требуемой производительности на основе анализа характеристик проектируемых изделий, алгоритмов их проектирования, технологического цикла конструирования, выпускаемой конструкторской документации, процесса изготовления и контроля аппаратуры в производстве.

Успех автоматизированного конструирования зависит в основном от применяемых вычислительных средств. Используемые в САПР ЭВМ должны иметь высокое быстродействие, большую оперативную и внешнюю память, средства диалогового общения человека с машинной, графопостроители, печатающие устройства.

Нельзя себе представить разводку многослойной печатной платы ручным способом. В современных условиях ни одно предприятие, которое хочет выдержать жесткую конкуренцию, не может позволить ручной работы. Следовательно, необходимо комплекс пакетов, которые удовлетворяли требованиям производства современных РЭА. Поэтому стоит проблема подбора комплекта пакетов, которые поддерживали бы один формат файлов и имели функции экспорта — импорта файлов.

Одной из подобных систем является САПР OrCAD фирмы Cadence Design Systems. На сегодняшний день, пройдя значительный путь по совершенствованию своего продукта, OrCAD представляет собой систему, позволяющую разработчику в достаточно короткие сроки создавать, моделировать электронные схемы, разрабатывать печатные платы и подготавливать их к производству. Поддержка производителями элементов и производственного оборудования среды OrCAD позволяет ей по праву считаться одним из лучших пакетов.

САПР OrCAD — интегрированное программное обеспечение, предназначенное для сквозного проектирования радиоэлектронных устройств.

Особенностью системы OrCAD можно отметить законченность отдельных составляющих, представляющих собой самостоятельные пакеты. Нет охватывающей программы, но обмен документами происходит автоматически, такое решение уменьшает требования к ресурсам и ускоряет обмен между пакетами. Интеграция пакетов для работы происходит при работе, а не при инсталляции, поэтому нет проблем работы в отдельном пакете без запуска других

Данный модуль управления можно конструктивно представить различными способами. Для упрощения конструкции, времени и трудоемкости сборки, а также уменьшения себестоимости модуля, необходимо разместить все электронные компоненты на одной печатной плате, имеющей с одной стороны разъем для подключения двигателя и питания, а с другой органы управления. Разводку печатной платы произведем в специализированной системе PCAD. Готовый вариант разводки показан в приложении 4 (НГТУ.758 727.003). Печатную плату будем устанавливать на основание — теплоотвод. Таким образом мы избавляемся от необходимости устанавливать дополнительные радиаторы. Установив две стенки на основание, закроем блок крышкой из цельногнутого металла. Вариант примерной конструкции корпуса модуля показан в приложении 5 (НГТУ.430 431.003 ВО).

3.2 Расчет тепловых режимов ключевых элементов, выбор теплоотвода

Тепловой режим РЭА есть пространственно-временное распределение температуры в РЭА, соответствующее определённому пространственно-временному распределению тепловыделения в РЭА. Под заданным тепловым режимом в РЭА понимают такой тепловой режим, при котором температура каждого из элементов РЭА равна заданной или не выходит за пределы, указанные для этого элемента. Точный анализ температурного состояния РЭА связан с большими трудностями, которые объясняются сложностью конструкции и проходящих в ней процессов, поэтому при изучении теплового режима РЭА применяют приближённое физико-математическое исследование и расчёт теплоотвода в РЭА носит оценочный характер, необходимый для установления исходных параметров конструкции.

Комплекс мероприятий, направленный на снижение температуры, часто связан с дополнительными материальными затратами, поэтому в процессе разработки РЭА необходимо уделять внимание экономически обоснованному решению конструкции при приемлемом перепаде температур. По соображениям экономическим прежде всего необходимо стремиться к естественному охлаждению, принимая конструктивные меры к интенсификации передачи тепла в окружающее пространство или на другие части конструкции.

Естественное воздушное охлаждение РЭА — самый простой способ отвода тепла в окружающее пространство, осуществляемый за счёт свободной конвекции и лучеиспускания. Естественное воздушное охлаждение в блоках позволяет отводить тепло.

Расчёт охлаждения при естественной конвекции сводится к определению тепловой характеристики корпуса и нагретой зоны РЭА. Тепловой характеристикой корпуса прибора называется функциональная зависимость перегрева от его мощности тепловыделения.

Корпус устройства изготовлен из листового алюминиевого сплава.

Эти материалы обладают достаточно большой теплопроводностью; кроме того, тепловая энергия, передаваемая от нагретой зоны кожуху, приблизительно равномерно распределена по всей поверхности, поэтому с достаточным основанием кожух можно считать изометрической поверхностью.

Тепловой расчет мощных полевых транзисторов работающих в ключевом режиме производится методом последовательного приближения. Исходя из реальной конструкции рассчитывают условную нагретую зону. Задаются температурой условной нагретой зоны относительно окружающей среды.

По тепловому режиму блоки и узлы РЭА можно разделить на теплонагруженные и не теплонагруженные. Оценка тепловой нагрузки производится по тепловому потоку, проходящему через единицу поверхности. Тепловая нагрузка до 0,05 Вт/см2 считается малой, а свыше 0,05 Вт/см2 — большой. Устройство имеет габариты L1 =345 мм, L2 =170 мм, L3 =90 мм.

Расстояние от верхней стенки кожуха, до нагретой зоны h1=8мм, от нижней стенки до шасси h2=15мм, высота нагретой зоны h3=23мм. Толщина стенок L=1мм.

Расчет.

Мощность рассеиваемая в блоке Рб = 80 Вт

Мощность рассеиваемая элементом Р_з = 50 Вт

Горизонтальные размеры корпуса блока: L1 = 345 мм — длина блока

L2 = 170 мм — ширина блока L3 = 90 мм. — высота блока.

Площадь поверхности элемента S_эл = 25*10^-3 м².

Коэффициент заполнения К_з= 0,4

Температура окружающей среды Тс = 293 К (20*С)

Давление окружающей среды Н1= Н2 = 0,1 МПа

1. Расчитывается поверхность корпуса блока по формуле:

S_K = 2 [L₁ L₂ + (L₁ +L₂) L₃],

S_K = 2 [0.2950.312+ (0.295+0.312) 0.295] =0.542 м²;

2. Определяется условная поверхность нагретой зоны по формуле:

S_З = 2 [L₁ L₂ + (L₁ +L₂) L₃K_З],

где K_З — коэффициент заполнения.

S_З=2 [0.2950.312+ (0.295+0.312) 0.2950.4] =0.326 м²;

где L₁, L₂, L_{3 -} геометрические размеры корпуса,

3. Определим удельную мощность корпуса блока:

q_K = P_З / S_K;

q_K = 50/0.542 = 92,25 Вт / м²

где P₃ — мощнось рассеиваемая нагретой зоной.

4. Удельная мощность нагретой зоны:

q_З = P_З / S_З;

q_З = 92,25/0.326 = 282,97 Вт / м²

5. Найдем коэффициент в зависимости от удельной мощности корпуса блока

рис. 12 Зависимость перегрева корпуса от удельной мощности V₁ = 11 К

6. Найдем коэффициент в зависимости от удельной мощности нагретой зоны

Рис. 13 Зависимость перегрева нагретой зоны от удельной мощности рассеивания V₂ = 30 К

7. Найдем коэффициент, зависящий от атмосферного давления вне корпуса

Рис. 14 Зависимость К_н1 от окружающей среды 0? Н₁? 2.6 · 10 ³ Па К_н1 = 1.0

8. Найдем коэффициент, зависящий от давления внутри корпуса блока

Рис. 15 Зависимость К_н2 от давления внутри корпуса 0? Н₂? 12.8 · 10 ³ Па К_н2 = 1.0

9. Определим нагрев корпуса

V_к = V₁· К_н1, V_к = 11 К

10. Рассчитаем перегрев нагретой зоны

V_з = V_к + (V₂ — V₁) К_н2

V_з = 11 + (30−19) · 1 =22 К

11. Определим средний перегрев воздуха в корпусе

V_в = 0.5· (V_к +V_з), V_в =42,1 К

12. Определим удельную мощность элемента

qэл = 50/ (15*10^-3) =45 Вт/м²

13. Рассчитаем перегрев поверхности элементов

V_эл = V_{з (}a + b· q_эл / q_з),

где a = 0.75, b = 0.25

V_эл = 48 (0.75 + 0.25 · 22/282,97) = 36,9 К

14. Рассчитаем перегрев окружающей элементы среды

V_эс = V_в (a + b · q_эл / q_з)

V_эс = 42,1 (0.75 + 0.25 · 22/282,97) = 32,39 К

15. Определим температуру корпуса блока

Т_к = V_к + Т_с = 11 + 293 = 314 К

16. Определим температуру нагретой зоны

Т_з = V_з + Т_с = 22+293=315К

17. Найдем температуру поверхности элементов

Т_эл = V_эл +Т_с, Т_эл = 36,9 +293 =329,9 К

18. Находим среднюю температуру в блоке

Т_в = V_в + Т_с, Т_в = 42,1 + 293 = 335,1 К

19. Находим температуру окружающей элементы среды

Т_эс = V_эс + Т_с, Т_эс = 32,4 + 293 = 325,4 К

Температура корпуса блока 41⁰ C

Температура нагретой зоны 62⁰ C

Температура поверхности элемента 57 ⁰ C

Средняя температура воздуха в блоке 58 ⁰ C

Температура окружающей элемент 49⁰ C

3.3 Вывод

В результате проектирования получили блок, имеющий небольшие габаритные размеры. Конструкция блока проста и не требует множество трудоемких сборочных операций. Применив алюминиевый теплоотвод в качестве основания блока, мы тем самым отводим достаточное количество тепла. Исходя из полученных расчетов, можно сделать вывод, что нет необходимости в принудительном охлаждении блока или отдельных его частей.

4. Технологическая часть

4.1 Разработка технологии сборки ячейки модуля

Получив готовую печатную плату, необходимо создать технологический процесс дальнейшей установки на нее электронных компонентов. Разработку будем вести в специализированном программном комплексе для технического подготовки производства TechnologiCS. Ниже приведены необходимые действия и описание основных возможностей TechnologiCS для создания технологического процесса.

Для каждой номенклатурной позиции системы TechnologiCS возможно ведение технологического процесса (ТП). В системе возможен режим прямого проектирования последовательный ввод и редактирование позиций технологического процесса.

Операции вводятся в ТП последовательно одна за другой, при этом:

· последующая операция добавляется в конец техпроцесса;

· поскольку операция может быть привязана только к ТП, в блоке «Привязка ТП к» автоматически назначается кнопка «к тех. процессу»

При необходимости, операции ТП назначается операционный эскиз (также из справочника документов) из справочника цехов заполняется поле «Цех», в котором отображается также участок.

Если в комплекте документов для данной операции необходимо выдавать карту наладки, то необходимо указать флажок «Выдача карты наладки после технологической операции.

Включение/исключение операции из комплекта документов определяется флажком «Операция включается в комплект документов» .

Если для данной операции имеется типовой технологический процесс (ТТП), то вводится ссылка на справочник и ТТП.

Ввод технологического перехода.

Каждая технологическая операция может состоять из произвольного количества переходов. Поэтому при введении нового перехода необходимо предварительно выбрать технологическую операцию, и затем последовательно вводить относящиеся к ней переходы.

Ввод/корректировка материала заготовки.

Для технологических процессов изготовления деталей вводится материал заготовки. Как правило, материал заготовки определяется конструктором на этапе разработки детали и вводится в технологию с помощью класса «Конструкторский материал» Материал, выбранный технологом, может отличаться от назначенного конструктором вследствие текущего состояния производства. Поэтому в технологии вводится уникальный материал заготовки, а конструкторский материал используется для справки.

При этом:

материал заготовки вводится из справочников, которым назначен класс «Материалы» ,

поскольку материал заготовки уникален, то в блоке «Привязка в ТП к» он автоматически привязывается к текущему техпроцессу.

единица измерения, выбираемая из системного справочника единиц измерения.;

единица веса, также выбираемая из системного справочника единиц измерения;

единица нормирования, т. е. количество производственных объектов, на которое устанавливается техническая норма;

количество деталей, изготавливаемых из одной заготовки;

ширина реза, если из одной заготовки вырезается несколько деталей;

габариты заготовки (длина, ширина и высота) и размеры заготовки (профиль);

код заготовки по классификатору, допускается указывать вид заготовки (отливки, прокат, проволока и т. д.);

масса детали берется из списка коэффициентов пересчета единиц измерения на номенклатурную позицию, в технологическом процессе которой мы находимся, если в списке есть пересчет из базовой единицы (штука) в единицу веса, указанную в текущем диалоговом окне;

Ввод/корректировка вспомогательного материала.

В технологическом процессе может быть назначено произвольное количество вспомогательных материалов, которые могут использоваться как в технологическом переходе, так и в операции и в техпроцессе в целом. Поэтому при введении нового вспомогательного материала необходимо предварительно выбрать весь ТП, технологическую операцию, или переход в дереве, находящемся в информационном поле, а затем последовательно вводить относящиеся к ним вспомогательные материалы. При этом в блоке «Привязка ТП к» автоматически назначается кнопка с текущим выбором в дереве, которую можно изменить, изменив соответственно и привязку.

Набор реквизитов для технологической документации:

· Единица измерения

· Единица веса

· Количество

· Обозначение подразделения-поставщика (ОПП)

· Единица нормирования

· Норма расхода

· Коэффициент нормирования.

Перечень используемых для данного материала таблиц материального нормирования (для одного материала можно использовать только одну таблицу), где указаны:

В правой части:

1. название таблицы нормирования

2. количество элементов нормирования, которые по данной таблице нормируются

3. значение параметра получено по таблице

4. единица измерения

5. вес единицы измерения

В левой части — перечень параметров, по которым выбирается значение из таблицы, выбранное значение.

Ввод/корректировка конструкторского материала.

Как уже было сказано ранее, конструкторский материал может вводиться как в режиме ведения спецификации, так и в режиме ведения технологии. В режиме технологии введение конструкторского материала практически ничем не отличается от введения материала заготовки. Поскольку конструкторский материал используется в технологии только для справки, закладка «Реквизиты» в нем недоступна.

Ввод/корректировка расцеховки.

Поскольку расцеховка относится ко всему техпроцессу, то при ее вводе выбирается только вид расцеховки, которая автоматически привязывается к техпроцессу. Поскольку один ТП может содержать не один технологический маршрут, то и расцеховок может быть несколько.

Ввод/корректировка оборудования.

На каждой технологической операции может использоваться несколько типов оборудования, которые вводятся последовательно одно за другим и автоматически привязываются к текущей операции. При этом, поскольку оборудование может быть привязано только к операции, в блоке «Привязка в ТП к» автоматически назначается кнопка «к операции» .

Ввод/корректировка инструмента.

В технологическом процессе к операции и переходу может быть назначено произвольное количество инструментов. Поэтому при введении нового инструмента необходимо предварительно выбрать технологическую операцию или переход в дереве, находящемся в информационном поле, а затем последовательно вводить относящиеся к ним инструменты, при этом в блоке «Привязка ТП к» автоматически назначается кнопка с текущим выбором в дереве, которую можно изменить, изменив соответственно и привязку.

При нажатии кнопки время работы берется из машинного времени у технологического перехода, к которому привязан инструмент, а количество инструмента рассчитываться из стойкости и времени работы.

Создание новой схемы проектирования.

Для создания новой схемы проектирования в поле «Имя схемы» окна настройки мастера прямого проектирования введите ее название. В правой части окна настройки мастера показан список возможных действий пользователя при проектировании ТП. Для удобства, все они разбиты на две основные части — «Этапы операции» и «Этапы перехода» .

Запуск и работа с мастером.

Чтобы начать работу с мастером прямого проектирования запустите его из контекстного меню, выберите необходимую схему проектирования в поле «Доступные схемы» и нажмите кнопку «Принять», чтобы продолжить работу с мастером. кнопку «Запуск» .

Мастер редактирования.

Другим инструментом, позволяющим ускорить процесс проектирования технологических процессов, является мастер редактирования. В отличие от мастера прямого проектирования, алгоритм работы мастера редактирования не настраивается пользователем, а представляет собой жестко заложенный в систему многовариантный алгоритм проектирования/редактирования, в котором действия выбираются из различного рода меню.

Заимствование позиций техпроцесса.

Один из наиболее эффективных и используемых методов проектирования ТП — метод заимствования фрагментов. Обычно, технолог нарабатывает для себя некоторые стандартные элементы ТП, которые затем постоянно использует для создания новых ТП. Эта возможность полностью поддерживается системой TechnologiCS.

Скопированный фрагмент будет добавлен в конец ТП. Чтобы привести в соответствие представление ТП на экране истинному, нажмите кнопку «Обновить», находящуюся на панели управления.

Развернутый техпроцесс.

Данный режим предназначен для удобного просмотра реквизитов позиций техпроцесса и получения технологической документации.

Поскольку для различных позиций ТП реквизиты должны быть разными (например для операции — № Цеха, № Участка и т. д., а для оборудования — Степень механизации, Код профессии), то в правой части таблицы использован многострочный заголовок, в котором выбирается и подсвечивается строка, соответствующая виду позиции ТП.

В соответствии с ГОСТ 3.1118−82 каждая строка заголовка обозначена литерой так, как она будет выводиться в технологических документах.

Показать в номенклатуре.

Для того, чтобы быстро отыскать в номенклатурном справочнике системы позицию, занесенную в технологический процесс, можно прямо из режима развернутого техпроцесса воспользоваться кнопкой «Показать в номенклатурном справочнике» на панели управления, либо выбрать данный режим из контекстного или основного меню.

Собрать все нормировочные таблицы.

Для удобства представления и анализа в режиме ведения технологии предусмотрен режим, в котором можно собрать все нормировочные таблицы технологического процесса.

Полный техпроцесс.

Данный режим предназначен для просмотра техпроцесса с отображением всех реквизитов и формирования технологической документации.

В режиме ведения технологического процесса фильтрация данных в области редактирования происходит особым образом. При выборе пункта «Фильтр» в основном или контекстном меню, либо при нажатии на кнопку панели управления в заголовке столбца «Класс» появляется дополнительный элемент, при помощи которого накладывается условие на видимые строки в области редактирования.

Например, для отображения только операция нужно в выпадающем списке выбрать «Операция» и т. д. При повторном вызове режима «Фильтр» дополнительный элемент исчезает.

При корректировке или просмотре записи техпроцесса кнопка «Следующий» позволяет перейти к следующей позиции техпроцесса с записью сделанных изменений в случае корректировки.

При переходе на следующую запись проверяются права пользователя на доступ и в случае отсутствия прав на просмотр произойдет переход к очередной доступной, а в случае отсутствия прав на редактирования будет разрешен только просмотр данных.

Для того чтобы просмотреть данные о номенклатурной позиции, на которую открыт техпроцесс, в панели управления присутствует кнопка «Информация о заголовке» .

4.2 Вывод

В приложении 7 приведена полученная маршрутно-операционная карта по ГОСТ 3.1118−82 на технологический процесс сборки ячейки.

5. Организационно-экономический раздел

5.1 Введение: технико-экономическая целесообразность разрабатываемой темы

Разработка новых радиоэлектронных устройств и приборов должна сопровождаться оценкой ее экономической эффективности. Если эффективность внедрения новых устройств и приборов мала, либо с экономической точки зрения нецелесообразна, то от дальнейшей разработки и внедрения в производство необходимо отказаться в пользу разработок с лучшими технико-экономическими показателями, либо найти другие варианты конструкции и технологии ее изготовления.

Правильный выбор принципов конструирования позволяет получать экономический эффект на всех стадиях: от разработки и изготовления до эксплуатации. В рамках данного раздела анализируется технико-экономическая эффективность разработки электронного модуля для управления стандартным двигателем малой мощности с применением запрограммированного микроконтроллера и рассматриваются вопросы затрат на проектирование и себестоимость опытного образца.

При внедрении проекта очевидны следующие выгоды:

Так как в схеме применен микроконтроллер, получаем которое программируется и модифицируется без всяких изменений в схеме. Низкая себестоимость производства из-за простоты схемы управления. Большая надежность устройства, а следовательно, и снижены расходы на ремонт.

5.2 Расчёт сметы затрат на НИР

В данном пункте рассчитываются затраты на проектирование электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядных ламп. Процесс проектирования связан с проведением научно-исследовательской работы (НИР). Расходы на проведение НИР определяются по следующим калькуляционным статьям:

1. заработная плата разработчиков;

2. основные и вспомогательные материалы;

3. покупные комплектующие изделия;

4. расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;

5. накладные расходы;

6. отчисления на социальные нужды.

Для расчёта заработной платы составлен график проведения НИР:

Таблица 1.

Таблица 2. Основные и вспомогательные материалы.

При учете затрат на основные и вспомогательные материалы следует добавить к общей сумме расходы на транспортно-заготовительные работы, которые, как правило, составляют 10% от затрат на материалы:

Затраты на основные и вспомогательные. материалы = 171 + 10% = 188,1 руб.

Таблица 3. Покупные изделия и комплектующие.

Таблица 4. Покупные изделия и комплектующие (продолжение).

С учетом траспортно-заготовительных работ, которые составляют 10% от общей суммы, получим затраты на покупные изделия: 4467+ 10% = 4926,9 руб.

Таблица 5. Учет машинного времени.

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования будем учитывать в виде затрат на машинное время, так как основные этапы проектирования прибора выполняются на ПЭВМ с помощью различных САПР и редакторов. Затраты на машинное время исчисляются по 20 руб/час, и при общей продолжительности работ составляют:

Затраты на машинное время = 136 20 = 2720 руб.

Рассчитаем фонд основной заработной платы с учетом поясного коэффициента (25%) и премий (30%):

ЗП_ОСН = 29 650+55% = 45 957,5 руб.

Дополнительная заработная плата составляет 15% от основной:

ЗП_ДОП = 46 887,5 15% = 6893,6 руб.

Общая заработная плата:

ЗП_ОБЩ = ЗП_ОСН + ЗП_ДОП = 45 957,5 + 6893,6 = 52 851,1 руб.

Накладные расходы включают в себя общие и лабораторные расходы и составляют 150% от общей заработной платы:

Накладные расходы = ЗП_ОБШ 150% = 79 276,65 руб.

Единый социальный налог составляет 26% от общей заработной платы:

ЕСН = ЗП_ОБЩ 26% = 13 741,29 руб.

Таблица 6. Сводная смета затрат на НИР.

Себестоимость опытного образца.

Проведем расчет себестоимости опытного образца в производственных условиях. При составлении плановой калькуляции должна быть определена величина прямых и косвенных расходов на производство единицы продукции, учитывая, что в производстве кроме основных материалов используются и вспомогательные.

Себестоимость опытного образца рекомендуется определять по следующим калькуляционным статьям:

· затраты на основные и вспомогательные изделия;

· покупные комплектующие изделия;

· основная заработная плата;

· дополнительная заработная плата;

· отчисления на соц. нужды;

· общецеховые расходы;

· внепроизводственные расходы;

Затраты на основные и вспомогательные изделия возьмем из таблицы 2, а затраты на комплектующие — из таблицы 3. Для определения заработной платы составим график производственных работ.

Таблица 7. График производственных работ.

Основная заработная плата производственных рабочих: ЗП_ОСН = 1270 руб.

Дополнительная заработная плата:

ЗП_ДОП = ЗП_ОСН30% = 381 руб.

Общая заработная плата:

ЗП_ОБЩ = ЗП_ОСН + ЗП_ДОП = 1651 руб.

Единый социальный налог:

ЕСН = ЗП_ОБЩ 26% = 429,26 руб.

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования зависят от его типа, продолжительности работ и других факторов. В условиях промышленного производства данные расходы входят в состав общецеховых расходов, которые исчисляются в размере 150% от общей заработной платы:

Затраты на содержание = ЗП_ОБШ 150% =2476,5 руб.

Суммарная себестоимость:

С = 171 + 4479 + 1270 + 381+ 429,26 + 2476,5 = 9206,76 руб.

Внепроизводственные расходы составляют 5% от суммарной себестоимости изделий:

Вн. расх. = С 5% = 460,34 руб.

Таблица 8. Затраты на изготовление опытного образца.

Для определения рыночной цены модуля, необходимо заложить прибыль, и учесть налог:

Расчёт экономической эффективности.

Для расчета экономической эффективности разработки требуется провести сравнение разрабатываемого устройства с базовым образцом.

Ежегодный объём продаж N планируется в количестве 5000 шт. в год;

Жизненный цикл устройства Тж составляет 5.5 лет;

Вероятность технического успеха Ртех=0.7;

Вероятность коммерческого успеха Рком =0.8;

Себестоимость одного устройства С=12 926,26 руб;

Стоимость аналога Ц=15 000;

Капиталовложения на все стадии разработки и реализации устройства составляют К = 153 239,04

Подставив все значения в формулу, получаем Э = 0.778

Полученный результат позволяет сделать вывод что разработка и изготовление устройства экономически целесообразно.