Электронный блок управления сварочным аппаратом

Сварочное оборудование, используемое при ручной дуговой сварке:

• сварочные трансформаторы
• сварочные выпрямители
• сварочные преобразователи
• сварочные агрегаты (сварочные генераторы)
• сварочные инверторы (инверторные сварочные аппараты)

 

5. Анализ исходных данных

 

Исходные данные позволяют на своей основе сконструировать электронный блок управления сварочным аппаратом для последующего серийного выпуска. Оценка данной возможности дана в п.3.

Электрическая принципиальная схема позволяет внести в нее некоторые изменения, улучшающие параметры устройства, повышающие безопасность эксплуатации, удобство пользования, надежность. К таким изменениям относятся: элементы индикации режимов работы, введение схемы защитного отключения.

В процессе конструирования необходимо рассмотреть вопросы повышения класса защиты корпуса от пыли и воды, определить класс защиты прибора от поражения электрическим током, уменьшить массу, обеспечить технологичность конструкции.

 

1.6 Выбор элементной базы

 

Высокие эксплуатационные показатели надежности радиоаппаратуры достигаются, прежде всего, правильным подбором элементов, с учетом всех требований, которые будут предъявлены в процессе эксплуатации к аппаратуре. Радиоэлементы, выбираемые для использования в проектируемом изделии должны удовлетворять следующим требованиям:

- технические параметры  элементов должны обеспечивать  заданные выходные характеристики изготавливаемого прибора, с необходимым коэффициентом запаса;

- элементы должны соответствовать  требованиям, предъявляемым к радиоаппаратуре климатическими, механическими и электрическими условиями эксплуатации;

- стоимость комплектующих должна  быть по возможности минимальной, а элементы при этом применятся по своему прямому назначению в соответствии с требованиями ТУ;

- работоспособность в диапазоне  температур и других климатических факторов заданного климатического исполнения;

- конструктивной и технологической  совместимости всех типов элементов, возможности их автоматизированной  установки;

- допустимости их в новых разработках.

Выбору конкретного типа радиоэлемента должен предшествовать детальный анализ функций и условий работы в конкретной электрической схеме и изделии в целом. На основе этого анализа составляют перечень требований, предъявляемых к функциональному назначению и основным параметрам элементов. Исходя из детального анализа всех требований, выбирается тип радиоэлементов, которые войдут в состав элементной базы электронного блока управления сварочным аппаратом в данном дипломном проекте.

Для выбора резисторов применяемых в электронном блоке, необходимо учитывать следующие параметры: параметры и режимы работы при электрических нагрузках, мощность, рассеиваемая на резисторе, эксплуатационные факторы, необходимая стабильность электрических параметров, допустимые размеры и масса резисторов, конфигурация выводов и способ монтажа, показатели безопасности, стоимость резисторов.

Для выбора нужного типа конденсатора необходимо учитывать следующие технические параметры: значение номинальных параметров и допустимых их изменений в процессе эксплуатации, допустимые режимы работы и рабочие электрические нагрузки, эксплуатационные факторы, величины механических нагрузок и относительная влажность окружающей среды, показатели надежности, способ монтажа, масса и конструкция конденсаторов.

Используемые микросхемы выбираются исходя из назначения, конструкции и функциональных возможностей, а так же учитываются следующие параметры: функциональные возможности, выполняемые микросхемами, способ монтажа, напряжение питания, конфигурация выводов.

Учет экономической целесообразности при выборе типа элемента вызван требованием разработки экономической конструкции, т.к. стоимость покупных изделий вместе с другими факторами определяют себестоимость изделия в целом.

Важным фактором в выборе элементной базы является применение микросхем с малым энергопотреблением.

В разрабатываемом мной устройстве применены в основном микросхемы ТТЛШ серии К555: DD1 – К555ЛН1, DD2 – К555ЛА3. Данные микросхемы имеют стандартные габариты, сравнительно небольшую стоимость и массу, низкое потребление мощности, а, следовательно, они являются пригодными для использования в схеме. Операционный усилитель DA1 выполнен на микросхеме К140УД7. Данный тип микросхемы подходит по электрическим параметрам и имеет низкую стоимость.

Для стабильной работы устройства выбраны керамические конденсаторы, т.к. все они имеют сравнительно небольшие габариты, необходимые допуски, малые отклонения от номинала и низкую стоимость. Конденсатор С6 типа К50-35-350В-330мкФ, С11, С12 типа К73-16-250В-3,3мкФ, С8 типа К50-29-350В-22мкФ, конденсатор С23 - типа К50-29-63В-1000мкФ, остальные – типа К50-35 и К73-17.

Постоянные резисторы выбираем – С5-35, С2-23-0,125 и С2-23-0,25, R24, R25 - резисторы типа С5-16МВ – токовыравнивающие резисторы по 0,1 Ом мощностью 2 Вт, переменные – СП3-1а и СП3-3а. Использование этих резисторов является наиболее выгодным, так как имеют малые размеры, низкую стоимость, а так же они удобны при формовке выводов и пайке, т.е. полностью удовлетворяют требованиям данной конструкции.

Трансформатор Т1 – силовой, Т2 – трансформатор высокочастотный. Транзисторы выбираем маломощные, высокочастотные КТ315Б, КТ630В, КТ644А, КТ208А. VT4-VT7 – силовые транзисторы типа 2Т812А. Дроссели типа Д13, Д69.

Реле типа РСТ-11-19-1 УХЛ-4.

 

1.7 Инженерные расчеты

 

1.7.1 Расчет диаметра провода вторичной обмотки трансформатора

Действующее (эффективное) значение тока вторичной обмотки трансформатора со средней точкой 60А – [16]. Тогда сечение провода вычисляем по формуле:

S=Iэ/j                                                                 (1.1)

где Iэ – эффективное значение тока, А;

j – плотность тока, А/мм2.

Принимаем плотность тока j=6А/мм2, тогда получим по формуле (1.1):

S=60/6=10 (мм2)

С целью уменьшения эффекта вытеснения тока, а так же получения достаточной гибкости, разбиваем проводники на 16 проводов. Тогда сечение провода Sn вычисляем по формуле:

                                                                  (1.2)

 (мм2)

Отсюда определяем диаметр повода по формуле:

                                                                (1.3)

(мм)

Принимаем диаметр провода 0,9 мм. Моточные данные трансформатора сведены в таблице 2.1.

 

1.7.2 Расчет величины ограничительного резистора

Величину ограничительного резистора R4 рассчитываем из соотношения:

                                                        (1.4)

где   Un – напряжение питания, В;

Imax – максимально допустимый ток силового транзистора, А;

Iн – приведенный к входному напряжению ток нагрузки преобразователя.

Ток, потребляемый преобразователем, рассчитываем по формуле:

                                                 (1.5)

где     Рн – выходная мощность аппарата, Вт;

η – коэффициент полезного действия;

Uн – напряжение нагрузки, В.

Подставляя эти значения в формулу (1.5) получим:

Подставляя это значение в формулу (1.4) получим:

 

1.7.3 Расчет надежности

Одной из важнейших задач, стоящих перед конструктором, является разработка аппаратуры, обладающей высокой экономической и технической эффективностью, которая в значительной мере определяется надежностью.

Надежность радиоэлектронной аппаратуры характеризует свойство аппаратуры выполнять заданные функции, сохраняя свои параметры в установленных пределах в течение требуемого промежутка времени, при определенных условиях эксплуатации.

Общую надежность  можно принимать как совокупность трех свойств: безотказность, восстанавливаемость, долговечность.

Безотказность - свойство системы непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени в определенных условиях эксплуатации. Она характеризуется закономерностями возникновения отказов.

Восстанавливаемость - это приспособленность системы к обнаружению и устранению отказов с учетом качества технического обслуживания. Она характеризуется закономерностями устранения отказов.

Долговечность - свойство системы длительно сохранять работоспособность в определенных условиях. Количественно характеризуется продолжительностью периода практического использования системы от начала эксплуатации до момента технической и экономической целесообразности дальнейшей эксплуатации.

Методы повышения надежности в зависимости от области их применения можно разделить на три основные группы: производственная, схемно-конструкторские, эксплуатационные.

К производственным методам относятся:  получение  однородной продукции, стабилизация технологии, анализ дефектов и механизмов отказов, разработка методов  испытаний,  определение  зависимости показаний надежности от интенсивности внешних воздействий.

К схемно-конструкторским методам относятся:  выбор подходящих условий нагрузки,  унификация узлов и элементов,  разработка схем с допусками на отклонение параметров элементов, резервирование, контроль работы оборудования, введение запаса работы во времени.

К эксплуатационным методам относятся: сбор информации надежности, увеличение интенсивности восстановления, профилактические мероприятия, граничные испытания.

Наиболее ответственным этапом по  удовлетворению требований эксплуатационной надежности является этап проектирования.

Насколько всесторонне учтены при проектировании  и изготовлении опытного образца условия производства и эксплуатации с точки зрения безопасности в работе, ремонтопригодности, долговечности аппаратуры, настолько последняя будет обладать эксплуатационной надежностью.

К критериям безопасности относятся: вероятность безотказной работы, частота отказов, интенсивность отказов, среднее  время безотказной работы, наработка на отказ.

Интенсивностью отказов называется отношение числа отказавших изделий в единицу времени к среднему числу изделий, продолжавших исправно работать. Средним временем безотказной работы называется арифметическое время исправной работы каждого изделия. В теории вероятности применяются различные законы распределения.  Наиболее простым  распределением  потока отказов во времени является эксплуатационный закон распределения,  который рассматривает последовательность отказов во времени, как простейший поток событий.

Расчет надежности по внезапным отказам сводится к определению средней наработки изделия до первого отказа  и вероятности его безотказной работы за заданное время с учетом электрических режимов работы элементов и воздействующих эксплуатационных факторов (климатических, механических и др.). Для количественной оценки надежности узлов, блоков или изделия в целом разработан статистический метод, основанный на теории вероятностей и математической статистики.

Интенсивность отказов комплектующих элементов, являющаяся их исходной характеристикой надежности, зависит от режима работы и внешних воздействий (температура, влажность, вибрации и т.д.):

                                ;                                                          (1.6)

где - интенсивность отказов при нормальных условиях работы;

-поправочные коэффициенты, учитывающие режимы работы и условия эксплуатации.

Для учета влияния режимов работы на интенсивность отказов электрорадиоэлементов вводится коэффициент нагрузки, равный отношению нагрузки в рабочем режиме к нагрузке в номинальном режиме.

                                         ;                                                         (1.7)

Для расчета надежности применяются следующие положения:

1) Интенсивность отказов любого i–го элемента равна среднему значению за период его эксплуатации ;

2) Закон распределения вероятности  безотказной работы элементов - экспоненциальный  ;

3) Соединение элементов последовательное, т.е. отказ любого из m элементов приведет к отказу всей системы. При последовательном соединении элементов вероятность безотказной работы элементов определяется:

                                       ;                                                              (1.8)

                                       ;                                                                 (1.9)

 где  - интенсивность отказов.

После расчета интенсивности отказов комплектующих элементов рассчитывается суммарная интенсивность отказов элементов, составляющих в совокупности ЭВА:

                                       ;                                                           (1.10)

далее рассчитывается общая интенсивность отказов ЭВА:

                                   ;                                               (1.11)

где - обобщенный эксплуатационный коэффициент;