Розрахунок і модернізація випрямляча

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Об'єкт розробки - випрямляч 3150А, 24 В для гальваніки.

Мета роботи - розрахунок і модернізація випрямляча.

Метод розробки - аналітичний розрахунок з метою визначення основних параметрів та вибору конструктивних елементів.

Виконано розрахунок силової схеми випрямляча, а саме: живлячого трансформатора, силових напівпровідникових пристроїв, коефіцієнта потужності, зовнішньої характеристики випрямляча. Описана технологія складання силового блоку. Спроектована система управління і регулювання.

Виконані розрахунки економічної ефективності проекту, розглянуті заходи з охорони праці.

ВИПРЯМЛЯЧ, МІКРОКОНТРОЛЕР, АВТОМАТИЧНИЙ ВИМИКАЧ, ЖИВЛЯЧИЙ ТРАНСФОРМАТОР, СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ТА РЕГУЛЮВАННЯ.

ЗМІСТ

Вступ

1. Вибір напряму проектування

1.2 Огляд схем випрямлячів для гальваніки

1.3 Технічний опис виробу, що розробляється

1.4 Постановка завдання

1.5 Проектно-технічне завдання

2. Розрахунок силової схеми випрямляча

2.1 Розрахунок живлячого трансформатора

2.2 Розрахунок і вибір силових напівпровідникових приборів

2.3 Розрахунок коефіцієнта потужності

2.4 Вибір швидкодіючого автоматичного вимикача

2.5 Зовнішня характеристика випрямляча

3. Технологія складання силового блоку

4. Система управління та регулювання

4.1 Визначення критеріїв порівняння типів мікроконтролерів

4.2 Порівняння мікроконтролерів різних виробників

4.3 Характеристика мікроконтролера MSP430F135

5. Економічна ефективність випрямляча для гальваніки та електролізу з мікропроцесорним управлінням

5.1 Характеристика інноваційного проекту, оцінка ринку збуту

5.2 Собівартість та ціна виробу

5.3 Капітальні витрати

5.4 Експлуатаційні витрати

5.5 Економічна ефективність проекту

6. Охорона праці

6.1 Заходи з охорони праці

Висновки

Перелік посилань

ВСТУП

Електролітичні процеси нанесення металопокриття (гальванотехніка) застосовуються для захисту виробів від корозії, захисно-декоративної обробки, підвищення опору механічному зносу та поверхневої твердості, надання антифрикційних властивостей відбивній здатності та інших цілей (гальваностегія), а також для виготовлення металічних копій (гальванопластика).

Засновником гальванотехніки є Б.С.Якобі - академік, який вперше в 1837 році отримав мідну копію з металічного оригіналу гальванопластичним методом. Широкого промислового застосування гальванотехніка у ті часи ще не мала. Відомими були лише деякі з електролітичних процесів металопокриття, які використовувались, головним чином, для декоративної обробки поверхні виробів з міді та її сплавів, наприклад, сріблення, золочення, покриття оловом, а також електроосадження міді для отримання металічних копій.

Однак ці процеси неможливі без самої електрики, а в даній темі без самого пристрою випрямляча 3150А, 24 В для гальваніки. Основне завдання пристрою: перетворити змінний струм напругою 380В в 24В постійного струму номіналом 3150А.

Метою дипломного проекту є модернізація випрямляча 3150А, 24В на основі сучасної елементної бази з використанням комплектуючих вітчизняних виробників.

В проекті зроблено огляд номенклатури закордонного та українського ринку, на підставі якого вибрано випрямляч типу В-ТПВ-3,15к/3,15к-24 «ИОН-4М» вітчизняного заводу «Преобразователь». У пояснювальній записці розглянуті його переваги у порівнянні з аналогами. Визначено основний недолік виробу - застарілий мікроконтролер управління. Тому поставлено завдання заміни мікроконтролера та блоку силових тиристорів на сучасні.

Здійснено вибір силового трифазного трансформатора ТВЗП-380/24. Як комутаційний пристрій вмикання/вимикання установки обрано автоматичний швидкодіючий вимикач ВА51-35М2-340010-20.

Побудовано повну зовнішню характеристику випрямляча, розраховано ККД, габарити та вагу виробу.

Економічну ефективність проекту підтверджено відповідними розрахунками. Крім цього, розглянуті заходи з охорони праці та цивільного захисту.

1. ВИБІР НАПРЯМУ ПРОЕКТУВАННЯ

1.1 Огляд схем випрямлячів

Рисунок 1.1 - Принципова схема трифазного однополуперіодного випрямляча

Напруга з вторинної обмотки трансформатора проходить через вентиль на навантаження тільки в позитивні напівперіоди змінної напруги. В негативні напівперіоди вентиль зачинений.

Переваги схеми: простота; зменшене падіння напруги на вентилях, що надто важливо при низьких напругах; менше вентилів, але вони розраховані на більш високу напругу; можливості застосування безтрансформаторної схеми.

Недоліками такої схеми випрямлення є: високий рівень пульсації випрямленої напруги, низький ККД, значно більша, ніж в інших схемах, вага трансформатора та нераціональне використання в трансформаторі міді і сталі.

Дана схема випрямляча застосовується у випадках, коли випрямляч використовується для живлення ланцюгів з низьким струмом споживання, в електроприводах малої та середньої потужності.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.2 - Принципова схема трифазного двонапівперіодного випрямляча (схема Ларіонова)

В цьому випрямлячі використовуються шість вентилів, що мають загальне навантаження. Практично схема представляє собою три однонапівперіодних випрямляча, що мають загальне навантаження. В катодній трійці вентилів проводить вентиль з найбільш позитивним анодом, в анодній трійці вентилів проводить вентиль з найбільш негативним катодом.

Перевага: мінімальна розрахункова потужність трансформатора; найменша зворотна напруга на вентилі; найбільша випрямлена напруга при такій же фазній; малі пульсації; можливість застосування безтрансформаторної схеми.

Недоліки: складніша конструкція трансформатора та нераціональне використання в трансформаторі міді і сталі, подвійне падіння напруги на вентилях, що надзвичайно важливо при малих напругах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.3 принципова схема трифазного випрямляча з вирівняльним реактором

Вирівняльний реактор призначений для зрівнювання миттєвих значень випрямленої напруги обох зірок відносно навантаження та забезпечення паралельної роботи зірок на загальне навантаження. Для цього в кожний момент в кожній з зірок повинен проводити один вентиль.

Переваги: відсутність потоку вимушеного намагнічування, краща якість випрямленої напруги та малий середній струм через вентиль. Недоліки: підняття напруги при малих струмах, більш складне трансформаторне обладнання. Основні розрахункові співвідношення схем випрямлення наведені в таблиці 1.1. Враховуючи переваги і недоліки цих схем, для випрямляча, що проектується, обирається трифазна мостова схема.

Таблиця 1.1 - Основні розрахункові співвідношення схем випрямлення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.2 Огляд схем випрямлячів для гальваніки та електролізу

Розглянемо існуючі випрямлячі для гальваніки та електролізу типу Пульсар Про 3000/24-54, Power IT Compact Rectifier і ВГ-ТПВ-3,15к/3,15к-24.

Однією з переваг випрямлячів ПУЛЬСАР є модульний принцип побудови. Завдяки використанню сучасних технологій вдалося розробити конструкцію, що складається з уніфікованих модулів. Кожний модуль відповідає за певні функціональні можливості випрямляча. Основою є силові модулі, кількістю від одного до чотирьох, в залежності від потрібної потужності. Управління ними здійснює об'єднуючий процесорний модуль.

У випрямлячах, в яких використана модульна конструкція, конструктивно забезпечено можливість зміни розташування усіх керуючих і силових органів обладнання.

Розглянемо головні переваги модульної конструкції на прикладі випрямляча ПУЛЬСАР Про 3150/24-54, що складається з двох силових модулів.

Вихідні шини розташовані на правій панелі випрямляча. За погодженням з замовником пульт керування і блок вимикачів можливо перенести на задню панель. Підведення живлення здійснюється до задньої панелі випрямляча. За погодженням з замовником підводящі кабелі можна завести через передню панель. Таким же чином можна перемістити радіатори і вентилятори з задньої панелі на передню.

Таким чином, у разі зміни розташування підводящого кабеля, панелі керування і блока вимикачів одночасно, вихідні шини «віртуально переміщуються на ліву панель», що дає можливість замовнику розташовувати випрямляч в зручному для нього місці.

Ще однією перевагою подібної конструкції є можливість використовувати один або кілька модулів, не припиняючи роботи усього обладнання. Наприклад, при зміні технологічного процесу, що потребує меншої потужності випрямляча, при резервуванні одного або кількох модулів для подальшого збільшення потужності, при нештатних форс-мажорних обставинах.

Закордонним конкурентом є випрямляч для гальваніки та електролізу фірми ABB PowerIT Compact Rectifier, що базується на перевіреній конструкції, оптимізованій до найдрібніших деталей. Усі компоненти вибрані для максимальної ефективності і надійності. Основна технологія - традиційна тиристорна технологія, скомбінована з дуже гнучким 8-розрядним цифровим модулем мікропроцесорного керування, що пропонує вдосконалене управління і контролюючі програми. PCR постачаються як комплектні, зібрані у вигляді шафи одиниці, що включає регулятор, пульт оператора і систему охолодження. Усе готове і підготоване для швидкого, простого встановлення і пуску. PCR широко використовуються у різних процесах гальваніки та електролізу, а також в різних галузях промисловості. Для поверхневої обробки і для технологічних ліній в сталеливарній промисловості використовуються PCR зі струмом від 1000 до 10000 А. Для хімічних та металургійних галузей промисловості. В очищенні води та обробній промисловості.

PCR є у версіях з повітряним охолодженням, комбінованим повітряно-водним охолодженням і водним охолодженням. Випрямлячі з повітряним охолодженням мають відкриту напорну систему охолодження з використанням вентилятора. Комбіноване рішення використовує водне охолодження для напівпровідників та повітряне охолодження для трансформатора. В третьому типі водне охолодження використовується як для напівпровідників, так і для трансформатора. Комплектною системою охолодження з насосами, теплообмінником та необхідними клапанами можуть оснащуватися різні версії. Трансформатори з повітряним і водним охолодженням розміщені в тій же шафі, що й модуль випрямляча, що робить потужний компактний випрямляч для промислових технологій легким у встановленні. Для більш високих напруг використовується трансформатор з масляним охолодженням, встановленим назовні шафи.

Місцеве керування або інтегроване в повному автоматичному рішенні. Система управління DCS500 розроблена для установок, подібних до потужних компактних випрямлячів для промислових технологій. Вона містить багато самодіагностичних функцій. Випрямляч постачається з пультом оператора, що має індикатори стану та сигналізації аварійного стану, робочі вимикачі та аналогові інструменти або, якщо це необхідно, цифрові дисплеї для відображення даних випрямляча. Як варіант, модуль регулятора може бути обладнаний двома послідовними виводами - один використовується для під'єднання програмного терміналу, інший (RS485) для зовнішніх зв'язків.

Випрямляч ВГ-ТПВ-3,15к/3,15к-24 призначений для живлення технологічним струмом гальванічних ванн. Крім того, може використовуватися для живлення верстатів електрохімічної обробки металів, установок очищення стічних вод та іншого обладнання.

Випрямляч має вбудований силовий трансформатор з природним повітряним охолодженням [5]. Кожен випрямляч типу ВГ-ТПВ комплектується виносним пультом керування, що має герметичне виконання з підвищеною корозійною стійкістю та може встановлюватися або на даху шафи випрямляча, або безпосередньо біля гальванічної ванни [3].

Випрямлячі мають наступні режими роботи:

1) без стабілізації вихідних параметрів (ручний режим);

2) стабілізація вихідного струму в діапазоні уставок від 0,1 до номінального значення з точністю 3%;

3) стабілізація вихідної напруги в діапазоні уставок від 0,25 до номінального значення з точністю 2%;

4) для реверсивних випрямлячів в режимі автоматичного реверсу вихідного струму передбачені наступні діапазони часових уставок:

- прямого струму - від 0 до 100 с, зворотного струму від 0 до 10с з дискретністю 1с і 0,1с відповідно;

- прямого струму від 0 до 1000с, зворотного струму від 0 до 100с з дискретністю 10с і 1с відповідно.

У випрямлячі серії В-ТПВ застосовується контроллер. Він призначений для управління і сигналізації станів випрямляча. Контроллер розрахований для експлуатації при температурі від мінус 10єС до 50єС. При цьому відносна вологість не повинна перевищувати 90% при 20єС або 50% при 40єС. Ступінь захисту оболонки ІР54 згідно ДСТУ14254.

Контроллер виконує такі функції:

- вмикання і вимикання випрямляча;

- безконтактне вмикання і вимикання постійного струму;

- перемикання на обраний вид роботи;

- перемикання на місцеве або дистанційне управління;

- регулювання постійного струму і напруги;

- уставку тривалості часу протікання прямого і зворотного струму;

- перемикання на обраний початковий напрям постійного струму;

- встановлення тривалості імпульсу струму та паузи.

1.3 Технічний опис виробу, що розробляється

Випрямлячі являються регульованими стабілізованими, реверсивними перетворювачами з водним або природним охолодженням і призначені для живлення гальванічних ванн, установок електричної протинакипної обробки води, а також можуть використовуватися як джерело стабілізованої напруги або струму для живлення інших споживачів.

За необхідності випрямлячі можуть виготовлятися нереверсивного виконання. У такому випадку в позначенні випрямляча після цифри порядкового номеру виконання додається буква «Н» у таблиці 1.1.

Таблиця 1.1. - Основні параметри перетворювачів «ИОН»

Тип, умовне найменування випрямляча	Номінальні вихідні параметри	Номінальний вхідний струм, А
	струм, А	напруга, В
В-ТПВ-3,15к/3,15к-24 «ИОН-4М-2»	3150	24	200
В-ТПВ-3,15к-24 «ИОН-4М-2Н»	3150	24	200

Функціональна схема випрямляча серії «ИОН» на рисунку 1.5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.5 - Схема функціональна випрямляча

Випрямлячі мають захисти, що забезпечують їх вимикання при таких режимах:

1) перевантаження - збільшення вихідного струму до значення 1,15 І_ном та більше протягом часу більшого 1,5с;

2) зовнішнє коротке замикання - установка спрацьовування по струму (1,6-2,0) І_ном;

3) внутрішнє коротке замикання - пробій тиристора у силовому блоці;

4) перегрівання - перевищення допустимої температури нагрівання силових тиристорів - при підвищенні (65±2)єС в місці встановлення датчика температури на шині силового блока.

Конструктивно випрямляч «ИОН» виконаний у вигляді шафи випрямляча і пульта дистанційного управління ПДУ.

У шафі розташовані:

- блок силових тиристорів БСТ;

- силовий трансформатор;

- панель П1 з допоміжними вузлами та двома друкованими платами системи управління;

- автоматичний вимикач вхідної напруги;

- шунт для контролю вихідного струму;

- елементи сигналізації про наявність на вході напруги живлячої мережі.

Усі елементи випрямляча, в тому числі й електричні з'єднання, окрім силового трансформатора, розташовані в пиловологозахищених відсіках для зменшення впливу на них агресивного середовища.

Функціонально випрямляч «ИОН» складається з трьох частин:

- силової частини;

- системи фазового управління, регулювання і захисту;

- системи завдання режимів роботи та контролю (пульт ПДУ).

Силова частина випрямляча включає (див. схему електричну принципову):

- автоматичний вимикач вхідної напруги Q1;

- силовий трансформатор TV1, що забезпечує зниження напруги мережі до потрібного рівня і електричну розв'язку ланцюгів навантаження від вхідної мережі;

- блок силових тиристорів БСТ, що складається з 12 тиристорів, зібраних в дві зустрічноввімкнені трифазні мостові схеми випрямляча, що виконують основну функцію випрямлення змінного струму;

- вимірювальний шунт RS1, що використовується для контролю вихідного струму.

Після вмикання автоматичного вимикача Q1 на первинну обмотку трансформатора подається напруга 380 В, 50 Гц.

Напруга з вторинної обмотки силового трансформатора надходить на вхід випрямних мостів.

У випрямлячах з водним охолодженням тиристори блоку БСТ конструктивно встановлюються на пустотілій шині, по якій пропускається вода для відбору тепла від тиристорів.

У випрямлячах з природним охолодженням модулі встановлюються на алюмінієвому профілі, що використовується для повітряного охолодження.

Для контролю температури допустного нагрівання тиристорів на охолоджувачі встановлено датчик температури ДТ, що представляє собою терморезистор в спеціальній конструкції.

Крім того, до складу блоку БСТ входить панель з елементами вихідних формувальників ланцюгів управління тиристорами, до складу блока модулів - панелі резисторів.

На шинах вторинної обмотки силового трансформатора встановлені геркони S1, що використовуються для роботи електронного захисту при внутрішньому замиканні (пробої тиристора).

Для зниження рівня радіоперешкод до вхідних ланцюгів деяких виконань підключені конденсатори С1-С9.

Після вмикання вимикача Q1, при наявності напруги на вході, на шафі повинна бути ввімкнена лампа МЕРЕЖА.

Живлення випрямлячів здійснюється від трифазної мережі змінного струму напругою (380±38) В, частотою (50±1) Гц.

Випрямлячі виготовляються у вигляді двох складових частин: шафи випрямляча та пульта дистанційного управління.

Усі прилади контролю та органи управління випрямлячем знаходяться в ПДУ. На лицьовій панелі встановлено знакосинтезуючий індикатор, елементи світлової сигналізації, а також клавіатура. На пульті зроблені відповідні написи, що пояснюють призначення всіх елементів.

Пульт дистанційного управління встановлюється і закріплюється безпосередньо на кришці шафи випрямляча або може встановлюватися на робочому місці оператора окремо на відстані від шафи до 50 м.

З'єднання пульта з шафою здійснюється спеціальним джгутом, що входить до комплекту поставки.

Пульти дистанційного управління виготовляються двох основних типів: ПДУ-5, ПДУ-6.

Пульт ПДУ-5 забезпечує:

1) вмикання, вимикання випрямляча та світлову індикацію;

2) вибір режиму стабілізації струму або напруги;

3) ручне вимірювання полярності вихідної напруги;

4) регулювання вихідного струму і напруги від нуля до номінальних значень;

5) контроль вихідної напруги за допомогою стрілочного вольтметра;

6) контроль вихідного струму за допомогою цифрового амперметру;

7) світлову індикацію про стан випрямляча;

8) роботу в режимі ручного або програмного управління.

В режимі ручного управління перемикання полярності вихідної напруги і тривалість її роботи в цій полярності визначається оператором.

В режимі програмного управління перемикання з однієї полярності вихідної напруги на іншу і навпаки, а також тривалість роботи в тій чи іншій полярності здійснюється автоматично згідно попередньо заданої оператором програми;

9) в режимі програмного управління тривалість установок робіт:

- в прямій полярності - 15с, 25с, 50с, 100с, 150с, 200с, 250с, 300с, 400с, 500с, 600с, 700с;

- в зворотній полярності - 1с, 2с, 4с, 6с, 10с, 15с, 20с, 25с, 30с, 35с, 40с, 50с;

10) завдання і контроль часу процесу покриття за допомогою таймера. Після закінчення заданого часу видаються звуковий і світловий сигнали;

11) спрощення контролю товщини покриття за допомогою лічильника, ампер-годинника з цифровою індикацією значень, що контролює протікання тільки прямого струму.

Пульт ПДУ-6 забезпечує через додатковий роз'єм можливість приймати команди від зовнішньої СУ.

Команди та сигнали, що надходять від зовнішньої СУ:

1) ввімкнення/вимкнення випрямляча (ввімкнути +24В, вимкнути -0В);

2) вибір режиму стабілізації, (стабілізація напруги +24В, стабілізація струму - 0В);

3) зміна полярності вихідної напруги (зворотна полярність +24В, пряма - 0В);

4) завдання вихідного струму (напруга).

Сигнали, що видаються ПДУ-6 у зовнішню систему управління:

1) вихідний струм (лінійно (1 - 10)±0,2В) незалежно від полярності, 10В відповідає I_н;

2) вихідна напруга (лінійно (1 - 10)±0,2В) незалежно від полярності, 10В відповідає U_н;

3) готовність випрямляча до роботи (+24В, 0,1 А);

4) аварія випрямляча (+24В, 0,1 А);

Всі команди та сигнали мають гальванічну розв'язку між зовнішньою системою управління і випрямлячем.

Параметри охолоджуючої води повинні відповідати наступним вимогам:

1) питомий електричний опір повинен бути не менш ніж 40 Ом·м (технічна вода);

2) температура води на вході від 1 до 40 єС;

3) робочий тиск води на вході повинен бути від 0,7 КГС/см² до 6 КГС/см²;

4) витрати води не менш ніж 1 м³/год;

Система управління випрямлячами забезпечує в режимі стабілізації вихідного струму зміну номінального значення струму однієї полярності на номінальне усталене значення струму іншої полярності за час не більш ніж 0,25с [11].

Безструмна пауза при реверсі струму складає не більш ніж 0,025с;

Показники надійності випрямлячів:

1) напрацювання на відмову - не менш ніж 4000 год.;

2) середній термін служби - 12 років;

3) середній термін зберігання - 1 рік.

1.4 Постановка завдання

Метою даної роботи являється проектування випрямляча для гальваніки, електролізних установок в кольоровій металургії, а також установок електричної антинакипної обробки води.

В дипломному проектуванні були поставлені наступні завдання:

1) на основі аналізу розроблених і впроваджених у виробництво випрямлячів для гальваніки та електролізу вибрати базовий виріб, виявивши його основні переваги і недоліки;

2) переглянути та розрахувати силову схему випрямляча, застосувавши сучасну елементну базу;

3) модернізувати систему управління.

Управління випрямлячем виконується за допомогою мікроконтролера, що значно підвищує функціональність і покращує такі параметри агрегату:

А) для гальванічного виробництва:

- «рівна» форма та висока стабільність вихідного струму дозволяє отримувати більш якісне, рівномірне покриття деталей;

- можливість економити матеріали завдяки рівномірності товщини покриття.

Б) в електролізних установках:

- збільшує продуктивність електролізерів на 30-40%;

- підвищує якість катодних залишків;

- не вимагає застосування додаткового обладнання, наприклад, дроселів насичення.

Копіювання існуючого апарату або тільки вдосконалення його неминуче призводить до регресу розвитку. У зв'язку з цим необхідно створювати новий об'єкт, в якому будуть усунені існуючі недоліки і впроваджені останні розробки техніки для покращення техніко-економічних показників. Будуть замінені тиристори, мікроконтролер, силовий трансформатор на більш нові та вигідні в економічному плані.

Головними недоліками існуючих аналогів є: система управління реалізована на базі застарілого мікроконтролера ATmega 128 фірми Atmel, який на сьогоднішній день уже знято з виробництва.

А також підвищені габаритні показники, внаслідок великого запасу по тепловим параметрам силової частини випрямляча, а саме силового трансформатора і блока силових тиристорів.

Саме тому об'єкт, що проектується, повинен мати істотні відмінності від аналога, що являється запорукою його конкурентної здатності.

1.5 Проектно-технічне завдання

1) В процесі проектування обирається силовий трансформатор, вентилі, проводиться тепловий розрахунок струмопровідного контуру;

2) Базовим виробом обирається випрямляч типу В-ТПВ-3,15к/3,15к-24 «ИОН-4М».

3) Вимоги, що пред'являються до об'єкту, що проектується:

- номінальна вихідна напруга U - 24 В;

- номінальний вихідний струм І - 3150 А;

- коефіцієнт пульсації струму - менш ніж 1%;

- відхилення від встановлених значень - не більш ніж 2%;

- діапазон регулювання - від 2% до макс.;

- спосіб охолодження БСТ - примусовий водяний;

- охолодження силового трансформатора - примусове водяне;

- мікропроцесорне управління;

- реверсивний.

4) Випрямлячі призначені для роботи в закритих приміщеннях або під навісом при відсутності прямого попадання сонячної радіації та атмосферних опадів в наступних кліматичних умовах:

- температура оточуючого повітря від 1 до 40⁰С;

- висота над рівнем моря не більш ніж 1000 м;

- середньомісячне значення відносної вологості повітря не більш ніж 80% при температурі 25⁰С;

- оточуюче середовище не є пожежонебезпечним та вибухонебезпечним. Атмосфера типу ІV по ДСТУ15150.

Етапи розробки:

- огляд існуючих конструкцій;

- вибір апаратури;

- технологія остаточної зборки;

- дослідження однокристальних мікроконтролерів;

- охорона праці;

- економічна частина;

- графічна частина.

2. РОЗРАХУНОК СИЛОВОГО БЛОКУ

2.1 Розрахунок силового трансформатора

В якості силового трансформатору застосовується трифазний трансформатор стрижневого типу з прямокутним магнітопроводом та прямокутною рядовою обмоткою [6]. Стяжка магнітопроводу наскрізними шпильками. Обмотки з алюмінієвого проводу з ізоляцією класу нагрівостійкості Н.

Розрахунок виконується для напруги холостого ходу випрямляча, яка визначається наступним співвідношенням:

де U_н - напруга короткого замикання трансформатора і живлячої мережі, приведена до вторинної обмотки трансформатора.

Тоді

Діюче значення вторинної напруги визначається зі співвідношення

U₂ = 9,8В

Діюче значення струму через вторинну обмотку трансформатора визначається за виразом

І₂ = 0,817·І_н, (2.3)

І₂ = 0,817·3150 = 2573,6 А

Діюче значення струму через первинну обмотку трансформатора знаходиться зі співвідношення

(2.4)

де К_т - коефіцієнт трансформації, визначається як

(2.5)

Для трифазної мостової схеми типова потужність трансформатора знаходиться за виразом [7]

S_T = K_n·P_н (2.6)

де K_n - коефіцієнт перевищення розрахункової потужності трансформатора;

P_н - номінальна потужність споживача.

P_н = І_н·U_н, (2.7)

Р_н = 3150·24 = 75,6 кВт

Звідки

S_Т = 1,05·75600 = 79380 ВА

Обираємо силовий трифазний трансформатор з водяним охолодженням типу ТВЗП в захищеному виконанні з наступними параметрами [8]:

- потужність трансформатора - 90 кВА,

- напругою первинної обмотки - 380 В,

- струм первинної обмотки - 170 А,

- напруга вторинної обмотки - 24 В,

- КПД - 86%.

2.2 Розрахунок і вибір силових напівпровідникових приборів

Діюче значення струму через вентиль знаходиться з виразу

I_RMS = 0,577·I_н, (2,8)

I_RMS = 0,577·3150 = 1817,6 А

Середнє значення струму через вентиль знаходиться за виразом

I_AV = 0,33·I_н, (2.9)

I_AV = 0,33·3150 = 1039,5 А

Зворотна напруга на вентилі до непровідної частини періода визначається зі співвідношення

, (2.10)

В

За діючим значенням струму та зворотній напрузі на вентилі обираємо вентиль, який може працювати при даних умовах, клас вентиля за напругою розраховується за формулою [7]

, (2.11)

Тоді

,

,

Важливим параметром, що визначає роботу вентиля, а також в цілому випрямляча, є швидкість наростання прямого струму di/dr, розрахункове значення якого знаходиться наступним чином: в контурі комутації, що складається з двох вентилів і фаз обмотки трансформатора, діюче значення лінійної напруги врівноважується електрорушійною силою ЕРС самоіндукції

, (2.12)

де m - число фаз випрямляча;

щ - кутова частота;

U_кз - напруга короткого замикання трансформатора.

Обираємо тиристор Т253-2000-4-4М2 УХЛ2 з гнучким управлінням і додатковими катодними виводами довжиною 300 мм з наконечником [7].

2.3 Розрахунок коефіцієнта потужності

При роботі випрямляч споживає з мережі несинусоїдальний струм, перша гармоніка якого зсунута в бік відставання відносно кривої живлячої напруги на кут ц₁. Параметри силових трансформаторів та комутаційної апаратури визначаються повною потужністю, що споживає перетворювальний агрегат. Якщо відома потужність на стороні випрямленого струму, то для визначення повної потужності перетворювача необхідно знати величини коефіцієнта потужності випрямляча.

Перша гармоніка споживаного випрямлячем струму і₁, за відсутності кута комутації в трифазному мостовому випрямлячі ц₁, дорівнює б. Величина коефіцієнту спотворення для кривої струму v дорівнює 3/р. Остаточно для величини коефіцієнта потужності ідеалізованого мостового випрямляча можна написати

. (2.13)

З урахуванням процесу комутації величина cos ц₁ визначається наступними виразами

(2.14)

Коефіцієнт спотворення кривої струму, що показана на рисунку 2.1, можна знайти за формулою

(2.15)

Остаточно для коефіцієнта потужності трифазного випрямляча маємо

(2.16)

тоді

.

2.4 Вибір швидкодіючого автоматичного вимикача

У вимикачі можуть виникнути аварійні режими, що супроводжуються недопустимими за значенням і тривалістю струмами через вентилі, наприклад зовнішні та внутрішні к.з., відпирання тиристорів в непрацюючій групі в реверсивних випрямлячах з роздільним управлінням вентильними групами.

При зовнішніх к.з. розрахунок струмів ведеться в припущенні, що кут регулювання випрямляча б - 0, при цьому струми к.з. є максимальними.

Для знаходження ударного струму глухого зовнішнього к.з. спочатку знаходиться амплітуда базового струму к.з.

, (2.17)

де U_фс - фазна напруга мережі;

х_2k; r_2k - зведені опори трансформатора.

А

Ударний струм глухого зовнішнього к.з.

, (2.18)

де =1 знаходиться з рисунка 2.1, в залежності від .

, (2.19)

Рисунок 2.1 - Залежність від для глухого зовнішнього к.з.

Інтеграл граничного навантаження при глухому зовнішньому к.з. визначається за формулою

, (2.20)

де визначається в залежності від згідно кривої на рисунку 2.2

Рисунок 2.2 - Залежність від для глухого зовнішнього к.з.

А

А

Розрахунок струмів при внутрішньому к.з. ведеться також в припущенні, що кут б - 0. При цьому припускається, що момент початку внутрішнього к.з. співпадає з моментом ввімкнення чергового тиристора. У цьому випадку струм внутрішнього к.з. буде максимальним.

Ударний струм внутрішнього к.з. знаходиться

А

де береться на рисунку 2.3 в залежності від ctgц_K.



Рисунок 2.3 - Залежність від для внутрішнього к.з.

Інтеграл граничного навантаження знаходиться

А

в якій визначається в залежності від по кривій рисунка 2.8

Рисунок 2.4 - Залежність від для внутрішнього к.з.

і_к = 189,4 А

Захист випрямляча від струмів короткого замикання забезпечується за допомогою швидкодіючих плавких запобіжників, автоматичних вимикачів та ін.

Вибір запобіжників здійснюється за співвідношенням

, (2.21)

де W_ПР - інтеграл плавлення плавкої вставки, що визначає кількість енергії, необхідної для розплавлення плавкої вставки;

W_В - максимально допустиме значення інтеграла квадрата аварійного струму, при тривалості імпульсу струму 1мс та заданій температурі структури;

К_З - коефіцієнт запасу.

(2.22)

(2.23)

де І_ав - аварійний струм.

А²с

А²с

Автоматичний швидкодіючий вимикач обирається на підставі кратності пускового струму номінальному. Встановлюється між мережею та трансформатором.

Обираємо автоматичний швидкодіючий вимикач ВА51-35М2-340010-20 УХЛ3.1

- номінальна частота;

U_н - 380В номінальна напруга автоматичного вимикача;

І_н - 250А номінальний струм автоматичного вимикача.

В результаті виконаних розрахунків були визначені параметри основних елементів випрямляча. Обрано силовий трифазний трансформатор ТВЗП-380/24, тиристори Т253-2000-4-4М2 з гнучким управлінням і додатковими катодними виводами та автоматичний вимикач ВА51-35М2-340010-20. Які відповідають заданим технічним умовам проектування випрямляча.

2.5 Зовнішня характеристика випрямляча

Зовнішня характеристика випрямляча є важливою характеристикою, що визначає роботу випрямляча - це залежність середнього значення випрямленого струму [2].

Для керованих випрямлячів існує сімейство зовнішніх характеристик, що відповідають рівним кутам регулювання. Зовнішня характеристика охоплює всі режими роботи, починаючи з холостого ходу та закінчуючи коротким замиканням.

Рівняння цієї характеристики трифазного мостового керованого випрямляча має вигляд

, (2.24)

де - індуктивне падіння напруги, визначається як

, (2.25)

де X_s - індуктивний опір, приведений до вторинної обмотки трансформатора, визначається з виразу

, (2.26)

Ом

В

В

Підставивши в формулу (2.24) значення з (2.25) та розділивши обидві частини рівняння на U_d0, отримаємо рівняння зовнішньої характеристики

. (2.27)

З розгляду кривої фазної струму і₂ та потенціальної діаграми на рисунку 2.5 видно, що перший режим буде існувати до навантаження, при якому кут комутації досягає величини р/3 (60?).

При подальшому збільшенні навантаження кут комутації буде залишатися постійним (рівним р/3), а початок процесу комутації буде затримуватися на деякий відрізок часу, який можна представити як появу додаткового кута регулювання бґ. В результаті при зростанні навантаження після досягнення кутом комутації значення р/3 в схемі починається другий режим роботи, що істотно відрізняється від першого.

Для трифазної мостової схеми справедливими є, як було показано вище, такі залежності

, (2.28)

. (2.29)

У зв'язку з тим, що в другому режимі роботи кут комутації дорівнює р/3, можна підставити в (2.27) та (2.28) це значення і б, що дорівнює бґ. В результаті отримаємо

, (2.30)

. (2.31)

Піднісши до квадрату (2.30) та (2.31) і додавши почленно, отримаємо рівняння зовнішньої характеристики випрямляча в другому режимі роботи

. (2.32)

Як бачимо з (2.32) зовнішня характеристика в другому режимі являє собою дугу еліпса, напівосі якого за координатами I_d та U_d відповідно рівні

, (2.33)

. (2.34)

Вочевидь, кінець зовнішньої характеристики в першому режимі повинен стикатися з початком зовнішньої характеристики в другому режимі.

Струм , при якому почнеться перехід схеми в другий режим, можна отримати з (2.35)

, (2.35)

де І_кз - струм короткого замикання.

, (2.36)

А

.

Рисунок 2.5 - Трифазна мостова схема. Криві струмів та напруг на елементах схеми в перевантажувальних режимах

випрямляч модернізація силовий трансформатор

Напруга визначається з рівняння

, (2.37)

.

Закінчення другого режиму настане при навантаженні , для якого сума фактичного кута регулювання б? та кута комутації дорівнюватиме б/2. При цьому фактичний кут регулювання б? дорівнює 30?. Криві потенціалів загальних катодів та загальних анодів схеми, а також крива струму фази і_а для випадку

'+ = /2, (2.38)

наведені на малюнку 2.5, f та g.

Величини струму і напруги, при яких починається третій режим, можуть бути знайдені якщо підставити в (2.39), (2.40) значення б?, що дорівнює р/6. При цьому отримаємо наступні вирази

, (2.39)

, (2.40)

.

Збільшення кута комутації в третьому режимі більш ніж на 60? призводить до появи «подвійного перекриття» [13]. Це явище полягає в тому, що інтервали комутації анодної та катодної груп вентилів починають перекриватися у часі.

Відносна величина відповідно дорівнює

. (2.41)

Для того, щоб з (2.41) отримати рівняння зовнішньої характеристики, потрібно знайти зв'язок між кутом комутації струмом навантаження.

Після низки перетворень ця залежність може бути знайдена в такому вигляді

.

Підставивши величину , отримаємо рівняння зовнішньої характеристики в третьому режимі роботи випрямляча

, (2.42)

або у відносних одиницях

.

Для більш наочної ілюстрації процесів, що відбуваються в схемі, на рисунку 2.6 показані графіки зміни кута комутації г та фактичного кута регулювання б?.

Рисунок 2.6 - Залежність кута комутації та фактичного кута регулювання від струму завантаження

3.ТЕХНОЛОГІЯ СКЛАДАННЯ СИЛОВОГО БЛОКУ

Складання випрямляча здійснюється згідно маршрутної карти. На першому етапі готуються необхідні інструменти і місце складання. Заповнюються жолоби каркасу ущільнювачем СУ-1. Потім на підготовлене місце встановлюється рама на цехову підставку та кріпиться скоби до каркасу кріпленням. Встановлюється на раму трансформатор та кріпиться за допомогою кріплення.

Встановлюється каркас на раму, пропустивши виводи трансформатора крізь отвори каркасу. Потім набивається порядковий номер випрямляча та маса на табличках. Кріпиться табличка на корпус. Місця кріплення та розклепування вкриваються лаком АК-113.

Далі кріпиться панель автомату до каркасу за допомогою кріплення. Кріпиться штуцер та фільтр з прокладками до каркасу. Кріпляться прокладки до каркасу компаундом КЛТ-30 марки А. Далі шунт кріпиться власним кріпленням до блоку. Герметизуються місця проходу виводів трансформатора з нижнього відсіку до верхнього, компаундом кремнійорганічним КЛТ-30. В місцях проходу через прокладку виводи трансформатора ізолюються плівкою в два шари, кінці плівки кріпляться клеєм БФ-4.

Наступний етап складання - це кріплення допоміжних кронштейнів, кутиків, стояка з панеллю і заземлення. Кріпляться до штуцерів БСМ рукава системи охолодження, промиваються вони нефрасом С2-80/120. Закріплюються місця з'єднання рукавів хомутами.

Потім встановлюється МИП та DIN-рейка, на яку потім закріплюється швидкодіючий вимикач та клемні з'єднання для системи управління. Укладається джгут у шафу та підводяться відводи джгута до складальних вузлів і деталей. Виконується монтаж кінців джгута до вузлів шафи згідно таблиці з'єднань.

З'єднуються виводи трансформатора, джгута на клемниках панелі, перекладки заземлення до боби шок заземлення, провода джгута до вимикача, панелі, шунта, арматури і вилки. Виконується монтаж перекладки з провода. Маркуються номери перекладок з двох сторін на трубках фарбою, виготовленою згідно інструкції. Джгути і перекладки кріпляться до каркасу та панелі нитками.

При складанні ПДУ спочатку маркується корпус, а потім, за допомогою кріплень, встановлюється друкована плата з мікроконтролером К1. Виводи системи пропускаються крізь отвір на задній кришці, встановивши перед цим ущільнюючу прокладку. Потім, за допомогою джгута, ПДУ підключається до розетки на ящику випрямляча.

Після складання система водяного охолодження промивається протічною дистильованою водою з витратою не менш ніж 1 м²/год. протягом 3 хвилин в присутності ОТК. Потім перевіряють систему водяного охолодження в присутності контролера ОТК. Промивання і перевірка водяного охолодження контролюється в процесі виконання операції.

Перевірка електричної міцності шафи випрямляча та ПДУ виконується один раз. Продути систему водяного охолодження сухим стиснутим повітрям 10⁵ Па протягом 3-5 хвилин. Перевірка та налаштування ПДУ здійснюється за допомогою ПК. Перед транспортуванням необхідно закрити штуцери системи охолодження плівкою та закріпити хомутами.

Силовий агрегат запаковується в окрему тару. Технічна та супровідна документація вміщується в тару силового агрегату. Силовий агрегат, попередньо обгорнутий поліетиленовою плівкою, вміщується в коробку з гофрокартону та закріплюється на дерев'яному піддонні. Блок ПДУ, кронштейн блоку ПДУ обгортаються поліетиленовою плівкою і вміщуються в картонну коробку. Силовий випрямляч може транспортуватися залізничним, річковим та автомобільним транспортом. При транспортуванні силовий випрямляч повинен бути закріплений і захищений від потрапляння вологи.

4. СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ І РЕГУЛЮВАННЯ

Вирішення задачі мінімізації собівартості електронної техніки, що проектується, безпосередньо залежить від відповідності обраної елементної бази вимогам до розробки. Зокрема, правильний вибір мікроконтролера дозволяє зекономити як на вартості самого мікроконтролера, так і на вартості зовнішніх компонентів завдяки хорошим електричним характеристикам та використанню вбудованих апаратних ресурсів. У даному дослідженні буде даватися порівняльна характеристика різним сімействам 16-розрядних мікроконтролерів, яка допоможе зорієнтуватися в особливостях цих сімейств як при розробці нового приложення, так і при модернізації існуючих пристроїв.

4.1 Критерії порівняння типів мікроконтролерів різних виробників

Виробництвом мікроконтролерів (МК) займається багато відомих виробників. На відміну від стандартних продуктів, таких як операційні підсилювачі або стабілізатори напруги, МК різних виробників рідко сумісні між собою. Більшість з них мають різні характеристики.

- розрядність МК;

Це здатність виконати за один прийом операцію над числом довжиною 1 біт [14]. По суті, розрядність МК співпадає з розрядністю його арифметично-логічного пристрою (АЛП). Якщо, наприклад, АЛП має розрядність 8, то над двома числами такої довжини будь-яка допустима операція буде виконана однією командою, скоріш за все, за один машинний цикл. А над 16-розрядними числами в такому МК доведеться виконувати вже цілий ланцюжок операцій, включаючи пересилання, збереження проміжного результату та ін. Таким чином, продуктивність 16-розрядного МК перевищує продуктивність 8-розрядного не в два, а в значно більшу кількість разів при інших рівних умовах.

- споживана потужність;

З остаточним переходом на КМОП технологію, питання зменшення споживаної потужності пов'язане тільки зі зменшенням тактової частоти та напруги живлення. Однак, зменшення тактової частоти тягне за собою зниження продуктивності МК. Найбільш виваженим виглядає рішення про виробництво різних версій МК для різних застосувань. Так в AVR серії фірми ATMEL виробляються як стандартні (90S), так і мало споживаючі (90LS) версії зі зниженими тактовими частотами. У фірми Microchip це 16С та 16 LC версії, наприклад. Крім цього, практично всі МК мають можливість программного керування режимами енергоспоживання. Їх може бути більше одного. У 8051 це Idle та Power Down, наприклад. В залежності від змісту виконуваної програми, МК може перебувати у «сплячому» стані 90 і більше відсотків часу. В таких випадках, відповідними командами МК переводиться в один з режимів, коли його споживання зменшується в десятки разів. Існують серії МК від самого початку орієнтовані на наднизьке споживання та батарейне живлення, наприклад, MSP430 фірми Texas Instruments.

- об'єми та типи вбудованої пам'яті;

У загальному випадку, МК повинен мати постійну пам'ять для зберігання програми і оперативну для зберігання проміжних результатів роботи. Однак, в деяких випадках, постійної пам'яті на кристалі може й не бути. Тоді мається на увазі її зовнішнє підключення. Це робиться для здешевлення кристалу МК та надання йому більшої універсальності. Але таке ввімкнення неминуче призводить до зменшення швидкодії, оскільки звернення до зовнішньої пам'яті відбувається трохи довше, ніж до внутрішньої. Переважна більшість МК все-таки має вбудовану пам'ять для зберігання програм. Якщо питання з її об'ємом досить зрозуміле: чим більше, тим краще, але дорожче, то з типами пам'яті можливі варіанти. Найпростіший варіант - одноразово програмована користувачем пам'ять (PROM), якщо не зважати, що на замовлення МК може бути запрограмований безпосередньо при виготовленні на заводі (ROM). Така пам'ять дешева, але не припускає в подальшому корекції її вмісту і тому підходить для налагодженого серійного виробництва. Для налагодження переважніше мати пам'ять з можливістю перепрограмування. Можливими є два варіанти: ультрафіолетове (UV) та електричне стирання (Flash). Мікросхеми з УФ стиранням з'явилися значно раніше більш нових Flash типу, однак досі використовуються в налагоджувальних кристалах фірми Microchip. Оперативна пам'ять починається з регістрів загального призначення, які іноді називають надоперативною пам'яттю. Однак їх кількість завжди обмежена. Далі звичайно є 128-512 байт ОЗУ загального призначення. Недостатній об'єм може бути доповнений підключенням зовнішньої, наприклад, недорогої статичної пам'яті значного об'єму. Необхідно тільки пам'ятати про обмеження МК по здатності адресувати великі об'єми пам'яті. В останній час на кристалах МК усе частіше розміщують EEPROM пам'ять порівняно невеликого об'єму. В даному випадку її можна розглядати як енергонезалежне ОЗУ, що дуже зручно для зберігання оперативних налаштувань, наприклад. Після вимкнення/ввімкнення МК вміст цих комірок не змінюється, на відміну від звичайного ОЗУ.

- тактова частота;

Безпосередньо та прямо пропорційно впливає на швидкість роботи МК. Однак, це ще не остання інстанція, оскільки в залежності від архітектурних особливостей, різні МК можуть забезпечувати різну продуктивність при однаковій тактовій частоті. Об'єктивнішим є показник MIPS - кількість мільйонів інструкцій, що виконуються протягом секунди. Річ в тому, що в різних МК однакова інструкція може виконуватися за один, два, чотири та більше тактів тактової частоти.

- склад периферійних пристроїв;

Набір пристроїв введення/виведення, які може містити МК, постійно розширюється і якщо раніше деякі з них, наприклад АЦП, були досить рідкісними, то зараз практично стають стандартом в комплектації. Перед усім необхідно розмежувати між собою пристрої <для внутрішнього споживання> - такі, що призначені для забезпечення продуктивної і надійної роботи самого МК, та власне УВВ, які призначені для зв'язку з зовнішнім світом в сенсі введення початкової і видачі обробленої інформації. До перших відносяться як відомі, типу вбудованого апаратного помножувача, так і порівняно нові пристрої, такі як схема сторожового (Watchdog) таймеру і схема виявлення провалів в живленні. Вони випускаються і в зовнішньому виконанні, але сучасний МК, як правило, повинен утримувати їх на кристалі. Принцип роботи сторожового таймера досить простий. Будь-які програми, що виконує МК, циклічні за визначенням. Не буде нічого жахливого, якщо періодично примусово повертатися до певної (стартової) точки програми. Зате у випадку її збою або зависання період неадекватної роботи МК не перевищить періоду, заданого сторожовим таймером. Контроль напруги живлення, по суті, звичайний супервізор живлення, побудований на компараторах. При виході напруги за встановлені межі здійснюється генерація сигналу, щоб уникнути непередбачених наслідків. До цієї ж групи можна віднести й схеми обробки переривань, які, як відомо, можуть бути внутрішніми і зовнішніми. Як правило, обумовлюється кількість внутрішніх переривань, а кількість зовнішніх дорівнює кількості відповідних виводів МК. Власне УВВ відомі ще з часів вищезгаданої 580-ї серії. Це паралельні і послідовні порти, таймери-лічильники подій, пристрої доступу до пам'яті. Замість паралельних портів, як таких, зовнішні лінії МК зараз програмуються індивідуально. Будь-який з них може працювати як на введення, так і на видачу сигналів. Різниця тільки в кількості таких універсальних ліній, що, в свою чергу, визначається розмірами і типом корпусу. Багато МК, що входять до одного сімейства, відрізняються тільки цим. Універсального послідовного порту USART, як правило, цілком достатньо одного, зате додатково МК можуть бути обладнані інтерфейсами типу 12С, Microwire, SPI. Таймери, завдяки універсальності їх застосування складають невід?ємну частину будь-якого МК. Вони можуть бути 8-ми або 16-розрядними кількістю від одного до шести і більше одиниць. Що стосується доступу до пам?яті, то в данному випадку йдеться про так зване внутрішньосистемне програмування (ISP). Це дозволяє вносити текст програми до внутрішньої пам?яті МК вже після встановлення його на плату. Також часто допускається перепрограмування Flash пам?яті МК без його демонтажу, більш того, за послідовним двопроводним інтерфейсом. Далі МК оснащується АЦП та ЦАПами різної розрядності. АЦП, як правило, мають декілька входів, що перемикаються за допомогою мультиплексора. Часто зустрічаються вбудовані модулі ШИМ (PWM) регулювання, що є корисним для керування потужними навантаженнями. Спеціалізовані МК можуть містити на кристалі все, що завгодно, від драйверів LCD індикатора до інструментальних підсилювачів, компараторів, джерел опорної напруги та ін.

- архітектурні особливості;

Найважливішою та принциповою відмінністю МК є їх належність до CISC або RISC архітектури. Перша - класична, Принстонська архітектура передбачає потужний набір одно, двох і трьох байтових команд, які передаються, поряд з іншими даними, по загальній шині даних. Виконання однієї команди, таким чином, розтягується на декілька машинних циклів, зате в підсумку ми отримуємо досить помітний результат. Ідеологія RISC заснована на ідеї різкого зменшення кількості команд з тим, щоб будь-яка з них могла виконуватися за мінімальну кількість тактів. У базового сімейства МК Microchip, наприклад, їх усього 33. Одна складна команда замінюється послідовністю декількох простих, але швидко виконуваних. Однак головний виграш полягає у використанні Гарвардської архітектури з окремою шиною даних для пам?яті програм. По-перше, з?являється можливість одночасно зчитувати наступну команду з пам?яті по своїй шині і виконувати попередню, займаючи за необхідності загальну шину даних. По-друге, розрядність шини даних програм може бути якою завгодно: 10, 12, 14, 16 або більше біт, незалежно від розрядності основної шини даних, яка зазвичай відповідає розрядності самого МК. Таким чином, при довжині кодового слова 12 і більше, ми отримуємо не такий вже скорочений набір команд, але зчитуються і виконуються вони за один машинний цикл, який може складатися усього з одного такту. У МК Atmel AVR до базового набору входять 192 команди. З інших архітектурних особливостей можна відзначити наявність/відсутність у МК конвеєрного виконання команд. Однак частіш за все це залишається «прозорим» для користувача, тобто він про це може й не знати. Достатньо мати дані про кінцеву продуктивність даного МК.

Підсумовуючи, можна відзначити, що практично всі сучасні МК відносяться до класу RISC пристроїв. Виключення складають, мабуть, лише МК сімейства MSC-51, які досі випускаються різними фірмами в десятках модифікацій. Їхнє право на життя завойоване багатьма роками застосування та величезним накопиченим програмним забезпеченням. У багатьох випадках простіше й дешевше скористатися готовими бібліотеками програм, ніж прагнути досягнути максимально можливої продуктивності, тим паче що це далеко не завжди являється необхідним.

4.2 Порівняння мікроконтролерів

В даному дослідженні застосування приведені результати порівняння мікроконтролерів сімейства MSP430 з мікроконтролерами інших виробників. Для розробки коду різних найпростіших операцій та виконання його в режимі стимулятора була використана платформа розробника Embedded Workbench^TM компанії IAR Systems. Для усіх розглянутих застосувань були пораховані сумарні розмір коду програми та кількість командних циклів, що потрібні для виконання. На рисунку 4.1 та рисунку 4.2 приведені діаграми порівняння розмірів кодів програм та кількість командних циклів для кожного дослідженого мікроконтролера.

Рисунок 4.1 - Діаграма порівняння розміру кодів програм

Рисунок 4.2 - Діаграма порівняння сумарної кількості командних циклів

В таблиці 4.1 наведені коефіцієнти ділення частоти задавального генератора для формування сигналів синхронізації обчислювального ядра досліджуваних мікроконтролерів. Повний час виконання будь-якого коду можна розрахувати як добуток кількості командних циклів та коефіцієнту ділення.