Разработка конструкции и технологии изготовления частотного преобразователя

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1                    АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ1.1 Анализ схемы электрической принципиальной

1.2 Анализ условий эксплуатации устройства

1.3 Расширенное техническое задание

1.4 Анализ и сравнение аналогов

1.5 Анализ элементной базы

2 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА

2.1 Обоснование и выбор материалов

2.2 Обоснование конструкции изделия

3 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ

3.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

3.2 Расчет параметров электрических соединений

3.3 Расчет радиатора

3.4 Расчет теплового режима

3.5 Расчет надежности

3.6 Расчет на механические воздействия

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Анализ технологичности конструкции изделия

4.2 Разработка технологической схемы сборки для узла А2

4.3 Выбор типового технологического процесса сборки и монтажа узла А2

4.4 Выбор технологического оборудования и оснастки и анализ варианта маршрутной технологии сборки и монтажа изделия

4.5 Разработка варианта маршрутно-операционной технологии

4.6 Организация системы управления качеством изделия

5 РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

5.1 Планирование работ на этапе разработки изделия

5.2 Расчет затрат на разработку изделия

5.3 Расчет затрат на стадии изготовления макетного образца

5.4 Расчет производственной себестоимости

6 ОХРАНА ТРУДА

6.1 Производственная санитария

6.2 Промышленная безопасность

6.3 Пожарная безопасность

7 Защита населения и хозяйственных объектов в чрезвычайных ситуациях

7.1 Чрезвычайные ситуации, характерные для проектируемого объекта 92

7.2 Меры по ликвидации ЧС

7.3 Защита населения

7.4 Оказание первой медицинской помощи пострадавшим в ЧС

7.5 Повышение устойчивости радиоэлектронной и оптической 

аппаратуры

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

РИЛОЖЕНИЕ А Перечень элементов ПАЛ.437293.001 ПЭ3

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Спецификация ПАЛ.302821.001

ПРИЛОЖЕНИЕ В Спецификация ПАЛ.302822.001

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Спецификация ПАЛ.437293.001

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Деталировки корпуса, оригинальных изделий…108

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Комплект документов на технологический процесс сборки и монтажа

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время практически 60% всей вырабатываемой электроэнергии потребляется электродвигателями. Они используются в различных технологических процессах, работают на всевозможных установках. Поэтому достаточно остро стоит задача экономии электроэнергии и уменьшения стоимости электродвигателей. Трехфазные асинхронные двигатели считаются достаточно универсальными и наиболее дешевыми, но в то же самое время подключать их к однофазной сети и управлять частотой вращения достаточно сложно.

Частотные преобразователи используются для управления скоростью вращения трёхфазных асинхронных двигателей. Позволяют существенно сократить энергопотребление устройств с электродвигателями. Обеспечивают защиту двигателя. Позволяют очень точно изменять скорость вращения двигателя. С помощью частотных преобразователей можно осуществлять дистанционное наблюдение и управление асинхронным двигателем. Их можно использовать везде, где есть электродвигатели. Применение преобразователей частоты может быть самым разнообразным, в силу их обширной функциональности.

Управление частотой вращения электродвигателя требуют различные автоматические линии (конвейеры, линии фасовки и упаковки, устройства обдува и охлаждения и т. д.) на которых невозможно применение многоскоростных редукторов из-за необходимости непрерывной работы установки. Заманчива перспектива, увеличения номинальной частоты вращения двигателя, вдвое и более раз или использование малогабаритных двигателей рассчитанных на частоту питающей сети 400-1000 Гц и имеющие меньшую массу и стоимость.

Предлагаемая система управления работает от однофазной сети 220 вольт и позволяет плавно менять обороты двигателя и отображать частоту инвертора на двухразрядном цифровом индикаторе.  Дискретность изменения частоты инвертора составляет 1 Гц и регулируется в пределах от 1 до 99 Гц. В предлагаемой схеме используется число-импульсный метод управления асинхронным двигателем с частотой модуляции 10 кГц позволяющий получать синусоидальный ток на обмотках двигателя [1].

Данная модель является довольно простой по сравнению с большинством существующих аналогов в плане функциональности, но вместе с тем она проста в управлении. А также предполагается, что ее себестоимость будет ниже себестоимости частотных преобразователей такой же мощности.

Целью данного дипломного проекта является разработка конструкции и технологии изготовления блока РЭА – частотного преобразователя, позволяющего регулировать частоту вращения вала электродвигателя. Задачами дипломного проекта являются: анализ исходных данных, схемы электрической принципиальной и условий эксплуатации изделия; составление расширенного технического задания; разработка конструкции блока; проведение конструкторских расчетов; проектирование технологического процесса сборки и монтажа РЭА; расчет экономической эффективности изделия; формулировка требований по технике безопасности и охране труда. В результате выполнения дипломного проекта будет разработан комплект конструкторской и технологической документации.

1.                 АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

1.1 Анализ схемы электрической принципиальной

Схема состоит из управляющего устройства DD2, применен микроконтроллер PIC16F628-20/P  работающий на частоте 20 МГц, кнопок управления «Пуск» (SA4), «Стоп» (SA3), кнопки уменьшения и увеличения частоты соответственно SA1, SA2. Двоично-семисегментного дешифратора DD1, светодиодных матриц HG1, HG2. Узла торможения VT3, VT4, K1. 

В силовой цепи используется трехфазный мостовой драйвер DD3 IR2130 фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER имеющий три выхода для управления нижними ключами моста и три выхода для ключей с плавающим потенциалом управления.  Данная микросхема имеет систему защиты по току, которая в случае перегрузки выключает все ключи а также предотвращает одновременное открывание верхних и нижних транзисторов и тем самым предотвращает протекание сквозных токов. Для сброса защиты необходимо установить все единицы на входах HN1 - HN3 и  LN1 – LN3.  В качестве силовых ключей применены IGBT транзисторы IRG4BC20KD. Цепь перегрузки состоит из датчика тока R14 делителя напряжения R11-R13 позволяющего точно установить ток срабатывания защиты, и интегрирующей цепочки R8 – C5 которая предотвращает ложное срабатывание токовой защиты в моменты коммутаций. Напряжение срабатывания защиты составляет 0,5 В по входу ITRP (DD3). После срабатывания защиты на выходе FAULT (открытый коллектор) появляется логический ноль, зажигается светодиод HL1, и закрываются все силовые ключи. Двигатель необходимо включить по схеме звезды.

Источник питания состоит из мощного диодного моста VD12-VD15, токоограничительного резистора R25, фильтрующей емкости C14, емкость C16 предотвращает всплески, которые будут возникать при коммутациях на паразитных индуктивностях схемы. А также маломощного трансформатора  T1, стабилизатора напряжения 15 В DА2 для питания схемы драйвера, и стабилизатора напряжения 5 В DА1 для питания микроконтроллера и схемы индикации.

Конденсатор C16 должен быть типа К78-2 на 600-1000 вольт. Трансформатор T1 мощностью 0,5-2 Вт. Обмотка должна выдавать 19-20 вольт [1].

1.2   Анализ условий эксплуатации устройства

Устройство «Частотный преобразователь» используется в производственных помещениях, цехах, следовательно, имеет промышленную категорию размещения – 3. Прибор предполагается использовать в зоне с умеренным и холодным климатом (УХЛ). В соответствии с ГОСТ 15150-69 на устройство будут воздействовать следующие климатические факторы:

а)                 температура окружающего воздуха в пределах от минус 10 до  плюс 45 °С;

б)                предельное содержание коррозионно-активных веществ:

сернистого газа – от 8 до 100 мг/м2  за сутки (от 0,01 до 0,125 мг/м3),

хлоридов – не более 0,12 мг/м2 за сутки [2];

в)                относительная влажность окружающего воздуха (при температуре плюс 25 °С) 93 %;

г)                 атмосферное давление от 84 до 107  кПа [3].

Так как данное устройство относится к наземной РЭС, то при транспортировке, случайных падениях и т.п. оно может подвергаться динамическим воздействиям. Изменения обобщенных параметров механических воздействий на наземную РЭА находятся в пределах:

а)                 вибрации от 10 до 70  Гц, виброперегрузка от 1 до 4  g;

б)                ударные ускорения – до 98 м/с2, длительностью от 5 до 10  мс, частотой от 40 до 80 мин-1;

в)                линейные перегрузки  от 2 до 4  g [3].

В техническом задании на разрабатываемое устройство условия эксплуатации определены по ГОСТ 25467-82. Группа исполнения изделия по стойкости к механическим факторам – М2 [4].

1.3 Расширенное техническое задание

1. Наименование изделия: “Частотный преобразователь”.

2. Назначение: преобразователь предназначен для подключения трехфазного асинхронного двигателя к сети 220 вольт и регулировки частоты вращения вала электродвигателя.

3. Состав устройства: блок управления прибором, блок сетевого питания, управляющего устройства (микропроцессора), силового блока (коммутация нагрузки), драйвера управления силовым блоком, блок торможения, блок защиты от перегрузки, блок индикации.

4. Устройство относится к группе переносной РЭА.

5. Класс климатического исполнения - УХЛ (макроклиматический район с умеренным и холодным  климатом).

6. Категория размещения - 3 (эксплуатация в закрытых помещениях без искусственного регулирования температуры при отсутствии прямого солнечного излучения, воздействия осадков и ветра).

7. Конструктивные характеристики:

7.1. на передней панели прибора находятся элементы ручного управления оператором и блок индикации;

7.2. элемент коммутации располагается на передней стороне устройства снизу (клемник);

7.3. конструкция устройства должна обеспечивать подключение его к сети переменного тока напряжением 220В и подключение к преобразователю двигателя мощностью до 2 кВт;

7.4. габаритные размеры изделия: не более 250×160×120;

7.5. масса: не более 2 кг.

8. Электрические характеристики:

8.1. питание частотного преобразователя осуществляется  от сети переменного тока напряжением 220 В;

8.2. потребляемый ток в зависимости от мощности двигателя (не более 9 А).

9. Требования по стойкости к климатическим воздействиям:

9.1. температура окружающего воздуха от минус 10 °С до  плюс 45 °С;

9.2. максимальная относительная влажность воздуха – 93%;

9.3. атмосферное давление от 84 до 107  кПа.

10. Требования по стойкости к механическим воздействиям:

10.1. прибор не должен иметь конструктивных элементов с резонансными частотами в диапазоне от 10 до 70 Гц.

10.2. прибор должен быть устойчив перед ударными ускорениями до  98 м/с2, длительностью от 5 до 10  мс, частотой от 40 до 80 мин-1;

11. Среднее время наработки на отказ: не менее 5 тыс. ч.

1.4 Анализ и сравнение аналогов

При разработке любого устройства необходимо оценивать целесообразность его производства. Создаваемое оборудование, должно иметь малую себестоимость производства наряду с повышенными техническими характеристиками по отношению к аналогам. Устройство «Частотный преобразователь» востребовано на рынке промышленного оборудования, т.к. это относительно новый вид оборудования. Оно позволяет плавно изменять параметры различных техпроцессов (скорость подачи, вентиляции и т. д.) и при этом экономить электроэнергию. Именно в этих качествах данного вида оборудования заинтересованы предприятия-потребители. Спрос на преобразователи частоты растет, а значит и растет предложение. В данной ситуации конкуренция между основными производителями быстро нарастает. Оборудование становится дешевле, но в то же время оно не лишается своих технических характеристик.

Предлагаемая модель преобразователя частоты отличается своей функциональной простотой, а следовательно и простотой в управлении. Однако это не делает ее не конкурентно-способной по отношению к аналогам, учитывая то, что ее стоимость ориентировочно не будет превышать 80$. Приведем несколько аналогов данного оборудования и сравним их характеристики.

Модель серии ЕI-8000 производство фирмы «Веспер» со встроенным промышленным PLC контролером. Рекомендуется для управления приводами с постоянной, быстроменяющейся, а также вентиляторной нагрузкой. Подъемно-транспортное оборудование, транспортеры, конвейеры, экструдеры, куттера, упаковочные и дозирующие машины, сушильные агрегаты, сепараторы, мельницы, дробилки, вентиляторы, насосы, компрессоры и т.д.

- мощность: до 1,5 кВт.

- выходная частота от 0,1 до 650 Гц.

- полная защита двигателя от перегрузок.

- векторное управление без обратной связи.

- встроенный ПИД-регулятор.

- встроенный контроллер.

- программирование групп преобразователей с помощью модуля копирования.

- возможность дистанционного управления и мониторинга по RS-232/RS-485 (протокол MODBUS).

- встроенный ЭМИ фильтр класса А.

- аналоговые  и цифровые входы/выходы для регулирования и дистанционного управления.

Преобразователь фирмы HITACHI серии L200. Инвертор совмещает в себе отлаженную внутреннюю структуру и самые современные компоненты для обеспечения наилучшей производительности.

Основные характеристики:

- встроенный фильтр ЭМИ категории С3;

- мощность 1,5кВт;

- соотвествие мировым стандартам;

- встроенный ПИД-регулятор;

- встроенный интерфейс RS485 с протоколом Modbus;

- вход датчика тепловой защиты электродвигателя;

- цифровой дисплей с встроенным потенциометром;

- функция быстрого запуска;

- функции защиты от перегрузки по току, от повышенного и пониженного напряжения,  от перегрева, от короткого замыкания;

- функцию ограничения перегрузки и т.д;

- возможность подключения выносного пульта управления.

Преобразователь частоты VFD-S фирмы «DELTA». Предназначен для управления скоростью вращения, плавного пуска/останова и защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Работа преобразователя в составе конкретного устройства может быть оптимизирована с помощью его параметрирования (всего 100 программируемых параметров, разбитых на 9 функциональных групп). Параметрирование осуществляется пользователем со встроенного пульта управления или по последовательному интерфейсу.

Особенности:

- современный компактный транзисторный преобразователь частоты с микропроцессорным управлением.

- реализует частотный способ управления двигателем, с широкой возможностью корректировки зависимостей Uвых = f(Fвых) и                   Fвых = f(Uупр).

- частота ШИМ устанавливается пользователем в диапазоне от 3 до    10 кГц.

- подъем начального пускового момента и компенсация скольжения.

- встроенный тормозной ключ - динамическое торможение двигателя и торможение постоянным током.

- встроенный программируемый логический контроллер.

- последовательный интерфейс RS-485 (MODBUS со скоростью обмена до 38 400 бод).

- автоматический рестарт после кратковременного пропадания питающего напряжения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14