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 А4.4 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 Перечень элементов ПАЛ.437293.001 ПЭ3 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Спецификация ПАЛ.1 ПРИЛОЖЕНИЕ В Спецификация ПАЛ.1 ПРИЛОЖЕНИЕ

Г Спецификация ПАЛ.1 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 IIFIER 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]. 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. - перегрузочная способность – 150% от номинального момента в течение 60 сек. Характеристики рассмотренных аналогов и разрабатываемого устройства приведены в таблице 1.1. Таблица 1.1 - Сравнительные характеристики частотных преобразователей

Параметр «Веспер» EI-8000 «HITACHI» L200 «DELTA» VFD-S Разрабатываемое изделие Напряжение питания, В 220 220 220 220 Мощность, кВт 1,5 1,5 1,5 2 Выходная частота, Гц от 0,1 до 650 от 1 до 400 от 0,1 до 400 от 1 до 99 Защита двигателя от перегрузки по току да да да да Защита двигателя от повышенного и пониженного напряжения да да нет да

Контроллерное управление да да да да Возможность дистанционного управления и мониторинга (протокол MODBUS) да да да нет Встроенный фильтр ЭМИ класс А класс С3 нет нет Аналоговые и цифровые входы/выходы для регулирования и дистанционного управления да нет нет нет Вход датчика тепловой защиты электродвигателя нет да нет нет Функция быстрого запуска нет да нет нет Возможность подключения выносного пульта управления нет да нет

нет Диапазон частот ШИМ, кГц до 10 до 10 до 10 до 10 Встроенный тормозной ключ нет нет да да Автоматический рестарт после кратковременного пропадания питающего напряжения нет нет да нет Стоимость, у.е. 195 220 251 75 1.5 Анализ элементной базы В современных устройствах необходимо стараться применять элементную базу, характеризующуюся высокими функциональными возможностями, гибкостью использования, высокой надежностью и массогабаритными

показателями. По возможности следует использовать технологию поверхностного монтажа, так как она способствует уменьшению габаритов печатных плат, а также упрощает технологию производства.Для того чтобы у разрабатываемого изделия была более высокая технологичность число различных типоразмеров электрорадиоэлементов должно быть минимальным. На основании описанной в п.1.1 схемы электрической принципиальной, выбрана элементная база частотного преобразователя.

Выбор всех элементов осуществлялся по следующим критериям: соответствие заданному рабочему диапазону температур; устойчивость к заданным внешним механическим воздействиям; выбранные элементы не ухудшают электрические характеристики схемы. Также при выборе элементов осуществлялся анализ экономической целесообразности использования данного элемента в устройстве. Конденсаторы С1 и С2 - GRM1885C1H330J имеют типоразмер 0603; тип

ТКЕ – NPO – используются в прецизионных цепях, в рабочем диапазоне емкость практически не зависит от температуры, времени, напряжения и частоты; рабочее напряжение – 50 В; емкость - 33 пФ; точность - 5%; диапазон рабочих температур – от минус 55 до плюс 125°С. Конденсаторы C3, C7, С8, C10 и С12 - GRM188R71H104K имеют типоразмер 0603; тип ТКЕ – X7R – стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью;

номинальное рабочее напряжение – 50 В; емкость – 0,1 мкФ; точность 10%; диапазон рабочих температур – от минус 55 до плюс 125°С. Конденсатор C5 - GRM186R71H102C имеют типоразмер 0603; тип ТКЕ – X7R – стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью; номинальное рабочее напряжение – 50 В; емкость – 1 нФ; точность 0,25%; диапазон рабочих температур – от минус 55 до плюс 125°С.