Проектирование и изготовление учебно-лабораторного стенда на базе преобразователя частоты Danfoss VLT-5004

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В последние годы в России всё большую актуальность приобретает вопрос энергосбережения на производстве. Это обусловлено непрерывным ростом цен на основные энергоресурсы, что приводит к увеличению стоимости электроэнергии. С другой стороны снижение энергозатрат позволяет уменьшить себестоимость производимой продукции, что значительно улучшает её конкурентоспособность.

Энергосбережение на производстве, по сути, сводится к снижению потерь энергии в потребителях. Учитывая, что, как правило, основными потребителями на производстве являются электродвигатели, можно сделать вывод, что одной из приоритетных задач энергосбережения является снижение потерь в электроприводе.

В настоящее время наибольшее распространение получили асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Они составляют около 90% всего парка машин, задействованных на производстве. Такое широкое распространение объясняется рядом преимуществ асинхронных двигателей, таких как высокая надежность, низкая стоимость, простота изготовления и эксплуатации.

Очевидно, что значительного повышения энергетической эффективности можно добиться снижением потерь в электроприводах с асинхронным двигателем.

Анализ ситуации показывает, что основным способом повышения энергосбережения в электроприводе является внедрение управляемого электропривода. Традиционно сложилось, что при необходимости управлять скоростью вращения вала двигателя использовались двигатели постоянного тока. Асинхронные же двигатели использовались исключительно в нерегулируемом приводе. Однако развитие силовой электроники и микропроцессорной техники позволило создать относительно недорогие и достаточно надёжные преобразователи частоты, способные регулировать скорость асинхронных двигателей. Появление преобразователей частоты способствовало не только внедрению регулируемого электропривода в областях, где использовались асинхронные двигатели, но и значительно потеснило позиции двигателей постоянного тока.

Очевидно, что производительность, качество и себестоимость продукции зависит от технического уровня, режима работы, условий эксплуатации электрооборудования, т.е. всех основных показателей, характеризующих эффективность работы, как отдельных цехов, так и всего предприятия в целом. В этих условиях успех производственной деятельности инженера-мехатроника существенно зависит от его готовности к выполнению целого ряда функций, касающихся грамотной эксплуатации электрооборудования цехов.

Расширение и усложнение выполняемых электроприводом функций, применение в нем новых средств управления требуют высокого уровня подготовки специалистов, занятых его проектированием, монтажом, наладкой и эксплуатацией. Они должны хорошо знать назначение и элементную базу отдельных узлов электропривода, их свойства и характеристики, уметь разбираться в схемах управления электропривода, определять его экономические показатели и выбирать его элементы.

В рамках темы дипломной работы разработан и изготовлен стенд на базе преобразователя частоты Danfoss.

Выполнение учащимися лабораторных работ на данном стенде является важным средством более глубокого усвоения и изучения теоретического материала. Студенты получают необходимые знания о преобразователе частоты, способах и преимуществах его использования, а так же практические навыки работы с преобразователем, что, несомненно, пригодится им в дальнейшем.

Также стенд может быть использован для подготовки специалистов.

1. Постановка задачи

Основное назначение стенда - изучение преобразователя частоты Danfoss, его возможностей, характеристик, режимов работы, программирование. Проведение лабораторных работ для студентов факультета автоматизации ОмГТУ по учебным курсам «Мехатронные и робототехнические системы».

В результате проведенного анализа темы дипломной работы, а также с учетом технических и методических требований можно сформулировать основную задачу дипломного проекта:

1) Стенд должен обеспечивать максимальную наглядность изучаемой темы, для чего предлагается разработать удобную панель управления.

2) Стенд по своим функциональным возможностям должен обеспечивать проведение 4 лабораторных работ, для чего предусмотреть переключатель рода работ.

3) Управление нагрузкой стенда должно осуществляться как вручную, так и в автоматическом режиме, с использованием схемы программирования нагрузки.

4) Питание стенда осуществляется от источника напряжения 380В, поэтому в целях повышения безопасности работы со стендом должны быть приняты меры, исключающие поражение электрическим током.

5) Стенд должен иметь возможность подключения к персональному компьютеру с соответствующим программным обеспечением.

7) Стенд должен быть устойчив к механическим вибрациям, которые могут возникнуть при его эксплуатации.

8) Элементной базой стенда должны быть широко распространенные схемы, электронные компоненты, промышленная автоматика.

Все эти требования должны быть положены в основу разработки принципиальной электрической схемы, внешнего вида и конструкции стенда данной дипломной работы.

2. Проектная часть

2.1 Обзор по теме

На начальном этапе проектирования стенда было рассмотрено несколько стендов на базе преобразователей частоты различных фирм - как российских, так и зарубежных. В целом эти стенды можно разделить на две группы:

- стенды, разработанные фирмой-изготовителем частотного привода;

- стенды, разработанные в рамках учебных учреждений и лабораторий.

Первые, в свою очередь, разрабатывались главным образом для промышленных целей - проверки двигателей, агрегатов и т.п.

Вторые были разработаны непосредственно для выполнения лабораторных работ, но, к сожалению, не отличались своей функциональностью и имели целый ряд недостатков. Прежде всего в стендах часто использовался преобразователь частоты с довольно ограниченным числом функций (более низкой стоимости), часто использовалась однотипная нагрузка - чаще всего двигатель оснащался механическим тормозом, так же был вариант с центробежной воздуходувкой, отражающий лишь частный случай использования частотного привода. Не во всех стендах была предусмотрена визуализация процессов и характеристик двигателя на мониторе ПК.

2.2 Назначение и применение преобразователей частоты Danfoss

Частотные преобразователи Danfoss предназначены для регулирования частоты вращения вала АД в широких пределах. Фирма Danfoss предлагает широкую линейку моделей, способных эффективно работать с двигателями от 750 Вт до 600 кВт.

Можно выделить несколько основных типов индустрии народного хозяйства, где целесообразно применять привод Danfoss в качестве части системы АСУ ТП производства:

Металлургия

Автоматизация прокатного стана, когда возможно осуществлять в автоматическом режиме:

- контроль и корректировку положения проката на стане

- ввод данных по химическому составу стали (рецепты)

Автоматизации установки непрерывного литья, когда скорость валиков на выходе контролируется автоматически.

- использование привода от снижает требования к обслуживающему персоналу и сокращает запас запчастей на складе

- совместимость контроллеров упрощает наладку и обслуживание установки

Автоматизированная сварка, когда автоматически производятся:

- позиционирование сварочной головки

- процесс подачи сварочной проволоки

Автоматизации линии контроля качества конечной продукции, когда при помощи модернизированного привода можно осуществлять:

- регулировку скорости и натяжения проката

- автоматическая нарезка и укладка проката

Целлюлозно-Бумажная Промышленность

Автоматизация системы приводов бумагоделательной машины, когда в автоматическом режиме осуществляются:

- оптимизация скорости вращения гуч- и пресс-валов

- контроль натяжения полотна

Автоматизация процесса намотки полотна, когда регулируются:

- скорость и ускорение подачи полотна

- инерция рулона

Автоматизация напорного ящика, когда устанавливаются и поддерживаются:

- уровень целлюлозной массы

- мягкий пуск и останов двигателя насоса, что приводит к энергосбережению системы

Автоматизированная укладка готовых листов, когда обеспечиваются:

- тонкая регулировка скорости и аккуратность укладки листов

- регулировка высоты штабеля

Автоматизация процесса скоростной резки рулона, когда обеспечиваются:

- регулировка отрезного диаметра с точностью +/- 1 мм

- контроль движения и абсолютная точность позиционирования

Производство резины и пластмассы

Автоматизация миксера для резины, когда в автоматическом режиме осуществляются:

- оптимизация движения поршня машины

- подсчет и экономия затраченных кВт

Автоматизация экструдера, когда можно получить:

- полный момент кручения при максимальной загрузке

- быстрое управление и анализ производственного процесса

Автоматизация линии пористой резины, когда возможно:

- цифровое управление позволяет задать абсолютно точную скорость

- абсолютно точное и безопасное натяжение продукта

Автоматизация линии пластиковой пленки, когда требуется:

- аккуратность натяжения пленки при намотке

- точное поддержание заданной скорости работы линии

Металлообработка. Станки с ЧПУ

Автоматизация револьверных станков, когда в автоматическом режиме осуществляются:

- высокая точность позиционирования изделия

- контроль динамики и скорости обработки поверхности

Автоматизация координатно-расточных станков, когда возможно достичь:

- привод шпинделя осуществляет 4-хмерную обработку изделия за 1 операцию

- снижение времени на замену инструментария

Автоматизация токарно-шлифовальных станков, когда устанавливаются:

- точность позиционирования детали

- прецизионный процесс обработки изделия

Автоматизация фрезерных станков, когда необходимо:

- осуществлять контроль над всеми осями вращения

- применение энкодера снижает общую стоимость АСУ ТП

Автоматизация штамповочных прессов, когда возможно достичь:

- высокая точность позиционирования

- снижение времени на замену инструментария

Автоматизация конвейеров, когда устанавливаются:

- высокая точность позиционирования

- фиксированная скорость перемещения

Водоснабжение

Автоматизация погружного насоса, когда в автоматическом режиме регулируются:

- скорость и давление потока

- потребление электроэнергии

Автоматизация установки на орошение, когда возможно осуществить:

- подачу воды точно по заданному режиму

- автоматическое распределение нагрузки на скважины

Автоматизация канализационной станции, когда требуется:

- поддержание постоянного объема подачи кислорода в бак воды

- регулировка работы компрессора без энергопотерь.

2.2.1 Насосы с ЧРП

Говоря о водоснабжении, нельзя не коснуться задач повышения давления в водопроводных сетях. Особенно это актуально для высотных зданий и промышленных предприятий, где напор в системе должен быть постоянным. Проблема состоит в том, что обычные станции повышения давления работают без учета суточных колебаний напора в сети, на максимальной мощности. Энергозатраты при этом очень велики.

Например, для жилого дома с максимальным потребным расходом 15 м3/ч и напором 60 м современная станция повышения давления с ЧРП дает экономию электроэнергии (по сравнению с обычными отечественными установками) около 1-2 кВт на каждый час работы. За год разница достигает 8000-16000 кВт/ч.

Это позволяет быстро окупить первоначальные вложения и снизить общие затраты. Стоит сказать еще, что за счет частотного регулирования всех насосов станции автоматически подстраиваются даже под значительные колебания давления городской сети, что актуально практически для всех крупных городов России.

Все большее распространение получают системы кондиционирования воздуха, интегрированные в единую систему управления инженерными сетями зданий. Безусловно, в этом случае очевидно преимущество применения насосов с частотным регулированием. Они не только позволяют автоматизировать систему кондиционирования и включить ее в общую сеть контроля, но и оптимизировать работу всех контуров кондиционирования. При этом экономия электроэнергии может превышать 60%. Регулируемые насосы рекомендуется устанавливать на всех этапах процесса. Для наглядности приведем пример системы фанкойлов:

Параметры системы :

Холодопроизводительность 465 кВт

Температура подающего трубопровода

Температура обратного трубопровода зоны

Температура обратного трубопровода

Перекачиваемая жидкость - вода

Расход

Delр: при макс.расходе (трубы/2-ходовой клапан) 18м

В случае, если в систему будет установлен нерегулируемый насос (система с трехходовым клапаном и регулировочным вентилем), энергопотребление будет следующим:

Таблица 1 Энергопотребление при использовании нерегулируемого насоса

Расход в системе, %	Время, ч. в год	Потребляемая мощность, кВт	Энергопотребление, кВт/ч
100 Итого:	2930 2930	7,7 Итого	22561 22561

Если же в систему установить регулируемый насос, то ситуация будет выглядеть так:

Таблица 2 Энергопотребление при использовании преобразователя частоты

Расход в системе, %	Время, ч. в год	Потребляемая мощность, кВт	Энергопотребление, кВт/ч
100 75 50 30 Итого:	144 288 1056 1442 2930	6,1 4,1 2,5 1,5 Итого	878 1152 2640 2153 6823

Очевидно, что экономия электроэнергии составляет почти 70%. При этом в систему можно установить двухходовой клапан - это дешевле и избавляет от необходимости устанавливать регулировочный вентиль. Кроме того, такое решение ведет к снижению шума в клапанах системы.

Понятно, что при столь значительной разнице в энергопотреблении изначальная ценовая разница нивелируется уже на начальном этапе эксплуатации, ведь срок эксплуатации насосов составляет не менее 10-20 лет.

Таким образом, если всерьез задумываться об эффективности и конкурентности, необходимо с особым вниманием подходить к экономичности оборудования. Ведь снижение энергопотребления не только ведет к сокращению текущих затрат, но позволяет быстро окупать приобретенное оборудование, высвобождая средства для более важных целей.

Приобретение насосов - важный и ответственный момент, и остановиться следует на устройствах надежных, качественных, созданных с учетом последних технических и научных достижений.

2.2.2 Применение преобразователей частоты для привода вентилятора и дымососа

Дутьевые вентиляторы применяются для подачи воздуха на горелки в котлах а также в качестве дымососа на котле.

В настоящее время на всех агрегатах применяется нерегулируемый асинхронный электропривод с прямым пуском электродвигателя. Прямой пуск приводит к значительным перегрузкам на электродвигателях из-за больших и продолжительных пусковых токов. В зависимости от требований технологического процесса регулирование расхода воздуха осуществляется изменением положения заслонок направляющего аппарата электродвигателем в ручном режиме с ЦП (центрального пульта управления).

Анализ аэродинамической, напорной и характеристики КПД вентилятора показывает, что в настоящее время дутьевые вентиляторы и дымосос используются неэффективно. т.е. применяются в части характеристик, имеющих низкий К.П.Д с большим перерасходом мощности.

Это означает, что для работы агрегата по кривой максимального К.П.Д.тах=0/82 с приводом от имеющегося асинхронного электродвигателя, необходимо применить частотно-регулируемый привод.

Сравнение показывает, что КПД вентиляторов при регулируемом электроприводе должно быть больше, чем при нерегулируемом, в среднем на 15 - 20% (Рис. 1).

Кроме повышения КПД, применение регулируемого привода для вентиляторов позволяет в ряде случаев упростить конструкцию турбомашин, исключив направляющий аппарат. Кроме улучшения энергетических характеристик, значительно изменяются эксплуатационные показатели: увеличивается межремонтный цикл из-за снижения механических нагрузок и смягчения пусковых режимов, легко выбирается необходимый технологический режим и обеспечивается параллельная работа вентиляторов.

Рис. 1 - Применение преобразователей частоты для привода вентилятора и дымососа

1 - нерегулируемый привод (положение лопаток направляющего аппарата 0 град);

2 - нерегулируемый привод (положение лопаток направляющего аппарата 50 град);

3 - привод с преобразователем частоты;

4 - график часовой экономии мощности при соответствующем расходе.

2.2.3 Применение частотно-регулируемого привода в компрессорных установках

Работа поршневого компрессора существенно отличается от работы механизмов с вентиляторной характеристикой, так как момент сопротивления на его валу можно считать постоянным.

Однако производительность компрессора Q м3/мин зависит от числа оборотов его вала. При регулировании производительности компрессора изменением числа оборотов его вала изменяется и мощность, потребляемая из сети электродвигателем, приводящим компрессор в движение. На промышленных предприятиях достаточно часто требуется регулировать производительность компрессорных установок за счёт изменения скорости вращения электродвигателя.

Из-за неравномерности потребления сжатого воздуха при работе компрессора иногда приходится открывать спускной клапан в ресивере компрессора.

Рис. 2 - Применение частотно-регулируемого привода в компрессорных установках

Применение частотно-регулируемого привода как показано на схеме позволяет экономить электроэнергию, поддерживая оптимальное давление при оптимальном расходе сжатого воздуха в системах пневматики.

При применении частотно-регулируемого привода для управления винтовыми компрессорами можно получить экономию электроэнергии, сравнимую с экономией при управлении центробежными насосами (до 60%), т.к. характеристика винтового компрессора близка к характеристике центробежного насоса.

Кроме получения экономии электроэнергии применение частотно-регулируемого привода дополнительно обеспечивает следующее:

1. Снижается износ коммутационной аппаратуры из-за отсутствия больших пусковых токов при включении двигателя компрессора.

2. Оптимизация давления в пневмосети снижает утечки сжатого воздуха.

3. Увеличивается срок службы электродвигателя из-за снижения его нагрузки и отсутствия тяжёлых пусковых режимов.

2.2.4 Эффективность применения регулируемого электропривода на объектах народного хозяйства

Рис. 3 - Эффективность применения регулируемого электропривода на объектах народного хозяйства

Таблица 3 Применение регулируемого электропривода на объектах народного хозяйства

Системы водозабора	РТС, котельные	ЖКХ, объекты социальной сферы	Промышленные предприятия	Очистные сооружения, станции канализационного слива
Насосные агрегаты	Тягодутьевые комплексы, насосные агрегаты горячего и холодного водоснабжения, насосы отопительные, питательные, подпиточные, солевые, циркуляционные	Системы горячего водоснабжения, насосы отопительные, циркуляционные, лифтовые механизмы, вентсистемы	Конвейерная техника, компрессоры, системы вентиляции и кондиционирования, насосы тепло- и водоснабжения, грузоподъемные механизмы, станочное оборудование	Вентиляционные системы, насосы перекачки, технологические насосы

Разработка и внедрение регулируемого электропривода является одним из самых перспективных и экономически оправданных направлений из всех энергосберегающих технологий, емкость рынка преобразователей частоты для России составляет, по оценкам экспертов десятки млн. штук, в том числе несколько сот тысяч - для систем ЖКХ.

2.3 Принцип работы преобразователей частоты

Существует классификация преобразователей по способу управления электродвигателем. С этой точки зрения их можно разделить на преобразователи частоты со скалярным и векторным управлением. Такое деление обусловлено необходимостью управлять не только частотой на выходе преобразователя, но и напряжением. Алгоритм вычисления значения напряжения и определяет способ управления. В преобразователях частоты со скалярным управлением значение напряжения определяется из зависимости U(f), которая, как правило, рассчитывается методом линейной интерполяции по нескольким базовым точкам. Пользователь имеет возможность изменять значения этих точек. Скалярный способ управления обеспечивает достаточно хорошее качество регулирования, даже с использованием заводских настроек.

Рис. 4 - Скалярное управление асинхронным электродвигателем

Компанией Danfoss разработана линейка преобразователей частоты VLT®2800. Привод управляет амплитудой и частотой путем компенсации нагрузки и скольжения. В VLT®2800 записаны типичные параметры двигателя - автоматическая адаптация двигателя измеряет сопротивление статора Rs.

Рис. 5 - Скалярное управление с компенсациями

В преобразователях частоты с векторным управлением значение напряжения рассчитывается методом моделирования процессов, проходящих в асинхронном двигателе. В этом случае пользователю необходимо задать параметры двигателя. Очевидно, что этот способ управления позволяет осуществлять более качественное управление электродвигателем. Однако настройка такого преобразователя частоты требует более глубоких познаний в области электропривода и электрических машин.

FC301, VLT5000, VLT6000, VLT8000 - преобразователи частоты на основе векторного управления (прямое управление амплитудой, углом и частотой вектора напряжения).

Рис. 6 - Векторное управление асинхронным электродвигателем (без обратной связи)

Рис. 7 - Векторное управление асинхронным электродвигателем (с обратной связью)

Качество управления двигателем зависит от правильной установки параметров схемы замещения. В VLT®5000 записаны типичные параметры двигателя. Автоматическая адаптация двигателя измеряет активное и реактивное сопротивление статора Rs и Xs.



Рис. 8 - Функциональная схема преобразователя частоты

Rectifier - выпрямитель; ВС-choke - фильтр; Inrush relay - запускающая цепь; Inverter - инвертор; Driver for IGBT - привод IGBT транзисторов с гальванической изоляцией; Brake - модуль подключения тормозного резистора; Current programming - модуль обратной связи; Inrush driver - привод управления; Power supply - блок питания; Fan driver - модуль привода вентилятора; Aux relay - встроенное реле;

Основу преобразователя составляет трёхфазный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Система управления преобразователя выполнена на базе программируемого микропроцессорного контроллера. Преобразование постоянного напряжения в трёхфазное переменное осуществляется в мостовом транзисторном инверторе, собранном на трёх транзисторно-диодных модулях. Каждый модуль содержит два IGBT-транзистора с шунтирующими обратными диодами. IGBT-транзисторы переключаются многократно в течение периода выходной частоты в соответствии с ШИМ-алгоритмом микроконтроллера. Алгоритм ШИМ-управления поддерживает требуемое регулирование частоты и действующего значения основной гармоники выходного напряжения, обеспечивая при этом синусоидальность формы тока нагрузки.

Также Danfoss разработал линейку частотных приводов с прямым управлением моментом. Это серия VLT 5000 FLUX (управление вектором магнитного потока).

Рис. 9 - Управление вектором магнитного потока

Основная идея заключается в том, что на каждом шаге расчёта определяется оптимальное состояние инвертора напряжения по значению момента и потока статора, из системы исключается широтно-импульсный модулятор как отдельное звено. Система реализует векторное регулирование скорости, математический аппарат которого основан на дифференциальных уравнениях динамики асинхронного двигателя и векторных соотношениях. Метод одинаково корректен как для переходных, так и для установившихся процессов, что существенно повышает динамический диапазон работы системы, приводит, например, к отсутствию провалов скорости при скачках нагрузки. Задача контура скорости - задать мгновенное положение вектора тока, необходимое для поддержания заданной скорости. Задача контура тока - обеспечить реальное положение и амплитуду вектора тока равными заданным значениям.

Момент переключения инвертора не привязан к периоду ШИМ, а зависит от реальной ошибки вектора тока. Определяющим в работе контура является критерий выбора состояния инвертора при переключениях. Он позволяет минимизировать частоту переключений инвертора при малой амплитуде ошибки и уменьшить кратковременно возникающую большую токовую ошибку за минимальное время при минимальном количестве коммутаций инвертора.

Данный метод управления током имеет существенные преимущества по сравнению с ШИМ-управлением. Он позволяет строить более скоростные системы, мгновенно реагирующие на возмущающие воздействия, и одновременно рассеивать меньше энергии в силовых ключах по сравнению с методом ШИМ.

Отметим, что преобразователь частоты является интеллектуальным устройством, использующим микроконтроллер достаточно высокой производительности, поэтому в современном преобразователе имеется ряд дополнительных опций и расширений, позволяющих создавать несложные системы автоматического управления без использования контроллеров.

2.4 Обоснование выбора основных составляющих стенда

2.4.1 Преобразователь частоты

электрический стенд преобразователь частота danfoss

Основой лабораторного стенда является преобразователь частоты Danfoss серии VLT 5000, модель 175Z0137. Эта модель рассчитана на работу с двигателями мощностью до 2,2 кВт. При выборе данного устройства мы руководствовались, прежде всего, самым широким набором сервисных функций из всех фирм, предлагающих автономные частотные приводы, поэтому стоимость данного частотного привода немного выше, чем отечественных и ряда зарубежных фирм.

Преобразователи частоты фирмы Danfoss позволяют осуществлять дистанционное управление через дискретные и аналоговые входы, что широко используется на современном производстве. В частотный привод встроен контроллер довольно высокой производительности, что объясняется широкими возможностями управления (задание частоты вращения двигателя как в аналоговом, так и в цифровом виде), возможностью удаленного контроля за режимом работы.

Общие технические данные VLT-5000

Таблица 4 Питающая электросеть (L1, L2, L3)

Напряжение питания блоков 380 В	3 x 380 ± 10%
Частота питающей сети	48-62 Гц +/- 1 %

Таблица 5 Максимальная асимметрия напряжения питания

VLT 5004, 380 В	± 2,0 % от номинального питающего напряжения
Коэффициент активной мощности (л)	0,90 от номинальной мощности при номинальной нагрузке
Коэффициент реактивной мощности (cos ()	около 1 (>0,98)
Число коммутаций входных линий L1, L2, L3	около 1 раза в минуту

Таблица 6 Выходные данные преобразователей VLT (U, V, W)

Выходное напряжение	0-100 % от напряжения питания
Выходная частота преобразователей VLT 5004, 380 В	0-132 Гц, 0-1000 Гц
Номинальное напряжение электродвигателя, блоки 380 В	380 В
Номинальная частота электродвигателя	50/60 Гц
Число коммутаций на выходе	Без ограничения
Длительность изменения скорости	0,05-3600 с.

Таблица 7 Характеристики крутящего момента

Пусковой момент, VLT 5004, 380 В	160 % в течение 1 мин
Пусковой момент	180 % в течение 0,5 с.
Крутящий момент при разгоне	100%
Перегрузка по моменту, VLT 5004, 380 В	160%
Крутящий момент при заторможенном роторе (замкнутый контур)	100%

Эти характеристики крутящего момента приведены для преобразователя частоты при высоком уровне перегрузки по моменту (160 %). При нормальном уровне перегрузки по моменту (110 %) эти значения будут меньше.

Таблица 8 Плата управления, цифровые входы

Число программируемых цифровых входов	8
Номера зажимов	16, 17, 18, 19, 27, 29, 32, 33
Уровень напряжения	0-24 В= (положительная логика PNP)
Уровень напряжения, логический '0'	< 5 В=
Уровень напряжения, логическая '1'	>10 В=
Максимальное напряжение на входе	28 В=
Входное сопротивление, Ri	2 кОм
Время сканирования каждого входа	3 мс

Надежная гальваническая развязка: все цифровые входы гальванически изолированы от питающего напряжения (PELV). Кроме того, цифровые входы могут быть изолированы от других зажимов платы управления путем подключения внешнего источника питания 24В= и размыкания выключателя 4.

Таблица 9 Плата управления, аналоговые входы

Число программируемых аналоговых входов напряжения/входов термисторов	2
Номера зажимов	53, 54
Уровень напряжения	0 - ±10 В= (масштабируемый)
Входное сопротивление, Ri	10 кОм
Число программируемых аналоговых токовых входов	1
Номер зажима	60
Диапазон тока	0/4 - ±20 мА (масштабируемый)
Входное сопротивление, Ri	200 Ом
Разрешение	10 бит + знак
Точность на входе	Допустимая погрешность 1 % от полной шкалы
Время сканирования каждого входа	3 мс
Номер зажима заземления	55

Надежная гальваническая развязка: все аналоговые входы гальванически изолированы от питающего напряжения (PELV), как и остальные входы и выходы.

Таблица 10 Плата управления, вход импульсов/энкодера

Число входов импульсов/энкодера	4
Номера зажимов	17, 29, 32, 33
Максимальная частота на зажиме 17	5 кГц
Максимальная частота на зажимах 29, 32, 33	20 кГц (PNP, открытый коллектор)
Максимальная частота на зажимах 29, 32, 33	65 кГц (двухтактный)
Уровень напряжения	0-24 В= (положительная логика PNP)
Уровень напряжения, логический '0'	< 5 В=
Уровень напряжения, логическая '1'	>10 В=
Максимальное напряжение на входе	28 В=
Входное сопротивление, Ri	2 кОм
Время сканирования каждого входа	3 мс
Разрешение	10 бит + знак
Точность (100-1 кГц), зажимы 17, 29, 33	Макс. погрешность: 0,5%от полной шкалы
Точность (1-5 кГц), зажим 17	Макс. погрешность: 0,1%от полной шкалы
Точность (1-65 кГц), зажимы 29, 33	Макс. погрешность: 0,1%от полной шкалы

Надежная гальваническая развязка: все цифровые входы импульсов/энкодера гальванически изолированы от питающего напряжения (PELV). Кроме того, входы импульсов/энкодера могут быть изолированы от других зажимов платы управления путем подключения внешнего источника питания 24 В= и размыкания выключателя 4.

Таблица 11 Плата управления, цифровые/импульсные и аналоговые выходы

Число программируемых цифровых и аналоговых выходов	2
Номера зажимов	42, 45
Уровень напряжения на цифровом/импульсном выходе	0 - 24 В=
Минимальная нагрузка относительно земли (зажим 39) на цифровом/импульсном выходе	600 Ом
Диапазоны частот (цифрового выхода, используемого в качестве импульсного выхода)	0-32 кГц
Диапазон тока аналогового выхода	0/4 - 20 мА
Максимальная нагрузка относительно земли (зажим 39) на аналоговом выходе	500 Ом
Точность аналогового выхода	Макс. погрешность: 1,5%от полной шкалы
Разрешение аналогового выхода	8 бит

Надежная гальваническая развязка: Все цифровые и аналоговые выходы гальванически изолированы от питающего напряжения (PELV), как и остальные входы и выходы.

Таблица 12 Плата управления, источник питания 24 В=

Номера зажимов	12, 13
Макс. нагрузка (защита от короткого замыкания)	200 мА
Номера зажимов заземления	20, 39

Надежная гальваническая развязка: Источник питания 24 В= гальванически изолирован от питающего напряжения (PELV), но имеет тот же потенциал, что и аналоговые выходы.

Таблица 13 Плата управления, кабель последовательного интерфейса RS 485

Номера зажимов	68 (TX+, RX+), 69 (TX-, RX-)

Надежная гальваническая развязка: Полная гальваническая развязка.

Таблица 14 Выходы реле

Число программируемых выходов реле	2
Номера зажимов платы управления	4-5 (замыкание)
Максимальная нагрузка (перем.ток) на зажимах 4-5 платы управления	50 В ~, 1 А, 50 ВА
Максимальная нагрузка (пост. ток-1 (IEC 947)) на зажимах 4-5 платы управления	75 В =, 1 А, 30 Вт
Максимальная нагрузка (пост.ток-1) на зажимах 4-5 платы управления	30 В ~, 1 А / 42,5 В =, 1 А
Номера зажимов, плата питания	1-3 (размыкание), 1-2 (замыкание)
Максимальная нагрузка (перем. ток) на зажимах 1-3, 1-2 платы управления	240 В ~, 2 А, 60 ВА
Максимальная нагрузка пост. тока-1 (IEC 947) на зажимах 1-3, 1-2 платы управления	50В пост. ток, 2 А
Максимальная нагрузка на зажимах 1-3, 1-2 платы управления	24 В =, 10 мА; 24В ~, 100 мА

Таблица 15 Зажимы тормозного резистора (только блоки SB и EB)

Номера зажимов	81, 82

Таблица 16 Внешний источник питания 24 В =

Номера зажимов	35, 36
Диапазон напряжения	24 В= ± 15% (не более 37 В= в течение 10 с.)
Максимальные пульсации напряжения	2 В =
Потребляемая мощность	15 Вт - 50 Вт (50 Вт во время пуска в течение 20 мс)
Предварительный плавкий предохранитель, мин.	6 А

Надежная гальваническая развязка: Полная гальваническая развязка, если внешний источник питания 24 В = также типа PELV.

Таблица 17 Длина кабелей, их поперечное сечение и разъемы

Максимальная длина кабеля электродвигателя (экранированный кабель)	150 м
Максимальная длина кабеля электродвигателя (неэкранированный кабель)	300 м
Максимальная длина тормозного кабеля (экранированный кабель)	20 м
Максимальная длина кабеля разделения нагрузки (экранированный кабель)	25 м от преобразователя частоты до шины постоянного тока
Максимальное поперечное сечение кабеля для внешнего источника 24 В= VLT 5004 380В	4 мм2/10 AWG
Максимальное поперечное сечение кабелей управления	1,5 мм2/16 AWG
Максимальное поперечное сечение кабеля для последовательной связи	1,5 мм2/16 AWG

Если необходимо обеспечить соответствие требованиям UL/cUL, должен использоваться кабель с классом по температуре 60/75 °C

Если не указано иного, должны использоваться кабели с медными или алюминиевыми проводами.

Таблица 18 Точность отсчета на дисплее (параметры 009-012)

Ток электродвигателя при нагрузке 0-140%	Макс. погрешность: ±2,0% от номинального выходного тока
Процентное значение вращающего момента нагрузка -100 - 140 %	Макс. погрешность: ± 5% от номинального значения для электродвигателя
Выходная мощность, л.с., нагрузка 0-90 %	Макс. погрешность: ± 5% от номинальной выходной мощности

Таблица 19 Характеристики управления

Диапазон частот	0 - 1000 Гц
Разрешение на выходной частоте	± 0,003 Гц
Время реакции системы	3 мс
Диапазон регулирования скорости (разомкнутый контур)	1:100 относительно синхронной скорости
Диапазон регулирования скорости (замкнутый контур)	1:1000 относительно синхронной скорости
Точность регулирования скорости (разомкнутый контур)	- < 1500 об/мин: макс. погрешность ± 7,5 об/мин; - >1500 об/мин: макс. погрешность 0,5% от фактической скорости;
Точность регулирования скорости (замкнутый контур)	- < 1500 об/мин: макс. погрешность ± 1,5 об/мин; - >1500 об/мин: макс. погрешность 0,1% от фактической скорости;
Точность регулирования крутящего момента (разомкнутый контур)	- 0-150 об/мин: макс. погрешность ±20% от номинального момента; - 150-1500 об/мин: макс. погрешность ±10% от номинального момента; - >1500 об/мин: макс. погрешность ±20% от номинального момента;
Точность регулирования крутящего момента (обратная связь по скорости)	макс. погрешность ±5% от номинального момента;

Все характеристики регулирования основаны на использовании 4-полюсного асинхронного электродвигателя

Таблица 20 Внешние условия

Класс защиты корпуса (зависит от типоразмера по мощности)	IP 20
Испытания на вибрацию	0,7 g эфф., 18-1000 Гц, выборочные испытания. В трех направлениях в течение 2 часов (IEC 68-2-34/35/36)
Макс. относительная влажность	93 % (IEC 68-2-3) при хранении/транспортировке
Макс. относительная влажность	95 % без конденсации (IEC 721-3-3; класс 3K3) при эксплуатации
Температура окружающей среды, корпус IP 20 (повышенная перегрузка по моменту 160 %)	Не более 45 °C (средняя за 24 часа не более 40 °C)
Температура окружающей среды, корпус IP 20 (нормальная перегрузка по моменту 110 %)	Не более 40 °C (средняя за 24 часа не более 35 °C)
Минимальная температура окружающей среды при работе с номинальными характеристиками	0 °C
Минимальная температура окружающей среды при работе с пониженными характеристиками	10 °C
Температура при хранении/транспортировке	от -25 до +65/70°C
Макс. высота над уровнем моря	1000 м
Применимые стандарты по ЭМС, излучение	EN 61000-6-3, EN 61000-6-4, EN 61800-3, EN 55011
Применимые стандарты по ЭМС, помехозащищенность	EN 61000-6-2, EN 61000-4-2, EN 61000-4-3, EN 61000-4-4, EN 61000-4-5, EN 61000-4-6, VDE 0160/1990.12

Защита преобразователей частоты серии VLT 5000:

* Электронная тепловая защита электродвигателя от перегрузки.

* Контроль температуры радиатора обеспечивает отключение преобразователя частоты при достижении температуры 90 °C для IP 20. Срабатывание защиты от перегрева может быть сброшено только тогда, когда температура радиатора упадет ниже 60 °C.

* Преобразователь частоты защищен от короткого замыкания зажимов электродвигателя U, V, W.

* Преобразователь частоты защищен от короткого замыкания на землю

зажимов электродвигателя U, V, W.

* Постоянный контроль напряжения промежуточной схемы обеспечивает отключение преобразователя частоты, если это напряжение окажется слишком высоким или слишком низким.

* В случае обрыва фазы электродвигателя преобразователь частоты отключается (параметр 234 Контроль фазы электродвигателя).

* Если происходит отказ питания, преобразователь частоты может осуществить регулируемое торможение.

* В случае обрыва фазы сети преобразователь частоты отключается, если электродвигатель нагружен.

2.4.2 Электродвигатель и генератор

На начальном этапе проектирования было решено, что роль нагрузки двигателя будет выполнять генератор. Был выбран генератор Г-222 от автомобиля ВАЗ-2101. Генератор Г-222 переменного тока служит для питания потребителей электрической энергии. Он представляет собой трехфазную синхронную электрическую машину с электромагнитным возбуждением правого вращения (со стороны привода). Для преобразования переменного тока в постоянный в генератор встроен выпрямитель на шести кремниевых диодах. Максимальная сила тока отдачи генератора (при 14 В и 5000 об/мин) составляет 42 А. Диаметр шкива генератора - 80 мм.



Рис. 10 - Генератор Г-222 (ВАЗ-2101)

Генератор 1. Крышка генератора со стороны контактных колец; 2. Выпрямительный блок; 3. Болт крепления выпрямительного блока и фазных выводов обмотки статора; 4. Контактные кольца; 5. Контактные кольца; 6. Шарикоподшипник вала ротора со стороны контактных колец; 7. Вал ротора; 8. Изолирующая втулка; 9. Винт крепления щеткодержателя; 10. Плюсовой клеммовый болт (вывод "30"); 11. Изолирующая втулка контактного болта; 12. Штекер центрального вывода обмотки статора; 13. Щеткодержатель; 14. Отрицательная щетка; 15. Положительная щетка; 16. Шпилька для крепления генератора к натяжной планке; 17. Крыльчатка шкива; 18. Клювообразный полюсный наконечник ротора со стороны привода; 19. Шкив привода генератора; 20. Гайка крепления шкива; 21. Дистанционное кольцо подшипника; 22. Шарикоподшипник вала ротора со стороны привода; 23. Крышка генератора со стороны привода; 24. Каркас обмотки ротора; 25. Обмотка ротора; 26. Изоляция паза статора; 27. Статор; 28. Клин обмотки статора; 29. Обмотка статора; 30. Клювообразный полюсный наконечник ротора со стороны контактных колец; 31. Стяжной болт; 32. Буферная втулка; 33. Втулка; 34. Отрицательный диод; 35. Изолирующая пластина; 36. Провод фазного вывода обмотки статора; 37. Положительный диод; 38. Держатель положительных диодов; 39. Изолирующая втулка; 40. Держатель отрицательных диодов.

Выбираем электродвигатель.

Ввиду того, что на двигатель будет установлен модернизированный шкив коленвала (автомобильный), диаметр которого 150 мм., получается, что передаточное число клиноременной передачи:

;

То есть, обороты двигателя должны быть не более:

об/мин;

Но так как преобразователь частоты выбран на 2,2 кВт, двигатель, мощностью больше этого значения, также не желательно выбирать.

Окончательно выбираем двигатель АИР71В4.

Вычерчиваем эскиз выбранного электродвигателя с указанием его основных характеристик.

Рис. 11 - Электродвигатель АИР71В4

Таблица 21 Электродвигатель АИР71В4

Тип двигателя	Число полюсов
АИР71В	4	19	40	272,5	8	7	170	90	46	10	112	71	10	188

2.4.3 Нагрузка

Разработка модуля силовой части нагрузки

Схема представлена на листе ДП.-2068998-А1-16-00.00.000.Э3 (Силовая часть нагрузки) графической части работы (Схема 4.). В качестве нагрузки используется схема, состоящая из трёх групп мощных транзисторов. Используются транзисторы серий КТ816В (VT2, VT3, VT5, VT6, VT8, VT9, VT11, VT12) и КТ818В (VT1, VT4, VT7, VT10).

Сопротивление резисторов R27-R33 составляет 0,2 Ом.

Сопротивление резисторов R19-R22 - 1 кОм.

Сопротивление резисторов R23-R26 - 160 Ом.

Схема реализует 3 различных по мощности вида нагрузки, образуя 8 ступеней нагрузки ().

Первая ступень - 3,5 А;

Вторая ступень - 7 А;

Третья ступень - 14 А.

Так как схема выделяет большое количество теплоты (рассеивается порядка 300 Вт.), она установлена на алюминиевом радиаторе 450х125.

Радиатор охлаждается тремя вентиляторами.



Рис. 12 - Модуль силовой части нагрузки

Рис. 13 - Модуль силовой части нагрузки. Принципиальная схема

Разработка модуля управления нагрузкой

Схема представлена на листе ДП.-2068.998-А1-16-00.00.000.Э3 (Схема управления нагрузкой) графической части работы.

Основу схемы составляет программируемый контроллер АТ89С51-24PI фирмы ATMEL.

Контроллер имеет 4 порта ввода/вывода общего назначения.

Нулевой порт также используется для доступа к внешней памяти.

Третий порт может быть использован как порт ввода/вывода общего назначения или специального назначения: порт имеет 2 входа внешнего прерывания, 2 входа прерывания от таймера-счётчика, 2 последовательных входа, вход + выход для обращения к внешней памяти.

Контроллер имеет 3 16-битных таймера-счётчика, каждый из которых может работать в одном из 4-х режимов.

Программирование нагрузки осуществляется помощью клавиатуры SB1-SB12.

На семисегментные индикаторы DD5-DD12 выводится последовательность работы ступеней нагрузки, которые можно изменять с клавиатуры.

Схемы DD3, DD4 предназначены для усиления сигналов с нулевого порта контроллера.

Прерывание по нажатию клавиши клавиатуры.

Дребезг контактов устраняется программным способом.

Таблица 22 Выбор элементов для схемы управления нагрузкой

Позиционное обозначение	Наименование	Количество	Примечание
DD1	КР1533ЛИ6	1
DD2	АТ89С51-24PI	1
DD3, DD4	КР1533ЛА3	2
DD5 - DD12	SA56-21	8	Семисегментный индикатор, общий анод
R1	С2-33-0,125-10кОм+5%-А-Д-В	1
RR1	А103J	1
C1	К50-35-16В-10мкФ+20%	1
C2, C3	К10-17а-Н50-0,15мкФ+10%В	2
C4	К10-14а-М47-27пФ+10%-5,0В	1
SB1 - SB12	AK-804-N-WWB	1	Клавиатура черная
BQ1	Кварц 12 МГц	1	корпус HU-49
VT1 - VT8	Транзистор КТ3102ВМ аА0.336.122 ТУ	8

Модуль позволяет программировать и управлять изменением нагрузки генератора. Можно задавать различные комбинации нагрузки из 8-ми возможных ступеней.

Программирование осуществляется с помощью 12-тиклавишной клавиатуры, входящей в состав модуля. Отображение информации на семисегментных индикаторах осуществляется динамическим способом.

При включении модуля программа предлагает ввести интервал задержки в секундах, реализуемой между переключениями ступеней нагрузки. Программа допускает ввод значения от 1 до 99.

Для подтверждения ввода нужно нажать клавишу «*», для отмены последнего введенного символа нужно нажать клавишу «#».

Далее задаем алгоритм работы нагрузки - вводим значения ступеней нагрузки. Программа допускает ввод значений от 1 до 8. Запуск программы работы нагрузки осуществляется при нажатии клавиши «*».

Нажатие клавиши «#» во время работы программы работы нагрузки приводит к сбросу программы, и возвращению к установке временного интервала.

При нажатии клавиши «#» во время работы программы работы нагрузки происходит удержание текущего режима нагрузки до тех пор, пока не будет нажата клавиша «*». Далее продолжается работа нагрузки по ранее заданному алгоритму.

Программа для микроконтроллера АТ89С51 написана на языке программирования Ассемблер MCA-51.

Текст программы для контроллера, написанной на ассемблере, приведён в приложении 2.

Разработка модуля усиления сигналов и коммутации нагрузки

Схема представлена на листе ДП.-2068998-А1-16-00.00.000.Э3 (Силовая часть нагрузки) графической части работы (Схема 3.).

Схема представляет собой усилитель сигналов TTL-уровня. Сигналы S1, S2, S3 поступают со схемы управления нагрузки соответственно на клеммы 19, 20, 21.

Далее, усиленные сигналы с клемм 22, 23, 24 соответственно поступают на клеммы 27, 28, 29 силовой схемы, включая заданную нагрузку.

Также, в режиме ручного управления нагрузкой, схема коммутирует сигналы, поступающие с переключателей на клеммы 14, 15, 16, 17.

В схеме используются транзисторы серии КТ3102В (VT13, VT16, VT19), КТ503В (VT14, VT17, VT20), КТ815В (VT15, VT18, VT21).

Диоды VD5 - VD13 серии КД522Б.

Резисторы R4 - R9, R16 - R18 сопротивлением 10кОм.

Резисторы R10 - R12 сопротивлением 1кОм.

Резисторы R13 - R15 сопротивлением 47кОм.

Рис. 14 - Модуль усиления сигналов и коммутации нагрузки. Принципиальная схема

Разработка трансформаторного модуля

Схема представлена на листе ДП.-2068998-А1-16-00.00.000.Э3 (Силовая часть нагрузки) графической части работы (Схема 1.).

Трансформатор преобразует напряжение 220V в 10-12V. В свою очередь схема КРЕН5А формирует напряжение 5V (клемма 4). Реле регулятора РР ограничивает напряжение при оборотах генератора выше 1000 об/мин. до 14V. Выход сигнала обратной связи ОС осуществляется с клеммы 3.

Рис. 15 - Модуль трансформатора

2.4.4 Проектирование и изготовление печатных плат

В рамках данной дипломной работы изготовлено 4 печатные платы:

- Модуль силовой части нагрузки (Схема 4.);

- Плата усилителя сигналов и коммутации нагрузки (Схема 3.);

- Плата управления нагрузкой (Схема 2.);

- Плата индикации (Схема 2.);

Рассмотрим более подробно плату усиления сигналов и коммутации нагрузки.

Шаг координатной сетки равен расстоянию между соседними лапками большинства элементов - то есть 2,5 мм. Диаметр отверстий - 0,6 мм. Ширина дорожки - около 1 мм.



Рис. 16 - Плата усилителя сигналов и коммутации нагрузки

Плата изготовлена химичесуим методом.

Рассмотрим более подробно плату управления нагрузкой.

Шаг координатной сетки равен расстоянию между соседними лапками большинства элементов - то есть 2,5 мм. Диаметр отверстий - 0,6 мм. Ширина дорожки - около 1 мм.

Рис. 17 - Плата усилителя сигналов и коммутации нагрузки

Плата изготовлена химическим методом.

Сборочный чертеж модуля управления нагрузкой представлен на листе ДП.-2068998-А1-16-00.00.000.СБ графической части работы.

Плату собирать согласно схеме управления нагрузкой ДП.-2068998-А1-16-00.00.000.Э3 графической части работы.

Материал печатной платы - стеклотекстолит фольгированный СФ-2-35 ГОСТ 10316-78 .

Используем припой ПОС 61 ГОСТ 21930-76.

Детали устанавливать согласно ОСТ 4ГО.010.030

2.4.5 Выбор устройств управления и сигнализации

При выборе устройств управления и сигнализации (кнопок, переключателей, потенциометра, сигнальных ламп) мы руководствовались прежде всего качеством продукции, её стоимостью и удобством использования и монтажа. Поэтому было решено остановиться на продукции фирмы Schneider Electric.

Выбор переключателей

Рис. 18 - Головка тумблера и корпус кнопки

- Головка тумблера с фиксацией ZB5-AD28, 2 положения, цвет - чёрный;

Количество - 16 штук.

- Корпус в сборе (фиксирующая пластина +блок-контакт) с клеммными зажимами под ZB5-AZ105 - 1НО+1НЗ

Выбор кнопки двойной

Рис. 20 - Головка для двойной кнопки и корпус кнопки

- Головка для двойной кнопки ZB5-AA8134 - с двумя потайными толкателями. Без маркировки. IP40.

Количество - 1 штука.

- Корпус в сборе (фиксирующая пластина +блок-контакт) с клеммными зажимами под ZB5-AZ105 - 1НО+1НЗ

Количество - 1 штука.

Выбор кнопки «грибок»

Рис. 21 - Кнопка с возвратом-поворотом в сборе

- Кнопка XB5-AZ102+ZB4-AS54 с возвратом-поворотом в сборе.

Количество - 1 штука.

Выбор сигнальных ламп

Рис. 22 - Головка сигнальной лампы и корпус лампы

- Головка ZB5-AV053

Количество - 3 штуки.

- Корпус в сборе ZB5-AVM5

Количество - 3 штуки.

Все устройства управления и сигнализации устанавливать с помощью фиксирующей пластины.

2.4.6 Выбор преобразователя интерфейса

В качестве преобразователя интерфейса RS485/RS232 для связи с персональным компьютером используем ADAM-4521 фирмы Advantech - адресуемый модуль преобразователя RS-422/485 в RS-232. Имеет встроенный микропроцессор, автоматический контроль направления передачи данных.

Рис. 23 - Преобразователь интерфейса ADAM-4521

2.4.7 Конструирование рамы

Для установки на стенд двигателя и генератора, а так же для уменьшения вибрации конструируем раму. Самый простой и надежный вариант - швеллер . Длину выбираем 650 мм - чтобы поместился двигатель и генератор.