Разработка конструкции и технологии изготовления частотного преобразователя (стр. 2 из 21)
7.4. габаритные размеры изделия: не более 250Ч160Ч120;
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. 
Рисунок 1.1 – Конденсаторы типоразмера 0603
Конденсаторы С4 и С6 – электролитические конденсаторы 038RSM6,3Ч11, конденсаторы С9, С11 и С13 – электролитические конденсаторы 038RSM5Ч7 фирмы «BCcomponents». Данный тип конденсаторов отличается меньшими габаритными размерами. Основные технические характеристики данных конденсаторов: точность -
20%; диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 85°С; тангенс угла диэлектрических потерь – 0,14.Конденсатор С14 – электролитический конденсатор Jamicon 22Ч40, конденсатор С15 – электролитический конденсатор Jamicon 10Ч14 фирмы «Jamicon». Данный тип конденсаторов является аналогом отечественных конденсаторов К-50. Основные технические характеристики данных конденсаторов: диапазон рабочих температур - от минус 25 до плюс 85°С; тангенс угла диэлектрических потерь – 0,15 [5].