Проект лабораторного стенда по изучению частотного электропривода на базе автономного инвертора напряжения фирмы OMRON
Министерство образования Российской Федерации
Череповецкий металлургический колледж
ПРОЕКТ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ПО ИЗУЧЕНИЮ ЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ
АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ФИРМЫ “OMRON” ЧМК
Пояснительная записка
ДП.1806.00.00 ПЗ
Руководитель проекта Консультант по
( ) В.О. Тихомиров экономической части
13.06.00 (
) Е.В. Шумова
13.06.00
Проект разработал Группа: 4 - ТЭ
( ) А.Ф. Дробанов
13.06.00
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ………………………………………………..6
1 Общая часть ……………………………………………..7
1.1 Краткая история колледжа……………………………….7
1.2 Современные направления работы……………………...8
1.3 Назначение и применение частотных преобразователей “Omron”……………………………...10
4. Принцип работы инвертора……………………………..10
5. Достоинства и недостатки АИН………………………...20
6. Обоснование выбора основных составляющих комплексного стенда…………………………………….21
7. Основные узлы установки………………………………22
8. Комплексное взаимодействие стендов №6 и №7……...23
2 Специальная часть………………………………………24
2.1 Функциональные возможности стендов………………..24
2.2 Описания лабораторных работ………………………….25
2.3 Выбор кабеля и аппаратуры защиты……………………26
3 Организационная часть…………………………………28
3.1 Монтаж электрооборудования…………………………..28
3.2 Требования к проведению лабораторно-практических работ………………………30
4 Экономическая часть………………………………….33
4.1 Расчёт капитальных затрат………………………….33
4.2 Расчёт эксплуатационных затрат…………………...34
5 Техника безопасности…………………………………40
5.1 Общие требования……………………………………....40
5.2 Порядок выполнения работы…………………………..40
5.3 Противопожарные мероприятия…………………….…41
5.4 Доврачебная помощь……………………………………41
5.5 Расчёт защитного заземления…………………………..42
6 Заключение……………………………………………..43
Литература………………………………………………44
Приложение А - Методические указания и лабораторная работа “Ознакомление с функциональными возможностями пульта оператора АИН “Omron 3G3EV”…..45
Приложение Б - Методические указания и лабораторная работа “Исследование внешнего управления инвертором “Omron
3G3EV””……………………………………..54
Введение
Энергетическую основу производства составляет электрический привод, технический уровень которого определяет эффективность функционирования технологического оборудования. Развитие электрического привода идет по пути повышения экономичности и надежности за счет дельнейшего совершенствования двигателей, аппаратов, преобразователей, аналоговых и цифровых средств управления. Прогрессивным явлением в этом процессе является применение микропроцессора и микроЭВМ, позволяющих существенно расширить функциональные возможности автоматизированного электропривода и улучшить его технические и экономические характеристики.
Успехи в развитии полупроводниковой техники позволили широко
использовать в металлургии регулируемые источники питания на базе
тиристоров с бесконтактными системами автоматического управления. Мощность
отдельных тиристорных преобразователей достигает десятков тысяч киловатт.
Большая гибкость управления и широкие возможности в отношении полноты
автоматизации обеспечиваются благодаря широкому применению интегральных
аналоговых и дискретных устройств, вычислительной техники, унифицированных
блочных систем регуляторов.
Электротехнические установки, машины, агрегаты, в частности дуговые, индукционные, плазменные, электронно-лучевые печи, автоматизированный электропривод, непосредственно участвуют в технологических процессах. От технического уровня, режима работы, условий эксплуатации электрооборудования зависит производительность, качество и себестоимость продукции, т.е. все основные показатели, характеризующие эффективность работы, как отдельных цехов, так и всего предприятия в целом. В этих условиях успех производственной деятельности инженера-металлурга 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.
1 Общая часть
1. Краткая история колледжа
Череповецкий металлургический колледж был основан в 1953 году сначала
как вечерний строительный техникум со специальностью «Промышленное и
гражданское строительство» по просьбе руководства «Череповецметаллургстрой»
в связи с развернувшимся большим объёмом работ на строительстве
Череповецкого металлургического завода и с потребностью в кадрах
специалистов. В 1955 году при техникуме открыли дневное отделение по этой
же специальности.
В том же году металлургический завод стал действующим предприятием,
был получен первый чугун. А за тем ежегодно вводились в строй новые
мощности. Росли соответственно и кадры завода. Необходимо отметить, что
руководство завода уделяло большое внимание вопросу подготовки кадров. В
1959 году техникум был реорганизован в Череповецкий индустриальный техникум
со специальностями: дневное отделение – «Промышленное и гражданское
строительство»; вечернее отделение – «Электрооборудование промышленных
предприятий и установок», «Производство стали», «Прокатное производство»,
«Оборудование заводов чёрной металлургии», «Промышленное и гражданское
строительство».
В 1961 году в результате объединения индустриального техникума с
консультационным пунктом при металлургическом заводе от московского
заочного техникума тяжёлого машиностроения появился Череповецкий
металлургический техникум с вечерним и заочным обучением. Вечернее
отделение: «Электрооборудование промышленных предприятий и установок»,
«Производство стали», «Прокатное производство», «Оборудование заводов
чёрной металлургии», «Промышленное и гражданское строительство». Заочное
отделение: «Электрооборудование промышленных предприятий и установок»,
«Доменное производство», «Производство стали», «Прокатное производство»,
«Технология коксохимического производства», «Планирование на предприятиях
металлургической промышленности».
В 1986 году при техникуме было открыто дневное отделение. Первый набор был 132 человека. Это были четыре группы по трём специальностям: две группы прокатчиков, одна – электриков и одна – механиков. Одновременно обучались работники металлургического и сталепрокатного заводов на вечернем отделении.
1.2 Современные направления работы
Череповецкий металлургический техникум с 1990 года стал именоваться
колледжем. В настоящее время был приём на базе 9-ти классов дневного
отделения по следующим специальностям:
0601 – «Экономика, бухгалтерский учёт и контроль»;
1105 – «Обработка металлов давлением»;
1701 – «Техническое обслуживание и ремонт промышленного оборудования»;
1806 – «Техническая эксплуатация, обслуживание и ремонт электрического и электромеханического оборудования»;
2101 – «Автоматизация технологических процессов и производств»;
2201 – «Вычислительные машины, комплексные системы и сети»;
2203 – «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»;
2504 – «Коксохимическое производство».
На базе 11-ти классов дневного отделения учатся студенты по специальностям 0601, 2201, 2203.
На вечернем отделении на базе 11-ти классов учатся студенты по следующим специальностям 0601, 1105, 1701, 1806, 2101, 2202, 2203.
Колледж уделяет большое внимание профильному обучению. По договору с
Управлением образования Мэрии г. Череповца в средних школах 13, 20, 19, 30,
32 созданы специализированные классы. В лабораториях и компьютерных классах
колледжа ученики 7-х и 8-х классов обучаются основам информатики и
вычислительной техники, черчению (компьютерная графика), трудовому обучению
(микроэлектроника у мальчиков и изучение языков программирования у
девочек). Данная подготовка школьников позволяет колледжу успешно внедрять
в учебный процесс новые поколения учебных классов и программ, отражающих
современное состояние науки и техники.
При колледже организуются подготовительные семи-, пяти- и трёхмесячные курсы для учащихся 9-ых и 11-ых классов для поступления. Также колледж заключает договоры со школами города о том, что результаты школьных выпускных экзаменов для желающих поступить в колледж засчитываются как вступительные.
Колледж работает и с высшими профессиональными учебными заведениями.
При колледже работает учебно-консультационный пункт Вологодского
политехнического института. На заочное отделение принимаются выпускники
техникумов и колледжей для получения высшего образования. Установочные
сессии и экзамены организуются при колледже. Обучение происходит по
следующим специальностям: 2101 «Автоматизация и управление технологических
процессов и производств», 1201 «Технология машиностроения», 0608 «Экономика
и управление в металлургии».
В настоящее время заключён договор с Череповецким государственным университетом о продолжении обучения выпускников колледжа в вузе по специальностям 1806 и 2101.
По договору с Финляндией каждый год колледж отправляет нескольких
студентов учиться в средних профессиональных учебных заведениях города
Раахе с возможностью продолжить обучение в вузах финского города
металлургов, найти там применение полученных знаний и умений.
Колледж очень тесно сотрудничает с базовым предприятием ОАО
«Северсталь». Существует целевая подготовка специалистов на основе
трёхсторонних договоров «студент – колледж – предприятие» (очно-заочная
форма обучения). Дисциплины по выбору, дисциплины из резерва времени,
факультативные дисциплины рекомендуются для изучения базовым предприятием,
тем самым, отвечая требованиям заказчика, раскрывая специфику учебного
заведения и реализуя региональный компонент образования. Профилирующие и
специальные дисциплины, включённые в рабочие планы специальностей,
предлагаются также ОАО «Северсталь» и ориентируются на практическое
обучение студентов. Практика – технологическая, преддипломная и на
завершающем этапе перед дипломным проектированием – проходит в цехах
предприятия. Базовое предприятие постоянно снабжает колледж программными
разработками и необходимыми прикладными программами, вычислительной
техникой и другими техническими средствами обучения. Что касается
дипломного проектирования, то ОАО «Северсталь» помогает в выборе тем,
рецензировании. Необходимо отметить, что в последнее время повысилось
качество дипломных проектов и работ в отношении использования
вычислительной техники при разработке; достаточно большой их процент
рекомендуется и внедряется в производство.
В городе работает отдел платных услуг колледжа, где для учащихся 1-11 классов организованны курсы пользователей персональных компьютеров, информатики и вычислительной техники, изучаются различные прикладные программы и языки программирования.
С каждым годом в колледже обучается всё больше и больше студентов.
Первый набор насчитывал всего 98 человек (3 группы). В 1954 году добавились
ещё три группы, и число учащихся увеличилось до 190. А в 1956 году в
стенах колледжа обучалось уже 400 человек. За время своего существования
колледж подготовил более 8 тысяч специалистов.
Таким образом, колледж ориентируется на постоянно растущие потребности города и ОАО «Северсталь» в кадрах, тем самым, развиваясь и становясь крупным учебным заведением города. На сегодняшний день Череповецкий металлургический колледж является единственным средним специальным учебным заведением в Вологодской области по подготовке специалистов со средним профессиональным образованием для металлургической промышленности.
Специалисты, выпускаемые колледжем по всем специальностям, отвечают квалификационным характеристикам и требованиям базового и повышенного уровня подготовки. Выпускники показывают хорошие знания, связанные с применением компьютерной техники, использованием её в производственных целях. Высокий процент трудоустройства говорит о хорошем качестве подготовки и конкурентоспособности выпускников колледжа на рынке труда, а также об удовлетворении колледжем запроса города и области о специалистах.
1.3 Назначение и применение частотных преобразователей “Omron”
Частотные преобразователи “Omron” предназначены для регулирования
частоты вращения вала АД в широких пределах. Фирма “Omron” предлагает
широкую линейку моделей, способных эффективно работать с двигателями от 100
Вт до 300 кВт.
Частотные преобразователи “Omron”, получившие широкое распространение, являются инверторами напряжения, хотя фирма выпускает ещё также и инверторы тока. Это объясняется тем, что инверторы напряжения могут работать в многодвигательном приводе, и, самое главное, имеют более широкий диапазон изменения выходной частоты. Последнее обстоятельство открывает дорогу данным устройствам не только в производственную, но и в коммунальную сферу, где, например, нагрузка на водопровод крайне неравномерная. Частотные преобразователи помогают эффективно решить проблему необоснованного перерасхода – когда давление в трубах нормализуется, инвертор автоматически снижает момент на валу насоса, экономя при этом до 30 % энергии.
1.4 Принцип работы инвертора
1.4.1 Принцип широтно-импульсного (ШИМ) управления и формирования выходного напряжения в электроприводах асинхронных двигателей
[pic]
U, f – входные напряжение и частота; OUT A – аналоговый выход; OUT D – цифровой выход; IN A - аналоговый вход; IN D – цифровой вход; УПР – внешнее управление; ПДУ – пульт дистанционного управления; ДУ – дистанционное управление; АД – асинхронный двигатель; ПЧ – преобразователь частоты; СУ – система управления; ПУ – пуль управления; БВ – блок включения управления тиристоров; В (УВ) – выпрямитель (управляемый выпрямитель);
ФИ – усилитель – формирователь; БТ – блок тормозной; Ф1,Ф2,Ф3 – фильтр; ПКА
– блок выходных программ; ВБ – блок вентиляторов; ИП – многоканальный источник питания; Д – блок датчиков; ДН, ДТ – блок защит; МК – программный микроконтроллер; ДЧВ – датчик частоты вращения; РА – блок линейной автоматики; ИРПС – каналы интерфейсной связи.
Рисунок 1 – Функциональная схема инвертора с векторным управлением.
[pic]
В – выпрямитель; Ld – дроссель фильтра Ф (см. рисунок 3); Id – активная составляющая тока фильтра; Cd – ёмкость фильтра; Ud – напряжение фильтра;
?* - задание на входе инвертора; F* , U*- частота и значение выходного напряжения соответственно, согласно V/f – характеристике; САР – система автоматического регулирования; СУИ ШИМ – система управления широтно- импульсной модуляцией; АИН ШИМ – автономный инвертор напряжения с широтно- импульсной модуляцией.
Рисунок 2 – Упрощённая функциональная схема АИН.
[pic]
Cd – ёмкость входного фильтра;V1- V6 – IGBT – транзисторы; Д1-Д6 – диоды;
АД – асинхронный двигатель.
Рисунок 3 – Электрическая схема инвертора на IGBT – транзисторах.
[pic]
Рисунок 4 – Формы кривых напряжения и тока на выходе АИН.
[pic]
Рисунок 5 – Базовые коммутационные векторы инвертора.
[pic]
Ud – напряжение в цепи постоянного тока АИН; A,B,C – сопротивления фаз АД.
Рисунок 6 – Цепи протекания тока в течение периода повторяемости при ШИМ.
[pic]
Uпр – промежуточный вектор; U1 – проекция промежуточного вектора на основной; i – угол промежуточного вектора.
Рисунок 7 – Промежуточный вектор в системе базовых.
АИН обладает характеристиками источника напряжения, его выходным
регулируемым параметром является напряжение на зажимах АД. Современные АИН
выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых
приборов - запираемых GTO-тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с
изолированным затвором. Рассмотрим 3-х фазную мостовую схему (смотри
рисунок 3). Классификационные признаки схемы – наличие ёмкостного входного
фильтра Cd и включенных встречно-параллельно управляемым ключам V1 – V6
диодов обратного тока Д1 – Д6. За счёт поочередного переключения вентилей
V1 – V6, постоянное входное напряжение Ud преобразуется в переменное
прямоугольно-импульсное выходное напряжение.
Регулирование выходного напряжения АИН можно осуществлять двумя
способами: амплитудным (АР) за счёт изменения величин входного напряжения
Ud и широтно-импульсным (ШИМ) за счёт изменения программы переключения
вентилей V1 – V6 при Ud - const.
Через управляемые ключи V1 – V6 протекает активная составляющая тока
АД, через диоды Д1 – Д6 – реактивная составляющая тока АД. Конденсатор
фильтра является источником реактивной мощности, потребляемой АД, через
него замыкается переменная составляющая входного тока инвертора.
Специальный алгоритм ШИМ управления АИН осуществляет кроме регулирования также улучшение гармонического состава выходного напряжения, что обеспечивает высокую степень синусоидальности тока АД.
ЭП на основе ПЧ на основе АИН ШИМ содержит неуправляемый диодный силовой выпрямитель В и АИН ШИМ (смотри рисунок 2). Регулирование гармоник f1 и величины выходного напряжения U1 осуществляется в АИН за счёт использования алгоритмов высокочастотного ШИМ-управления. Частота ШИМ обычно составляет от 2 до 12 кГц, т.е. на порядок превосходит выходную частоту АИН.
Форма кривой выходного напряжения при этом представляет собой
высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов
(смотри рисунок 4). Частота импульсов определяется частотой ШИМ,
длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН
промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока –
тока АД практически синусоидальна.
К силовым ключам АИН ШИМ предъявляются требования высокого быстродействия и малых динамических потерь.
В тормозном режиме ЭП АИН из режима инвертирования переводится в режим выпрямления (работает мост диодов обратного тока, через управляемые ключи подводится энергия возбуждения АД). Полярность напряжения на входе АИН сохраняется, а ток меняет своё направление. Поэтому для реализации тормозного режима приведенная схема ЭП должна быть дополнена силовыми элементами – либо обратным управляемым выпрямителем (работает в режиме зависимого сетевого инвертора) для регенерации энергии в сеть, либо управляемым ключом (блок БТ на рисунке 1) и тормозным резистором в цепи постоянного напряжения для осуществления электродинамического торможения.
В режиме Ud = const регулирование значения и изменение формы выходного
напряжения возможно только путем трансформирования вида коммутационной
функции методами широтно-импульсного регулирования (ШИР) и широтно-
импульсной модуляции (ШИМ), требующих использования более сложных
алгоритмов переключения с многократным переключением вентилей.
Многократность предполагает многократный переход из проводящего состояния в
закрытое и обратно вентилей, участвующих в протекании тока из цепи
постоянного напряжения АИН в фазы АД в течение периода повторяемости
(смотри рисунок 6). Для этих целей ШИР, в качестве дополнительного,
используется переключение, переводящее АИН в одно из нулевых состояний
(1,3,5 или 2,4,6).
Это приводит к появлению нулевых пауз на соответствующих интервалах
коммутационной функции и обеспечивает регулирование действующего значения
выходного напряжения в диапазоне от “0” до “max”.
