Помощь студентам в учебе
Исследование объекта путем построения и изучения их моделей
|
1. Расчет и выбор электрорадиоэлементов, деталей и сборочных единиц симисторного пускателя 7
1.1 Электрический расчет силовой части и выбор элементов схемы 7
1.1.1 Выбор силовых симисторов 7
1.1.2 Проверочный тепловой расчет силовой части 10
1.1.3 Расчет повторно-кратковременного режима 12
1.2 Выбор элементов схемы управления 14
1.2.1 Выбор и расчет оптопары 14
1.2.2 Предварительный выбор транзисторного ключа 18
1.2.3 Выбор трансформатора напряжения для цепи управления 20
1.2.4 Проверка трансформатора напряжения на нагревание 22
1.2.5 Расчет транзисторного ключа 25
1.2.6 Расчет теплового режима транзисторного ключа 32
1.2.7 Расчет элементов защиты оптопары 33
1.2.8 Выбор диодов системы управления 36
1.3 Выбор и расчет элементов блока защиты 37
1.3.1 Выбор стабилитрона 37
1.3.2 Выбор трансформатора тока 38
1.3.3 Проверка трансформатора тока на нагревание 39
1.3.4 Выбор потенциометра R1 42
1.3.5 Расчет защиты при потере фазы 44
1.3.6 Расчет и выбор конденсатора блока защиты 46
1.3.7 Расчет и выбор динистора и резистора для выводов 7, 8 48
1.4 Выбор предохранителя 50
1.4.1 Принцип выбора предохранителя при пуске двигателя 50
Математическое моделирование пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 51
Актуальность 51
Принципы, методы и средства исследования 52
Описание имитационной модели 53
Результаты математического моделирования 55
1.4.2 Расчет предохранителя 58
1.5 Тепловой расчет 60
1.5.1 Обоснование выбора типа охлаждения 60
1.5.2 Расчет вентилятора 62
1.6 Расчет надежности схемы 66
1.7 Расчет собственной резонансной частоты печатного узла 68
1.8 Расчет прочности печатной платы 72
1.8.1 Расчет на изгиб печатной платы 72
1.8.2 Определение жесткости печатного узла 74
Создание платы управления с помощью программного обеспечения Proteus 8.1 Professional 75
Выбор климатического и защитного исполнения симисторного пускателя 78
Создание 3-D модели симисторного пускателя 81
Заключение 83
Список использованных источников
1.1 Электрический расчет силовой части и выбор элементов схемы 7
1.1.1 Выбор силовых симисторов 7
1.1.2 Проверочный тепловой расчет силовой части 10
1.1.3 Расчет повторно-кратковременного режима 12
1.2 Выбор элементов схемы управления 14
1.2.1 Выбор и расчет оптопары 14
1.2.2 Предварительный выбор транзисторного ключа 18
1.2.3 Выбор трансформатора напряжения для цепи управления 20
1.2.4 Проверка трансформатора напряжения на нагревание 22
1.2.5 Расчет транзисторного ключа 25
1.2.6 Расчет теплового режима транзисторного ключа 32
1.2.7 Расчет элементов защиты оптопары 33
1.2.8 Выбор диодов системы управления 36
1.3 Выбор и расчет элементов блока защиты 37
1.3.1 Выбор стабилитрона 37
1.3.2 Выбор трансформатора тока 38
1.3.3 Проверка трансформатора тока на нагревание 39
1.3.4 Выбор потенциометра R1 42
1.3.5 Расчет защиты при потере фазы 44
1.3.6 Расчет и выбор конденсатора блока защиты 46
1.3.7 Расчет и выбор динистора и резистора для выводов 7, 8 48
1.4 Выбор предохранителя 50
1.4.1 Принцип выбора предохранителя при пуске двигателя 50
Математическое моделирование пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 51
Актуальность 51
Принципы, методы и средства исследования 52
Описание имитационной модели 53
Результаты математического моделирования 55
1.4.2 Расчет предохранителя 58
1.5 Тепловой расчет 60
1.5.1 Обоснование выбора типа охлаждения 60
1.5.2 Расчет вентилятора 62
1.6 Расчет надежности схемы 66
1.7 Расчет собственной резонансной частоты печатного узла 68
1.8 Расчет прочности печатной платы 72
1.8.1 Расчет на изгиб печатной платы 72
1.8.2 Определение жесткости печатного узла 74
Создание платы управления с помощью программного обеспечения Proteus 8.1 Professional 75
Выбор климатического и защитного исполнения симисторного пускателя 78
Создание 3-D модели симисторного пускателя 81
Заключение 83
Список использованных источников
Бесконтактные симисторные реверсивные пускатели с опторазвязкой (далее ПБСО) применяют для безопасной коммутации трехфазных двигателей, приводов мощных насосов, транспортеров, вентиляторов, компрессоров и другого оборудования, питаемого напряжением 220/380 вольт. Сегодня они находят широкое применение во многих отраслях промышленности, таких как: машиностроение, металлургия, производство строительных материалов, сельское хозяйство и во многих других.
Пускатели включают как по стандартной схеме, так и с применением контроллеров, дающих управляющие сигналы, обычно напряжением в 24 вольта. Симисторные пускатели могут работать в широких температурном и влажностном диапазонах, однако окружающая среда не должна содержать токопроводящих загрязнений и агрессивных веществ, способных разрушить металл и изоляцию.
Бесконтактный симисторный реверсивный пускатель работает на базе симисторных ключей, способных выдерживать токи в сотни ампер. В данной работе модель симисторного пускателя номиналом 63 А может легко выдержать десятикратную токовую перегрузку в течение 20 мс.
Пускатель содержит пять силовых симисторов, элементы управления и защиты, а также индикаторы режима работы и разъемы для включения прибора в схему управления двигателем.
Симисторные пускатели обеспечивают плавный пуск и защиту электродвигателя от перегрузок, от обрыва фазы. Обладают высокой надежностью при повышенной частоте коммутации, долговечностью. Дают значительное снижение эксплуатационных расходов по сравнению с контактной аппаратурой.
Реверсивные пускатели обеспечивают реверс (изменение направления вращения) двигателя путем бесконтактного переключения фаз.
В Приложениии 1 показана электрическая принципиальная схема бесконтактного симисторного пускателя с опторазвязкой. Силовой блок Б1 содержит силовые симисторы VS1—VS5, рассчитанные на номинальный и пусковой токи двигателя М. При подаче сигнала управления на управляющие электроды, симисторы открываются и двигатель подключается к сети. При снятии сигнала управления (при перегрузке, потере фазы, нажатии кнопки «Стоп») симисторы закрываются и двигатель отключается от сети. В этот момент по симисторам протекает лишь небольшой ток утечки. Сигналы управления тиристорами формируются в блокинг-генераторе Б2, который получает напряжение от блока питания БЗ.
При нажатии кнопки «Пуск» включается тиристор VS6 и все напряжение прикладывается к резистору R6. При этом транзистор VT3 закрыт, так как напряжение на резисторе R6 больше, чем на резисторе R4. По мере заряда конденсатора С2 наступают условия для открытия транзистора VT3 и конденсатор С2 начинает разряжаться. Электродвижущая сила, наводящаяся при этом, способствует быстрому и полному открытию транзистора VT3. При разряде конденсатора напряжение на резисторе R6 возрастает, транзистор VT3 закрывается и снова начинается заряд конденсатора С2. Таким образом, генерируются импульсы тока и в оптотиристорах ТО1 и ТО2 появляются управляющие импульсы.
Аналогичные схемы могут управляться сигналами постоянного тока или переменным током низкой частоты Использование блокинг-генератора даст возможность быстро включать тиристор и уменьшить нагрузку по его управляющему электроду. При нормальном режиме транзистор VT2 блока Б2 насыщен и лампа L2 не горит. Если на контакты 7, 8 блока Б2 подано напряжение с одноименных контактов блока защиты Б4, тиристор VS10 открывается и блокинг-генератор лишается питания. Блок питания БЗ включается только на резистор R8. При потере питания генерация в блоке Б2 прекращается и тиристор VS6 отключается. Одновременно транзистор VT2 закрывается и загорается лампа L2, сигнализируя об отключении пускателя от защиты. В случае потери фазы в выходном напряжении (после диодов VD1— VD2) появляется пауза. В эту паузу блок Б2 останавливается и тиристор VS6 отключается, что ведет к закрытию силовых тиристоров. Блок Б4 защиты двигателя и силовых тиристоров от перегрузки питается от трансформаторов тока ТА1—ТАЗ. Напряжение с нагрузочных резисторов выпрямляется и подается на потенциометр R18. Параметры трансформаторов ТА1—ТАЗ и резисторов Rl8, R15—R17 выбираются так, что при номинальном токе во всех трех фазах напряжение, снимаемое с потенциометра R18, меньше напряжения пробоя стабилитрона D13. До тех пор, пока напряжение на стабилитрона меньше напряжения пробоя (истаб < ипр ), сопротивление стабилитрона очень высоко. При этом ток базы транзистора VT1 недостаточен для его открытия. Если ток хотя бы в одной фазе превысит номинальное значение, то возникает неравенство иста6 > ипр , сопротивление стабилитрона резко падает, ток в базе VT1 возрастает и он насыщается. Ток стабилитрона ограничивается резистором R19 до допустимого значения. Если восстановится неравенство истаб < Unp, то сопротивление стабилитрона снова возрастет, транзистор VT1 закроется. После открытия транзистора VT1 начинается заряд конденсатора С3. Напряжение с конденсатора С3 на выход 7, 8 не подается до тех пор, пока не превысит напряжение переключения динистора VD14. Динистор имеет такую же вольт-амперную характеристику, как и тиристор. Если перегрузка была настолько кратковременной, что конденсатор С3 не успел зарядиться, то напряжение на выходе 7, 8 не появится и пускатель останется в работе. Если Uc станет больше напряжения переключения динистора VD4, произойдет разряд конденсатора С3 на цепь управления тиристора VS10 блока Б2 и последний откроется. При этом прекратится генерация импульсов, открывающих VS1—VS5, и двигатель остановится. Параметр срабатывания блока защиты регулируется потенциометром R18. За счет усложнения блока защиты можно создать выдержку времени в зависимости от условия перегрузки. Защита двигателя и силовых тиристоров от токов КЗ в данном пускателе осуществляется быстродействующими предохранителями FU1— FU3 типа ПП57-3738.
По сравнению с контактными, бесконтактный пускатель обладает следующими преимуществами:
1. Отсутствие электрической дуги при коммутациях делает аппарат незаменимым при работе во взрывоопасных и пожароопасных средах;
2. Высокая электрическая износостойкость (105-106 циклов);
3. Совершенная защита от токов перегрузки и КЗ, а также при потере фазы, что обеспечивает увеличение срока службы двигателей;
4. Допустимое число включений достигает 2000 в час;
5. Длительность отключения не превышает 0,02 с;
6. Высокая надежность и долговечность, а также отсутствие необходимости в уходе при эксплуатации;
7. Низкая потребляемая мощность цепей управления.
Недостатками бесконтактного пускателя являются:
1. Сложность схемы;
2. Более высокая стоимость аппарата, по сравнению с контактным;
3. Бесконтактные аппараты не создают видимого разрыва цепи, что важно с точки зрения техники безопасности.
Пускатели включают как по стандартной схеме, так и с применением контроллеров, дающих управляющие сигналы, обычно напряжением в 24 вольта. Симисторные пускатели могут работать в широких температурном и влажностном диапазонах, однако окружающая среда не должна содержать токопроводящих загрязнений и агрессивных веществ, способных разрушить металл и изоляцию.
Бесконтактный симисторный реверсивный пускатель работает на базе симисторных ключей, способных выдерживать токи в сотни ампер. В данной работе модель симисторного пускателя номиналом 63 А может легко выдержать десятикратную токовую перегрузку в течение 20 мс.
Пускатель содержит пять силовых симисторов, элементы управления и защиты, а также индикаторы режима работы и разъемы для включения прибора в схему управления двигателем.
Симисторные пускатели обеспечивают плавный пуск и защиту электродвигателя от перегрузок, от обрыва фазы. Обладают высокой надежностью при повышенной частоте коммутации, долговечностью. Дают значительное снижение эксплуатационных расходов по сравнению с контактной аппаратурой.
Реверсивные пускатели обеспечивают реверс (изменение направления вращения) двигателя путем бесконтактного переключения фаз.
В Приложениии 1 показана электрическая принципиальная схема бесконтактного симисторного пускателя с опторазвязкой. Силовой блок Б1 содержит силовые симисторы VS1—VS5, рассчитанные на номинальный и пусковой токи двигателя М. При подаче сигнала управления на управляющие электроды, симисторы открываются и двигатель подключается к сети. При снятии сигнала управления (при перегрузке, потере фазы, нажатии кнопки «Стоп») симисторы закрываются и двигатель отключается от сети. В этот момент по симисторам протекает лишь небольшой ток утечки. Сигналы управления тиристорами формируются в блокинг-генераторе Б2, который получает напряжение от блока питания БЗ.
При нажатии кнопки «Пуск» включается тиристор VS6 и все напряжение прикладывается к резистору R6. При этом транзистор VT3 закрыт, так как напряжение на резисторе R6 больше, чем на резисторе R4. По мере заряда конденсатора С2 наступают условия для открытия транзистора VT3 и конденсатор С2 начинает разряжаться. Электродвижущая сила, наводящаяся при этом, способствует быстрому и полному открытию транзистора VT3. При разряде конденсатора напряжение на резисторе R6 возрастает, транзистор VT3 закрывается и снова начинается заряд конденсатора С2. Таким образом, генерируются импульсы тока и в оптотиристорах ТО1 и ТО2 появляются управляющие импульсы.
Аналогичные схемы могут управляться сигналами постоянного тока или переменным током низкой частоты Использование блокинг-генератора даст возможность быстро включать тиристор и уменьшить нагрузку по его управляющему электроду. При нормальном режиме транзистор VT2 блока Б2 насыщен и лампа L2 не горит. Если на контакты 7, 8 блока Б2 подано напряжение с одноименных контактов блока защиты Б4, тиристор VS10 открывается и блокинг-генератор лишается питания. Блок питания БЗ включается только на резистор R8. При потере питания генерация в блоке Б2 прекращается и тиристор VS6 отключается. Одновременно транзистор VT2 закрывается и загорается лампа L2, сигнализируя об отключении пускателя от защиты. В случае потери фазы в выходном напряжении (после диодов VD1— VD2) появляется пауза. В эту паузу блок Б2 останавливается и тиристор VS6 отключается, что ведет к закрытию силовых тиристоров. Блок Б4 защиты двигателя и силовых тиристоров от перегрузки питается от трансформаторов тока ТА1—ТАЗ. Напряжение с нагрузочных резисторов выпрямляется и подается на потенциометр R18. Параметры трансформаторов ТА1—ТАЗ и резисторов Rl8, R15—R17 выбираются так, что при номинальном токе во всех трех фазах напряжение, снимаемое с потенциометра R18, меньше напряжения пробоя стабилитрона D13. До тех пор, пока напряжение на стабилитрона меньше напряжения пробоя (истаб < ипр ), сопротивление стабилитрона очень высоко. При этом ток базы транзистора VT1 недостаточен для его открытия. Если ток хотя бы в одной фазе превысит номинальное значение, то возникает неравенство иста6 > ипр , сопротивление стабилитрона резко падает, ток в базе VT1 возрастает и он насыщается. Ток стабилитрона ограничивается резистором R19 до допустимого значения. Если восстановится неравенство истаб < Unp, то сопротивление стабилитрона снова возрастет, транзистор VT1 закроется. После открытия транзистора VT1 начинается заряд конденсатора С3. Напряжение с конденсатора С3 на выход 7, 8 не подается до тех пор, пока не превысит напряжение переключения динистора VD14. Динистор имеет такую же вольт-амперную характеристику, как и тиристор. Если перегрузка была настолько кратковременной, что конденсатор С3 не успел зарядиться, то напряжение на выходе 7, 8 не появится и пускатель останется в работе. Если Uc станет больше напряжения переключения динистора VD4, произойдет разряд конденсатора С3 на цепь управления тиристора VS10 блока Б2 и последний откроется. При этом прекратится генерация импульсов, открывающих VS1—VS5, и двигатель остановится. Параметр срабатывания блока защиты регулируется потенциометром R18. За счет усложнения блока защиты можно создать выдержку времени в зависимости от условия перегрузки. Защита двигателя и силовых тиристоров от токов КЗ в данном пускателе осуществляется быстродействующими предохранителями FU1— FU3 типа ПП57-3738.
По сравнению с контактными, бесконтактный пускатель обладает следующими преимуществами:
1. Отсутствие электрической дуги при коммутациях делает аппарат незаменимым при работе во взрывоопасных и пожароопасных средах;
2. Высокая электрическая износостойкость (105-106 циклов);
3. Совершенная защита от токов перегрузки и КЗ, а также при потере фазы, что обеспечивает увеличение срока службы двигателей;
4. Допустимое число включений достигает 2000 в час;
5. Длительность отключения не превышает 0,02 с;
6. Высокая надежность и долговечность, а также отсутствие необходимости в уходе при эксплуатации;
7. Низкая потребляемая мощность цепей управления.
Недостатками бесконтактного пускателя являются:
1. Сложность схемы;
2. Более высокая стоимость аппарата, по сравнению с контактным;
3. Бесконтактные аппараты не создают видимого разрыва цепи, что важно с точки зрения техники безопасности.
В ходе проделанной работы был спроектирован бесконтактный симисторный реверсивный пускатель с опторазвязкой и принудительным воздушным охлаждением для пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, рассчитанный на мощность 30 кВт. В сторону адекватности поведения спроектированного аппарата говорит математическое моделирование, выполненное в программном пакете MatLab/Simulink.
Спроектированный симисторный пускатель рассчитан на номинальный ток двигателя 1н = 57,4 А, с фазным напряжением UH = 220 В. Пускатель имеет защиту от токов кз в виде предохранителя типа Ш157-3738 с номинальным током плавкой вставки 400 А, защиту от перегрузок и от обрыва фаз в виде блока защиты, который отключает плату управления при аварийной ситуации, после чего на управляющие электроды силовых симисторов сигналы не поступают, и пускатель останавливает свою работу.
Основными критериями, при проектировании, были: надежность, качество, низкие массогабаритные показатели.
Разработанная модель симисторного пускателя имеет климатическое исполнение УХЛ3.1 по ГОСТ 15150-69 с диапазоном рабочих температур от - 10 до +40 градусов. Спроектированная модель имеет степень защиты IP44 согласно ГОСТ 14254-96.
Для оценки массогабаритных показателей сравним модель симисторного пускателя с тиристорным:
Полученная в результате расчетов и проектирования модель полностью отвечает установленным требованиям и ГОСТам.
Спроектированный симисторный пускатель рассчитан на номинальный ток двигателя 1н = 57,4 А, с фазным напряжением UH = 220 В. Пускатель имеет защиту от токов кз в виде предохранителя типа Ш157-3738 с номинальным током плавкой вставки 400 А, защиту от перегрузок и от обрыва фаз в виде блока защиты, который отключает плату управления при аварийной ситуации, после чего на управляющие электроды силовых симисторов сигналы не поступают, и пускатель останавливает свою работу.
Основными критериями, при проектировании, были: надежность, качество, низкие массогабаритные показатели.
Разработанная модель симисторного пускателя имеет климатическое исполнение УХЛ3.1 по ГОСТ 15150-69 с диапазоном рабочих температур от - 10 до +40 градусов. Спроектированная модель имеет степень защиты IP44 согласно ГОСТ 14254-96.
Для оценки массогабаритных показателей сравним модель симисторного пускателя с тиристорным:
Полученная в результате расчетов и проектирования модель полностью отвечает установленным требованиям и ГОСТам.