Технология воздушно-плазменной резки

Уникальность работы выше 70%
Выпускная бакалаврская работа 49 страниц, 32 рисунка, 3 таблицы, 24 источника, 3 листа графического материала.
ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА, ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ, ИНВЕРТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО ТОКА, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ.
Объектом исследования в настоящей работе является комплексный аппарат воздушно-плазменной резки.
Цель работы – создание инверторного источника постоянного тока для плазменной резки металла с использованием плазмотрона, уменьшение его стоимости, веса и габаритов.
В процессе работы проведен сравнительный анализ существующих решений, выбраны критерии их оценки, разработаны структурная и функциональная электрические схемы, а так же произведён выбор элементов.
Работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Office Word 2010.
...

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 10
1 Обзорная часть 11
1.1. Сущность воздушно-плазменной резки 11
2. Обзор существующих технических решений 16
3. Разработка электрической структурной схемы 20
4. Разработка электрической функциональной схемы. 22
5. Расчет параметров элементов 28
5.1. Расчёт силовой части 28
5.2 Выбор элементной базы 30
6. Описание алгоритма работы 39
7. Конструктивные решения согласно нормам и требованиям ЕСКД 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 47

В настоящее время резка металла получает все большее значение. Это происходит в первую очередь из-за роста объемов производства, с которыми не справляется обычная ручная резка. Наиболее современным методом раскроя металла считается такой способ резки, как воздушно-плазменный. Плазмой можно разрезать всевозможные металлы и их сплавы, а также нержавеющую, углеродистую и высоколегированную стали, титан, медь, чугун, латунь, алюминий, бронзу и, кроме того, биметаллы, применяя лишь электроэнергию и сжатый воздух от обычного компрессора.
Сравнивая воздушно-плазменную резку с газокислородной, можно определить, что более высокие изначальные затраты на оборудование для воздушно-плазменной резки значительно быстрее окупаются за счет невысоких эксплуатационных затрат. Это и объясняет актуальность ус овершенствования и последующей разработки аналогов аппаратов воздушно-плазменной резки.
Усовершенствование аппаратов воздушно-плазменной резки позволит снизить изначальные затраты на их производство и приобретение.
Объектом исследования в настоящей работе является комплексный аппарат воздушно-плазменной резки.
Цель работы – создание инверторного источника постоянного тока для плазменной резки металла с использованием плазмотрона, уменьшение его стоимости, веса и габаритов.

Возможность широкого применения воздуха и кислорода в чистом виде возникла после разработки катодов из циркония и гафния, на поверхности которых в процессе резки в кислородосодержащих средах образуется окисная пленка. Температура плавления такой пленки выше, нежели основного металла. Она защищает катод от быстрого разрушения.Проникающая способность воздушной плазмы выше, нежели у азота, из-за того, что содержащийся в составе воздуха кислород обладает высоким теплосодержанием и, кроме этого, он окисляет металл с выделением большой тепловой энергии. Продукты окисления и часть неокисленного металла в свою очередь выносятся из полости реза. Характерными при всем при этом являются значительное сокращение ширины реза и уменьшение скоса кромок, что в свою очередь является достаточно высоким критерием оценки качественности самого процесса резки. [10; с. 5]Значимой технико-экономической характеристикой самого процесса воздушно-плазменной резки определена производительность, которая определяется интенсивностью выплавления металла и зависит непосредственно от совершенства применяемого оборудования и, конечно, условий организации труда.Использование источников питания, которые обеспечивают повышенное напряжение дуги, а также плазмотронов с вихревой стабилизацией газа позволило увеличить расход плазмообразующего газа и значительно повысить мощность дугового разряда. Так как сжатый воздух — недорогой и используется прямо из магистрали цеха, следовательно, его расход ничем не лимитируется. Из-за повышения расхода воздуха рабочее напряжение столба плазменной дуги существенно возросло.2 Обзор существующих технических решенийНа сегодняшний день существует большое количество разновидностей аппаратов воздушно-плазменной резки, в большинстве своём имеющие сходные параметры, однако отличающиеся по стоимости, габаритам и выходным характеристикам. В качестве ближайших аналогов разрабатываемого аппарата ВПР «Сибирь» рассмотрим АПР 140.0 «СТОРМ» и «ПУРМ-140».1. Аппарат воздушно-плазменной резки АПР 140.0 «СТОРМ» [11; с. 4] (Рисунок 2.1).Рисунок 2.1 – АПР 140.0 «СТОРМ»Технические параметры данного аппарата представлены в таблице 2.1.Наименование параметраНоминальное напряжение трёхфазной питающей сети 50 Гц, В380+5%,-10%Максимальная потребляемая мощность, кВт25Максимальный потребляемый ток, А38Максимальное напряжение холостого хода, В300Номинальное рабочее напряжение, В150Охлаждающий и плазмообразующий газВоздухДавление сжатого воздуха, кг/см2 (МПа)5-8(0,5-0,8)Номинальный расход сжатого воздуха, л/мин230Степень защитыIP 21Класс изоляцииВГабаритные размеры (длина х ширина х высота), мм800х400х780Масса, кг80Т а б л и ц а 2.1 – Технические параметры АПР 140.0 «СТОРМ»2. Аппарат воздушно-плазменной резки [1] «ПУРМ-140» (Рисунок 2.2)Рисунок 2.2 – «ПУРМ – 140»Технические параметры данного аппарата представлены в таблице 2.2.Наименование параметраНоминальное напряжение трёхфазной питающей сети 50 Гц, В380+5%,Номинальный рабочий ток, А120Максимальный рабочий ток, А140Максимальное напряжение холостого хода, В280Потребляемая мощность, кВт20Скорость резки углеродистой стали толщиной 10 мм, мм/мин1500Давление сжатого воздуха, атм3,0-4,0Номинальный расход сжатого воздуха, л/мин300Степень защитыIP 21Плазмообразующая средаВоздухОхлаждение плазмотронаВоздушноеГабаритные размеры (длина х ширина х высота), мм800х400х780Масса, кг90Т а б л и ц а 2.2 – Технические параметры «ПУРМ – 140»Для наглядного сравнения представим разрабатываемый аппарат воздушно-плазменной резки «Сибирь 140ПР» [4; с. 4 (Рисунок 2.3).Рисунок 2.3 – Аппарат воздушно-плазменной резки «Сибирь 140ПР»«СИБИРЬ 140ПР» обеспечивает высокую скорость реза, а так же низкую себестоимость за счет исключения использования баллонов с кислородом и горючими газами. Аппарат может использоваться для работы в полевых условиях при температуре до -40 С.Технические параметры данного аппарата представлены в таблице 2.3.Наименование параметраНоминальное напряжение трёхфазной питающей сети 50 Гц, В380(+10%,-15%)Диапазон регулировки тока, А35-140Максимальная толщина разрезаемого металла, мм50Номинальная потребляемая мощность, кВт26Напряжение холостого хода, В280Рабочее напряжение, В145Частота питающей сети, Гц50Продолжительность нагрузки, % (с фильтром,%)60 (40)Степень защитыIP 23Рабочая температура окружающей среды, оС-40…+40Габаритные размеры, мм400 х 250 х 270Рабочее давление компрессора, атм4,5-5Расход воздуха, л/мин230Масса, кг24Т а б л и ц а 2.3 – Технические параметры аппарата «Сибирь 140ПР»При почти идентичных выходных параметрах, мы видим, что по сравнению с представленными аналогами, аппарат воздушно-плазменной резки «Сибирь 140ПР» имеет меньший вес и габариты, что обеспечивает мобильность при работе с данным аппаратом и позволяет с лёгкостью пользоваться аппаратом одному человеку. А также видим, что при меньшем расходе воздуха, толщина обрабатываемого металла больше.3 Разработка электрической структурной схемыРазрабатываемый источник представляет собой устройство для ионизации плазмообразующего газа высоким напряжением для преобразования его в плазму.Для получения управляемого тока плазмы используется инверторный источник питания с повышающим трансформатором и фильтрами. Для управления инвертором используется микроконтроллерная программируемая система управления с ШИМ-контроллерами и драйверами. Регулирование и стабилизация выходного тока обеспечивается системой управления за счетотрицательной обратной связи по току (Рисунок 3.1). В - ВыпрямительФ – ФильтрИнв – ИнверторТр – ТрансформаторВВ – Выходной выпрямительВФ – Выходной фильтрСУ – Система управленияН – Нагрузка (Плазмотрон)Рисунок 3.1 – Структурная схема источника плазмыАппарат воздушно-плазменной резки «СИБИРЬ 140ПР» представляет собой источник постоянного тока для плазменной резки с использованием плазмотрона. Произведен на базе инверторной технологии. Благодаря использованию IGBT модулей и применению принципа широтно- импульсной модуляции (PWM), выпрямленное напряжение сети преобразуется в высокочастотное переменное напряжение, которое подается на первичную обмотку ферритового трансформатора [8]. На вторичной обмотке получается переменное высокочастотное напряжение, которое преобразуется в постоянное. Такой принцип работы позволяет уменьшить вес аппарата и значительно увеличить КПД. Данный аппарат отличается стабильной, надежной и эффективной работой, портативностью и низким уровнем шума в процессе резки.4 Разработка электрической функциональной схемыЭлектрическая функциональная схема комплексного аппарата приведена на чертеже ФДО ВКР.681842.185 Э2.Источник плазмы «Сибирь 140ПР» построен по классической схеме однофазного инвертора с бестрансформаторным входом. Для питания инвертора используется трёхфазное напряжение выпрямленное диодным мостом построенным по схеме Ларионова (Рисунок 4.1) и сглаженное ёмкостным фильтром.Рисунок 4.1 – Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова)Инвертор принимает нагрузку через высокочастотный развязывающий трансформатор Т1. Напряжение вторичной обмотки развязывающего трансформатора выпрямляется однофазным диодным мостом, построенным на силовых диодах серии Ultra Fast (Рисунок 4.2) и сглаживается дросселем L1.Рисунок 4.2 – Выпрямитель выходной диодный выполнен по мостовой схеме на диодных сборкахВ качестве силовых ключей инвертора используются японские сборки полумостов производства Semikron SKM100GB12T4. Управление IGBT-модулями осуществляется интеллектуальными драйверами. Драйвер предназначен для управления силовыми IGBT транзисторами моста инвертора. Плата драйвера имеет два независимых канала управления и предназначена для управления одной стойкой. В задачи драйвера входит формировать положительный и отрицательный сигналы управления на затворе IGBT, следить за правильным значением di/dt, контроль напряжения питания, контроль насыщения IGBT. Драйвер поддерживает обратную связь с контроллерами платы системы управления в цифровом формате. Каждый канал драйвера имеет независимое питание +15 В и -5 В, построенные на источниках питания по классической обратноходовой системе.На рисунках 4.3 – 4.5 показаны осциллограммы на затворах IGBT транзисторов.Рисунок 4.3 – Проверка питанияРисунок 4.4 – Сигнал на выходе драйвера при неподключенном модуле IGBTРисунок 4.5 – Сигнал на входе GBT-модуля 1Для управления драйверами, а также для выключения аппарата по максимальному току используются Шим-контроллеры серии UC2825, хорошо зарекомендовавшие себя в разработанных ранее источниках. На Рисунке 4.6 изображён Шим-контроллер, предназначенный для управления драйверами.Рисунок 4.6 – Схема включения Шим-контроллера UC2825Источник оснащён блоком питания внутренних нужд, необходимый для питания всех электронных плат. На электрической функциональной схеме (чертеж ФДО ВКР.681842.185 Э2) он обозначен как БП. Блок питания построен по классической схеме полумоста. Плата блока питания была ранее разработана для источника плазмы «Сибирь 120ПР», но для данного источника плату упростили - были исключены дорогостоящие комплектующие электронной платы, в том числе исключён процессор, управляющий реле контроля фаз, что позволило снизить стоимость производства комплексного аппарата.Плата системы управления является универсальной и предназначена также для управления аппаратами другого класса. В рабочем состоянии плата системы управления обеспечивает следующие функции: контроль тока в цепи нагрузки, индикацию рабочего тока, считывание значения уставки с потенциометра передней панели, управления драйверами, контроль тока в первичной цепи силового трансформатора, управление реле инвертора, контроль состояния сети питания по сигналам от платы блока питания, контроль температуры, управление клапаном воздуха, контроль давления воздуха. Источник оснащён осциллятором для поджига основной дуги. В задачи осциллятора входит обеспечение бесконтактного поджига дуги между катодом и поверхностью детали посредством дежурной дуги. Дежурная дуга образуется между катодом и соплом посредством умножения напряжения и его коммутации на сопло, после чего выдувается из сопла. Осциллятор работает только до момента поджига основной дуги. После того как основная дуга загорелась, плата осциллятора автоматически отключается. Плата осциллятора выполнена по классической схеме (Рисунок 4.7)Рисунок 4.7 – Классическая схема осциллятораЕмкостной сглаживающий фильтр необходим для подавления помех при работе осциллятора. Состоит из конденсатора Сф, подключённого параллельно сопротивлению нагрузки Rн. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку. Заряд и разряд конденсатора фильтра происходит с частотой пульсаций fп выпрямленного напряжения. Схема ёмкостного сглаживающего фильтра приведена на Рисунке 4.8.Рисунок 4.8 – Схема ёмкостного сглаживающего фильтра5 Расчет параметров элементов5.1 Расчёт силовой части Трансформатор силовой 140 ВПР. Поскольку данный трансформатор не является универсальным изделием и применяется только в данном типе аппаратов, то приводятся его расчёты. [21]Исходные данные для расчётов:U1 = 550 B Действующее напряжение на первичной обмоткеU2 = 280 B Действующее напряжение х.х. на вторичной обмоткеUn = 160 B Действующее напряжение на нагрузкеI2 = 160 A Действующее значение тока вторичной обмоткиF = 25000 Гц Частота преобразованияTп = 210-6 Время паузы между импульсами∆T = 40o C Температура перегрева трансформатораПериод следования импульсов:T = = 410-5tи = () – tп = 1,810-5q = = 0,9В качестве материала магнитопровода используем феррит N87 производства EPCOS. Мощность вторичной обмотки:P2 = Un I2 = 2,56104 ВтКоэффициент трансформации от первичной обмотки ко вторичной:Ktr = = 1,964Амплитуда тока первичной обмотки:Ia1= = 81,455Действующее значение тока первичной обмотки:I1deist = = 57,597Мощность первичной обмотки:P1 = U1 I1deist = 3,168104Габаритная мощность трансформатора:Pgab = = 2,864104Параметр ScSo:kc = 1, ko = 0,3, J = 7106 A/мм2 , Bmax = 0,3 TcSc_So = = 1,637 10-6Выбираем ферритовое кольцо К102х65.8х15 у которого:Sc = 27110-6 м2 - поперечное сечение магнитопроводаSo = 340010-6 м2 - сечение окнаSc_So_chois = ScSo = 9,214 10-7Количество колец необходимых для расчётного ScSo:Kring = = 1,776Оценка потерь в сердечнике:- для феррита марки 2500НМС1Po = 73, , , f0 = 1000, Bmaxo = 1Pуд = Po () () = 255,616Pc = Po Kring 350 10-3 = 45,38 - потери в сердечникеЧисло витков первичной обмотки:W1 = = 60,886Число витков вторичной обмотки:W2 = W1 = 30,996Сечение проводов первичной обмотки:S1 = = 8,228 мм2Сечение проводов вторичной обмотки:S2 = = 16 мм2Величина намагничивающего тока:Hmax = 240 A/м, Lср = 311 10-3Iμ = = 1,226Индуктивность намагничивания:Lμ = = 4,038 10-35.2 Выбор элементной базы При выборе элементной базы была использована как научная литература, так и информация, предоставленная производителями элементов, которые были приобретены для производства данного комплексного аппарата. Выбор элементов основывался на стремлении найти «золотую середину» между ценой и качеством. В силу этого практически все электронные платы для данного аппарата были разработаны и собраны на предприятии ООО «Ресурс-Комплект».Размещение элементов выполнено на основании корпуса 140 ВПР для эргономичности размещения элементов. Корпус спроектирован и изготовлен под необходимые конструкторские параметры на предприятии ООО «Ресурс-Комплект».Также на предприятии ООО «Ресурс-Комплект» разработаны следующие элементы:- для увеличения тока резки – трансформатор силовой 140 ВПР; - для снижения магнитной составляющей – дроссель силовой 140 ВПР;- для высокочастотного поджига – трансформатор повышающий 140 ВПР;- датчик температуры инвертора и датчик температуры трансформатора, обеспечивающие контроль температуры для управления вентиляцией и отключением инвертора;Для питания всех электронных плат источника была выбрана плата блока питания от источника плазмы «Сибирь 120ПР» и упрощена, исключив из неё дорогостоящие комплектующие и процессор, управляющий реле контроля фаз (Рисунок 5.1).Рисунок 5.1 – Плата блока питанияОграничения тока дежурной цепи осуществляют провод высоковольтный, ограничительные резисторы, плата осциллятора 140 ВПР, выполненная по классической схеме (Рисунок 5.2).Рисунок 5.2 – Плата осциллятораДля выпрямления входного напряжения используется модуль входной выпрямительный 110MT120KB (Рисунок 5.3), Основные причины выбора именно этого модуля - это недорогой, простой в эксплуатации модуль, обладающий необходимыми техническими параметрами:- максимальное постоянное обратное напряжение - 1200 В;- максимальное импульсное обратное напряжение - 1350 В;- максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток - 110 А;- максимальный допустимый прямой импульсный ток - 800 А;- максимальный обратный ток - 10000 мкА;- максимальное прямое напряжение - 1.4 В;- при Iпр - 110 А;- способ монтажа - клеммы;- корпус - Int-A-Pak;- количество фаз - 3.Рисунок 5.3 – Модуль входной выпрямительный 110MT120KBДля создания управляемого напряжения в первичной обмотке силового трансформатора выбраны IGBT модули SKM100GB12T4 [18] (Рисунок 5.4) с данными техническими параметрами:- полярность транзистора - Двойной N канал;- DC ток коллектора – 160 А;- напряжение насыщения коллектор-эмиттер Vce(on) - 1.