Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

станок автоматика электропривод управление

Создание высокопроизводительных машин и агрегатов как технической основы повышения эффективности и интенсификации производства во многом зависит от технического уровня развития автоматизированного электропривода, к которому предъявляются все возрастающие требования по улучшению энергетических и технологических показателей, значительному расширению диапазона мощностей и рабочих скоростей, увеличению быстродействия, перегрузочной способности, надёжности, степени защиты от окружающей среды, а также улучшению энергетической совместимости приводов с питающей энергосистемой.

В настоящем проекте поставлена задача модернизировать электропривод главного движения продольно-строгально-фрезерного станка 7216Г, повысить надёжность и производительность. Предлагается заменить имеющийся двигатель постоянного тока, управляемый по системе генератор-двигатель, а также привод подачи стола во фрезерном режиме одним асинхронным двигателем, управляемым частотным преобразователем, так как имеющийся электропривод не может обеспечить требуемую надёжность и требует больших расходов на эксплуатацию и ремонт.

Один из перспективных путей удовлетворения требований развития производственных процессов промышленности - это создание бесконтактных систем регулируемого электропривода переменного тока, и в частности асинхронных электроприводов с частотным управлением. Сейчас электропривод с двигателями переменного тока и управляемыми полупроводниковыми преобразователями частоты занял лидирующее положение среди других типов регулируемого электропривода. Быстро растёт количество фирм-производителей частотно-регулируемых электроприводов переменного тока, расширяется объём производства и номенклатура силовой преобразовательной техники для электропривода, улучшаются её массогабаритные и энергетические характеристики, повышаются электромагнитная совместимость, надёжность, качество функционирования и сервисные возможности электропривода. Интенсивному развитию этого направления способствуют значительные успехи в усовершенствовании традиционных и создании новых силовых управляемых полупроводниковых приборов и интегральных схем, развитии цифровых информационных технологий и разнообразных средств микроконтроллерного управления.



1. Описание технологического процесса

1.1 Краткое описание конструкции станка

Внешний вид станка

1-станина; 2-стол; 3-траверса; 4-суппорт; 5-стойка; 6-редуктор;

7-электродвигатель; 8-резец; 9-заготовка.

Рис. 1.1

Привод стола осуществляется от электродвигателей постоянного тока, регулируемых по системе генератор-двигатель через двухдиапазонную коробку скоростей для строгального режима работы и через фрезерную приставку и ту же коробку скоростей для фрезерного режима.

Регулирование скоростей хода стола практически бесступенчатое. Движение стола осуществляется таким образом, что обеспечивается плавное врезание режущего инструмента в изделие и замедленный выход его из изделия в конце рабочего хода. Скорость обратного хода стола регулируется независимо от скорости рабочего хода.

Механизм установки длины стола, расположенный на коробке скоростей, обеспечивает минимальную величину перебега стола при любой скорости движения.

Направляющие станины обеспечивают стабильное возвратно-поступательное движение стола, предохраняя стол от возможных боковых сдвигов в прочесе резания.

Для предупреждения возможного схода стола с направляющих станины при аварийном перебеге стола в станине предусмотрено специальное тормозное устройство.

Коробки подач обеспечивают периодическую подачу суппортов перед началом рабочего хода стола, а также независимые перемещения каждого из суппортов.

Редукторы подач фрезерных головок осуществляют перемещение фрезерных головок, которые могут быть подачей или установочным перемещением.

В головках смонтированы независимые механизмы вращения фрез, являющиеся главным движением при фрезеровании.

Управление основным движением стола в большей части осуществляется с помощью подвесного пульта и механизма установки длины хода стола, расположенного на коробке скоростей. На фрезерных головках, кроме того, имеются рукоятки перемещения пиноли, переключатели зажима пиноли, рукоятки переключения скоростей.

Станок включается в сеть при помощи переключателя на строгальной станции управления.

На фрезерной станции управления расположены переключатели направления вращения шпинделей фрезерных головок.

Помимо электропривода главного движения строгального режима станок оснащается:

- Электроприводом подачи суппортов

- Электроприводом главного движения фрезерного режима (вращение фрез)

- Электроприводом подачи стола во фрезерном режиме

- Электроприводом подачи фрезерных головок

- Электроприводом перемещения поперечины

- Электроприводом зажима поперечины

- Электроприводом маслонасоса

- Электроприводом генератора и электромашинного усилителя привода стола строгального режима

- Электроприводом возбудителя

- Электроприводом гидронасоса

1.2 Описание технологического процесса

Продольно-строгально-фрезерный станок 7216Г предназначен для обработки методом строгания или фрезерования различных поверхностей корпусных и базовых деталей, других изделий из чугуна, стали и сплавов цветных металлов в условиях единичного и мелкосерийного производства. Этот станок двухстоечный, предназначен для обработки наиболее крупных деталей.

Станина устанавливается на фундаменте, а к ней крепятся все элементы и механизмы станка. Станина имеет горизонтальные направляющие, по которым стол совершает возвратно-поступательное движение. Движение от двигателей к столу передается через редуктор и червячно-реечную передачу. Рейка крепится к столу снизу посередине. Заготовка устанавливается на столе и крепится болтами. Во время рабочего (прямого) хода резец снимает стружку. Для обратного хода двигатель реверсируется, резец поднимается специальным электромагнитом и не касается заготовки. Во время обратного хода или в одном из крайних положений суппорт перемещается на величину подачи в горизонтальном направлении по траверсе. По окончании обработки плоскости станок останавливается, резец возвращается в исходное положение, траверса опускается на величину глубины резания, после чего цикл повторяется.

Движение, при котором производится снятие стружки, называется главным движением, а привод, обеспечивающий это движение, называется главным приводом.

Кинематическая схема главного привода показана на рис. 1.2.

Движение рейки, установленной на нижней поверхности стола, передается от червяка. Такая передача обладает высокой плавностью и жесткостью, является самотормозящейся.

Скорость резания на продольно-строгальном станке находится в пределах 4-40 м/мин. При черновой обработке и в случае твердых материалов используются малые скорости. Высокие скорости обработки предпочтительны при чистовой обработке.

Обратная скорость обычно выше, чем прямая, поскольку она не имеет технологических ограничений. Сокращение времени обратного хода приводит к повышению производительности станка.

Для ослабления ударов и уменьшения выкрашивания материала врезание резца в изделие и выход резца из изделия происходит при скорости примерно 0,3 от скорости резания, или примерно 12-15 м/мин.

График изменения скорости стола в функции времени приведен на рис. 1.3.

Он имеет следующие участки. В течение времени t₁ происходит разгон стола до скорости врезания V_врез. В интервалы t₂, t₃ стол движется с этой скоростью. Далее в течение t₄ происходит разгон до заданной скорости резания и в течение t₅ происходит резание при неизменной скорости. Далее (t₆) происходит снижение скорости до V_вых для выхода резца из заготовки. Работа на этой скорости идет в течение интервалов времени t₇ и t₈. В течение интервала t₉ производится торможение до нуля. Далее в течение t_п происходит технологическая пауза, необходимая для поднятия резцов суппортов. Затем происходит разгон до скорости обратного хода за t₁₀. В течение t₁₁ стол движется с неизменной скоростью V_обр в обратном направлении, а затем происходит торможение до нуля в течение интервала времени t₁₂.



1.3 Характеристика электроприводов механизмов станка

Электропривод главного движения строгального режима

Механизм главного движения строгального режима обеспечивает возвратно-поступательное движение стола с установленной и закрепленной на нем деталью в заданном диапазоне скоростей посредством реверсивного регулируемого электропривода постоянного тока по системе генератор-двигатель и двухскоростной коробки скоростей. Обмотка возбуждения генератора питается от электромашинного усилителя.

Частота вращения электродвигателя привода стола регулируется от 125 до 1500 об/мин посредством регулирования тока в обмотках управления ЭМУ.

Возбуждение электродвигателя независимое от генератора постоянного тока напряжением 220 В.

Схема электропривода стола предусматривает:

1. Управление электродвигателем при автоматической работе и наладочных операциях.

2. Электрическое регулирование скорости стола посредством регулятора скорости на подвесном пульте управления.

3. Электрическое торможение электродвигателя при оперативных и аварийных отключениях.

4. Электрические блокировки.

Электропривод подачи суппортов

Прерывистая подача суппортов, а также их быстрые установочные перемещения осуществляются с помощью коробок подач, имеющих устройства для установки величин подач, и асинхронных двигателей.

Электропривод главного движения фрезерного режима (вращение фрез)

Привод главного движения фрезерного режима осуществляется асинхронными электродвигателями переменного токаю. Частота вращения шпинделей фрезерных головок регулируется с помощью механических коробок скоростей в пределах от 25 до 800 об/мин. Направление вращения фрез выбирается посредством переключателей, установленных на боковой стенке шкафа станции управления.

Схема электропривода главного движения предусматривает:

1. Управление пуском и остановкой тех электродвигателей, работа которых заранее выбрана с помощью пакетных переключателей на подвесном пульте управления.

2. Медленный проворот электродвигателей перед началом каждого пуска, что обусловлено конструкцией коробок скоростей фрезерных головок.

Электропривод подачи стола во фрезерном режиме

Привод подачи стола осуществляется от электродвигателя постоянного тока, питаемого от тиристорного преобразователя ПТЗР.

Частота вращения электродвигателя при подаче стола регулируется от 37 до 1500 об/мин изменением подводимого к якорю напряжения, которое изменяется посредством регулятора скорости РС на подвесном пульте управления.

Возбуждение электродвигателя независимое от генератора постоянного тока напряжением 220 В.

При ускоренном установочном перемещении стола электродвигатель вращается с частотой 2400 об/мин, что достигается ослаблением магнитного потока полюсов при номинальном напряжении якоря.

Схема электропривода стола предусматривает:

1. Управление электродвигателем при автоматической работе и наладочных операциях.

2. Электрическое регулирование скорости стола посредством регулятора скорости на подвесном пульте управления.

3. Электрическое торможение электродвигателя при оперативных и аварийных отключениях.

4. Электрические блокировки.

Электропривод подачи фрезерных головок

Приводы вертикальной и горизонтальной фрезерной головки осуществляются электродвигателями постоянного тока. Эти электродвигатели питаются от одного преобразователя, что и электродвигатель подачи стола во фрезерном режиме.

Частота вращения электродвигателей при подаче регулируется в пределах 29…1800 об/мин.

Возбуждение электродвигателей независимое, от генератора постоянного тока напряжением 220 В через постоянно включенное добавочное сопротивление.

При ускоренном установочном перемещении стола электродвигатель вращается с частотой 2150 об/мин, что достигается ослаблением магнитного потока полюсов при номинальном напряжении якоря.

Схема электроприводов подачи фрезерных головок и схема электропривода подачи стола являются общими. Поэтому привод подачи фрезерных головок работает аналогично приводу подачи стола.

Электропривод перемещения поперечины

Привод перемещения поперечины осуществляется короткозамкнутым асинхронным электродвигателем переменного тока.

Схема электропривода предусматривает:

1. Управление пуском в обе стороны и остановкой электродвигателя от кнопок на подвесном пульте управления.

2. Ограничение хода поперечины вверх и вниз конечными выключателями.

Электропривод зажима поперечины

Привод зажима поперечины осуществляется короткозамкнутым асинхронным электродвигателем переменного тока.

Схема электропривода предусматривает:

1. Включение электродвигателя на отжим по команде кнопок управления перемещением поперечины.

2. Автоматическое отключение электродвигателя после окончания процесса отжима.

3. Автоматическое включение электродвигателя на зажим, если кнопки управления перемещением поперечины отпускаются.

4. Автоматические отключение электродвигателя после окончания процесса зажима.

Электропривод маслонасоса

Привод маслонасоса осуществляется короткозамкнутым асинхронным электродвигателем переменного тока.

Схема электропривода предусматривает:

1. Автоматическое включение электродвигателя при включении преобразовательных агрегатов.

2. Контроль поступления масла на направляющие станины с помощью реле давления, после срабатывания которого возможна работа привода стола.

Электропривод генератора и электромашинного усилителя привода стола строгального режима

Привод генератора и электромашинного усилителя строгального режима осуществляется асинхронным короткозамкнутым двигателем переменного тока. Генератор, ЭМУ и двигатель расположены на одной плите и образуют трехмашинный агрегат.

Электропривод возбудителя

Генератор постоянного тока для питания обмоток возбуждения машин постоянного тока и цепей управления - возбудитель - приводится во вращение асинхронным короткозамкнутым двигателем переменного тока. Генератор и двигатель расположены на одной плите и образуют двухмашинный агрегат.

Электропривод гидронасоса

Привод гидронасоса осуществляется короткозамкнутым асинхронным электродвигателем переменного тока.

Схема электропривода предусматривает:

1. Автоматическое включение электродвигателя при включении преобразовательных агрегатов.

2. Контроль давления в гидросистеме станка.

1.4 Основные паспортные данные станка

Таблица 1.1. Основные паспортные данные станка

Паспортные данные станка	Значение	Ед.изм.
Габариты станка:
длина	14000	мм
ширина	5440	мм
высота	4350	мм
Масса станка:	55000	кг
Изделие.
Размеры обрабатываемого изделия (наибольшие):
ширина	1600	мм
высота
а). для строгального режима	1400	мм
б). для фрезерного режима	1350	мм
Допустимая масса изделия на 1 м длины стола:	2000	кг
Допустимая масса изделия:	12000	кг
Стол.
Расстояние между поверхностью стола и поперечиной (наибольшее):	1420	мм
Размеры рабочей поверхности стола:
длина	6000	мм
ширина	1400	мм
Длина хода стола (допускаемая):
наибольшая	6200	мм
наименьшая	1200	мм
Масса стола:	10000	кг
Поперечина.
Наибольшее перемещение:	1200	мм
Время автоматического зажима:	5	с
Суппорты.
Количество суппортов:
на поперечине	2	шт.
на боковой стойке	1	шт.
Наибольшая длина горизонтального перемещения суппортов по поперечине:	2320	мм
Наибольшая длина вертикального перемещения бокового суппорта:	1355	мм
Наибольшая допускаемая длина перемещений ползунов:	300	мм
Перемещение на 1 оборот маховичка (рукоятки):
горизонтального суппорта	12	мм
бокового суппорта	6	мм
Цена деления лимба на рукоятке:
горизонтального перемещения суппорта	0,25	мм
вертикального перемещения суппорта	0,125	мм
Наибольший угол поворота:	60	град.
Цена деления шкалы поворота:	1	град.
Фрезерные головки.
Количество фрезерных головок:
на поперечине	1	шт.
на стойке	1	шт.
Наибольшая длина горизонтального перемещения фрезерной головки по поперечине:	2320	мм
Наибольшее перемещение гильз шпинделей:	200	мм
Перемещение гильз шпинделей на 1 оборот маховичка (рукоятки):	2	мм
Цена деления лимба перемещений гильз:	0,025	мм
Номер конического отверстия на конце шпинделя по ГОСТ 836-72	50
Наибольшее расстояние от зеркала стола до торца шпинделя вертикальной фрезерной головки:	1400	мм
Перемещение горизонтальной фрезерной головки при повороте винта перемещений на 1 оборот:	2	мм
Наибольший угол поворота фрезерной головки:	30	град.
Цена деления шкалы поворота фрезерной головки:	1	град.
Механика станка.
Наибольшая тяговая сила на рейке стола:	100000	Н
Пределы скоростей рабочего и обратного хода стола:	4,0…80	м/мин
Тип регулирования скоростей стола:	бесступенчатое
Пределы подач суппортов:
горизонтальных	0,5…25	мм
вертикальных	0,25…12,5	мм
Пределы подач фрезерных головок:
Регулирование подач суппортов:	ступенчатое
Регулирование подач фрезерных головок:	бесступенчатое
Шаг ступени подачи суппортов поперечины:	0,5	мм
Шаг ступени подачи бокового суппорта:	0,25
Скорость установочных перемещений суппортов:
горизонтального	1,47	м/мин
вертикального	0,735	м/мин
Скорость быстрого установочного перемещения фрезерных головок	1,5	м/мин
Скорость установочного перемещения поперечины:	0,433	м/мин



2. Выбор и расчет мощности электропривода

2.1 Требования к электроприводу

Проектом предусматривается замена физически и морально устаревшей системы генератор-двигатель привода механизма главного движения стола на систему преобразователь частоты - асинхронный двигатель. Вследствие этого работа следующих электроприводов станка исключается в силу ненужности:

- электропривод генератора привода главного движения;

- электромашинный усилитель привода главного движения;

- электропривод подачи стола во фрезерном режиме;

- электропривод возбудителя;

- генератор постоянного тока - возбудитель.

Требования к электроприводу главного движения продольно-строгально-фрезерного станка 7216Г:

1. Режим работы - перемежающийся с частыми реверсами.

2. Пределы скоростей рабочего хода 50 м/мин, обратного хода стола 80 м/мин.

3. Электропривод должен быть реверсивным.

4. Обеспечить максимальное время выполнения цикла.

2.2 Исходные данные

Таблица 2.1. Исходные данные для проектирования

Исходные данные	Условные обозначения	Значение
Наибольшая сила резания (сила сопротивления), Н	FТ	80000
Наибольшая скорость рабочего хода, м/мин	VПР.MAX	50
Скорость обратного хода, м/мин	VОБР	80
Масса стола, кг	mcт	10000
Масса изделия, кг	mизд	12000
Наибольшая длина изделия, м	Lд	6
Число зубьев ведущих шестеренок	z1, z3	10
Число зубьев ведомой шестеренки	z2	62
Число зубьев ведомой шестеренки	z4	57
Число заходов червяка	z	10
Модуль червячной передачи	m	38,2
Угол между осью червяка и направлением движения стола,°	б	30
Угол подъема винтовой линии червяка,°	в	15
Коэффициент трения стола о направляющие	м	0,052
КПД редуктора	зред	0,9
КПД червячной пары	зчерв	0,8

2.3 Предварительный выбор двигателя

Найдем передаточное число редуктора.

, (2.1)

где z₂, z₄ - число зубьев ведомых шестеренок;

z₁, z₃ - число зубьев ведущих шестеренок.

Радиус приведения равен [6]:

м, (2.2)

где z - число заходов червяка;

m - модуль червячной передачи, мм;

б - угол между осью червяка и направлением движения стола;

в - угол подъема винтовой линии червяка.

Сила трения стола с изделием о направляющие:



Н, (2.3)

где - коэффициент трения стола о направляющие;

- масса изделия, кг;

- масса стола, кг.

Произведем предварительный расчет мощности двигателя, исходя из наибольшей силы резания и максимальной рабочей скорости [6]:

кВт, (2.4)

где V_ПР.MAX - максимальная скорость прямого хода;

- суммарный КПД механической передачи;

- КПД червячной передачи;

- КПД редуктора.

На основе предварительных расчетов из [2] выбираем асинхронный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором 4А280S4У3, серия 4А, высота оси вращения 280 мм, 4 полюса, IP55, класс изоляции F со следующими номинальными данными:

= 110 кВт - номинальная мощность двигателя;

= 380 В - номинальное напряжение двигателя;

= 198 А - номинальный ток двигателя;

= 0,941 - номинальный КПД двигателя;

= 1470 об/мин - номинальная скорость;

= 2,3 кг м² - момент инерции двигателя;

= 0,023 - номинальное скольжение;

= 0,085 - критическое скольжение;

m = 655 кг - масса двигателя;

= 0,9 - косинус угла между векторами тока и напряжения;

= 6 - отношение пускового тока к номинальному;

= 1,2 - отношение пускового момента к номинальному;

=2,0 - перегрузочная способность двигателя.

Номинальная угловая скорость двигателя:

рад/с. (2.5)

Номинальный момент двигателя:

Нм. (2.6)

Пусковой момент:

Нм. (2.7)

2.4 Расчет параметров нагрузочной диаграммы

Суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя [6]:

=3,281 кг м², (2.8)

где - масса изделия, кг;

- масса стола, кг;

- момент инерции двигателя, кг м²;

- радиус приведения, м.

Усилие, необходимое для перемещения стола в режиме холостого хода [6]:

Н, (2.9)

где - коэффициент трения стола о направляющие;

- масса изделия, кг;

- масса стола, кг;

- ускорение свободного падения.

Момент сопротивления при строгании заготовки [6]:

Нм. (2.10)

Момент сопротивления при холостом ходе [6]:

Нм. (2.11)

Определим допустимое угловое ускорение изделия, исходя из того, что пуск и торможение механизма будут происходить при помощи задатчика интенсивности, следовательно время разгона и торможения будет одинаковым. Допустимое ускорение будем определять на участке 4 (разгон при резе металла), как наиболее неблагоприятном [1]:

, (2.12)

где - пусковой момент;

- допустимое угловое ускорение.

Отсюда найдем допустимое ускорение:

1/с². (2.13)

Исходя из технологических параметров, примем следующие значения линейных скоростей:

V_рез =V_ПР.MAX = 50 м/мин = 0,833 м/с - скорость резания;

V_врез =0,3V_рез = 0,25 м/с - скорость врезания резца в заготовку;

V_обр = 80 м/мин = 1,33 м/с - скорость обратного хода.

2.5 Расчет участков нагрузочной диаграммы

По условиям технологического процесса пути, проходимые столом на установившейся скорости на участках 2,3,7,8 (то есть перед врезанием резца в заготовку, после врезания до разгона, перед выходом и после выхода резца) равны 2% от длины стола l или примерно 0,12 м. Примем S₂ = S₃ = S₇ = S₈ = 0,12 м.

Также установим технологическую паузу в конце рабочего и обратного хода, которая требуется для поднятия резцов суппортов t_п = 0,5 c.

Участок 1. Разгон на холостом ходу до скорости врезания (V_врез)

Угловая скорость:



=46,5 рад/с. (2.14)

Время разгона:

с. (2.15)

Момент, развиваемый двигателем:

=356,711 Нм. (2.16)

Путь, пройденный столом:

м. (2.17)

Участок 2. Движение на установившейся скорости до врезания резца.

Время движения:

с. (2.18)

Момент, развиваемый двигателем:

Нм. (2.19)

Участок 3. Движение на установившейся скорости после врезания резца до разгона.

Время движения:

с. (2.20)

Момент, развиваемый двигателем:

Нм. (2.21)

Участок 4. Разгон при резе металла до скорости резания (V_рез).

Угловая скорость:

=155 рад/с. (2.22)

Время разгона:

с. (2.23)

Момент, развиваемый двигателем:

857,488 Нм. (2.24)

Путь, пройденный столом:

м. (2.25)



Участок 5. Рабочее движение на скорости V_рез.

Путь, пройденный столом:

м. (2.26)

Время движения:

с. (2.27)

Момент, развиваемый двигателем:

Нм. (2.28)

Участок 6. Торможение при резе металла до скорости выхода резца.

Время торможения:

с. (2.29)

Момент, развиваемый двигателем:

Нм. (2.30)

Путь, пройденный столом:

м. (2.31)

Участок 7. Движение на установившейся скорости перед выходом резца из изделия.

Время движения:

с. (2.32)

Момент, развиваемый двигателем:

Нм. (2.33)

Участок 8. Движение на установившейся скорости после выхода резца.

Время движения:

с. (2.34)

Момент, развиваемый двигателем:

Нм. (2.35)

Участок 9. Торможение на холостом ходу до нулевой скорости.

Время торможения:

с. (2.36)

Момент, развиваемый двигателем:

Нм. (2.37)

Путь, пройденный столом:

м. (2.38)

Рассчитаем участки обратного хода:

Участок 10. Разгон на холостом ходу до скорости обратного хода (V_обр)

Угловая скорость:

=248 рад/с. (2.39)

Время разгона:

с. (2.40)

Момент, развиваемый двигателем:

=-356.711 Нм. (2.41)

Путь, пройденный столом:

м. (2.42)

Так как двигатель разгоняется до скорости выше номинальной, то рассчитаем фиктивный момент для этого участка:

Нм. (2.43)

Участок 12. Торможение на холостом ходу до нулевой скорости.

Время торможения:

с. (2.44)

Момент, развиваемый двигателем:

163,521 Нм. (2.45)

Путь, пройденный столом:

м. (2.46)

Фиктивный момент для этого участка:

Нм. (2.47)

Участок 11. Обратное движение на скорости V_обр.

Путь, пройденный столом:

м. (2.48)

Время движения:

с. (2.49)

Момент, развиваемый двигателем:

Нм. (2.50)

Фиктивный момент для этого участка:

Нм. (2.51)

2.6 Проверка выбранного двигателя по нагреву и перегрузке

Регулируемый электропривод в системе ПЧ-АД при сравнительно низкой стоимости, относительной простоте, хороших массогабаритных показателях и высокой надежности обладает достаточно широкими техническими возможностями при приемлемых в ряде случаев технико-экономических показателях. Это позволяет применять его в механизмах циклического действия, которые требуют управляемых пуско-тормозных режимов, кратковременного снижения скорости, точной отработки позиционных перемещений.

Важной задачей при проектировании системы ПЧ-АД является обоснованный выбор мощности электродвигателя. Нагрев двигателя в повторно-кратковременном режиме определяется потерями энергии в машине на участках разгона, торможения и установившейся скорости. При этом необходимо обеспечить нормальное тепловое состояние двигателя, т.е. его работу без перегрева.

Следует отметить, что выбранный двигатель имеет принудительное охлаждение от внешнего вентилятора, следовательно не нужно учитывать уменьшение теплоотвода при скоростях, меньше номинальной (как это делают у самовентилируемых двигателей).

Проверим выбранный двигатель по нагреву, используя метод эквивалентных потерь.



Эквивалентный момент должен быть меньше либо равен номинальному.

Рассчитаем эквивалентный момент по нагрузочной диаграмме:

Нм (2.52)

Как мы видим, эквивалентный момент меньше номинального, двигатель проходит по нагреву.

Оценим запас по нагреву:

(2.53)

Тахограмма и нагрузочная диаграмма представлены на рис. 2.1.

Проверка двигателя по перегрузке:

(2.54)

Выбранный двигатель проходит по перегрузке.

2.7 Выбор преобразователя частоты

Условия выбора преобразователя: номинальные выходные напряжения и частота выбираются равными номинальному напряжению и частоте двигателя, ток должен превышать среднеквадратичный ток двигателя, величина и длительность перегрузки по току не должны превышать указанных в тех. данных преобразователя.

Управление двигателем осуществляется путём задания в его статорные обмотки трёхфазной системы токов, создающих в двигателе вращающееся магнитное поле, от взаимодействия которого с током короткозамкнутой обмотки ротора возникает вращающийся электромагнитный момент. Преобразование постоянного напряжения в регулируемую по частоте и амплитуде трёхфазную систему токов для питания двигателя осуществляется трёхфазным инвертором. Силовая часть инвертора выполнена по мостовой схеме на транзисторных ключах тока, управление которыми осуществляется регуляторами тока. Ключи поочерёдно подключают выводы обмотки двигателя к положительному или отрицательному полюсу звена постоянного тока.

Для управления двигателем номинальной мощности и тока двигателя выбираем частотный преобразователь фирмы Schneider Electric типа Altivar 71 для сложных производственных механизмов.

Серия преобразователей частоты Altivar 71 отвечает самым строгим требованиям применений благодаря использованию разнообразных законов управления двигателем и многочисленным функциональным возможностям. Она адаптирована для решения наиболее сложных задач электропривода:

- момент и повышенная точность при работе на очень низкой скорости и улучшенные динамические характеристики с алгоритмами векторного управления потоком в разомкнутой или замкнутой системе привода;

- расширенный диапазон выходной частоты для высокоскоростных двигателей;

- параллельное включение двигателей и специальные приводы с использованием скалярного закона управления;

- точность поддержания скорости и энергосбережение для разомкнутого привода с синхронным двигателем;

- плавное, безударное управление несбалансированными механизмами с помощью системы адаптации мощности (Energy Adaptation System - ENA).

Многофункциональность преобразователя Altivar 71 увеличивает производительность и гибкость использования машин для многочисленных применений.

Преобразователь частоты Altivar 71 имеет встроенные протоколы Modbus и CANopen, а также значительные функциональные возможности.

Функциональность преобразователя может быть увеличена с помощью дополнительных карт расширения входов-выходов, коммуникационных карт и интерфейсных карт датчика обратной связи по скорости.

Диалоговые средства.

Преобразователь частоты Altivar 71 поставляется с выносным графическим терминалом, который оснащен:

- навигационной ручкой, обеспечивающей простой и быстрый доступ к меню прокрутки;

- графическим экраном с текстовым отображением на 8 строках по 24 символа;

- развитыми функциями отображения, обеспечивающими легкий доступ к самым сложным функциям;

- экранами индикации, меню и параметрами, которые могут быть индивидуализированы для пользователя или механизма;

- справочной системой;

- функцией сохранения и пересылки конфигураций (могут быть сохранены 4 конфигурации);

- разъемами для многоточечной связи с несколькими ПЧ по сети;

- комплектом для установки на дверце шкафа со степенью защиты IP 54 или IP 65;

- интерфейсом на 6 языках (английском, испанском, итальянском, китайском, немецком, французском). Есть возможность перезаписи других языков.

Программное обеспечение PowerSuite позволяет конфигурировать, настраивать и налаживать Altivar 71, как и все другие устройства приводной техники Telemecanique. Оно может использоваться при прямом подключении, через Ethernet, с помощью модема или по беспроводной технологии Bluetooth®.

Сервисные возможности.

Преобразователь частоты Altivar 71 содержит многочисленные функции по обслуживанию, контролю и диагностике:

- встроенные функции проверки ПЧ с экранами диагностики на выносном графическом терминале;

- отображение состояния входов-выходов;

- отображение состояния связи по различным портам;

- функция осциллографа, доступная с программным обеспечением PowerSuite;

- управление несколькими ПЧ благодаря перезаписываемой памяти микропроцессора;

- дистанционное использование этих функций при подключении преобразователя к модему через разъем Modbus;

- идентификация всех составных элементов преобразователя частоты, в частности версии ПО;

- хронология неисправностей со значениями 16 переменных, зафиксированных в момент появления неисправности;

- перезапись языков терминала;

- возможность сохранения в ПЧ сообщения размером до 5 строк по 24 символа.

Выбираем модель ATV 71 HC11N4.

Технические данные преобразователя частоты:

1) номинальная мощность - 110 кВт;

2) номинальное напряжение - 380 В;

3) линейный сетевой ток - 202 А;

4) максимальный выходной ток в установившемся режиме - 215 А;

5) максимальный переходный ток в течение 60 с - 323 А;

6) максимальный линейный ток к.з. - 35 кА;

7) масса - 74 кг;

8) диапазон частот на выходе - 0 ч 1600 Гц;

9) входная частота - 47 ч 63 Гц;

10) коэффициент мощности - 0,7;

11) работа при перегрузках - 220% в течении 2 с, 170% в течении 60 с;

12) тормозной момент - 30% от номинального при работе без тормозного сопротивления, до 150% номинального при наличии тормозного сопротивления;

13) статическая точность - 0,01% в замкнутой системе с импульсным датчиком скорости;

14) закон управления:

- векторное управление потоком с обратной связью по скорости (вектор тока);

- векторное управление потоком без обратной связи по скорости (вектор тока или напряжения);

- закон «напряжение / частота» по 2 или 5 точкам;

- система адаптации мощности для неуравновешенных механизмов;

15) защита от:

- чрезмерного перегрева;

- коротких замыканий между выходными фазами;

- обрыва фазы сетевого питания;

- перегрузки по току между выходными фазами и землей;

- перенапряжений в звене постоянного тока;

- обрыва цепи управления;

- превышения ограничения скорости;

- повышенного или пониженного напряжения питания;

- потери фазы для трехфазного питания.

(2.55)

Для осуществления обратной связи по скорости применяем оптические датчики скорости с интерфейсной картой для преобразователя.

Интерфейсная карта фотоимпульсного датчика (цифрового датчика перемещений с относительным отсчетом) обеспечивает работу привода с алгоритмом векторного управления потоком с датчиком обратной связи (режим FVC), позволяющим получать оптимальные характеристики вне зависимости от момента нагрузки на валу двигателя:

- момент при неподвижном двигателе;

- стабилизация скорости;

- точное поддержание момента;

- уменьшение времени реакции при набросе момента;

- улучшение динамических характеристик в переходных режимах.

При других законах управления (векторное управление по напряжению, скалярное управление U/f) интерфейсная карта импульсного датчика позволяет улучшить статическую точность системы регулирования скорости.

Интерфейсная карта импульсного датчика может также использоваться для обеспечения безопасности механизмов путем контроля:

- превышения заданной скорости;

- вращения в обратном направлении.

Интерфейсная карта импульсного датчика обеспечивает также задание управляющего сигнала на преобразователь Altivar 71 с выхода датчика. Такое применение предназначено для синхронизации скоростей нескольких приводов.

Карта устанавливается в предназначенное для нее место в ПЧ.

2.8 Выбор тормозного сопротивления

Тормозное сопротивление обеспечивает работу преобразователя Altivar 71 при торможении до полной остановки или во время снижения скорости путем рассеивания энергии торможения. Оно обеспечивает максимальный переходный тормозной момент.

Мощность торможения характеризуется максимальной (пиковой) мощностью P_f, получаемой в начале торможения, которая уменьшается до нуля пропорционально скорости.



Рис. 2.2. Процесс торможения двигателя

Время торможения с максимальной скорости при полной нагрузке (с обратного хода, участок 12):

с. (2.56)

Частота вращения двигателя, с которой происходит торможение:

об/мин. (2.57)

Тормозной момент двигателя (участок 12):

Нм. (2.58)

Максимальная мощность торможения:

кВт. (2.59)



Средняя (постоянная) мощность торможения:

кВт. (2.60)

Выбираем по каталогу оборудования для Altivar 71 тормозное сопротивление VW3 A7 710 с постоянной мощностью торможения 25 кВт.

t, c

Рис. 2.3. График выбора времени торможения в зависимости от мощности

Рис. 2.4. Электрическая принципиальная схема силовой части электропривода

3. Разработка системы автоматического управления электропривода

Силовая часть системы состоит из асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и преобразователя частоты на основе автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

Регуляторы строятся по принципу подчинённого регулирования, замкнуты обратными связями. Расчёт систем автоматического управления ведётся от внутреннего контура к внешнему. Для достижения абсолютно жёстких статических характеристик система управления скорости строится на базе двукратно интегрирующей системы. Функциональная схема системы управления построена на уровне функциональных узлов и состоит из следующих элементов:

ЗО - звено ограничения;

РС - регулятор скорости;

РМ - регулятор момента;

РП - регулятор потокосцепления;

РТ - регулятор тока;

ПКН - преобразователь координат напряжения, осуществляет обратное преобразование координат;

ПКТ - преобразователь координат тока, осуществляет прямое преобразование координат;

ДС - датчик скорости;

ПЧ - преобразователь частоты на основе АИН с ШИМ.

На рис. 3.1 приведена функциональная схема системы управления.



3.1 Расчёт параметров двигателя для номинального режима

Параметры двигателя даны для «Т» - образной схемы замещения двигателя, приведённой на рис. 3.2.

«Т» - образная схема замещения двигателя



Рис. 3.2

Параметры схемы замещения [Кравчик]:

, , , , , , ,

Все расчёты в пункте 3 ведутся по методике, изложенной в литературе [19].

Угловая частота напряжения:

эл. рад/с (3.1)

Номинальная угловая частота тока ротора:

ДЩ_N = Щ_1Н - p Щ_Н = 314 - 2 • 153,9 = 6,283 эл. рад/с. (3.2)

Величина, составляющая ток статора по оси 0X:

I_SXN =

!Синтаксическая ошибка, F 52,964 A. (3.3)



Величина, составляющая ток статора, по оси 0Y:

274,242 A. (3.4)

Амплитудное значение тока статора:

I_SN.MAX = = 279,309 A. (3.5)

Номинальное потокосцепление ротора:

Ш_RN = 0,826 В•с. (3.6)

Номинальный момент двигателя:

M_N = (3.7)

где m_S - число фаз, m_S = 3;

p - число пар полюсов, p = 2;

M_N = 714,57 Н•м.

3.2 Расчёт эквивалентных параметров главной цепи двигателя

Индуктивность рассеяния обмотки фазы статора:

L_sу = 0,000388 Гн. (3.8)



Индуктивность рассеяния обмотки фазы ротора:

L_rу' = 0,000509 Гн. (3.9)

Коэффициент взаимной индукции обмотки статора и ротора:

L_m = 0,016 Гн. (3.10)

Полная индуктивность обмотки ротора:

L_r = L_m + L_rу' = 0,016 + 0,000509 = 0,0165 Гн. (3.11)

Эквивалентная постоянная времени цепи ротора:

Т_r = (3.12)

Коэффициент связи ротора:

k_r = . (3.13)

Эквивалентная индуктивность рассеяния фазы двигателя:

L_Э = L_sу + k_r² L_rу' = 0,000388 + 0,968² • 0,000509 = 0,0008659 Гн. (3.14)

Эквивалентное сопротивление:

R_Э = r₁ + k_r² r₂' = 0,023 + 0,968² • 0,019 = 0,041 Ом. (3.15)

Электромагнитная постоянная времени главной цепи двигателя:

Т_Э = (3.16)

3.3 Расчёт базовых величин силовой цепи электропривода

Базовая угловая частота напряжения:

Щ_б = Щ_1Н =314 эл. рад/с. (3.17)

Базовый электромагнитный момент:

М_б = М_N = 714,57 Н•м. (3.18)

Базовая мощность:

S_б = Р_б = (3.19)

Базовая механическая угловая частота вращения:

щ_б = (3.20)

Базовый ток статора двигателя:

I_Sб = I_1N = • 198 = 280,014 A. (3.21)



Базовое напряжение:

U_Sб = . (3.22)

Базовое потокосцепление:

Ш_Sб = (3.23)

Базовое сопротивление:

R_Sб = (3.24)

Базовая индуктивность:

L_Sб = (3.25)

3.4 Расчёт параметров двигателя в относительных единицах

Сопротивление эквивалентное:

r_э = (3.26)

Индуктивность эквивалентная:

l_э = (3.27)



Коэффициент взаимной индукции:

l_m = (3.28)

Индуктивность рассеяния обмотки фазы статора:

l_sу = (3.29)

Индуктивность рассеяния обмотки фазы ротора:

l_rу = (3.30)

Сопротивление обмотки статора:

r_s = (3.31)

Сопротивление обмотки ротора:

r_r = (3.32)

Механическая постоянная:

Т_j = J_У (3.33)



Вещественный коэффициент комплексного уравнения:

б_r = (3.34)

Коэффициент преобразователя:

k_п = (3.35)

где Е_п - ЭДС преобразователя;

Е_п = U_ф • 2,34 = 220 • 2,24 = 514,8 В; (3.36)

где 2,34 - коэффициент схемы трёхфазного мостового неуправляемого выпрямителя по напряжению;

U₀ - амплитуда опорного сигнала, для частотного преобразователя с ШИМ принимаем U₀ = 10 B;

k_п = .

Значение проекции вектора напряжения статора в системе координат на ось 0Х:

U_SX = (3.37)

Заданное значение проекции вектора напряжения статора в системе координат на ось 0Х:

U_SX*= (3.38)

Для удобства расчёта перессчитаем k_п и U_SX* т.к. значение U_SX* получилось слишком мало, значение k_п велико

k_п = k_п ;

U_SX* = .

Модель строится по исходным данным дифференциальных уравнений звеньев, входящих в модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Уравнения звена тока (ЗТ):

U_SX = r_э(Т_Эp + 1) i_sx - щ_кl_эi_sy - щk_r Ш_ry - б_rk_rШ_rx; (3.39)

U_SY = r_э(Т_Эp + 1) i_sy + щ_кl_эi_sx + щk_r Ш_rx - б_r б_rk_rШ_ry. (3.40)

Уравнения звена потокосцепления (ЗП):

r_rk_ri_sx = б_r (Т_Эp + 1) Ш_rx - (щ_к - щ) Ш_ry; (3.41)

r_rк_ri_sy = б_r (Т_Эp + 1) Ш_ry + (щ_к - щ) Ш_rx. (3.42)

Уравнение звена момента (ЗМ)

m = k_r(Ш_rx i_sy - Ш_ry i_sx). (3.43)

Уравнение звена механического действия

m - m_s = T_j pщ. (3.44)

Теперь функционально свяжем эти четыре звена, которые образуют математическую модель двигателя. На рис. 3.4 приведена структурная схема асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при управлении от ПЧ с ШИМ.

3.5 Синтез регуляторов

Синтез передаточных функций регуляторов в современных системах электропривода производится на основе принципа подчинённого регулирования координат системы. Каждый регулятор выполняется в виде последовательно корректирующего звена или устройства обеспечивающего желаемое свойство контура, а именно статических и динамических характеристик. Синтез проводим на основе структурной схемы системы управления двигателя, приведённой на рис. 3.4.

Синтез регулятора тока

Выбор некомпенсируемой постоянной времени.

Величина некомпенсируемой постоянной времени Т_м является «базовой» при расчёте систем подчинённого регулирования, для которых характерно, что динамические свойства системы не зависят от параметров объекта регулирования и определяется только величиной постоянной времени фильтра Т_м, установленного на входе регулирующей части системы управления. Уменьшение Т_м приводит к увеличению быстродействия и снижению статической и динамической ошибок по скорости, при приложении внешних возмущающих воздействий. С другой стороны величина Т_м должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить высокую помехозащищённость системы. В реальных системах автоматического управления с подчинённым регулированием параметров величина Т_м лежит в пределах 0,004 ч 0,01 с. Для проектируемой системы управления выбираем Т_м =0,001 с. На рис. 3.5 приведена расчётная схема системы регулирования тока.

Расчётная схема системы регулирования тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Передаточная функция регулятора тока:

R_i(p) = W_i^-1(p) , (3.45)

где T_i - постоянная времени регулятора тока,

Т_i = 2 T_м = 2 • 0,001 = 0,002 с. (МО); (3.46)

Передаточная функция:

W_i = ; (3.47)

R_i(p) =

На рис. 3.6 приведена структурная схема контура тока.

Структурная схема контура тока



Синтез регулятора потокосцепления ротора

Расчётная схема системы регулирования потокосцеплением

Так как в системе при синтезе используем уравнения при постоянстве ротора Ш_r = const без учёта изменения индуктивности l_m^* = l_m, то можно использовать схему без регулятора потокосцепления и подать на вход системы автоматического регулирования тока i_sx.

Передаточная функция регулятора потокосцепления

W_Шr(p) = W_Шr(0) = . (3.48)

Требуемое значение тока i_sx*

i_sx* = (3.49)

Заданное значение потокосцепления

Ш_r^* = i_sx* • l_m = 0,189 • 0,016 = 0,003. (3.50)

На обратном ходу двигатель в течение определенного времени работает на скорости выше номинальной (во второй зоне). Поэтому нам необходимо ослаблять потокосцепление. Эту функцию выполняет элемент ФП - формирователь потокосцепления. Рассчитаем потокосцепление при скорости обратного хода.

Ш_{r min}^* = Ш_r ^* • (3.51)

Синтез регулятора электромагнитного момента

Расчётная схема регулятора электромагнитного момента

Регулятор представлен в виде обратного звена момента

m = k_rШ_r i_sy - звено момента (ЗМ); (3.52)

i_sy = (k_r^*Ш_r)-¹ m^* - регулятор момента (РМ). (3.53)

Регулятор момента формирует частоту скольжения координат. Нужно ввести в регулятор момента вычислитель абсолютного скольжения в_Шr

в_Шr = r_r^* k_r^* Ш_r^*-1i_sy^*; (3.54)

щ_Шr = щ + в_Шr. (3.55)

Схема регулятора электромагнитного момента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РСК - регулятор скольжения.

r_r^* = r_r = 0,017.

k_r^* = k_r = 0,968.

Синтез регулятора напряжения

Регулятор напряжения предотвратить выход на ограничение регуляторов токов статора и, следовательно, размыкание системы при работе во второй зоне. Регулятор выполняется интегральным с регулируемым ограничением и с коррекцией коэффициента усиления по скорости. Выходом регуляора я вляется заданное потокосцепление.

(3.56)

(3.57)



Синтез регулятора скорости

Расчётная схема регулятора скорости

Согласно требованиям, предъявляемым к электроприводу, система регулирования скорости выполняется двукратно интегрирующей. Задаёмся быстродействием регулятора скорости т.е. величиной постоянной времени Т_щ. Система управления по скорости отрабатывает сигнал задатчика интенсивности с запаздыванием равным Т_щ^'. Зададимся быстродействием допустимым в данном технологическом процессе Т_щ^' = 0,05 с.

2 Т_щ = 0,05 с.

Т_щ =0,025 с.

Т_щ^' = 2 Т_щ = 0,05 с

Передаточная функция регулятора скорости [21]

R_щ = - «ПИ» - регулятор. (3.58)

Чтобы система управления не обладала слишком большим быстродействием, вводим дополнительный фильтр с постоянной времени Т_ф

Согласуем работу фильтра с работой регулятора скорости т.е. рассчитаем нужное значение Т_ф



Т_щ =2 (Т_ф + Т_i);

Т_ф = (3.59)

Структурная схема регулятора скорости

Расчёт задатчика интенсивности