Электропривод ведущего круга круглошлифовального станка

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Электрическим приводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов машин и управления их технологическими процессами, состоящее из передаточного устройства, электродвигательного устройства, преобразовательного устройства и управляющего устройства.

Современный этап развития промышленных приводов характеризуется значительным расширением области применения регулируемых электроприводов переменного тока. Это касается большинства тех отраслей промышленности, в которых ранее использовались электроприводы постоянного тока с двигателями независимого возбуждения, обладающие наилучшими регулировочными свойствами (например, металлообрабатывающая промышленность, бумагоделательная промышленность и др.), а также отраслей, где технологические параметры средствами электропривода не регулировались (например, насосные станции и воздуходувки).

Сегодня наиболее распространенный тип электропривода с двигателем переменного тока включает в себя преобразователь частоты со звеном постоянного тока и инвертор с широтно-импульсной модуляцией. В преобразователь встроена система управления привода с микропроцессорным управлением и внешним интерфейсом, обеспечивающим пользователю максимум возможностей для использования привода в самых различных отраслях промышленности.

В преобразователях со звеном постоянного тока переменное выходное напряжение формируется автономным инвертором из напряжения постоянного тока. Поскольку обычно в качестве источника питания используется сеть переменного тока, то в состав преобразователя частоты входит управляемый или неуправляемый выпрямитель. Такие преобразователи принципиально не имеют ограничения на максимальное значение выходной частоты. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока подразделяются на преобразователи с автономным инвертором тока и автономным инвертором напряжения. В настоящее время наиболее широко используются преобразователи с автономным инвертором напряжения.

Индивидуальный автоматизированный электропривод в настоящее время получил широкое применение во всех сферах жизни и деятельности общества - от сферы промышленного производства до сферы быта. Благодаря этому совершенствование технических показателей электроприводов во всех областях применения является основой технического прогресса.

Целью курсового проекта является разработка электропривода ведущего круга круглошлифовального станка, отвечающего современным требованиям.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТАНКА И РЕЖИМОВ ЕГО РАБОТЫ

1.1 Технологические и конструктивные особенности станка

Назначение и технические данные

Станок круглошлифовальный бесцентровой предназначен для шлифования, гладких, ступенчатых, конических, а также фасонных поверхностей деталей типа тел вращения методом врезного и сквозного шлифования в диапазоне диаметров от 3 до 80мм при обработке на проход и от 4 до 80мм - при обработке врезанием.

Шлифуются детали из чугуна, стали, цветных металлов и их сплавов до и после термической обработки, изделия из различных неметаллических материалов (текстолит и др.).

Станок имеет следующие технические характеристики:

- диаметр обрабатываемой заготовки:

наибольший - 125мм;

наименьший при обработке на проход - 3мм;

наименьший при обработке врезанием - 4мм;

- наибольшая длина обрабатываемой заготовки:

при обработке на проход без специальных приспособлений до 125мм;

при обработке на проход с применением специального приспособления до 1000мм;

при обработке врезанием с номинальной высотой кругов - 155мм;

при обработке врезанием с наибольшей высотой кругов - 245мм;

- диаметр шлифовального круга:

наибольший - 500мм;

наименьший - 390мм;

- диаметр ведущего круга:

наибольший - 350мм;

наименьший - 295мм;

- пределы частот вращения шлифовального круга:

наибольшая - 2293 об/мин;

наименьшая - 1335 об/мин;

- пределы частот вращения ведущего круга:

при работе - 20ч150 об/мин (бесступенчатое регулирование);

при правке - 180 об/мин;

- количество управляемых осей координат: 2;

- габариты и масса:

ширина- 2335мм;

длина-3570мм;

высота - 2120мм;

- масса станка с приставным оборудованием, приспособлениями и принадлежностями, входящих в комплект станка - 6800кг:

- род тока питающей сети:

переменный, трёхфазный, частотой - 50±2% Гц;

напряжение - 380±10% В:

- количество электродвигателей: 11.

Описание конструкции станка

Внешний вид станка изображён на рис. 1, где 1 - станина; 2 - гидроаппаратура; 3 - пульт управления врезного полуавтомата и устройство правки; 4 - амперметр; 5 - вольтметр; 6 - лимб подачи алмаза и механизма правки круга; 7 - пульт управления, включающий реле времени, пуск цикла и общий стоп; 8 - лимб подачи алмаза механизма правки ведущего круга; 9 - пульт управления правкой ведущего круга; 10 - ведущая бабка; 11 - гидробак; 12 - лимб механизма подачи шлифовальной бабки.

Основанием для главных узлов станка является станина, отлитая из серого чугуна. Станина имеет направляющие, шлифовальную бабку и плоскость для установки поворотной части с ведущей бабкой.

Станина крепится на фундаменте посредством регулируемых опор, обеспечивающих точную установку станка на фундаменте.

Бабка шлифовальная установлена на направляющих качения станины и имеет возможность рабочего перемещения в направлении, перпендикулярном оси шлифовального круга.

Рис. 1 - Внешний вид круглошлифовального станка

В корпус бабки на радиальных и осевых гидростатических подшипниках смонтирован шпиндель, на котором установлена планшайба вместе с абразивным шлифовальным кругом. Привод шлифовального круга осуществляется посредством полуклиновой одноступенчатой передачи от электродвигателя переменного тока, установленного на приставном узле. Ведущая бабка имеет возможность наладочного перемещения в направлении, перпендикулярном оси шлифовального круга. Кроме того, бабка имеет возможность поворота в горизонтальной плоскости вместе с суппортом и опорным ножом. Бабка ведущая поворотная установлена на неповоротной части бабки ведущей и имеет возможность поворота вокруг горизонтальной оси на угол, необходимый для осуществления подачи заготовки при шлифовании на проход и поджима к упору при врезном шлифовании.

В корпусе бабки на гидростатических подшипниках смонтирован шпиндель, на котором установлен ведущий круг. Механизм подачи, предназначен для осуществления рабочего (врезного), наладочного и установочного перемещения шлифовальной бабки.

Механизм правки ведущего круга установлен на бабке ведущей и осуществляет подачу алмаза для правки ведущего круга.

Механизм автоматической правки предназначен для шлифовального круга в режиме наладки.

Механизм балансировки установлен на планшайбе шлифовального круга, предназначен для уменьшения радиального биения шлифовального круга.

Механизм подачи сопла установлен на кожухе шлифовального круга и обеспечивает поддержания постоянного зазора между шлифовальным кругом и соплом охлаждения. Кожух шлифовального круга надёжно предохраняет рабочего в случае разрыва шлифовального круга. Привод ведущего круга осуществляется двигателем постоянного тока и установлен на поворотной части ведущей бабки.

Электрооборудование размещено в отдельном электрошкафу, а электропульт расположен с левого торца станка.

Станция смазки расположена на подставке электрошкафа. Агрегат охлаждения расположен с правого торца станка. Гидростанция и измерительное устройство выполнены приставными сборочными единицами.

Описание технологии работы станка

Процессы резания и формообразования заготовок на бесцентрово-шлифовальных станках осуществляется шлифовальным кругом, вращающимся с заданной скоростью. При этом заготовку не закрепляют в центрах или патроне, а базируют на обрабатываемой или окончательно обрабатываемой поверхности.

Главное движение - вращение шлифовального круга, круговая подача - вращение обрабатываемой заготовки, продольная подача - прямолинейное возвратно-поступательное движение стола с заготовкой, поперечная подача - периодическое радиальное перемещение шлифовальной бабки за один ход стола; вспомогательные движения - ручное продольное перемещение стола, ручное поперечное перемещение шлифовальной бабки, ручное перемещение пиноли задней бабки, а также установочные перемещения рабочих органов станка с помощью гидропривода. При обработке цилиндрических деталей ось центров бабок параллельна направляющим стола, а при шлифовании конических деталей она расположена пол углом, равным половине угла конусности детали.

Заготовка получает вращение от ведущего круга, скорость которого в 6ч100 раз меньше окружной скорости шлифовального круга. Разностью скоростей вращения заготовки и шлифовального круга и обеспечивает процесс шлифования. Упрощенная схема процесса бесцентрового шлифования приведена на рис. 2, где: 1 - шлифовальный круг, 2 - ведущий круг, 3 - деталь, 4 -шлифовальная бабка, 5 - ведущая бабка, 6 - опорный нож.

Рис. 2 - Упрощенная схема процесса бесцентрового шлифования

Станок может работать в следующих режимах:

- шлифование на проход (сквозное шлифование);

- шлифование врезанием;

- правка шлифовального и ведущего кругов.

Методом на проход обрабатываются гладкие цилиндрические заготовки. Упрощённая схема данного способа обработки приведена на рис. 3, где: 1 - шлифовальный круг, 2 - ведущий круг, 3 - деталь, 4 - опорный нож.



Рис. 3 - Упрощённая схема шлифования методом на проход

Шлифование методом на проход выполняется при продольном перемещении заготовки. За счёт поворота ведущего круга, либо наклонна опорного ножа на определённый угол по отношению к шлифовальному кругу, производится продольная подача заготовки. Скорость заготовки V3 , определяется окружной скоростью ведущего круга и углом его поворота, либо наклона ножа. Шлифовальный и ведущий круги находятся на постоянном расстоянии друг от друга. При прохождении заготовки между кругами с неё ошлифовывается слой металла, определяемый припуском на обработку. При этом поперечную подачу одного из кругов осуществляют только для компенсации износа кругов и настройки на требуемый диаметр обработки.

Методом врезного шлифования обрабатывают короткие цилиндрические заготовки или ступенчатые валы. При этом после установки заготовки осуществляется подача шлифовальной бабки со шлифовальным кругом на величину, определяемую припуском на обработку. В начале процесса шлифования большая часть припуска удаляется при повышенной радиальной подаче, затем подача снижается и в конце обработки заготовка в течение нескольких её оборотов шлифуется без подачи на глубину. После окончания обработки шлифовальная бабка отводится в исходное положение, и в зону обработки подают новую заготовку.

Форма поверхностей заготовок может быть цилиндрической, конической и фасонной. Шлифовальному и ведущему кругам соответствующая форма рабочей поверхности придаётся правкой. Правку следует рассматривать, как самостоятельный процесс обработки, где обрабатывающим инструментом является алмаз или его заменитель, а обрабатываемым - абразивный круг.

В процессе правки:

- восстанавливается режущая способность круга (очистка поверхности от прилипших частиц металла, остатков абразивов);

- восстанавливается первоначальная форма круга;

- придаётся рабочей зоне (кругу) определённая форма, обеспечивающая высокое качество обрабатываемых деталей и получение максимальной производительности.

Подача алмаза при правке осуществляется механизмами правки.

1.2 Требования к электроприводу

Требования к электроприводам и системам управления станками определяются технологией обработки, конструктивными возможностями станка и шлифовального инструмента.

Основными технологическими требованиями являются обеспечение: самого широкого круга технологических режимов обработки с использованием современного шлифовального инструмента; максимальной производительности; наибольшей точности обработки; высокой чистоты обрабатываемой поверхности; высокой степени повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии (стабильности).

Удовлетворение всем этим и другим требованиям зависит от характеристик станка и шлифовального инструмента, мощности главного привода и электромеханических свойств приводов подач и систем управления.

При всем многообразии станков требования, предъявляемые к приводам станков, определяются главным образом не тем, к какой группе относится станок, а для какого движения предназначен привод: главного, подачи или вспомогательного. Именно это определяет мощность, способ и диапазон регулирования скорости, необходимую плавность регулирования, требования к жесткости и стабильности характеристик, требования к динамике.

Исходя из технологии работы и технических данных станка, можно сформулировать основные требования к электроприводу вращения изделия:

1. Электропривод должен быть нереверсивным;

2. Диапазон регулирования скорости вращения D = 9=180/20;

3. Статический перепад скорости при изменении момента от 0 до Мн должен быть не более дзад ? 10 %;

4. Время переходного процесса при возмущающем воздействии tп.п. ? 0.5с;

5. Перерегулирование при возмущающем воздействии не должно превышать у = 15%;

6. Должно быть обеспечено эффективное торможение системы электропривода;

7. Привод должен быть надёжным и безопасным, должны быть предусмотрены необходимые защиты и блокировки.

2. РАСЧЕТ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Техническое обоснование выбора системы электропривода

В настоящее время тенденция к расширенному применению регулируемых электроприводов выдвигает в качестве актуальной и перспективной проблемы разработку регулируемых электроприводов на базе электродвигателей переменного тока, в том числе асинхронных, превалирующих в общем объеме электродвигателей и являющихся основой для электропривода большинства механизмов. Если учесть, что среди асинхронных двигатели мощностью до 30 кВт составляют более 90%, то станет ясной важность создания и внедрения регулируемого электропривода переменного тока на базе асинхронных двигателей малой и средней мощности.

Асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции, малой стоимостью, высоким КПД и надёжностью. Они обладают высокими динамическими качествами. Однако в отношении регулировочных свойств асинхронные двигатели уступают двигателям постоянного тока, что ограничивает область их применение. Тем не менее, во многих случаях задача регулирования скорости вращения рабочего механизма может быть решена и при применении асинхронных двигателей.

Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

- преобразователи частоты с непосредственной связью (силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на незапираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети);

- преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

В частотно-регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление. Принцип скалярного управления частотно- регулируемого асинхронного электропривода базируется на изменении частоты и текущих значений модулей переменных АД (напряжений, магнитных потоков, потокосцеплений и токов двигателя). Управляемость АД при этом может обеспечиваться совместным регулированием либо частоты f1 и напряжения U1, либо частоты f1 и тока статора I1. Первый способ называют частотным управлением, а второй - частотно-токовым. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения. Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const (обеспечивается постоянство максимального момента двигателя). В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f2 = const. Скалярный принцип управления является наиболее распространенным в асинхронном электроприводе. Ему свойственна техническая простота измерения и регулирования переменных АД. Основной недостаток подобного принципа управления заключается в трудности реализации желаемых законов регулирования скорости и момента АД в динамических режимах. Связано это с весьма сложными процессами, протекающими а АД. Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Векторное управление частотно-регулируемого асинхронного электропривода связано как с изменением частоты и текущих значений переменных АД, так и со взаимной ориентацией их векторов в полярной или декартовой системе координат. За счет регулирования амплитудных значений переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, что дает заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением. Именно этот факт и является определяющим при выборе систем с векторным управлением.

Из рассмотренных выше систем электропривода принимаем систему частотно-регулируемого привода с неуправляемым мостовым трёхфазным выпрямителем и транзисторным трехфазным автономным инвертором напряжения. Упрощенная функциональная схема выбранной системы электропривода представлена на рис. 4.

Рис. 4 - Упрощённая функциональная схема системы электропривода

2.2 Расчёт мощности и выбор электродвигателя

2.2.1 Исходные данные

Расчёт мощности приводного двигателя производится в соответствии с кинематической схемой механизма привода ведущего круга, приведённого на рис.6, где цифрами обозначены: 1 - шпиндель, 2 - ременная передача, 3 - червяк (z=2), 4 - червячное колесо (z=33), 5 - гидростатические подшипники.

Исходными данными для расчёта являются:

- мощность электродвигателя привода шлифовального круга Рн =20 кВт;

- минимальная окружная скорость шлифовального круга (скорость резания при изношенном шлифовальном круге) Vp min = 27,3 м/с;

- максимальное рабочая частота вращения ведущего круга nв.к.= 150 об/мин;

- частота вращения ведущего круга при правке n`в.к. = 180 об/мин;

- диаметр ведущего круга DB.K= 350 мм;

- коэффициент трения детали о нож f = 0,15;

- потери и в кинематической схеме привода шлифовального круга РХ.Х. = 1,1 кВт;

- КПД цепи от ведущего круга до электродвигателя в режиме работы зр = 0,847;

- КПД цепи от ведущего круга до электродвигателя при правке з` p = 0,865.

Рис. 5 - Кинематическая схема привода ведущего круга

2.2.2 Определение усилий, действующих на ведущий круг

Силы, действующие на обрабатываемую деталь, показаны на рис. 6.

Пренебрегая скольжением детали, вдоль своей оси (так как оно значительно меньше скольжения в рассматриваемом сечении) считаем, что касательная сила со стороны шлифовального круга равна Fок, а со стороны ножа fN (где f -коэффициент трения детали о нож). Для ведущего круга скольжение в рассматриваемом сечении мало и соизмеримо со скольжением вдоль оси детали. Поэтому касательная сила Т =мQ, где м - коэффициент трения между деталью и ведущим кругом. Касательную силу Т и нормальную силу Q считаем неизменными и подлежащими определению.

Рис. 6 - Силы, действующие на обрабатываемую деталь

На рис. 6 представлены:

1 - шлифовальный круг;

2 - ведущий круг;

3 - обрабатываемая деталь;

4 - опорный нож;

Fок - касательная сила со стороны шлифовального круга (сила резания);

Q - нормальная сила со стороны ведущего круга;

Т - касательная сила со стороны ведущего круга;

N - нормальная сила со стороны ножа;

f*N - сила трения со стороны ножа;

G - вес шлифуемой детали (принимается G=0);

Т` = -Т - сила, разворачивающая ведущий круг со стороны детали.

Составляем условия равновесия детали:

; (1)

; (2)

; (3)

где - радиус детали.

Сокращая уравнение (3) на имеем:

или . (4)

Из (1), (2) и (4) находим:

;

.

Сила резания Fок зависит от состояния шлифовального круга и от величины снимаемой стружки.

Рассмотрим наиболее трудный режим - шлифование тупым кругом.

Величину силы резания найдём из величины эффективной мощности резания.

,

где Рэ- эффективная мощность резания;

- скорость резания при изношенном шлифовальном круге.

,

где Рн - номинальная мощность электродвигателя привода шлифовального круга;

Рх.х - мощность потерь в кинематической цепи шлифовального круга.

Рэ = 20 -1,1 =18,9 кВт;

Н.

Распорное усилие резания:

FR = 3FOK = 3 * 706,15 = 2118,46Н.

Тогда:

Н;

Н;

Н.

Наибольший интерес представляет сила Т, поскольку сила Т', раскручивающая

ведущий круг со стороны детали равна ей по величине и противоположна по направлению, то есть: /T`/ = Т = 556 Н. Данная сила создаёт момент МT:

H*м.

2.2.3 Определение мощности электродвигателя в режиме работы и правки

Потребляемая мощность электродвигателя в режиме работы определяется по формуле:

,

где Рт` - мощность на валу электродвигателя от силы Т';

Р'х.х- мощность холостого хода привода ведущего круга;

Р'х.х.р- приведённые потери в подшипниках.

,

где nв.к - рабочая частота вращения ведущего круга;

зр - КПД цепи от ведущего круга до электродвигателя при работе

.

В соответствии с [7]: Р'х.х = 0,376 кВт; Р'х х р= 0,0027 кВт, тогда

.

Необходимый момент двигателя: М = 9740 Р/n, где n - частота вращения электродвигателя в режиме работы.

где i - передаточное число редуктора:

(H*м).

Угловая рабочая скорость:

.

Упрощённая схема правки приведена на рис. 7 (1-механизм подачи алмаза).

Рис. 7 - Упрощённая схема правки

Потребляемая мощность электродвигателя в режиме правки в соответствии с [7]:

,

где Р'эф - эффективная мощность при правке;

Р"х.х - мощность холостого хода при правке;

Р"х.х.п. - приведённые потери в подшипниках в режиме правки.

где Fпр - окружное усилие при правке. В соответствии с [7]: Fпр = 120 Н ;

n'в.к - частота вращения ведущего круга в режиме правки;

з`р - КПД цепи от ведущего круга до электродвигателя при правке;

Db.к - диаметр ведущего круга.

Необходимый момент двигателя при правке:

об/мин,

где n' - частота вращения электродвигателя при правке.

По наиболее тяжёлому режиму работы (режим правки) производим выбор электродвигателя из условий Рм.дв>Ррасч., Мн.дв>Мрасч., nmax>nрасч., где Ррасч., Мрасч., nрасч. - соответственно потребляемая мощность, момент и частота электродвигателя в режиме правки.

Исходя из условий выбора, выбираем электродвигатель серии 4А по [1]: 4А80В2Y3.

Технические данные двигателя:

Номинальная мощность, кВт 2,2

Номинальное напряжение статора, В 380

Номинальная частота вращения, об/мин 3000

cosц0,87

Номинальное скольжение, %4,3

Перегрузочная способность2,6

КПД, % 83

Приведенное активное сопротивление статора, отн. ед. 0,076

Приведенное индуктивное сопротивление статора, отн. ед. 0,05

Приведенное активное сопротивление ротора, отн. ед. 0,049

Приведенное индуктивное сопротивление ротора, отн. ед. 0,089

Момент инерции двигателя, кг·м2 0,0021

2.3 Расчет и выбор основных элементов силовой схемы

2.3.1 Расчет инвертора

Максимальный ток через ключи инвертора по [4]:

А ,

- коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току;

- коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока;

- номинальный к.п.д. двигателя.

Транзисторы IGBT выбираются с постоянным (номинальным) током коллектора по условию:.

По [5] выбираем транзистор IRG4BC20KD фирмы IR, имеющий следующие параметры:

- рабочий ток (при С): Ic=16 А;

- напряжение насыщения (при С): Uce(sat)=2,27 В;

- класс по напряжению: Uce=600 B;

- корпус: TO-220АВ.

Данный транзистор выпускается в одном корпусе с встречно-параллельным диодом. Общий вид IGBT- транзистора представлен на рис. 8.

Рис. 8 - Общий вид транзистора

Определим потери в IGBT транзисторе. Потери в IGBT в проводящем состоянии по [4]:

Вт,

где Iср=Iс,макс/k1=10,21/1,3=7,85 - максимальная величина амплитуды тока на выходе инвертора;

D=0,95- максимальная скважность;

- коэффициент мощности;

Uce=2,27 B - прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии.

Потери IGBT при коммутации:

где tc(on)=0,4 мкc - продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание транзистора;

tc(off)=0,7 мкc - продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на закрывание транзистора;

Ucc=513 B - напряжение на коллекторе IGBT (напряжение звена постоянного тока для системы АИН-ШИМ );

fsw=15000 Гц - частота коммутации ключей (частота ШИМ).

Суммарные потери IGBT:

PQ=Pss+Psw=7,14 +5 =12,14.

Потери диода в проводящем состоянии:

Вт,

где Iep=Iср=7,85 A - максимум амплитуды тока через обратный диод;

Uec=2 B - прямое падение напряжения на обратном диоде (в проводящем состоянии).

Потери восстановления запирающих свойств диода:

Вт,

где Irr=7,85 A - амплитуда обратного тока через диод;

trr=0,2 мкс - продолжительность импульса обратного тока.

Суммарные потери диода:

Pd=Pds+Pdr=3,34+1,01=4,35 Вт.

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом:

PТ=PQ+Pd=12,14+4,35=16,49 Вт.

2.3.2 Расчет выпрямителя

Среднее выпрямленное напряжение по [4]:

В,

где kс,н =1,35.

Максимальное значение среднего выпрямленного тока:

А

где n=3 - количество пар IGBT в инверторе.

Максимальный рабочий ток диода:

А,

где kcc=1,045.

Максимальное обратное напряжение вентиля:

В,

где kc=1,1 - коэффициент допустимого повышения напряжения сети;

В - запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока.

Вентили выбираются по постоянному рабочему току и по классу напряжения:

, .

Согласно этому условию выбираем по [5] диод HFA06TB120, имеющий следующие параметры:

- повторяющееся импульсное обратное напряжение:;

- максимально допустимый средний ток в открытом состоянии при Гц:А;

- корпус:TO-220АC.

Общий вид диода представлен на рис. 9.

Рис. 9 - Общий вид диода

2.3.3 Расчет фильтра

Коэффициент пульсаций на входе фильтра по [4]:

,

где m=6 - пульсность схемы выпрямления.

Величина минимальной индуктивности фильтра:

Гн,

Для обеспечения коэффициента мощности на выходе выпрямителя km=0,95 индуктивность дросселя определяется условием . Тогда необходимое значение индуктивности:

Гн.

Выбираем по [] дроссель типа РСОС - 10/0,5 УХЛ4, имеющий следующие параметры:

- ток сглаживающего дросселя:;

- индуктивность: мГн;

- масса:m=36 кг.

Общий вид дросселя представлен на рис. 10.

Рис. 10 - Общий вид дросселя РСОС - 10/0,5

Емкость конденсаторов, необходимая для протекания реактивного тока нагрузки инвертора:

 Ф,

где Ism1=6,53 А - амплитудное значение тока в фазе двигателя;

- угол сдвига между 1-ой гармоникой фазного напряжения и фазного тока.

Амплитуда тока через конденсаторы фильтра на частоте пульсаций выпрямленного тока (по 1-ой гармонике):

А,

где q1вых=0,011 - коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

Конденсатор должен выбираться на емкость С03, допустимый по амплитуде ток более ICom и напряжением не менее 800 В. Согласно этим условиям по [] выбираем 2 конденсатора МБГТ и соединяем их параллельно. Технические параметры конденсатора:

- номинальное напряжениеUн=1000 В

- номинальная емкостьCн=10 мкФ - габаритные размеры65х105х100

- массаm = 1,35 кг

Общий вид конденсатора представлен на рис. 11.

Рис. 11 - Общий вид конденсатора

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1 Расчет и построение статических характеристик в разомкнутой системе

Механические характеристики в разомкнутой системе будем строить с учётом диапазона регулирования угловой скорости вращения двигателя.

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя через критический момент и критическое скольжение может быть представлено следующим образом:

Найдем синхронную скорость асинхронного двигателя:

,

где - частота сети (= 50 Гц), - число пар полюсов (= 2),

,

Номинальный ток статора:

А.

Приведенное активное сопротивление ротора по [2]:

Ом,

где - приведенное активное сопротивление ротора в относительных единицах.

Активное сопротивление статора:

Ом.

Сопротивление при работе на верхней характеристике с f=50 Гц по[2]:

Ом,

где - приведенное сопротивление контура намагничивания в относительных единицах.

Ток ротора:

где Ом, Ом,

Ом.

Момент асинхронного двигателя можно найти по формуле Клосса:

.

Определим критический момент при номинальной частоте напряжения питания:

Нм,

Найдем критическое скольжение при f=50 Гц:

Уравнение для момента при f=50 Гц:

,

где

Изменение диапазона регулирования скорости осуществляется путём изменения частоты напряжения и, соответственно, пропорциональным изменением его амплитуды.

fниж = f /D = 50/9 = 5.56 Гц,

U1фниж = U1ф/D= 220/9 = 24,44 В.

При изменении частоты изменяется Xк:

Также меняется синхронная скорость:

1/с,

Найдём при f = 50 Гц:

Гн,

При :

Ом,

Найдем критическое скольжение при fниж =5,56 Гц:

Определим критический момент при fниж =5,56 Гц:

Н*м.

Уравнение для момента при fниж =5,56 Гц:

.

Уравнение статических механических характеристик в разомкнутой системе:

- при работе на верхней характеристике (f=50 Гц, U=220 В):

;

- при работе на нижней характеристике (f=5,56 Гц, U=24,44 В):

.

Графики статических механических характеристик в разомкнутой системе представлены на рис. 12.

Рис. 12 - Механические характеристики двигателя в разомкнутой системе при номинальной скорости вращения и пониженной

Определим статический перепад скорости на нижней характеристике. На ней статический перепад будет наибольшим:

%

Полученное значение перепада скорости превышает заданное значение (39,86% > 10%), следовательно, разомкнутая система не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к электроприводу.

3.2 Синтез системы автоматического регулирования

Так как при уменьшении частоты и, пропорционально ей, амплитуды напряжения критический момент двигателя уменьшается (то есть падает перегрузочная способность двигателя), то необходимо использовать замкнутую систему с регулированием тех или иных координат двигателя, с помощью соответствующих обратных связей.

Улучшение динамических свойств привода с асинхронным двигателем при векторном управлении является результатом того, что в переходных режимах имеется возможность поддержать постоянство потокосцепления ротора, в отличие от скалярного регулирования, где потокосцеплении ротора в переходных процессах меняется при изменении токов статора и ротора, что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента. В приводе с векторным управлением, где потокосцепление ротора можно поддерживать постоянным, электромагнитный момент изменяется так быстро, как быстро изменяется составляющая тока статора.

Итак, используем систему регулирования скорости с поддержанием постоянства потокосцепления ротора в установившемся режиме. Для поддержания постоянства потокосцепления ротора необходимо его постоянное вычисление и функциональное преобразование через другие параметры двигателя, которые можно непосредственно снять и измерить соответствующими приборами. Поэтому для упрощения системы рассчитаем только номинальное потокосцепление ротора двигателя, и будем поддерживать его на одном уровне.

Наиболее просто реализуется регулирование с потокосцеплением , такой метод управления называется векторным частотно-токовым управлением с . При этом вектор будет оставаться неподвижным в координатных осях (x, y), вращающихся с частотой f1. Такое управление получило название векторного частотно-токового управления с косвенной (путем формирования соответствующего скольжения) ориентацией по полю двигателя. Здесь задаются ток I1y, и скольжение sa согласно, а частота f1=v+sa формируется как сумма сигналов с датчика скорости и задаваемого скольжения с выхода блока задания скольжения БЗС. Функциональная схема данной системы привода изображена на рис. 13.

При задании тока I1y и скольжения sa необходимо достаточно точно выполнять условие . Погрешности, обусловленные неточной идентификацией параметров ротора или ошибками в измерении скорости v, могут приводить к нежелательным результатам. С целью компенсации возможных ошибок в систему управления вводят дополнительный регулятор тока (РТ).

Рис. 13 - Функциональная схема системы регулирования скорости с поддержанием постоянства потокосцепления ротора в установившемся режиме

Ток I1y при I1x=const выполняет “прямое” управление моментом.

Для построения такой системы необходима информация о скорости вращения вала двигателя v. Выход регулятора скорости PC является заданием тока I1y и момента м (в о. е.), а ток I1x - заданием потокосцепления .

Регуляторы токов в данной системе привода реализованы во вращающейся системе координат. На выходе пропорционально-интегральных регуляторов тока формируются непрерывные сигналы управления, пропорциональные компонентам напряжения в двухфазной системе координат, вращающейся синхронно с полем. После преобразования в трехфазную неподвижную систему координат A, B, C сигналы поступают на вход блока ШИМ АИН с заданной несущей частотой.

Блоком ПКП производится прямое преобразование напряжений U1x и U1y в задаваемые фазные напряжения U1Aз, U1Bз, U1Cз. Для формирования сигналов обратных связей предусмотрен блок ПКО, он производит обратное преобразование напряжений при переходе от неподвижной системы координат к вращающейся. Для формирования этих связей достаточно измерять токи только двух фаз, а ток третьей фазы получать, как сумму измеренных токов, взятую с обратным знаком. Результирующие сигналы U1Aз, U1Bз, U1Cз формируют фазные напряжения на выходе преобразователя частоты ПЧ.

Рассчитаем параметры и настройки элементов системы регулирования по [2] для моделирования системы в абсолютных величинах.

Определим индуктивность рассеяния фазы статора, ротора и индуктивность контура намагничивания:

Эквивалентная индуктивность фазы статора и ротора:

Эквивалентное активное сопротивление статора по [2]:

,

В модели присутствует регулятор скорости, который в общем случае может иметь П- и ПИ-структуру. Выходной сигнал этого регулятора является задающим значением для моментообразующей составляющей тока (во вращающейся синхронно с полем ротора системе координат).

Расчет П-регулятора скорости:

Крс===0,012,

где , - коэффициенты обратной связи по току и скорости соответственно; =2ч4, =2ч4 - настроечные коэффициенты соответствующих непрерывных регуляторов тока и скорости, Тп=0,015с - постоянная времени преобразователя, связанная в данном случае с несущей частотой ШИМ.

Регулятор тока является пропорционально-интегральным и его передаточная функция:

станок электропривод инвертор фильтр

:

где - коэффициент усиления регулятора тока;

- коэффициент рассеяния;

- эквивалентное сопротивление;

с- эквивалентная постоянная времени;

с- постоянная интегрирования регулятора тока;

- коэффициент обратной связи по току;

=2ч4 - настроечный коэффициент регулятора тока;

, - коэффициент усиления и постоянная времени преобразователя.

.

3.3 Расчет и построение статических характеристик в замкнутой системе

Рассчитаем номинальное потокосцепление ротора двигателя и построим механические характеристики в замкнутой системе при его постоянстве.

Относительный момент двигателя

,

где - потокосцепление ротора (о.е.), - активное сопротивление обмотки ротора (о.е.), - скольжение.

Либо относительный момент двигателя находится:

,

где - базовый момент

,

где - базовое напряжение,

В;

- базовая угловая скорость вращения,

1/c;

- базовый ток,

А.

Нм,

Номинальный относительный момент равен:

где Мном - номинальный момент двигателя.

,

Номинальная скорость вращения двигателя:

;

1/c.

Тогда,

Нм.

Значит,

о.е.

Теперь можем посчитать номинальное потокосцепление ротора:

;

о.е.

Находим зависимость момента от скольжения (в относительных величинах) при постоянном значении номинального потокосцепления ротора:

;

.

В абсолютных величинах:

,

.

Уравнение статической механической характеристики в разомкнутой системе:

- при работе на верхней характеристике (f=50 Гц, U=220 В):

- при работе на нижней характеристике (f=5,56 Гц, U=24,44 В):

Построим механические характеристики двигателя при номинальной и пониженной частоте вращения (D=15) в замкнутой системе при поддержании постоянства потокосцепления ротора на уровне номинального (рис. 14).

Рис. 14 - Механические характеристики двигателя в замкнутой системе при номинальной скорости вращения и пониженной

Определим относительный статический перепад:

где Дщ = щ0 - щ = 157 - 150,72 = 6,28 1/c - статический перепад скорости на верхней характеристике в замкнутой системе;

щ0=157/c - скорость холостого хода на верхней характеристике в замкнутой системе.

4. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1 Математическое описание замкнутой системы электропривода

Пользуясь схемой замещения (рис. 16), можно определить выражения для токов и потокосцеплений.

Рис. 15 - Схема замещения асинхронного двигателя

Комплексное сопротивление схемы замещения

,(1)

где

;

;

.

Вектор тока статора:

.(2)

Вектор тока ротора:

.(3)

Вектор тока намагничивания:

.(4)

Потокосцепления:

(5)

Итак, связь между током О1 и соответствующим потокосцеплением описывается одним из уравнений (5). Все три уравнения можно представить в виде:

, (6)

где c и d коэффициенты, зависящие от скольжения и параметров машины;

I1x и I1y - составляющие тока статора.

Регулирование осуществляется с потокосцеплением , в этом случае d=0. Если обеспечить , то из третьего уравнения (5) можно получить:

.

Таким образом, формируя вещественную часть вектора тока статора I1x=const, а мнимую часть I1y и скольжение sa по закону:

,

получаем, что , м?I1y , т.е. управление током I1y, при I1x=const эквивалентно управлению моментом двигателя. При этом вектор будет оставаться неподвижным в координатных осях, вращающихся с частотой f1.

Переход от неподвижной системы к вращающейся производятся для токов по соотношениям:

Это преобразование используется при формировании сигналов обратных связей (блок ПКО).

При прямом преобразовании координат от системы координат, вращающейся с частотой f1 к неподвижной (ПКП):

4.2 Расчет и построение переходных процессов

Расчёт и построение переходных процессов произведено в системе компьютерной математики MATLAB V6.5 с использованием пакетов Simulink и SimPowerSystems. Для моделирования соберём в программе схему представленную на рис. 14. Модель представлена на рис. 16.

Рис. 16 - Модель системы электропривода

Блок SHIM (рис. 17) представляет собой следующую структуру:

Рис. 17 - Модель блока SHIM

Где блок Gen_simm_GLIN (рис. 18) - представляет собой модель генератора пилообразного напряжения, сигнал с выхода которого сравнивается с синусоидальными симметричными управляющими сигналами, и таким образом, в конечном итоге, формируются импульсы для управления ключами инвертора.

Рис. 18 - Модель блока Gen_simm_GLIN

Блок ПКП для перехода от вращающейся системы координат (d, q) в трёхфазную неподвижную (A, B, C), приведен на рис. 19.

Рис. 19 - Модель блока ПКП

Блок ПКО для обратного преобразования трёхфазной неподвижной системы координат (A, B, C) во вращающуюся (d, q) раскрыт на рис. 19, который также содержит блок Converter 3-2_1 (рис. 20), для перехода от системы координат (A, B, C) в (), и блок alfa_betta->dq1 (рис. 21), для перехода от системы координат () в (d,q).

Рис. 20 - Модель блока ПКО



Рис. 21 - Модель блока Converter 3-2_1

Рис. 22 - Модель блока alfa_betta->dq1

Канал регулирования потокообразующей (намагничивающей) составляющей тока статора (потокосцепления ротора) в данном варианте разомкнут. Намагничивающая составляющая тока задается скачком на уровне установившегося значения, равного Ш2ном/Lм=4,42/0.819=5,4 А.

Ограничение электромагнитного момента двигателя достигается ограничением выходного сигнала регулятора скорости, который здесь выбран на уровне величины критического момента (41,42 Нм).

Переходные процессы, полученные в результате моделирования данной системы электропривода, изображены на рис. 22 - рис.25. Пуск двигателя осуществляется сначала на пониженную скорость (до 0.4 сек.), а затем на рабочую скорость (при номинальной нагрузке). Длительность процессов - 1 сек.



Рис. 23 - Переходные процессы при пуске на пониженную скорость, разгоне с нагрузкой 0,5Мн (момент сверху, скорость снизу)

Рис. 24 - Переходные процессы при пуске с нагрузкой 0,5Мн (потокосцепления трёх фаз ротора сверху, токи трёх фаз ротора снизу)

Рис. 25 - Переходные процессы при пуске вхолостую (момент сверху, скорость снизу)



Рис. 26 - Переходные процессы при пуске вхолостую (потокосцепления трёх фаз ротора сверху, токи трёх фаз ротора снизу)

4.3 Разработка схемы управления

Схема управления представлена на рис. 26.

Схема управления электроприводом выполнена на базе операционных усилителей постоянного тока и включает в себя два регулятор тока (АА), регулятор скорости (AR), задатчик интенсивности SJ. Выполнение функциональных преобразований блоков ПКП, ПКО, БЗС и функцию интегратора, а также формирование сигналов для управления ключами инвертора, берёт на себя микроконтроллер серии DSPIC30F3011 фирмы Microchip. Тахогенератор BR является датчиком скорости. Сигнал задания формируется в блоке задания. Уровень сигнала задания изменяется потенциометром RP. Реле KF - реле обрыва поля.



Рис. 27

В схеме реализована нулевая защита (от самозапуска при пропадании напряжения питания), то есть, когда реле KV теряет питание и своими контактами отключает схему управления и, соответственно, силовую схему (KV1, КМ1), двигатель останавливается и сможет запуститься только при нажатии кнопки “Пуск“.

При включении автоматических выключателей QF, QF1, QF2 подается питание на силовую схему и схему управления (но на выпрямитель питание пока не подаётся - КМ2 разомкнут). Срабатывает реле KF и замыкает свой главный контакт в схеме управления. Также срабатывает реле KV и своими контактами подготавливает схему к пуску. При нажатии на кнопку SB1 (Пуск) происходит срабатывание реле KV1, которое замыкает свои контакты в схеме управления и в силовой цепи. Происходит разгон двигателя. Чтобы осуществить останов двигателя, необходимо нажать на кнопку “Стоп“. Торможение осуществляется электромагнитным тормозом YB, то есть, когда двигатель работает, на YB подаётся питание. При пропадании поля (KF), напряжения питания или при нажатии на кнопку “Стоп“ электромагнитный тормоз YB теряет питание и двигатель тормозится.

Заключение

Разработан электропривод ведущего круга круглошлифовального станка. При выборе системы электропривода были проанализированы различные варианты. Описана общая характеристика механизма и режимы его работы, сформулированы требования, предъявляемые к электроприводу. Произведён расчёт мощности и выбор электродвигателя. Выбор основных элементов силовой схемы включил: расчет инвертора, выпрямителя, снаббера и фильтра.

Расчет характеристик разомкнутой системы показал, что она не удовлетворяет предъявляемым требованиям относительно статического перепада скорости, и поэтому было принято решение о синтезе замкнутой системы (система с векторным управлением). Выбрано векторное частотно-токовое управления с косвенной (путем формирования соответствующего скольжения) ориентацией по полю двигателя с поддержанием постоянства потокосцепления ротора в статике.

Произведён анализ динамических свойств электропривода, математическое описание замкнутой системы электропривода. Произведено моделирование динамических режимов электропривода при пуске двигателя вхолостую и под номинальной нагрузкой.

Произведена разработка схемы управления приводом, включающую релейно-контакторную схему управления. Выполнено краткое описание её работы.

Список литературы

1. И.П. Копылов. Справочник по электрическим машинам. Том 1 - М.: Энергоатомиздат, 1988.

2. А.Э. Кравчик. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник.- М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1998.

4. Анисимов В.А., Горнов А.О. Проектирование электротехнических устройств: Учебное пособие для вузов. - М.: МЭИ, 2000.

5. Электронный каталог- http://www.irf.ru.

6. И.И. Четвертаков. Резисторы и конденсаторы. Справочник - М.: Радио и связь, 1993.

7. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов - М.: Издательский центр” Академия”, 2005.

Размещено на Allbest.ru