Автоматизированный электропривод главного движения универсального фрезерного станка модели 6Н81

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Рассматривается автоматизированный электропривод главного движения универсально-фрезерного станка модели 6Н81.

Цель проекта: модернизация устаревшей системы электропривода.

Произведен расчет и выбор электродвигателя номинальной мощностью 4 кВт. Выбран комплектный преобразователь частоты MICROMASTER Vector фирмы Siemens.

Данный электропривод целесообразно применять для привода главного движения фрезерных станков, требующих высокой точности поддержания скорости вращения и большого диапазона регулирования скорости.

Экономическая эффективность выражается в снижении затрат на эксплуатацию оборудования в течение прогнозируемого периода эксплуатации, равного 20 годам.

ВВЕДЕНИЕ

Металлорежущие станки являются распространенными производственными машинами, предназначенными для механической обработки заготовок из металла режущими инструментами. Современный металлорежущий станок оборудован сложной системой автоматизированного электропривода, которую разделяют на два основных типа: провод главного движения и привод подачи. От надежной и синхронизированной работы которых зависит качество выпускаемой продукции. Поэтому при проектировании автоматизированного электропривода станков одной из важных задач является правильный выбор электродвигателя по мощности. Для этого необходимо произвести расчет режимов резания для всех типовых деталей, обрабатываемых на данном станке, и по результатам этих расчетов выбрать типоразмер двигателя, который обеспечивает обработку при наибольшей нагрузке.

Развитие в области силовой и вычислительной электроники создали предпосылки к появлению более надежных, точных и недорогих систем электропривода, что в свою очередь привело к необходимости модернизации существующих громоздких, дорогих приводов.

Кроме того, в начале 90-х годов наметился кардинальный переход к полной автоматизации промышленных предприятий, т.е. к «безлюдным» технологиям, в которых человек выполняет общую контролирующую роль, а всем техпроцессом управляет автоматизированная система управления технологическим предприятием (АСУ ТП).

Таким образом, поставленные перед данным дипломным проектом задачи по модернизации привода главного движения универсально фрезерного станка модели 6Н81 и его автоматизация, являются актуальными.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание промышленной установки и анализ технологического процесса

Металлорежущие станки являются распространенными производственными машинами, предназначенными для механической обработки заготовок из металла режущими инструментами. Путем снятия стружки заготовке придаются требуемая форма, размеры и чистота поверхности. В зависимости от характера выполняемых работ, вида применяемых инструментов и формы образуемой поверхности металлорежущие станки подразделяются на девять групп, среди которых можно выделить станки фрезерной группы [1, 2].

Фрезерные станки предназначены для обработки наружных и внутренних плоских и фасонных поверхностей, прорезки прямых и винтовых канавок, нарезки резьбы и т.п. Характерная особенность фрезерных станков - работа вращающимися многолезвийными режущими инструментами - фрезами. На рис. 1.1 показана схема фрезерования.

Рис. 1.1- Схема фрезерования

Главным движением Z является вращение фрезы 2, движением подачи П - перемещение изделия 1. Каждое лезвие фрезы снимает стружку в течение лишь доли оборота фрезы, причем сечение стружки s непрерывно меняется от нуля до наибольшей величины. Цикл фрезерования состоит из следующих операций: включение шпинделя с инструментом, перемещение стола с заготовкой на быстром ходу, переход на рабочую подачу с учетом припуска, фрезерование заготовки, быстрое перемещение стола в сторону от инструмента.

Отличительной особенностью станка 6Н81 является расположение шпинделя, ось которого устанавливается горизонтально. Это позволяет обрабатывать поверхности плоскими цилиндрическими фрезами, прорезать канавки дисковыми фрезами, обрабатывать линейные поверхности фасонными фрезами.

На станке 6Н81 могут обрабатываться как стальные заготовки, так и заготовки из чугуна [3].

Фрезерные станки общего назначения большей частью работают в продолжительном режиме с постоянной нагрузкой. В этом случае мощность двигателя привода главного движения определяется по расчетной, исходя из технических показателей, наибольшей нагрузке, возможной на данном станке.

Основной несущей конструкцией станка является станина 1. В верхней части станины расположена фрезерная головка 2, в которой с двух сторон крепиться инструмент 3. В нижней части станины расположена консоль 4, которая может передвигаться вверх и вниз по вертикальным направляющим станины. По горизонтальным направляющим перемещаются несущие салазки 5. В свою очередь по направляющим салазок перемещается рабочий стол 6, на котором крепится заготовка. Таким образом, станок 6Н81 имеет три взаимно перпендикулярных движения подачи, осуществляемым через коробку подач. Вращение фрезе сообщается от асинхронного двигателя 7 через коробку скоростей, расположенных внутри станины. На станине и консоли располагаются рукоятки ручного управления станком.

Универсально фрезерный станок 6Н81 имеет следующие данные:

габаритные размеры станка, мм:

длина 2060

ширина 1940

высота 1600

вес станка, кг 2100

размер рабочей площади стала, мм:

длина 1000

ширина 250

наибольший угол поворота стола, град ±45

электродвигатель шпинделя:

число оборотов, об/мин 1450

мощность, кВт 4,0

электродвигатель подачи:

число оборотов, об/мин 1420

мощность, кВт 1,5

максимальный диаметр инструмента, мм 200;

быстрый ход стола, мм/мин 8 000;

1.2 Анализ взаимодействия оператор-промышленная установка

Взаимодействие оператора со станком 6Н81 осуществляется путем управления оператором работой станка. Возможны два режима работы станка: ручной и полуавтоматический.

Ручной режим работы является наладочным и осуществляется от рукояток и маховичков ручного привода. Оператор, в данном режиме, имеет возможность осуществлять управление перемещением стола вперед - назад, скорость при этом значительно ниже, чем при номинальном режиме работы. В этом режиме также осуществляется переключение зубчатых колес в коробке скоростей и подач.

Управление станком в полуавтоматическом режиме осуществляется от панели управления, которая расположена на передней части консоли. С помощью панели управления можно производить следующие действия: включение и отключение привода подач, включение и отключение привода главного движения

Контроль перемещения по всем координатам осуществляется при помощи линейных шкал, установленных вдоль направляющих.

1.3 Анализ кинематической схемы, определение параметров и проектирование расчетной схемы механической части электропривода

Кинематическая схема механизма продольной подачи стола станка представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2



На рис. 1.2. приняты следующие условные обозначения:

М - двигатель,

СМ - соединительная муфта,

КС - коробка скоростей (,),

Ш - шпиндель.

Механическая часть электропривода (ЭП) состоит из движущейся части электродвигателя, коробки скоростей, шпинделя с инструментом. Приведенная схема наглядно отражает то положение, что механическая часть электропривода представляет собой систему связанных масс, движущихся с различными скоростями вращательно. При нагружении элементы системы деформируются, так как механические связи не являются абсолютно жесткими. При изменениях нагрузки массы имеют возможность взаимного перемещения, которое при данном приращении нагрузки определяется жесткостью связи.

Для анализа движения механической части ЭП осуществляется переход от реальной кинематической схемы к расчетной, с которой массы и моменты инерции движущихся элементов и их жесткости, а так же силы и моменты, действующие на эти элементы, заменены эквивалентными величинами, приведенными к одной и той же скорости.

Для наиболее характерного режима работы ЭП, когда двигатель создает движущийся момент, а исполнительный орган - тормозящий, уравнение движения принимает вид:

.

Расчетная схема механической части электропривода представлена на рис. 1.3.



Рис. 1.3

В случае приведения к валу двигателя суммарный приведенный момент инерции ЭП JУ может быть выражен общей формулой:

JУ = Jдв + Jмуф + Jкс + Jш,

где Jдв - момент инерции ротора двигателя,

Jмуф - момент инерции муфты,

Jкс - момент инерции редуктора,

Jш - момент инерции шпинделя с инструментом.

2. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Литературный обзор по теме дипломного проекта

2.1.1 Асинхронный двигатель и коробка скоростей

На некоторых станках и до настоящего времени применяют трехфазные одно- и двухскоростные асинхронные двигатели с чисто механической системой регулирования скорости. Переключения шестерен коробки скоростей осуществляется с помощью электромагнитных фрикционных муфт. Ступенчатое механическое регулирование угловой скорости не обеспечивает для разных диаметров инструмента обработки наиболее выгодную скорость резания. Следовательно, станок не может обеспечить высокую производительность при различных диаметрах инструмента. Кроме того, коробка скоростей представляет собой довольно сложную и громоздкую конструкцию, стоимость которой возрастает с увеличением числа ступеней.

2.1.2 Электроприводы постоянного тока ЭПУ1

Трехфазные тиристорные электроприводы ЭПУ1 по назначению делятся на две группы: для механизмов подач и для главного движения станков (исполнение Д). Электроприводы выпускаются нескольких модификаций в виде нереверсивного (ЭПУ1-1) и реверсивного (ЭПУ1-2) с двух- и однозонным регулированием скорости с обратной связью по скорости (исполнение М) или с обратной связью по ЭДС (исполнение Е).

Силовые схемы ТП для питания якоря двигателя ТПЯ выполняются по трехфазной мостовой схеме с силовыми оптронными тиристорами на токи до 100 А и силовыми тиристорами на токи 200, 400, 630 А с одним комплектом вентилей для нереверсивного ЭП и двумя для реверсивного. ЭП выполняются с трансформаторным питанием с трех- и двухобмоточными трансформаторами Т с выпрямленным напряжением соответственно 115 и 230 В и с токоограничивающими реакторами L с выпрямленным напряжением 230 В и при напряжении сети 220 В. В якорной цепи для высокомоментных двигателей предусмотрен сглаживающий реактор L1. Выпрямитель для обмотки возбуждения двигателя выполняется по одно- и трехфазным схемам выпрямления с диодами. В двухзонных ЭП используется ТП возбуждения. Он выполняется по однофазной мостовой полууправляемой схеме с двумя оптронными тиристорами и двумя диодами (на токи ЭП до 100А) и по однофазной управляемой схеме с четырьмя оптронными тиристорами и защитным тиристором (на токи ЭП 200, 400 и 630 А).

Максимально-токовая защита ЭП с двигателем на токи до 100 А производится плавкими предохранителями, а выше 100 А - автоматическим выключателем [4].

2.1.3 Комплектный привод типа ЭШИР-1-А

Комплектные приводы типа ЭШИР-1-А с транзисторным широтно-импульсным преобразователем предназначены для привода механизмов шпинделя и подач прецизионных станков. Электропривод обеспечивает широкий диапазон регулирования скорости в пределах от nmax до 0,1 об/мин с постоянным моментом на валу двигателя, автоматический пуск на любую установленную скорость, автоматическое торможение и реверс с любой установленной скорости.

Привод обеспечивает однозонное регулирование скорости. Сигнал управления, соответствующий максимальной скорости аналоговый 10В. Реверсирование направления вращения осуществляется изменением полярности входного сигнала. В электроприводе предусмотрены следующие виды защит: максимальная токовая защита; электронная защита силовых ключей; электронная защита двигателя от перегрузок; электронная защита от превышения фактической скорости над заданной; защита от понижения напряжения, обрыва фазы и выключения питающей сети.

В состав привода ЭШИР-1-А входят следующие составные узлы:

1) блок преобразователя;

2) электродвигатель со встроенным тахогенератором;

3) блок силового трансформатора;

4) дроссель якорный.

Сигнал рассогласования, усиленный регулятором скорости, поступает на вход регулятора тока (РТ). Регулятор скорости (РС) выполнен пропорционально-интегральным, обратная связь которого собрана на цепях R35-C15 и R34-C14. Причем цепь R35-C15 подключена постоянно, а цепь R34-C14 подсоединяется параллельно первой с помощью устройств переключения коррекции на скоростях вращения превышающих 1/3 максимальной. Переключением ключей достигается уменьшение пульсации тока якоря на высоких скоростях при большом уровне помех от тахогенератора. Кроме сигнала РС на вход РТ поступают сигналы обратной связи оп току якоря с датчика тока, датчика статического тока и от устройства токоограничения. РТ представляет собой усилитель постоянного тока, собранный на операционном усилителе. С выхода РТ сигнал поступает на входы ШИМ-1 и ШИМ-2, которые осуществляют модуляцию входного сигнала соответствующей полярности. С выхода ШИМ биполярный широтно-модулированный сигнал поступает на вход блока коммутаций, который осуществляет преобразование несимметричного закона коммутации в поочередный несимметричный. Далее сигнал подается на узлы задержки, осуществляющие раздвижку на постоянный интервал t импульсов каналов управления силовыми ключами. Раздвижка импульсов, управляющих вертикалью ключей, применяется для уменьшения величины сквозного тока. Силовая и управляющая схемы разделены гальванической развязкой.

2.1.4 Комплектный асинхронный электропривод типа «Размер 2М-5-2»

Асинхронный ЭП типа «Размер 2М-5-2» предназначен для работы в системах автоматического регулирования скорости электродвигателей в ЭП главного движения и подач металлорежущих станков и промышленных роботах с системами ЧПУ.

Электропривод имеет систему управления тиристорный преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ТПЧ-АД) с частотно-токовым векторным управлением. Он обеспечивает глубокое регулирование скорости (D = 10 000).

Система управления ЭП двухконтурная с ПИ - РС и трехфазным релейным РТ. Скорость двигателя определяется задающим напряжением Uз,с.

Инвертор тока (ИТ) представляет собой трехфазную мостовую схему с питанием от звена постоянного тока, работающую на частоте коммутации f = 3 кГц. Каждая фаза моста содержит по два силовых прерывателя, которые поочередно подключают вывод обмотки АД к положительному либо к отрицательному полюсу звена постоянного тока. Переключение происходит с указанной частотой, управление последовательностью переключений осуществляется РТ. Ключи трехфазного мостового инвертора или прерыватели состоят из нескольких параллельно включенных транзисторов, управляющего тиристора, соединенного с основными по схеме составного тиристора, и вентиля обратного моста.

Электропривод обеспечивает работу с номинальными моментами двигателей от 7 до 47 Н·м во всех квадрантах механических характеристик. В ЭП имеется быстродействующая защита силовых транзисторов ИТ от перегрузки (более 60 А) с помощью ТЗК. Кроме того, предусмотрена защита от перегрева, от недопустимого превышения или снижения напряжения источников питания. При исчезновении напряжения сети обеспечивается аварийное торможение двигателя.

2.1.5 Электроприводы ЭТА-1

Электроприводы переменного тока ЭТА-1 рекомендуются для применения в различных производственных механизмах, требующих плавного регулирования и стабилизации скорости. Электроприводы выполнены на базе двух фазных асинхронных короткозамкнутых двигателей и тиристорных преобразователей частоты с непосредственной связью. Статорные обмотки двигателя гальванически не связаны и каждая из них получает питание от своего преобразователя. Двигатели снабжены пространственным комплексным датчиком, содержащим бесконтактный тахогенератор и фотоимпульсный датчик положения ротора.

Система автоматического регулирования электропривода выполнена по двухконтурной структуре с ПИ-регулятором скорости и внутренним контуром регулирования тока и реализует частотно-токовый принцип управления асинхронным двигателем. На вход регулятора скорости подается задающий сигнал с задатчика интенсивности и сигнал отрицательной обратной связи по скорости от тахогенератора. Регулятор скорости формирует на выходе сигнал задания частоты скольжения, который в качестве сигнала задания тока подается на координатный преобразователь. Координатный преобразователь формирует два сигнала управления на преобразователь частоты.

2.1.6 Электропривод с вентильным двигателем

Электроприводы фирмы Siemens с преобразователем частоты SIMOVERT MASTERDRIVES и встроенным модулем SIMODRIVE 611 U с синхронными двигателями применяются в качестве привода главного движения токарных, фрезерных, сверлильных и универсальных станков. Электропривод построен по системе транзисторный преобразователь частоты - синхронный двигатель (ТрПЧ-СД) с частотно-токовым управлением. Он обеспечивает высокое быстродействие и малые уровни шума и электромагнитных потерь в двигателе. В состав электропривода входят: бесколлекторный СД с возбуждением от постоянных магнитов в роторе с пристроенными тахогенератором и датчиком углового положения ротора (ДПР) (в состав двигателя дополнительно могут входить встроенный тормоз, терморезисторы и пристроенный оптронный датчик пути); блок регулирования; блок питания (питание ЭП может осуществляться через силовой трансформатор и без трансформатора); автоматический выключатель; токоограничивающие резисторы; контактор (магнитный пускатель).

Инвертор тока осуществляет питание двигателя и обеспечивает регулирование частоты напряжения на двигателе и ток в фазах обмотки статора в соответствии с требуемой скоростью и моментом двигателя. Инвертор тока вместе с датчиком положения выполняет роль коллектора (как в двигателе постоянного тока).

Система управления электроприводом - двухконтурная с пропорционально-интегральным регулятором скорости и безинерционным релейным регулятором тока. В приводе предусмотрены следующие электрические защиты: нулевая от снижения напряжений управления; максимально-токовая; защиты от перегрева двигателя; от прекращения вентиляции и обрыва возбуждения тахогенератора. Имеется блокировка от ползучей скорости двигателя. Защиты размещены в блоке защиты.

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации

Требования к электроприводу механизма привода шпинделя обусловлен необходимостью получения его трех основных режимов (пуска, установившегося движения, торможения) и ряда вспомогательных и наладочных режимов, а также обеспечения надежной и бесперебойной работы шпиндельного механизма [5, 6].

Основные требования, предъявляемые к электроприводу, следующие:

обеспечение плавного пуска двигателя с ограниченным значением момента и ускорения = 600 рад/с2 с целью: безударного выбора зазоров в зубчатых передачах в начальный период пуска;

регулирование скорости при постоянном моменте или при постоянной мощности;

обеспечение жесткой механической характеристики электропривода при ударном изменении момента нагрузки;

обеспечение заданного диапазона регулирования скорости ();

обеспечение заданного времени переходного процесса (tп/п=0,3).

Основные требования, предъявляемые к системе автоматизации следующие:

наличие блокировок и защит;

минимальные габариты и масса;

удобство монтажа, наладки и диагностики, а также ремонта;

соответствие требованиям техники безопасности;

обеспечение помехозащищенности и исключение радиопомех.

Основные виды защиты:

от токовых перегрузок;

от исчезновения напряжения в цепи управления и силовой цепи;

от неправильного чередования фаз;

от превышения скорости.

Основные виды блокировок:

от самопроизвольного пуска;

блокировка включения привода подачи при отключенном приводе главного движения.

2.3 Определение возможных вариантов и выбор рациональной системы электропривода

Система транзисторный преобразователь - двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ТрП - ДПТ НВ) отличается весьма высоким быстродействием преобразователя. Постоянная времени Тп при полупроводниковом широтно-импульсном модуляторе не превосходит 0,005с. Соответственно возможности создания быстродействующих электроприводов при переходе к системе ТрП - ДПТ НВ существенно расширяются. Такие системы достаточно просты в управлении. Транзисторный преобразователь по сравнению с тиристорным преобразователем имеет преимущество, связанное с отсутствием режима прерывистых токов, который снижает качество регулирования скорости.

Система тиристоный преобразователь - ДПТ (ТП - ДПТ НВ) по сравнению с системой ТрП - ДПТ НВ имеет меньшее число ступеней преобразования энергии, возможность рекуперации энергии в сеть и как следствие больший КПД. Как правило, система ТП - ДПТ применяется для приводов большей мощности, чем система ТрП - ДТП.

Однако системы ТП и ТрП имеют общий недостаток, связанный с двигателем постоянного тока - это его дороговизна и необходимость проведения профилактических работ на щеточно-коллекторном узле.

Наиболее простым, дешевым и надежным электрическим двигателем является асинхронный короткозамкнутый двигатель, поэтому его использование в регулируемом электроприводе представляет собой интерес. Как было установлено, возможности регулирования, аналогичные возможностям изменения напряжения на якоре двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, в асинхронном электроприводе обеспечиваются путем изменения частоты напряжения и тока статорной обмотки. Формирование механических характеристик асинхронного двигателя при частотном управлении подчинено задачам обеспечения требуемой перегрузочной способности и жесткости характеристик во всем диапазоне регулирования скорости. Для реализации возможностей необходимо осуществлять питание статорной обмотки двигателя от управляемого преобразователя частоты.

Наибольшее число ступеней представляет собой технически более сложную задачу, чем регулирование выпрямленного напряжения, так как, как правило, требует дополнительных ступеней преобразования энергии.

Наименьшим числом ступеней преобразования энергии обладают вентильные преобразователи частоты. Они содержат ступень преобразования переменного тока в постоянный и ступень инвертирования. Эти две ступени в самостоятельном виде присутствуют в преобразователях частоты со звеном постоянного тока. В преобразователе частоты с непосредственной связью функции выпрямления и инвертирования совмещены в реверсивном преобразователе постоянного тока, выпрямленное напряжение или ток которого изменяются с требуемой частотой с помощью системы управления преобразователем. Как следствие, наиболее близким к системе ТП - ДПТ НВ массогабаритными показателями обладает система преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ - АД) с преобразователем с непосредственной связью, а система с преобразователями, содержащими ступень постоянного тока, уступает по этим показателям системе ТП - Д. Однако различия по мере совершенствования тиристорных преобразователей частоты постоянно сокращаются.

Коэффициент полезного действия системы ПЧ - АД с вентильным преобразователем несколько ниже, чем в системе ТП - Д, если имеется звено постоянного тока, так как при этом преобразование напряжения и тока осуществляется дважды.

Коэффициент мощности в этой системе близок к значению коэффициента мощности в системе ТП - Д, если в качестве звена постоянного тока используется тиристорный преобразователь. Он достаточно высок только в системах с неуправляемым выпрямителем, однако при этом отсутствует возможность рекуперации энергии в сеть в тормозных режимах электропривода. Использование режимов рекуперации энергии может существенно снижать потребление энергии установкой за цикл работы, поэтому при сравнении вариантов системы этот фактор необходимо учитывать.

Из выше изложенного материала можно сделать следующий вывод, что для привода главного движения станков подходят как ЭП постоянного тока, так и ЭП переменного тока. Принимая во внимание следующие факторы:

1) стоимость современных ПЧ сопоставима со стоимостью ТП;

2) недостатки, связанные с двигателем постоянного тока;

можно заключить, что для привода главного движения универсального фрезерного станка модели 6Н81 наиболее рациональной системой электропривода будет - ПЧ - АД.

2.4 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

Для создания глубокорегулируемого высокодинамичного электропривода наиболее целесообразным методом управления является векторное управление с ориентацией по вектору потокосцепления ротора. Функциональная схема такого ЭП в этом случае имеет наименьшее число перекрестных связей, а выражение момента асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и скорости сравнительно просты. При этом наиболее просто осуществляется регулирование скорости при стабилизации потокосцепления ротора. Для этого система управления должна содержать два канала регулирования: скорости и потокосцепления, а также блоки преобразования координат. Каждый из каналов имеет по два контура построенных по принципу подчиненного регулирования [7].

Современные преобразователи частоты с векторным управлением АД позволяют осуществлять как прямое управление скоростью, когда имеется обратная связь по скорости, так и косвенное, когда величина скорости рассчитывается по текущим значениям напряжения и тока. Для повышения точности поддержания скорости целесообразно применить датчик скорости. Кроме того, косвенным образом определяется потокосцепление. Эти расчеты производятся в специальном блоке - наблюдателе.

Функциональная схема автоматизированного электропривода фрезерного станка 6Н81 представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1

На рис. 2.1 приняты следующие обозначения:

ПФ1, ПФ2 - преобразователи фаз;

БПК1, БПК2 - блоки преобразования координат;

БВМ - блок выделения модуля потокосцепления ротора;

ТА - тригонометрический анализатор;

БК - блок коррекции;

РП, РС, РТ1, РТ2 - соответственно регуляторы потокосцепления r, скорости r и проекций обобщенного вектора тока статора isa, isb.

3. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

3.1 Расчет нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма

Выбор мощности электродвигателя для привода главного движения фрезерного станка производится по наиболее трудоемкой детали, обрабатываемой на данном станке. Выбор мощности двигателя произведем по детали, обрабатываемой на данном типе станка.

Обрабатываемый материал - сталь конструкционная углеродистая.

Данные режущего инструмента:

тип инструмента - дисковая фреза из быстрорежущей стали;

диаметр фрезы - d = 60 мм;

число зубьев фрезы - z = 11.

Условия обработки заготовки:

глубина фрезерования - t = 10 мм;

подача на один зуб фрезы - s = 0,2 мм;

ширина фрезерования - В = 20 мм.

Фреза охлаждается концентратом жидкости смазочно-охлаждающей ЭК3.

Расчет режимов резания производим в соответствии с [8, 9, 10].

Рассчитаем нормативную скорость резания, м/мин, при фрезеровании по формуле (3.1):

,(3.1)

где CV - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, типа фрезы и вида обработки, CV = 160;

Т - стойкость фрезы, T = 180 мин;

q, m, yv, xv, k, n - показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала: q =0,5, m= 0,2, yv = 0,4, xv = 0,33, k= 0,3, n = 0,1.

Подставив данные в формулу (3.1) получим:

.

Частота вращения инструмента:

.

Рассчитаем минутную подачу:

.

Усилие резания или окружное усилие при фрезеровании, Н, рассчитаем по формуле (3.2):

,(3.2)

где CF - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, типа фрезы и вида обработки, CF = 280;

xF, yF, i - показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, xF = 0,6, yF = 0,74, i = -1.

Подставив данные в формулу (3.1) получим:

.

Рассчитаем время каждого участка при обработке детали. Время быстрого хода детали к режущему инструменту (расстояние l1 = 360 мм):

.

Технологическое время фрезерования:

,

где l2 - величина врезания фрезы, l2 = 12 мм;

l3 - длина фрезерования, l3 = 320 мм;

l4 - величина перебега фрезы, l4 = 5 мм.

.

Время ускоренного отвода детали:

Суммарное время обработки одной детали:

.

По результатам расчетов строим нагрузочную и скоростную диаграммы механизма, которые оказаны на рис. 3.1.

Рис. 3.1

3.2 Предварительный выбор двигателя по мощности

При известных значениях усилия и скорости резания статическая мощность резания, Вт, можно определить по формуле:

.

Выбор электродвигателя произведем исходя из мощности потребной на фрезерование. В этом случае статическая мощность, Вт, электродвигателя определяется по следующей формуле (3.4):

,(3.4)

где k - коэффициент запаса по мощности, k = 1,3.

п - кпд механической передачи, п = 0,88.

.

3.3 Выбор номинальной скорости двигателя и типоразмера двигателя

Для привода главного движения выберем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором из серии двигателей 4А специально разработанных для частотно-регулируемых электроприводов. Из справочника [11, 12] выбираем двигатель согласно условию: . Этому условию соответствует двигатель: 4АБ2П100М4ПБ, который имеет следующие данные:

номинальная мощность	Р	кВт	4
номинальная частота вращения ротора	n	об/мин	2870
номинальный кпд		о.е.	86
момент инерции ротора	J	кгм2	0,0056
cos			0,83
максимальный момент двигателя	Ммах	о.е.	2
масса двигателя	m	кг	28
критическое скольжение	sк	%	22

Рассчитаем номинальную скорость вращения:

.

Номинальный момент двигателя:

.

Поскольку диапазон регулирования меньше 50, то будем использовать электрическое бесступенчатое регулирование скорости. И в место коробки скоростей применим редуктор. Для расчета передаточного числа редуктора принимаем, что максимальная скорость шпинделя будет при номинальной частоте вращения двигателя. Тогда:

.

3.4 Построение нагрузочной диаграммы электропривода

Для построения нагрузочной диаграммы электропривода произведем расчет электромагнитного момента двигателя на каждом этапе работы. Для этого определим динамический момент и момент холостого хода. Динамический момент рассчитывается по формуле:

,

где J - суммарный момент инерции:

,

где - коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора, соединительной муфты, = 0,1;

Jшп - момент инерции шпинделя, Jшп = 0,02 кгм2;

;

- допустимое ускорение, = 600 рад/с2.

.

Момент холостого хода зависит от многих факторов и не остается постоянным при различных скоростях. Однако, учитывая, что его величина не превышает 10-15% от номинального момента двигателя, рассчитаем по упрощенной формуле:

.

Электромагнитный момент двигателя при фрезеровании:

.

Угловую скорость ротора определим по формуле:

.

Определим момент и время каждого участка работы привода:

1. Пуск привода:

;

.

2. Ускоренный подвод детали:



3. Фрезерование заготовки:

4. Ускоренный отвод детали:

5. Торможение привода:

;

.

По данным расчетов построим нагрузочную диаграмму, которая представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2

3.5 Проверка выбранного электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности

Упрощенная нагрузочная диаграмма электропривода используется для проверки двигателя по нагреву и перегрузочной способности. Электропривод работает в циклическом режиме с переменной нагрузкой. Для проверки двигателя по нагреву используем метод эквивалентного момента. Условием правильного выбора двигателя по нагреву будет [13]:

На станке после обработки одной детали производится обработка следующей и т.д. Время потребное на одну деталь не превышает 2 мин (с учетом смены детали). Поэтому заключаем, что двигатель работает в циклическом режиме. В циклическом режиме эквивалентный момент определяется только для рабочих участков (3.3):

,(3.3)

где Мi - момент на i-м интервале;

ti - продолжительность работы на i-м интервале;

n - число рабочих интервалов в цикле.

.

Номинальный момент двигателя больше эквивалентного момента , значит условие правильности соблюдено.

Проверим выбранный двигатель по перегрузочной способности:

.

где Мmax - максимальный электромагнитный момент за цикл работы;

Мдоп - допустимый максимальный момент двигателя с учетом возможного снижения напряжения сети на 10%.

Из представленных расчетов делаем заключение, что электродвигатель выбран правильно.

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ВЫБОР КОМПЛЕКТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора типа комплектного преобразователя

В качестве устройства регулирования целесообразно выбрать преобразователь частоты.

При использовании частотного преобразователя пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что уменьшает нагрузку на двигатель и механику, увеличивает срок их службы.

Применение частотных преобразователей с обратной связью обеспечивает точное поддержание скорости вращения при переменной нагрузке, что во многих задачах позволяет значительно улучшить качество технологического процесса.

Для питающей сети преобразователь является чисто активной нагрузкой и потребляет ровно столько энергии, сколько требуется для выполнения механической работы (с учётом КПД преобразователя и двигателя).

Применение регулируемого частотного электропривода позволяет сберегать энергию путём устранения непроизводительных затрат энергии в дроссельных заслонках, механических муфтах и других регулирующих устройствах. При этом экономия прямо пропорциональна непроизводительным затратам и может достигать 80%.

Частотный преобразователь позволяет регулировать выходную частоту в пределах от 0 до 400 Гц. Разгон и торможение двигателя осуществляется плавно (по линейному закону), время разгона и торможения можно настраивать в пределах от 0.1 сек до 30 мин. Возможен плавный реверс двигателя. При разгоне происходит автоматическое увеличения момента для компенсации инерционной нагрузки. Момент при пуске достигает 150% от номинального.

Частотные преобразователи обеспечивают полную электронную защиту преобразователя и двигателя от перегрузок по току, перегрева, утечки на землю и обрыва линий передачи. Преобразователь позволяет отслеживать и отображать на цифровом пульте основные параметры системы - заданную скорость, выходную частоту, ток и напряжение двигателя, выходную мощность и момент, состояние дискретных входов, общее время работы преобразователя и т. д. В зависимости от характера нагрузки можно выбрать вольт-частотную характеристику или создать свою собственную. Современные преобразователи частоты поддерживают вольт-частотное скалярное регулирование, регулирование потокосцеплением и векторное регулирование.

Для выбора комплектного преобразователя определим предельные значения его параметров. Такими параметрами являются:

- максимальное значение выходного напряжения: UMAX, В

- максимальное значение эквивалентного нагреву тока: IЭ.MAX, А;

- максимальное значение тока кратковременной нагрузки: IMAX, А;

- число фаз;

- максимальное значение выходное частоты: fМАХ, Гц.

Для выбранного двигателя номинальное напряжение составляет 380В, следовательно, UMAX 380В.

Максимальное значение нагреву тока определяем по формуле:

,(4.1)

где: - значение тока ротора АД;

 - отклонение скорости двигателя от скорости идеального холостого хода при Мд = Мсмах, рад/с;

Мсмах - максимальное значение статического момента, Нм;

- модуль статической жесткости частотных характеристик:

;

I0 - ток идеального холостого хода, определим по формуле:

.

.

.

.

Максимальное значение тока Imax кратковременной нагрузки преобразователя рассчитываем для максимального значения момента двигателя.

Число фаз выходного напряжения преобразователя - 3.

Максимальное значение выходной частоты при однозонном регулировании скорости электропривода - 50 Гц.

Условия выбора преобразователя частоты по току и напряжению имеют следующий вид:

;

.

где Iнпч - номинальное значение выходного тока преобразователя частоты, А;

Uвх.пч - входное напряжение преобразователя частоты.

В соответствии с рассчитанными параметрами выбираем преобразователь частоты серии “MICROMASTER Vector” фирмы Siemens, который рассчитан на работу с АД мощностью 0,12-7,5 кВт, типа MMV400/3 (номинальная мощность двигателя 4кВт). Преобразователь применяются для изменения и регулирования скорости вращения низковольтных двигателей переменного тока для процессов с высокой динамикой и повышенными требованиями к стартовому моменту и перегрузке. Система управления может быть дополнительно оснащена функцией автоматической настройки на параметры используемого двигателя и функцией коррекции параметров двигателя при нагреве [14].

Основные параметры преобразователя:

входное напряжение - 400-500 В 10%;

номинальный ток - 9,2 А;

допустимая перегрузка по току в течение 60 сек - 150 %;

входная частота - 47-63 Гц;

КПД преобразователя - 97 %;

коэффициент мощности не менее - 0,7;

способ торможения - генераторное, динамическое;

виды защит - низкое напряжение, перенапряжение, перегрузка по току, перегрев двигателя и др.;

масса преобразователя - 4,8 кг.

4.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи

Произведем выбор фильтров подавления радиочастотных помех для преобразователя частоты. Выбор фильтра производится по таблице номеров фильтров в соответствии с моделью преобразователя из инструкции по эксплуатации преобразователей частоты фирмы Siemens.

Выбираем фильтр класса В: 6SE3290-ODC87-OFB5 стандарта EH55022.

Для рассеивания энергии, выделяемой двигателем, применяется внешний тормозной резистор, что значительно улучшает возможности торможения. Он не должен быть меньше 85 Ом (для 3-х фазных преобразователей со входным напряжением от 400В).

Расчет тормозного резистора производится из мощности, рассеиваемой на нем при торможении по формуле (4.2)

,(4.2)

гдеUC - действующее значение напряжения, В;

Ррасч - рассеиваемая при торможении мощность, Вт.

,

гдеU1 - фазное значение напряжения питающей сети. U1 = 220 В.

ксх - коэффициент схемы, для 3-х фазной схемы ксх = 2,34.

.

,

где - расчетный динамический момент, Нм. .

Исходя из расчетных значений по формуле (4.2) определяем значение сопротивления RТ:

.

Выбираем стандартное значение тормозного сопротивления: RТ=240Ом.

4.3 Выбор датчиков регулируемых координат электропривода

Как было отмечено ранее, для реализации векторного управления необходимо производить регулирование следующих величин: потокосцепление ротора, угловая скорость ротора и составляющие тока статора по осям x и y. Преобразователь частоты MICROMASTER Vector использует косвенное управление скоростью двигателя, т.е. текущее значение скорости ротора и потокосцепления вычисляются по текущим значениям тока и напряжения статора. При таком способе управления ошибка поддержания скорости не превышает 1-5%. Для повышения точности предусмотрена возможность подключения датчика скорости. При использовании тахогенератора в систему вносится ошибка измерения (наведение помех в проводах, зубцовые пульсации, конструкционные погрешности), что уменьшает точность поддержания скорости. Наибольшей точностью обладают импульсные датчики скорости, в которых частота следования импульсов пропорциональна угловой скорости ротора.

Таким образом, для регулирования скорости привода главного движения используются три вида датчиков: скорости, тока и напряжения. Причем датчики тока и напряжения конструктивно выполнены в преобразователе частоты, а датчик скорости реализуем на основе фотоэлектрического преобразователя - ВЕ-178.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

5.1 Разработка математической модели автоматизированного электропривода

Исходной информацией для построения системы векторного управления является информация о мгновенных значениях и пространственном положении вектора потокосцепления в воздушном зазоре, мгновенных значениях токов статора и скорости ротора двигателя [15, 16]. Для этого в начале рассмотрим математическое описание асинхронного двигателя. При этом используем следующие упрощающие допущения:

1) трёхфазная система симметрична;

2) воздушный зазор является равномерным;

3) магнитная система машины не насыщена.

В координатной системе (x, y) электромагнитные процессы АД с короткозамкнутым ротором описываются системой дифференциальных уравнений (5.1):

(5.1)

где R1, R2 - сопротивления фазных обмоток статора и ротора, Ом;

0 - частота напряжения статора, с-1;

1х, 1y - составляющие потокосцепления статора по осям x, y, Вб.

Выражения потокосцеплений описываются системой уравнений (5.2):

(5.2)

Индуктивности L1, L2, L12 для системы (4.2) определяются следующим образом:

,

где L1, L2 - индуктивности рассеяния статора и ротора, Гн;

L - взаимная индуктивность фазных обмоток статора и ротора, Гн.

Выразив из системы (5.2) составляющие тока ротора и потокосцепления статора получим систему (5.3):

(4.3)

где LЭ - эквивалентная индуктивность, которая определяется следующим образом: .

После преобразований системы (5.1) с учетом (5.3) получим (5.4):

(5.4)

где RЭ - эквивалентное сопротивление, которое определяется как:

.

Синхронная частота удовлетворяет выражению (5.5):

(5.5)

Электромагнитный момент АД определяется выражением (5.6):

(5.6)

где рп - число пар полюсов.

Скорость ротора определяется из дифференциального уравнения (5.7):

.(5.7)

Введем следующие обозначения: и .

Питание двигателя осуществляется от автономного инвертора напряжения на базе транзисторных силовых ключей. В структуре системы управления преобразователь можно приближенно представить апериодическим звеном (5.8):

(5.8)

где П - коэффициент усиления преобразователя;

- малая постоянная времени, с.

На основании выражений (5.4) - (5.8) составим структурную схему объекта управления, которая представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1

5.2 Расчет параметров объекта управления

Определим численные значения параметров двигателя для структуры согласно рис. 5.1

Номинальное сопротивление:

.

Рассчитаем сопротивления в абсолютных значениях:

активное сопротивление статорной обмотки

,

активное сопротивление ротора

,

сопротивление рассеяния статора

,

сопротивление рассеяния ротора

,

индуктивное сопротивление взаимоиндукции

.

Индуктивность рассеяния статора:

,

Индуктивность рассеяния ротора:

,

Индуктивность взаимоиндукции статора и ротора:

.

Найдем соответствующие индуктивности для системы уравнений (5.2):

;

;

.

Определим эквивалентные сопротивление и индуктивность:

,

.

Определяем постоянные времени:

,

.

Конструктивная постоянная момента:

.

Коэффициент усиления преобразователя:

.

5.3 Определения структуры и параметров управляющего устройства

Необходимыми элементами системы управления, в соответствии с функциональной схемой автоматизированного электропривода являются управляемый преобразователь энергии, регуляторы основных координат электропривода, датчики обратных связей, преобразователи координат и схема компенсации перекрестных связей. Из математической модели объекта управления видно, что он содержит два канала регулирования - скорости и потокосцепления ротора, между которыми имеются перекрестные обратные связи. Кроме этого на изменение скорости существенным образом влияет изменение потокосцепления ротора. Для обеспечения оптимальных переходных процессов, а также для ограничения промежуточных координат целесообразно использовать систему управления, которая построена по принципу подчиненного регулирования. При таком построении системы управления каждая координата имеет свой контур регулирования и свой регулятор, настроенный оптимально. Регуляторы включены последовательно в прямой канал. Ограничение координат обеспечивается ограничением задания на соответствующий контур.

Таким образом, система управления содержит два канала управления построенных по принципу подчиненного регулирования [15, 17]. Канал потокосцепления ротора включает контуры регулирования обобщенного вектора тока ix и потокосцепления. Канал скорости ротора включает контуры регулирования обобщенного вектора тока iy и скорости.

Синтез системы управления заключается в определении структуры и параметров регуляторов системы управления каждого из каналов скорости и потокосцепления ротора, что позволяет сформировать сигналы управления uyx, uyy. Для обеспечения автономности каждого канала управления необходимо обеспечить компенсацию перекрестных связей в объекте управления (асинхронном двигателе):

.

Синтез управляющего устройства начинаем с внутреннего контура канала регулирования скорости. Определение параметров регулятора тока канала скорости начинаем, приняв допущение о пренебрежении внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС двигателя. Контур регулирования тока i1y показан на рис. 5.2.



Рис. 5.2

Регулятор тока настроим на модульный оптимум. Параметры найдем из условия равенства передаточных функций разомкнутого контура тока и желаемой [15]:

(5.9)

Регулятор тока компенсирует эквивалентную электромагнитную постоянную времени ТЭ. Тогда из (5.9) получим передаточную функцию регулятора тока:

(5.10)

Регулятор тока в результате оптимизации получился пропорционально-интегральным.

Определим коэффициент обратной связи по току:

.

Постоянная интегрирования регулятора тока:

.

После оптимизации передаточная функция контура тока примет следующий вид (5.11):

(5.11)

После оптимизации контура тока переходим к оптимизации контура скорости. Определение параметров регулятора скорости производим для точки, которая соответствует номинальному значению потокосцепления ротора. Тогда структурная схема контура скорости примет вид как показано на рис. 5.3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.3

Регулятор скорости настроим на симметричный оптимум. При оптимизации по задающему воздействию (UЗС) пренебрегаем возмущением (МС). Параметры найдем из условия равенства передаточных функций разомкнутого контура скорости и желаемой [15]:

,(5.12)

где 2н - номинальное значение потокосцепления, 2н = 1,37 Вб.

После преобразования уравнения (5.12) с учетом (5.11) получим передаточную функцию регулятора скорости (5.13):

(5.13)

Регулятор скорости в результате оптимизации получился пропорционально-интегральным.

Определим коэффициент обратной связи по скорости:

.

Коэффициент усиления регулятора скорости:

.

После оптимизации передаточная функция контура скорости примет следующий вид (5.14):

(5.14)

Потокосцепление ротора может меняться в переходных процессах, поэтому для компенсации этих изменений на выходе регулятора скорости поставим блок деления на относительную величину потокосцепления.

Оптимизация контура тока канала потокосцепления проводится аналогично, как и для канала скорости. Определение параметров регулятора тока канала скорости начинаем, приняв допущение о пренебрежении внутренней положительной обратной связи пропорциональной потоку двигателя.

Определим коэффициент обратной связи по току:

.

Постоянная интегрирования регулятора тока:

.

После оптимизации передаточная функция контура тока канала потокосцепления примет вид (5.11).

После оптимизации контура тока переходим к оптимизации контура потокосцепления. Структурная схема контура потокосцепления примет вид как показано на рис. 5.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.4

Регулятор потокосцепления настроим на модульный оптимум. Параметры найдем из условия равенства передаточных функций разомкнутого контура скорости и желаемой [15]:

.(5.15)

Регулятор потокосцепления компенсирует постоянную времени Т2. Тогда из (5.15) получим передаточную функцию регулятора потокосцепления:

.(5.16)

Регулятор тока в результате оптимизации получился пропорционально-интегральным.

Определим коэффициент обратной связи по потокосцеплению ротора:

.

Постоянная интегрирования регулятора потокосцепления:

.

После оптимизации передаточная функция контура потокосцепления примет следующий вид (5.17):

.(5.17)

Определим численные значения регуляторов тока, скорости и потокосцепления:

.

.

.

С учетом передаточных функций регуляторов (5.10), (5.13) и (5.16) структурная схема автоматизированного электропривода будет иметь вид, как показано на рис. 5.5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.5 - Структурная схема автоматизированного электропривода

6. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА

6.1 Разработка имитационной модели электропривода

На основе функциональной схемы автоматизированного электропривода с использованием математического описания объекта и системы управления, которое представлено в разделе 5, с помощью пакета MATLAB/Simulink разработаем программу для компьютерного моделирования автоматизированного электропривода главного движения универсально фрезерного станка 6Н81 [18]. Для создания модели были задействованы две основные библиотеки Simulink (S-модель) и SimPowerSystems (SPS-модель). При создании комбинированной модели были учтены некоторые особенности SPS-моделей:

входы и выходы SPS-блоков, в отличие от блоков Simulink, не показывают направление передачи сигнала, поскольку фактически являются эквивалентами электрических контактов. Таким образом, электрический ток может через вход или выход блока протекать в двух направлениях: как вовнутрь блока, так и наружу;

соединительные линии между блоками являются, по сути, электрическими проводами, по которым ток может протекать также в двух направлениях. В Simulink-моделях же информационный сигнал распространяется только в одном направлении - от выхода одного блока к входу другого;

Simulink-блоки и SimPowerSystems-блоки не могут быть непосредственно соединены друг с другом. Сигнал от S-блока можно передать к SPS-блоку через управляемые источники тока или напряжения, а наоборот - с помощью измерителей тока или напряжения.

В модели некоторые функциональные части представлены в виде подсистем. Разработанная модель является дискретной, что приближает ее к реально работающей установке.

Разработанная программа в виде структурной схемы для имитационного моделирования представлена на рис. 6.1.

На рис. 6.2 представлены модели подсистем регуляторов потокосцепления, скорости и тока (регуляторы тока двух каналов регулирования одинаковы).

На рис. 6.3 представлена модель подсистемы «ABC-XY».

На рис. 6.4 представлена модель подсистемы «XY-ABC».

На рис. 6.5 представлена модель подсистемы «Teta calculation».

На рис. 6.6 представлена модель подсистемы «PWM».

На рис. 6.7 представлена модель подсистемы «Frez».

Рис. 6.1 - Имитационная модель АЭП



Рис. 6.2 - Модели регуляторов

Рис. 6.3 - Подсистема «ABC-XY»

Рис. 6.4 - Подсистема «XY-ABC»



Рис. 6.5 - Подсистема «Teta calculation»

Рис.6.6 - Подсистема «PWM»

Рис. 6.7 - Подсистема «Frez»

6.2 Расчет и определение показателей качества переходных процессов

При помощи имитационной модели произведем моделирование переходных процессов, которые соответствуют работе электропривода при фрезеровании заготовки. При этом из всего времени работы выделим два участка, которые по времени соответствуют пуску двигателя на холостом ходе (Мхх = 0,7 Нм) до скорости 111 рад/с и моменту начала фрезерования, когда нагрузка резко увеличивается до значения М = 13 Нм.