Модернизация электропривода подачи станка 16К20Т1

Аннотация

Загиров Ф. Ф. Модернизация электропривода подачи станка 16К20Т1. Усть-Катав: У-КМТ, ЭМ4−98; 2012,77

В данном дипломном проекте обоснована необходимость замены гидропривода подач на электропривод серии КЕМРОН. Выполнен проверочный расчет двигателя по мощности. Произведен выбор силового согласующего трансформатора и проверка его по запасу напряжения для статического режима работы. Решены вопросы охраны труда, экологии, гражданской обороны. В связи с модернизацией электрооборудования, в экономической части, произведено сравнение базового и проектного вариантов, рассчитаны экономические показатели.

Технический уровень машиностроительного оборудования определяется следующими основными показателями: гибкостью, производительностью, точностью, надежностью, удельной металлоемкостью и удельным энергопотреблением.

Развитие в машиностроении прогрессивных технических средств, обеспечивающих значительное сокращение вмешательства обслуживающего персонала в процесс функционирования оборудования, требует создания и внедрения принципиально новых систем автоматизированного электропривода.

Современные электроприводы базируются на широком применении специализированных электрических машин, силовой полупроводниковой техники, средств микроэлектроники.

За последние годы произошли качественные изменения в номенклатуре и техническом уровне электроприводов, применяемых в станкостроении.

Создаются и внедряются в машиностроительном оборудовании качественно новые электроприводы, построенные на базе двигателей постоянного и переменного тока. Принципиально новые решения в области автоматизированного электропривода позволяют существенно повысить эксплуатационные характеристики станков и машин.

Разрабатываются и внедряются в ГПМ бесколлекторные электроприводы переменного тока с асинхронными двигателями для механизмов главного движения и вентильными (синхронными) двигателями для механизмов подачи станков и промышленных роботов с цифровыми и цифроаналоговыми регуляторами, с микропроцессорным управлением и развитой диагностикой, с энергонезависимой памятью. Это позволяет увеличить скорость резания в 2 — 3 раза; уменьшить время вспомогательных перемещений в 1,5 — 2 раза; сократить время поиска и устранения неисправностей в электроприводах в 3 — 5 раз; уменьшить время технического обслуживания приводов в 2 — 4 раза; повысить точность обработки в 1,5 — 2 раза; уменьшить массогабаритные показатели приводов в 1,5 — 2 раза.

Новым подходом в области станочного электропривода является создание локально — распределительных электромеханических систем, представляющих собой унифицированные узлы ГПМ (поворотные и координатные столы, инструментальные головки, шпиндели и т. д.) со встроенными элементами двигателя и системы управления.

Основные тенденции в развитии электромашиностроения:

— переход от двигателей постоянного тока в регулируемых электроприводах к бесколлекторным специальным двигателям переменного тока асинхронным и синхронным (вентильным) двигателям;

— понижение удельных массогабаритных показателей двигателей путем применения новых электротехнических и магнитных материалов и специальной системы охлаждения;

— увеличение максимальной скорости двигателя, в том числе создание высокоскоростных электромеханизмов;

— оснащение двигателя особо точными датчиками положения и другими компонентами, обеспечивающими работу механизмов станков с ЧПУ и ГПМ;

— повышение эксплуатационных свойств двигателя в части снижения уровня вибрации, снижения уровня шума, повышения степени защиты двигателя от условий окружающей среды.

Особенностью преобразователей практически всех электроприводов является применение силовых блоков (тиристорных или транзисторных), смонтированных в теплопроводящем изолирующем (не токопроводящем) корпусе, что позволяет монтировать их на едином охладителе (радиаторе). В системах управления широко применяются микросхемы средней и высокой степени интеграции, а также термостабильные элементы. С целью экономии производственных площадей, занимаемых электрооборудованием, наметились тенденции выполнения конструктивов преобразователей, вертикального исполнения с уменьшенной шириной преобразователя.

Конструкция большинства преобразователей унифицирована по конструктивам на основе 19-й системы.

Преобразователи выпускаются открытого исполнения (степень защиты IP00) и предназначены для встройки в электрошкаф. В ряде электроприводов предусмотрены встраиваемые устройства диагностики.

Наиболее совершенной является модульная конструкция преобразователя. Преобразователь для управления синхронными двигателями состоит из модуля питания (одного для всех осей) и отдельных осевых модулей. Модуль питания осуществляет выпрямление напряжения питающей сети и сглаживание пульсацией выпрямленного напряжения с помощью конденсаторов. Осевой модуль осуществляет бесконтактную коммутацию обмоток статора в функции задающего сигнала и положения ротора.

Современной тенденцией является применение микропроцессорной системы управления. Большинство преобразователей имеют развитую систему диагностики, возможность подключения к дисплейным устройствам с цифровым отображением информации по скорости, току, текущей координате положения механизма и другим параметрам. Преобразователи имеют интерфейсные устройства, обеспечивающие возможность стыковки с цифровыми управляющими машинами, персональными компьютерами.

1. Общая часть

1.1 Назначение и технические характеристики станка 16К20Т1

Станок токарный с числовым программным управлением модели 16К20Т1 предназначен для выполнения разнообразных токарных работ наружных и внутренних поверхностей деталей тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилем в один или несколько проходов по замкнутому автоматическому циклу в условиях мелкосерийного и серийного производства.

На станке можно производить наружное точение, растачивание, а также нарезание резьбы при оснащении станка соответствующей системой ЧПУ. Форма образующих обрабатываемого изделия: цилиндрическая, конусная и фасонная. Диапазон регулирования чисел оборотов шпинделя и подач позволяет производить обработку изделия, как из обычных черных, цветных металлов, так и жаропрочных сталей.

Токарный станок мод. 16К20Т1 аналогичен по конструкции станку мод. 16К20Ф3, но оснащен 2-координатной контурной оперативной системой числового программного управления с УЧПУ Н22−1М с УШП.

Система обеспечивает линейно-круговую интерполяцию и является замкнутой: перемещения рабочих органов по обеим координатам (X и Z) осуществляются с помощью следящих приводов подач с фотоимпульсными датчиками обратной связи.

Система ЧПУ станка — Н22−1М

Класс точности станков — П ГОСТ 8–71.

Технические характеристики станка 16К20Т1 представлены в таблице 1

Таблица 1 Технические характеристики станка 16К20Т1

1.2 Кинематическая схема станка

От электродвигателя помещенного на стенке станины, вращение передается клиновыми ремнями на приводной шкив автоматической коробки скоростей (далее АКС), которая обеспечивает получение 12 чисел оборотов выходного вала. С выходного вала АКС вращение передается упругой муфтой на входной вал шпиндельной бабки изделия. Шпиндель получает 36 ступеней скоростей вращения.

Кинематическая схема главного движения станка представлена на рисунке 1.

Данные к кинематической схеме представлены в таблице 2

Таблица 2 Перечень к кинематической схеме

Рисунок 1. Кинематика привода подачи

1.3 Описание электрооборудования

Питание электрооборудования осуществляется от цеховой сети переменного тока 380 В, 50 Гц от четырехпроводной линии.

Питание цепей управления переменного тока осуществляется напряжением 110 В от понижающего трансформатора Тр2.

Вся аппаратура управления и питания электрооборудования смонтирована в одном электрошкафу, расположенном около станка.

Управление электроприводом станка при работе вручную кнопочное дистанционное осуществляется со следующих мест:

— пульта управления на передней бабке,

— пульта управления на ограждении,

— пульта управления на устройстве Н22−1М,

— пульта управления станине станка.

Подсоединение электрооборудования к цеховой сети осуществляется посредством вводного автомата ВА1 с током уставки 430А.

Защита электродвигателей и цепей управления от токов короткого замыкания и перегрузок производится автоматическими выключателями, тепловыми реле и реле максимального тока.

Главный привод на станке реверсивный и осуществляется от асинхронного электродвигателя М1.

Пуск электродвигателя в соответствующую сторону осуществляется с помощью кнопок КНЧ «Влево» и КНБ «Вправо», причем предварительно необходимо включить станцию смазки и гидростанцию.

При нажатии на кнопку КНЧ (КНБ) включается реле РП1(РП2), которое своими контактами включает тиристорный пускатель Р1, после чего включается электродвигатель М1. Останов М1 осуществляется нажатием на кнопку КН5 «Стоп».

Для включения шпинделя в работу в ручном режиме необходимо после включения электродвигателя М1 поставить в одно из шести положений переключатель скорости ВП1 и в соответствующее 1 или 2 положение переключатель ВТ1, затем нажать на кнопку КН 9 «Пуск шпинделя». При этом включается промежуточное реле РП4, которое своим контактом замыкает цепь питания на блок управления АКС. В зависимости от положения переключателей ВП1 и ВТ1 замыкаются цепи питания соответствующих электромагнитных муфт из ряда ЭМ1-ЭМ6, ЭМ17.

При работающем электродвигателе М1 шпиндель начинает вращаться с заданной скоростью.

Для быстрого останова шпинделя при его отключении предусмотрена схема торможения, которая срабатывает при нажатии на стоповую кнопку КН10, а также при нажатии на кнопки КН2, КН3,КН5,КН8,КН15.В результате цепь «Торможение» становится замкнутой, включаются муфты ЭМ6, ЭМ17, одновременно загорается сигнальная лампа Л1. Происходит торможение и останов шпинделя.

Схема управления главным приводом предусматривает ограничение времени холостого хода электродвигателя М1. Если шпиндель не включен, то через 2 минуты двигатель М1 отключается за счет реле времени РВ7.

В автоматическом режиме электродвигатель М1 включается по команде МО3 или МО4 от устройства ЧПУ. Включается реле РП20 или РП21. В зависимости от включения данных реле подается питание на РП1 или РП2. В этом режиме РП4 обесточено. Включение любой из 12 скоростей поддиапазонов шпинделя осуществляется контактами ходовых реле РП13. РП15.

В качестве привода подач суппорта по оси X (поперечное перемещение) применяют шаговый двигатель М2 типа ШД-5М в комплекте с гидромотором.

Кинематическая цепь привода подач суппорта по оси Z (продольное перемещение) — шаговый двигатель М3 типа ШД-5М в комплекте с гидромотором.

Кинематическая цепь поворота шестипозиционной револьверной головки: асинхронный электродвигатель М4 — зубчатые колеса z = 20 и z = 62 — червячная передача z = 1 и z =38.

Асинхронный электродвигатель М5 приводит во вращение шестеренный насос ВГ-11−11 А, осуществляющий централизованное смазывание станка.

Торможение шпинделя происходит автоматически при выключении электродвигателя М1.

Электросхема управления электромагнитными муфтами АКС бесконтактная, выполненная на тиристорах 1Т5,1Т11.

При установке переключателей ВП1 и ВТ1 в положение требуемой скорости и нажатии на кнопку КН9 «Пуск шпинделя» подаются управляющие потенциалы на открывание соответствующих тиристоров.

В автоматическом режиме включается реле 1РП2, которое своим размыкающим контактом управляет тиристорами 1Т2,1Т3, а замыкающим контактом включает реле времени 1РВ1, которое с выдержкой времени дает ответ в ЧПУ.

При переключениях скоростей шпинделя одни муфты отключаются, другие включаются.

Для исключения замков при переключениях скоростей необходимо одновременно с отключением напряжения управления отключать кратковременное напряжение на тиристорах. С этой целью размыкающий контакт реле РП2 отключает управляющие потенциалы тиристоров 1Т2,1Т3.

Тиристоры 1Т2, 1Т3 закрываются и прерывают питание электромагнитных муфт.

После выдачи ответа в УЧПУ с помощью замыкающего временного контакта реле 1РВ1 реле 1РП2 отключается и своим размыкающим контактом включает цепь управляющих напряжений тиристоров 1Т2, 1Т3. Тиристоры открываются и напряжение питания электромагнитных муфт восстанавливается.

В ручном режиме для отключения анодного напряжения на тиристорах 1Т5.1Т11 используется реле 1РП3, которое своим размыкающим контактом при переключении ВП1 разрывает цепь управляющих напряжений тиристоров 1Т2, 1Т3.

Привод подач с шаговыми двигателями (ШД) можно разделить на две группы: 1) привод с силовым ШД, соединенным через кинематическую цепь с исполнительным механизмом; 2) привод с управляющим ШД и промежуточным усилителем момента, выполненным в виде автономной следящей системы (обычно гидравлической). В первой группе динамические и статические характеристики привода определяются параметрами ШД, во второй — зависят от параметров следящей системы, которой управляет ШД.

Преимущества шагового привода по сравнению с приводом следящим имеют значение лишь при малых мощностях приводов. К таким преимуществам относятся отсутствие датчика обратной связи по пути и тахогенератора, а также отсутствие коллектора с щетками. Именно это обусловило применение ШД в приводе подач малых токарных и шлифовальных станков, а также для управления различными вспомогательными механизмами станков и гибких производственных модулей.

Современные быстродействующие ШД являются модифицированными синхронными электрическими машинами, обмотки которых возбуждаются несинусоидальными сигналами, т. е. прямоугольными или ступенчатыми импульсами напряжения с изменяющейся в широких пределах частотой. Ступенчатому характеру напряжений на фазах ШД соответствует дискретное вращение электромагнитного поля в воздушном зазоре двигателя. Вследствие этого движение ротора на низкой частоте слагается из последовательности элементарных перемещений, совершаемых по апериодическому или колебательному закону. При возрастании управляющей частоты неравномерность частоты вращения ротора ШД сглаживается.

Шаговые двигатели с электронным коммутатором осуществляют преобразование последовательности управляющих импульсов (унитарного кода) в угол поворота вала. Каждому импульсу управления соответствует поворот вала на фиксированный угол (шаг двигателя), величина которого однозначно определена конструкцией ШД и способом переключения его обмоток. Частота вращения и суммарный угол поворота вала пропорциональны соответственно частоте и числу поданных импульсов управления. В отличие от синхронных двигателей в ШД переход в синхронное движение из состояния покоя осуществляется без скольжения, а торможение— без выбега ротора. Благодаря этому ШД (в рабочем диапазоне частот) обеспечивают внезапный пуск, остановку и реверсирование без потери информации, т. е. без пропуска шагов.

Гидропривод представляет собой совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов посредством рабочей жидкости под давлением. В качестве рабочей жидкости в гидроприводах используют минеральные масла. Гидроприводы обеспечивают высокую плавность движения исполнительных механизмов, а также широкий диапазон скорости их перемещения. Гидропривод позволяет надежно защитить систему от перегрузки, что позволяет механизмам работать по жестким упорам. К недостаткам гидроприводов следует отнести наличие наружных утечек жидкости, приводящих к повышенному расходу масла и загрязнению рабочего места.

В станках с ЧПУ и ГПМ гидропривод используется для автоматизации вспомогательных механизмов.

Широко используется гидропривод и в промышленных роботах для привода механизмов, осуществляющих как основные перемещения заготовок по координатам, так и вспомогательные движения, связанные с их захватом, фиксацией, расфиксацией, поворотом и т. д.

Гидроприводы станков с ЧПУ и промышленных роботов включают в себя: насосы; направляющую гидроаппаратуру; регулирующую гидроаппаратуру; вспомогательные элементы; исполнительные механизмы (гидроцилиндры, гидродвигатели, комплектные электрогидравлические шаговые приводы).

1.4 Основные требования, предъявляемые к станочным приводам

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

Основными технологическими требованиями являются обеспечение:

самого широкого круга технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента;

максимальной производительности;

наибольшей точности обработки;

высокой чистоты обрабатываемой поверхности;

высокой степени повторяемости (стабильности) размеров деталей в обрабатываемой партии.

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

1.5 Электроприводы подач

Расширение технологических возможностей и, в первую очередь, многооперационных, а также освоение нового твердосплавного и быстрорежущего инструмента обеспечили возможность проведения на одном станке различных технологических операций: фрезерование, сверление, растачивание и т. д. Это в свою очередь привело к усложнению приводов подач, вследствие увеличения вращающегося момента на валу двигателя, расширения диапазона рабочих подач и установочных перемещений, увеличения быстродействия привода, как при управляющем воздействии, так и при возмущении по нагрузке.

В последнее время конструкция станков претерпела существенные изменения, вследствие значительного сокращения механической части привода подач.

Исключение коробки передач привело не только к сокращению механической части привода, но также к повышению коэффициента полезного действия и снижению момента инерции электромеханического привода. В связи с этим снизилась нагрузка на двигатель при холостых перемещениях и возросла составляющая от резания в общей нагрузке приводов подач. В большинстве современных станков средних размеров нагрузка на двигатель при рабочих подачах без резания составляет не более 20 — 30% от номинальной.

Полный диапазон регулирования в станках фрезерной, расточной и токарной групп составляет 100 — 1000, а в карусельной расширяется до 30 000 40 000. Реальный диапазон регулирования привода подачи каждой оси станка с ЧПУ при контурном фрезеровании бесконечен, так как минимальная подача от каждой оси в двух точках обрабатываемой поверхности (окружности) равна нулю.

Скорость быстрых перемещений зависит от характеристик механической части привода, дискретности управления, максимальной частоты вращения приводного электрического двигателя, коэффициента усиления по скорости следящего привода и максимального значения ошибки, запоминаемой системой числового программного управления.

На небольших токарных и сверлильных станках, в том числе для сверления печатных плат с большим количеством операций и малым ходом, наибольшее значение имеет быстродействие привода и систем ЧПУ. В этих случаях часто производительность ограничена самим станком.

Система ЧПУ также вносит ограничение минимального времени разгона и торможение привода. Как известно, система может запомнить ограниченную ошибку между заданным и действительным положением координатных осей станка. Эта ошибка в разных системах составляет от ± 5мкм до ± 10мкм. Из-за неудовлетворительных динамических свойств регулируемого электрического привода, особенно при возмущении по нагрузке, появляется недопустимая шероховатость поверхности, поэтому весьма важно обеспечить высокое быстродействие привода, особенно при сбросе и наброске нагрузки, а также при реверсе двигателя под нагрузкой при самых малых частотах вращения. Стабильность характеристик комплектного электропривода при достаточно большом коэффициенте усиления определяется стабильностью входного усилителя и датчика скорости — тахогенератора. Причем наибольшая нестабильность имеет место при малых частотах вращения, когда полученный сигнал соизмерим с дрейфом нуля усилителя и падения напряжения в щеточном контакте тахогенератора.

Таким образом, основные требования, предъявляемые к современным станочным электроприводам следующие:

минимальные габариты электрических двигателей при высоком вращающем моменте;

высокая максимальная скорость;

значительная нагрузочная способность в режиме кратковременной и повторной кратковременной нагрузке;

широкий диапазон регулирования;

высокая стабильность характеристик и, в первую очередь усилителей и тахогенератора;

высокое быстродействие при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения;

высокое быстродействие при наброске и сбросе нагрузки и при реверсе под нагрузкой на самых малых частотах вращения;

высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях, вплоть до самых малых;

высокая надежность и ремонтопригодность;

удобство конструктивной установки двигателя на станке и встройки преобразователей в шкафы и ниши станков;

малые габаритные размеры и расход активных материалов;

небольшой расход дефицитных материалов;

простота наладки, ремонта и эксплуатации;

высокая унификация узлов отдельных элементов;

высокая экономичность и малая стоимость.

Как видно из перечисленных требований совмещение всех их в одном устройстве принципиально не возможно. Поэтому при проектировании и применении станочных приводов в каждом конкретном случае удовлетворение одним требованиям достигается в ущерб другим.

1.6 Обоснование модернизации

Шпиндель, система охлаждения, смазки и вентиляции работают от асинхронных двигателей и являются неуправляемыми.

По истечении лет электрооборудование отработало свой ресурс и вышло из строя.

Нехватка финансовых средств на предприятии обуславливает неполную замену станка, а лишь отдельные его части: замена шагово-гидравлического привода.

Основными недостатками привода являются: низкие динамические показатели.

В качестве приводов подач в станках с ПУ, в настоящее время, большое применение, находят тиристорные преобразователи (ТП).

Основное преимущество ТП — высокий КПД (95 — 99%) и высокое быстродействие (они практически безинерционы), ремонтопригодность.

ремонт электропривод станок преобразователь

2. Расчетная часть

2.1 Выбор двигателя и преобразователя Для выбора мощности ЭД необходимо рассчитать силы, которые действуют на заготовку и режущий инструмент. На рисунке 2 представлен схематический процесс обработки с размещением сил резания.

Рисунок 2 — Схематический процесс обработки Воспользуемся методикой расчета, которая применяется при конструировании ЭП подач станков.

Произведем расчеты для выбора двигателя привода подачи по координате Z для нахождения момента сопротивления на валу двигателя и требуемой мощности.

Фактическая мощность ЭД определяется по формуле:

(1)

где nномноминальная частота вращения ЭД, мин-1;

Мvсуммарный момент сопротивления перемещению, приведенный к валу двигателя, Нм.

Величина момента Мz рассчитывается по формуле

(2)

где Fvтяговая сила, необходимая для преодоления сил полезного сопротивления, Н;

hsшаг винта, принимаем hs=0.02м;

— КПД редуктора, — передаточное число редуктора, т.к. редуктор убирается из модернизированного станка, то принимаем ,.

Сила Fv определяется по формуле:

(3)

где Kпкоэффициент, учитывающий влияние опрокидывающего момента, который возникает вследствие несимметричного приложения силы подачи, для суппортов горизонтально — расточных станков принимаем Кп=1.1;

Pzсоставляющая сила резания, действующая в направлении подачи, Н;

Fcсила трения в направляющих, определяется по формулам, рекомендуемым нормалью станкостроения Н48−61:

(4)

где Qcвес суппорта:

(5)

=1300?9.84=12,7кН

f=0.01 приведенный коэффициент трения;

Py, Pzсоставляющие силы резания Н, определяются по предложенным режимам резания базового ТП.

Рассчитаем силы резания по формуле:

(6)

где tглубина резания, t=0.02м;

sподача, s=2мм/об;

Cp, x, y, nпостоянные коэффициенты и показатели степени для расчетных условий, которые соответственно равны: 339, 0.5, 0.55, 0.5;

Kpпоправочный коэффициент, учитывающий фактические условия обработки, Kp=1.1;

v — Скорость резания, v=15м/мин.

Осевая сила резания составляет:

Тангенциальную Pz и радиальную Py составляющие силы резания определяем из соотношения:

Px: Py: Pz= 1: 0.4: 0.25 (7)

отсюда Pх=1,16 кН; Py= 0,725 кН.

Таким образом, необходимая тяговая сила составляет:

Момент сопротивления, приведенный к валу двигателя:

Рассчитанное значение момента используем для определения серии ЭД.

Расчетное значение требуемой мощности ЭД:

кВт.

Определив момент сопротивления на валу двигателя, требуемую мощность привода подач с номинальным вращающим моментом Мн=10,5 Нм, частотой nн=1500 об/мин и расчетным значением мощности выбираем привод взамен старого АОЛ-11.Проанализировав возможные варианты принимаем решение установить тиристорный преобразователь серии КЕМРОН исходя из следующих данных.

Основное преимущество ТП — высокий КПД (95 — 99%) и высокое быстродействие (они практически безинерционы), возможность управления, ремонтопригодность.

Применение ТП в электроприводе главного движения позволит:

— улучшить удельные энергетические показатели на 50%;

— достичь повышенной управляемости и быстродействия объекта регулирования;

— уменьшить габариты и массу;

— сократить число сбоев оборудования, вследствие своей высокой надежности и меньшего диапазона изменения своих параметров в случае непостоянства температуры.

Выбираем преобразователь тиристорный с частотным управлением двигателем постоянного тока.

2.2 Назначение, технические данные и устройство электропривода типа «Кемрон»

Электроприводы типа «Кемрон» находят широкое применение в приводах подач металлорежущих станков благодаря высоким статическим и динамическим характеристикам, а также большому количеству типоразмеров (от 1,5 Нм до 170 Нм).

В комплект привода входят:

— тиристорный преобразователь;

— высокомоментный двигательпостоянного тока со встроенными тахогене-ратором, резольвером, электромагнитным тормозом и позистором;

— силовой трансформатор;

— уравнительные дроссели;

— быстродействующие силовые предохранители.

Наличие тормоза, резольвера и величины передаточного отношения к нему определяются, заказчиком, так же как и количество координат при одном общем силовом трансформаторе. Он представляет собой однокоординатный модуль, выполненный по блочной конструкции, обеспечивающей свободный доступ ко всем элементам и контрольным точкам.

Комплектные электроприводы с высокомоментными электродвигателями постоянного тока типа 23МВН2СР-М (1М).

— номинальный момент (длительный) 23Нм

— номинальная частота вращения 750 мин

— максимальная частота вращения 1500 мин

— полоса пропускания частот ?20 Гц

— номинальный ток 40А

— максимальный кратковременный ток 250А

— коэффициент неравномерности при

= 0.15 мин -1 ?0,3

— среднее ускорение 1300/2000 рад/сек

— управляющие напряжение при максимальной частоте вращения ±10V

— пульсации управляющего напряжения ±2%

— напряжение питания 3 ~ 38ОV

-частота напряжения питания 50Н2 + 2%

Тиристорный преобразователь типа 4AEBL6.

— Напряжение питания 205V

— максимальное выпрямленное напряжение 160V

— номинальный ток 40А

— максимальный кратковременный ток, 250

— управляющее напряжение; О-10V

— пульсации управляющего напряжения ?2%

— масса 11 кг Силовой трансформатор7,7−380/205

Технические параметры

— Номинальное входное напряжение (V) 3−380

— Допустимое отклонение +10.-15

— Частота сети 50 ± 2%

— Номинальное линейное выходное напряжение 205

— Номинальная мощность (кYA) 7,7

Описание работы преобразователя Преобразователь выполнен по двухконтурной схеме подчиненного регулирования с регуляторами скорости и тока. Управление преобразователем — согласованное нелинейное на низких скоростях и раздельное на высоких скоростях (более 300 об/мин). Предусмотрено адаптивное управление коэффициентами усиления контура скорости на низких скоростях.

Большое число электронных защит исключает выходы из строя элементов преобразователя в аварийных ситуациях.

Приступим к подробному описанию принципиальной схемы привода.

Силовая схема (рисунок 4) преобразователя выполнена по реверсивной шести-пульсной однополупериодкой схеме выпрямления с уравнительными дросселями. Такая схема обеспечивает высокую полосу пропускания привода (до 40 Гц) и высокие динамические свойства, что оправдывает ее повышенную сложность.

Силовой трансформатор осуществляет согласование напряжения электродвигателя с напряжением сети питания. Обмотки трансформатора включены по схеме «треугольник — двойной зигзаг», чем достигается исключение потока вынужденного намагничивания и, как следствие, экономия стали. Векторная диаграмма напряжений силовой части приведена на рисунке 4.

Следует сделать некоторые пояснения к маркировке выводов силового трансформатора и построению векторной диаграммы. Применен трехфазный трансформатор с четырьмя обмотками на каждом стержне. Маркировка обмоток, расположенных на одном стержне, имеет однотипные буквы, например, первого стержня:

(А—X) — первичная обмотка;

(а—х, а1—х1, а2—х2) — вторичные обмотки.

Рисунок 3 — Блок-схема привода «Кемрон»

Рисунок 4 — Силовая схема Соединения в точках а2—b2—с2, сделаны внутри намотки и недоступны при эксплуатации.

Пофазный принцип маркировки выводов вторичной обмотки трансформатора может вызвать затруднения при анализе фазировок силового напряжения и управляющих импульсов СИФУ, поэтому на рисунке 5 указано двойное обозначение.

Физической прямой последовательности фаз R—S—Т—R—S—Т шестипульсиого напряжения соответствует последовательность Z1—Z—Х1—X—Y1—Y по фактическим обозначениям на выводных клеммах силового трансформатора.

При монтаже привода к выводам выпрямителя 1, 2, 3 подключаются инверсные фазы R, S, Т (или X, У, Z), а к выводам 4, 5, 6 прямые фазы R, S, Т (или Z1, X1, Y1) соответственно.

Для защиты тиристоров от коммутационных перенапряжений они охвачены RС-цепочками. Общая защита выполнена на быстродействующих предохранителях во вторичной цепи силового трансформатора.

Регулятор скорости (рисунок 6) представляет собой пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор и выполнен на трех операционных усилителях с раздельной регулировкой коэффициентов пропорционального усиления и времени интегрирования.

Первый каскад, на микросхеме ИС62, осуществляет пропорциональное усиление, второй каскад, на микросхеме ИС63, — регулирование времени интегрирования, и третий каскад, на микросхеме ИС64, — суммирование ошибки и ее интеграла. Регулятор скорости инвертирует входной сигнал (рисунок 7). Предусмотрен «ключ» на встречно включенных полевых транзисторах Т106—Т107, блокирующий регулятор скорости при срабатывании защиты. Он же создает нулевые начальные условия интегрирования при первоначальном включении привода. В цепи обратной связи по скорости предусмотрено корректирующее звено (С247, R353), подстраивать ускорение и уменьшить перерегулирование (рисунок 8). Параметры RС-цепочки подбираются иа заводе-изготовителе для конкретного приводного двигателя.

Рисунок. 5 — Векторная диаграмма силовых напряжений Рисунок 6 — Регулятор скорости Рисунок 7 — Диаграмма работы PC

Наладочное сопротивление R423 позволяет сделать регулятор пропорциональным, что полезно при первоначальном пуске привода.

Назначение регулировочных потенциометров следующее:

П17—балансировка регулятора скорости; П18, — регулирование пропорционального усиления; П20 — регулировка времени интегрирования.

Предусмотрено два входа для задающего сигнала Узад — прямой и дифференциальный. Подключение осуществляется перемычками М23, М24 и М25. Регулирование максимальной скорости электродвигателя осуществляется изменением величины обратной связи по скорости при помощи потенциометра П14.

Рисунок 8 — Регулятор тока Регулятор тока (рисунок 8) также представляет собой ПИ-регулятор и выполнен на операционном усилителе ИС65. Входным сигналом РТ является выходное напряжение регулятора скорости, определяющее величину тока двигателя. В качестве датчика тока применен шунт Sh, сигнал которого через дифференциальный усилитель, выполненный иа ОУ ИС69, ИС70. подается в цепь обратной1 связи РТ. Сопротивление R415 позволяет регулировать величину тока.

Предусмотрена блокировка регулятора «ключом» на полевых транзисторах.

Запайкой сопротивления R397 регулятор можно сделать пропорциональным.

Сопротивления R4−24 и R425 предназначены для задания начальной величины тока при остановленном двигателе, т. е. для задания при необходимости момента, удерживающего, например, вертикальные координаты от падения. Однако, как правило, эти сопротивления не запаиваются.

При настройке PC и РТ следует помнить, что сопротивления, помеченные знаком *, подобраны на заводе-изготовителе для конкретного типа двигателя и менять их не следует.

Потенциометрами П18 и П20 добиваются оптимального переходного процесса на высоких скоростях, при этом в кривых скорости и тока не должно быть перерегулирования, а ток должен достигать максимального значения между 2-м и 3-м пульсами. Однако при снижении величины задающего напряжения, на низких скоростях, вновь появится перерегулирование. Для его уменьшения необходимо увеличить коэффициент пропорционального усиления и уменьшить время интегрирования. Для этой цели в приводе предусмотрен адаптивный регулятор коэффициента усиления.

Адаптивный регулятор предназначен для изменения коэффициента усиления и постоянной времени интегрирования PC в функции частоты вращения, что позволяет обеспечить высокие динамические характеристики привода. Принцип действия АР основан на широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Параллельно потенциометрам П18—пропорционального и П20 — интегрирующего усилителей PC через «ключи» на полевых транзисторах включены потенциометры П19 и П21 соответственно (рисунок 9). Ключи и, следовательно, время параллельного включения потенциометров П19 и П21 управляются от АР. При этом выделяется три зоны (рисунок 10).

Рисунок 9 — Фрагмент регулятора скорости Средние скорости, плавное изменение усиления и постоянной времени в функции скорости. Большие скорости, малое усиление, большая постоянная

времени, ключ разомкнут, потенциометры П19 и П21 отключены.

Блок-схема узла адаптации показана на рисунке 10 и включает в себя следующие элементы:

— генератор треугольного напряжения, выполненный на ОУ ИС51 и ИС52;

— сумматор входных сигналов ИС66;

— схема выделения модуля входного сигнала ИС67;

— компаратор ИС68, ИС53;

— Преобразователь уровня напряжения, транзистор Т101;

— ключи на полевых транзисторах 7104, Т105 и Т108, Т109. На вход компаратора подается три напряжения:

Напряжение треугольной формы от автономного генератора частотой около 10 кГц;

Отрицательное напряжение смещения, регулируемое потенциометром П23 и запирающее выход компаратора;

Выпрямленная сумма напряжений задания и тахогенератора положительного знака.

Скорость изменения этого напряжения регулируется потенциометром П22.

Работа узлов адаптации поясняется диаграммой рисунок 11. При малых скоростях положительное напряжение ИС67 меньше напряжения смещения с потенциометра П23. ОУИС68 насыщен в положительном направлении. Напряжение, на неинвертирующем входе ИС53 больше, чем. амплитуда треугольного напряжения на инвертирующем входе, следовательно, ИС53 насыщен также в положительном направлении. Транзистор. Т101 открыт, на входе ключей напряжение + 15 В, ключ замкнут, подключено параллельное сопротивление, усиление большое.

Рисунок 10 — Блок-схема узла адаптации При больших скоростях напряжение ИС67 больше напряжения смещения. ИС68 и ИС53 насыщены в отрицательном направлении. Транзистор Т101 закрыт, на входе ключей напряжение — 30 В, ключ разомкнут, параллельное сопротивление не подключено, усиление малое.

На средних скоростях напряжения ИС67 и смещения соизмеримы, под действием треугольного напряжения ОУ ИС53 переключается по закону широтно-импульсной модуляции, обеспечивая плавное изменение коэффициента, усиления и соответственно времени интегрирования.

Чем больше коэффициент усиления ОУ ИС66, тем уже зона адаптации.

Следует отметить, что адаптивный регулятор работает только при малой сумме задающего напряжения и напряжения тахогенератора, при пуске и торможении с больших скоростей АР не работает, что обеспечивается суммированием указанных сигналов на ОУ ИС66.

Влияние регулировочных потенциометров на зависимость коэффициента усиления от скорости показана на рисунке 11.

В качестве ГТН применена типовая схема, состоящая из генератора линейно-изменяющегося напряжения на ИС52 и компаратора ИС51 с гистерезисной характеристикой за счет положительной обратной связи. Подробное описание его работы приведено в главе III.

Рисунок 11 — Диаграмма работы адаптивного регулятора Рисунок 12 — Блок-схема нелинейного токоограничеиия Рисунок 13 — Схема функционального преобразователя Блок нелинейного токоограничения обеспечивает ограничение тока якоря в функции частоты вращения, близкой к коммутационной кривой высокомоментного двигателя. Принцип работы БНТО поясняется схемой рисунок 12. Регулятор скорости PC охвачен двумя цепями обратной связи, выполненными на операционных усилителях ИС57 и ИС59, на входы которых подаются напряжения выхода PC и напряжение функционального преобразования, выполненного на ОУ ИС54+ИС56. Напряжение является функцией частоты вращения, причем форма кривой Un=f (n) копирует коммутационную кривую электродвигателя.

Если UРс

При UРо>Uфп открывается один из диодов, в зависимости от направления вращения, и шунтируется вход регулятора скорости. Соответственно уменьшается напряжение на выходе PC, т. е. задание для регулятора тока РТ, и происходит ограничение величины тока.

Схема функционального преобразователя приведена на рисунке 13. Операционный усилитель ИС54 осуществляет выпрямление входного сигнала, и на его выходе формируется модуль напряжения |UТг|.

При нулевой скорости выходное напряжение ИС55 определяется величиной сопротивления R320, а напряжение ИС56 — напряжением смещения, снимаемого с потенциометра Ш2. До точки, А при положительном напряжении ИС55 диод Д257 заперт, напряжение на выходе ИС56 отрицательное и постоянное. По мере повышения скорости, после точки, А напряжение на выходе ИС55 становится отрицательным, диод Д257 открывается, напряжение на выходе ИС56 начинает уменьшаться по абсолютной величине. Открывающиеся последовательно диоды Д256, Д254, Д252 в цепи обратной связи ИС55 уменьшают его коэффициент усиления, формируя тем самым кривую токоограничения.

Рисунок 14 — Блок-схема СИФУ В идеале — это кривая постоянной мощности, реально —на высоких скоростях нужно несколько уменьшить нагрузку, а на низких скоростях ее можно увеличить. Заштрихованная зона не используется, так как на практике максимальный ток в худшем случае достигается на 3-м пульсе, и при этом двигатель набирает такие обороты, что уже нужно ограничивать ток. Максимальная величина тока отсечки обычно Iотс = (4−6) Iном.

Способность двигателя выдерживать большие перегрузки — до (10−12) Iном — говорит лишь об общем качестве двигателей, их защищенности от размагничивания и не может быть реализована на практике.

Напряжение коммутационной кривой Uфл подается также в СИФУ, где суммируется с напряжением регулятора тока РТ, уменьшая величину уравнительного тока.

Модуль напряжения |Uтг| с потенциометра ПИ подается в схему защиты от превышения максимальной скорости.

Система импульсно-фазового управления (СИФУ) привода выполнена по вертикальному принципу и состоит из трех одинаковых каналов управления для каждой из фаз питания R, S и Т.

Рисунок 15 — Диаграмма работы СИФУ Рисунок 16 — Схема формирования управляющего напряжения СИФУ Блок-схема СИФУ показана на рисунке 14, а диаграмма ее работы — на рисунке 15 и особых пояснений не требуют.

Напряжение синхронизации Ux (Uу, Uг) подается на каналы СИФУ с трансформаторов Т13, T14, Т15 соответственно. Это напряжение задерживается цепочкой П1 — С31 приблизительно на 63 эл. град, и подается на ключи ИС11 и ИС12. Напряжения на выходах ключей взаимоинверсны, однако фронты этих напряжений сдвинуты за счет rJ подачи разнополярного сме щения, регулируемого потенциометром П7. Формируемый на элементе «Я» короткий отрицательный импульс запускает ждущий генератор пилообразного напряжения, выполненный на ОУ ИС13 и транзисторе 721.

На элементах ИС14 и ИС15 осуществляется сравнение величины пилообразного напряжения с управляющими напряжениями, поступающими с ОУ ИС27 и ИС28. Выходные напряжения ИС14, ИС15 дифференцируются и через схемы управляют усилителями Т25, Т26 анодной группы тиристоров и ТЗО, Т31 катодной группы.

Рисунок 17 — Схема совпадения и генератора пилообразного напряжения Следует особо отметить, что в формировании управляющего напряжения СИФУ (рисунок 16) участвует напряжение функционального преобразователя.

Потенциометром П8 устанавливается начальный угол запаздывания зажигания, чему соответствует Uупр=5 В.

Рисунок 18 — Усилитель управляющих импульсов Диод Д134 в цепи ООС ИС27 ограничивает положительное напряжение на выходе до уровня 0,7 В, что исключает возможность «срыва» генерации управляющих импульсов, так как амплитуда положительного выброса напряжения пилообразной формы составляет большую величину — 2 В.

Конденсатор СИЗ предназначен для фильтрации пульсаций тока. На рис. 18показана схема и генератор пилообразного напряжения. При закрытом транзисторе Т21 конденсатор С60 заряжается от источника питания + 15 В, формируя линейно-изменяющееся выходное напряжение. Его крутизна, и следовательно амплитуда, регулируются потенциометром П72. В короткие моменты открытия транзистора Т21 конденсатор С60 быстро разряжается.

Сопротивление R88 и диод Д54 формируют положительный импульс «пилы» амплитудой 2 В.

Схема совпадения и усилителя управляющих импульсов приведена на рис. 18. Положительный фронт напряжения ИС14 дифференцируется, конденсатором, открывая транзистор Т22 и один из транзисторов Т23 или Т24, у которого на обоих входных диодах Д55, Д56 или Д58, Д59 отрицательные напряжения. Коллекторный ток транзисторов Т23 или Т24 открывает соответствующий выходной усилитель 7*25 или Т26, формируя управляющий импульс силовых тиристоров длительностью около 200 мкс. Каналы Y и Z работают аналогично.

Система защит преобразователя В приводе предусмотрены следующие защиты:

— от обрыва или неправильного чередования фаз;

— отсутствия пилообразного напряжения;

— отсутствия напряжения питания —30 В.

Эти три защиты объединены общим усилителем и индикацией СР—connecting protection:

— превышения максимально допустимого тока и обрыва обратной связи по току ОС ;

— обрыва обратной связи по скорости TG — taxogenerator;

длительной перегрузки OL — overload;

— превышения максимальной частоты вращения OS — overspeed. Предусмотрено запоминание сигналов защит ОС, TG, OL и OS.

При срабатывании какой-либо из защит пуск привода возможен только после новой, подачи сигнала включения привода.

Рисунок 19 — Схема защиты от неправильного чередования и обрыва фаз Готовность привода к работе индикатируется светодиодом RD — ready. При включении преобразователя загорается светодиод ON. Все защиты при срабатывании блокируют регуляторы скорости и тока, а также управляющие импульсы в СИФУ.

Рисунок 20 — Схема защиты СР

Схема защиты от обрыва или неправильного чередования фаз приведена на рис. 19. Здесь же показана векторная диаграмма шестифазного напряжения, поясняющая принцип действия защиты. При правильном включении R+R—0, S+S=0 и Т+Т=0. В случае обрыва фазы или неправильного соединения появляется неуравновешенное напряжение, отрицательная полуволна которого через один, из диодов Д13—Д16 поступает в схему защиты СР и вызывает ее срабатывание.

Ниже приведена схема защиты СР (рисунок 20).

Канал контроля пропадания напряжения —30 В одновременно является опорными напряжением для компаратора иа ОУ ИС41. Нормально, когда на выходе ИС41 отрицательное напряжение — транзистор Т66 закрыт.

Рисунок 21 — Блок-схема защиты ОС При обрыве фазы на выходе ИС41 появляются импульсы положительного напряжения, транзистор Т66 открывается, снимаются сигналы включения ON и готовности RD. Конденсатор С153 осуществляет задержку при восстановлении защиты около (0,5−7-0,8) c.

Принцип работы защиты от пропадания пилообразного напряжения аналогичен. При нормальной работе на входе транзистора Т65 большое отрицательное напряжение и он открыт, что соответствует нулевому напряжению на входе ОУ ИС41 по данному каналу. При пропадании одного из пилообразных напряжений СИФУ транзистор Т65 периодически закрывается, и на выходе ИС41 появляются положительные импульсы, вызывающие срабатывание защиты СР.

Защита от пропадания напряжения питания —30 В работает следующим образом. При отсутствии напряжения —30 В входное напряжение неинвертирующего входа ОУ ИС41 становится равным нулю и защита срабатывает по каналу обрыва фаз.

Блок-схема защиты от превышения максимально допустимого тока ОС показана на рисунке 21, а развернутая принципиальная схема усилителя тока и компаратора — на рисунке 22.

Итак, коэффициент передачи усилителя модуля тока равен 3, а напряжение на его выходе всегда положительно и равно:

U= 3•1,25 = 3,75 В.

Порог срабатывания компаратора ИС42 настраивается несколько выше, Uоп=4 В. Двигатель при этом не размагничивается.

При превышении максимально допустимой величины тока напряжение иа выходе ИС72 превышает опорное, что приводит к срабатыванию защиты ОС.

Схема памяти (рисунок 23) представляет собой бестоковый триггер, выполненный на транзисторах Т70 и Т71. В исходном положении оба транзистора закрыты под действием напряжения смещения— 15 В.

Положительный импульс с компаратора ИС42 включает транзистор Т70 и, как следствие, транзистор 771.

Выключение триггера осуществляется отрицательным сигналом сброса от схемы деблокировки привода.

Снятием перемычки Мб можно исключить влияние защиты ОС на схему готовности RD и отключение привода.

Схема защиты от обрыва обратной связи по скорости показана на рис. 24. Она включает в себя автоколебательный мостовой генератор Вина, выполненный иа ОУ ИС43, компаратор иа ИС44 и память иа транзисторах Т72, Т73.

При нормальной работе низкое омическое сопротивление тахогенератора ТГ через конденсатор С161 закорачивает генератор по высокой частоте и колебания отсутствуют.

На выходе ИС43 нулевое напряжение. При обрыве цепи тахогенератора возникают колебания частотой fs (1,2−7-1,3) кГц, вызывающие срабатывание защиты. Амплитуда и форма колебаний определяются величиной сопротивления R261. При малом R261 — колебания имеют прямоугольную форму, среднем — синусоидальную, а большом — колебания срываются.

Небольшой фильтр С162 исключает срабатывание защиты от ложных помех и отскоках щеток тахогенератора.

Схемы памяти и индикации аналогичны защите ОС.

Запайкой перемычки МП действие защиты TG можно исключить.

Схема защиты от длительной перегрузки OL и осциллограмма ее работы показаны на рисунке 24.

Рисунок 22 — Принципиальная схема защиты ОС Здесь ИС57 и ИС59 — операционные усилители цепей обратной связи нелинейного токоограничения.

Если Uр. с

Рисунок 25- Схема защиты OS

Насыщены в положительном направлении, диоды Д259 и Д261заперты, а конденсатор С224 заряжен от положительного напряжения +15 В источника питания. На выходе компаратора ИС45 отрицательное напряжение, диод Д227 заперт защита не работает.

Если Upc>Ubu, т. е. работает токоограничение, то на одном из ОУ, ИС57 или ИС59, в зависимости от полярности тока, напряжение на выходе станет равным —0,7 В или ±0,7 В соответственно. Эти напряжения превышают опорные ОУ ИС58 и ИС60 от делителей R338, R339 и R343, R344, следовательно, сработает одни из компараторов — ИС58 или ИС60.

Рисунок 26 — Принципиальная схема формирования сигналов готовности RD и включения привода ON

Напряжение на их выходе станет равным —15 В и конденсатор С224 начнет разряжаться через диоды Д259 и Д261. Второй цепью разряда конденсатора С224 является сопротивление R331″ подключенное к напряжению UфП. Этим достигается определенная адаптация, так как при малой частоте вращения величина отрицательного напряжения СфП увеличивается и разряд происходит быстрее, соответственно при больших скоро стях— медленнее.

Если привод перегружен в течение времени больше Uзад, то переключается компаратор ИС45, что приводит к срабатыванию защиты.

Схемы памяти и сигнализации аналогичны.

Схема защиты от превышения максимальной скорости 0S включает в себя компаратор на ОУ ИС46 и память на транзисторах Т76 и Т77. Защита срабатывает при превышении заданной потенциометром ПИ предельно допустимой частоты вращения, т. е. при превышении напряжения модуля UTr величины смещения задаваемого делителем на сопротивлениях R276, R277.

Установкой перемычки М20 можно ограничить скорость на низком уровне при первоначальном пуске.

Формирование сигналов готовности RD и включения преобразователя ON показано на рисунке 26.