Анализ технологического процесса промышленной установки и формулирование требований к автоматизированному электроприводу

• СОДЕРЖАНИЕ
• ВВЕДЕНИЕ
• 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОМЫШ-ЛЕННОЙ УСТАНОВКИ И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ ЭЛЕКТРОПРИВОДУ
• 1.1 Описание промышленной установки
• 1.2 Анализ технологического процесса и выбор управляемых координат электропривода
• 1.3 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу
• 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
• 2.1 Литературный обзор систем электропривода, применяемых в промышленной установке
• 2.2 Выбор рациональной системы электропривода
• 2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода
• 3. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
• 3.1 Анализ кинематической схемы механизма. Разработка расчётной схемы механической части электропривода и определение её параметров
• 3.2 Расчёт нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма
• 3.3 Предварительный выбор двигателя по мощности
• 3.4 Выбор номинальной скорости двигателя и типоразмера двигателя
• 3.5 Построение нагрузочной диаграммы электропривода
• 3.6 Проверка выбранного электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности
• 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
• 4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора вида преобразователя электрической энергии
• 4.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи
• 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
• 5.1 Выбор датчиков управляемых координат автоматизированного электропривода
• 5.2 Разработка математической модели автоматизированного электропривода
• 5.3 Расчёт параметров объекта управления
• 5.4 Определение структуры и параметров управляющего устройства
• 6. РАСЧЁТ И АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
• 6.1 Разработка имитационной модели электропривода
• 6.2 Расчет и определение показателей качества переходных процессов
• 6.3 Построение статических характеристик электропривода
• 7. ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРЕВУ С УЧЕТОМ ТОЧНОЙ НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ
• 7.1 Построение точной нагрузочной диаграммы электропривода за цикл работы автоматизированного электропривода
• 7.2 Проверка электродвигателя по нагреву
• 8 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ
• 8.1 Формализация условий работы промышленной установки
• 8.2 Разработка алгоритма и программы управления
• 8.3 Разработка функциональной схемы системы автоматизации
• 8.4 Выбор аппаратов системы автоматизации
• 8.5 Проектирование схемы электрической соединений системы автоматизации
• 9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ
• 9.1 Выбор аппаратов, проводов и кабелей
• 10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СОЕДИНЕНИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
• 10.1 Схема электрическая соединений автоматизированного электропривода
• 10.2 Составление перечня элементов электрооборудования промышленной установки
• 11. ОХРАНА ТРУДА
• 11.1 Меры безопасности при выполнении работ на базовой установке
• 11.2 Производственная санитария
• 11.3. Пожарная безопасность
• 12. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
• 12.1 Общие сведения
• 12.2 Расчет начальных затрат
• 12.3 Определение эксплуатационных затрат
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• 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: привод 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 осуществляется 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 поперечного движения токарно-винторезного станка модели 16А20Ф3 и его автоматизация, являются актуальными.
• 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ ЭЛЕКТРОПРИВОДУ

1.1 Описание промышленной установки

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 токарной группы.

Станок модели 16А20Ф3 предназначен для токарной обработки деталей типа тел вращения в замкнутом полуавтоматическом цикле.

Диапазон регулирования частот вращения шпинделя и подач позволяет производить обработку изделий как из обычных черных и цветных металлов, так и легированных сталей.

Станок может применяться в различных отраслях промышленности в индивидуальном, мелкосерийном и серийном производстве с мелкими повторяющимися партиями деталей.

Станки могут выпускаться с различными устройствами ЧПУ, в исполнении для встраивания в гибкие производственные модули, а также в специальном и специализированном исполнении при оснащении наладками по согласованию с заказчиком.

Общий вид станка модели 16А20Ф3 и расположение составных частей показаны на рисунке 1.1−1.2. Состав оборудования станка приведен в таблице 1.1. 1]. Основные технические данные и характеристики станка модели 16А20Ф3 приведены в таблице 1.2. [1]

Рисунок 1.1 — Компоновка станка (вид спереди)

Рисунок 1.2 — Компоновка станка (вид сзади)

Таблица 1.1

Перечень составных элементов станка

Таблица 1.2

Основные технические данные и характеристики станка

1.2 Анализ технологического процесса и выбор управляемых координат электропривода

Станок предназначен для токарной обработки в замкнутом цикле в патроне и центрах деталей с прямолинейным, ступенчатым и криволинейным профилем. На станке можно производить наружное точение, растачивание, сверление, нарезание резьбы по программе. Диапазон регулирования частот вращения шпинделя и подач позволяет производить обработку изделий как из обычных черных и цветных металлов, так и легированных сталей. Обработка заготовки производится путем снятия стружки, в результате чего, она принимает форму близкую к требуемой (черновая обработка) или совпадающую с ней в пределах определенной точности размеров (чистовая обработка).

Процесс обработки деталей проходит в несколько этапов. В начале включается привод главного движения (шпинделя), что требуется по условиям безопасной работы. После этого осуществляется ускоренный подвод суппорта с режущим инструментом к обрабатываемой детали. Далее происходит переход к рабочей подаче. При врезании инструмента в обрабатываемую деталь начинается процесс резание металла, сопровождаемый съемом определенного слоя стружки. По окончанию процесса резания суппорт отводится от детали в исходное положение на быстром ходу. После этого происходит остановка привода главного движения. По завершению обработки можно производить смену детали. Покажем тахограмму электропривода работы станка (привода) за цикл одного чернового и одного чистового прохода, которая представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 — Тахограмма работы электропривода токарного станка

1 — разгон двигателя; 2 — холостой ход; 3 — врезание; 4 — резание; 5 — остановка двигателя; 6 — отвод инструмента; 7 — разгон двигателя в обратную сторону для возвращения резца на исходную позицию; 8 — холостой ход (скорость быстрых перемещений); 9 — торможение двигателя; 10 — смена инструмента.

В токарных станках основными приводами являются: главный привод и привода подач (продольная и поперечная). В процессе снятия стружки резцом возникает усилие, приложенное под некоторым углом к режущей кромке инструмента, которое можно представить в виде трех составляющих (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 — Усилия резания

S — подача, т. е. перемещение резца, приходящееся на один оборот изделия. Величина t — глубина резания (расстояние между обработанной и обрабатываемой поверхностями).

В электроприводе поперечной подачи усилие (момент) резания постоянно на всём диапазоне регулирования и это обусловлено большой составляющей сил трения. Оптимальное протекание процесса резания требует от системы управления возможности регулирования скорости.

1.3 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу.

Требования к системе предъявляются исходя из технологического процесса и должны быть реализованы в ходе анализа и синтеза электропривода. Основные требования, предъявляемые к электроприводу поперечной подачи:

обеспечение плавного пуска двигателя с ограниченным значением момента и ускорения обеспечение реверса привода;

регулирование скорости при постоянном моменте нагрузки;

обеспечение диапазона регулирования скорости:

;

точность регулирования, т. е. отработка больших, средних и малых перемещений;

высокие требования к переходным процессам и динамическим показателям системы электропривода, при регулировании не должно происходить резких бросков тока и скачков скорости, то есть регулирование должно осуществляться плавно, чтобы величины перерегулирования скорости и тока не превышали пятипроцентный барьер.

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. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Литературный обзор систем электропривода, применяемых в промышленной установке Традиционно в приводах подач используются системы электроприводов на основе двигателей постоянного тока, асинхронный двигателей и синхронных двигателей с постоянными магнитами. Используя [2], выделим некоторые комплектные электропривода, которые могут применяться в механизмах подач металлорежущих станков.

Асинхронный двигатель и коробка скоростей На некоторых станках и до настоящего времени применяют трехфазные однои 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.

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 двухи однозонным регулированием скорости с обратной связью по скорости (исполнение М) или с обратной связью по ЭДС (исполнение Е).

Силовые схемы тиристорного преобразователя (ТП) для питания якоря двигателя 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 и ограничивающими реакторами. В якорной цепи для высокомоментных двигателей предусмотрен сглаживающий реактор. Выпрямитель для обмотки возбуждения двигателя выполняется по однои трехфазным схемам выпрямления с диодами. В двухзонных ЭП используется тиристорный преобразователь возбуждения. Максимально-токовая защита ЭП с двигателем на токи до 100 А производится плавкими предохранителями, а выше 100 А — автоматическим выключателем.

Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями Выпускаются ЭП с широтно-импульсными преобразователями (ШИП — Д), питающиеся от сети переменного тока через неуправляемый выпрямитель. Такие ЭП более быстродействующие, чем ЭП с управляемыми выпрямителями (полоса пропускания до 200 — 250 Гц), обеспечивают высокие диапазоны регулирования скорости (до 10 000 и выше) с высокой плавностью вращения двигателя, имеют меньшие потери и более высокий коэффициент мощности. Последней разработкой является трехкоординатный ЭП типа ЭШИМ-1, предназначенный в первую очередь для ЭП механизмов роботов. В ЭП применен трехобмоточный питающий трансформатор с двумя вторичными обмотками, служащими для раздельного питания силовой части ЭП и системы управления. Блок питания обеспечивает работу от одного до трех блоков регулирования (при одной-трех координатах управления). Блок регулирования содержит силовой трехфазный выпрямитель со сглаживающим фильтром, разрядники для ограничения перенапряжений, возникающих при торможении двигателя или со стороны питающей сети, и для обеспечения аварийного торможения двигателей любой координаты; устройство защитного отключения при авариях и источник питания цепей управления. Система управления ЭП двухконтурная с ПИ-регулятором скорости и релейным регулятором тока. Регулятор скорости выполнен с перестраиваемой в функции скорости коррекцией.

Асинхронный электропривод с преобразователем частоты Электропривод содержит: асинхронный двигатель; тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ), в силовую схему которого входят: трехфазный мостовой регулируемый выпрямитель (преобразователь напряжения) со звеном постоянного тока; автономный инвертор напряжения, фильтр; блок подзаряда конденсаторов: узел силового токоограничения; датчик тока.

Замкнутая система ЭП построена по принципу сравнения сигнала задания тока с сигналом обратной связи по внутренней току двигателя.

В ТПЧ используется автономный инвертор напряжения с пофазной коммутацией, коммутирующее устройство которого служит для попеременного запирания тиристоров двух вентильных плеч, относящихся к одной фазе инвертора. Схема автономного инвертора содержит: мост коммутирующих тиристоров; разделительные диоды.

Независимость напряжения на коммутирующем конденсаторе от напряжения питания можно обеспечить, применяя подзаряд конденсатора от посторонних источников через тиристоры подзаряда после окончания коммутации тока в основных тиристорах.

Поэтому для обеспечения постоянной коммутационной способности инвертора при регулировании амплитуды и частоты выходного напряжения в преобразователе применяется источник подзаряда коммутирующих конденсаторов, состоящий из неуправляемого (или полууправляемого) выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме. Напряжение на его выходе фильтруется Т-образным фильтром. В схеме ЭП осуществляется максимально-токовая защита. Защита тиристоров рабочих, коммутирующих, подзаряда и разделительных диодов от перенапряжений осуществляется цепями RC.

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 U_{з, 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.

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.

Комплектный тиристорный электропривод переменного тока серий ЭПБ1 и ЭПБ2

Электроприводы ЭПБ предназначены для одно-, двухи трех координатных механизмов подачи металлорежущих станков, промышленных роботов и других механизмов, требующих широкого диапазона регулирования скорости. Электропривод построен по системе тиристорный преобразователь частоты — синхронный двигатель (ТПЧ-СД) с частотно-токовым управлением. Он обеспечивает высокое быстродействие и малые уровни шума и электромагнитных потерь в двигателе. В состав ЭПБ1 входят: бесколлекторный СД с возбуждением от постоянных магнитов в роторе с пристроенными тахогенератором и датчиком углового положения ротора (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 ЭП — двухконтурная с ПИ-РС и безынерционным релейным РТ. Для согласования реверсивного сигнала задания тока u_{з, т} с нереверсивным сигналом датчика тока u_т используется переключатель характеристик, управляемый логическим устройством.

В ЭП предусмотрены следующие электрические защиты: нулевая, максимально-токовая; защиты от перегрева двигателя; от прекращения вентиляции и обрыва возбуждения тахогенератора. Имеется блокировка от ползучей скорости двигателя.

2.2 Выбор рациональной системы электропривода Характер технологического процесса оказывает основное влияние на режимы работы электропривода и определяет главные требования, предъявляемые к нему. Электропривод поперечной подачи должен обеспечивать глубокое регулирование угловой скорости при постоянстве момента нагрузки, высокие динамические показатели системы, и кроме того, должен точно отрабатывать большие, средние и малые перемещения.

Для привода подачи применим только регулируемый электропривод т. к производится регулирование скорости движения в широких пределах, предъявляются высокие требования к качеству регулирования .

Регулируемый электропривод с плавным изменением частоты вращения в широком диапазоне наилучшим образом удовлетворяет условиям автоматического регулирования.

Наиболее распространенным видом привода вследствие своей простоты и наименьших капитальных вложений является короткозамкнутый асинхронный электродвигатель. Этот вид привода применяется от самых малых мощностей до нескольких тысяч киловатт, кроме того, он отличается простой конструкцией, высокой надежностью и удобством в обслуживании. Управление механическими координатами, основными из которых являются скорость вращения и момент на валу, в электроприводе с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором может быть осуществлено тремя основными методами:

— изменением напряжения приложенного к двигателю, при этом частота питающего напряжения постоянна;

— изменением амплитуды и частоты приложенного напряжения — скалярное управление;

— векторным управлением.

Первый метод используется для регулирования скоростью в небольших пределах и является энергетически эффективным только для технологических установок с нагрузочными характеристиками, не выходящих за область допустимых моментов на валу двигателя. Данный метод широко применяется для облегчения пуска асинхронного двигателя, кроме того в настоящее время подобные системы оснащены целым рядом дополнительных функций: защита от короткого замыкания и перегрузок по току, реверс двигателя, возможность интеграции в комплексные системы автоматического управления и т. д.

Описанный метод управления не может в полной мере обеспечить энергетически и функционально эффективного управления асинхронным электроприводом. Для этих целей исторически первыми применялись преобразователи частоты с непосредственной связью. Простая и естественная компоновка такого преобразователя частоты позволяет получать из высокой частоты низкую. Верхняя частота регулирования ограничена частотой питающей сети, что снижает область применения данных преобразователей. В настоящее время такого рода преобразователи также используют для осуществления плавного пуска асинхронных двигателей большой мощности и регулировании частоты вращения двигателя при не большом диапазоне регулирования.

Теоретически безукоризненный способ управления координатами электропривода с короткозамкнутым асинхронным двигателем состоит в изменении частоты питающего напряжения с одновременным воздействием на его амплитуду — это, так называемое, скалярное управление. Для его осуществления в настоящее время используются преобразователь частоты на основе автономного инвертора. Скалярное управление позволяет плавно регулировать скорость вращения ротора асинхронного двигателя. При этом в зависимости от нагрузочных характеристик исполнительного механизма, применяют различные законы формирования частоты и амплитуды подводимого к двигателю напряжения. Самым распространенным из них является закон U к f константа.

При проектировании частотно-регулируемого автоматизированного электропривода, следует помнить об ухудшении вентиляции двигателя. Вентилятор любого общепромышленного двигателя рассчитывается исходя из работы на номинальной скорости. Если же скорость уменьшается — уменьшается и эффективность работы вентилятора, что может вызвать перегрев двигателя. Для работы в длительном режиме на пониженных частотах и с номинальным моментом, необходимо использовать специальный двигатель или общепромышленный двигатель, обдуваемый внешним вентилятором.

Если необходимо обеспечить наилучшую динамику системы применяется векторное управление, фактически обеспечивающее амплитудно-фазовое управление. Данное управление позволяет получить высокий пусковой момент и сохранить его до номинальной скорости асинхронного электродвигателя. Векторное управление обеспечивает высокое качество регулирования по скорости, даже при скачкообразном изменении момента сопротивления на валу. Важно и то, что векторное управление позволяет наилучшим образом обеспечить энергосбережение, так как преобразователь частоты (инвертор) передает в двигатель ровно столько мощности, сколько необходимо для вращения нагрузки с заданной скоростью, даже если входное напряжение больше чем 380 В. Экономия электроэнергии особенно заметна на мощных двигателях 11кВт и выше.

Т.о. рационально использовать систему электропривода ПЧ — АД с частотно-токовым способом управления. При частотно-токовом способе управления асинхронными двигателями сигнал на входе электропривода формирует момент на валу электродвигателя. Механические характеристики привода являются мягкими. Так как функциональная зависимость момента электродвигателя переменного тока от величины тока якоря является более прочной, чем от величины напряжения на якоре, входной сигнал формирует ток якоря. Мгновенные значения токов якоря в фазах обмотки определяются входными сигналами (требуемым моментом) и условным положением ротора.

Они должны соответствовать требованиям к мгновенным значениям токов многофазной симметричной системы.

Отличительной чертой приводов с частотно-токовым управления является применение в них преобразователей энергии на основе усилителей тока, представляющих собой усилители напряжения, охваченные глубокой отрицательной связью по мгновенным значениям токов фаз электродвигателя. В этом случае напряжение на фазах электродвигателя автоматически формируется преобразователем энергии для заданного режима.

Преимущества частотно-токового управления:

— высокие статические и динамические показатели электропривода, момент на валу является линейной функцией входного сигнала для всех скоростей привода;

— исключается возможность выпадения из синхронизма, опрокидывание и качание электродвигателей переменного тока;

— при достаточно простых технических средствах возможно оптимальное использование электродвигателей для получения как максимального момента на валу при заданном токе, так и высоких энергетических показателей;

— высокая надежность работы преобразователя энергии так как осуществляется контроль за мгновенными значениями токов фаз двигателя.

В качестве систем управления в настоящее время применяются преимущественно программируемые контроллеры, которые позволяют довольно просто реализовывать системы управления и различные законы управления электроприводом.

Из выше изложенного материала можно сделать следующий вывод, что для привода поперечного движения станков наиболее рациональной системой электропривода будет — ПЧ-АД.

2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода.

Среди возможных вариантов реализации электропривода поперечной подачи можно выделить следующую систему ПЧ-АД с ориентацией координатной системы по направлению вектора потокосцепления ротора (векторное управление).

Выбор данной системы обусловлен следующими причинами:

— Обеспечивает глубокое регулирование угловой скорости при постоянстве момента нагрузки, и кроме того, обеспечивает скорость выше номинальной, за счёт ослабления потока. Эта скорость необходима при быстром подводе инструмента, когда нет момента нагрузки.

— Имеет высокие динамические показатели, маленькая величина перерегулирования.

— Позволяет точно отрабатывать заданное перемещение.

Функциональная схема системы векторного управления электропривода составлена с учетом необходимости координатных преобразований. Она содержит регулятор положения (РП), регулятор скорости (РС), блоки вычисления сигнала задания тока статора I*q, Id*, вычисления потока ротора, электрического угла, преобразователи координат ABC-DQ и DQ-ABC, гистерезисные регуляторы тока, неуправляемый выпрямитель, фильтр на его выходе, АИН от которого питается асинхронный двигатель М, датчик скорости и положения BRQ. Функциональная схема системы векторного управления представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Функциональная схема системы векторного управления электропривода Используя функциональную схему векторного управления спроектируем функциональную схему автоматизированного электропривода. На схеме приняты следующие обозначения: SITOP POWER — блок питания, PLK — контроллер автоматизации, ЧПУ NC-210 — числовое программное устройство, UFD-S, M1; UFD-S1, M2; UFD-E, M3 — электропривод поперечной, продольной подачи и электропривод главного движения.

Рисунок 2.2 — Функциональная схема автоматизированного электропривода

3. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

В данном пункте дипломного проекта рассматривается выбор электродвигателя для электропривода поперечной подачи токарного станка. Выбор мощности электродвигателя для привода подачи осуществляют исходя из действующих нагрузок, параметров механической характеристики привода, особенностей его цикла работы.

Исходные данные [1]:

1. Минимальная и максимальная скорости рабочей подачи суппорта:

;

.

2. Максимальная скорость быстрых перемещений суппорта:

.

3. Масса суппорта:

.

4. Масса и диаметр обрабатываемой детали:

;

.

5. Шаг ходового винта:

.

6. Ускорение суппорта в направлении поперечного перемещения:

3.1 Анализ кинематической схемы механизма. Разработка расчётной схемы механической части электропривода и определение её параметров Кинематическая схема для привода механизма поперечной подачи токарного станка 16А20Ф3 представлена на рисунке 3.1:

Рисунок 3.1 — Кинематическая схема механизма АД — асинхронный двигатель;

ИМ — исполнительный механизм;

М — муфта;

ДП — датчик положения.

Приведенная схема наглядно отражает то положение, что механическая часть электропривода представляет собой систему связанных масс, движущихся с различными скоростями вращательно и поступательно. Вал электродвигателя соединяют с редуктором или исполнительным механизмом с помощью упругой муфты, применение которой позволяет допустить их относительное смещение, снижает амплитуду изменения крутящего момента при разгоне и торможении привода, предохраняет ходовой винт от нагрева теплотой, выделяемой электродвигателем, снижает колебания в приводе. Соединительная муфта оказывает существенное влияние на точность и жёсткость привода.

Для анализа движения механической части электропривода осуществляется переход от реальной кинематической схемы к расчетной, с которой массы и моменты инерции движущихся элементов и их жесткости, а также силы и моменты, действующие на эти элементы, заменены эквивалентными величинами, приведенными к одной и той же скорости. Процесс перехода к расчетным схемам обычно называют приведение, а величины называются приведенными.

Данная механическая схема представляет собой систему связанных масс, движущихся с различными скоростями. Механические связи в такой системе можно принять абсолютно жесткими, исходя из чего, механическую схему механизма можно представить в виде одномассовой модели, показанной на рисунке 3.2:

Рисунок 3.2 — Механическая модель электропривода Рассчитаем радиус приведения для передачи типа винт-гайка:

.(3.1)

Момент инерции механизма определим как:

.(3.2)

3.2 Расчёт нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма Проанализировав технологический процесс нашего механизма, можно сделать вывод: момент нагрузки у нас постоянный, следовательно, при изменении частоты вращения двигателя наша нагрузка не изменяется.

Рисунок 3.3 — Механическая характеристика механизма Зададимся следующим режимом работы:

— движение с максимальной скоростью из исходного положения к месту начала обработки заготовки;

— обработка заготовки на рабочей скорости;

— реверс двигателя, движение с максимальной скоростью в исходное положение;

— остановка, простой двигателя в течение 5 секунд, движение суппорта в продольном направлении, если необходимо смена инструмента.

Рассчитаем время каждого участка при обработке детали. Примем путь, пройденный суппортом, при подводе на максимальной скорости .

1. Время быстрого хода резца к детали:

.

2. Технологическое время прорезания заготовки:

где — длина прорезания заготовки, .

3. Время возврата суппорта в исходное положение со скоростью быстрых перемещений:

.

4. Время паузы:

.

Суммарное рабочее время обработки заготовки:

.

Суммарное время цикла:

.

Т.о. продолжительность включения:

.

Как видно из расчета ПВ=84%>70%. Поэтому примем, что время паузы не сильно повлияет на охлаждение двигателя. Будем считать режим работы продолжительным с переменной нагрузкой.

Произведём расчёт нагрузок для приведенного режима резания в соответствии с [4,5]. Будем считать, что идет процесс чернового точения на максимальной рабочей скорости подачи и максимальной глубине резания.

Материал обрабатываемой заготовки — сталь конструкционная углеродистая. Выберем резец с пластинкой из твёрдого сплава марки Т5К10, со следующими параметрами:

— главный угол в плане — ;

— вспомогательный угол в плане — ;

— передний угол — ;

— задний угол — ;

— стойкость резца — ;

Условия обработки заготовки:

— глубина прорезания — t = 15 мм;

— подача — s=0,36 мм/об.

Резец охлаждается концентратом жидкости смазочно-охлаждающей ЭК3. Чертёж детали, представленный на рисунке 3.4:

Рассчитаем скорость резания, м/мин, по формуле:

(3.3)

где — коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, типа резца и вида обработки, = 47;

Т — стойкость резца, T = 60 мин;

m, y, — показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала: m= 0,2, yv = 0,8;

— является произведением коэффициентов, учитывающих влияние материала заготовки, состояния поверхности, материал инструмента :

Рисунок 3.4 — Чертёж детали Подставив данные в формулу (3.3) получим:

.

Частота вращения шпинделя:

.

Рассчитаем скорость подачи:

.

Статическая сила, которая возникает при быстром подводе суппорта:

(3.4)

где =(0,05−0,15) — коэффициент трения качения.

Тогда статический момент:

;(3.5)

Для определения суммарного усилия подачи при резании необходимо рассчитать составляющие усилия резания :

(3.5)

где C_Р — коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, типа резца и вида обработки, C_Р = 173;

x, y, n — показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, x = 0,73, y = 0,67, n = 0;

— поправочный коэффициент является произведением коэффициентов учитывающих фактические условия резания. Коэффициент качества обрабатываемого материала на силовые зависимости, коэффициенты учитывающие влияние геометрических параметров режущей части инструмента на составляющие силы резания при обработке стали :

.

Подставив данные в формулу (3.5) получим:

(3.6)

где C_Р — коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, типа резца и вида обработки, C_Р = 408;

x, y, n — показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, x = 0,72, y = 0,8, n = 0;

— поправочный коэффициент является произведением коэффициентов учитывающих фактические условия резания. Коэффициент качества обрабатываемого материала на силовые зависимости ;

(- для легированных сталей), коэффициенты учитывающие влияние геометрических параметров режущей части инструмента на составляющие силы резания при обработке стали :

Подставив данные в формулу (3.6) получим:

.

Суммарное усилие подачи при резании с учётом веса движущихся частей:

(3.7)

где — коэффициент трения

.

Найдём момент для поперечной подачи:

(3.8)

.

Скоростная и нагрузочная диаграммы механизма приведены ниже:

3.3 Предварительный выбор двигателя по мощности При известных значениях усилия и скорости резания можно определить мощность резания, Вт, по формуле:

Рисунок 3.5 — Скоростная диаграмма механизма Рисунок 3.6 — Нагрузочная диаграмма механизма Поскольку мощность подачи составляет (0,1 — 1)% от мощности резания :

.

Выбор электродвигателя произведем исходя из мощности потребной на подачу резца. В этом случае статическая мощность, Вт, электродвигателя определяется по следующей формуле (3.9):

(3.9)

где k — коэффициент запаса по мощности, k = 1,4.

_п — кпд механической передачи, _п = 0,8.

.

3.4 Выбор номинальной скорости двигателя и типоразмера двигателя При однозонном регулировании за максимальную скорость следует принять номинальную скорость двигателя, так как регулирование производится вниз от основной. Максимальной скорости соответствует скорость быстрых перемещений суппорта. Найдём скорость двигателя, которая соответствует скорости быстрых перемещений суппорта [3]:

.

Т.о. этой скорости двигателя соответствует следующая номинальная частота вращения:

.

По полученным данным и выбираем двигатель из серии двигателей 4А специально разработанных для частотно-регулируемых электроприводов по пособию. Выбираем двигатель согласно условию:, указанным критериям удовлетворяет асинхронный двигатель 4АА63А4У3со следующими техническими данными:

Таблица 3.1

Технические данные асинхронного двигателя 4АА63А4У3

Рассчитаем номинальную скорость вращения:

.

Номинальный момент двигателя:

.

3.5 Построение нагрузочной диаграммы электропривода Нагрузочная диаграмма механизма представляет собой зависимость электромагнитного момента М от времени. Для её построения произведем расчет электромагнитного момента двигателя на каждом этапе работы, определим динамический момент и момент холостого хода. Из основного уравнения движения электропривода [6]:

(3.10)

где — суммарный момент инерции:

(3.11)

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

где — допустимое угловое ускорение двигателя:

.

Определим момент и время каждого участка работы привода:

1. Пуск привода:

.

2. Ускоренный подвод детали:

.

3. Торможение привода до скорости рабочей подачи:

.

4. Прорезание заготовки:

.

5. Торможение привода до скорости равной нулю:

.

6. Разгон привода до скорости быстрых перемещений:

.

7. Возврат суппорта в исходное положении со скоростью быстрых перемещений:

.

8. Торможение привода до скорости равной нулю:

.

Т.о. по рассчитанным временным интервалам и соответствующим им скоростям и моментам построим нагрузочную и скоростную диаграмму электропривода:

Рисунок 3.7 — Скоростная диаграмма электропривода Рисунок 3.8 — Нагрузочная диаграмма электропривода

3.6 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 [3]:

(3.12)

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:

(3.13)

где М_i — момент на i-м интервале;

t_i — продолжительность работы на i-м интервале;

n — число рабочих интервалов в цикле.

Т.о., условие выбора двигателя по нагреву (3.12) выполняется правильно.

Проверим выбранный двигатель по перегрузочной способности. Перегрузочная способность двигателя определяется условием:

(3.14)

где — максимальный момент нагрузочной диаграммы;

— максимальный допустимый момент с учётом возможного снижения напряжения сети на 10%;

— кратность максимального момента двигателя, .

Т.о., условие выбора двигателя по перегрузочной способности (3.14)выполняется правильно.

Выбранный двигатель типа АД 4АА63А4У3 удовлетворяет условиям нагрева и перегрузки, поэтому делаем заключение, что электродвигатель выбран правильно.

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора вида преобразователя электрической энергии 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: U_MAX, В

— максимальное значение эквивалентного нагреву тока: I_Э.MAX, А;

— число фаз;

— максимальное значение выходное частоты: f_МАХ, Гц.

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

Максимальное значение эквивалентного по нагреву тока определяем по формуле:

(4.1)

Где

— значение тока ротора АД;

— отклонение скорости двигателя от скорости идеального холостого хода при ;

— максимальное значение статического момента, Нм;

— модуль статической жесткости частотных характеристик:

;

— ток идеального холостого хода, определим по формуле:

.

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:

(4.2)

где — номинальное значение выходного тока преобразователя частоты, А;

— входное напряжение преобразователя частоты.

В соответствии с рассчитанными параметрами выбираем преобразователь частоты серии «VFD-S» фирмы Delta Electronics [7], который рассчитан на работу с АД мощностью 0,4−2,2 кВт, (номинальная мощность двигателя 0,25 кВт).

Преобразователь предназначен 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.

Основные параметры преобразователя VFD004S43 [7]:

— входное напряжение — 380−460 В 10%;

— номинальная мощность двигателя — 0,25 кВт

— номинальный входной ток — 1,7 А;

— номинальный выходной ток — 1,5 А;

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

— входная частота — 47−63 Гц;

— выходная частота — 0,1−400 Гц;

— КПД преобразователя — 97%;

— коэффициент мощности не менее — 0,95;

— способ торможения — генераторное, динамическое;

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

— масса преобразователя — 4,8 кг.

На рисунке 4.1 приведём электрическую схему подключения преобразователя.

Рисунок 4.1 — Электрическая схема подключения преобразователя Частотный преобразователь (ЧП) VFD004S43 фирмы Delta Electronics предназначен для плавной регулировки скорости вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей мощностью до 2,2кВт. Изделие создано на базе 16-разрядного микропроцессора специализированного для работы с трехфазными двигателями и силового транзисторного IGBT-модуля. Микропроцессор выполняет функцию регулятора, генератора широтно-импульсного модулированного сигнала, формирующего в двигателе синусоидальный ток, обеспечивает связь с пультом управления, а также осуществляет необходимые защитные функции.

Пульт управления позволяет изменять режим работы ЧП (местный/дистанционный), редактировать параметры, записывать их в энергонезависимую память, а также осуществлять местное управление ЧП.

В дистанционном режиме скорость вращения двигателя задается по аналоговому входу ЧП (0−10 В), а обработка сигналов «Пуск» и «Стоп» может осуществляться как с пульта так и по дискретным входам ЧП.

Широкие коммуникационные возможности позволяют встраивать ЧП в контроллерные и компьютерные сети, осуществлять управление и настройку ЧП и получать информацию о его работе через интерфейс RS-485.

Частотный преобразователь обладает всеми контрольно-диагностическими функциями, позволяющими защитить от повреждения, как ЧП, так и асинхронную машину. Частотный преобразователь устойчив к коротким замыканиям в цепи нагрузки, заклиниванию двигателя, перенапряжения источника при торможении, исчезновению фазы силового питания, перегреву преобразователя.

Устройство и принцип работы преобразователя При подаче на выпрямительный мост входного напряжения 3×380 вольт, происходит заряд конденсатора. После запуска источника вторичного питания резистор блокируется контактами реле. Напряжение в звене постоянного тока при нормальной работе может находиться в пределах от 450 до 700 вольт. Нижний предел связан с минимально допустимым напряжением в сети. Верхнее значение может достигаться при частотном торможении двигателя, когда происходит возврат (рекуперация) накопленной механической энергии в конденсаторы ЧП. В случае превышения допустимого уровня происходит свободный выбег двигателя. Как правило, такие ситуации характерны при малом времени торможении двигателя с большим моментом инерции на валу. В таких случаях для повышения эффективности торможения к ЧП необходимо подключить внешний разрядный резистор, либо использовать режим динамического торможения.