Розрахунок приводу подачі

Вступ


Курсовий проект з дисципліни СКЕП виконується з метою придбання навичок проектування електроприводів технологічних установок і уміння застосовувати на практиці отримані знання. Завданням передбачається проектування систем управління електроприводів подач металорізальних верстатів з метою забезпечення необхідних показників.

При виконанні проекту на підставі вимог до статичних і динамічних характеристик електропривода (ЕП) подач сучасних металорізальних верстатів треба обґрунтувати вибір структури СКЕП, і по заданих технологічних параметрах приводу подач самостійно вирішити питання вибору комплектного електропривода, розрахунку основних параметрів СКЕП, у тому числі регуляторів, настроювання яких повинно виконуватися з метою одержання необхідних показників якості. Показники якості визначаються по статичних і динамічних характеристикам спроектованої СКЕП. Динамічні характеристики одержують шляхом дослідження математичної моделі СКЕП на ПЕОМ.


1. Технологічні вимоги до приводів подач


У електроприводах подач двигун здійснює переміщення інструмента або заготовки для забезпечення процесу різання. Подача на верстатах здійснюється різноманітними засобами, але найбільше поширення одержав привод із високомоментним двигуном постійного струму зі збудженням від постійних магнітів. Такий двигун встановлюється безпосередньо на ходовий гвинт, що істотно скорочує механічну частину приводу, зменшує його момент інерції і підвищує коефіцієнт корисної дії (ККД). У зв'язку з цим знижується навантаження на двигун при холостих ходах і зростає складова від сил різання в загальному навантаженні приводів подач.

Розрахунок приводу подачі

Зростання складової від сил різання в загальному навантаженні на привод подачі збільшує коливання навантаження при різанні, що посилює вимоги до статичної (S<20%) і динамічної жорсткості приводу подач. Через незадовільні динамічні властивості регульованого електропривода, особливо при збурюванні по навантаженню, з'являється шорсткість поверхні, тому дуже важливо забезпечити високу швидкодію приводу при скиданні навантаження, а також при реверсі двигуна під навантаженням на найменших частотах обертання. Для ЕП подач зміна частоти обертання при накиданні і скиданні навантаження 0,5Мн щодо рівня 0,5Мн не повинно перевищувати 100% при n = 0,001nн і час відновлення 100 мс. Час реверсу під навантаженням Мн і n = 0,001nн не більше 0,5 с. Час пуску і гальмування подач верстатів із числовим програмним керуванням (ЧПК) з приведеним моментом інерції механізму, рівним моменту інерції двигуна, не повинен перевищувати 0,1 с.

Час перехідних процесів можна значно знизити при пуску з підвищенням напруги на якорі і забезпеченням максимально припустимого струму для поточного значення частоти обертання у всьому діапазоні її зміни. Тому перетворювачі повинні мати великий запас по напрузі стосовно номінальної напруги двигуна, а також систему залежного струмообмеження, що забезпечує автоматичну зміну розміру уставки струму, зменшуючи її у міру збільшення частоти обертання двигуна. Це пов’язано з характеристиками високомоментних двигунів, що припускають великі кратності струму (6–8) Iн тільки при малих частотах обертання і в міру зростання швидкості потребують зниження перевантаження через умови комутацій. Характер перехідного процесу по керуючому впливу впливає на ідентичність параметрів при обробці партії деталей. При аперіодичному перехідному процесі і переміщенні в один бік не відбувається розкриття люфтів у механічних вузлах, а також відсутній вплив гістерезиса, що призводить до суттєвого підвищення стабільності і точності обробки.

Забезпечення необхідних статичних і динамічних характеристик приводу подач, забезпечення оптимального закону обмеження струму, що найкраще реалізується в двоконтурній системі підпорядкованого регулювання параметрів із П – або ПІ-регуляторами струму і швидкості. Для підвищення продуктивності верстатів переміщення виконавчих органів у зону обробки здійснюється на швидких ходах тими ж електроприводами подачі, що короткочасно працюють на частотах обертання вище номінальних, за рахунок подачі на якір двигуна напруги, вище номінальної. Збільшення швидкості швидких переміщень до 10 м/хвл і зниження швидкості установочних переміщень для верстатів із ЧПК потребує значного діапазону регулювання (до 10000: 1).


2. Вибір двигуна і комплектного електропривода


2.1 Вихідні данні


Вихідні данні до курсового проекту:

еквівалентний момент на валу двигуна Розрахунок приводу подачі;

швидкість швидкого ходу робочого органу механізму подачі Розрахунок приводу подачі;

швидкість мінімальної робочої подачі Розрахунок приводу подачі;

крок ходового гвинта Розрахунок приводу подачі;

маса вузла, що лінійно переміщується Розрахунок приводу подачі;

середній діаметр ходового гвинта Розрахунок приводу подачі;

довжина ходового гвинта Розрахунок приводу подачі;

стала часу фільтра датчика струму Розрахунок приводу подачі;

стала часу фільтра датчика швидкості Розрахунок приводу подачі.


2.2 Вибір двигуна


Початковим етапом розрахунку приводу є вибір виконавчого двигуна. Від правильного вибору двигуна залежить забезпечення всіх технологічних режимів обробки і необхідних динамічних характеристик, а також конструкція механічної частини приводу.

Відсутність силового редуктора обумовила зниження загального моменту інерції механізму і збільшення припустимого для приводу за умовами механічної тривалості прискорення. Це забезпечило скорочення часу перехідних процесів, збільшення продуктивності верстатів, поліпшення якості обробки внаслідок підвищення швидкодії всієї електромеханічної системи приводу подачі як по керуючому впливу, так і по навантаженню.

Основними вихідними даними для вибору двигуна служать:

циклограма навантаження двигуна при роботі механізму, на підставі якої визначається еквівалентний момент на валу двигуна;

передатне відношення механічних ланок приводу (коробки передач, гвинтової пари, передачі рейка-шестірня);

швидкості швидкого ходу і діапазон робочих подач;

сила тертя в опорах;

маса, що переміщується (органа приводу разом із деталлю або інструментальним магазином);

моменти інерції механічних ланок;

ККД механічних передач;

припустимі для механізмів прискорення і необхідний час перехідних процесів.

Крім того, для правильного вибору двигуна необхідно знати закони його регулювання й управління в перехідних режимах. Як правило, у механізмах подач регулювання швидкості двигуна здійснюється при постійному моменті зміною напруги на якорі. Закон управління при розгоні і гальмуванні реалізується системою управління верстатом або пристроєм числового програмного керування (ПЧПК). Найбільш поширеними законами управління є стрибкоподібний і лінійно-змінний, проте можливі й інші форми сигналів, що задають.

Частота обертання двигуна визначається по швидкості переміщення робочих органів верстата і передатного відношення механічної передачі.

Так як двигун встановлений на ходовий гвинт, то передатне число редуктора, ip=1.

Необхідна максимальна частота обертання двигуна:


Розрахунок приводу подачі


Частота двигуна при мінімальній робочій подачі:


Розрахунок приводу подачі


Визначення моментів інерції

Визначаємо масу переміщуваної деталі:


Розрахунок приводу подачі


Момент інерції вузла, що поступально переміщується, приведений до валу двигуна:


Розрахунок приводу подачі

Момент інерції ходового гвинта, приведений до валу двигуна:


Густина сталі: Розрахунок приводу подачі

Розрахунок приводу подачі


Момент інерції зубчатої передачі, приведений до валу двигуна:

Розрахунок приводу подачі

Сумарний момент інерції механізму:


Розрахунок приводу подачі


Приведений момент інерції до вала двигуна:


Розрахунок приводу подачі


Визначення моментів двигуна

Складова від зусилля різання уздовж осі Oi: Розрахунок приводу подачі

ККД механічної передачі:

ККД механічної передачі гвинт – гайка: Розрахунок приводу подачі

ККД механічної передачі гвинт-гайка при установці двигуна на ходовий гвинт: Розрахунок приводу подачі

Розрахунок приводу подачі

Момент на валу двигуна від сили різання:

Розрахунок приводу подачі


Коефіцієнт тертя залежить від матеріалу тертьових поверхонь і їхнього змащення для напрямних ковзання, від конструкції напрямних і їхнього попереднього натягу для напрямних котіння і комбінованих. Звичайно для напрямних ковзання зі змащенням при змішаному терті коефіцієнт тертя приймають fтер = 0,1.

Момент тертя в напрямних вузлів верстата, що переміщуються в горизонтальній площині:


Розрахунок приводу подачі


Додатковий момент на валу двигуна від повної або неврівноваженої частини сили тяжіння вузлів, що переміщуються:

Розрахунок приводу подачі

Статичний момент на валу двигуна від сил різання і тертя:


Розрахунок приводу подачі


При повторно-короткочасному режимі двигун вибирається не по М’ст, а по моменту:

Розрахунок приводу подачі


де ТВ=80% (тривалість включення).

Обираємо двигун типу ПБВ132L, що має наступні технічні данні:


Номінальний момент, Нм 47,7
Номінальна частота обертання, об/хв 600
Номінальна напруга, В 70
Номінальний струм, А 50
Тривалий момент у загальному стані, Нм 62
Максимальний момент при пуску, Нм 470
Момент при максимальній частоті обертання, Нм 21
Максимальний момент при максимальній частоті обертання, Нм 98
Максимальна частота обертання в тривалому режимі, об/хв 2000
Момент інерції якоря, кг м2 0,238
Опір обмотки якоря при 15 ̊С, Ом 0,0707
Індуктивність обмотки якоря, мГн 0,554
Електромеханічна постійна часу, мс 12,3
Електромагнітна постійна часу, мс 7,85
Постійна ЕРС, В/(об/хв) 0,105
Теплова постійна часу, хв 100
Маса двигуна з тахогенератором, кг 100

2.3 Вибір типу електропривода


На сучасному етапі при проектуванні електрообладнання металорізальних верстатів одним з найбільш раціональних способів є використання комплектних електроприводів, що задовольняють заданим технологічним вимогам. Комплектні електроприводи подач комплектуються високомоментних двигунами. Згідно варіанту завдання, необхідно використовувати комплектний електропривод серії ЕТ6.

Вибір комплектного електропривода для приводу подач верстата відбувається за:

1) In – номінальному струму електропривода (ЕТУ – 3601) або по номінальній потужності використовуваного двигуна (ЕТ6);

2) Un – номінальній напрузі електропривода

Uн.п >Umax,

де Umax – максимальна напруга на двигуні, необхідна для забезпечення nmax при швидкому переміщенні робочого органа.

Umax – максимальна напруга на двигуні, що необхідна для забезпечення nmax при швидкому переміщенні робочого органа. Напругу визначаємо із співвідношення:


Розрахунок приводу подачі


Знаходимо номінальну потужність двигуна Рн:


Розрахунок приводу подачі


Обираємо електропривод типу ЕТ6-С-24, що має:

Розрахунок приводу подачі


Розрахунок приводу подачі

Рис. 1 Функціональна схема електропривода серії ЕТ6


До складу електроприводів, призначених для станків, включаються електродвигун з вмонтованим тахогенератором, ТП з СІФУ, системи управління і регулювання, автоматичний вимикач, трансформатор живлення, сгладжуючий реактор. На рис. 1 приведена функціональна схема електропривода серій ЕТ6.

В електроприводах цієї серії ТП виконаний по шестифазній нульовій схемі зі спільним керуванням вирівнювальними групами VSF та VSB. Реактори L1 і L2 обмежують зрівняльний струм. Датчиками струму являються магніто діоди V1, V2. Для захисту двигуна від перевищення температури в нього вмонтований терморезистор RK, що підключається до схеми захисту системи керування СК. Автоматичний вимикач на стороні змінного струму в комплект не входить. Заданий сигнал в системі керування швидкістю формується за допомогою реостата за датчика швидкості. Крім того, передбачений резервний підсилювач, що може бути використаний як регулятор положення.


2.4 Розрахунок параметрів тиристорного перетворювача


В ЕТ6 використовується нульова схема випрямляча.

Розрахунок приводу подачі

Приймаємо значення випрямленої ЕРС:

Розрахунок приводу подачі


Фазна ЕРС первинної обмотки трансформатора:

Розрахунок приводу подачі

Фазна ЕРС вторинної обмотки трансформатора:


Розрахунок приводу подачі


Коефіцієнт трансформації:


Розрахунок приводу подачі


Типова потужність трансформатора:


Розрахунок приводу подачі


Обираємо трансформатор потужністю:

Розрахунок приводу подачі

Номінальний струм первинної обмотки трансформатора:

Розрахунок приводу подачі


Номінальний струм вторинної обмотки трансформатора:


Розрахунок приводу подачі


Номінальні данні трансформатора:


Розрахунок приводу подачіРозрахунок приводу подачі


Визначаємо еквівалентний опір:


Розрахунок приводу подачі


Активний опір однієї фази трансформатора:

Розрахунок приводу подачі


Напруга та повний опір трансформатора:


Розрахунок приводу подачі


Індуктивний опір:


Розрахунок приводу подачі


Індуктивний опір однієї фази трансформатора:


Розрахунок приводу подачі


Активний опір фаз трансформатора:

Розрахунок приводу подачі


Реактивний опір фаз трансформатора:


Розрахунок приводу подачі


Еквівалентний внутрішній опір тиристорного перетворювача:

Розрахунок приводу подачі – число фаз вторинної обмотки трансформатора;


Розрахунок приводу подачі


Струм привода:


Розрахунок приводу подачі


Уточнюємо Еоп и Е2ф:


Розрахунок приводу подачі

Розрахунок приводу подачі

Еквівалентна індуктивність тиристорного перетворювача:


Розрахунок приводу подачі

Розрахунок приводу подачі- частота мережі.


3. Розрахунок індуктивності реакторів


У вентильному електроприводі реактори виконують наступні основні функції: зменшують зону переривчастих струмів, згладжують пульсації випрямного струму, обмежують струм через вентилі в перший півперіод напруги, що живить, при короткому замиканні на стороні випрямного струму. У реверсивному вентильному ЕП на реактори покладаються додаткові задачі: обмеження зрівняльних струмів при спільному керуванні вентильними групами, обмеження швидкості наростання аварійного струму при перекиданні інвертора. Індуктивність реактора залежить від його призначення, силової схеми перетворювача і розташування реактора в схемі.


3.1 Обмеження зрівняльних струмів


Синхронна частота приводу:


Розрахунок приводу подачі


Амплітуда фазної ЕРС:


Розрахунок приводу подачі


Діюче значення зрівняльного струму:


Розрахунок приводу подачі

Коефіцієнт діючого значення зрівняльного струму:

Розрахунок приводу подачі

Індуктивність струмообмежуючих реакторів:


Розрахунок приводу подачі


3.2 Обмеження струму при однофазному перекиданні інвертора


З довідника вибираємо низькочастотні тиристори по граничних значеннях параметрів режиму:

– по максимальному значенню середнього струму у відкритому стані Iв (А):


Розрахунок приводу подачі


– по повторюваній імпульсній напрузі в закритому стані Umax (В):


Розрахунок приводу подачі


Обираємо тиристор типу Т2–12–6, що має наступні характеристики:

– струм вентиля в закритому стані:

Розрахунок приводу подачі

– максимальна напруга в закритому стані:

Розрахунок приводу подачі

Розрахунок приводу подачі

– струм, що ударно не повторюється у відкритому стані:

Розрахунок приводу подачі


3.3 Обмеження струму через тиристори при короткому замиканні на стороні постійного струму


При короткому замиканні на стороні постійного струму реактор, що токообмежує, повинен обмежити швидкість наростання аварійного струму, щоб він не перевищив небезпечного для тиристорів значення на протязі власного часу спрацьовування захисних пристроїв. Обмеження струму через вентилі може бути отримане за рахунок індуктивності розсіювання обмоток трансформатора й індуктивності в ланцюзі постійного струму.

Початковий струм у момент короткого замикання, при максимальному навантаженні:


Розрахунок приводу подачі


Максимально допустимий протягом півперіоду струм вентиля:


Розрахунок приводу подачі


Необхідна величина спільної індуктивності для нульової схеми:


Розрахунок приводу подачі

Індуктивність додаткового реактора:


Розрахунок приводу подачі


Обираємо Розрахунок приводу подачі Оскільки індуктивність реактора має від’ємне значення, то індуктивностей електропривода та струмообмежуючих реакторів достатньо для обмеження швидкості наростання аварійного струму. Тому додатковий реактор не потрібен.


3.4 Згладжування пульсацій випрямленого струму


Пульсації спрямованої напруги призводять до пульсацій спрямованого струму, які погіршують комутацію двигуна і збільшують його нагрів. У симетричних мостових і в нульових схемах найбільшу амплітуду мають основні гармоніки (k=1).

Амплітуди гармонік більш високої кратності (k = 2, 3) значно менше, а дія реакторів на них більш ефективна, тому розрахунки індуктивності дроселя для цих схем ведуться тільки по основній гармоніці, тобто при k = 1.

Розрахунок приводу подачі- кратність основної гармоніки.

р1 – припустиме діюче значення основної гармоніки струму. р1 повинно бути в межах від 2% до 15% номінального струму в залежності від потужності, діапазону регулювання і величини іскріння під щітками.

Приймаємо Розрахунок приводу подачі

Розрахунок приводу подачі- кут регулювання перетворювача.

Число пульсацій за період залежить від числа фаз т вторинної обмотки трансформатора і схеми з'єднання вентилів:

Розрахунок приводу подачі

Амплітудні значення гармонійних складових спрямованої напруги Enmax пов'язані з її середнім значенням Е0п і кутом регулювання перетворювача виразом:


Розрахунок приводу подачі


При відомій амплітуді основної гармоніки Enmax і припустимому діючому значенні основної гармоніки струму р1 необхідна величина індуктивності ланцюга випрямленого струму може бути визначена:


Розрахунок приводу подачі


Індуктивність додаткового реактора, для згладжування пульсацій:


Розрахунок приводу подачі


Еквівалентна індуктивність якірного кола двигуна:


Розрахунок приводу подачі


4. Розрахунок параметрів об'єкта керування для аналізу динамічних властивостей системи


Еквівалентний опір якірного кола двигуна:


Розрахунок приводу подачі


Електромагнітна стала часу якірного ланцюга двигуна:


Розрахунок приводу подачі


Температурний коефіцієнт:

Розрахунок приводу подачі

Постійна двигуна та номінальна частота обертання:


Розрахунок приводу подачі


Електромеханічна стала часу якірного ланцюга двигуна:


Розрахунок приводу подачі

Напруга керування на вході ТП, що відповідає максимальній ЕРС на виході Е0n:

Розрахунок приводу подачі

Коефіцієнт передачі тиристорного перетворювача:


Розрахунок приводу подачі


Стала часу тиристорного перетворювача:


Розрахунок приводу подачі


5. Розрахунок параметрів регулятора і елементів контуру регулювання струму якоря у системі підпорядкованого регулювання


Система підпорядкованого регулювання являє собою багатоконтурну систему з каскадним включенням регуляторів. При цьому число регуляторів і контурів регулювання дорівнює числу регульованих параметрів. У двоконтурній схемі (рис. 2) вихідний сигнал регулятора швидкості, включений у зовнішній контур, є заданим для регулятора струму, включеного у внутрішній контур. Налагодження регуляторів відбувається незалежно і послідовно від внутрішнього контуру до зовнішнього.

Контур струму складається з об'єкта регулювання – ланцюга якоря двигуна, силового перетворювача і регулятора струму. Контур замикається зворотнім зв'язком по величині напруги, що знімається з датчика струму в ланцюзі якоря.


Розрахунок приводу подачі

Рис. 2 Двоконтурна система підпорядкованого регулювання


Напруга зворотного зв'язку за струмом:

Розрахунок приводу подачі

Максимально припустимий струм двигуна при перехідних процесах для високомоментного двигуна прийняти:


Розрахунок приводу подачі


що відповідає режиму роботи в номінальних обертах. При зменшенні обертів нижче ωн величина Imax буде коректуватися вузлом залежного струмообмеження ВЗСО (у бік збільшення).

Передатний коефіцієнт зворотного зв'язку по струму:


Розрахунок приводу подачі


5.1 Налагодження регулятора струму:


Так як об'єкт регулювання в контурі струму поданий аперіодичними ланками, застосовується ПІ-регулятор струму, який настроюється по модульному (технічному) оптимумі. При стандартному налагодженні контуру струму звичайно зневажають внутрішнім зворотним зв'язком по ЕРС, що справедливо, якщо електромагнітна (Те) і електромеханічна (Тм) постійні двигуна значно перевершують постійну часу (Тn), и Тм >> Те. У випадку невиконання умов характер перехідного процесу значно відрізняється від оптимального.

Тобто для відповідності перехідного процесу в контурі регулювання струму перехідному процесу в контурі оптимальній структурі, необхідний ПІ-регулятор струму з коефіцієнтом передачі Крс і постійною часу Трс:


Розрахунок приводу подачі

де Розрахунок приводу подачіс – некомпенсована мала стала часу.

Розрахунок приводу подачі

Настроювання на технічний оптимум характеризуються невеликим перерегулюванням 4,3%. Тривалість перехідного процесу визначається тільки малою некомпенсованою постійною часу і складає 4,7Тμ.

Для одержання перехідного процесу в контурі струму, що відповідає налагодженню на модульний оптимум, визначимо передатну функцію регулятора струму:


Розрахунок приводу подачі


5.2 Розрахунок параметрів регулятора струму:


В якості датчика струму використовуємо шунт.

Вибираємо номінальний струм шунта Iш з ряду 10, 20, 40, 100, 200А по номінальному струму привода: Iш ≥ Iп.

Обираємо Розрахунок приводу подачі

При протіканні через шунт номінального струму шунта Iш с шунта знімається напруга 75 мВ, тому:

коефіцієнт передачі шунта:


Розрахунок приводу подачі

коефіцієнт передачі датчика струму якоря:

Розрахунок приводу подачі


Розрахунок приводу подачіРозрахунок приводу подачі


Для розрахунку параметрів регулятора (рис. 3) задаємось величиною ємності Cзз:

Розрахунок приводу подачі

Постійна часу зворотного зв'язку регулятора:

Розрахунок приводу подачі

визначаємо Rзз:


Розрахунок приводу подачі


Інші параметри:


Розрахунок приводу подачі

6. Розрахунок параметрів регулятора й елементів контуру регулювання швидкості


6.1 Регулювання зовнішнього контуру швидкості


Розрахунок приводу подачі


Об'єктом регулювання зовнішнього контуру швидкості є замкнутий контур струму і ланка, що описує механічний опір двигуна (рис. 4).

Перехідна функція

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: