Электропривод и автоматизация главного привода специального вальцетокарного станка модели IK 825 Ф2

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНВУЗ УССР

ДОНБАССКИЙ ГОРНО - МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра ЭАПП

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ:

Электропривод и автоматизация главного привода специального вальцетокарного станка модели IK 825 Ф2

Реферат

ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА, СИСТЕМА ПОДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ, КОНТУР ТОКА, КОНТУР СКОРОСТИ, КОНТУР МОЩНОСТИ, ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ, ОПТИМАЛЬНАЯ НАСТРОЙКА РЕГУЛЯТОРОВ.

Проект содержит: 89 страниц, 29 рисунков, 8 таблиц, 16 источников.

Объект исследования -- главный привод вальцетокарного калибровочного станка модели IK 825 Ф2.

Цель работы -- разработка высокоточной системы стабилизации мощности резания вальцетокарного калибровочного станка модели IK 825 Ф2.

Методами теории оптимального управления синтезирована система стабилизации мощности резания, проведено исследование синтезированной системы на математической аналоговой модели.

В результате исследования разработана система стабилизации мощности резания, обеспечивающая низкую чувствительность к параметрическим возмущениям.

Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели разработанной системы: высокая точность стабилизации мощности резания на заданном уровне; достаточно большое быстродействие системы; малая чувствительность к изменению параметров объекта управления.

Настоящая система управления может быть использована не только в данном вальцетокарном станке, но и в тяжелых токарных и токарно-винторезных станках, где есть необходимость ограничить мощность, выделяемую с главного привода станка или мощность резания на практически любом заданном уровне.

Эффективность разработанной системы управления определяется применением оптимальных регуляторов, а также использованием современной элементной базы.

Форма № У-9. 01

Утв. Приказом Минобр. Украины

от 3 августа 1984г. № 253

Донбасский горно-металлургический институт

Факультет АПП Кафедра ЭАПП

Специальность 2105

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. кафедрой………………………………

«……»……………………..…….…20..…г.

Задание на дипломный проект (работу) студенту

Луцкому Александру Михайловичу

Тема проекта (работы) Электропривод и автоматизация главного привода специального вальцетокарного станка модели IK 825 Ф2 утверждена приказом по институту от «.…»………………………….….г. №….....

2. Срок сдачи студентом законченного проекта (работы)………

3. Исходные данные к проекту (работе)………

Электродвигатель 2ПН300L, Р_н = 110 кВт, I_н = 350 А, U_н = 220 В

Преобразователь КТЭУ 400/220 - 03222, Р_н = 122 кВт, I_н = 500 А, U_н = 220 В

Система стабилизации мощности резания (трехконтурная, с внутренними контурами тока и скорости)

4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)

-- выбор и проверка электродвигателя, расчет динамических параметров системы электропривода;

-- синтез системы автоматического регулирования, анализ работы системы с использованием пакета МАСС;

-- экономическое обоснование внедрения новой системы электропривода;

-- проработка вопросов охраны труда при работе на вальцетокарном калибровочном станке модели IК 825 Ф2.

5. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)

-- кинематическая схема электропривода главного движения вальцетокарного калибровочного станка;

-- математическая схема системы электропривода, статическая характеристика системы;

-- цифровая модель системы электропривода для набора в МАССе;..

-- графики переходных процессов;

-- конструкторские разработки;

-- экономические показатели системы электропривода

6. Консультанты по проекту (работе), с указанием относящихся к ним разделов проекта

Раздел	Консультант	Подпись, дата
		Задание выдал	Задание принял
Экономика
Охрана труда
Технический контроль
Нормоконтроль

7. Дата выдачи задания …………..г.............................

Руководитель ........................................................

Задание принял к исполнению...........................

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

№ п-п	Наименование этапов дипломного проекта (работы)	Срок выполнения этапов работы (проекта)	Примечание
1	Расчет скорости и мощности резания
2	Выбор и проверка электродвигателя
3	Выбор системы электропитания станка
4	Расчет динамических параметров системы ЭП
5	Синтез систем автоматического регулирования
6	Анализ работы системы автоматического регулирования
7	Экономическое обоснование внедрения новой системы электропривода
8	Охрана труда
	Оформление пояснительной записки

Студент - дипломник …………………………….

Руководитель проекта …………………………….

Содержание

Введение

1. Общие сведения о механизме и требования к электроприводу

1.1 Техническая характеристика станка

1.2 Требования к электроприводу главного движения

2. Выбор и проверка электродвигателя

3. Сведения о системе электропитания станка

4. Расчет динамических параметров системы

5. Синтез системы автоматического регулирования

5.1 Расчет контура тока

5.2 Расчет контура скорости

5.3 Расчет контура мощности и процесса резания

5.4 Расчет статической характеристики системы

5.5 Разработка датчика мощности

6. Анализ работы системы автоматического регулирования с использованием пакета МАСС

7. Экономическое обоснование внедрения системы электропривода

7.1 Выбор объекта для сравнения

7.2 Расчет капитальных затрат

7.3 Расчет и сопоставление эксплуатационных расходов

7.3.1 Расчет амортизационных отчислений

7.3.2 Расходы на потребляемую электроэнергию

7.3.3 Затраты на текущий ремонт

7.4. Расчет прочих расходов

7.5. Расчет эффективности проектируемой системы

8. Охрана труда

8.1 Параметры микроклимата

8.2 Мероприятия по электробезопасности проектируемой установки

Заключение

Перечень ссылок

Речь на защите дипломного проекта специалиста

Введение

В связи с выходом отечественных производителей металлопродукции на внешний рынок и производством проката по стандартам ASTM, DIN и другим, к его качеству и геометрическим размерам предъявляются повышенные требования, зачастую превышающие требования существующих ГОСТов и технических условий.

Качество металлопроката и геометрические размеры профилей, в том числе и производимых станом 600 Алчевского металлургического комбината, зависят от многих факторов, одним из которых является качество изготовления и точность обработки поверхности валков черновых и чистовых клетей прокатных станов.

В соответствии с рабочими калибровками и монтажами валков в вальцетокарной мастерской сортопрокатного цеха производится обработка и расточка валков черновых и чистовых клетей. Для этих целей применяется станок типа IK 825 Ф2, который предназначен для обработки валков как сортовых, так и листовых прокатных станов.

При обработке валков, имеющих неоднородную структуру и различные физико-механические свойства, возникают броски мощности резания, которые отрицательно влияют на качество поверхности валков и точность геометрических размеров готового проката.

В связи с этим в данном проекте была предложена система стабилизации мощности резания на заданном уровне, что оказывает положительное влияние на качество поверхности обрабатываемых валков.

1. Общие сведения о механизме и требования к электроприводу

вальцетокарный калибровочный станок

Станок вальцетокарный калибровочный специальный модели IК 825 Ф2 с цифровой индикацией и управлением (УЦИ) предназначен, согласно [15] для обработки и калибровки наружных поверхностей прокатных валков в специальных калибровочных люнетах. На станке не предусматривается обработка деталей со смещенным центром тяжести относительно оси вращения типа эксцентриковых и коленчатых валов, конусных деталей с неуравновешенными массами.

Управление основными движениями станка (перемещение суппортов по осям X и Z) осуществляется от УЦИ. Операции, связанные с переключением ступеней главного привода, регулированием скорости вращения шпинделя и подач суппорта, перемещение и фиксация задней бабки, перемещение пиноли, установка и зажим изделия, установка люнеты, установка и зажим режущего инструмента на суппорте выполняются от органов управления, расположенных на этих сборочных единицах без учета УЦИ, то есть эти операции не программируются.

Обработка деталей может быть произведена в «ручном» режиме (УЦИ выполняет роль индикации) и «программном» (автоматическом) режиме по программе, заданной ручным вводом задания на пульт ввода УЦИ с управлением главным приводом и суппортами с помощью органов управления, расположенных на пульте суппортов.

Применение УЦИ К 525 повышает производительность труда в режиме индикации и преднабора, а в автоматическом режиме обработки по программе освобождает оператора от пользования универсальным мерительным инструментом, повышает точность работы и обработки деталей, а также снижает утомляемость рабочего-оператора, позволяет организовать бригадное и многостаночное обслуживание станка.

1.1 Техническая характеристика станка

Класс точности согласно нормам точности по техническому заданию. Технические характеристики вальцетокарного калибровочного специального станка модели IК 825 Ф2 приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. - Техническая характеристика вальцетокарного калибровочного станка модели IК 825 Ф2

Параметры	Величина
Наибольший диаметр устанавливаемой над суппортом заготовки, мм	1000
Предельный диаметр обрабатываемой наружной поверхности, мм	600--1000
Наибольшая масса заготовки, устанавливаемой в центрах, кг	25000
Наибольшее сечение державки резцов, мм	63 x 43
Количество позиций инструмента, шт.	1
Наибольшая длина изделия, мм	5000
Наибольшее поперечное перемещение суппорта, мм	345
Пределы частот вращения шпинделя, об/мин	0,46 -- 25
Диапазон регулирования продольных подач суппорта, мм/об	0,02 -- 139,0
Диапазон регулирования поперечных подач суппорта, мм/об	0,01 -- 55,0
Пределы быстрых установочных перемещений суппортов, м/мин	2,5
Число ступеней вращения шпинделя	бесступенчатое
Число ступеней рабочих подач	бесступенчатое
Наибольшее усилие резания на один суппорт, кН	100
Наибольший крутящий момент на шпинделе, кН*м	90
Шероховатость наружной поверхности, мкм	1,65
Производительность (по отношению к заменяемой модели)	1,6
Удельная масса металла, кг на единицу производительности	0,76
Удельный расход электроэнергии, кВт*час на единицу производительности	0,77
Установленная безотказность наработки в сутки, часов не менее	16
Установленная безотказность наработки в неделю, часов не менее	80
Установленная безотказность наработки, часов не менее	500

1.2 Требования к электроприводу главного движения

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

Основными технологическими требованиями согласно [3, 4, 7] являются обеспечение:

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

- максимальной производительности;

- наибольшей точности обработки;

- высокой чистоты обрабатываемой поверхности.

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

В современных станках с числовым программным управлением (ЧПУ) функции, выполняемые электроприводом главного движения, значительно усложнены. Помимо стабилизации частоты вращения, при силовых режимах резания требуются обеспечение режимов позиционирования шпинделя при автоматической смене инструмента, что неизбежно ведет к увеличению требуемого диапазона регулирования частоты вращения.

Требуемый технологический диапазон регулирования скорости шпинделя с постоянной мощностью по [8, 9], равный 20 -- 50 при двухступенчатой коробке скоростей, можно вполне обеспечить при электрическом регулировании скорости двигателя с постоянной мощностью в диапазоне 5:1 -- 10:1, что вполне осуществимо при современных двигателях постоянного тока.

Стабильность работы привода характеризуется перепадом частоты вращения при изменении нагрузки, напряжении питающей сети, температуры окружающего воздуха и тому подобных.

Погрешность частоты вращения для главного привода вальцетокарного станка модели IК 825 Ф2 должна, согласно [10], составлять не более:

- суммарная погрешность -- 5%;

- погрешность при изменении нагрузки -- 2%;

- погрешность при изменении направления вращения -- 2%.

Коэффициент неравномерности, рассчитываемый как отношение разности максимальной и минимальной мгновенных частот к средней частоте вращения при холостом ходе привода, должен быть не более 0,1.

В современных станках динамические характеристики приводов главного движения по управлению прямым образом определяют производительность. При этом время пуска и торможения по [11] не должно превышать 2,0 --4,0 с. При наличии зазоров в кинематической цепи главного привода перерегулирование приводит к дополнительным затратам времени на позиционирование, поэтому появляется необходимость обеспечения монотонного апериодического характера изменения скорости.

Динамические характеристики электропривода по нагрузке практически определяют точность и чистоту обработки изделия, а также стойкость инструмента. Устойчивый процесс резания при необходимой точности и чистоте поверхности возможен, если параметры настройки привода обеспечивают при набросе номинального момента нагрузки максимальный провал скорости не более 40% при времени восстановления, не превышающем 0,25с.

Отличительной особенностью главного привода станков с ЧПУ является необходимость применения реверсивного провода даже в тех случаях, когда по технологии обработки не требуется реверс. Требование обеспечения эффективного торможения и подтормаживания при снижении частоты вращения и режимов поддержания постоянной скорости резания приводит к необходимости применения реверсивного привода с целью получения нужного качества переходных процессов.

2. Выбор и проверка электродвигателя

В электроприводах главного движения токарных станков согласно [11] мощность электродвигателя определяется требуемой мощностью резания. Для определения мощности резания согласно с [1] определим скорость резания V и тангенциальную составляющую силы резания F_z для самого тяжелого варианта работы -- для наружной черновой обработке валка диаметром 1000 мм, изготовленного из конструкционной стали марки 60ХН резцами из быстрорежущей стали марки Т14К8:

, (2.1)

где С_v = 340 -- эмпирический коэффициент;

Т = 60 мин -- стойкость резца;

t = 12 мм -- глубина резания;

S = 34 мм/об -- продольная подача;

m = 0.2; x = 0.15; y = 0.45 -- эмпирические коэффициенты;

K_v -- поправочный коэффициент, учитывающий фактические условия резания.

K_v = K_mv* K_пv* K_иv , (2.2)

где: K_пv = 1 -- коэффициент, отражающий состояние поверхности заготовки -- без корки;

K_иv = 0.8 -- коэффициент, учитывающий качество материала инструмента, используется резец марки Т14К8;

K_mv -- коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала (физико-механические свойства).

^, (2.3)

где К_г = 1 -- коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и материала инструмента;

-_В = 1100 МПа -- предел прочности обрабатываемого материала;

n_В = 1.78 -- показатель степени, зависящий от обрабатываемого материала и материала инструмента.

Тогда, подставив (2.3) в (2.2), получим:

K_v = 0.52* 1* 0.8 = 0.41, (2.4)

Тогда, с учетом (2.1)--(2.4), получим:

^м/мин, (2.5)

Тогда, зная скорость резания V, определим тангенциальную составляющую силы резания F_z:

F_z = 10 * C_p * t^x * S^y * Vⁿ * Kp, (2.6)

где C_p = 200 -- эмпирический коэффициент;

x = 1; y = 0.75; n = 0 -- эмпирические коэффициенты.

К_p -- поправочный коэффициент, учитывающий фактические условия резания.

K_p = K_mp * K_-p * K_-p * K_rp * K_-p; (2.7)

где K_-p, K_-p, K_rp, K_-p -- поправочные коэффициенты, учитывающие влияние геометрических параметров режущей части инструмента на составляющие силы резания (резец из быстрорежущей стали марки Т14К8);

K_-p = 1.15 -- передний угол в плане - = 12-15-;

K_-p = 1 -- угол наклона главного лезвия - = 15-;

K_rp = 0.93 -- радиус при вершине r = 1 мм;

K_-p = 1 -- главный угол в плане - = 45-;

K_mp -- поправочный коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости.

^, (2.8)

где -_В = 1100 МПа -- предел прочности обрабатываемого материала;

n = 0.75 -- показатель степени, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости.

Тогда, подставив (2.8) в (2.7), получим:

K_p = 1.33 * 1.15 * 1 * 0.93 * 1 = 1.425. (2.9)

Подставив (2.1) -- (2.5), (2.7) -- (2.9) в (2.6), получим:

F_z = 10 * 200 * 12¹ * 34^0.75 * 8.66⁰ * 1.425 = 481670 кН. (2.10)

Тогда, зная скорость резания V и тангенциальную составляющую силы резания F_z, определим требуемую мощность резания (с учетом коэффициента полезного действия системы равного 0.9):

 кВт. (2.11)

Поскольку расчет велся для самого тяжелого варианта, то можно выбирать двигатель, который проходит по мощности для этого варианта.

Выбираем двигатель [6] серии 4ПН 400 - 22 МУ3 со следующими параметрами:

- номинальная мощность двигателя Р_н = 70 кВт;

- номинальный ток двигателя I_н = 350 А;

- номинальное напряжение питания U_н = 220 В;

- момент инерции двигателя J_дв = 8.25 кг*м²;

- минимальная скорость вращения n_min = 250 об/мин;

- номинальная скорость вращения n_н = 750 об/мин;

- максимальная скорость вращения n_max = 1500 об/мин;

- пусковая перегрузочная способность -_п = 2;

- номинальный коэффициент полезного действия -_н = 93%.

Произведем проверку выбранного двигателя по нагреву согласно тахограммы и нагрузочной диаграммы, приведенных на Рис. 2.1, где:

t₁ = 1 с -- время разгона электродвигателя;

t₂ = t₄ = 2 с -- время работы электродвигателя на холостом ходу;

t₃ = 3000 с -- время работы электродвигателя с номинальной нагрузкой;

t₅ = 1 с -- время торможения электродвигателя;

I1 = 2Iн = 700 А -- пусковой ток двигателя

I2 = 0.1Iн = 35 А -- ток холостого хода электродвигателя;

I3 = 0.95Iн = 332 А -- номинальный рабочий ток двигателя;

I4 = 0.1Iн = 35 А -- ток холостого хода электродвигателя;

I5 = 1.9Iн = 665 А -- тормозной ток электродвигателя.

Тогда:

(2.12)

Поскольку полученный эквивалентный ток меньше номинального тока двигателя, следовательно, по нагреву данный двигатель подходит и выбран верно. Для питания двигателя выбираем комплектный тиристорный преобразователь [2] серии ЭПУ1-2-4347 DУХЛ4 со следующими параметрами:

Р_н = 92 кВт -- номинальная мощность преобразователя;

U_н = 230 В -- номинальное выходное напряжение ТП;

I_н = 400 А -- номинальный выходной ток преобразователя.

Для питания тиристорного преобразователя выбираем вводной трансформатор [2] ТСЗП - 160 / 0.743 со следующими параметрами:

Р_н = 143 кВА -- номинальная потребляемая мощность трансформатора;

U₁ = 380 В -- напряжение первичной обмотки трансформатора;

U_2ф = 230 В -- напряжение вторичной обмотки трансформатора;

I_2ф = 500 А -- ток вторичной обмотки трансформатора;

-Р_хх = 795 Вт -- потери холостого хода в трансформаторе;

-Р_кз = 2400 Вт -- потери при коротком замыкании в трансформаторе;

U_кз = 4.5% -- напряжение короткого замыкания трансформатора;

I_хх = 5.2% -- ток холостого хода трансформатора.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения выбираем сглаживающий реактор [5] ФРОС - 125 / 0.5 У3 со следующими параметрами:

I_н = 500 -- номинальный ток сглаживающего реактора;

L_н = 0.75 мГн -- номинальная индуктивность сглаживающего реактора;

R_н = 3 мОм -- номинальное сопротивление реактора.

3. Сведения о системе электропитания станка

Характеристика системы электропитания вальцетокарного калибровочного станка модели IК 825 Ф2 приведена в табл. 3.1.

Таблица 3.1 -- Характеристика системы электропитания станка вальцетокарного калибровочного модели IК 825 Ф2.

Назначение цепей	Источник питания	U, f
Питание электрооборудования станка	сеть	380В, 50Гц
Питание УЦИ	Трансформатор Т22	220В, 50Гц
Питание ЦУ постоянного тока напряжением 110В (станция НКУ 2090)	Трансформатор Т10 с выпрямительным мостом V20 -- V25	110В
Питание ЦУ постоянного тока стабилизированным напряжением 110В (станция НКУ 2090)	Стабилизатор G2, трансформатор Т7 с выпрямительным мостом V8 -- V11	110В
Питание ЦУ постоянного тока напряжением 24В (станция НКУ 2090)	Трансформатор Т8 с выпрямительным мостом V12 -- V17	24В
Питание ЦУ постоянного тока напряжением 24В (станция НКУ 2090)	Трансформатор Т11 с выпрямительным мостом V26 -- V31	24В
Питание ЦУ постоянного тока напряжением 110В (станция НКУ 3090)	Трансформатор Т20 с выпрямительным мостом V89	110В
Питание ЦУ постоянного тока напряжением 24В (станция НКУ 3090)	Трансформатор Т23 с выпрямительным мостом V90	24В
Питание двигателей вентиляторов комплектных устройств НКУ	Трансформатор Т12	220В, 50Гц
Питание цепей освещения	Трансформатор Т4	24В,16А,50Гц
Питание местного освещения (станция НКУ 2090)	Трансформатор Т6	24В, 50Гц
Питание ЦУ напряжением 110В (станция НКУ 2090)	Трансформатор Т6	110В, 50Гц
Для нужд потребления (станция НКУ 2090)	Трансформатор Т5	220В,2А,50Гц

4. Расчет динамических параметров системы

На Рис. 4.1 приведена структурная схема системы тиристорный преобразователь -- двигатель. Математическая модель проектируемой системы приведена на Рис. 4.2.

Определим по эмпирическим формулам согласно [5] недостающие данные.

Номинальная угловая скорость вращения двигателя:

^1/с, (4.1)

Суммарное активное сопротивления якорной цепи электродвигателя определим из условия распределения потерь, считая, что половина потерь в двигателе идет на нагрев обмоток. Тогда:

^Ом (4.2)

Определим значение номинального магнитного потока:

^В*с (4.3)

Время регулирования, то есть время, за которое завершиться переходный процесс, составит:

^с (4.4)

Определим коэффициент усиления тиристорного преобразователя как отношение среднего значения выпрямленного напряжения U_d0 к максимальному напряжению управления U_ум (поскольку планируется использование стандартной блочной системы регуляторов, то максимально допустимое напряжение U_ум составляет 8 В):

(4.5)

(4.6)

где К_u = 0.428 -- коэффициент схемы выпрямления.

Постоянную времени тиристорного преобразователя принимаем равной 0.007 с -- время, достаточное для восстановления запирающих свойств тиристоров после прохождения полуволны напряжения через 0.

Определим активное сопротивление фазы трансформатора:

^Ом (4.7)

где В (4.8)

Тогда полное сопротивление фазы трансформатора составит:

^Ом, (4.9)

а индуктивное сопротивление фазы трансформатора составит:

^Ом (4.10)

Тогда индуктивность фазы трансформатора составит:

^Гн (4.11)

Определим индуктивность якоря двигателя по эмпирической формуле:

^Гн (4.12)

где p = 2 -- число пар полюсов двигателя.

Определим суммарную индуктивность якорной цепи двигателя:

L_- = L_ср + 2L_тр + L_яд = 0.75 + 2 * 0.02892 + 2 = 2.808 мГн (4.13)

Определим суммарное активное сопротивление якорной цепи двигателя:

R_- = R_яд + r_ср + a * r_д + b * r_тр + c * r_ур + r_к (4.14)

где r_ср -- активное сопротивление сглаживающего реактора;

r_д -- динамическое сопротивление тиристоров;

r_ур -- активное сопротивление уравнительного реактора;

r_к -- коммутационное сопротивление;

a = 2, b = 2, c = 1 -- коэффициенты, зависящие от схемы выпрямления напряжения.

^Ом (4.15)

^Ом (4.16)

r_д = 0.45 * 10^-3 Ом -- по паспортным данным (4.17)

Подставив (4.15) -- (4.17) в (4.14), получим:

R_- = (21.5 + 0.062 + 2 * 0.45 + 2 * 0.186 + 1 * 0.62 + 8.68) * * 10^-3 = 31.576 * 10^-3 Ом (4.18)

Определим граничный угол отпирания тиристоров:

(4.19)

где С_е' -- коэффициент пропорциональности между скоростью и ЭДС двигателя.

(4.20)

Тогда, подставив (4.20) в (4.19), получим граничный угол отпирания тиристоров равным:

(4.21)

Определим постоянные времени полученной системы.

Электромагнитная постоянная якорной цепи двигателя:

^с (4.22)

Электромагнитная постоянная якоря двигателя:

^с (4.23)

Электромеханическая постоянная системы:

^с (4.24)

где J_- = K_j * J_дв = 2.5 * 8.25 = 20.625 кг*м² (4.25)

K_j -- коэффициент динамичности системы электропривода, показывающий во сколько раз система электропривода инерционней, чем двигатель. Для тяжелых токарных станков 2 - K_j - 3.

Результаты вычислений сведем в таблицу.

Таблица 4.1 -- Динамические параметры системы

Наименование	Обозначение	Величина
Электромагнитная постоянная времени системы	Тэ	0.0899 с
Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя	Тя	0.093 с
Электромеханическая постоянная времени системы	Тм	0.0606 с
Постоянная времени тиристорного преобразователя	Т-	0.007 с
Суммарное сопротивления якорной цепи электродвигателя	R-	0.031576 Ом
Суммарный момент инерции системы электропривода	J-	20.625 кг*м2
Коэффициент усиления тиристорного преобразователя	Ктп	67.17
Максимальный угол отпирания тиристоров	-max	81- 37'

5. Синтез системы автоматического регулирования

Для обеспечения требуемых статических и динамических параметров определим требуемую структуру системы.

Поскольку необходимо регулировать мощность резания, то система должна иметь контур мощности.

Так как требуется хорошая динамика, то необходимы контура тока и скорости.

Поскольку требований к статической ошибке по скорости не предъявляется, то можно использовать пропорциональный (П) регулятор скорости. Регулятор тока в любом случае -- пропорционально--интегральный (ПИ).

Поскольку основным требованием к мощности является стабилизация ее на заданном уровне с точностью 5%, то необходимо применить пропорционально--интегрально--дифференциальный (ПИД) --регулятор мощности, если при этом интегральная и дифференциальная части регулятора будут значимы.

Исходя из вышеизложенного, можно провести синтез соответствующей системы регулирования -- трехконтурной, с внутренними контурами тока и скорости двигателя и с внешним контуром мощности резания.

5.1 Расчет контура тока

Структурная схема контура тока приведена на Рис. 5.1.

Регулятор тока организован по пропорционально-интегральному (ПИ) закону управления с настройкой на модульный оптимум. Регулятор для обеспечения требуемых динамических параметров должен компенсировать электромагнитную постоянную времени системы Т_э, а также малую постоянную времени контура тока Т_от.

Тогда передаточная функция регулятора тока будет иметь вид:

(5.1)

где -_рт -- постоянная времени токового контура;

(5.2)

К_рт -- пропорциональная часть регулятора тока, определяется по формуле:

(5.3)

где Т_от -- малая постоянная времени токового контура;

Т_от = 2 * Т_- = 2 * 0.007 = 0.014 с (5.4)

К_от -- коэффициент обратной связи по току, определяется по формуле:

К_от = К_дт * К_ш = 60.95 * 1.875*10^-4 = 1.143 * 10^-2 (5.5)

где К_дт -- коэффициент усиления датчика тока;

(5.6)

К_ш -- коэффициент усиления измерительного шунта;

(5.7)

Подставив (5.3) -- (5.6) в (5.2), получим:

(5.8)

Подставив (5.8) в (5.2), получим:

(5.9)

На Рис.5.2 приведена схема реализации регулятора тока. Рис. 5.3 отображает структурную схему регулятора тока. Согласно Рис. 5.2 и Рис. 5.3 запишем уравнения соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации:

(5.10)

Зададимся емкостью конденсатора С_ост = 1 мкФ. Тогда, согласно уравнения 2 системы (5.10), сопротивление R_ост составит:

 ^кОм (5.11)

Подставив значение С_ост = 1 мкФ в уравнение 3 системы (5.10), найдем, что сопротивление R_зт составит:

^кОм (5.12)

Подставив (5.12) в 1 уравнение системы (5.10), получим, что сопротивление R_т составит:

^кОм (5.13)

5.2 Расчет контура скорости

Структурная схема контура скорости приведена на Рис. 5.4.

Регулятор скорости организован по пропорциональному (П) закону управления с настройкой на модульный оптимум. Регулятор для обеспечения требуемых динамических параметров должен компенсировать электромеханическую постоянную времени системы Т_м, а также малую постоянную времени контура скорости Т_ос.

Тогда передаточная функция регулятора скорости будет иметь вид:

(5.14)

где Т_ос -- малая постоянная времени токового контура;

Т_от = 2 * Т_от = 4 * Т_- = 4 * 0.007 = 0.028 с (5.15)

К_ос -- коэффициент обратной связи по скорости, определяется по формуле:

^В*с (5.16)

Подставив динамические параметры системы, а также (5.15) -- (5.16) в (5.14), получим:

(5.17)

На Рис.5.5 приведена схема реализации регулятора тока. Рис. 5.6 отображает структурную схему регулятора тока. Согласно Рис. 5.5 и Рис. 5.6 запишем уравнения соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации:

(5.18)

где К_дс -- коэффициент датчика скорости, определяемый отношением:

^В*с (5.19)

Зададимся сопротивлением R_осс = 100 кОм. Тогда, согласно уравнения 2 системы (5.18), сопротивление R_зс составит:

^{кОм (}5.20)

Подставив значение R_зс = 4.8 кОм в уравнение 1 системы (5.18), найдем, что сопротивление R_с составит:

^{кОм (}5.21)

5.3 Расчет контура мощности и процесса резания

Структурная схема контура скорости приведена на Рис. 5.7.

Контур мощности будем рассчитывать на стабилизацию уровня мощности резания в пределах 90 - 5% номинальной мощности двигателя, что составит 93 - 4% мощности резания. Такие действия правомочны, поскольку для расчета требуемой мощности двигателя был принят теоретически самый тяжелый вариант работы -- из трудно обрабатываемого, но часто используемого материала резцами из быстрорежущей стали при максимальном диаметре заготовки и величине подачи резца.

Согласно (2.1) -- (2.11), в данном конкретном случае мощность резания определяется следующим выражением:

Р_рез = 7870.66975 * V кВт (5.22)

где V -- скорость резания.

Требуемая в данном случае скорость резания согласно (2.5) составляет 8.66 м/мин. Рассчитаем коэффициент передачи передаточного механизма (коробки скоростей):

м*с/мин (5.23)

Постоянная процесса резания согласно [1] определяется следующим образом:

(5.24)

где nш -- скорость вращения шпинделя, определяющаяся по формуле:

об/мин (5.25)

где Dдет -- диаметр устанавливаемой в центрах заготовки.

Подставив (5.25) в (5.24), получим:

с (5.26)

Для стабилизации мощности без затягивания переходного процесса нарастания мощности необходимо, чтобы обратная связь по мощности включалась при превышении мощностью уровня стабилизации (то есть максимально допустимой мощности), для чего необходима зона нечувствительности по мощности. Поскольку унифицированная блочная система регуляторов (УБСР) рассчитана на максимальное напряжение 8 В, то и ограничение по мощности, выполненное на элементах УБСР, будет соответствовать Uср = 8 В. Тогда коэффициент датчика мощности можно рассчитать из следующих соображений, что при мощности, равной мощности стабилизации, напряжение обратной связи по мощности должно достигнуть напряжения сравнения, то есть:

В / Вт (5.27)

где Рст -- уровень стабилизации мощности.

Для расчета регулятора мощности необходимо рассчитать максимальное задание, которое будет подано на вход регулятора мощности для достижения уровня стабилизации. Это задание рассчитывается из условия того, что при мощности стабилизации задание соответствует максимальной мощности, а при максимальной мощности задание на мощность равно нулю. Таким образом, требуемое напряжение задания можно определить по формуле:

(5.28)

Оптимизация контура мощности ведется по симметричному оптимуму.

Поскольку датчик мощности выполняется на базе датчиков тока и скорости, то он будет обладать некоторой инерционностью. Постоянная времени датчика мощности стандартной реализации находится в пределах 0.003--0.006 с. Поскольку в данном случае датчик мощности реализуется с использованием микросхем, что ускоряет работу, примем постоянную времени датчика мощности Т_дм = 0.004 с.

Тогда, согласно Рис. 5.7, для компенсации всех постоянных необходима следующая передаточная функция регулятора мощности:

(5.29)

Подставив значения постоянных времени и коэффициентов передачи, получим:

- пропорциональная часть регулятора мощности К^п_рм = 7.3529;

- интегральная часть регулятора мощности К^и_рм = 0.0338;

- дифференциальная часть регулятора мощности К^д_рм = 0.0029.

Таким образом, интегральная и дифференциальная части оказались незначимыми по сравнению с пропорциональной частью регулятора мощности, откуда следует, что для обеспечения требуемых показателей качества как в динамике, так и в статике достаточно пропорционального интегратора мощности.

На Рис.5.8 приведена схема реализации регулятора мощности. Рис. 5.9 отображает структурную схему регулятора мощности. Согласно Рис. 5.8 и Рис. 5.9 запишем уравнения соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации:

(5.30)

где Кдм -- коэффициент датчика скорости.

Зададимся сопротивлением Rосм = 100 кОм. Тогда, согласно уравнения 2 системы (5.30), сопротивление Rзм составит:

кОм (5.31)

где Крм -- пропорциональная часть регулятора мощности.

Подставив значение Rзм = 4.8 кОм в уравнение 1 системы (5.18), найдем, что сопротивление Rм составит:

кОм (5.32)

где Ком -- коэффициент обратной связи по мощности, рассчитываемый из условия соответствия максимального задания на мощность максимальной мощности, то есть:

(5.33)

5.4 Расчет статической характеристики системы

Структурная схема проектируемой системы электропривода в статике для расчета статической характеристики приведена на Рис. 5.10.

Запишем уравнение скорости движения электропривода в статике:

(5.34)

где - --скорость вращения двигателя;

-₀ -- скорость холостого хода двигателя:

^1/с (5.35)

--_с -- статическое падение скорости при статическом токе:

^1/с (5.36)

Выражение (5.34) раскрыто с применением правил Лопиталя для раскрытии неопределенностей вида .

По полученным расчетным данным построим статическую характеристику системы, приведенную на Рис. 5.11.

5.5 Разработка датчика мощности

В проектируемой системе электропривода необходимо иметь сигнал, пропорциональный мощности резания. Прямым способом измерить мощность резания невозможно. Поэтому ее измеряют косвенно.

Для измерения мощности резания можно использовать сигналы, пропорциональные току двигателя, скорости вращения двигателя, ЭДС двигателя.

В данном случае предлагается использовать сигналы, пропорциональные току и скорости вращения двигателя. После перемножения этих сигналов на выходе получится сигнал, пропорциональный мощности резания. Функциональная схема реализованного датчика мощности приведена на Рис. 5.12.

В состав спроектированного датчика мощности входит интегральная микросхема (ИМС) [16] К525ПС2А, представляющая собой четырехквадрантный аналоговый перемножитель (АП) сигналов и имеет следующие параметры:

- потребляемый ток -- не более 6 мА;

- погрешность перемножения -- не более - 1%;

- нелинейность перемножения:

а) по входу X -- не более - 0.8%;

б) по входу Y -- не более - 0.5%;

- остаточное напряжение:

а) по входу X -- не более 80 мВ;

б) по входу Y -- не более 60 мВ;

- входной ток:

а) по входу X -- не более 4 мкА;

б) по входу Y -- не более 6 мкА;

- полоса преобразования по входам -- не менее 0.7 МГц;

- выходное напряжение -- не более - 10.5 В.

Стабилитрон во входной цепи операционного усилителя рассчитаем из следующих соображений. Напряжение срабатывания стабилитрона должно соответствовать достижению мощностью резания уровня стабилизации. Этому уровню будут соответствовать статический ток двигателя I_с = 333 А и скорость вращения двигателя -_н= 78.54 1/с. Поскольку датчик тока рассчитан на пусковой ток, то в номинальном режиме его выходное напряжение составит:

В (5.37)

Сигнал с тахогенератора составит:

В (5.37)

Тогда сигнал на выходе ИМС составит:

В (5.38)

Таким образом, напряжение стабилизации входного стабилитрона должно составлять 3 В, что обеспечит правильную работу обратной связи по мощности.

Обратная связь включается через 1.5 с после включения двигателя, что обеспечивают контакты реле времени. Это необходимо для того, чтобы при пуске обратная связь по мощности не срабатывала.

6. Анализ работы системы автоматического регулирования с использованием пакета масс

По структурной схеме системы, приведенной на Рис. 6.1, составим математическую модель проектируемой системы для дальнейшего моделирования, которая приведена на Рис. 6.2. Согласно Рис. 6.2. составим таблицу задания для моделирования процессов на МАССе.

DIPMAG.MDS 3-December-97, Wednesday

Номер Тип Входы Параметры

1 K 1.0879E+00

10 + 1 -16 0

11 G 10 0 0 7.3529E+00

12 L 11 8.0000E+00 -8.0000E+00

13 G 24 0 0 1.1026E-01

15 AN 14 1.3333E-04 3.9999E-03

16 D 15 8.0000E+00 -8.0000E+00

20 + 12 -25 0

21 G 20 0 0 2.0799E+01

22 L 21 8.0000E+00 -8.0000E+00

23 + 44 -103 0

24 I 0 23 0 0.0000E+00 1.9263E-01 0.0000E+00

25 G 24 0 0 1.0185E-01

27 G 24 0 0 2.7050E+00

30 + 22 -45 0

31 R2 41 30 34

32 G 30 0 0 2.6119E-01

33 I 0 31 0 0.0000E+00 2.9382E+00 0.0000E+00

34 K 0.0000E+00

35 + 32 33 0

36 AB 35

37 K 8.0000E+00

38 + 37 -36 0

39 NL 38

40 EL 30 33

41 AL 39 40

42 L 35 8.0000E+00 -8.0000E+00

43 + 50 -27 0

44 AN 43 3.1669E+01 8.8899E-02

45 G 44 0 0 1.1430E-02

50 AN 42 6.7170E+01 6.9999E-03

100 K 1.0000E+00

101 B 24

103 X 100 101 104

104 G 14 0 0 5.1152E-03

999 DT 13 1.5000E+00

14 AN 999 7.8700E+03 2.1766E+01

Структура модели:

- регулятор тока -- блоки 30 -- 42;

- обратная связь по току -- блок 45;

- нагрузка (статический ток) -- блоки 100 -- 104;

- регулятор скорости -- блоки 20 -- 22;

- обратная связь по скорости -- блок 25;

- регулятор мощности -- блоки 10 -- 12;

- обратная связь по мощности -- блоки 15 -- 16;

- тиристорный преобразователь -- блок 50;

- двигатель:

· токовая часть -- блоки 43 -- 44;

· скоростная часть -- блоки 23 -- 24;

· внутренняя обратная связь двигателя (СФ) -- блок 27;

- передаточный механизм -- блок 13;

- процесс резания -- блоки 999,14.

Выходы блоков:

- скорость вращения двигателя -- выход блока 24;

- ток двигателя -- выход блока 44;

- мощность резания -- выход блока 14.

В результате моделирования были получены результаты, приведенные на Рис.6.3 -- Рис. 6.9, которые приведены ниже.

На рисунках приведено:

- Рис. 6.3. -- пуск двигателя;

- Рис. 6.4. -- стабилизация расчетного варианта мощности;

- Рис. 6.5. -- работа системы при увеличении коэффициента резания на 50%;

- Рис. 6.6. -- работа системы при уменьшении коэффициента резания на 50%;

- Рис. 6.7. -- работа системы при уменьшении механической постоянной времени на 10%;

- Рис. 6.8. -- работа системы при уменьшении механической постоянной времени на 20%;

- Рис. 6.9. -- работа системы при уменьшении механической постоянной времени на 30%.

Таким образом, из приведенных графиков переходных процессов можно сделать вывод, что изменение механической постоянной времени, что может случиться в результате уменьшения массы обрабатываемой детали и ее геометрических размеров, не оказывает существенного влияния на стабилизацию мощности, в то время, как изменение механических свойств обрабатываемой детали или режущего инструмента, изменение чистоты поверхности детали и так далее существенно влияют на мощность резания. При этом изменяется характер переходного процесса нарастания мощности резания. Из апериодического (рис.6.4) он превращается в колебательный (рис. 6.5)

Рисунок 6.3 -- Переходный процесс пуска двигателя

Рисунок 6.4 -- Переходный процесс стабилизации мощности.

Рисунок 6.5 -- Переходный процесс стабилизации мощности при увеличении К_р на 50%.

Рисунок 6.6 -- Переходный процесс стабилизации мощности при уменьшении К_р на 50%.

Рисунок 6.7 -- Переходный процесс стабилизации мощности при уменьшении Т_м на 10%.

Рисунок 6.8 -- Переходный процесс стабилизации мощности при уменьшении Т_м на 20%.

Рисунок 6.9 -- Переходный процесс стабилизации мощности при уменьшении Т_м на 30%.

7. Экономическое обоснование внедрения системы электропривода

7.1 Выбор объекта для сравнения

В дипломном проекте разрабатывалась новая система электропривода на базе комплектного тиристорного преобразователя серии ЭПУ1-2-4347Д-УХЛ4 для привода главного привода вальцетокарного специального станка модели IK825Ф2. Электродвигатель, использующийся в комплекте, относится к серии 4П, которая в настоящее время находится в производстве. Для сравнения берем двигатель 2ПН300L. Серия 2П уже снята с производства. Питание двигателя 2ПН300L производится от комплектного тиристорного преобразователя серии КТЭУ 400/220-03222.

Проектируемый электропривод в сравнении с базовым имеет следующие преимущества:

- преобразователь серии ЭПУ1-2-4347Д-УХЛ4 выполнен на базе новых элементов и имеет большую надежность и более высокое быстродействие, чем преобразователь серии КТЭУ 400/220-03222;

- мощность проектируемого двигателя меньше мощности базового двигателя;

- соответственно снижены мощность вводного трансформатора и тиристорного преобразователя;

- меньшая мощность тиристорного преобразователя и относительно улучшенная схема подключения вентилей уменьшают влияние коммутационных токов тиристоров на сеть;

- использование реверсивного тиристорного преобразователя позволяет осуществлять тормозные режимы с рекуперацией энергии в сеть, для чего в нереверсивных тиристорных преобразователях необходим еще один преобразователь.

7.2 Расчет капитальных затрат

В состав капитальных затрат по каждому варианту входит:

- стоимость нового оборудования системы;

- стоимость резерва, если он предусмотрен;

- стоимость строительно-монтажных работ по установке и монтажу электрооборудования, в том числе и заработная плата;

- транспортные расходы по доставке оборудования;

- стоимость занимаемой площади здания;

- заготовительно-складские расходы.

Стоимость резерва для системы тиристорный преобразователь-двигатель составляет 30% от стоимости основного оборудования. Затраты на площадь помещения, где расположены агрегаты, транспортные и заготовительно-складские расходы принимаются соответственно 15%, 4% и 1.2% от стоимости основного оборудования. Стоимость строительно-монтажных работ для данной системы составляет 10% от стоимости основного оборудования (50% этой суммы составляет заработная плата).

Расчет капитальных вложений произведен в табл. 7.1 и табл. 7.2.

Различие в суммах капитальных вложений объясняется разницей в стоимости оборудования. Считая, что благодаря оптимизированным системам управления, производительность станка в обоих вариантах одинакова, корректировку не делаем.

7.3 Расчет и сопоставление эксплуатационных расходов

Эксплуатационные расходы при применении той или иной системы электропривода определяются технологической себестоимостью, состоящей из следующих статей: амортизационные отчисления С_а; расходы на потребляемую электроэнергию С_э; затраты на ремонт электрооборудования С_р; прочие расходы.

7.3.1 Расчет амортизационных отчислений

Годовые амортизационные отчисления по каждому варианту определяются по формуле:

. (7.1)

Таблица 7.1. Смета на электрооборудование базового варианта

Наименование	Наименование	Коли-	Масса, кг	Сметная стоимость, грн
Прейскуранта	оборудования	чес-	единицы	общая	Единицы обо-	Монтажные работы
		тво			рудования, шт.	Всего	Зарплата
1. Договорная цена	Двигатель 2ПН300L, 110 кВт	1	3200	3200	33000	3300	1650
2. Договорная цена	КТЭУ 400/220-03222, 220В, 400А	1	4000	4000	55200	5520	2760
Итого по оборудованию, грн	97020.0
Резерв, грн	26460.0
Затраты на площадь для установки агрегатов, грн	13230.0
Транспортные расходы, грн	3528.0
Заготовительно - складские расходы, грн	1058.4
Общая сумма капитальных затрат, грн	141296.4

Таблица 7.2. Смета на электрооборудование нового варианта

Наименование	Наименование	Коли-	Масса, кг	Сметная стоимость, грн
Прейскуранта	оборудования	чес-	единицы	общая	Единицы обо-	Монтажные работы
		тво			рудование, шт.	Всего	Зарплата
1. Договорная цена	Двигатель 70 кВт, 4ПН400 22МУ3	1	2550	2500	21000	2100	1050
2. Договорная цена	ЭПУ1-2-4347Д-УХЛ4, 220В, 400А	1	3200	3200	55200	5520	2760
Итого по оборудованию, грн	83820.0
Резерв, грн	22860.0
Затраты на площадь для установки агрегатов, грн	11430.0
Транспортные расходы, грн	3048.0
Заготовительно - складские расходы, грн	914.4
Общая сумма капитальных затрат, грн	122072.4

где Н_а - норма амортизационных отчислений;

К - стоимость объекта в денежном измерении.

Принимаем усредненную норму амортизационных отчислений равную 8%. Тогда амортизационные отчисления по первому варианту:

, (7.2)

по второму варианту:

, (7.3)

К амортизационным отчислениям на оборудование прибавляются отчисления на площадь, которые по первому варианту составят:

, (7.4)

По второму варианту:

, (7.5)

Полные амортизационные отчисления для базового варианта составят:

, (7.6)

По новому варианту:

, (7.7)

7.3.2 Расходы на потребляемую электроэнергию

Расходы на потребляемую электроэнергию определяются для каждого элемента по каждому варианту по формуле:

, (7.8)

где Р - номинальная мощность объекта, кВт;

К - коэффициент полезного действия агрегата, доли;

Т_эф - эффективный фонд времени работы, часы;

К_в - коэффициент использования по времени;

К_м - коэффициент использования по мощности;

С - стоимость одного кВт*часа электроэнергии, грн/(кВт*час).

Номинальная мощность для базового варианта составляет 110 кВт, для нового варианта - 70 кВт.

Коэффициент полезного действия для обоих вариантов вычисляем как произведение коэффициентов полезного де...