Модернизация продольно-строгального станка путем замены электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

• 1. Технологическая часть
• 1.1 Анализ технологического процесса
• 1.2 Описание промышленной установки
• 1.3 Анализ взаимодействия оператор - промышленная установка
• 1.4 Анализ кинематической схемы, определение параметров и проектирование расчетной схемы механической части электропривода
• 1.5 Определение путей повышения эффективности установки на основе модернизации системы электропривода, автоматизация установки, введения технологических обратных связей
• 2. Выбор системы электропривода
• 2.1 Литературный обзор по теме курсового проекта
• 2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу
• 2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода
• 3. Выбор комплектного преобразователя и датчиков координат электропривода
• 4. Разработка математической модели автоматизированного электропривода
• 5. Разработка программного обеспечения для компьютерного моделирования автоматизированного электропривода
• 6. Анализ динамических характеристик электропривода
• Заключение
• Перечень используемых источников
• Введение

Современный металлорежущий станок оборудован сложной системой автоматизированного электропривода, включающей в себя многие электрические машины, как генераторы, так и двигатели, всевозможный усилительные и преобразовательные устройства, многочисленную аппаратуру. В современных тяжелых и уникальных станках число электрических машин достигает нескольких десятков.

В настоящее время любое устройство должно обеспечивать максимальную производительность станка и иметь как можно меньшую стоимость стоимости электрооборудования.

В данном курсовом проекте мы в качестве модернизации продольно-строгального станка предлагается осуществить замену электропривода постоянного тока осуществляющего перемещения стола на электропривод ПЧ АД.

1. Технологическая часть

1.1 Анализ технологического процесса

Продольно-строгальные станки входят в группу строгальных станков. Характерная особенность строгальных станков - возвратно-поступательное перемещение резца или детали с режимом строгания при прямом ходе и осуществление прерывистой поперечной подачи после каждого одинарного или двойного хода резца или детали.

Процесс строгания производится при прямом рабочем ходе стола, а при обратном ходе резец поднимается. После каждого обратного хода стола резец перемещается в поперечном направлении, обеспечивая поперечную подачу. Продольное перемещение стола при рабочем ходе является главным движением, а перемещение резца - движением подачи. Вспомогательными движениями являются быстрые перемещения траверсы и суппортов станка, подъеме резца при обратном ходе стола и наладочные операции.

1.2 Описание промышленной установки

На продольно-строгальных станках осуществляется строгание больших деталей. Такие станки выпускаются разных размеров с длиной стола 1,5-12 м. В зависимости от длинны стола различают станки небольших размеров при длине стола 3ч4 м с тяговым усилием Fтяг ? 30ч50 кН, средних размеров при длине стола меньшим 5 м, Fтяг = 50ч70 кН и тяжелые станки при длине стола большим 5 м, Fтяг > 70 кН.

Общий вид продольно-строгального станка приведен на рисунке 1.2.



Рисунок 1.2. Общий вид продольно-строгального станка: 1 - резец; 2 - суппорт; 3 - траверса; 4 - обрабатываемое изделие; 5 - стол

1.3 Анализ взаимодействия оператор - промышленная установка

Оператор продольно-строгального станка осуществляет установку заготовку на столе и ее закрепляет, контролирует процесс обработки заготовки в программном режиме и в случае аварийного режима оператор может прекратить работу станка как с пульта станка, так и со стойки ЧПУ.

В станке предусмотрен пуль управления, с помощью которого оператор может управлять работой станка в ручном режиме, необходимым для различных отладочных работ, задавать точные перемещения, режимы резанья, скорость рабочей подачи, а также запускать станок на работу по программе.

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

Главное движение производится от двигателя, вращательное движение от которого передается через одноступенчатый редуктор на реечную шестерню, которая с помощью зубчатой рейки осуществляет поступательное движение стола.

Обобщенная кинематическая схема механизма главного движения представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. Кинематическая схема механизма: ЭД - электродвигатель; ПМ - передаточный механизм; М - муфта; ИМ - исполнительный механизм

Механическая часть электропривода состоит из двигателя, передаточного устройства и исполнительного механизма.

Для данного механизма рассчитаем суммарный момент, приведенный к валу двигателя.

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, рисунке 1.4.

Суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции электропривода определяем как:

J? = J_д + J_муф + m², (1,1)

где - коэффициент, учитывающий момент инерции вращающихся частей передаточного механизма ( = 1,1-1,3);

J_муф - момент инерции муфты, J_муф = 0.2 J_д;

J_д - момент инерции ротора двигателя;

m - масса поступательно движущихся частей механизма;

- радиус приведения.

Рисунок 1.4. Механическая модель электропривода

J = 1.1·4.5 + 0.24.5 + 510³0.0125² = 6.63 кгм².

1.5 Определение путей повышения эффективности установки на основе модернизации системы электропривода, автоматизация установки, введения технологических обратных связей

В данном курсовом проекте предлагается замена постоянного электропривода на переменный электропривод, а именно на ПЧ АД.

ПЧ АД по сравнению с постоянным электроприводом имеет следующее достоинства:

- двигатель, применяемый в ПЧ АД дешевле по цене, прост в конструкции и обслуживании чем двигатель постоянного тока,

- КПД у асинхронного двигателя выше чем у электродвигателя постоянного тока,

- масса габариты асинхронного электропривода меньше в 1.2ч1.5 раза чем у электропривода постоянного тока одной и той же мощности.

Следовательно, из выше сказанного, при внедрении асинхронного электропривода вместо постоянного тока позволит нам уменьшить масса габариты установки, уменьшатся потери энергии на двигателе, будет более дешевле в обслуживании, а значит замена постоянного электропривода на асинхронный оправдано исходя из экономических соображений.

2. Выбор системы электропривода

2.1 Литературный обзор по теме курсового проекта

В настоящее время есть много различных видов электроприводов: электропривода постоянного тока, электропривода переменного тока, вентильные электропривода и другие.

Главный электропривод и электроприводы подачи суппорта и вспомогательных механизмов продольно-строгальных станков осуществляется от отдельных электрических двигателей.

В настоящее время в продольно-строгальных станках в качестве главного электропривода применяются двигатели постоянного тока, которые питаются от тиристорного преобразователя, через двухдиапазонную коробку скоростей, что обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости перемещения стола в широком диапазоне, при сохранении большого тягового усилия на столе.

Так, например, в станках моделей 7М 108 и 7М 110 электропривод главного движения включает в себя тиристорный преобразователь постоянного тока и станцию управления, размещенные в одном секционированном шкафу с двухсторонним обслуживанием. В качестве тиристорного преобразователя применен двухкомплектный реверсивный тиристорный преобразователь с промежуточным магнитным усилителем. Электропривод представляет собой замкнутую систему автоматического поддержания скорости двигателя с отрицательной обратной связью по скорости, обеспечивающий широкий диапазон регулирования скорости изменения напряжения подводимого к якорю двигателя, и высокие динамические показатели.

Для защиты электродвигателя в статических и динамических режимах в электроприводе предусмотрена токовая отсечка с установкой токоограничения в пределах 1.5-2.5 от номинального тока двигателя.

На двигателе предусмотрено аварийное динамическое торможение, осуществляемое замыкание обмотки якоря на сопротивление резистора RT.

Схема управления электроприводом питается от источника постоянного тока. Она обеспечивает два режима работы: режим цикла - автоматический режим и режим установочных перемещений - наладочный режим.

Для того чтобы исключить выход стола с направляющих при исчезновении напряжения питания сети, в схеме предусмотрено динамическое торможение.

В нашем случае вместо электропривода постоянного тока главного движения мы применим асинхронный электропривод ПЧ АД.

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу

На продольно строгальных станках имеются главный электропривод, привод поперечной подачи и вспомогательные приводы. Главный электропривод продольно-строгального станка обеспечивает возвратно- поступательные движения стола с деталью, следовательно, он должен быть реверсивным. При движении стола вперед главный двигатель нагружен в соответствии с режимами резания, а при движении назад нагрузка двигателя затрачивается только на перемещение стола с деталью без процесса строгания. Электропривод должен обеспечивать диапазон регулирования скорости 40.

В установившихся режимах электропривод должен обеспечивать жесткие механические характеристики во всем диапазоне регулирования с изменением скорости не выше 5 процентов при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной. В переходных процессах пуск и реверсирование двигателя должен осуществляется с максимальным быстродействием и допустимыми динамическими нагрузками в передачах редуктора с учетом времени, необходимого для осуществления подачи суппортов и подъема резцовых головок.

Кроме того, электропривод должен быть по возможности экономичным, недорогим, прост в эксплуатации и иметь как можно меньшие габариты.

2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

Для управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором используется инвертор, который может быть как с непосредственной связью, так и автономный, со звеном постоянного тока.

Так как диапазон регулирования скорости D=40, то необходимо использовать преобразователь частоты со звеном постоянного тока.

Исходя из этого в состав преобразователя входят:

- инвертор - в качестве ключей инвертора используется комплект IGBT транзисторов с возвратными диодами, регулирование частоты на выходе инвертора осуществляется путем изменения частоты переключения ключей инвертора, а регулирование величины напряжения на выходе инвертора осуществляется за счет широтно-импульсной модуляции;

- выпрямитель - в качестве элементов выпрямителя можно использовать диоды, так как регулирование напряжения, осуществляется в инверторе;

- блок торможения - используется для динамического торможения и сброса энергии, так как выпрямитель неуправляемый;

- C-фильтр - для фильтрации напряжения;

- анодные реакторы - используются для фильтрации коммутационных помех и ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания.

С учетом сказанного принципиальная схема силовой части будет иметь вид, представленный на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Принципиальная схема силовой части электропривода

В связи с тем, что диапазон регулирования небольшой то в качестве схемы управления можно использовать скалярную систему управления.

Функциональная схема управления приводом представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2. Функциональная схема управления приводом: АВ - автоматический выключатель; НВ- неуправляемый выпрямитель; АИН - автономный инвертор напряжения; АД - асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором; ДТ - датчик тока; ДС - датчик скорости; СУВ - система управления вентилями ВВК и РВК; РТ - регулятор тока; РН - регулятор напряжения; ЗИ - задатчик интенсивности; УЗ - устройство задания скорости; СУИ - система управления инвертором; С_Ф - емкостной фильтр

3. Выбор комплектного преобразователя и датчиков координат электропривода

Для выбора комплектного преобразователя, предварительно осуществим выбор двигателя.

Определим тяговое усилие стола при хпр = 20, по формуле:

Н, (3,1)

где - максимальное усилие резания, H;

- вес стола и детали, 29400 и 19600 соответственно;

обычно

.

Н, (3,2)

, Н.

Для стола продольно-строгального станка статическая мощность двигателя рассчитывается по следующей формуле:

Вт, (3.3)

где - максимальная скорость прямого хода, м/c;

- КПД передачи, определяется согласно графику рисунок 4-8 [1,73], 0.71. электропривод кинематическая силовая математическое

Вт.

Для продольно-строгального станка характерны 4 участка циклограммы:

- Движение с пониженной скоростью (врезание резца в деталь);

- Резание детали со скоростью рабочего хода;

- Движение с пониженной скоростью (выход резца из детали);

- Обратный ход.

В установившемся режиме при прямом ходе стола в процессе резания статический момент на валу двигателя:

Н·м, (3.4)

Усилие трения при обратном ходе стола:

Н, (3.5)

Коэффициент загрузки при обратном ходе стола:

(3.6)

КПД передачи при обратном ходе стола:

(3,7)

где . Принимаем

Статическая мощность двигателя при обратном ходе стола:

Вт, (3.8)

В установившемся движении при обратном ходе стола статический момент на валу двигателя:

Нм, (3.9)

Время прямого хода:

мин, (3.10)

Время обратного хода:

мин, (3.11)

Время цикла работы:

с, (3.12)

Мощность двигателя, работающего в длительном цикле:

P_расч = kM_{с. э ном} Вт, (3.13)

где k - коэффициент запаса мощности, обычно k = 1,08-1,35.

Угловая номинальная скорость двигателя:

рад/c, (3.14)

Частота вращения:

об/мин, (3.15)

Среднеквадратичный статический момент рассчитывается по формуле:

Н·м, (3.16)

где М_c.i - статический момент на i-м интервале нагрузочной диаграммы механизма;

t_i - продолжительность i-го интервала;

t_ц - время цикла.

Н·м.

кВт.

Исходя из расчетных данных, выбираем двигатель, чтобы он удовлетворял следующим условиям:

;

.

Выбираем двигатель 4А 315М 6У 3, со следующими параметрами:

- номинальная мощность, 132 кВт;

- номинальное скольжение, 2 %;

- номинальное кпд, 91.5 %;

- cosц 0.89;

- равно, 2.2;

- равно, 1.2;

- критическое скольжение, 8.5 %;

- равно, 7;

- момент инерции двигателя, 4.5;

Динамический момент электропривода М_дин определим, принимая линейный закон изменения скорости.

М_дин = = J ,

где - допустимое угловое ускорение:

= , (3.17)

где a_доп = допустимое линейное ускорение в продольно-строгальных станках примем в пределах а_доп = (0.8-1) .

На каждом интервале нагрузочной диаграммы момент двигателя будем рассчитывать по следующей формуле:

М = М_с + М_дин = М_с + J (3,18)

Мпуск.пр.без нагр = Мс. обр + Мдин пр=113,4 + 530,4 = 643,8 Нм;

Мпуск.пр.под нагр = Мс. пр + Мдин пр=1201,4 + 530,4 = 1731,8 Нм;

Мторм.пр.под нагр = Мс. пр - Мдин пр=1201,4-530,4 = 671 Нм;

Мторм.пр.без нагр = Мс. обр - Мдин пр=113,4-530,4 = -417 Нм;

Мпуск.обр = Мс. обр + Мдин пр=113,4 +530,4 = 643,8 Нм;

Мторм.обр = Мс. обр + Мдин пр=113,4-530,4 = - 417 Нм.

t1 - разгон в холостую до пониженной скорости, соответствует Мпуск.пр.без нагр.

с,

м,

t2 - подход к детали на пониженной скорости, Мс пр. хх =Мс обр.

м,

с,

t3 - врезание в деталь на пониженной скорости, Мс. пр.

t4 - разгон до рабочей скорости, Мпуск.пр.под нагр:

с,

с,

t5 - время обработки детали Мс пр.

м,

с,

t6 - торможение до пониженной скорости, Мторм.пр.под нагр.

t7 - работа на пониженной скорости, до выхода из изделия, Мс. пр.

t8 - работа на пониженной скорости в холостую, Мс. обр.

t9 - торможение до полной остановки, Мторм.пр.без нагр.

t10 - разгон на обратный ход, Мпуск.обр.

с,

м,

t11 - обратный ход на установившейся скорости, Мс. обр.

м,

с,

t12 - торможение до пониженной скорости, Мторм.обр.

с,

м,

t13 - движение на пониженной скорости, Мс. обр.

t14 - торможение до полной остановки, Мторм.обр.

м,

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: M_э M_ном.

В циклическом режиме эквивалентный момент определяется только для рабочих участков.

Н·м, (3.19)

где -момент на i-м интервале,

- продолжительность работы на i-м интервале,

n - число рабочих интервалов в цикле,

m - количество интервалов спуска и торможения,

N - количество интервалов установившегося движения,

- продолжительность пуска (торможения) на i-м интервале,

- коэффициент, учитывающий ухудшение охлаждения при пуске (торможении),

- продолжительность установившегося движения на i-м интервале.

Номинальный момент двигателя

Нм.

Так как М_н > , значит условие правильности соблюдено.

Рассчитываем номинальный ток:

.

На основании произведенных расчетов для нашего двигателя выбираем преобразователь Telemecanigue, тип АТV-66С 19N4, со следующими параметрами:

- номинальная мощность, 132 кВт;

- входной ток, 275 А;

- максимальный ток 367.5 А;

- номинальный ток преобразователя, 270 А;

- потери преобразователя, 3.5 кВт;

- полная мощность, 190 кВА;

- масса преобразователя, 136 кг;

- fk= 2 кГц;

- частота коммутация ключей то 0.1 до 200 Гц.

4. Разработка математической модели автоматизированного электропривода

Для математического описания трехфазного асинхронного двигателя целесообразно принять следующие допущения:

- намагничивающие силы обмоток двигателя распределены синусоидально вдоль окружности воздушного зазора;

- потери в стали статора и ротора отсутствуют;

- обмотки статора и ротора строго симметричны со сдвигом осей обмоток на 120⁰;

- насыщение магнитной цепи отсутствует.

Уравнения равновесия напряжений для обмоток трех фаз статора имеют вид:

(4.1)

соответственно для обмоток трех фаз ротора:

(4.2)

где u_1a, u_1b, u_1c, u`_2a, u'_2b, u'_2c Мгновенные значения фазных напряжений статора и ротора;

i_1a, i_1b, i_1c, i`_2a, i'_2b, i'_2c мгновенные значения фазных токов статора и ротора;

_1a, _1b, _1c, `_2a, '_2b, '_2c полные потокосцепления фазных обмоток;

R₁, R'₂ активные сопротивления обмоток статора и ротора (приведенное к статору).

Полная система уравнений потокосцеплений в обмотках статора и ротора определяется уравнениями:

(4.3)

где L₁, L'₂ полные эквивалентные индуктивности фаз статора и ротора;

L₁₂ максимальная взаимная индуктивность между любой обмоткой статора и любой обмоткой ротора, которая имеет место при совпадении их осей;

₂ текущий угол между осями обмоток фаз ротора и статора.

Для определения электромагнитного момента асинхронного электродвигателя используется векторное произведение ₁ и i₁:

, (4.4)

уравнение моментов имеет вид:

. (4.5)

При скалярном управлении, необходимо обеспечивать постоянство отношения частоты питания двигателя к напряжению питания .

5. Разработка программного обеспечения для компьютерного моделирования автоматизированного электропривода

Схема управления должна осуществлять при .

На основании уравнений, изложенных ниже составим модель электропривода со скалярным управлением:

, (5.1)

где град, (5.2)

f_1ном - частота питающего напряжения, Гц (f_1ном=50Гц)

Относительная частота определяется по формуле:

, (5.3)

Исходя из требуемой синхронной скорости ₀ двигателя, определяем частоту питающего напряжения:

B, (5.4)

Э.Д. С двигателя определяется по формуле:

В, (5.5)

.

Рассчитаем параметры нашего двигателя:

Ом, (5.6)

Ом, (5.7)

Ом, (5.8)

Ом, (5.9)

Ом, (5.10)

Схема модели представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Математическая модель асинхронного электропривода со скалярным управлением

6. Анализ динамических характеристик электропривода

При моделировании нашего устройства у нас получились следующие динамические характеристики:

- на рисунке 6.1 представлены динамические характеристики скорости и момента при разгоне двигателя до пониженной скорости, и врезание резца в изделие.

Рисунок 6.1. Динамические характеристики скорости и момента при разгоне до пониженной скорости и врезании в заготовку

- на рисунке 6.2 представлены динамические характеристики скорости и момента при разгоне двигателя до рабочей скорости и торможение двигателя до пониженной скорости.

Рисунок 6.2. Динамические характеристики скорости и момента при разгоне двигателя до рабочей скорости и торможение двигателя до пониженной скорости

- на рисунке 6.3 представлены динамические характеристики скорости и момента при торможении двигателя с пониженной скорости до остановки.



Рисунок 6.3. Динамические характеристики скорости и момента при торможении двигателя с пониженной скорости до остановки

- на рисунке 6.4 представлены динамические характеристики скорости и момента при разгоне двигателя до максимальной скорости и торможение до пониженной скорости.



Рисунок 6.4. Динамические характеристики скорости и момента при разгоне двигателя до максимальной скорости и торможение до пониженной скорости

- на рисунке 6.5 представлены динамические характеристики скорости и момента при торможении двигателя с пониженной скорости до полной остановки.



Рисунок 6.5. Динамические характеристики скорости и момента при торможении двигателя с пониженной скорости до полной остановки

Переходные процессы, полученные в результате моделирования в системе Matlab, свидетельствуют об устойчивой работе системы.

Заключение

Согласно заданию на курсовой проект мы осуществили замену электропривода постоянного тока главного движения продольно-строгального на электропривод переменного тока.

В процессе замены электропривода мы показали преимущества, какие получит наш механизм при внедрении асинхронного привода со скалярным управлением, осуществили расчет двигателя необходимого для привода главного движения. Для того чтобы осуществить анализ переходных процессов, на основании математических уравнений, описывающих асинхронный электропривод, в "Matlab simulink" собрали модель электропривода.

Исходя из динамических характеристик и ряда преимуществ асинхронного электропривода над постоянным, можно сделать вывод, что асинхронный привод при скалярном управлении будет работать эффективно, и надежно, а, следовательно, замена на данный электропривод оправдана.

Перечень используемых источников

1. Н.Г. Соколов, В.А. Елисеев "Расчеты по автоматизированному электроприводу металлорежущих станков". - М.: Высш. школа, 1970.

2. Ю.Д. Капунцов, В.А. Елисеев, Л.А. Ильяшенко "Электрооборудование и электропривод промышленных установок": Учебник для вузов /Под ред. проф. М.М. Соколова. - М.: Высш. Школа, 1979.

3. Б.И. Фираго "Учебно-методическое пособие" к курсовому проектированию по теории электропривода для студентов специальности 21.05 - "Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов": Мн. 1993.

4. Ю.Н. Петренко, Г.И. Гульков "Автоматизация типовых технологических процессов и промышленных установок" тексты лекций - Мн. 1989.

Размещено на Allbest.ru

...