Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации

Уральский государственный профессионально-педагогический университет

Кафедра электрооборудования и автоматизации промышленных предприятий

КУРСОВАЯ РАБОТА

Предмет: "Автоматизированный электропривод"

Тема: "Автоматизированный электропривод механизма перемещения стола продольно-строгального станка."

Выполнил:

Студент гр.СОЗ382 Калабин А.А.

Проверил: Сусенко О.С.

г. Сарапул

2001год.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 4

2 ВЫБОР ТИПА ЭЛЕКТРОПРИВОДА 6

3 ВЫБОР И ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 7

3.1 РАСЧЕТ НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ МЕХАНИЗМА 7

3.2 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ 9

3.3 РАСЧЕТ НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ ДВИГАТЕЛЯ 11

3.4 Проверка двигателя по нагреву 17

4 ВЫБОР ОСНОВНЫХ УЗЛОВ СИЛОВОЙ ЧАСТИ 18

4.1 ВЫБОР ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 18

4.2 ВЫБОР СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА 18

4.3 выбор сглаживающего реактора 21

4.4 принципиальная электрическая схема силовой части 22

5 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 24

5.1 РАСЧЕТ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ 24

5.2 Переход к системе относительных единиц 26

5.3 структурная схема объекта управления 28

6 ВЫБОР ТИПА СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ 29

7 РАСЧЕТ КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА ЯКОРЯ И ЦЕПИ КОМПЕНСАЦИИ ЭДС ЯКОРЯ 31

7.1 ВЫБОР КОМПЕНСИРУЕМОЙ ПОСТОЯННОЙ 31

7.2 расчет контура регулирования тока якоря 31

7.2.1 Расчетная структурная схема контура тока 31

7.2.2 Передаточная функция регулятора тока 32

7.2.3 Компенсация влияния ЭДС якоря двигателя 33

7.2.4 Реализация датчика ЭДС 34

7.3 Конструктивный РАСЧЕТ 34

8 РАСЧЕТ КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ 37

8.1 рАСЧЕТНАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ 37

8.2 расчет регулятора скорости 37

8.3 конструктивный расчет 38

9 РАСЧЕТ ЗАДАТЧИКА ИНТЕНСИВНОСТИ 40

9.1 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЗАДАТЧИКА ИНТЕНСИВНОСТИ 40

9.2 расчет параметров Зи 41

9.3 конструктивный РАСЧЕТ 41

10 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ САР СКОРОСТИ 43

ЛИТЕРАТУРА 44

ВВЕДЕНИЕ

П

Рисунок 1

Процесс обработки на продольно строгальном станке

роцесс обработки детали на продольно-строгальном станке поясняет
рис. 1. Снятие стружки происходит в течение рабочего (прямого) хода, при обратном движении резец поднят, а стол перемещается на повышенной скорости. Подача резца производится периодически от индивидуального привода во время холостого хода стола в прямом направлении. Поскольку при строгании резец испытывает ударную нагрузку, то значения максимальных скоростей, строгания не превосходят 75-120 м/мин (в отличие от скоростей точения и шлифования 2000 м/мин и более). Под скоростью строгания (резания) понимают линейную скорость U_пр перемещения закрепленной на столе детали относительно неподвижного резца на интервале рабочего хода стола. При этом скорость входа резца в металл и скорость выхода резца из металла в сравнении со скоростью строгания ограничиваются до 40 % и менее в зависимости от обрабатываемого материала, чтобы избежать скалывания кромки. Указанные обстоятельства ограничивают производительность и для ее повышения остается только сократить непроизводительное время движения: обратный ход осуществляется на повышенной скорости U_об > U_пр, а пускотормозные режимы при реверсе принимают допустимо минимальной продолжительности. Хороший эффект в этом дает двухдвигательный привод. Он должен быть управляемым по скорости, поскольку для различных материалов (в соответствии с технологией обработки и свойствами материалов) используются различные оптимальные или максимально допустимые скорости строгания; кроме того, движение характеризуется различными скоростями на разных интервалах времени рабочего цикла, высокой частотой реверсирования с большими пускотормозными моментами. Применяют двух- и одно-зонное управление скоростью.

1И

СХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Т

Рисунок 2

Кинематическая схема механизма

аблица 1

Исходные данные

Исходные данные	Условные обозначения	Значение
Усилие резания	Fz	170000 Н
Скорость рабочего хода	Vпр	0,4 м/с
Скорость обратного хода	Vобр	0,8 м/с
Масса стола	mc	15000 кг
Масса детали	mд	23000 кг
Радиус ведущей шестерни	rш	0,25 м
Длинна детали	Lд	4 м
Путь подхода детали к резцу	Lп	0,2 м
Путь после выхода резца из металла	Lв	0,15 м
Коэффициент трения стола о направляющие	μ	0,06
КПД механической передачи при рабочей нагрузке	ηпN	0,95
КПД механических передач при перемещении стола на холостом ходу	ηпхх	0,5

Задание к проекту:

Для механизма перемещения стола продольно-строгального станка выбрать тип электропривода, выполнить выбор электродвигателя и его проверку по нагреву и перегрузке, выбрать силовой преобразовательный агрегат, силовой трансформатор и реакторы, выполнить расчет элементов системы автоматического управления электроприводом, выполнить компьютерное моделирование системы автоматизированного электропривода в типовых режимах.

Требования к электроприводу:

1. Обеспечение работы механизма по следующему циклу:

• подход детали к резцу с пониженной скоростью;

• врезание на пониженной скорости;

• разгон до рабочей скорости прямого хода;

• резание на скорости прямого хода;

• замедление до пониженной скорости перед выходом резца;

• выход резца из детали;

• замедление до остановки;

• разгон в обратном направлении до рабочей скорости обратного хода;

• возврат стола на холостом ходу со скоростью обратного хода;

• замедление до остановки (стол возвращается в исходное положение). Пониженную скорость принять: Vпон = 0,4·Vпр

2. Обеспечение рекуперации энергии в тормозных режимах.

3. Разгоны и замедления должны проходить с постоянством ускорения. Обеспечение максимально возможных ускорений в переходных режимах.

4. Статическая ошибка по скорости при резании не должна превышать 10%.

5. Ограничение момента электропривода при механических перегрузках.

2ВЫБОР ТИПА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Заданным требованиям соответствует регулируемый электропривод с двигателем постоянного тока независимого возбуждения и замкнутой по скорости системой автоматического регулирования. В качестве управляемого преобразователя выбираем реверсивный тиристорный преобразователь. Такой электропривод обеспечивает высокие показатели качества регулирования скорости, высокую точность и быстродействие надежность, простоту в наладке и эксплуатации. Регулирование скорости принимается однозонным (управление изменением напряжения якоря двигателя при постоянном потоке возбуждения). Система управления электроприводом реализуется на аналоговой элементной базе.

3ВЫБОР И ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

3.1РАСЧЕТ НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ МЕХАНИЗМА

Для предварительного выбора двигателя построим нагрузочную диаграмму механизма (график статических нагрузок механизма) Расчет времени участков цикла на этапе предварительного выбора двигателя выполняем приблизительно, т.к. пока нельзя определить время разгонов и замедлений (суммарный момент инерции привода до выбора двигателя неизвестен).

Пониженная скорость входа резца в металл (принимается):

, где

V_пр - скорость рабочего хода (V_п = 0,4 м/с, см. таб. 1)

Усилие перемещения стола на холостом ходу:

, где

m_с - масса стола (m_с = 15000 кг, см таб. 1);

m_д - масса детали (m_д = 23000 кг, см таб. 1);

g - ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с²);

μ - коэффициент трения стола о направляющие (μ = 0,06, см таб. 1).

Усилие перемещения стола при резании:

, где

F_z - усилие резания (F_z = 170000 Н, см. таб. 1).

Время резания (приблизительно):

, где

L_д - длинна детали (L_д = 4 м, см. таб. 1);

Время подхода детали к резцу (приблизительно):

, где

L_п - длинна подхода детали к резцу (L_п = 0,2 м, см. таб. 1);

Время прямого хода после выхода резца из детали (приблизительно):

, где

L_в - путь после выхода резца из металла (L_в = 0,15 м, см. таб. 1);

Время возврата стола (приблизительно):

, где

V_обр - скорость обратного хода.

В

Рисунок 3

Нагрузочная диаграмма механизма.

ремя цикла (приблизительно):

3.2ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ

При расчете мощности двигателя полагаем, что номинальной скорости двигателя соответствует скорость обратного хода стола (наибольшая скорость механизма), т.к. принято однозонное регулирование скорости, осуществляемое вниз от номинальной скорости. Ориентируемся на выбор двигателя серии Д, рассчитанного на номинальный режим работы S1 и имеющего принудительную вентиляцию.

Эквивалентное статическое усилие за цикл:

Расчетная мощность двигателя:

, где

К_з - коэффициент запаса (примем К_з = 1,2);

η_пN - КПД механических передач при рабочей нагрузке.

Выбираем двигатель Д816 по [2]. Номинальные данные двигателя приводятся в таб. 2.

Таблица 2

Данные выбранного двигателя

Параметр	Обозначение	Значение
Мощность номинальная	PN	150000 Вт
Номинальное напряжение якоря	UяN	220 В
Номинальный ток якоря	IяN	745 А
Номинальная частота вращения	ηN	480 об/мин
Максимальный момент	Мmax	8040 Нм
Сопротивление обмотки якоря	Rя0	0,0059 Ом
Сопротивление обмотки добавочных полюсов	Rдп	0,0032 Ом
Температура, для которой даны сопротивления	Т	20˚С
Момент инерции якоря двигателя	Jд	16,25 кг·м2
Число пар полюсов	рп	2
Допустимая величина действующего значения переменной составляющей тока якоря отнесенная к номинальному току (коэффициент пульсаций)	kI(доп)	0,15

Двигатель данной серии не компенсированный, имеет принудительную вентиляцию и изоляцию класса Н.

Для дальнейших расчетов потребуется ряд данных двигателя, которые не приведены в справочнике. Выполним расчет недостающих данных двигателя.

Сопротивление цепи якоря двигателя, приведенное к рабочей температуре:

, где

k_т - коэффициент увеличения сопротивления при нагреве до рабочей температуры (k_т = 1,38 для изоляции класса Н при пересчете от 20˚С).

Номинальная ЭДС якоря:

Номинальная угловая скорость:

Конструктивная постоянная, умноженная на номинальный магнитный поток:

Номинальный момент двигателя:

Момент холостого хода двигателя:

Индуктивность цепи якоря двигателя:

, где

С - коэффициент (для некомпенсированного двигателя С = 0,6)

3.3РАСЧЕТ НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ ДВИГАТЕЛЯ

Для проверки выбранного двигателя по нагреву выполним построение упрощенной нагрузочной диаграммы двигателя (без учета электромагнитных переходных процессов). Для построения нагрузочной диаграммы произведем расчет передаточного числа редуктора, приведение моментов статического сопротивления и рабочих скоростей к валу двигателя, примем динамический момент и ускорение электропривода с учетом перегрузочной способности двигателя.

Передаточное число редуктора:

Момент статического сопротивления при резании, приведенный к валу двигателя:

Момент статического сопротивления при перемещении стола на холостом ходу, приведенный к валу двигателя:

Пониженная скорость, приведенная к валу двигателя:

Скорость прямого хода, приведенная к валу двигателя:

Скорость обратного хода, приведенная к валу двигателя:

Суммарный момент инерции привода:

, где

δ - коэффициент, учитывающий момент инерции полумуфт, ведущей шестерни и редуктора (δ принимаем равным 1,2).

Модуль динамического момента двигателя по условию максимального использования двигателя по перегрузочной способности:

, где

k - коэффициент, учитывающий перерегулирование момента на уточненной нагрузочной диаграмме (построенной с учетом электромагнитной инерции цепи якоря). Принимаем k = 0,95.

Ускорение вала двигателя в переходных режимах:

Ускорение стола в переходных режимах:

Разбиваем нагрузочную диаграмму на 12 интервалов. Сначала рассчитываем интервалы разгона и замедления электропривода, затем интервалы работы с постоянной скоростью.

Интервал 1. Разгон до пониженной скорости.

Продолжительность интервала 1:

Путь, пройденный столом на интервале 1:

Момент двигателя на интервале 1:

Интервал 4. Разгон от пониженной скорости до скорости прямого хода.

Продолжительность интервала 4:

Путь, пройденный столом на интервале 4:

Момент двигателя на интервале 4:

Интервал 6. Замедление от скорости прямого хода до пониженной скорости.

Продолжительность интервала 6:

Путь, пройденный столом на интервале 6:

Момент двигателя на интервале 6:

Интервал 9. Замедление от пониженной скорости до остановки.

Продолжительность интервала 9:

Путь, пройденный столом на интервале 9:

Момент двигателя на интервале 9:

Интервал 10. Разгон до скорости обратного хода.

Продолжительность интервала 10:

Путь, пройденный столом на интервале 10:

Момент двигателя на интервале 10:

Интервал 12. Замедление от скорости обратного хода до остановки.

Продолжительность интервала 12:

Путь, пройденный столом на интервале 12:

Момент двигателя на интервале 12:

Интервал 2. Подход детали к резцу с постоянной скоростью.

Путь, пройденный столом на интервале 2:

Продолжительность интервала 2:

Момент двигателя на интервале 2:

Интервал 8. Отход детали от резца с постоянной скоростью.

Путь, пройденный столом на интервале 8:

Продолжительность интервала 8:

Момент двигателя на интервале 8:

Интервал 3. Резание на пониженной скорости

Путь, пройденный столом на интервале 3 (принимается):

Продолжительность интервала 3:

Момент двигателя на интервале 3:

Интервал 7. Резание на пониженной скорости

Путь, пройденный столом на интервале 7 (принимается):

Продолжительность интервала 7:

Момент двигателя на интервале 7:

Интервал 5. Резание на скорости прямого хода

Путь, пройденный столом на интервале 5 (принимается):

Продолжительность интервала 5:

Момент двигателя на интервале 5:

Интервал 11. Возврат со скоростью обратного хода

Путь, пройденный столом на интервале 11:

Продолжительность интервала 11:

Момент двигателя на интервале 5:

Н

Рисунок 4

Тахограмма и нагрузочная диаграмма электропривода механизма перемещения стола
продольно-строгального станка.

агрузочная диаграмма и тахограмма двигателя представлены на рисунке 4:

3.4Проверка двигателя по нагреву

Для проверки двигателя по нагреву используем метод эквивалентного момента. Используя нагрузочную диаграмму находим эквивалентный по нагреву момент за цикл работы привода. Для нормального теплового состояния двигателя необходимо, чтобы эквивалентный момент был не больше номинального момента двигателя.

Эквивалентный момент за цикл работы:

Условие выполняется - , следовательно выбранный двигатель подходит по нагреву.

Запас по нагреву:

4ВЫБОР ОСНОВНЫХ УЗЛОВ СИЛОВОЙ ЧАСТИ

4.1ВЫБОР ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Номинальное выпрямленное напряжение и номинальный выпрямленный ток преобразователя принимаем из ряда стандартных значений по ГОСТ 6827-76 (ближайшее большее по сравнению с номинальным напряжением и током двигателя)[3].

Принимаем U_dN = 230 В; I_dN = 800 А.

Выбираем стандартный преобразователь комплектного тиристорного электропривода серии КТЭУ [4]. Выбираем двухкомплектный реверсивный преобразователь, схема соединения комплектов встречно-параллельная, управление комплектами раздельное, каждый комплект выполнен по трехфазной мостовой схеме.

Номинальное напряжение комплектного электропривода равно номинальному напряжению двигателя: U_ном = 220 В. Номинальный ток комплектного электропривода выбирается по номинальному току преобразователя: I_ном = 800 А.

Выбираем тип комплектного электропривода:

КТЭУ-800/220-13212-УХЛ4.

4.2ВЫБОР СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Силовой трансформатор предназначен для согласования напряжения сети
(U_с = 380 В) с номинальным напряжением преобразователя.

Номинальное линейное напряжение вторичных обмоток (расчетное):

Номинальный линейный ток вторичных обмоток (расчетный):

Выбираем трансформатор типа ТСП (или ТСЗП), трехфазный, двухобмоточный, сухой с естественным воздушным охлаждением, открытого исполнения [2, таб. 3.1]

Таблица 3

Данные выбранного трансформатора

Параметр	Значение
Тип трансформатора	ТСЗП-250/0,7
Способ соединения первичной и вторичной обмоток	Звезда - звезда
Номинальная мощность	SТ = 235 кВА
Номинальное линейное напряжение первичных обмоток	U1N = 380 В
Номинальное линейное напряжение вторичных обмоток	U2N = 208 В
Номинальный линейный ток вторичных обмоток	I2N = 635 В
Потери КЗ	РК = 3800 Вт
Относительно напряжение короткого замыкания	uK = 4,5%

Рассчитываем параметры трансформатора:

Коэффициент трансформации:

Номинальный линейный ток первичных обмоток:

Активное сопротивление обмоток одной фазы трансформатора:

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

Индуктивное сопротивление обмоток одной фазы трансформатора:

Индуктивность фазы трансформатора:

, где

Ω_с - угловая частота сети ().

4.3выбор сглаживающего реактора

Сглаживающий редактор включается в цепь выпрямленного тока с целью уменьшения его переменной составляющей. Пульсации выпрямленного тока должны быть ограничены на уровне допустимого значения для выбранного двигателя.

ЭДС преобразователя при угле управления α = 0:

Минимальная суммарная (эквивалентная) индуктивность якорной цепи по условию ограничения пульсаций выпрямленного тока:

, где

k_U - коэффициент пульсаций напряжения (для трехфазной мостовой схемы принимаем k_U =0,13),

р - пульсность преобразователя (для мостовой трехфазной схемы р = 6)

Расчетная индуктивность сглаживающего реактора:

Так как расчетная индуктивность оказалась отрицательной, сглаживающий реактор не требуется. Собственной индуктивности якорной цепи достаточно для ограничения пульсаций тока.

4.4принципиальная электрическая схема силовой части

П

ринципиальная схема выбирается по [4]. Для номинального тока I_ном = 800 А выбираем схему, приведенную на рис. 1.3 [4]:

Н

Рисунок 5

Силовая часть однодвигательного электропривода серии КТЭУ, I_ном = 800 А.

а рисунке 5 приведена схема силовой части электропривода с номинальным током 800, 1000 А при напряжении 220, 440 В. Защитные автоматические выключатели QF1, QF2 установлены последовательно с тиристорами. Для неоперативного отключения электродвигателя от тиристорного преобразователя (ТП) используется рубильник QS. Силовой трансформатор ТМ присоединяется к высоковольтной сети 6 или 10 кВ через шкаф высоковольтного ввода (ШВВ). При напряжении питания 380 В ТП подключается к сети через анодные реакторы LF и автоматические выключатели QF3, QF4.

5МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.1РАСЧЕТ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ

Э

Рисунок 6

Полная расчетная схема системы ТП-Д.

лектрическую часть системы ТП-Д можно представить в виде следующей полной расчетной схемы:

О

т полной схемы можно перейти к эквивалентной схеме, где все индуктивности объединяются в одну эквивалентную индуктивность L_Э, а все активные сопротивления в одно эквивалентное сопротивление R_Э.

Определим эквивалентные параметры ТП-Д.

Фиктивное активное сопротивление преобразователя обусловленное коммутацией тиристоров:

Эквивалентное сопротивление якорной цепи:

Эквивалентная индуктивность якорной цепи:

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи:

К

Подробнее