Модернизация электропривода стола продольно-строгального станка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Строгальные станки предназначены для обработки резцами плоскостей и фасонных линейчатых поверхностей. Они делятся на поперечно-строгальные, продольно - строгальные и долбежные. Первые применяются при изготовлении мелких и средних по размерам деталей, вторые сравнительно крупных или для одновременного строгания нескольких деталей среднего размерам. Долбежные станки используют для обработки шпоночных пазов, канавок фасонных поверхностей небольшой длины. Станки имеют рабочий ход, во время которого происходит резание, и обратный ход, когда инструмент возвращается в исходное положение.

Размерной характеристикой продольно-строгальных станков являются наибольшие размеры обрабатываемых деталей (ширина, длина, высота). Промышленность Советского Союза выпускает, станки от 630Ч2000Ч550 до 5000Ч125000Ч1250 мм включительно выпускаются в одностоечном исполнении.

У продольно-строгальных станков подвижной частью является стол с закрепленной на нем заготовкой. В зависимости от устройства поперчены, различают одностоечные и двустоечные станки. Первые применяют для обработки крупных деталей, ширина которых выходит за пределы расстояния между колоннами станков двустоечного исполнения.

На рис. 1 показан продольно-строгальный станок 7212. На нем можно строгать детали с наибольшими размерами 1250Ч4000Ч1120 мм. На направляющих 1 станины 2 размещен стол 3, на котором закрепляются обрабатываемые детали. Он получает возвратно-поступательное движение. На двух порталах (стойках) 4 и 5 установлена траверса, несущая два вертикальных суппорта 8. В направляющих правого портала может иметь вертикальные перемещения боковой суппорт. В коробке 10 расположен привод главного движения, в коробках 7 и 9 - приводы вертикальных и боковых суппортов.



Рис. 1. Продольно-строгальный станок 7212

Главное движение осуществляется от регулируемого электродвигателя переменного тока. Рабочий ход передается через двухступенчатую коробку скоростей на передачу червяка - рейка по следующему циклу: медленное перемещение стола при врезании резца в заготовку, разгон стола до рабочей скорости перед выходом резца из заготовки, возврат стола в исходное положение. Для изменения скоростей имеется специальный механизм, смонтированный на коробке скоростей. Реверсирование осуществляется электродвигателем.

Движение подачи осуществляется реверсивным электродвигателем, от которого вращение передачи червячной парой на вал коробки подач. На этом валу на шпонке смонтирован диск, на котором установлен фрикцион, связанный пальцем с диском, несущем собачку храпового механизма. Собачка вращает храповое колесо и связанное с ним колесо. От него вращение передается на раздаточный вал и далее через зубчатые колеса на колеса, связанные с полумуфтами. Верхний и нижний валы служат для горизонтального перемещения суппортов, а средние валы для вертикального перемещения.

Периодическая подача суппортов осуществляется следующим образом. В момент реверсирования стола с обратного хода на рабочий подается команда электродвигателя. Вращение его происходит до тех пор, пока разжимная планка фрикциона не упрется в неподвижный упор и не разожмет фрикцион. При нажатии кулачка наконечник реверса стола в начале рабочего хода электродвигатель отключается. Механизм подачи бокового суппорта устроен аналогичным образом. Установка подачи осуществляется храповым колесом. При его вращении приводится в движение подвижный упор. При этом изменяется угол между подвижным и не подвижным упорами тем самым величина подачи.

Установочные перемещения заимствуют движение от электродвигателя, который вращается в направлении рабочей подачи. Одновременно включается электромагнит, который сцепляет червячное колесо с храповым колесом при помощи кулачковой муфты. Далее движение следует по предыдущему. Кнопка установочного перемещения находится на подвесной станции, на которой располагаются и другие кнопки управления. Кроме кнопок управления, на станке имеются средства ручного управления и наладочного перемещения суппортов.

1. Задание и исходные данные к проекту

1.1 Кинематическая схема продольно-строгального станка

Рис. 2. Кинематическая схема продольно-строгального станка

1.2 Исходные данные

Исходные данные для расчёта электропривода продольно-строгального станка приведены в табл. 1.

Таблица 1. Исходные данные

Исходные данные	Условные обозначения	Значение
Усилие резания	Fz	47к Н
Скорость прямого хода	Vпр	0,4 м/с
Кратность обратной скорости и рабочей скорости прямого хода	Кобр	0,8 м/с
Масса стола	mc	5900 кг
Масса детали	mд	7900 кг
Исходные данные	Условные обозначения	Значение
Радиус ведущей шестерни	rш	0,25 м
Длина детали	Lд	4,2 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	м	0,07
КПД механической передачи при рабочей нагрузке	зпN	0,95
КПД механических передач при перемещении стола на холостом ходу	зпхх	0,5
Кратность пониженной и рабочей скоростей прямого хода	Кпон	0.4
Число двигателей	-	1

1.3 Описание технологического процесса

Металлорежущие станки являются весьма распространенной, многочисленной группой машин и орудий, предназначенных для механической обработки изделий из металла при помощи одного или нескольких инструментов. Продольно-строгальные станки применяются в основном для обработки резцами плоских горизонтальных и вертикальных поверхностей у крупных деталей большой длины. На станках можно производить прорезание продольно-прямоугольных канавок различного профиля, Т-образных пазов и множество других операций.

Главное движение - это перемещение стола, за счет которого инструмент производит резание металла и движение подачи, которое обуславливает перемещение инструмента для снятия нового слоя металла.

Основными величинами, характеризующими размеры и технологические возможности различных продольно-строгальных станков, являются: длина строгания, ход стола (1,5 - 12 м), ширина обработки (0,7 - 4 м), наибольшее тяговое усилие (30 - 150 кН).

Процесс обработки изделия на продольно-строгальном станке состоит из последовательно повторяющихся циклов. Каждый из них включает в себя прямой, то есть рабочий ход и обратный, когда стол возвращается в исходное положение и осуществляется подача резцов во время реверса стола с обратного хода на прямой. Нормативная скорость прямого хода, скорость резания определяется твердостью обрабатываемого материала, свойствами режущего инструмента и видом обработки (черновое, чистовое).

Поскольку при строгании резец испытывает ударную нагрузку, то значение максимальных скоростей строгания не превосходит 75 - 120 м/мин. При этом скорость вхождения резца в металл, в сравнении со скоростью резания ограничивается до 40% и меньше, в зависимости от обрабатываемого материала, чтобы избежать крошки.

Указанные обстоятельства ограничивают производительность и для ее повышения необходимо сократить непроизводительное время движения. Обратный ход осуществляется на повышенной скорости, а пуско-тормозные режимы при реверсе принимают допустимо минимальной продолжительности. Привод должен быть управляемым по скорости, поскольку для различных материалов используются различные оптимальные и максимально допустимые скорости строгания; кроме того, движение характеризуется различными скоростями на разных интервалах времени рабочего цикла, высокой частотой реверсирования с большим пуско-тормозным моментом.

1.4 Требования к электроприводу продольно-строгального станка

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:

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 40% от скорости прямого хода.

Обеспечение рекуперации энергии в тормозных режимах.

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

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

Ограничение момента электропривода при механических перегрузках.

2. Выбор типа электропривода

При выборе типа электропривода, прежде всего, учитывается условие работы производственного механизма. Высокая производительность и качество выпускаемой продукции могут быть обеспечены лишь при правильном учёте статических и динамических характеристик привода и рабочей машины. Кинематика, и даже конструкция рабочей машины в значительной степени определяются типом применяемого ЭП, и, наоборот, в зависимости от конструктивных особенностей исполнительного механизма привод претерпевает значительные изменения.

При выборе типа ЭП должны быть учтены: характер статического момента, необходимые пределы регулирования скорости, плавности регулирования, требуемых механических характеристик, условий пуска и торможения, числа включений в час, качества окружающей среды и т.п.

Первоначально решается вопрос о выборе регулируемого или нерегулируемого типа ЭП. В последнем случае задача значительно упрощается. Все сводится к выбору двигателя переменного тока (асинхронные двигатели). В случае с регулированием по скорости решается вопрос о выборе рода тока привода.

Применение постоянного тока может быть оправдано лишь в тех случаях, когда привод должен обеспечивать повышенные требования к плавности регулирования скорости. Приводы постоянного тока используются в механизмах, работающих в повторно-кратковременном режиме: краны, подъёмные механизмы, вспомогательные механизмы металлургической промышленности (шлепперы, рольганги, нажимные устройства).

В случае приводов повторно-кратковременного режима тип двигателя определяется из условий получения минимальной деятельности переходного процесса, минимальных динамических моментов. С этой целью либо используют специальные двигатели с минимальным моментом инерции, либо переходят к двухдвигательному приводу (суммарный момент инерции двух двигателей той же мощности, что и однодвигательный привод меньше на 20 - 40%).

Для электропривода продольно-строгального станка возможно использование следующих ЭП:

«ТПЧ - АД» (тиристорный или транзисторный преобразователь частоты - асинхронный двигатель);

«Г - Д» (генератор - двигатель);

«ТП - Д» (тиристорный преобразователь - двигатель).

Система «ТПЧ - АД» в принципе, позволяет получить характеристики, аналогичные «ТП - Д», но стоимость частотного преобразователя гораздо выше управляемого выпрямителя.

К недостаткам системы «Г - Д» относят:

необходимость в двукратном преобразовании энергии, что приводит к значительному снижению КПД;

наличие двух машин в преобразовательном агрегате;

значительные габариты установки;

высокие эксплуатационные расходы.

Для электропривода главного движения продольно-строгального станка принимаем систему «ПЧ - АД».

3. Выбор и проверка электродвигателя

3.1 Расчёт нагрузочной диаграммы механизма

Для выбора двигателя необходимо рассчитать его требуемую номинальную мощность, исходя из нагрузочной диаграммы механизма (т.е. временной диаграммы моментов или сил статического сопротивления механизма на его рабочем органе). По рассчитанной мощности затем выполняется предварительный выбор 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 разгона и замедления (суммарный момент инерции привода до выбора двигателя неизвестен).

Пониженная скорость прямого хода стола:

Vпон = Кпон • Vпр = 0,4 • 0,4 = 0,16 м/с, (1)

где Vпон - пониженная скорость прямого хода стола, м/с;

Кпон - кратность пониженной и рабочей скоростей прямого хода;

Vпр - скорость прямого хода, м/с.

Скорость обратного хода стола:

Vобр = Кобр • Vпр = 2 • 0,4 = 0,8 м/с, (2)

где Кобр - кратность обратной скорости и рабочей скорости прямого хода.

Усилие перемещения стола на холостом ходу:

Fхх = (mc + mд) • g • м = (5900 + 7900) • 9,81 • 0,07 = 9500 Н, (3)

где Fхх - усилие перемещения стола на холостом ходу, Н;

mc - масса стола, кг;

mд - масса детали, кг;

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

м - коэффициент трения стола о направляющие.

Усилие перемещения стола при резании:

Fр = Fz + Fхх = 47000 + 9500 = 56500 Н, (4)

где Fр - усилие перемещения стола при резании, Н;

Fz - усилие резания, Н.

Время резания (приблизительно):

tp = Lд / Vпр = 4,2 / 0,4 = 10,5 с, (5)

где tp - время резания, с;

Lд - длина детали, м.

Время подхода детали к резцу (приблизительно):

tп = Lп / Vпон = 0,2 / 0,16 = 1,25 с, (6)

где tп - время подхода детали к резцу, с;

Lп - путь подхода детали к резцу, м.

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

tв = Lв / Vпон = 0,15 / 0,16 = 0,94 с, (7)

где tв - время прямого хода после выхода резца из детали, с;

Lв - путь после выхода резца из металла, м.

Время возврата стола (приблизительно):

tобр =(Lп + Lд + Lв) / Vобр = (0,2 + 4,2 + 0,15) / 0,8 = 5,31 с, (8)

где tобр - время возврата стола, с.

Время цикла (приблизительно):

tц = tп + tp + tв + tобр = 1,25 + 10,5.+ 0,94 + 5,31 = 18 с, (9)

где tц - время цикла, с.

Исходя из расчетов строится нагрузочная диаграмма, рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Нагрузочная диаграмма механизма

Эквивалентное статическое усилие за время работы в цикле:

где Fэкв - эквивалентное статическое усилие за время работы в цикле, Н.

При расчете требуемой номинальной мощности двигателя предполагаем, что будет выбран двигатель, номинальные данные которого определены для повторно-кратковременного режима работы и стандартного значения продолжительности включения ПВN=40%. Номинальной скорости двигателя должна соответствовать скорость обратного хода штанг, которая является максимальной скоростью в заданном рабочем цикле. Такое соответствие объясняется тем, что принято однозонное регулирование скорости, осуществляемое вниз от номинальной скорости двигателя.

Расчетная мощность двигателя:

(11)

где Ррас - расчетная мощность двигателя, Вт;

Kз - коэффициент запаса (примем Kз = 1,2).

3.2 Предварительный выбор двигателя

Выбираем двигатель серии 4А - 4А250М6У3. Для продольно-строгального станка выбираем двигатель с естественным охлаждением, номинальные данные которого определены для повторно-кратковременного режима работы с продолжительностью включения ПВN = 40%. Номинальные данные двигателя приведены в табл. 2.

Таблица 2. Данные выбранного двигателя 4А250М6У3

Параметр	Обозначение	Значение
Номинальная мощность двигателя, кВт	РN	55
Номинальное напряжение статора, В	U1N	220
Номинальная частота питающей сети, Гц	fN	50
Номинальный ток статора, А	I1N	113
Синхронная частота вращения, об/мин	n1	1000
Активное сопротивление обмотки статора, Ом	r1	0,074
Индуктивное сопротивление обмотки статора, Ом	x1	0,176
Активное сопротивление обмотки ротора, Ом	r`2	0,030

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

Номинальная угловая скорость:

ЩN = nN • = 986 • = 103,2 рад/с, (12)

где ЩN - номинальная угловая скорость, рад/с;

nN - номинальная частота вращения, об/мин.

Номинальный момент двигателя:

М_N = = = 570 Нм, (13)

где М_N - номинальный момент двигателя, Нм;

- угловая частота, 1/с;

- приведенный номинальный ток ротора, А;

- приведенное активное сопротивление ротора, Ом;

- номинальное скольжение.

1/с; (14)

где f_N - номинальный частота тока, Гц;

р - число пар полюсов.

=

= 96,5 А, (15)

где U_1N - номинальное напряжение статора, В;

- активное сопротивление обмотки статора, Ом;

- активное сопротивление обмотки ротора, Ом;

- индуктивное сопротивление обмотки статора, Ом;

- индуктивное сопротивление обмотки ротора, Ом.

Момент холостого хода двигателя:

?М = М_N - = 570 - = 37 Нм, (16)

где ?М - момент холостого хода двигателя, Нм;

- номинальная мощность двигателя, Вт.

станок строгальный электропривод двигатель

3.3 Расчет и построение нагрузочной диаграммы двигателя

Для проверки предварительно выбранного двигателя по нагреву выполним построение упрощенной нагрузочной диаграммы двигателя (т.е. временной диаграммы момента двигателя без учета электромагнитных переходных процессов). Для ее построения произведем расчёт передаточного числа редуктора, приведение моментов статического сопротивления и рабочих скоростей к валу двигателя, определим суммарный момент инерции привода и зададимся динамическим моментом при разгоне и замедлении привода. По результатам расчета строится нагрузочная диаграмма, а также тахограмма двигателя.

Расчет передаточного числа редуктора iр выполняется так, чтобы максимальной скорости рабочего органа механизма соответствовала номинальная скорость двигателя.

Передаточное число редуктора:

i_р = (17)

где iр - передаточное число редуктора;

- радиус ведущей шестерни, м.

Момент статического сопротивления при резании, приведенный к валу двигателя:

Нм, (18)

где - момент статического сопротивления при резании, приведенный к валу двигателя, Нм;

- КПД механической передачи при рабочей нагрузке.

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

Нм, (19)

где - момент статического сопротивления при перемещении стола на холстом ходу, приведенный к валу двигателя, Нм;

- КПД механической передачи при перемещении стола на холостом ходу.

Пониженная скорость, приведенная к валу двигателя:

рад/с, (20)

где - пониженная скорость, приведенная к валу двигателя, рад/с.

Скорость прямого хода, приведенная к валу двигателя:

рад/с, (21)

где - скорость прямого хода, приведенная к валу двигателя, рад/с.

Скорость обратного хода, приведенная к валу двигателя:

рад/с, (22)

где - скорость обратного хода, приведенная к валу двигателя, рад/с.

Суммарный момент инерции механической части привода:

кг•м2, (23)

где - суммарный момент инерции механической части привода, кг•м²;

д - коэффициент, учитывающий моменты инерции полумуфт, ведущей шестерни и редуктора (принимаем д = 1,2);

- момент инерции двигателя, кг•м².

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

|М_дин| = k•(М_max - М_ср) = 0,95•(1140 - 495) = 610 Нм, (24)

где |М_max| =k* М_max =2*570=1140 Нм

k - коэффициент, учитывающий увеличение максимального момента на уточненной нагрузочной диаграмме; k = 0,95.

Ускорение вала двигателя в переходных режимах:

рад/с², (25)

где е - ускорение вала двигателя в переходных режимах, рад/с².

Ускорение стола в переходных режимах:

м/с², (26)

где а - ускорение стола в переходных режимах, рад/с².

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:

с, (27)

где t₁ - продолжительность интервала 1, с.

Путь, пройденный столом на интервале 1:

м, (28)

где L₁ - путь, пройденный столом на интервале 1, м.

Момент двигателя на интервале 1:

М₁ = М_с.хх + |М_дин| = 185 + 610 = 795 Нм, (29)

где М₁ - момент двигателя на интервале 1, Нм.

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

Продолжительность интервала 4:

с, (30)

где t₄ - продолжительность интервала 4, с.

Путь, пройденный столом на интервале 4:

м, (31)

где L₄ - путь, пройденный столом на интервале 4, м.

Момент двигателя на интервале 4:

М₄ = М_ср + |М_дин| = 495 + 610 = 1105 Нм, (32)

где М₄ - момент двигателя на интервале 4, Нм.

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

Продолжительность интервала 6:

с, (33)

где t₆ - продолжительность интервала 6, с.

Путь, пройденный столом на интервале 6:

м, (34)

где L₆ - путь, пройденный столом на интервале 6, м.

Момент двигателя на интервале 6:

М₆ = М_ср - |М_дин| = 495 - 610 = - 115 Нм, (35)

где М₆ - момент двигателя на интервале 6, Нм.

Интервал 9. Замедление от пониженной скорости до остановки.

Продолжительность интервала 9:

с, (36)

где t₉ - продолжительность интервала 9, с.

Путь, пройденный столом на интервале 9:

 м, (37)

где L₉ - путь, пройденный столом на интервале 9, м.

Момент двигателя на интервале 9:

М₉ = М_с.хх - |М_дин| = 185 - 610 = - 425 Нм, (38)

где М₉ - момент двигателя на интервале 9, Нм.

Интервал 10. Разгон до пониженной скорости обратного хода.

Продолжительность интервала 10:

с, (39)

где t₁₀ - продолжительность интервала 10, с.

Путь, пройденный столом на интервале 10:

м, (40)

где L₁₀ - путь, пройденный столом на интервале 10, м.

Момент двигателя на интервале 10:

М₁₀ = - М_с.хх - |М_дин| = - 185 - 610 = - 795 Нм, (41)

где М₁₀ - момент двигателя на интервале 10, Нм.

Интервал 12. Замедление от скорости обратного хода до остановки.

Продолжительность интервала 12:

 с, (42)

где t₁₂ - продолжительность интервала 12, с.

Путь, пройденный столом на интервале 12:

м, (43)

где L₁₂ - путь, пройденный столом на интервале 12, м.

Момент двигателя на интервале 12:

М₁₂ = - М_с.хх + |М_дин| = - 185 + 610 = 425 Нм, (44)

где М₁₂ - момент двигателя на интервале 12, Нм.

Интервал 2. Подход детали к резцу с постоянной скоростью.

Продолжительность интервала 2:

с, (45)

где t₂ - продолжительность интервала 2, с.

Путь, пройденный столом на интервале 2:

м, (46)

где L₂ - путь, пройденный столом на интервале 2, м.

Момент двигателя на интервале 2:

М₂ = М_с.хх = 185 Нм, (47)

где М₂ - момент двигателя на интервале 2, Нм.

Интервал8. Движение с пониженной скоростью после выхода резца из детали.

Продолжительность интервала 8:

с, (48)

где t₈ - продолжительность интервала 8, с.

Путь, пройденный столом на интервале 8:

м, (49)

где L₈ - путь, пройденный столом на интервале 8, м.

Момент двигателя на интервале 8:

М₈ = М_с.хх = 185 Нм, (50)

где М₈ - момент двигателя на интервале 8, Нм.

Интервал 3. Резание на пониженной скорости (после врезания).

Продолжительность интервала 3:

с, (51)

где t₃ - продолжительность интервала 3, с.

Путь, пройденный столом на интервале 3:

м, (52)

где L₃ - путь, пройденный столом на интервале 3, м.

Момент двигателя на интервале 3:

М₃ = М_ср = 495 Нм, (53)

где М₃ - момент двигателя на интервале 3, Нм.

Интервал 7. Резание на пониженной скорости (перед выходом резца).

Продолжительность интервала 2:

с, (54)

где t₇ - продолжительность интервала 7, с.

Путь, пройденный столом на интервале 7:

м, (55)

где L₇ - путь, пройденный столом на интервале 7, м.

Момент двигателя на интервале 7:

М₇ = М_ср = 495 Нм, (56)

где М₇ - момент двигателя на интервале 7, Нм.

Интервал 5. Резание на скорости прямого хода.

Продолжительность интервала 5:

с, (57)

где t₅ - продолжительность интервала 5, с.

Путь, пройденный столом на интервале 5:

м, (58)

где L₅ - путь, пройденный столом на интервале 5, м.

Момент двигателя на интервале 5:

М₅ = М_ср = 495 Нм, (59)

где М₅ - момент двигателя на интервале 5, Нм.

Интервал 11. Возврат стола со скоростью обратного хода.

Продолжительность интервала 11:

с, (60)

где t₁₁ - продолжительность интервала 11, с.

Путь, пройденный столом на интервале 11:

м, (61)

где L₁₁ - путь, пройденный столом на интервале 11, м.

Момент двигателя на интервале 11:

М₁₁ = - М_с.хх = - 185 Нм, (62)

где М₁₁ - момент двигателя на интервале 11, Нм.

По приведенным выше расчетам строим упрощенную нагрузочную диаграмму и тахограмму двигателя, рис. 4.

Рис. 4. Тахограмма и нагрузочная диаграмма электропривода механизма перемещения стола продольно-строгального станка

3.4 Проверка двигателя по нагреву

Для проверки выбранного 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 (по нагрузочной диаграмме):

Нм, (63)

где Мэкв - эквивалентный момент за цикл работы, Нм.

Условие Мэкв ? МN выполняется, следовательно, выбранный двигатель проходит по нагреву.

Запас по нагреву:

%, (64)

где - запас по нагреву, %.

Запас должен быть не менее 5%.

4. Выбор преобразователя частоты

4.1 Преобразователь частоты серии Altivar

Из предложенного на рынке оборудования частотного регулирования наиболее выгодную позицию занимает ПЧ компании Schneider Electric серии Altivar (рис. 4.1). Имея в своей структуре базовые элементы системы автоматического управления и регулирования, а также возможность наращивания дополнительного функционала, ПЧ обеспечивают высокую гибкость в процессе интеграции в существующие системы.

Преобразователь Altivar оптимально решает любые задачи с учетом особенностей каждого механизма, имеет открытую архитектуру для всех коммуникационных сетей и адаптируемый к различным применениям, в том числе для привода штанг толкателя блюмов. Имеют гибкое программирование с возможностью создавать программы диспетчерского управления с полным отображением технологического процесса по всему цеху / заводу на базе ПЧ.

Рис. 4.1 Преобразователи частоты Altivar

Преобразователи Altivar обладают следующими номиналами и характеристиками:

· 0,75-500 кВт, трехфазное питание 380 - 500 В;

· 0,37-75 кВт, трехфазное, либо однофазное питание 200 - 240В;

· встроенные фильтры ЭМС класса А;

· нормы и сертификаты: UL, CSA, СЕ, Ctick;, ГОСТ;

· пусковой момент до 220% Мп;

· векторное управление потоком в замкнутой или разомкнутой системе с асинхронными двигателями;

· автоподстройка к параметрам двигателя;

· регулирование скорости или момента;

· выходная частота до 1000 Гц;

· управление синхронными двигателями в разомкнутой системе.

Многофункциональность базового модуля (прикладные задачи, входы-выходы, коммуникационные протоколы) значительно расширяется за счет дополнительных:

· карт входов-выходов;

· интерфейсных карт импульсного датчика;

· коммуникационных карт;

· программируемой карты встроенного контроллера;

· минимальное время реакции при отработке команд: 2±0,5 мс;

· задание по импульсному или дифференциальному аналоговому входу;

· управление по основным коммуникационным сетям;

· позиционирование с помощью концевых выключателей с оптимизацией работы на нижней скорости;

· мультипараметрирование путем переключения комплектов параметров;

· высокая скорость и защита (выходная частота до 1000 Гц.);

· быстрая управляемая остановка при обрыве сетевого питания;

· управление по встроенной шине CANopen;

· защита двигателя от перенапряжений;

· ПИД-регулятор технологических переменных;

· высокое разрешение при цифровом задании скорости (1/32000);

· регулирование скорости или момента;

· подключение к основным коммуникационным сетям;

· раздельное питание цепей управления;

· тормозной модуль с рекуперацией энергии в сеть;

· подключение к общей сети постоянного тока;

· высокое разрешение задающего сигнала;

· точность поддержания скорости вне зависимости от нагрузки при использовании синхронного двигателя;

· полоса пропускания до 50 Гц;

· функция управления намоткой;

· подключение к общей сети постоянного тока;

· минимальное время реакции при изменении задания 2 ± 0,5 мс;

· позиционирование с помощью концевых выключателей;

· постепенное изменение выходной частоты в соответствии с заданной скоростью по линейному или по предварительно заданному закону;

· применение S-образных (рис. 4.2.) и U-образных (рис. 4.3.) кривых позволяет выбрать механический зазор, устранить удары и ограничивает несовпадение скорости с заданием во время быстрых переходных процессов в случае большого момента инерции;

· выбор линейных, S- или U-образных кривых относится как к разгону, так и к торможению.



Рис. 4.2. S - образная кривая

Рис. 4.3 U - образная кривая

где FrS - номинальная частота напряжения питания двигателя;

t1 - настраиваемое время разгона торможения;

t2 = 0.6 x t1;

фиксированный коэффициент сглаживания.

4.2 Автоматическая адаптация темпа торможения

ПЧ Altivar обеспечивает автоматическую адаптацию темпа торможения, если начальная уставка времени слишком мала для данного момента инерции нагрузки. Эта функция позволяет избежать блокировки преобразователя при резком торможении. Кривая темпа торможения отображена на рис. 4.4.



Рис. 4.4 Кривая темпа торможения.

где ускорение 1 (АСС) и замедление 1 (dЕС):

· настройка от 0,1 до 999,9 с;

· начальная уставка 3 с.

ускорение 2 (АС2) и замедление 2 (dЕ2):

· настройка от 0,1 до 999,9 с;

· начальная уставка 5 с.

GV - верхняя скорость

Функция используется при всех видах применения, где не требуется точная остановка и не используются тормозные резисторы.

Автоматическая адаптация должна быть отключена в случае использования механизма с позиционной остановкой с заданным темпом и с тормозным резистором. Эта функция автоматически блокируется, если сконфигурирована функция «Логика управления тормозом».

4.3 Закон управления «напряжение / частота»

Определение предельных значений закона «напряжение / частота» в зависимости от характеристик сетевого питания, двигателя и применения.

Любое применение с постоянным или переменным моментом нагрузки, с/без превышения скорости:

· базовая частота, соответствующая сетевому питанию;

· номинальная частота напряжения двигателя, считанная с заводской таблички двигателя;

· номинальное напряжение двигателя, считанное с заводской таблички двигателя;

· максимальная выходная частота преобразователя.

Тип закона «напряжение / частота».

Адаптация закона управления «напряжение / частота» к конкретному виду применения в целях оптимизации характеристик с постоянным моментом (механизмы со средней нагрузкой на пониженных скоростях), с двигателями, включенными параллельно, или со специальными двигателями (например: с ротором с повышенным сопротивлением): закон L, отображены на рис. 4.5.

· применения с перемененным моментом нагрузки (насосы, вентиляторы): закон Р;

· тяжело нагруженные механизмы на малой скорости, механизмы с быстродействующими рабочими циклами, с векторным управлением потоком без датчика скорости: закон n;

· энергосбережение для механизмов с медленным изменением момента и скорости: закон nLd Напряжение понижается автоматически до минимума в зависимости от требуемого момента.

Автоподстройка может осуществляться с помощью диалоговых средств локального управления, последовательного канала связи, по желанию:

· при каждом включении напряжения;

· при каждой подаче команды пуска;

· по команде дискретного входа.

Автоподстройка позволяет оптимизировать характеристики к применению.

4.4 Частота коммутации, уменьшение шума двигателя

Настройка частоты коммутации позволяет уменьшить шум, производимый двигателем.

Частота коммутации модулируется случайным образом для исключения резонансных явлений.

Функция может быть отключена, если она приводит к неустойчивой работе.

Высокая частота коммутации напряжения промежуточного звена постоянного тока используется для подачи на двигатель тока с низким гармоническим искажением. Частота коммутации может настраиваться при работе для подавления шума двигателя.

Значения частоты: от 2 до 16 кГц, заводская настройка 4 кГц.

Предусмотрена возможность запрета длительной работы двигателя до двух частотных полос шириной + 1 Гц, регулируемых в пределах рабочего диапазона.

В зависимости от конфигурации преобразователя задание скорости может осуществляться от различных источников:

· внешние задания на 3 аналоговых входа;

· задающий потенциометр;

· работа в режиме «быстрее - медленнее» с помощью дискретных входов, клавиш встроенного или выносного терминала;

· задания скорости, поступающие по сети или коммуникационной шине. Управление всеми этими источниками осуществляется путем программирования функций и каналов задания.

4.5 Заданные скорости

Переключение предварительно заданных уставок скорости. Возможен выбор 2, 4, 8 или 16 фиксированных уставок скорости. Условия: 1, 2, 3 или 4 дискретных входа. График получаемый с входами заданых скоростей отображен на рис. 4.6.

Фиксированные уставки настраиваются с шагом 0,1 Гц в диапазоне от 0 до 500 Гц. Применяется для привода сталкивателя блюмов, а также механизмов с несколькими рабочими скоростями.

Рис. 4.6 Скорость получаемая с входами LI3 и LI4 в состоянии 0

где нижняя LSP или заданная скорость в зависимости от уровня аналоговых входов АI1, AI2 и AI3.

4.6 Двухпроводное управление

Управление направлением вращения при помощи контактов с фиксированным состоянием. Условия реализации: при помощи одного или двух дискретных входов (одно или два направления вращения). Все применения с одним или двумя направлениями вращения (рис. 4.7).

Три возможных вида работы:

· определение состояния дискретных входов;

· определение изменения состояния дискретных входов;

· определение изменения состояния дискретных входов, когда вращение вперед имеет приоритет над вращением назад.

Рис. 4.7. Схема соединений при 2-проводном управлении

4.7 Трехпроводное управление

Управление направлением вращения и остановкой при помощи импульсных контактов. Условия реализации: при помощи двух или трех дискретных входов (одно или два направления вращения) отображено на рис. 4.8. Все применения с одним или двумя направлениями вращения.

Рис. 4.8. Схема соединений при трехпроводном управлении

4.8 Форсировка локального режима управления

Форсировка локального режима требует подачи команды с помощью клеммника или терминала и запрещает другие способы управления.

Для локальной форсировки используются следующие задания и команды:

· задания АН, А12 или А13 и управление с помощью дискретных входов;

· задание и управление с помощью клавиш RUN/SТОР и задающего потенциометра (только для АТV31);

· задание и управление с помощью выносного терминала.

Переход в режим локальной форсировки осуществляется с помощью дискретного входа.

4.9 Остановка на выбеге

Остановка двигателя на выбеге при выключенном питании под действием момента сопротивления на валу.

Остановка на выбеге осуществляется путем:

· подачи команды нормальной остановки, сконфигурированной на остановку на выбеге (при снятии команды пуска или подаче команды остановки);

· активизации дискретного входа.

4.10 Быстрая остановка

Остановка с темпом замедления (уменьшенным в 2 - 10 раз), приемлемым для системы «преобразователь-двигатель» без блокировки по неисправности «резкое торможение». Применяется для аварийной остановки конвейеров. Быстрая остановка осуществляется путем:

· нормальной остановки, сконфигурированной на быструю остановку (при снятии команды пуска или подаче команды остановки);

· активизации дискретного входа.

4.11 Динамическое торможение

Торможение на малой скорости вентиляторов с большой инерционностью или поддержание момента при остановке в случае, когда вентиляторы находятся в потоке воздуха.

Динамическое торможение получается путем:

· нормальной остановки, сконфигурированной на остановку динамическим торможением (при снятии команды пуска или подаче команды остановки);

· активизации дискретного входа.

Ток и время динамического торможения настраиваются.

4.12 Пошаговая работа (JOG)

Работа в импульсном режиме с минимальным временем отработки задания (0,1 с), с ограниченной заданной скоростью и минимальным временем между двумя импульсами. Условия реализации: назначение на эту функцию переназначаемого дискретного входа LI и подача импульсов на вращение двигателя.

Применение: механизмы с подачей материала вручную (например: постепенное продвижение механизма во время техобслуживания).

Существует несколько каналов управления и задания, которые могут быть независимыми. Команды управления «вперед», «назад» и задания скорости могут осуществляться с помощью следующих средств:

· клеммник (дискретные и аналоговые входы);

· клавиатура только для ПЧ АТУ (клавиши RUN/SТОР и задающий потенциометр);

· клавиатура АТV;

· последовательный канал связи;

· выносной терминал;

· слово управления Modbus;

· слово управления САNopen.

4.13 Гарантия безопасности

Двигатель: тепловая защита с помощью терморезисторов или встроенного электронного теплового реле, защита от перенапряжений.

Производственный механизм: защитная функция блокировки ПЧ (запрет несанкционированного пуска двигателя), управление при предупредительной сигнализации, управление при внешних неисправностях.

Окружающая среда: преобразователь разработан в соответствии с концепцией «Экодизайн».

Преобразователь: автоматическая защита при перегреве, ограничение тока аппаратными и программными средствами.

4.14 Простота управления с графического экрана

Графический экран с настройкой отображения (рис. 4.10).

Текстовая индикация на шести языках по выбору (английском, испанском, русском, китайском, немецком, французском) с возможностью замены на другой язык. Навигационная ручка, обеспечивающая простой и быстрый доступ к меню прокрутки.



Рис. 4.10 Графический экран

Описание графического терминала:

1. Графический дисплей:

· 8 строк, 240 x 160 пикселей;

· отображение крупных символов, видимых с 5 м;

· отображение индикаторных линеек.

2. Функциональные клавиши F1, F2, F3, F4, назначаемые на:

· диалоговые функции: прямой доступ, справочная система, навигация;

· прикладные функции: локальное / дистанционное управление, заданные скорости.

3. Клавиша «STOP/RESET»: локальное управление остановкой двигателя / сброс неисправностей;

4. Клавиша «RUN»: локальное управление пуском двигателя;

5. Ручка навигатора:

· при нажатии: запись текущего значения (ENT);

· при вращении ±: увеличение или уменьшение значения, переход на следующую или предыдущую строку.

6. Клавиша «FWD/REV»: изменение направления вращения двигателя;

7. Клавиша «ESC»: отказ от текущей уставки, параметра или меню для возврата к предыдущему выбору;

Примечание: клавиши 3, 4 и 6 обеспечивают локальное управление преобразователем.

Меню упрощенного запуска для быстрого ввода в эксплуатацию и получения наилучших характеристик привода. Функциональные клавиши для облегчения навигации, получения контекстной помощи или конфигурируемые под конкретное применение. Непрерывная индикация текущих параметров двигателя.

4.15 Условия работы

Температура наружного воздуха:

Минимальная рабочая температура = -10 °С, максимальная рабочая температура = 50 °С.

Примечание: При работе инвертора с нагрузкой переменного момента (вентиляторы или насосы) допускается увеличивать номинальную выходную мощность инвертора примерно на 1 габарит. В этом случае необходимо снизить (программно) перегрузочную способность инвертора (относительно его номинальных данных).

Влажность. 95%, без конденсации.

Удар. Не допускать падений преобразователя и ударов.

Вибрации. Не устанавливать преобразователь в зонах постоянных вибраций.

Электромагнитное излучение. Не устанавливать преобразователь вблизи от источников электромагнитного излучения.

Загрязнение атмосферного воздуха. Не устанавливать преобразователь в среде, содержащей загрязнения атмосферного воздуха, такие как пыль, агрессивные газы, и т.д.

Вода. Обратите внимание на то, чтобы преобразователь не подвергался воздействию влаги. Так нельзя устанавливать преобразователь под трубами, на которых возможно появление конденсата. Не устанавливать преобразователь в местах с повышенной влажностью и наличием конденсата.

Внимание! Привод не должен монтироваться в горизонтальном положении! Установка и охлаждение. Преобразователь монтируют вертикально, чтобы гарантировать оптимальное охлаждение силовых приборов. При горизонтальном монтаже может быть необходим дополнительный обдув. Допускается монтаж преобразователей бок обок. Обеспечьте, чтобы вентиляционные отверстия преобразователя не были прикрыты. Над и под преобразователем необходимо свободное от оборудования расстояние 100 мм.

4.16 Общие сведения по установке параметров

Преобразователи частоты имеют сложную микропроцессорную систему управления, обеспечивающую оптимальную работу электропривода в технологическом процессе, а также многофункциональную связь с внешними элементами и системами управления. Система управления преобразователем включает несколько контуров регулирования параметров привода, которые связаны между собой. Такое построение системы приводит к необходимости точной настройки внутренних параметров этих контуров регулирования и любые их отклонения от оптимальных значений может привести к неустойчивой или некорректной работе привода в технологическом процессе.

Набор параметров преобразователей позволяет производить точную настройку и диагностирование привода на месте установки, без применения специальных приборов. Однако, учитывая большое количество применяемых параметров настройки, программное обеспечение предоставляет пользователю разные уровни доступа параметров, исключая возможность случайного (или намеренного) неквалифицированного вмешательства в параметры, влияющие на качество работы внутренних блоков управления и регулирования, пользователю представляется несколько уровней доступа к параметрам настройки. Каждый уровень доступа рассчитан на соответствующую квалификацию работника, выполняющего установку параметров привода.

4.17 Электрическая схема силовой части преобразователя

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 4.11).

Рис. 4.11 Структурная схема ПЧ с явновыраженным звеном постоянного тока

В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжение используются автономные инверторы напряжение и автономные инверторы тока.

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GТО и их усовершенствованные модификации GСТ, IGСТ, SGСТ, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGВТ.

Главным достоинством тиристорный преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGВТ транзисторах (95 - 98%).

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 - 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GТО составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGВТ транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGВТ отличают от тиристоров полная управляемость, простая неэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

Вследствие этого преобразователи частоты на IGВТ позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGВТ позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

Применение IGВТ с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобразователях частоты снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорный преобразователей. Как следствие - меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

Преобразователи на транзисторах IGВТ по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGВТ имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена / качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных преобразователей, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на ЮВТ модули.

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1-2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGВТ очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGВТ транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGВТ транзисторах.

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на (рис. 4.12). В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети (uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = соnst;, fвх = соnst) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGВТ. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

Рис. 4.12 Типовая схема низковольтного преобразователя частоты.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя, амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.