Модернизация асинхронного электропривода главного движения металлообрабатывающего комплекса

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Ижевский государственный технический университет

имени М.Т. Калашникова"

(ФГБОУ ВО "ИЖГТУ ИМЕНИ М.Т. КАЛАШНИКОВА")

Выпускная квалификационная работа магистра

на тему: "МОДЕРНИЗАЦИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА"

Направление 09.03.01 "Информатика и вычислительная техника"

Программа 09.04.01-2 "Информационно-измерительные системы"

Магистрант: Бахурин Андрей Алексеевич

Научный руководитель: С.И. Юран

Руководитель программы: В.А. Куликов

Ижевск - 2017

План

Введение

1. Общие сведения о металлообрабатывающих станках и требования к электроприводу

1.1 Общие сведения о режимах работы

1.2 Общие сведения о механизмах главного движения

1.3 Требования к электроприводу металлорежущего станка

1.4 Исследование режимов резания при фрезеровании, производимого на станке и требования к ним

1.4.1 Расчет мощности резания при фрезеровании

1.5 Обзор системы Siemens Sinamics S120

2. Анализ системы векторного управления асинхронным ЭД с короткозамкнутым ротором и расчёт её параметров

2.1 Исследование функциональной схемы векторного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

2.2 Математическое описание асинхронного двигателя

2.3 Математическое описание других элементов функциональной схемы

2.4 Расчет параметров электродвигателя

2.5 Описание автоматических регуляторов

2.5.1 Описание регулятора тока I_d

2.5.2 Описание регулятора тока

2.5.3 Описание регулятора потокосцепления ротора

2.5.4 Описание регулятора скорости

3. Моделирование системы векторного управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором

3.1 Моделирование системы векторного управления асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором для режима резания при фрезеровании

3.1.1 Описание элементов модели

3.1.2 Результаты моделирования

3.2 Моделирование влияния внешних возмущений на ошибку скорости

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Условные обозначения и сокращения

Введение

Для решения основной задачи повышения производительности труда и улучшения качества продукции при минимальных затратах необходимо широкое внедрение машин и оборудования со встроенными средствами микропроцессорной техники, одно- и многооперационных станков с числовым программным управлением (ЧПУ), робототехнических комплексов и гибких производственных систем.

Современный уровень автоматизации предусматривает широкое внедрение металлообрабатывающих станков (МО) с числовым программным управлением и создаваемых на их основе гибких производственных модулей (ГПМ). Главное преимущество ЧПУ - возможность работать с минимальным вмешательством со стороны оператора. Благодаря этому, увеличивается точность обработки, уменьшается время осуществляемых операций и расхода материалов.

ЧПУ позволяет почти полностью автоматизировать производственный процесс. Благодаря системе цифрового управления, а также высокой точности обработки, такие станки способны выполнять операции почти любого уровня сложности: вытачивание узоров малых размеров, выполнение отверстий любого диаметра и т.п.

В последнее время машиностроительный комплекс приобретает такие новые качества, как гибкость и экономичность, высокий уровень автоматизации производственных процессов и минимальный расход энергии и сырья.

В станках с ЧПУ конструкция выполняется более жесткой, сокращены и упрощены кинематические цепи. Упрощение кинематики станков с ЧПУ стало возможным благодаря использованию большего числа независимо управляемых электроприводов, увеличению их мощности и моментов.

Расширение технологических возможностей станков с ЧПУ, создания многоцелевых станков стало возможным, как за счет использования специализированных ЧПУ и необходимых измерительных устройств, так и за счет расширения диапазона регулирования, быстродействия и точности установленных электроприводов.

Современный станок с ЧПУ представляет собой самостоятельную рабочую машину, органически связанную с вычислительной техникой, работает в реальном масштабе времени, превращая дискретные сигналы информации в дискретные сигналы управления.

Модернизация станка с ЧПУ позволяет продлить его эксплуатацию. Модернизация электропривода шпинделя является неотъемлемой частью модернизации станка, но не единственной.

Установка новой системы ЧПУ предусматривает также замену всех электроприводов подач, что как правило, требует замены также всех электродвигателей. Модернизацию было предложено проводить на оборудовании Siemens, которое имеет в своем наборе все компоненты для замены ЧПУ и электропривода. Это в свою очередь исключает несовместимость оборудования от разных поставщиков. Был рассмотрен вариант металлообрабатывающего комплекса Ивановского станкостроительного завода ИС 800ПМФ 4.

Таким образом, актуальной задачей повышения производительности труда и улучшения качества продукции является замена старого оборудования, требующего значительных затрат на ремонт и эксплуатацию, на более современное оборудование, соответствующее предъявляемым техническим требованиям.

Объектом исследования является электропривод главного движения МС.

Предметом исследования является система векторного управления электроприводом МС.

Целью работы является обоснование выбора системы управления для привода главного движения МО.

Для достижения поставленной цели в работе рассматриваются и решаются задачи:

1. Анализ системы векторного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором.

2. Расчёт параметров системы векторного управления асинхронным двигателем для последующего моделирования.

3. Моделирование в математическом пакете MATLAB "SIMULINK" системы векторного управления для режима резания при фрезеровании.

4. Анализ результатов моделирования и обоснование правильности выбора системы управления для привода главного движения.

Основные результаты работы опубликованы в печатной работе, приведенное приложении Б. Код программы работы системы управления вынесен в приложение А.

Структура и объем работы определены целью и задачами исследования. Работа состоит из введения, трех разделов, заключения и приложений. В конце каждой главы сформулированы выводы. Общий объем составляет страницы 84. Список литературы включает 43 наименования.

В ходе работы получены следующие результаты:

1. Произведен обзор существующей системы управления металлорежущими станками.

2. Исследована и промоделирована система векторного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором, которая соответствует технологическим требованиям, предъявляемым к приводу главного движения металлорежущего комплекса ИС 800ПМФ 4.

3. В результате моделирования системы векторного управления с короткозамкнутым ротором, получен качественный вид МХ: они линейны во всём диапазоне возможных нагрузок и аналогичны характеристикам ДПТ.

Практическая ценность работы заключается в возможности выбора системы управления электропривода главного движения и её настройке на основании данных, приведённых в результате моделирования.

1. Общие сведения о металлообрабатывающих станках и требования к электроприводу

1.1 Общие сведения о режимах работы

Металлообрабатывающий станок предназначен для предоставления обрабатываемой заготовке необходимой формы с заданной точностью путем снятия стружки. Металлорежущие станки классифицируются следующими признаками [1]:

1. По универсальности: станки универсальные, предназначенные для выполнения различных операций на деталях, различных по размерам и форме; специализированные - для обработки однотипных деталей; специальные - для обработки только одного вида изделий.

2. По степени автоматизации: с ручным управлением, автоматические, полуавтоматические.

3. По точности: нормальной точности - класс Н; повышенной точности - класс П, высокой точности - класс В, особо высокой точности - класс А, особенно точны - класс С.

4. По массе: легкие - массой до 1 т, средние - до 10 т, тяжелые - более 10 т.

5. По видам обработки: токарные, фрезерные, сверлильные, шлифовальные и т.д.

Относительные движения заготовки и режущего инструмента, в результате которых проходит процесс резки, называются основными. Основные движения разделяются на: главное, при котором инструмент режет металл, и движение подачи вызывает перемещение инструмента или обрабатываемой заготовки для снятия нового слоя металла.

Главное движение может быть вращательным или возвратно-поступательным и предоставляться как к заготовке, так и инструменту. Движение подачи, как правило, поступательное [1]. Например, главными движениями являются:

- вращение заготовки в станках токарной группы;

- поступательное перемещение заготовки в строгальных станках;

- вращение инструмента в фрезерных, сверлильных, расточных и шлифовальных станках.

Движениями подачи являются:

- поступательное перемещение инструмента относительно заготовки в станках токарной, строгальной и сверлильной групп;

- поступательное перемещение заготовки относительно инструмента в расточных, фрезерных и шлифовальных станках.

Кроме основных движений в станках имеются вспомогательные движения, которые непосредственно не участвуют в процессе резки, но способствуют ему или выполняют вспомогательные операции, обеспечивающие работу станка. Они осуществляют подачу охлажденной смазочной жидкости, зажима и отжим заготовки и механизмов станков, автоматическое подведение и отвод инструмента, автоматический контроль размеров в процессе обработки и т.д.

Обобщенная структура металлообрабатывающего станка показана на рисунке 1.1. привод асинхронный металлообрабатывающий векторное

Требования к системам управления станками определяется технологией обработки, конструктивными возможностями станка и режущего инструмента [2]. Основными технологическими требованиями являются обеспечение:

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

- максимальной производительности,

- необходимой точности обработки,

- высокой чистоты обрабатываемой поверхности,

- высокой степени повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии.

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

Рисунок 1.1 - Обобщенная структура металлообрабатывающего станка

При всем многообразии станков требования к приводам станков, определяются главным образом не тем, к какой группе относится станок, а для какого движения предназначен привод: главного, подачи или вспомогательного. Именно это определяет мощность, способ и диапазон регулирования скорости, необходимую плавность регулирования, требования к жесткости и стабильности характеристик, требования к динамике.

1.2 Общие сведения о механизмах главного движения

Шпиндельные механизмы складываются из шпинделя и шпиндельных опор. Шпиндель является основной деталью станка. Шпиндель - это полый ступенчатый вал, на переднем конце которого закрепляется заготовка или инструмент. К шпинделям предъявляют следующие требования:

1.Точность вращения - зависит от точности изготовления и точности использованных опор.

2. Жесткость - способность сохранять прежнее положение под действием приложенных сил. Зависит от выбора материала.

3.Виброустойчивость - способность не воспринимать окружающие колебания. Зависит с выбора материала.

4. Износостойкость - способность длительное время сохранять предварительные геометрические параметры. Зависит от выбора материала.

Жесткие шпиндели изготавливают из стали 45 с последующим улучшением (закалка и высокий отпуск). Износостойкие шпиндели изготавливают из стали 40Х с закалкой или из стали 20Х с последующей цементацией и закалкой.

Вибростойкие шпиндели изготавливают из стали 38ХМЮА с последующим азотированием и закалкой. Шпиндели большого диаметра можно изготавливать из серого чугуна СЧ 20.

В качестве опор шпинделей используют подшипники качения и скольжения. Для уменьшения силы трения используют подшипники качения различных конструкций. Для увеличения жесткости шпиндельных опор и уменьшения зазоров между отдельными телами качения и кольцами используют предварительный натяг подшипников качения - осевое смещения внутренних колец относительно наружных.

Вращающиеся (внутренние) кольца подшипников нужно устанавливать с наибольшим натяжением; не вращающиеся (внешние) кольца - с натягом в низкоскоростных шпинделях и с небольшим зазором в высокоскоростных.

При работе шпиндельного узла главную роль играет передняя опора шпинделя. Она воспринимает основные нагрузки и находится ближе к месту обработки. Поэтому компоновка шпиндельного узла осуществляется таким образом, чтобы передняя опора имела более точные подшипники, часто сдвоенность для увеличения жесткости.

1.3 Требования к электроприводу металлорежущего станка

Современный электропривод металлорежущих станков (МО) является высокоавтоматизированным устройством, что обеспечивает регулирование в широких пределах и поддержание высокой точности заданных параметров: тока, скорости вращения, угла положения. В свою очередь, каждый из перечисленных параметров электропривода определяет технологические характеристики механизма или машины в целом. В МС это производительность, а также геометрические размеры и чистота поверхности обрабатываемой детали [3].

В МС технологические характеристики обеспечиваются при взаимодействии двух типов приводов: привода главного движения, исполняющего резку металла инструментом, и привода подачи, перемешивающему инструмент или обрабатываемую деталь с целью снятия новых слоев металла.

Процесс резки металла на МС определяет и режимы работы привода главного движения и привода подачи. Практически в любых типах МС (токарные, фрезерные, шлифовальные, строгальные и др.) приводы главного движения работают в двух режимах:

- регулирование скорости до номинальной и выше номинальной при поддержании мощности.

- зависимость момента от нагрузки (материал обрабатываемой детали, скорость подачи, глубина и ширина обработки, тип инструмента и т.п.).

Необходимо, чтобы система управления обеспечивала отсутствие статической погрешности (). В современных станках динамические характеристики приводов определяют качество обработки заготовки [3].

Динамические характеристики электропривода по нагрузке практически определяют точность и чистоту обработки изделия, а также устойчивость инструмента. Устойчивый процесс резания при необходимой точности и чистоте поверхности возможен, если параметры настройки привода обеспечивают при приложении номинального момента нагрузки максимальный провал скорости не более 4 % за время восстановления которое не превышает 0,25 сек.

Для поддержания данных параметров на станке изначально управление электроприводом главного движения осуществлялось с помощью системы с двигателем постоянного тока независимого возбуждения. Она соответствовала предъявляемым технологическим требованиям. Однако эксплуатация двигателя постоянного тока влечет за собой ряд значительных неудобств, связанных с конструктивными особенностями машины данного типа, а именно:

1. Сложность конструкции и, как результат, высокая цена.

2. Наличие щеточно-коллекторного узла.

3. Большая масса.

4. Необходимость в периодическом обслуживании.

Все эти недостатки требуют существенных затрат при покупке машин постоянного тока и их дальнейшей эксплуатации, а также они могут значительно снизить надежность и точность систем в целом. Необходимо планировать дополнительные планово-предупредительные работы и останавливать производство для обслуживания щеточно-коллекторных узлов, проводить периодическую продувку машин от пыли [4].

Учитывая изложенные недостатки двигателя постоянного тока, выявленные в процессе эксплуатации, и высокую стоимость его обслуживания, было принято решение поиска альтернативного варианта замены данного двигателя на более надежный в конструктивном исполнении и не требующий частого ремонтного обслуживания, что бы привело к сокращению затрат на обслуживание и эксплуатации двигателя [5].

Альтернативным вариантом замены двигателя постоянного тока независимого возбуждения выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

До недавнего времени внедрение асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутыми роторами в системы, где требуется широкий диапазон регулирования скорости, не представлялось возможным, а для изменения скорости движения приводных механизмов использовались переключаемые редукторы или вариаторы. Дальнейшим развитием таких систем стало появление асинхронных двигателей с переключением числа полюсов (двух и трех скоростные двигатели), что позволяло ступенчато изменять скорость вращения.

С развитием полупроводниковой электроники (разработка IGBT транзисторов), появилась возможность производства недорогих микропроцессорных преобразователей частоты (инверторов), с помощью которых стало возможным полноценно управлять скоростью асинхронных двигателей в широком диапазоне регулирования (1:1000). Теперь частота вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором не зависит от частоты питающей сети, двигатели можно разгонять ниже и выше их номинальной скорости. Также появилась возможность управления моментом асинхронных двигателей. Системы управления движением с использованием асинхронных двигателей и преобразователей частоты получаются дешевле и проще подобных систем с двигателями постоянного тока. В качестве датчиков обратной связи широко используются цифровые устройства (энкодеры), которые менее подвержены влиянию электромагнитных помех, чем тахогенераторы, используемые с машинами постоянного тока. Асинхронный двигатель - простая, недорогая, не требующая обслуживания машина. Именно эти аргументы привели к предложению замены двигателя постоянного тока с тиристорным преобразователем заменить на асинхронный двигатель с системами управления, построенными на преобразователях частоты (частотных инверторах). Перспективным является использование для приводов главного движения асинхронного двигателя с векторным управлением от преобразователей частоты.

При подборе асинхронного двигателя взамен машины постоянного тока необходимо учитывать разность характеристик этих машин.

Подбор двигателя осуществляется по следующим параметрам:

а) По способу управления:

Работа в приводе в диапазоне порядка тысяч единиц при жестких требованиях к быстродействию должна быть обеспечена данной системой векторного управления. Система векторного управления должна позволить достигнуть регулировочных свойств, предъявляемых к приводу главного движения, которые ранее считались достижимыми только в приводах с двигателем постоянного тока независимого возбуждения.

б) По номинальной скорости вращения:

Диапазон изменения частоты вращения вала асинхронного двигателя должен быть равен или больше чем у двигателя постоянного тока.

в) По моменту (номинальному, пусковому, максимальному).

Номинальный момент асинхронного двигателя должен быть равен или быть больше исходного при условии длительной работы в заданном диапазоне частот вращения без перегрева. Максимальный и пусковой моменты должны быть равны или быть больше пускового момента, определенного для данного механизма.

На рисунке 1.2 представлены механические характеристики регулируемого асинхронного двигателя и двигателя постоянного тока соответственно. При замене двигателя постоянного тока необходимо однозначно определить диапазон скорости вращения вала и требуемый момент в этом диапазоне. Как правило, для удовлетворения механических характеристик приводного механизма, приходится ставить асинхронный двигатель соответствующей мощности.

г) По режиму работы

Нагрев электрической машины зависит от режима ее работы, то есть от соотношения длительности периодов работы под нагрузкой и пауз между ними, или периодов работы с полной или частичной нагрузкой, от частоты включения машины и характера протекания переходных процессов.

Рис 1.2 - Механические характеристики регулируемого: а) двигателя постоянного тока; б) асинхронного двигателя

Выделяют следующие режимы работы:

Продолжительный режим (S1) - режим при котором время работы машины при практически неизменных нагрузке и температуре окружающей среды достаточно для нагрева всех её частей до практически установившейся температуры. Режим характеризуется неизменными потерями в течение всего времени работы машины.

Кратковременный режим (S2) - режим при котором периоды неизменной нагрузки чередуются с периодами отключения машины, причем за время работы температура частей машины не успевает достигнуть установившегося значения, а за время пауз машина охлаждается до холодного состояния.

Повторно-кратковременные режимы (S3-S8) - отличаются от кратковременного продолжительностью включения под неизменную нагрузку и продолжительностью периодов отключения, причем время работы машины всегда меньше времени, необходимого для нагрева ее частей до установившейся температуры, а время пауз меньше необходимого для остывания машины до практически холодного состояния. Отличие между режимами S3-S8 заключается частотой пусков и продолжительностью включения машины.

д) По условиям эксплуатации.

Согласно ГОСТ 17498-87 асинхронный двигатель должен иметь соответствующую степень защиты IPXX, где первый символ X означает степень защиты оболочкой, от проникновения инородных твердых тел, второй символ X означает степень защиты оболочкой от вредных воздействий проникающей воды. Например, IP54 - "Машина не полностью защищена от проникновения внутрь оболочки пыли (однако, пыль не может проникать в количестве, достаточном для нарушения работы изделия) и воды, разбрызгиваемой на оболочку в любом направлении".

В настоящее время все чаще в качестве главного привода в новых разработках машин применяется асинхронный двигатель с частотным преобразователем векторного типа или с обратной связью по скорости или по положению ротора [4]. Последние достижения в области силовой электроники и микропроцессорной техники позволили значительно уменьшить стоимость комплектующих изделий частотного преобразователя при возросшей надежности этих изделий.

Также на выбор электропривода могут оказать влияние следующие показатели:

- допустимая частота включений;

- энергетические показатели ЭП;

- возможность выполнения различных функций одной системой привода;

- серийность производства данной системы привода;

- необходимость реверса и торможения.

Диапазон регулирования частоты вращения определяется пределами скоростей резания и диаметров обрабатываемых изделий.

Основные требования к электроприводу главного движения металлорежущих станков, на которые следует обращать внимание при разработке ЭМС и выборе комплектного электрооборудования:

- широкий диапазон регулирования скорости;

- значительные кратковременные перегрузки;

- высокая стабильность характеристик;

- высокое быстродействие за управляющим и возмущающим воздействием;

- высокая надежность (наработка на отказ не менее 4000 ч);

- унификация узлов и элементов, ремонтопригодность;

- простота наладки и эксплуатации.

Приводы главного движения МВ соответственно к типажу по ГОСТ 160.800.974-82, ГОСТ 25777-83 должны иметь следующий ряд мощностей, кВт: 2,2; 3,0; 4,0; 5,0; 7,5; 11; 15; 18; 22; 30; 37; 45; 55; 75; 90; 110; 132; 160; 200; 250.

1.4 Исследование режимов резания при фрезеровании, производимого на станке и требования к ним

Гибкий производственный комплекс повышенной точности ИС 800ПМФ 4 предусмотрен для обработки особо сложных корпусных деталей из черных и цветных металлов с помощью операций сверления, зенкерования, растачивания, фрезерование по контуру с линейной и круговой интерполяцией, нарезание резьб [7].

Станок имеет Т-образную станину, на которой расположена продольно-подвижная портальная стойка, поперечно-подвижной поворотный стол. По стальным направляющим стойки перемещается вертикально-подвижная шпиндельная бабка. У станка расположены инструментальный магазин и накопитель столов-спутников. Характеристики станка и основные параметры обработки приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Характеристики станка ИС 800ПМФ 4

Характеристики и параметры
Габаритные размеры, Ш х Д х В	4750х 5813х 3650
Наибольшая масса детали, расположенной на столе-спутнике, кг	1500
Наибольший диаметр фрезы, мм	315
Границы диаметров сверления, мм	3..45
Наиболее диаметр растачивания, мм	315
Наибольшее запрограммированное перемещение: - По оси Х - По оси У - По оси Z	1000 1000 800
Емкость инструментального магазина, шт.	64
Наибольшая масса инструмента с оправкой, кг	25
Электродвигатель главного привода: - номинальная мощность, кВт номинальная частота вращения, об / мин	30 1500

Рассмотрим режимы резания при фрезеровании, являющийся наиболее энергоёмкой операцией. Выходные данные для расчета взяты из паспорта станка [6] для тяжелых режимов обработки.

1.4.1 Расчет мощности резания при фрезеровании

Фрезерование плоскостей, выступлений, прямолинейных пазов различного профиля, поверхностей вращения осуществляется на фрезерных станках. Технология обработки деталей на фрезерных станках совершенствуется за счет использования инструментов из новых режущих материалов, использование новых охлаждающих жидкостей, а также автоматизации за счет использования средств вычислительной техники для управления работой станка. Это позволяет укоротить судьбу машинного времени на 80-85 %. Точность фрезерования зависит от типа станка, инструмента, режимов резания и других факторов.

Шероховатость поверхности обработки при чистовом фрезеровании может быть обеспечена в пределах Ra = 6,3... 1,6 мкм. В зависимости от вида обработки используют различные типы фрез. Торцевые фрезы используют для подготовительных операций, например, фрезерование базовых плоскостей, открытых плоскостей, перпендикулярных оси фрезы. С целью экономии дорогих быстрорежущих сталей и твердых сплавов фрезы делают сборными со вставными ножами. Выходные данные для расчета приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.2 - Данные для расчета мощности при фрезеровании

Материал заготовки	Конструкционная сталь, НВ=215, уВ=750 МПа
Материал инструмента	Твердый сплав
Тип фрезы	Торцевая
Глубина резания t, мм	15
Ширина фрезерования B, мм	200
Шероховатость Ra, мкм	2.2
Диаметр фрезы D, мм	315
Число зубьев фрезы z	14

Скорость резания, которая допустимая режущими свойствами фрезы:

где Т - устойчивость фрезы, мин., C_V, q, m, Y_V, XV, p_V, h_V коэффициенты и показатели степени, которые определяются видом и режимом фрезерования, D- диаметр фрезы, В - ширина фрезерования, z - число зубьев, S_Z - подача на зуб фрезы, К_И, К_М, К_Ф, К_П коэффициенты, учитывающие влияние марки инструментального материала, свойства обрабатывающего материала, главного угла в плане, состояние поверхности заготовки. К_М рассчитывается по формуле:

КП = 0.85 для заготовки из стального литья с коркой. К_И = 1 для инструмента из твердого сплава, КФ = 1 для торцевой фрезы с главным углом в плане . Подача на один зуб фрезы с [2]: Коэффициенты и показатели степени C_V, qV m, X_V, Y_V, p_V, h_V для данного материал заготовки и инструмента согласно [2]:

C_V = 332, q_V = 0.2, m = 0.2, X_V =0.1, Y_V =0.4, p_V =0, h_V= 0.2. Устойчивость фрезы в минутах машинной работы из [2] Т =515 мин. Скорость резки равна:

V .

Угловая скорость резки равна:

.

Окружная сила при фрезеровании Р_Z позволяет определить крутящий момент на шпинделе и мощность двигателя шпинделя. Р_Z рассчитывается по формуле:

где Р_Z - окружная сила, Н; С_Р - устойчивое коэффициент, зависящий от вида обработки, обрабатывающего материала и фрезы; t - глубина резания, мм; s - подача, м/мин; В - ширина фрезерования, мм; D - диаметр фрезы, мм; n - частота вращения фрезы, об / мин; X_P, V_P, U_P, Q_P, щ_P - показатели степени; z - количество зубьев фрезы, К_Р - общий поправочный коэффициент.

Коэффициенты и показатели степени C_P, Q_P, X_P, U_P, щ_P, h_V для данного материал заготовки и инструмента согласно [2]: C_V = 82.5, Q_P = 1.3, X_P = 1, V_P = 0.75, U_P = 1.1, щ_P = 0.2.

Частота вращения фрезы равна:

Подача s рассчитывается по формуле:

Окружная сила резания равна:

Pz .

Крутящий момент на шпинделе равен:

Мощность резания равна:

Приведенные результаты расчетов мощности резания при нарезании резьбы и фрезеровании будут использоваться при моделировании системы управления привода главного движения для создания возмущающего воздействия на систему.

1.5 Обзор системы Siemens Sinamics S120

В качестве частотного преобразователя часто используются изделия иностранных фирм. Анализ аналогичных изделий российского производства показывает, что все приводы изготавливаются с применением импортных комплектующих, таких как силовые IGBT модули и специализированные процессоры управления, не изготавливаемые российской промышленностью. Поэтому стоимость таких приводов при мелкосерийном производстве единичным предприятием не может быть ниже импортных, которые выпускаются тысячными партиями в год на нескольких специализированных производствах. Иностранные фирмы имеют несколько десятков заводов и представителей в разных странах мира, что позволяет постоянно отслеживать качество выпускаемых изделий. Имея собственных разработчиков, эти фирмы имеют возможность постоянно обновлять и улучшать выпускаемые изделия с появлением новых разработок в электронике.

Одной из фирм, изготавливающих и поставляющих данные системы, является компания Siemens и ее система приводов для металлообрабатывающих станков Sinamics S120.

Sinamics S120 - это система приводов Siemens для металлообрабатывающих станков, которая позволяет свободно комбинировать приводы различной мощности и функциональности. Многоосевая система управления движением, так и решения с индивидуальным приводом, могут быть реализованы с помощью унифицированных элементов Sinamics S120 [8].

Модуль управления Sinamics S120 реализует векторное управление, управление сервоприводами и управления в режиме U/f. Кроме того в модуле управления выполняется регулирование скорости, момента, функция позиционирования.

Все компоненты системы Sinamics связаны между собой посредством цифрового последовательного интерфейса DRIVE-CLIQ [9]. Все компоненты электропривода имеют электронный шильдик, который содержит все технические данные конкретного устройства. Эти данные автоматически считываются по DRIVE-CLIQ блоком регулирования. Благодаря этому исключается ручной ввод данных при замене компонентов, что облегчает ввод в эксплуатацию. Через интерфейс DRIVE-CLIQ передаются задании и истинные значения, команды управления и сообщения состояния.

Sinamics S120 поддерживает работу как с синхронными, так и асинхронными двигателями [8]. Электронно-координируемые индивидуальные приводы решают технологическую задачу вместе. Управление верхнего уровня осуществляется таким образом, чтобы добиться желаемого движения. Для этого между всеми приводами происходит циклический обмен данных. Ранее эта задача решалась с использованием совместной полевой шины управления с соответствующими затратами на монтаж и проектирование. Sinamics S120 использует другой путь: единый центральный блок управления выполняет регулирование всех подключенных осей и дополнительно реализует технологические связи между осями. Пример внешнего вида системы Sinamics S120 показана на рисунке 1.3 [9].

Рассмотрим отдельно некоторые элементы системы:

Модуль питания. Вырабатывает постоянное напряжение из напряжения сети для питания двигательных модулей через промежуточный контур постоянного напряжения. Модули питания Smart могут как принимать энергию из сети, так и отдавать генераторную энергию в сеть. Тормозные резисторы нужны только в случае, когда при отключении напряжения питания, без возможности рекуперации, нужно управляемое торможение приводов.

Моторный модуль. Отличаются исполнением на одно- и двухдвигательные модули. Все подключается к модулям питания. В двигательный модуль встроено DC-звено и инвертор для питания одного или двух двигателей. Благодаря совместной DC-шине возможен обмен энергией между отдельными двигательными модулями, то есть когда один двигатель производит генераторную энергию она может потребляться другим модулем, работает в ручном режиме.



Рисунок 1.3 - Внешний вид системы Sinamics S120

Рисунок 1.4 - Функциональная схема Sinamics S120

Сетевой дроссель ограничивает низкочастотное воздействие на сеть и снижает нагрузку выпрямителя модуля питания. Сетевой фильтр ограничивает выходные помехи.

Функциональная схема силовой части Sinamics S120 показана на рисунке 1.4.

Модули питания и двигательные модули могут выполняться в формате шасси и книги. Модули книжного формата оптимизированы для много осевых решений и монтируются вплотную друг к другу и имеют встроенные перемычки для общего звена постоянного тока.

При использовании приводов Sinamics S120 в станках в качестве блока управления выступает система ЧПУ Sinumerik, а именно блок NCU (Numerik Control Unit).

При передаче информации используется цифровая коммуникация. При этом передается информация между системами верхнего уровня, датчиками и исполнительными устройствами. При этом различают передачу управляющих данных процесса и общую коммуникацию.

Для управления процессом данные управления и заданные значения передаются циклически. Количество передаваемых при этом данных относительно невелико [9]. Например, для привода достаточно от 4 до 32 байт. Общая коммуникация не требуется для непосредственного управления технологическим процессом и осуществляется ациклично.

Приводы имеют цифровое регулирование, которое состоит из нескольких подчиненных контуров регулирования (положения, скорости, тока). Такое регулирование должно быть согласованным и синхронизированным.

Система Sinamics S120 включает в себя асинхронные двигатели главного движения 1PH7, которые предназначены для шпинделей станков и специальных механизмов в режиме регулирования скорости. Эти двигатели имеют встроенный датчик скорости.

По расчетам режимов резания для всех видов обработки на данном станке наиболее требовательным является фрезерование [10].

Необходимо, чтобы выполнялось требование:

P_рез ? P_шп,

где P_рез - рассчитана мощность резки, P_шп - мощность на шпинделе станка.

P_шп = P_дв • з,

где P_дв - мощность двигателя главного движения, з - КПД редуктора.

Откуда:

.

Выбираем двигатель Siemens 1PH7163-2QF03-0CA0 с параметрами, приведенным в таблице 1.4 [4].

Таблица 1.3 - Номинальные данные двигателя 1PH7163-2QF03-0CA0

Номинальная мощность	30 кВт
Номинальная линейное напряжение	U1ЛН = 380В
Число пар полюсов	p = 2
момент инерции	J = 0.19 кг
Коэффициент полезного действия	з = 0.91
Коэффициент мощности	cosц = 0.89
Перегрузочная способность	л = 2.3
Номинальное скольжение	sН = 0.019
Критическое скольжение	sК = 0.14
Номинальная скорость вращения	n =1500 об/мин

По данным двигателя из каталога [4] выбираем двигательный модуль Sinamics S120 6SL3120-1TE28-8AA3.

Параметры моторного модуля приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.4 - Параметры моторного модуля 6SL3120-1TE26-8AA3

Номинальный выходной ток	Iном = 60A
Максимальный выходной ток	Imax = 132A
Номинальная частота модуляции	f = 2КГц
Номинальная мощность при напряжении DC-контура 600 В	32кВт
Емкость DC-контура	1410 Ф
Выходная частота	0…650 Гц
Коэффициент полезного действия	з=0.97

По данным моторного модуля [9] выбираем модуль питания Sinamics S120 6SL3130-6TE25-5AA3, параметры которого приведены в таблице 1.6.

Таблица 1.5 - Параметры модуль питания 6SL3130-6TE25-5AA3

Номинальная мощность питания	36 кВт
Максимальная мощность питания	70 кВт
Ток DC-контура для 600В	60 А
Максимальный ток DC-контура	117 A
Емкость DC-контура	1410 мкФ
Коэффициент полезного действия

По этим данным выбираем сетевой фильтр 6SL3000-OBE25-5DA0 и сетевой дроссель 6SL3000-0CE25-5AA0.

1) Учитывая изложенные недостатки ДПТ независимого возбуждения предложен вариант его замены на более надежный в конструктивном исполнении АД КР с векторным управлением, не требующий частого ремонтного обслуживания, что приведёт к сокращению затрат на обслуживание и эксплуатации двигателя.

2) Исследован один из основных требовательных режимов при работе станка - резание при фрезеровании. В пункте 1.4.1 приведены требовательные параметры, для работы при данном режиме.

3) Предложена система Siemens Sinamics S120 управления приводом главного движения, с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором, металлорежущего станка ИС 800ПМФ 4. В данной системе имеется возможность реализации векторного управления для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

На основании представленных в пункте 1.5 параметров, для двигателя и модуля управления двигателем, будет производиться дальнейший расчёт системы управления.

2. Анализ системы векторного управления асинхронным ЭД с короткозамкнутым ротором и расчёт её параметров

Метод управления электродвигателем переменного тока, называемый векторное управление, появился в конце 70-х - начале 80-х годов прошлого века. Теоретические принципы метода были практически одновременно разработаны в Японии, России и Германии.

В широком смысле векторным регулированием можно назвать все способы управления двигателем переменного тока, использующие для описания происходящих в двигателе процессов векторную математику. Можно привести и другое, более узкое определение метода: векторным управлением называется управление моментом, скоростью или положением, основанное на уравнениях динамики двигателя и взаимосвязанном изменении мгновенной фазы и амплитуды тока, или напряжения статора, при котором по требуемому закону изменяется мгновенная величина и пространственное положение магнитного поля в двигателе [13].

2.1 Исследование функциональной схемы векторного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

При построении системы управления электроприводом был применен принцип векторного управления, который можно сформулировать следующим образом [14-19]. Токи, потоки, напряжения двигателя переменного тока могут быть представлены как векторы в некоторой системе координат.

В зависимости от используемой системы координат соотношения, описывающие процессы, происходящие в двигателе, будут иметь различный вид. Необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси d, q направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d, q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d. Изменяя ток статора по оси d следует добиваться необходимого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент, развиваемый двигателем. В таком режиме работы АД подобен к двигателю постоянного тока, так по оси d формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока), а ток по оси q задает момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока).

Питание АД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, что может обеспечить в любой момент времени необходимы амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора.

В основу построения системы регулирования скорости положены принципы, вытекающие из математического описания асинхронного двигателя во вращающейся системе координат.

Функциональная схема системы регулирования скорости электропривода при векторном управлении АД приведена на рисунке 2.1 [17].

Питание двигателя осуществляется от преобразователя частоты со звеном постоянного тока и инвертором. Контуры регулирования токов по прямой и квадратурной осям включают в себя преобразователи координат прямого и обратного каналов (ПКП и ПКО).

На входах регуляторов токов РТ 1 и РТ 2 сравниваются между собой сигналы задания токов и действительные значения соответствующих токов. Выходные сигналы регуляторов тока и являются сигналами задачи напряжения инвертора.

Во вращающейся системе координат напряжения на выходе инвертора и создают токи в статорных обмотках двигателя и которые после преобразования их в ПКО в вращающуюся систему координат служат сигналами обратных связей по току.

Схему системы векторного управления, представленную на рисунке 2.1, составляют 4 регулятора ПИ-типа с соответствующими им элементами суммирования:

- регуляторы составляющих вектора тока статора двигателя РТ 1, РТ 2;

- регулятор скорости РС

- регулятор потока РП

- датчик скорости двигателя ДC и задатчик интенсивности изменения скорости ЗИ.

Система управления электроприводом выполнена во вращающейся системе координат и построена по принципам подчиненного регулирования. Внешним по отношению к контуру тока по оси б, является контур регулирования потокосцепления ротора с регулятором потока РП.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема регулирования скорости электропривода при векторном управлении АД

2.2 Математическое описание асинхронного двигателя

Динамические свойства короткозамкнутого АД в системе координат d_q при ориентации вектора потокосцепления ротора по оси d определяется следующими выражениями [13]:

)

где переменными являются компоненты обобщенных векторов:

напряжения статора ,

тока статора,

тока ротора ,

тока намагничивания,

потокосцепления статора,

потокосцепления ротора,

главного потокосцепления

- Электромагнитный момент двигателя;

- Момент нагрузки;

J- Суммарный момент инерции электропривода;

- Количество пар полюсов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;

щ- Угловая скорость вращения ротора двигателя;

- Угловая скорость скольжения АД;

,- соответственно активные сопротивления фаз статора и ротора

- Взаимная индуктивность между статором и ротором:

,

,

Полные индуктивности фаз; -

Индуктивности от полей рассеяния статора и ротора соответственно;

коэффициент.

При ориентации вектора потокосцепления ротора по оси d в системе управления АД, представляет интерес определение зависимостей между переменными.Исключив из уравнений переменные, то из уравнения (2.7), (2.8) токи ротора примут вид:

С учетом (2.15), (2.16) уравнения (2.5), (2.6) примут вид:

где у - коэффициент рассеяния магнитного поля

Подставив (2.17), (2.18) в (2.1), (2.2) для статорного звена АД получим

Уравнение для роторного звена примут вид:

С учетом (2.23), (2.22) уравнение (2.21), (2.22) примут вид

Расположение векторов АД для такого случая приведено на рисунке 2.2:

Рисунок 2.2 - Расположение векторов АД

Постоянная времени ротора

Эквивалентное активное сопротивление и индуктивность звена статора:

При этом скорость вращения равна

где скорость скольжения,

а электромагнитный момент двигателя в (2.19) будет определяться как

Значение потокосцепления ротора записывается в виде

Уравнение (2.26) показывает, что при ориентации действительной оси вращающейся системы координат по вектору потокосцепления ротора значение потокосцепления однозначно определяется составляющей тока статора по оси d. Уравнение (2.25) дает возможность при известном смысле потокосцепления рассчитать значение частоты роторной ЭДС по составляющей тока статора по оси q.

2.3 Математическое описание других элементов функциональной схемы

Функциональная схема системы векторного управления АЭП представлена на рисунке 2.1. В данной системе можно условно выделить силовую часть, часть векторных преобразований и часть регулирования.

К силовой части входят выпрямитель напряжения трехфазной стандартной сети питания В, инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией ИН и АД [20-22].

Часть векторных преобразований системы составляют преобразователи фаз ПФ 1, ПФ 2, преобразователи координат ПК 1, ПК 2, блок компенсации связей БКC. В ПФ 2 измеряемые сигналы токов фаз статора IA, IB трехфазной системы A, B, C превращаются в сигналы I_б, I_в двухфазной системы б, в по соотношениям

В ПК 2 сигналы Iб, Iв превращаются в сигналы I_d, I_q подвижной системы координат d, q по выражениям

где есть углом поворота вектора. В БКC определяются сигналы , компенсации внутренних связей модели АД согласно полученным на основе уравнений (2.20) и (2.21) выражениями:

где коэффициент передачи. После вычисления , в БКС определяются составляющие вектора напряжения статора двигателя U_d, U_q соответственно, как

В ПК 1 осуществляется преобразование сигналов из системы координат d, q в систему координат б, в по выражениям

В ПФ 1 сигналы uб, uв двухфазной системы превращаются в сигналы задания напряжений статора двигателя трехфазной системы , как

Так как для дальнейшего исследования системы векторного управления необходимо знать значения параметров двигателя, на основе которых будет формироваться система управления, необходимо обратиться к данным из каталога и перейти к расчёту схемы замещения

2.4 Расчет параметров электродвигателя

Г-образная схема замещения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором является наиболее наглядной и удобной для использования. Для расчёта параметров системы управления, воспользуемся параметрами Г-образной схемы замещения, приведенными в справочнике, для перехода к параметрам Т-образной схемы замещения, а затем уже к параметрам системы.

Также при разработке математического описания асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и системы управления, как показано в [22-24], все переменные и параметры электропривода удобно представлять в относительных единицах (о.е.).

Принцип перехода от абсолютных величин к относительным заключается в том, что все переменные и параметры модели выражаются в долях от соответствующих базовых величин. Например, если за базовыми величинами выбраны номинальные значения каких-либо переменных, то по относительным значениям переменных легче однозначно оценить условия, в которых работает система. Для обобщения результатов имитационного моделирования удобно в относительном виде представлять также и время.

Задача выбора системы базовых величин нетривиальна. В принципе, базовые величины могут выбираться достаточно произвольно, из любых соображений, часто из специфических требований, определяемых конкретной реализацией разрабатываемой системы. В данной работе система базовых величин была выбрана исходя из следующих соображений:

- система базовых величин должна характеризовать номинальный режим работы двигателя;

- удобно, чтобы система базовых величин была непротиворечивой, т.е. содержала бы некоторое количество основных величин, а остальные базовые величины были бы производными от основных.

Такая система базовых величин позволяет получить наиболее простое математическое описание по форме аналогичное описанию в абсолютных единицах. Параметры Г - образной схемы замещения приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Параметры Г-образной схемы замещения

Активное сопротивление статора	0.034 Ом
Реактивное сопротивление статора	0.098 Ом
Активное сопротивление ротора	0.018 Ом
Реактивное сопротивление ротора	0.12 Ом
Реактивное сопротивление взаимоиндукции	3.9 Ом

Расчет параметров Т-образной схемы замещения двигателя, которая представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Т-образная схема замещения

Угловая скорость вектора напряжения статора

Синхронная скорость двигателя

Номинальная скорость двигателя

Номинальный момент двигателя

Критический момент двигателя

Номинальное фазное напряжение

Номинальное действующее значение фазного тока статора

номинальный поток

Коэффициент пересчета между Г-образной и Т-образной схемам замещения асинхронного двигателя

Параметры Т-образной схемы замещения в относительных единицах

Параметры Т-образной схемы замещения в абсолютных единицах

Индуктивность рассеяния статора и ротора

Индуктивность намагничивая контура:

Индуктивность статора и ротора

Постоянные параметры двухфазной модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

2.5 Описание автоматических регуляторов

В системе с подчиненным регулированием параметров регулирование осуществляется последовательно. Каждому регулируемому параметру, соответствует свой сигнал обратной связи, и свой регулятор. Поэтому регулирование каждой координаты подчинено регулированию предыдущей. Система с подчиненным регулированием позволяет настраивать каждый контур отдельно, начиная с внутреннего, и делать это независимо от настройки внешнего контура. В таких системах достаточно просто осуществляется ограничение значений параметров путем ограничения выходного параметра предыдущего контура [28,36].

Преимущества подчиненного регулирования по сравнению с независимым управлением заключается в упрощении решения задачи регулирования координат, облегчении наладки, сокращении сроков пуска объектов, в широких возможностях унификации узлов управления различными объектами.

При оптимизации контура регулирования, осуществляется компенсация больших постоянных времени. Малые постоянные времени незначительно отражаются на динамических свойствах системы, однако, компенсация последних приводит к уменьшению помехоустойчивости системы. В этом случае оптимизация контура регулирование сводится к выбору необходимой функции передачи регулятора, который бы обеспечивал необходимый уровень динамических характеристик замкнутого контура [32-34]. При настройке контура на модульный (технический) оптимум передаточная функция контура будет иметь вид:

При такой настройке время переходного процесса составляет 4.7·T_u, а перерегулирование, до 4.3 %. При настройке контура регулирования на симметричный оптимум передаточная функция контура будет иметь вид:

Настройка на симметричный оптимум позволяет повысить точность статических и динамических режимов. Но при этом ухудшаются динамические свойства за счет уменьшения участка ЛАХ с наклоном ?20 дБ / дек. В этом случае для уменьшения перерегулирования, задачи вводятся не скачком, а в виде функции, меняется плавно, с помощью задатчика интенсивности.

Оптимизацию системы электропривода начинают с внутреннего (подчиненного) контура регулирования тока. Регулирование тока двигателя является одной из наиболее общих функций автоматизированного электропривода. Необходимость регулирования тока диктуется предъявляемыми к электроприводу техническими и технологическими требованиями, а именно необходимостью ограничивать ток двигателя допустимыми значениями в переходных процессах пуска, торможения и приложения нагрузки. Объектом управления для контура тока является комбинация из двух последовательно соединенных звеньев - преобразователь частоты и электрическая часть асинхронного двигателя.