Электропривод на производстве

      Содержание  

     Введение.                  

1. Технологическое описание механизма
2. Расчет усилий в механизме возникающих при различных режимах работы.
3. Построение нагрузочной диаграммы механизма, предварительный выбор мощности двигателя.
4. Построение уточненной нагрузочной диаграммы, проверка выбранного электродвигателя.
5. Построение механических, электромеханических характеристик двигателя в четырех квадрантах.
6. Расчет переходных процессов , электродвигателя за цикл работы.
7. Проверка выбранного электродвигателя.
8. Проектирование системы управления электроприводом.

Литература. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 
 

     Автоматизация и электрификация всех отраслей народного хозяйства приводит к облегчению труда рабочих. Примерами простейшего привода является ручной привод, конный привод (где усилия человека заменены тяговой силой животных). На смену им пришел механический привод от ветряного двигателя, от водяного колеса и турбины, паровой машины, двигателя внутреннего сгорания и от электрического двигателя, который постепенно занял главенствующее место.

Автоматизированным электроприводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением. В электроприводе основным элементом, непосредственно преобразующим электрическую энергию в механическую, является электрический двигатель, который чаще всего управляется при помощи соответствующих преобразовательных и управляющих устройств с целью формирования статических и динамических характеристик электропривода, отвечающих требованиям производственного механизма.

Разнообразные электроприводы с точки зрения способов распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой электропривод; индивидуальный и взаимосвязанный (многодвигательный).

По степени управляемости электропривод может быть: нерегулируемый, регулируемый, программно-управляемый, следящий, адаптивный.

Можно классифицировать электроприводы и  по роду передаточного устройства. В этом смысле электропривод бывает: редукторный, безредукторный.

По уровню автоматизации можно различать:

- неавтоматизированный электропривод, в котором управление ручное; в настоящее время такой привод встречается редко, преимущественно в установках малой мощности бытовой и медицинской техники и т. п.;

- автоматизированный электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров;

- автоматический электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.

Два последних  типа электропривода находят применение в подавляющем большинстве случаев.

     Наконец, по роду тока применяются электроприводы постоянного и  переменного тока.

     Задачей курсового проекта является разработка автоматизированного электропривода стола продольно-строгального станка, работающего по системе тиристорный преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ-АД). 
 
 

1.  Технологическое  описание механизма 
 

     Продольно-строгальные  станки являются разновидностью металлообрабатывающих  станков и широко применяются  на машиностроительных и других промышленных предприятиях. Обработка деталей  на этих станках производится путем линейного перемещения детали относительно неподвижного резца. Деталь закрепляют на столе станка, который может совершать прямые и обратные ходы. Во время прямого (рабочего) хода стола резец снимает стружку с детали, во время обратного (холостого) хода стол возвращается в исходное положение, а резец сдвигается на величину подачи. Для повышения производительности станка скорость обратного хода делают больше скорости прямого, для обеспечения срока службы резца и качества обработки вход и выход резца из детали осуществляется при пониженной скорости стола.

     Большинство производственных механизмов можно  разделить на две группы: нереверсивные  механизмы длительного режима работы и реверсивные механизмы циклического действия, работающие в динамических режимах. Последние это в первую очередь механизмы подъемно-транспортных машин и некоторых обрабатывающих станков. Технологические процессы производственных механизмов связаны с преодолением сил сопротивления на соответствующих участках линейного перемещения или преодолением моментов сопротивления при вращательном движении. При этом рабочие процессы механизма выполняются в общем случае при различных линейных (или угловых) скоростях.

Продольно-строгальный  станок предназначен для обработки  деталей с наибольшей массой детали при скорости рабочего хода , пониженная скорость стола . Масса , длина обрабатываемой детали .  Максимальное усилие резания . Коэффициент трения стола о направляющие , к.п.д. передачи . Передаточное отношение от двигателя к столу: . Кинематическая схема привода станка приведена на (рис.1.).

       Электропривод стола работает в режиме периодических  реверсов. Поэтому продолжительность разгонов и торможений стола оказывает существенное влияние на производительность станка. С целью повышения производительности пуски и реверсы двигателя следует осуществлять за возможно короткое время. Этого достигают соответствующим управлением (форсировкой) источника питания двигателя. 

Рис.1. Электропривод стола продольно- строгального станка:

           1- электродвигатель;

      2- редуктор;

          3- реечная шестерня;

           4- стол. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.  Расчет усилий в механизме возникающих при различных режимах работы 
 

       Предварительно  мощность двигателя определяется по мощности рабочего (прямого) хода стопа , которая рассчитывается по максимальному тяговому усилию , максимальной скорости прямого хода :

               (1)

       где - К.П.Д. передачи, в среднем = 0,6 0 7.

     Тяговое усилие определяется по формуле:

            ,   (2)

     где - вертикальная составляющая усилия при резании, кН;

        - веса  детали и стола, Н/т.

              ,  (3)

     где  -ускорение свободного падения, равное 9,8м/с²;

              -масса, т.

     Часто применяют выражение:

              .                                             (4)

            Определим, по формуле (3), вес детали и стола:

        ,

        .

      Определим, формулы (2) и (4), тяговые усилия холостого хода и резания:

3. Построение  нагрузочной диаграммы  механизма, предварительный  выбор мощности двигателя

       В заданном продольно-строгальном станке деталь закрепляют на столе станка, который может совершать прямые и обратные ходы. Во время прямого  хода стола резец до подхода к детали работает на холостом ходу в течение времени , после снимает стружку с детали ( ) и снова выходит на холостой ход до конца стола ( ), во время обратного (холостого) хода ( ) стол возвращается в исходное положение, а резец сдвигается на величину подачи. И процесс повторяется снова.

       Рис.2. Нагрузочная диаграмма механизма.

       Рассчитаем  статические мощности на валу двигателя.

       Для холостого хода:

       Для режима резания:

       Определим через передаточное число требуемую частоту вращения двигателя:

       Рассчитаем  длительность протекания режимов работы :

                                                             (5) 

где - пройденные длины, м, скорости, м/мин, соответственно в -ом режиме.

       Время цикла  состоит из суммы пауз и работы ,с: 

              . (6) 

        .

       Так как времени пауз нет, продолжительность  включения (ПВ) составляет 100%.

       Угловая скорость двигателя:

       Статический момент , Нм, определим по формуле:

              . (7)

       В режиме холостого хода:

       В режиме резания:

       По  полученным данным строим нагрузочную диаграмму (рис.2.).

       По  нагрузочной диаграмме определим  эквивалентный момент , Нм:

              . (8)

      Так как ПВ_ф=100% соответствует стандартному ПВ_ст , то не требуется пересчитывать , соответствующий ПВ_ф, на момент , который будет соответствовать выбранному стандартному ПВ_ст ,т.е. .

      Определим расчетную мощность , Вт:

             , (9)

где  - коэффициент учитывает дополнительный нагрев двигателя за время переходных процессов, который не учтён при предварительном выборе мощности двигателя.

       .

      По  каталогу, в соответствии с принятым ПВ_ст выбираем двигатель так, чтобы и скорость соответствовала . Данные выбранного двигателя представим в виде таблицы 1.

            Таблица 1.

      Так как угловая частота вращения выбранного двигателя отличается от предварительно заданной, то пересчитаем в соответствии с принятой новой частотой статические моменты ,Нм, всех режимов работы. Номинальная частота вращения двигателя :

      где - синхронная частота вращения двигателя, об/мин;

            - скольжение, о.е.

       Угловая скорость двигателя:

       В режиме холостого хода: 

       В режиме резания:

       4.  Построение уточненной нагрузочной диаграммы, проверка выбранного электродвигателя 
 

       При предварительном выборе мощности не были учтены периоды пуска, торможения, работа на пониженной скорости. Чтобы проверить достаточно ли мощности выбранного двигателя необходимо построить уточнённую диаграмму . Поскольку в задании на курсовой проект предусмотрена и пониженная скорость, которая обеспечивает необходимую точность остановки, то этот период тоже необходимо ввести в диаграмму. Время работы на пониженной скорости можно принять равным 1-5 с. Нагрузочную диаграмму представим на (рис.3б.) Для того чтобы быть уверенным в правильном построении диаграммы, в том же масштабе времени построим и тахограмму работы механизма (рис. 3а.), а также относительное расположение во времени детали и стола (рис. 3в.).

      Величины  ускорения и замедления не заданны. Если предельные ускорения не заданны, то со стороны механизма не предъявляется  особых требований, и в этом случае исходят из возможностей двигателя, т.е. из величины моментов, которые может развить двигатель при пуске и торможении.

      Значение  пускового момента , Нм, может быть принято как:

             , (10)

      где - номинальная мощность двигателя, Нм.

        Чтобы время пуска и торможения были одинаковы, то должно выполняться равенство:

             . (11)

      Поскольку в процесс работы могут иметь  место разные , то получаются разные значения . Так как в приводе трудно создать пусковые и тормозные моменты, подстраивающиеся под нагрузку, то необходимо взять меньшее значение из рассчитанных .

      По  выше приведенным формулам:

      После принятия значений и можно рассчитать параметры тахограммы и уточнённой нагрузочной диаграммы.

      Время переходного процесса (пуск, торможение) определяется как:

         . (12)

  Время пуска из этого уравнения, когда 

         , (13)

где   - скорость двигателя при , предварительно можно принять равной ,рад/с;

       - приведённый к валу двигателя  момент инерции, кг·м².

      По  кинематической схеме механизма (рис. 1.), то приведённый к валу двигателя момент инерции можно определить по формуле:

       ,    (14)

где   - момент инерции двигателя, кг×м²;

- приблизительно можно взять если не заданны элементы - моменты инерции отдельных вращающихся частей кинематической схемы, связанные с двигателем передаточными числами ;

         - масса поступательно движущейся части механизма,т.

  Время перехода с номинальной скорости на пониженную: 

         , (15)

      где - пониженная скорость, рад/с,  .

      Время торможения до полной остановки:

      В соответствии с выше приведенными формулами  рассчитаем длительность переходных процессов. Для прямого хода:

Рис.3. Тахограмма, нагрузочная диаграмма относительное  расположение детали и стола. 

       Для обратного хода:

      Для того, чтобы было легко переходить от линейных скоростей и ускорений к угловым скоростям и ускорениям пользуются так называемым радиусом приведения ,м:

         . (17)

         Ускорения , м/с², и замедления , м/с²,определяют их по формулам:

         ; ; . (18)

      Угловое ускорение или замедление ,рад/с², (вала двигателя) находим как:

         . (19)

  По  выше приведенным формулам:

       Для заданного механизма главным  является не время работы с той  или иной нагрузкой, а путь, который должен пройти механизм за это время работы. Рассчитаем путь, который пройдёт механизм за время , , , а оставшееся время он должен будет пройти со скоростью ,м/с. Обозначим это время ,с, т.е. работу двигателя с установившейся скоростью.

      Путь  при пуске  ,м, торможение до пониженной скорости ,м, при работе на пониженной скорости ,м, и окончательном торможении можно найти:

         ; ; ; . (20)

      Механизм  со скоростью    должен пройти путь :

       ,    (21)

где - путь, м, который должен пройти механизм (по заданию).

      Время работы двигателя ,с, со скоростью ,м/с:

         . (22)

      Определим пути пройденные за время переходных процессов и при установившейся скорости, а также времена работы при установившейся скорости. 

      По  уточненной нагрузочной диаграмме вновь определим эквивалентный момент:

        (23) 
 

      Так как ПВ_ф=100%, то .

      Определим расчетную мощность , Вт:

      Сравним полученное значение мощности с мощностью выбранного электродвигателя: должно быть меньше мощности двигателя , - условие выполняется. 

5. Построение механических, электромеханических характеристик двигателя в четырех квадрантах 

      Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором  питается от тиристорного преобразователя  частоты и во всех режимах работает в зоне от 0 до . Для расчёта механической характеристики можно применить упрощённую формулу Клосса:

       ,      (25) 

где   - максимальный (критический) момент двигателя, Нм;

         - критическое  скольжение двигателя, о.е. 

        определяют по табличным данным, где задано

  Значение    берется из каталога. Задаваясь значениями в пределах от до , находим значения и ,где -скорость холостого хода, рад/с. По найденным точкам строим механическую характеристику (рис.4.). Расчеты произведем с использованием программы EXEL, результаты сведем в таблицу 2.

    Искусственная механическая характеристика при частотном управлении выражается формулой: