Предварительный выбор элементов системы электропривода

1. Предварительный выбор элементов системы электропривода.
1. Принцип действия токарного станка.

Токарные станки уже много веков являются основным производственным оборудованием. По статистике более 60% всех обрабатываемых деталей проходят через токарные станки. В последнее время эта доля стала еще больше - теперь на токарных станках проводится полная обработка деталей, включая фрезерование, сверление, нарезание резьбы и многое другое.

Рисунок 1 – Токарный станок.

Все части токарного станка установлены  на прочной основе – станине. Та часть станка, которая держит и  вращает деталь, называется передней бабкой. В её корпусе имеется шпиндель со ступенчатым шкивом на одном конце и патроном - на другом. У мощных скоростных станков, которыми оснащены наши заводы, шкив заменен коробкой скоростей. На другом конце станины находится задняя бабка, которая удерживает правый конец детали при обработке в центрах. В верхней части корпуса находится пиноль, двигающийся влево и вправо с помощью маховичка с винтом и гайки.

Рисунок 2 – Задняя бабка токарного  станка.

В коническое отверстие в передней части пиноли вставляется центр. В случае надобности сюда же можно  устанавливать сверла и другой инструмент. Заднюю бабку можно передвигать  по направлению станины, устанавливая её на нужное расстояние, в зависимости  от размеров обрабатываемой детали.

Между передней и задней бабкой перемещается суппорт с резцедержателем. Нижняя часть суппорта, называемая кареткой или продольными салазками, скользит по направлению станины, перемещая резец вдоль обрабатываемой детали. поперечное движение резца осуществляется с помощью поперечных салазок, в верхней части которых помещается поворотная часть суппорта. Она, как и станина, имеет направляющие, по которым двигаются верхние салазки суппорта с резцедержателем. Резцедержатель может быть устроен по- разному, это зависит от величины нагрузки, действующей на резец.

Рисунок 3- Кинематическая схема токарного станка.

2. Определение времени работы

При точении цилиндрической детали на токарном станке рабочая скорость при резании, м/с:

                                                                                                 (1.1)

где ; .

Рабочая скорость при черновой обработке (обдирке), м/с:

 

Рабочая скорость при чистовой обработке (отделке), м/с:

 

Рабочая длина, м:

                                                                                                      (1.2)

где длина  врезания, м:

                                                                                                           (1.3)

где – глубина резания, м;

 – главный угол резца  (для стандартного резца можно  принять  ).

Глубина резания при обдирке, м:

 

где и – диаметры заготовки и изделия, м;

м – глубина резания для отделочных работ.

При обдирке

рабочая длина, м:;

длина врезания, м:   

           При отделке

рабочая длина, м:;

длина врезания, м: 

Время холостого хода шпинделя до входа резца в деталь, с:

                                                                                                        (1.4)

где

Время холостого хода шпинделя до входа резца в деталь при обдирке, с:

 

Время холостого хода шпинделя до входа резца в деталь при отделке, с:

 

Время резания, с:

                                                                                                        (1.5)

Время резания при обдирке, с:

 

Время резания при отделке, с:

 

Время работы шпинделя вхолостую после  выхода резца из детали равно времени холостого хода шпинделя до входа резца в деталь, т. е.

,

                                          

Время возврата (реверса) принимается  равным удвоенному времени работы шпинделя вхолостую, т. е.

,

                                        

Время цикла, с:

 

 

 

1.3 Расчет статических и динамических усилий в механизме и построение упрощенной нагрузочной диаграммы

Процесс токарной обработки происходит при постоянстве мощности резания, Дж:

                                                                                                        (1.6)

где

 

Мощность резания, Дж:

,

где

 

Усилие, преодолеваемое приводом токарного станка на холостом ходу, Н:

                                                                                                (1.7)

где

 

Момент инерции сплошного цилиндрического  тела, кгм²:

                                                                          (1.8)

где

 

 

Момент инерции при обдирке, :

 

Момент инерции при отделке, :

 

Момент на каждом участке работы механизма, Нм:

                                                                                                                   (1.9)

где

 

 

 

 

 

Момент холостого хода после  черновой обработки,

 

 

 

Момент холостого хода после  чистовой обработки,

 

На  основании рассчитанных моментов и  времени строим упрощенную нагрузочную диаграмму.

 

 

Рисунок 2- Упрощенная нагрузочная  диаграмма.

_{1.4 Расчет потребной мощности и выбор двигателя по каталогу}

При продолжительной работе механизма  предварительно выбирается двигатель  по номинальной мощности, исходя из условия:

                                                                              (1.10)

где - коэффициент запаса;

- основная угловая скорость вращения  рабочего органа механизма, рад/с;

- среднее значение момента на нагрузочной диаграмме, Нм.

Среднее значение момента, Нм:

                                                                                            (1.11)

 

 

 

Основная угловая скорость вращения рабочего органа механизма, рад/с:

 

По (1.10) мощность двигателя  предварительно:

 

1.5 Определение требуемого передаточного отношения и выбор редуктора

После определения  мощности двигателя при неизвестном  передаточном числе редуктора по каталогу подбираем несколько двигателей с различными скоростями и составляем таблицу 1.

 

Таблица 1-Выбор двигателя

Тип двигателя
4А200L6Y3	30000	980	0,453	2,42	2,652
МТВ 512 - 8	40000	730	1,4	1,802	0,146
МТВ 412 - 6	37000	970	0,675	2,395	0,211

Требуемое передаточное число редуктора для каждого из вариантов двигателя:

                                                                                                (1.12)

где

Оптимальное передаточное отношение редуктора:

                                                                                                      (1.13)

где (принят равным моменту инерции при обдирке );

 момент инерции вала двигателя с вращающимися элементами на его валу, (здесь -коэффициент, учитывающий неучтенные маховые моменты).

Результаты  расчетов по формулам (1.12), (1.13) приведены  в таблице 1.

Выбираем двигатель  МТВ 412 – 6.

Паспортные  данные двигателя:

;

;

;

;

;

 

Коэффициент трансформации  сопротивлений ;

;

;

;

;

 

Коэффициент мощности

КПД η=0,9;

Синхронная скорость вращения магнитного поля статора 

Редуктор выбираем исходя из требуемого передаточного  числа , заданного значения номинальной мощности двигателя и скорости выбранного двигателя .

Выбираем редуктор РЦО – 200 – 2.5

Отклонение  фактического передаточного отношения  от требуемого значения:

 

значит, редуктор подходит.

Определим КПД  редуктора:

 

где

 

1.6 Приведение параметров движения к валу двигателя и предварительная проверка двигателя

После выбора двигателя и редуктора, когда известны передаточное число , КПД редуктора , все моменты рабочего органа пересчитываются на ось вала.

Для пересчета моментов необходимо знать КПД механизма при частичной  загрузке χ:

                                                          (1.14)

Частичная загрузка :

                                                                                                        (1.15)

где

_{Результаты  расчета по формулам (1.14), (1.15) приведены в таблице 3.}

_{Таблица 3 – результаты вычислений} и

№
1	0,558	0,747
2	1,643	0,797
3	0,469	0,734
4	1,628	0,796
5	0,465	0,734

 

Статический момент рабочего органа, :

                                                                                        (1.16)

Статические моменты на каждом участке обработки детали, :

 

 

 

 

 

 

 

Полный статический момент рабочего органа, :

                                                                                     (1.17)

где момент холостого двигателя, .

Момент холостого хода двигателя, :

 

Полные статические моменты  на каждом участке обработки детали, :

 
 
 
 
 

Приведенный к валу двигателя максимальный динамический момент, :

                                                             (1.18)

где перегрузочная способность двигателя;

полный статический  момент на каждом участке обработки детали, .

               

            

 

 

Приведенный к валу двигателя суммарный  момент инерции, кг:

                                                                       (1.19)

 

Значение установившейся скорости двигателя в режиме холостого  хода, рад/с:

                                                                                      (1.20)

где скорость холостого хода двигателя, рад/с

 

Время работы в переходных режимах, с:

                                                       (1.21)

где =0,5-0,7 – коэффициент уменьшения динамического момента.

 

 

 

Угол поворота вала двигателя в  переходных режимах, рад:

                                                                                         (1.22)

 

 

Время цикла работы электропривода, с учетом переходных процессов, с:

 

Выбранный двигатель удовлетворяет  заданной производительности, т. к. рассчитанные значения времени работы в переходных режимах и суммарное время работы электропривода не превышают ранее полученные значения.

Предварительная проверка двигателя  по нагреву осуществляется по величине среднеквадратичного момента, :

                                                                            (1.23)

где момент на i-м участке работы.

 

 

Условие выполняется, значит двигатель проходит по нагреву.

  Проверка двигателя на перегрузку заключается в выполнении условия:

                                                                                     (1.24)

где максимальный момент на нагрузочной диаграмме.

Из (1.24) получаем:

  т.е. двигатель способен выдержать  максимальную перегрузку.

Выбранный двигатель подходит по условиям заданной производительности, проходит по перегрузке и по нагреву.

2. Расчет статических характеристик электропривода

2.1 Расчет  естественных характеристик асинхронного двигателя

Механическую характеристику АД можно  построить, используя формулу Клосса:

 

где - коэффициент сопротивления;

 

критический момент.

Критическое скольжение на естественной характеристике:

                                                                                (2.2)

где приведенное к статору значение активного сопротивления роторной цепи;

 приведенное к статору значение индуктивного сопротивления роторной цепи.

 

Критический момент на естественной характеристике, :

                           (2.3)

где

 

 

Пусковой  момент находим по формуле (2.1), полагая  s=1:

 

Задаваясь, величиной строим естественную механическую характеристику асинхронного двигателя.

2.2 Расчет  искусственной механической характеристики.

Заданная  скорость, :

 

Заданное  скольжение:

 

Добавочное  сопротивление , необходимое для получения заданной скорости , Ом:

                                              

где

Для АД с фазным ротором построение искусственной характеристики ведется по формуле Клосса (2.1) с подстановкой следующих данных:

 

 

Задаваясь, величиной строим искусственную механическую характеристику асинхронного двигателя.

2.3. Построение пусковых диаграмм для АД с фазным ротором.

Построение пусковых диаграмм для  АД с фазным ротором проводится также, как и для ДПТ с независимым возбуждением. При этом величина наибольшего момента переключения выбирается из условия:

                                                                                     (2.5)

Выбираем наибольший момент переключения:

 

Число ступеней пускового реостата: m=3

Соотношение моментов переключения:

 

где номинальное скольжение.

 

Число ступеней пускового реостата: m=3

Наименьший  момент переключения, :

Наименьший  момент переключения: 
            

Сопротивление ступеней пускового реостата, Ом:

                                                                  (2.8)

где i=1÷m.

Сопротивление каждой ступени пускового реостата, Ом:

       

 

                     

2.4 Характеристика динамического торможения АД

Построение механической характеристики АД в режиме динамического торможения возможно по упрощенной формуле, подобной формуле Клосса:

 

Задаемся  требуемым значением , обеспечивающим «эффективные» тормозные моменты и меньшее время торможения.

Критический момент при динамическом торможении, :

 

где реактивное сопротивление цепи намагничивания, Ом;

добавочное сопротивление в  цепи ротора, Ом;

номинальный ток статора АД.

Реактивное  сопротивление цепи намагничивания, Ом:

 

где ток намагничивания, А;

 

Ток намагничивания, А:

 

 

Зная  ток намагничивания, определим реактивное сопротивление цепи намагничивания, Ом:

 

Критический момент при динамическом торможении, :

 

Задаваясь разными значениями скольжения, определяют моменты для динамического торможения по формуле (2.9).

 

Рисунок 3 – механические характеристики двигателя в различных режимах работы и пусковая диаграмма.

3. Расчет  переходных процессов

Переходные процессы электропривода возникают при изменении управляющих и возмущающих воздействий. Расчет переходных процессов заключается в определении зависимостей скорости ω(t), момента M(t), тока I(t), угла поворота двигателя φ(t) во времени и необходим для определения длительности и характера их протекания, что позволяет построить полные нагрузочные диаграммы совместно с переходными и установившимися режимами работы электропривода. Нагрузочные диаграммы дают возможность проверить выбранный двигатель по условиям заданной производительности, по нагреву, кратковременной перегрузке и условиям пуска.

На характер и длительность переходного  процесса основное влияние оказывают звенья электропривода, в которых может аккумулироваться энергия – в виде механической, запасенной в движущихся элементах механизмов, и электрической энергии, обусловленной индуктивностью обмоток электрических машин. Если при анализе динамики электропривода учитывается только механическая инерция, то переходные процессы называются механическими. Переходные процессы, рассматриваемые при совместном действии механических и электромагнитных явлений, называют электромеханическими.

 

 

3.1. Расчет параметров, определяющих динамику электропривода

Величину электромеханической  постоянной времени (с) при введении в активного сопротивления в цепь ротора можно рассчитать по формуле:

 

 

где электромеханическая постоянная времени для линейного участка естественной характеристики АД, с:

 

 

Определим величину электромеханической постоянной времени для всех ступеней пускового реостата, с:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Время переходного процесса, с:

 

Пуск двигателя.

При пуске начальными условиями  считаем:

,

Конечными  условиями считаем:

,

Статический момент

Времена переходного процесса при  пуске, с:

 

 

 

 

Значения скорости в переходном процессе, рад/с:

 

 

Значения скорости в переходном процессе при пуске, рад/с:

 

 

 

 

Рисунок 4 – График переходных процессов скорости и момента при пуске.

Наброс нагрузки.

Переходный  процесс на данном участке рассматривается с момента входа резца в метал и до установившихся значений момента и скорости при резании.

При набросе нагрузки принимаем следующие начальные условия:

,

Конечными  условиями считаем:

,

Время переходного процесса при  набросе (сбросе) нагрузки, с:

Рисунок 5 – График переходных процессов скорости и момента при набросе нагрузки.

Сброс нагрузки.

При сбросе нагрузки (выходе резца из детали) принимаются  следующие начальные условия:

,

Конечными  условиями считаем:

,

Рисунок 5 – График переходных процессов скорости и момента при сбросе нагрузки.

_{Динамическое  торможение.}

При ДТ начальными условиями считаем:

,

Конечными  условиями считаем:

,

_{Время переходного процесса:}

 

Рисунок 5 – График переходных процессов скорости и момента при динамическом торможении.

3.4. Угол поворота и перемещение рабочего органа за время переходного процесса.

Для определения полного углового перемещения вала двигателя за время  движения t_пп от скорости ω_нач до ω_кон необходимо просуммировать угловые перемещения на всех участках, рад:

                                                  φ_Σ= ∑Δ φ_i,                                                  (3.5)

где Δ φ_i=0,5∙( ω_начi+ ω_конi)∙Δt_i – угловое перемещение на i-м участке.

 

Пуск:

 Δφ₁=0,5∙( ω_нач+ ω₁)∙ t_пп1=0,5∙(0+53,956)∙9,515∙10^-5 =1,333∙10^-3

Δφ₂=0,5∙( ω₁+ ω₂)∙ t_пп2=0,5∙(53,956+79,251)∙5,966∙10^-5 =3,973∙10^-3

                   Δφ₃=0,5∙( ω₂+ ω₃)∙ t_пп3=0,5∙(79+91)∙4,001∙10^-5 =3,408∙10^-3

                   Δφ₄=0,5∙( ω₃+ ω₄)∙ t_пп4=0,5∙(91+101,576)∙1,154∙10^-4 =0,011

Наброс (сброс) нагрузки:

             Δφ_нн=0,5∙( ω_0е+ ω_сзад)∙ t_ппн=0,5∙(104,667+101,576)∙1,154∙10^-4 =0,012

Динамическое  торможение:

         Δφ_дт=0,5∙( ω_сзад + ω_кон)∙ Δt_пдт=0,5∙(101,576+0)∙ 2,666∙10^-5  =1,354∙10^-3

Полное угловое перемещение  вала двигателя, рад:

φ_Σ= Δφ₁+ Δφ₂+ Δφ₃+ Δφ₄+ Δφ_нн+ Δφ_нн+ Δφ_дт=0,045

Путь, который проходит рабочий  орган за время переходного процесса, м:

 

где радиус приведения, м.

Зная радиус приведения и полное угловое перемещение за время переходного процесса, найдем путь, м:

 

4.Проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности. 

Эквивалентный момент,  характеризующий  нагрев  двигателя  за весь цикл работы, :

 

 

где - среднеквадратичное  значение  момента  на  i-м участке;

β – коэффициент  ухудшения  теплоотдачи двигателя, определяется по исполнению двигателя, в данном случае β=1.

Условие выполняется, значит, двигатель проходит по нагреву.

Проверка  двигателя на перегрузку заключается  в выполнении условия:

                                                                                          (4.1)

где максимальный момент на нагрузочной диаграмме.

Из (4.1) получаем:

, т.е. двигатель способен выдержать  максимальную перегрузку.

Выбранная мощность двигателя удовлетворяет  требованиям технологического процесса без перегрузки и перегрева двигателя.

4.2. Расчет энергетических показателей электропривода.

Энергетические показатели электропривода характеризуют экономичность преобразования энергии системой электропривода (КПД - η) и экономичность потребления энергии из сети (коэффициент мощности - cos*). Мгновенные значения η и cos* могут характеризовать экономичность работы электропривода только в установившихся режимах работы. Универсальной оценкой энергетических показателей электропривода является средневзвешенное значение КПД двигателя за время «однотипного» цикла работы механизма.

Среднецикловой КПД двигателя  представляет собой отношение полезной работы за цикл к потребленной за это время электроэнергии :

 

Механическая энергия за время  переходного процесса, Дж:

 

где , средние значения момент а и скорости на i-м участке работы длительностью ;

момент холостого хода двигателя.

 

 

+

+

+

=7,146

Потребление активной энергии двигателя  можно рассчитать приближенно в  виде суммы полезной энергии и  суммарных потерь в двигателе:

 

где переменные потери в двигателе на i-м установившемся участке работы длительностью;

постоянные потери в двигателе;

потери энергии в переходных режимах.

Переменные  потери в двигателе, Вт:

 

Переменные  потери при обдирке, Вт:

 

Переменные  потери при отделке, Вт:

 

Потери энергии в переходных режимах под нагрузкой, Дж:

 

потери энергии на холостом ходу.

Потери энергии на холостом ходу для АД, питающегося от сети, Дж:

 

Потери энергии на холостом ходу при пуске (торможении), Дж:

 

 

Потери энергии в переходных режимах под нагрузкой, Дж:

 

 

 

Потребление активной энергии двигателя, Дж:

 

=7,869

Среднецикловой КПД двигателя:

 

Среднецикловой КПД электропривода:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрическая схема силовой цепи электропривода.

 

 

 

 

 

                                                 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

При курсовом проектировании я ознакомился с практическими методами определения нагрузок и моментов инерции производственных механизмов, приобрел навыки расчета переходных процессов, построения нагрузочных диаграмм электропривода, выбора мощности двигателей производственных механизмов, разработки принципиальных электрических схем электропривода.

При проектировании глубже изучил основную и специальную литературу по автоматизированному электроприводу, ознакомился с серийно выпускаемым электрооборудованием (электродвигателями, редукторами и др.), освоил распространенные методы расчета электропривода, выбора электрооборудования, а также проверки корректности такого выбора путем оценки статических, динамических и энергетических показателей электропривода.