МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Донецький електрометалургійний технікум
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
КП. 5.090231.01. . .00. ПЗ
Проект складається з:
пояснювальної записки на аркушах
графічної частини на 1 аркуші
Проект розробив
(підпис, дата)
Керівник проекта
(підпис, дата)
2009 р.
ЗМІСТ
ВВЕДЕННЯ
1 ЗАГАЛЬНА ЧАСТНА
1.1 Коротка характеристика вертикально сверлійно-фрезерно-росточного напівавтомата 243ВМФ
1.2 Вимоги що пред'являються до приводу головного руху
1.3 Опис схеми електроприводу механізму головного руху верстата 243ВМФ2
2 РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА
2.1 Вибір двигуна і розрахунок його механічних характеристик.
2.2 Розрахунок, вибір і перевірка силового тиристора.
2.3 Розрахунок параметрів схеми управління
2.4 Аналіз системи електроприводу на стійкість.
НОРМАТИВНІ ЗАСЛАННЯ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
ВСТУП
Сучасне металообробне обладнання – це високо розвинуті машини. За конструкцією і призначенням важко знайти більш різноманітні машини ніж метало різальні верстати .
Створення оптимальної конструкції сучасного метало різального верстата, можливо тільки у разі автоматизації проектування, оскільки традиційний метод ручного проектування забезпечує лише створення працездатних конструкцій, але не оптимальних. Як відомо, заручного методу розрахунку і конструювання деталей і вузлів верстатів, робиться низько спрощень і не враховуються усі фактори, не розглядаються усі важливі варіанти конструкції . Застосування електронних обчислювальних машин (ЄОМ) дає змогу збільшити кількість факторів, які розглядаються і дає можливість досягти оптимальних рішень. Але бажаний ефект досягається в наслідок діалогу конструктора, якій володіє достатнім знанням в області розрахунку і конструюванні верстатів, і ЕОМ оскільки це дасть змогу розглянути значну кількість варіантів і вибрати оптимальні розміри і конструкцію.
Під час створення нових верстатів використовуються досягнення верстатобудівельної промисловості і наукових досліджень, а також суміжних областей техніки. Наприклад, на конструкцію верстата впливає створення нових типів електродвигунів (високо моментних, регулюваннях), поява нових датчиків положення , вдосконалення електрогідравлічної і оптичної апаратури , створення нових методів керування від спеціалізованих ЕОМ та інших.
Новостворювальні верстати мають бути суспільно доцільними , технічно і електрично вдосконаленні, економічними тощо. Вдосконалювання сучасних верстатів повинно забезпечувати підвищення швидкості робочіх і допоміжних рухів. Застосування композиційних матеріалів для різальних інструментів дає змогу вже сьогодні реалізовувати швидкості різання до 1500-2000 м/хв., а швидкість установочних переміщень до 20-30 м/хв..
У зв’язку зі зменшенням величин партій виробів , збільшенням гнучкості та скороченням термінів виконання замовлень переосмислюється питання усієї верстатобудівельної промисловості, а також створюється нова виробнича стратегія щодо комплексної обробки. Наприклад, токарні багато цільові верстати оснащуються іншим захватним шпинделем, який розташований напроти головного. Так з’являється можливість завершення обробки деталі з боку відрізання за одночасного початку обробки наступної деталі. Стійкою тенденцією є інтеграція фрезерної, зубонарізної,стругальної, свердлильної, та іншої обробки у технологічну токарну комірку. Системи часового програмного керування (ЧПК) такими верстатами дають можливість керувати 5-ма …10-ма координатними осями(а інколи і більше).
Вимоги до сучасних металоріжучих верстатів реалізується більшою мірою за допомогою електроприводу.
Багато цільові верстати забезпечують високий ступінь точності обробки деталей і продуктивність за постійністю технологічних баз що дає змогу підвищувати точність взаємного розташування оброблених поверхонь.[1]
1. ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА
1.1 Коротка характеристика вертикально сверлійно-фрезерно-росточного напівавтомата 243ВМФ
Верстати, оснащені ЧПУ і пристроєм автоматичної зміни інструменту, призначені для послідовного виконання великого числа різних технологічних операцій без переустановлення заготівок,називають багатоцільовими(МВ) . Завдяки такої конструкції верстатів істотно скорочується допоміжний час при обробці і зберігається мобільність до переналадки . Продуктивність багатоцільових верстатів в 3-8 разів вища, ніж універсальних верстатів. Допоміжний час зменшується завдяки автоматичній зміні інструменту, високій швидкості позиціонування робочих органів верстата на допоміжних ходах (15 м/хв.), скороченню часу пуску-зупинки і реверсування при застосуванні високомоментних мало інерційних двигунів постійного струму, наладці інструменту на розмір поза верстатом, виключено контрольних операцій і т.д. У сучасних верстатах час переналадки ще більш зменшується унаслідок застосування змінних інструментальних магазинів з наперед налагодженим на розмір ріжучим інструментом. Характерні особливості МВ наступні : оснащеність великим числом ріжучих інструментів, висока концентрація операцій (чорнових, на півчистових і чистових ), зокрема точіння, розточування, фрезерування, свердлення, зенкерування, розгортання, нарізування різьб, контроль якості обробки і др.; висока точність виконання чистових операцій (6-7-й квалітети ). МВ оснащують позиційними або контурними УЧПУ,які забезпечують безступеневих регулювання подачі і частоти обертання. Для систем управління характерні розвинена сигналізація, цифрова індикація положення вузлів верстата, різні форми адаптивного управління.
МВ - це в основному одношпиндельні верстати з револьверними і шпиндельними головками . Звичайно на МВ обробляють комплекти деталей, що йдуть на збірку вузла або машини. Приводи головного руху повинні забезпечувати регулювання швидкостей в широкому діапазоні (Rn=50/100, а іноді і до 200), враховуючи велике число різнохарактерних обробок, що виконуються на багатоцільових верстатах. Максимальна частота обертання досягає =3000/4000 (). Переважно в приводах головного руху використовують двигуни постійного струму з тиристорним управлінням з двома - трьома механічними ступенями, а іноді і без них [2].
В курсовому проекті розробляється електропривод головного руху вертикального сверлійно-фрезерно-розточувального напівавтомата 243ВМФ. Верстат призначений для комплексної обробки заготовок невеликих і середніх розмірів при підході інструменту з одного боку . На верстаті можна проводити свердлення, зенкерування, цекування, чорнове і чистове розточування, напівчистове і чистове фрезерування і нарізування різьблення мітчиками . Верстат побудований на базі координатний - розточувального верстата і має клас точності В : забезпечує відхилення відстаней між осями оброблених отворів 0,016 мм, відхилення діаметру отворів 0,01 мм. Найбільший діаметр свердлення 25 мм, найбільший діаметр розточування 160 мм; розміри робочої поверхні столу (ширина Х довжина) 320Х560 мм; число інструментів в магазині 30; число частот обертання шпинделя 21; межі частот обертання шпинделя 40-2500 ; число ступенів подач 30; межі подач по координатах Х’,Y’,Z 3,15-2500 мм/мін; швидкість швидкого переміщення по осях координат X’,Y’,Z 3000мм/хв.; габаритні розміри верстата 1590 Х 1640 Х 2620 мм. Компоновка, основні механізми і рухи у верстаті. Верстат має вертикальну компоновку і показаний на листі графічної частини. На станині 1 закріплена стойка 2. У верхній частині стійки розміщений привід головного руху - обертання шпинделя і редуктор подач по координаті Z гільзи шпинделя. По тих, що вертикальним направляють в стійці переміщається головка, шпинделя, 4(настановне переміщення). На стійці укріплений магазин3,з якого автооператор переносить інструмент в шпиндель. Верстат оснащений хрестовим координатним столом 5.По що горизонтальним направляє станини переміщаються в поперечному напрямі санчата (подача по координаті Y’), а в подовжньому напрямі по тих, що направляють санчат - стіл (подача по координаті X’)[3].
Кінематика верстата показана на (рис.1). Головний рух шпиндель VII одержує від асинхронного електродвигуна М1 (Р=2.2 кВт; n=1430 ) через двох ремінної варіатор var, триступінчату коробку швидкостей і зубчато- ремінну передачу z=31-31.При відхиленні швидкості при заданою програмою тахогенератор BR дасть команду на включення асинхронного електродвигуна (Р=0.08 кВт; n=1390 ), який через зубчаті пари z=17-49,25-49 і гвинт XIII з кроком Р=5 мм змістить вісь рухомих дисків варіатора, що і зрадить його передавальне відношення. Варіатор забезпечує регулювання швидкості (1:4) усередині кожного з трьох діапазонів одержуваних перемиканням блоку Б1 і у муфти . При включенні муфти від електромагніту постійного струму Э1 одержують верхній діапазон обертання, оскільки рух з валу III на вал V передається через зубчато- ремінну передачу z=30-30, минувши знижуючи передачі. Два нижні діапазони шпиндель одержує при перемиканні блоку Б1 (муфта відключена ) двома електромагнітами постійного струму (на схемі не показано). Шпиндель верстата 8 (рис.2) розміщений в гільзі 7 на спеціальних високо точних підшипниках затиск інструменту походить від пакету тарілчастих пружин 3 що діють на інструмент за допомогою шомполу 2, сполученого з байонетним замком 1. Зусилля пружин регулюється гайкою 4.Зуб планки 5, взаємодіючи із зубчатим колесом 6, закріпленим на шомполі 2, перешкоджає випадковому повороту байонета. Що крутить момент від шпинделя до інструменту передається повідцями розташованого на торці шпинделя .
Привід обертання шомполу призначений для розтиснення і затискання байонетного замку шомполу з інструментом в крайньому верхньому положенні гільзи, а також для обертання інструменту у разі неспівпадання провідних шпонок інструменту і шпинделя під час автоматичної зміни інструменту. Привід шомполу здійснюється від асинхронного електродвигуна М3 (Р=0.25 кВт; n=2700 ) через черв'ячний редуктор z=1-30 при включеній муфті . Двигун включається по команді мікроперемикача, розташованого на магазині, тільки в положенні автооператора під шпинделем. Муфта - запобіжна .
Привід подач гільзи шпинделя і переміщення головки, шпинделя, здійснюється від електродвигуна постійного струму М4 (Р=0.37 кВт; n=3000 ).Гильза одержує переміщення через двоступінчатий редуктор z=20-40,z=16-48-40-48 і гвинт кочення XVIII з кроком Р=6 мм, який сполучений з повзуном переміщення гільзи . Для забезпечення самогальмування пари гвинт-гайка кочення при віджиманні інструменту служить гальмо.
Переміщення головки, шпинделя, здійснюється від шліцьового валу XVI через втулку XIX і при включеній муфті через черв'ячну пару z=1-34 (муфта запобіжна ) і рейкову передачу. Муфта включається від механізму затиску головки гільза і шпиндель синхронно . При відключенні головка, шпинделя, зупиняється, а шпиндель продовжує перемішатися здійснюючи робочу подачу . На валу XVII встановлений круговий фотоелектричний датчик з дискретністю 0,01мм, який здійснює контроль переміщень гільзи і головки, шпинделя .
Швидкість швидкого переміщення головки, шпинделя, визначиться з виразу
Головка і гільза зрівнянні противагами.
Позиціонування за заданою програмою здійснюється подовжнім переміщенням столу і поперечним переміщенням солазак від електродвигунів постійного струму відповідно М5 і М6 (Р=0,37 кВт; n=3000 ). Рух передається через зубчаті ремені z=23-49, дві зубчаті пари на червячно- рейкові передачі з модулем m=10 мм. Подовжня подача столу в загальному вигляді визначається з виразу
Вимірювальні гвинти відліково-вимірювальних систем кінематично зв’язаними з приводними черв'яками через колесо z=22 на приводному волу ХХХ подовжнього переміщення і z=30 на валу ХХIV . Відлікова вимірювальна система верстата замкнута з індуктивними і фотоелектричними датчиками . Розглянемо принцип її дії на прикладі відлікової системи столу. Точний гвинт-якір з прямокутним різьбленням ХХХIII індуктивного датчика ІД пов'язаний з переміщенням робочого органу через черв'ячно-рейкову передачу, вал ХХХ, конічні пари z=22-22, z=22-22, колеса диференціала z=40, z=50,z=108 і колесо z=106. Виникаючий при переміщенні сигнал роз узгодження сприймається блоком управління БУ, що дає команди електродвигуну М7 типу РД-09 (Р=0,01 кВт; n=1200 ). Двигун, зменшуючи сигнал розузгодження довертає гвинт-якір ХХХIII через передачу z=34-68, диференціал і колесо z=106 відлікового гвинта. Унаслідок зворотнього зв'язку гвинт-якір обертається синхронно руху робочого органу. Відлік кута повороту кута якоря проводиться круговим фотоелектричним датчиком ФД. Виникаючий у фотодіодах електричний струм перетвориться електронним пристроєм ВУ в імпульси сприймані лічильником імпульсів СІ. Шах імпульсів фотоелектричного датчика відповідає 0,001 мм переміщення робочого органу ( дискретність відліку). Лічильник імпульсів формує в числовому вигляді повну інформацію про величину переміщення робочого органу і управляє відповідно електродвигуном М5 приводу подач столу. Затиск головки, шпинделя, столу, санчат і гільзи здійснюється автоматично за програмою від асинхронних електродвигунів через ряд зубчатих передач (на схемі не показані).
Механізм автоматичної зміни інструменту складається з інструментального магазина і автооператора з приводом. Механізм зручно розташований для обслуговування, час зміни інструменту складає близько 5 с. Цикл зміни інструменту. Магазин під час обробки подає інструмент в позицію завантаження-вивантаження. Автооператор повертається, захоплює інструмент, виносить його з магазина і перекидає до положення, коли осі шпинделя і інструменту паралельні. Гільза і головка, шпинделя, переміщаються у верхнє положення контрольоване мікроперемикачами; шомпол віджимає інструмент, але він залишається поки в байонетном замку. Автооператор захоплює відпрацьований інструмент, у цей момент починає обертатися шомпол і інструмент звільняється із замку, автооператор рухом вниз витягує інструмент з шпинделя. Потім автооператор повертається на 180 і вставляє черговий інструмент в шпиндель. Далі автооператор здійснює всі рухи в зворотній послідовності, вставляючи відпрацьований інструмент в своє кубло. Одночасно відбувається затиск нового інструменту в шпинделі. Оскільки шомпол обертається, то зуб інструменту западає в байонет, а що ведуть виступи шпинделя - в пази інструментального облямовування. Інструмент фіксується в шпинделі, а шомпол замикає байонетний замок і зупиняється. Спеціальна схема контролю перевіряє положення інструменту в шпинделі. Магазин виконаний у вигляді барабана з втулками, в які встановлюють інструмент. Втулки оберігають хвостовики облямовувань від пилу і грязі. Облямовування кріпляться в магазині за допомогою пружин. З барабаном кінематично пов'язані три кодові диски, пелюстки яких проходять крізь прорізи безконтактних кінцевих вимикачів, закріплених на корпусі. Вихідні сигнали вимикачів, закодовані двійково-десятковому коді, забезпечують вибір позиції барабана, тобто кодується кубло магазина. Обертання магазина здійснюється від електродвигуна М8 (Р=0,18 кВт; n=2800 ) через черв'ячну передачу z=1-24, гвинт-вал XXX VII, зубчату пару z=51-34, передачі z=2-30, z=50-165, і вал XL, на якому розташований магазин. Рівняння кінематичного балансу запишемо з умови, що за один оборот гвинта-валу XXXVII магазин обернеться на 1 крок (1/30 обороту), оскільки в магазині 30 позицій: 51/34 2/30 50/165=1/30
При отриманні команди на пошук інструменту починає обертатися черв'ячне колесо z=24 з внутрішнім різьбленням. При цьому вал XXXVII переміщається уздовж своєї осі вліво або управо залежно від напряму обертання до тих пір, поки фіксатор 1 не вийде з подовжнього паза куркулька К1. При цьому гвинт-вал почне переміщатися в осьовому напрямі до тих пір, поки не спрацює мікроперемикач, що дає команду на зупинку електродвигуна. Автооператор за цикл зміни інструменту повинен виконати наступні рухи: поворот, осьове переміщення і перекидання. Від електродвигуна М9 (Р=0,12 кВт; n=2760 через черв'ячну пару z=-60, зубчаті пари z=20-30-157 одержує обертання вал XLIV з сидячими на ньому куркульками К2, К3, К4. На кожному кулачку дискового типа є замкнуті криві, що визначають переміщення автооператора. Від кулачка К2 за допомогою штовхача через вал-рейку XLV, рейкове колесо z=28 і зубчату пару z=59-36 автооператор повертається навколо центральної осі LII. Про т куркулька К3 через рейку і рейкове колесо z=27, вал XLVII, колеса z=67-67-46 одержує обертання порожнистий вал L, який за допомогою рейкового колеса z=46 переміщає рейку модулем m=1,5 і відповідно автооператор уздовж осі LII. Кулачок К4 через штовхач, рейку і рейкове колесо z=27, вал XLVIII і колеса z=31-43-43-58 здійснює поворот автооператора на 900 (перекидання).
1.2 Вимоги, що призначені до електроприводу механізму головного руху
Вимоги до електроприводів і систем управління верстатами визначаються технологією обробки конструктивними можливостями верстата і ріжучого інструменту. Основними технологічними вимогами є забезпечення: найширшого кола технологічних режимів обробки з використанням сучасного ріжучого інструменту; максимальної продуктивності; найбільшої точності обробки; високої чистоти оброблюваної поверхні; високого ступеня повторюваності розмірів деталей в оброблюваній партії (стабільності). [4]
Задоволення всім цим і іншим вимогам залежать від характеристик верстата і ріжучого інструменту, потужності головного приводу і електромеханічних властивостей приводів подач і систем управління. Потужність що розвивається при різанні, визначається швидкістю різання і зусиллям різання.
Для приводів головного руху найбільш раціональним є спосіб регулювання швидкості з постійною потужністю, оскільки великим швидкостям різання відповідають менші зусилля різання, а меншим швидкостям - великі зусилля.
Діапазон регулювання частоти обертання визначається межами швидкостей різання і діаметрів оброблюваних виробів. Це визначаться тим що на універсальних верстатах можуть оброблятися деталі з різних матеріалів і різних розмірів, зокрема різних діаметрів. Для обробки виробів однакових діаметрів з різних матеріалів необхідно забезпечити визначений діапазон регулювання швидкості різання.
У високо автоматизованих верстатах з числовим програмним управлінням (ЧПУ) функції, що виконуються електроприводом головного руху, значно ускладнені. Крім стабілізації частоти обертання, при силових режимах різання потрібний забезпечення режимів позиціонування шпінделя при автоматичній зміні інструменту і виробництві легких довбальних і стругальних робіт, а також можливість нарізування різьблення як мітчиками так і різцями. Це обов’язково веде до збільшення потрібного діапазону регулювання частоти обертання. Так, при необхідній точності позиціонування шпинделя 0,1 і максимальній частоті обертання двигуна 3000-5000 об./хв. Сумарний діапазон частоти обертання повинен бути не менше 10000.Електромеханічний спосіб регулювання швидкості (частоти обертання) для приводів головного руху є найбільш перспективним. Необхідний технологічний діапазон регулювання швидкості ш
Відмітною особливістю головного приводу для високо автоматизованих верстатів з ЧПУ є необхідність застосування реверсивного приводу навіть в тих випадках, коли за технологією обробки не потрібен реверс. Вимога забезпечення ефективного гальмування і під гальмування при знижені частоти обертання і режимом підтримки постійної швидкості різання приводить до необхідності застосування реверсивного приводу з метою отримання потрібної якості перехідних процесів.
У ряді свердлильний верстатів потрібний отримання високих частот обертання двигунів. У багатошпиндельних свердлильних верстатах, призначених для свердлення друкарської платні також потрібне отримання високих частот обертання 6-60000 об/хв. Отримання таких високих частот обертання можливо шляхом застосування ремінної передачі, що підвищує, від двигуна з частотою обертання 3000 об/хв. або високо швидкісних двигунів. У першому випадку використовуються короткозамкнуті АД з частотою живлення мережі 50 Гц. Таке рішення застосовується при потужності до 2-3 кВт і частоті обертання кола до 18 тис. об/хв. При застосуванні вказаного типа приводу на частоти обертання більше 20000 об/хв. виходить не сприятливе співвідношення діаметрів шківів на двигуні і шпинделі. Кут обхвату ременем шківа на шпинделі виявляється не достатнім для передачі необхідної потужності. Використання другого типа приводу з високо швидкісним двигуном - електрошпинделем, на валу якого крепеться ріжучий інструмент, дозволяє одержати найбільш раціональну конструкцію механізму головного руху. Проте тільки спрощення конструкції головного приводу не вирішує задачі істотного підвищення продуктивності праці і якості обробки на верстатах. До теперішнього часу в більшості верстатів для зміни частоти обертання кола мінявся електрошпиндель. На одному верстаті використовувалися до чотирьох змінних електрошпинделів з різними номінальними частотами обертання.
Застосування регульованого приводу з електрошпинделем дозволяє зберегти незмінною швидкість. забезпечується отримання оптимальних режимів шляхом регулювання швидкості різання.
1.3 Опис схеми електроприводу механізму головного руху верстата 243ВМФ2
Функціональна схема електропривода головного механізму верстата 243ВМФ2 показана на аркуші графічної частини.
Силова частина містить головний елемент «тиристорний перетворювач» (ТП). ТП підключається до живлячої мережі за допомогою трансформатора. Трансформатор називається таким, що «узгоджує» оскільки служить для узгодження змінної напруги мережі і постійної напруги двигуна . Окрім цього трансформатор обмежує струм короткого замикання і знижує швидкість зміни струму в тиристорах. Зменшує вплив мережі і інших джерел на роботу приводу.
ТП зібраний по схемі «трифазна нульова». При сумісному управлінні перша група тиристорів працює випрямлячами,а друга інвертором. У схемах з сумісним управлінням в групах тиристорів і трансформатора можливі зрівняльні струми які минувши навантаження можуть досягати небезпечних для тиристора значень,для їх обмеження включений зрівняльний дросель між груп тиристорів. Для захисту тиристорів використовуємо «запобіжник» - захист від струму і «RC-ланцюг»- від перенапруження. Запобіжники повинні бути швидкодіючі, плавкі, володіючі струмообмежувальною дією. Струмогодинна захисна характеристика швидкодіючого запобіжника повинна бути узгоджена з перевантажувальною характеристикою тиристора, таким чином щоб час плавлення і відключення запобіжника були менші за той час в перебігу якого наступає руйнування тиристора. Захист за допомогою RC-ланцюжків застосовується як від внутрішніх так і від зовнішніх перенапружень . Також є захист в котушці збудження двигуна в якій може відбутися обрив поля. Для усунення обриву поля використовується датчик струму RS2, який відстежує струм що протікає по котушці збудження і відправляє сигнал через аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) на пристрій числового і програмного управління (ПЧПУ). Обмотка збудження підключена за схемою «однофазна мостова» зібраної на діодах. Послідовно з якорем включений згладжуючий дросель, який згладжує пульсацію випрямленої напруги і тим самим покращує роботу двигуна.
Схема регулювання виконана за принципом підлеглого регулювання. Система управління складається з регулятора швидкості, регулятора струму і система імпульсно-фазового управління (СІФУ). Регулятор швидкості виконується за допомогою операційного підсилювача і резистора включеного в ланцюг зворотнього зв'язку. Датчиком швидкості є тахогенератор (BR) вбудований в двигун . Сигнал на виході регулятора швидкості порівнюється з сигналом зворотнього зв'язку по струму і поступає на регулятор струму. Регулятор струму складається з операційного підсилювача з резистором і конденсатором увімкненим у ланцюг зворотного зв'язку. З силової частини за допомогою (RS) датчика струму подається сигнал на регулятор струму який.
СІФУ виконує 3 функції:
формує імпульс;
визначає кут відхилення тиристора (чим більше кут тим напруга, що випрямляється, менше; чим менше кут тим напруга, що випрямляється, більше);
подає даний імпульс на відповідний тиристор;
Виходи СІФУ залежать від вибраної схеми подачі імпульсів . Схема управління, що управляють, сумісна означає на виході СІФУ буде така кількість імпульсів які рівно загальній кількості тиристорів обох груп.
Даний двигун працює при запуску в режимі зниженої напруги,в діапазоні частот (167-33), для гальмування двигуна використовується режим динамічного гальмування і режим реверсу двигуна. Пуск двигуна здійснюється при зниженій напрузі 40(В), яке видає тиристорний перетворювач відповідно до виходу з СІФУ кута . Чим менше кут тим
більша напруга тиристорного перетворювача, двигун виходить на
природну характеристику. Для зупинки двигуна використовуємо режим динамічного гальмування, який здійснюється відключенням якірної обмотки від мережі і замиканням її на динамічний опір . Щоб здійснити реверс двигуна СІФУ перемикає групи тиристорів і по цьому міняється полярність напруги. Регулятор струму і регулятор швидкості забезпечують регулювання частоти обертання. Параметри регулятора струму і регулятора швидкості розраховані по «технічному оптимуму» перехідних процесів.
2. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА
Початкові данні:
розрахункова потужність ;
розрахункова частота обертання ;
схема тиристорного перетворювача (ТП): трифазна нульова ;
настроєння перехідного процесу ,’’ технічний оптимум’’: 4,3% ;
відношення моментів інерції механізму та двигуна: = 0,62 ;
коефіцієнт підсилення ТП: ;
постійна часу ТП: ;
2.1 Вибір двигуна і розрахунок його механічних характеристик
Двигун вибираю по умові:
По довіднику[6] вибираю двигун типу 2ПБ132МГУХЛ4: друга серія машин постійного струму; закритого виконання з природним охолоджуванням; із заввишки осі обертання 132мм.; з якорем великої довжини; з вбудованим тахогенератором для використання в помірному кліматі.
Номінальні параметри двигуна: потужність ;
частота обертання ;
напруга ;
КПД % ;
опір якірного ланцюга ;
опір обмотки збудження ;
індуктивність ;
момент інерції двигуна ;
Розрахунок механічних характеристик вибраного двигуна зводиться до розрахунку координат точок, оскільки графіки механічних характеристик двигуна з незалежним збудженням є прямою лінією, для їх побудови досить мати координати двох точок.
Вибираємо ці крапки для режиму холостого ходу і для режиму номінального навантаження.
Номінальна частота обертання
(1)
Струм збудження
(2)
Споживана потужність двигуна
(3)
Повний струм
(4)
Струм якоря
(5)
Машина постійна
(6)
Момент що обертає
(7)
Частота обертання холостого ходу
(8)
Пуск двигуна відбувається при зниженій напрузі.
Максимальний пусковий струм
(9)
Пускова знижена напруга
(10)
Частота обертання холостого ходу при зниженій напрузі
(11)
Режим динамічного гальмування відбувається відключенням обмотки якоря від ТП і замикання його на .
Момент динамічного гальмування
(12)
Режим динамічного гальмування закінчується. Режим противовключення здійснюється за рахунок зміни полярності і величини напруги якоря (змінюються групи тиристорів в тиристорному перетворювачі).
Максимальний момент
(13)
Графіки механічних характеристик показані на (рис. 3)
Природна характеристика А (0 Нм;180,6 ), Б(15,9 Нм;167,5 )
Пускова характеристика В(39,8 Нм;0 ),Г(0 Нм;32,9 )
Динамічне гальмування Ж(-39,8 Нм;167,5 ),З(0 Нм;0 )
Режим противовключення И(-39,8 Нм;147,7 )
2.2 Розрахунок, вибір і перевірка силового тиристора
Силовий тиристор вибирається по умові:
Для вибору тиристора необхідно розрахувати середній прямий Ivs і зворотне U тиристора.
Середній прямий струм
(14)
Зворотня напруга
(15)
Силовий тиристор вибираємо по довіднику[7] по умові:
Тип тиристору Т10-10
Максимально допустимий діючий середній струм у відкритому стані:
Максимально допустима постійна зворотна напруга:
Ударний струм у відкритому стані:
Динамічний опір у відкритому стані:
Для трифазної нульової схеми вибраний тиристор перевіряємо в режимі короткого замикання в силовому ланцюзі. Для цього розглянемо спрощену схему (рис.4). Напруга на вторинній обмотці трансформатора:
(16)
Струм вторинної обмотки трансформатора:
(17)
Потужність навантаження
(18)
Повна потужність силового трансформатора:
(19)
Застосовуємо потужність короткого замикання рівну 3% від повної потужності:
(20)
Напругу трансформатора приймаємо рівною 4% від напруги вторинної обмотки:
(21)
Повний опір короткого замикання трансформатора, приведений до вторинної обмотки:
(22)
Активний опір трансформатора приведена до вторинної обмотки:
(23)
Індуктивний опір короткого замикання приведений до обмотки:
(24)
Опір мережі, приведений до вторинної обмотки трансформатора:
(В)
(25)
Повний опір спрощеної схеми заміщення:
(26)
Струм короткого замикання спрощеної схеми:
(27)
Перевіряємо вибраний тиристор:
Вибраний тиристор підходить.
Для живлення обмотки збудження двигуна використовуємо однофазну мостову схему
Діод вибираємо для однофазної мостової схеми по умові
Для вибору діода необхідно розрахувати середній прямий Ivд і зворотне U діода.
Середній прямий струм
(28)
Зворотна напруга
(29)
Діод вибираємо по довіднику [8] по условию:
Тип діода КД209А
Вибраний діод підходить.
2.3 Розрахунок параметрів схеми управління
Розрахунок починаємо з внутрішнього контура струму.
Функціональна схема контура струму показана на (рис 5).
Для розрахунків всі ланки функціональної схеми представимо на (рис 6) за допомогою передавальних функцій (математично).
Торт- постійна часу регулятор струму визначається по формулі
Торт = Rот ∙ С (30)
Т1рт - постійна часу регулятора струму.
Т1рт = R3 ∙ C (31)
Кu - коефіцієнт посилення тиристорного перетворювача.
Тu- постійна часу тиристорного перетворювача.
Rе- еквівалентний опір якірного ланцюга
(32)
Те - електромагнітна постійна часу двигуна.
Передавальна функція розімкненого контура струму рівна твору передавальних функцій реальної схеми.
Щоб піти від постійної Торт необхідно підібрати параметри регулятора струму ,таким чином ,щоб ,Торт = Те
Передавальна функція замкнутого контура струму
Якість перехідного процесу вказаний в заданий «технічний оптимум». У технічному оптимумі перерегулювання рівна =4,3% від номінала. Настройка замкнутого контура струму на технічний оптимум виконується при наступному співвідношенню коефіцієнтів.
Для реалізації системи управління вибираємо (уніфіковану блокову систему регулювання) з уніфікованим сигналом.
Приймаємо сигнал зворотнього зв'язку по струму
Коефіцієнт зворотнього зв’язку по струму :
(32)
Постійна часу регулятора струму
(33)
Задаємося значенням місткості (від 3 до 10 мФ)
(34)
Електромагнітна постійна часу
Торт = Те
(35)
(36)
(37)
Розглянемо контур швидкості.
Функціональна схема контура швидкості показана на (рис. 7). Для розрахунків всі ланки функціональної схеми представимо на (рис .8) за допомогою передавальних функцій (математично). Приймаємо сигнал зворотнього зв'язку за швидкістю Uос=8В
Коефіцієнт зворотнього зв'язку за швидкістю:
(38)
∆w перепад частот обертання двигуна при зміні навантаження від холостого ходу до номінального
(39)
Електромеханічна постійна часу двигуна
(40)
Коефіцієнт регулювання швидкості:
(41)
Відповідно до схеми регулятора швидкості Rос=200 кОм
(42)
(43)
Вузол обмеження струму виконується на регуляторі швидкості за допомогою стабілітронів. Призначення стабілітронів обмеження струму двигуна.
Значення обмежуваного струму
(44)
де - перерегулювання «технічного оптимуму» =4,3%
Напруга стабілізації
(45)
Вибираємо стабілітрон по каталогу [8].
По умові UVD
≤UСТ
Тип КС482А UСТ
=9,2 В
2.4 Аналіз схеми електроприводу на стійкість
Проводився за допомогою логарифмічних частотних характеристик. Передавальна функція електроприводу - це передавальна функція замкнутого контура швидкості. Необхідно побудувати графіки логарифмічної амплітудної частотної характеристики (ЛАЧХ) і логарифмічною фазою частотної характеристики (ЛФЧХ). Вісь w починається з 1, оскільки в діапазоні від 0 до 1 ЛАЧХ не міняє кут нахилу залишається паралельно осі ω. Спрощена передавальна функція електроприводу
де
ЛАЧХ при ω=1 L(1)=20lgk ,де К- числітель нашої передаточної функції
(46)
Сполучаюча частота
(47)
З крапки на осі L проводимо пряму під кутом -20 дБ/дк (перша ділянка ЛАЧХ) до перетину з вертикаллю в точці сопр. Друга ділянка ЛАЧХ має кут нахилу -40 дБ/дк. ЛФЧХ має наступний вигляд
(48)
Задаючись значенням w розраховуємо значення результати заносимо в таблицю.
Таблиця. Дані для побудови ЛФЧХ
| W, c-1
|
1 |
10 |
45 |
250 |
1000 |
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Графіки ЛАЧХ і ЛФЧХ показані (рис.9). По графіках ЛАЧХ і ЛФЧХ визначається стійкість системи електроприводу. Стійкість при амплітуді визначається при такій частоті коли ЛФЧХ перетинає або співпадає з віссю . Запас стійкості по амплітуді визначається відрізком (ординатою) між віссю частот і L(w) на частоті, коли пересікає ось , . Система стійка якщо негативна. Запас стійкості по фазі визначається по частоті зрізу. Якщо відрізок розташовується над віссю система по фазі стійка.
(49)
Система стійка.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1 Программное управление станками и промышленными роботами: учеб. Для ПТУ/Б.Л.Касовский, Ю.Т.Козарев, А.Л.Ковшов и др. – 2 из., стер. – М.: Выс. шк., 1989.-272с.
2 Власов С.Н.; Годович Г.М.; Черпаков Б.И.. Устройство, наладка и обслуживание металлообрабатывающих станков и автоиатических линий: Учебник для техникумов. – изд. перераб. и доп. – М.: М ашиностроение, 1995.- 494с.
3 Локтева С.Е. Станки с программным управлением и промышленные роботы: Учебник для машиностроительных техникумов. – изд. перераб. доп. – М.: Машиностроение, 1986-320с.
4 Бровінській «електроустаткування металоріжучих верстатів»;
5 Довідник по автоматізірованому електроприводу /під. ред. В.А.Елісєєва і В.А.Шенянського.-М.: енергоатом. видавництво 1983.
6 Справочник по электронным машинам :В.2т./под общ. Ред. И.П.Копылова и Б.К.Клокова Т.1.-М.: Энергоатом. изд. 1988.-456с.
7 Замятин В.Я. и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры :Справочник / В.Я.Замятин ,Б.В.Кондратьев, В.М.Петухов. - М.: Радио и связь,1988.-576с.
8 Справочник в помощь радио любителю.- М.: Патриот. вып.110.-61с.