Лекция №6. Частотно-регулируемый электропривод в металлорежущих станках

Цель лекции: изучить вопросы применения ЧРП в металлорежущих станках.

Современный этап развития металлообрабатывающих станков характеризуется началом внедрения электроприводов переменного тока в механизмы главного движения и подачи. Опыт их эксплуатации позволяет по-новому рассмотреть рациональную компоновку, технологию обработки на станках, и, соответственно, выявить дополнительные преимущества.

Приводы переменного тока, хотя в принципе и остались более сложными, но во многих случаях они не только конкурентоспособны, но и более предпочтительны в сравнении с системами постоянного тока. Это связано с тем, что по техническим характеристикам приводы переменного тока не только не уступают, но даже превосходят приводы постоянного тока.

Среди АСУТП металлообработкой наибольшее распространение получили системы стабилизации режимов резания. Схемы отличаются друг от друга составом контролируемых параметров, а также принципами построения автоматических регуляторов технологических процессов. Ниже рассматривается одна из типовых систем.

Система стабилизации мощности резания дает возможность повысить производительность станка, улучшить использование главного привода и режущего инструмента. Применение систем стабилизации мощности резания необходимо при точении (стабилизация мощности резания при торцовой обработке), шлифовании (стабилизация мощности резания при износе круга, изменении диаметра обработки в станках с круглым столом), фрезеровании (стабилизация мощности резания при изменении глубины обработки).

Стабилизация мощности резания может осуществляться двумя путями: за счет управления скоростью электропривода главного движения и за счет управления скоростью привода подачи. В принципе возможен вариант одновременного управления обоими электроприводами.

Непосредственное измерение мощности резания невозможно, поэтому для ее оценки измеряют мощность, потребляемую электроприводом главного движения, с учетом потерь мощности в двигателе и передачах станка. Применение для главного привода станков асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором требует получения сигнала управления, пропорционального активной мощности, потребляемой из сети этими двигателями. Датчики, вырабатывающие эти сигналы, строятся на принципах векторного суммирования напряжений с применением нелинейных функциональных элементов и методов время-импульсной, амплитудной, а также широтно-импульсной модуляции.

Рисунок 6.1

Управление мощностью Р_р и усилием F_р резания осуществляется с помощью электроприводов шпинделя и подач (ЭПШ и ЭПП) (см.рисунок 6.1) при изменении глубины резания h и свойств материала (твердости материала НВ). Стабилизируя мощность резания, следует иметь в виду, что Р_р =F_pv_p. Если осуществляется стабилизация скорости v_p, то выполнить условие Р_р = const можно соблюдением условия F_p = const. Таким образом, стабилизируя переменные v_p и F_p при изменении переменных h и НВ, можно считать, что стабилизируем и сам процесс резания (ПР).

Автоматическая стабилизация мощности (усилия) резания возможна, если применить нелинейную обратную связь, действие которой начинается после превышения мощностью некоторого значения Р_ро, соответствующего рабочему режиму резания. При условии Р_р > Р_ро на выходе нелинейного элемента НЭ и регулятора мощности РМ появляется сигнал коррекции S_к, уменьшающий подачу S так, чтобы Р_р= const. Регулятор мощности обеспечивает требуемую динамику процесса стабилизации.

В процессе фрезерования может изменяться глубина и ширина обработки, твердость обрабатываемого металла, происходит износ режущего инструмента. В результате изменяется мощность, затрачиваемая на обработку, и происходит занижение параметров фрезерования, что приводит к снижению производительности и повышению себестоимости металлообработки. В рассматриваемой системе с технологической обратной связью по мощности, воздействуя на привод подачи, стабилизируют мощность при изменяющихся условиях процесса фрезерования [1]. На рисунке 6.2 представлена структурная схема стабилизации мощности фрезерования, в которой может быть применен электропривод подачи по схеме преобразователь частоты – асинхронный двигатель с векторным управлением.

W_эп(р) – передаточная функция электропривода (ПЧ-АД); W_р(р) – передаточная функция процесса обработки; W_дм(р) – передаточная функция датчика мощности; W_к(р) – передаточная функция корректирующего звена; W_H (p)- нелинейное звено; К_пм – коэффициент передачи редуктора; V-скорость резания; t_p- глубина фрезерования; В – ширина фрезерования.

Рисунок 6.2

Если рассматривать процесс как безынерционный и стационарный, то он может быть описан эмпирической зависимостью выходной координаты – усилия резания F_z от входных координат – глубины фрезерования t_р, подачи на один зуб фрезы S_z, ширины фрезерования В и скорости резания V:

,

где С_Fz, X_Fz, Y_Fz – по справочнику [3];

D_ф – диаметр фрезы, мм;

В – ширина фрезерования;

Z_ф – число зубьев.

Мощность резания

.

Скорость резания при фрезеровании

.

Схема модели процесса резания представлена на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3

Передаточная функция процесса фрезерования при условии равномерности может быть представлена следующим образом

,

К_р – рассчитывается для заданного типа фрезы и обрабатываемого материала .

Т_р – для заданной частоты вращения шпинделя выбирается по справочнику.

C_р^', С_р^' ', - коэффициенты;

n, i, X_p, Y_p, q - показатели степени для заданного процесса металлообработки.

Датчик мощности

.

Узел технологической обратной связи

при

при ,

где U_к, U_ср - напряжения коррекции и сравнения.

Устройство упреждающей коррекции

,

К_пм - коэффициент передачи механизма подачи;

К_дм – коэффициент усиления датчика мощности.

Вопросы:

1) Какие преимущества дает применение системы стабилизации мощности в металлообработке?

2) Каким образом осуществляется управление мощностью и усилием резания?

Лекция № 7. ЧРП транспортирующих механизмов

Цель лекции: изучить вопросы применения ЧРП в транспортирующих механизмах.

Конвейеры широко применяются в различных отраслях промышленности для перемещения сыпучих и штучных грузов.

Для перевозки людей используют разновидность конвейера – эскалатор. Канатная дорога является разновидностью подвесного конвейера.

Режим работы приводных двигателей конвейеров – продолжительный с редкими пусками и остановками при диапазоне регулирования скорости, не превышающим 1:2,1:3.

К электроприводам механизмов транспортных средств с непрерывным режимом работы предъявляются требования по обеспечению плавности пуска и торможения с надежным ограничением ускорения и рывка, а также максимального момента двигателя и его производной. Для канатных и ленточных конвейеров большой протяженности это требование обусловлено наличием больших масс поступательно движущихся элементов, приведенный момент инерции которых может в 10…20 раз превышать момент двигателей, и значительной податливостью тянущих канатов и транспортной ленты.

Большие маховые массы установки увеличивают возможность пробуксовывания приводных барабанов и шкивов относительно лент и канатов при пуске. Резкое приложение момента при наличии упругих механических связей вызывает механические колебания при пуске, в результате чего в ленте или канате возникают дополнительные динамические усилия. Требование плавности пуска и замедления остается в силе и для установок с коротким тяговым элементом. В одних случаях ограничение ускорения и рывка до требуемых норм диктуется условиями транспортирования людей (эскалаторы, канатные дороги), в других – условием надежного сцепления транспортируемых изделий с лентой (ленточные конвейеры) или уменьшением раскачивания люлек и кабин (подвесные конвейеры).

При конвейерах большой длины с многодвигательным электроприводом ставится задача автоматического регулирования отдельных двигателей с целью перераспределения нагрузки между ними и обеспечения равномерности натяжения ленты по ее длине. Это относится как к работе с установившейся скоростью движения ленты, так и к процессу пуска конвейера. При параллельном включении двигателей, имеющих равные скорости идеального холостого хода и связанных общим механическим валом, нагрузка между ними распределяется пропорционально модулю жесткости их механических характеристик [3]. Для двухдвигательного привода моменты первого и второго двигателей:

,

где и - модули жесткости механических характеристик первого и второго двигателей;

М_ст – результирующий момент сопротивления приводной станции.

Если каждый из двух двигателей выбран на номинальный момент М_ном=0,5М_ст, двигатель с большим значением оказывается перегруженным. При длительном режиме работы даже небольшая перегрузка может вывести из строя двигатель, поэтому важно обеспечить условие. Для выполнения этого условия применяют строго идентичные по исполнению, мощности и скорости двигатели. Если жесткости их характеристик все же различаются, то, например, у асинхронных двигателей с фазным ротором более жесткая характеристика смягчается введением в роторную цепь дополнительного сопротивления.

Рассмотрим работу конвейера, имеющего три электродвигателя. На рисунке 7.1 представлена диаграмма тяговых усилий ленточного конвейера с электродвигателями М1, М2, М3 и натяжным устройством Б.

При одинаковой загрузке ветвей конвейера все двигатели (если их характеристики одинаковы) имеют равные скорости и нагрузку. Увеличение нагрузки на ветвь I приведет к тому, что в первую очередь снизится скорость

Рисунок 7.1

двигателя М1, а скорость двигателей М2 и М3 останется постоянной. Таким образом, двигатель М2 будет вращаться со скоростью, большей чем у двигателя М1, и создаст дополнительное натяжение в ветви II, а затем и в ветви I. Натяжение ветви II повлечет за собой некоторую разгрузку двигателя М1 и увеличение его скорости. Такие же процессы будут иметь место и в ветви II, так как двигатель М3 примет на себя часть нагрузки ветви II конвейера. Постепенно скорости и нагрузки двигателей выравниваются. Все перечисленные требования определяют выбор системы электропривода для данной группы механизмов.

Рассмотрим пример автоматизации конвейера на базе ЧРП [3]. Движение ленте конвейера или транспортера, как правило, передается от асинхронного двигателя через редуктор и приводной барабан. Момент на валу приводного двигателя конвейера:

M = FR / (i_pη_p),

где F - усилие на приводном барабане,

F = F_x.x+ F_г (F_x.x – усилие, затрачиваемое на перемещение ленты конвейера или транспортера);

F_г – усилие, необходимое на перемещение груза;

R – радиус приводного барабана;

i_р – передаточное отношение редуктора;

η_p - КПД редуктора.

Когда груз на ленте конвейера отсутствует, двигатель развивает момент холостого хода

М_х.х=F_х.хR/i_pη_р.х.х,

где η_р.х.х –КПД редуктора, соответствующий усилию F_{х.х .}

При постоянной номинальной скорости конвейера V_*=1

Q_*= F_г*,

поэтому потребляемую с вала двигателя мощность можно записать в виде

P_*=M_*ω_*=М_х.х + (1- М_х.х*)Q_*

где Р_*=P/P_ном=1; ω_*=ω/ω_н; ω=Vi_p/R;

Р_ном, ω_ном – номинальные соответственно мощность и угловая скорость на валу двигателя.

Из формулы следует, что по мере снижения производительности эффективность работы конвейера уменьшается, так как возрастает относительная доля мощности, расходуемой на преодоление момента холостого хода М_х.х.

Более экономичным является режим работы конвейера с переменной линейной скоростью, обеспечивающей ту же производительность, но при постоянстве составляющей усилия F_г*=1. В соответствии с формулой угловая скорость в этом случае должна изменяться по закону ω_*=V_*=Q_*.

Очевидно, что в этом случае мощность на валу двигателя будет меньше на величину

Р_*=M_х.х*(1-Q_*).

При этом эффект от регулирования линейной скорости конвейера тем выше, чем больше момент холостого хода и чем значительнее снижается его производительность.

Характерным примером является электропривод ленточных участковых и магистральных конвейеров угольных шахт и горно-обогатительных комбинатов, работающий с переменной нагрузкой, изменения которой достаточно трудно предсказуемы из-за случайного характера грузопотока. При этом время работы на холостом ходу может достигать 20…40% времени работы конвейера.

Для оценки возможного снижения энергопотребления при применении ЧРП ленточного конвейера, в сравнении с нерегулируемым электроприводом, было вычислено относительное потребление электрической энергии при транспортировании груза одинакового объема системами с нерегулируемым электроприводом и с частотно-регулируемым электроприводом, обеспечивающим плавное регулирование скорости ленты конвейера. Сравнение проводилось также с двухскоростным электроприводом с различным соотношением номинальных угловых скоростей, равным 1:2 и 1:3, обеспечивающим дискретное регулирование линейной скорости ленты конвейера.

При оценке принималось, что система автоматического управления частотно-регулируемым электроприводом обеспечивает поддержание постоянной погонной нагрузки конвейера. В этом случае электропривод конвейера работает с оптимальной энергоемкостью. Из анализа данных следует, что применение плавного регулирования линейной скорости ленты, с помощью ЧРП, позволяет снизить энергопотребление на 26…38% по сравнению с нерегулируемым электроприводом. Применение дискретного регулирования линейной скорости ленты конвейера с использованием двухскоростного электропривода с соотношением угловых скоростей 1:2 и 1:3 позволяет снизить потребление электроэнергии на 5…21% по сравнению с нерегулируемым приводом. Экономия энергии при применении регулируемого привода тем выше, чем ниже загрузка конвейера.

Таким образом, применение ЧРП конвейера, обеспечивающего плавное регулирование линейной скорости ленты, позволяет получить максимальную экономию электроэнергии транспортирования груза при переменном грузопотоке. Немаловажное значение имеет и возможность плавного пуска конвейера.

Вопросы:

1) В чем заключается необходимость плавного пуска конвейера?

2) Какие основные проблемы возникают в многодвигательном электроприводе конвейеров?