ЗМІСТ

Список скорочень…………………………………………………………………..4

Вступ………………………………………………………………………………...5

Початкові дані………………………………………………………………………6

Основні вимоги до приводів подачі металорізальних верстатів………………...7

Вибір двигуна та комплектного електроприводу………………………………...9

Визначення частоти обертання двигуна……………………………………9

Визначення моментів двигуна……………………………………………..10

Попередній вибір двигуна………………………………………………….11

Перевірка динамічних властивостей обраного двигуна…………………12

Вибір комплектного електроприводу……………………………………..13

Розрахунок тиристорного перетворювача……………………………………….14

Обмеження зрівняльних струмів…………………………………………………16

Обмеження струму при однофазному перекиданні……………………………..16

Вибір тиристорів……………………………………………………………16

Обмеження струму через тиристори при короткому замиканні на стороні постійного струму…………………………………………………………………17

Обмеження зони переривчастих струмів………………………………………...18

Згладжування пульсацій випрямленого струму…………………………………20

Розрахунок параметрів об’єкта регулювання для аналізу динамічних властивостей системи……………………………………………………………..21

Розрахунок параметрів регулятора і елементів контуру у системі підпорядкованого регулювання…………………………………………………..22

Налагодження регулятора струму…………………………………………23

Розрахунок параметрів регулятора струму……………………………….24

Розрахунок параметрів регулятора струму швидкості………………………….26

Регулювання зовнішнього контуру швидкості…………………………...26

Налагодження П-регулятора швидкості…………………………………..27

Налагодження ПІ-регулятора швидкості………………………………………...28

Розрахунок параметрів регулятора швидкості…………………………………..29

Побудова статичних характеристик……………………………………………...30

Дослідження перехідних процесів……………………………………………….32

Висновки…………………………………………………………………………...37

Перелік посилань………………………………………………………………….38

Список скорочень

ВЗС – вузол залежного струмообмеження;

ЕП – електропривод подач;

ЕРС – електрорушійна сила;

ККД – коефіцієнт корисної дії;

НЛ – нелінійний ланцюг;

ПЕОМ – персональна електронно-обчислювальна машина;

ПЧПУ – пристрій числового програмного управління;

СІФУ – система імпульсно-фазового управління;

СУЕП – система управлення електроприводом;

ФПЕ – функціональний перетворювач ЕРС;

ЧПУ – числове програмне управління;

ДС – датчик струму;

ДПВ – датчик проводимості.

1. Вступ

Курсовий проект по системам управління електроприводами (СКЕП) виконується з метою надбання навичок проектування електроприводів технологічних установок і вміння застосовувати на практиці отримані теоретичні знання. Завданням передбачається проектування систем управління електроприводами подач металорізних верстатів з метою забезпечення необхідних технологічних показників.

При виконанні проекту студенти на підставі аналізу вимог до статичних і динамічних характеристик електропривода подач (ЕП) сучасних металорізних верстатів обґрунтовують вибір структури СУЕП, і по заданих технологічних параметрах приводу подач самостійно вирішують питання вибору комплектного електропривода, розрахунку основних параметрів СУЕП, у точу числі регуляторів, настроювання яких має бути виконане з метою одержання необхідних показників якості. Показники якості визначаються по статичних і динамічних характеристиках, спроектованої СУЕП. Динамічні характеристики одержують шляхом дослідження математичної моделі СУЕП на персональній електронно-обчислювальній машині (ПЕОМ).

2. Початкові дані

Таблиця 1 – початкові дані (варіант 14)

Комплектний електропривод	ЕТУ 3601
Тип двигуна	ПБСТ
Еквівалентний момент на волу двигуна, визначений по діаграмі навантаження, Н*м	Ме = 3.6
Швидкість швидкого переміщення робочого органу механізму подачі, м/хв	Vшв.п. = 9.6
Швидкість мінімальної робочої подачі, мм/хв	Vр.п.мін = 9.6
Крок ходового гвинта, мм/об	h = 4.8
Маса вузла верстата, що лінійно переміщується, кг	mвуз. = 90
Середній діаметр ходового гвинта, мм	D = 20
Довжина гвинта, м	L = 1.8
Стала часу датчика струму, мс	Tд.с. = 0.66
Стала часу датчика швидкості, мс	Tд.шв. = 0.66

3. Основні вимоги до приводів подачі металорізальних верстатів

У електроприводах подач двигун здійснює переміщення інструмента або заготовки для забезпечення процесу різання. Подача на верстатах здійснюється різноманітними засобами, але найбільше поширення одержав привод із високомоментним двигуном постійного струму зі збудженням від постійних магнітів. Такий двигун встановлюється безпосередньо на ходовий гвинт, що істотно скорочує механічну частину приводу, зменшує його момент інерції і підвищує коефіцієнт корисної дії (ККД). У зв’язку з цим знижується навантаження на двигун при холостих ходах і зростає складова від сили різання в загальному навантаженні приводів подач.

Зростання складової від сил різання в загальному навантаженні на привод подачі збільшує коливання навантаження при різанні, що посилює вимоги до статичної (S<20%) і динамічної жорсткості приводу подач. Через незадовільні динамічні властивості регульованого електропривода, особливо при збурюванні по навантаженню, з'являється шорсткість поверхні, тому дуже важливо забезпечити високу швидкодію приводу при скиданні навантаження 0,5 щодо рівня 0,5 не повинно перевищувати 100% при n=0,001 і час відновлення 100 мс. Час реверсу під навантаженням не більше 0,5 с. Час пуску і гальмування подач верстатів із числовим програмним керуванням з приведеним моментом інерції механізму, рівним моменту інерції двигуна, не повинен перевищувати 0,1 с.

Час перехідних процесів можна значно знизити при пуску з підвищенням напруги на якорі і забезпеченням максимально припустимого струму для поточного значення частоти обертання у всьому діапазоні її зміни. Тому перетворювачі повинні мати великий запас по напрузі стосовно номінальної напруги двигуна, а також систему залежного струмообмеження, що забезпечує автоматичну зміну розміру уставки струму, зменшуючи її у міру збільшення частоти обертання двигуна. Це пов’язано з характеристиками високомоментних двигунів, що припускають великі кратності струму (6-8) тільки при малих частотах обертання і в міру зростання швидкості потребують зниження перенавантаження через умови комутації. Характер перехідного процесу по керуючому впливу впливає на ідентичність параметрів при обробці партії деталей. При аперіодичному перехідному процесі і переміщенні в один бік не відбувається розкриття люфтів у механічних вузлах, а також відсутній вплив гістерезиса, що призводить до суттєвого підвищення стабільності і точності обробки.

Забезпечення необхідних статичних і динамічних характеристик приводу подач, забезпечення оптимального закону обмеження струму, щонайкраще реалізується в двоконтурній системі підпорядкованого регулювання параметрів із П- або ПІ-регуляторами струму і швидкості. Для підвищення продуктивності верстатів переміщення виконавчих органів у зону обробки здійснюється на швидких ходах тими ж електроприводами подачі, що короткочасно працюють на частотах обертання вище номінальних, за рахунок подачі на якір двигуна напруги, вище номінальної. Збільшення швидкості швидких переміщень до 10м/хв і зниження швидкості установочних переміщень для верстатів із ЧПУ потребує значного діапазону регулювання (до 1000 : 1).

Вибір двигуна

Визначення частоти обертання двигуна

Частота обертання двигуна визначається по швидкості переміщення робочих органів верстата і передатного відношення механічної передачі; для передачі гвинт гайка:

Де v­­­­­ ­­– лінійна швидкість переміщення робочого органа; i - передатнє число редуктора, у випадку установки двигуна на ходовий гвинт i =1.

Обчислимо максимальну робочу частоту обертання, при цьому у якості лінійної швидкості переміщення робочого органа використаємо швидкість швидкого переміщення:

V= =9,6м/хв=9600мм/хв, і отримаємо:

Максимальна частота обертання двигуна

де – швидкість швидкого робочого ходу механізму подачі ;

– передаточне число редуктора; – крок ходового гвинта, ;

Мінімальна частота обертання двигуна

де – швидкість мінімальної робочої подачі ;

– передаточне число редуктора; – крок ходового гвинта, ;

Момент інерції вузла, що поступально переміщується, приведений до валу двигуна ,

де маса вузлів верстата, кг;

маса деталі, кг; – крок ходового гвинта, ;

– передаточне число редуктора;

Момент інерції ходового гвинта, приведений до валу двигуна ,

де D – діаметр гвинта, м; довжина гвинта, м; також тут ураховано важкість сталі, яка дорівнює

Зубцюватої передачі

Сумарний момент інерції механізму:

Визначення моментів двигуна

Момент на двигуні від сили різання для передачі гвинт-гайка з редуктором:

– складова сили різання по вісі координат, приймемо, що

=7000 Н; η.1– ККД коробки подач; η.2– ККД гвинтової пари;

Момент від сили тертя у направляючих:

Де g=9.81 м/с² – прискорення вільного падіння; – коефіцієнт тертя у направляючих; приймемо, що = 0,03

Статичний момент:

Статичний момент з урахуванням тривалості включення ( приймемо, що тривалість включення складає 80%):

Попередній вибір двигуна

З початкових та розрахункових даних вибираємо двигун ПБСТ–33МУ; він задовольняє необхідним вимогам: номінальний момент має бути не менш ніж у діопазоні робочих швидкостей і не менш ніж при швидкому преміщенні. Технічні характеристики двигуна зведено у таблицю 3.

Таблиця 3. Технічні характеристики двигуна ПБСТ-33-МУ

Номінальний момент, Нм
Номінальна частота обертання, об/хв
Номінальна напруга, В
Номінальний струм, А
Тривалий момент у загальмованому стані, Нм
Максимальний момент при пуску, Нм
Момент при максимальній частоті обертання, Нм
Максимальний момент при максимальній частоті обертання, Нм
Максимальна частота обертання в тривалому режимі , об/хв
Момент інерції якоря, кг м2
Опір обмотки якоря при 150С, Ом
Індуктивність обмотки якоря, мГн
Електромеханічна постійна часу, мс
Електромагнітна постійна часу, мс
Постійна ЕРС, В/(об/хв)
Теплова постійна

До комплекту кожного двигуна постійного струму серії П входить тахогенератор типу ТС–1М, основні технічні дані якого зведені у таблиці 4.

Таблиця 4. Основні технічні дані тахогенератора типу ТС–1М.

Перевірка динамічних властивостей обраного двигуна

Визначимо сумарний момент інерції приводу:

Де J'.дв– момент інерції якоря обраного двигуна.

Максимальним динамічний момент двигуна буде при пуску, тому

Визначимо прискорення приводу ε при розгоні до максимальної частоти обертання :

Час розгону до (160мм/сек), тобто час перехідного процесу:

Шлях розгону(гальмування):

Обраний двигун задовольняє необхідним вимогам:

• Номінальний момент обраного двигуна має бути більшим, ніж статичний момент з урахуванням тривалості включення ;

• Час перехідного процесу має бути більшим, ніж ;

Вибiр комплектного електроприводу

В даний час при проектуваннi електроустаткування металорiзних верстатів одним із найбільш раціональних способів є використання комплектних електроприводів, що задовольняють заданим технологічним вимогам. Для приводів подач випускаються комплектні електроприводи ЭТУ-3601, ЭТ6, ЭПУ1 і ряд інших.

Комплектні електроприводи подач комплектуються високомоментними двигунами серій ДК-1, ПБВ, 2ПБВ. Для приводів подач також можна використовувати двигуни для широко регульованих приподів серiї ПБСТ. Вибiр комплектного електропривода для приводу подач верстата відбувається по:

• – номінальному струму електропривода(ЕТУ-3601) або по номінальній потужності використованого двигуна(ЕТ6);

• – номінальній напрузі електропривода; > – максимальна напруга на двигуні, що необхідна для забезпечення при швидкому переміщенні робочого органу. Для двигунів зі збудженням від постійних магнітів визначається зі співвідношення

Визначимо (В):

Номінальний струм електроприводу обирається по номінальному струму двигуна з урахуванням перевантаження >=2* ;

Для обраного двигуна тому мінімальне значення обчислюємо з виразу:

Діопазон регулювання обертів:

Оберемо комплектний електропривод ЕТУ-3601.

Розрахунок тиристорного перетворювача

До розрахункових параметрів тиристорного перетворювача відносяться:

• – еквівалентний внутрішній опір ТП;

• – еквівалентна індуктивність ТП;

• – ЕРС ТП при цілком відкритих тиристорах

Фазна ЕРС первинної обмотки трансформатора , В,

Коефіцієнт трансформації:

Для ЕТУ-3601 потужність трансформатора визначається по потужності у ланцюзі випрямленого струму у відповідності зі схемою включення тиристорів при номінальному навантаженні електродвигуна:

де k=1.04.

Розрахуємо номінальні струми первинної та вторинної обмоток трансформатора (при <6 кВа приймаємо =6 кВа):

У зв‘язку з тим, що параметри U.кз та P.кз відсутні для даного трансформатора, то приймаємо ці параметри для трансформатора приблизної потужності:

Тоді:

Визначимо активний опір трансформатора. Для мостової трифазної схеми

Розрахуємо напругу на первинній обмотці трансформатора:

Звідки:

Тоді:

Визначаємо індуктивний опір фази трансформатора:

Індуктивний опір мережі живлення:

Еквівалентний внутрішній опір тиристорного перетворювача:

Номінальний струм тиристорного перетворювача:

Приймаємо падіння напруги на тиристорах =1.2 В.

Уточнюємо:

Еквівалентна індуктивність тиристорного перетворювача:

Де – частота мережі (

Обмеження зрівняльних струмів

Зрівняльні реактори застосовуються для обмеження зрівняльних струмів при спільному куруванні вентильними групами. У комплектному ЕТУ-3601 реалізується роздільне керування. При роздільному керуванні індуктивність струмообмежувальних реакторів дорівнює нулю, =0.

Обмеження струму при однофазному перекиданні

При однофазному перекиданні інвертора у мостовій схемі якір двигуна замикається через вентилі. Так як у схемі використано електропривод з роздільним управлінням, то нема потреби у обмеженні аварійного струму. Таким чином, значення =0 Гн.

Вибір тиристорів

Визначаємо значення максимальної зворотної напруги, що прикладається до одного вентиля:

Визначаємо середнє значення струму вентиля:

Для перетворювача вибіраємо низькочастотні тиристори серії Т-122-20-2.

Таблиця 5. Технічні дані тиристора Т-122-20-2.

Номінальний прямий струм	Iос.пр. =20А
Максимальна зворотна напруга	Uзв.макс. =200 В
Струм, що ударно не повторюється у відкритому стані	Iос.уд=300 А

Постійна двигуна:

Де β_T = 1.24 – температурний коефіцієнт; R_я=0.222 Ом – опір якоря двигуна;

Обмеження струму через тиристори при короткому замиканні на стороні постійного струму

При короткому замиканні на стороні постійного струму реактор, що струмообмежує, повинен обмежити швидкість наростання аварійного струму, щоб він не перевищив небезпечного для тиристорів значення протягом власного часу спрацьовування захисних пристроїв. Обмеження струму через вентилі може бути отримане за рахунок індуктивності розсіювання обмоток трансформатора та індуктивності у ланцюзі постійного струму.

Необхідна величина спільної індуктивності для мостової схеми:

Де ω_с = 2* π* f.c, I_поч – початковий струм у момент к.з., I_поч=I_в=16.47 при максимальній напрузі ЕП, I_доп– максимально допустимий протягом півперіоду струм вентиля (I_доп = I_ос.уд.=300), U_2ф=E_2ф.

У зв’язку з тим, що ми використовуємо мостову схему, додатковий реактор не використовується і тому його не розраховуємо.

Обмеження зони переривчастих струмів

Переривчастий струм можливий при роздільному керуванні вентильними групами. Для одержання зони гранично-безперервного режиму при заданому значенні кута регулювання коло випрямленого струму повинно мати індуктивність:

Де

P=2*m– число пульсацій за період.

Величина гранично-безперервного струму I_н.ГР для забезпечення необхідних динамічних характеристик приводу повинна бути не більше величини струму двигуна при мінімальному моменті опору на валу.

При установці високомоментного двигуна на ходовому валу:

Приймаємо I_n/ГР=3.6 А.

Для широко регульованого приводу визначаємо максимальне K_гр при

(K_гр пропорційно sin α).

Кут регулювання α.max визначимо для E_п, відповідно ω_msn електропривода подачі з рівняння:

Де:

R_э – еквівалентний опір якірного ланцюга ЕП,

R_дп – опір додаткових полюсів (дорівнює нулю);

R_я – опір якоря двигуна;

β_{T –} температурний коефіцієнт.

Розрахуємо ω_мін:

Розрахуємо α_max:

Приймемо і тоді:

У зв’язку з тим, що ми використовуємо мостову схему, додатковий реактор не використовується і тому його не розраховуємо.

Сгладжування пульсацій випрямленого струму

Пульсації випрямленої напруги призводять до пульсацій випрямленого струму, які погіршують комутацію двигуна і збільшують його нагрів. У симетричних мостових схемах найбільшу амплітуду мають основні гармоніки(k=1).

Амплітуди гармонік більш високої кратності (k=2,3) значно менші, а дія реакторів на них більш ефективніша, тому розрахунки індуктивності дроселя для цих схем ведуться тільки по основній гармоніці, тобто при k=1.

Визначимо максимально можливу величину амплітудного значення гармонічних складових випрямленої напруги E_тп при α=80⁰_.

Де k=1 – основна гармоніка, p=12 – кількість пульсацій за період.

При відомій амплітуді основної гармоніки E_тп і допустимому діючому значенню основної гармоніки струму P₍₁₎=10% необхідна величина індуктивності кола випрямленого струму може бути визначена за формулою:

Еквівалентна індуктивність якірного кола двигуна:

Розрахунок параметрів об’єкта регулювання для аналізу динамічних властивостей системи

Еквівалентний опір якірного кола двигуна:

Електромагнітна постійна часу якірного кола двигуна:

Електромеханічна постійна часу якірного кола двигуна:

Визначимо коефіцієнт передачі тиристорного перетворювача. Вибіраємо СІФУ з арккосинусною характеристикою α=arccos(U_y). Статична характеристика такого ТП лінійна, тобто:

Де U_у.max=10В – напруга управління на вході ТП, що відповідає максимальної ЕРС на виході E_оп.

Для практичних розрахунків передаточну функцію ТП можна представити у вигляді інерційної ланки:

Де T_п – постійна часу ТП,