6) Нагрузочная диаграмма главного привода продольно-строгального станка

Главный привод продольно-строгального стан­ка обычно выполняется с помощью двигателя постоянного тока независимого возбуждения, управляемого преобразо­вателем, и предназначается для сообщения столу с обраба­тываемым изделием возвратно-поступательного перемеще­ния.

Предварительный расчет мощности двигателя произво­дят на основании технологических данных с учетом тре-

буемого диапазона и способа регулирования скорости, а также с введением коэффициента запаса на динамические режимы.

Цикл работы станка состоит из прямого хода, во время которого ведется обработка изделия, и обратного холо­стого хода. Скорость прямого хода обусловлена режимом резания, а обратный ход совершается со скоростью в 2— 3 раза больше скорости прямого хода. Режим работы при­вода сопровождается частыми реверсами с предельно допу­стимыми по условиям коммутации на коллекторе токами,

Рис. 9.24. Примерные диаграмма скорости и нагрузочная диаграмма главного электропривода продоль­но-строгального станка.

отвечающими наибольшему быстродействию привода. Примерная, заданная технологическим режимом, тахограмма привода (диаг­рамма скорости электро­привода) ω (f) (рис. 9.24) состоит из следующих уча­стков. На начальном ин­тервале прямого хода дви­гатель разгоняется до не­большой угловой скорости со_вх, при которой режущи и инструмент врезается в об­рабатываемое изделие, а затем происходит разгон

привода при полной нагрузке до установившейся угло­вой скорости прямого хода ω_пр. Перед окончанием пря­мого хода совершаются замедление под нагрузкой и выход резца из изделия при ω_вых ≈ ω_вх, после чего происходит реверсирование привода с малой угловой скорости прямого хода до угловой скорости обратного хода – ω_oбр. Обратный ход стола осуществляется вхолостую, перед его окончанием привод замедляется до небольшой угловой скорости - ω_вх, затем реверсируется от - ω_вх до ω_вх. В последующем цикл повторяется.

В переходных режимах двигатель кратковременно на­гружается максимально допустимым током I_п = I_т = I_рев ≈

≈ 2 - 2,5 I_ном. В соответствии с рассмотренным режимом на рис. 9.24 построена ориентировочная нагрузочная диа­грамма привода i = f (t) для одного цикла, на основании которой в последующем производится проверка по нагреву предварительно выбранного двигателя.

В данном случае нет необходимости в проверке на допу-

стимую кратковременную перегрузку, ибо она была пред­варительно регламентирована предельным током (по усло­виям коммутации), который может поддерживаться в пере­ходных режимах соответствующей системой автоматиче­ского управления.

Рассмотренный режим работы электропривода можно от­нести либо к перемежающемуся режиму работы с частыми реверсами типа S7, либо режиму работы с двумя или более угловыми скоростями типа S8, так как в данном случае нагрузочная диаграмма содержит признаки обоих режимов, но все же она ближе к S8.

в) Нагрузочная диаграмма маховикового

электропривода механизмов с резкопеременной нагрузкой

Существует значительное число механизмов, рабочий режим которых характеризуется резкопеременной нагрузкой. К ним относятся некоторые прокатные станы, прессы, поршневые насосы и компрессоры и т. п.

Рис. 9.25. Двухступенчатый гра­фик М_с = f (/), диаграмма .скоро­сти ω = f (t) электропривода и его нагрузочная диаграмма при цик­лическом ударном изменении ста-тического момента,

Простейший двухсту­пенчатый график (нагру­зочная диаграмма механиз­ма) М_с = f (t) при цикли­ческом ударном изменении статического момента при­веден на рис. 9.25. На­грузочная диаграмма элек­тропривода будет отлича­ться от нагрузочной диаг­раммы механизма в этом случае вследствие влия­ния инерционных масс привода. Чтобы увеличил­ся момент двигателя при приложении нагрузки, должна уменьшиться его угловая скорость, но ее мгновенному из­менению препятствуют инерционные массы, поэтому момент двигателя будет отставать от момента нагрузки. Для оценки влияния параметров электропривода на степень отклоне­ния зависимости М (t) от M_c (t) рассмотрим работу элект­ропривода с линейной механической характеристикой, при этом не будем учитывать влияние электромагнитных пере­ходных процессов. Для установившегося цикла работы

можно записать (обозначения даны на рис. 9.25 ):

(9.79)

(9.80)

Совместное решение ( 9.79 ) и ( 9.80 ) даёт :

(9.81)

(9.82)

Анализ (9.81) и (9.82) показывает, что М_нач1 = M_min и М_нач2 = М_тах зависят от электромеханической постоянной времени привода T_м, с ростом которой растет M_min и умень­шается М_тах. На рис. 9.25 штриховой линией показана кривая зависимости момента двигателя от времени при уве­личенном Т_м. С возрастанием Т_м осуществляется выравни­вание нагрузки двигателя, достигаемое увеличением мо­мента инерции привода, реализуемым, в частности, за счет использования маховика. В этом случае привод принято называть маховиковым.

Возрастающая скачком нагрузка частично преодоле­вается за счет освобождающейся из-за снижения угловой скорости кинетической энергии (на рис. 9.25 — заштрихо­ванная область со знаком минус), которая была запасена в инерционных массах привода (в частности, в маховике) в период работы с малой нагрузкой, когда угловая скорость возрастает (на рис. 9.25 — заштрихованная область со зна­ком плюс). При перепаде угловой скорости от ω₁ до ω₂ энергия инерционных масс, отдаваемая (запасаемая) на вал привода, составит:

(9.83)

Из (9.83) и выражения для электромеханической по­стоянной времени Т_м = J_Σω₀ / M_к.з следует, что одинако­вую отдачу энергии от инерционных масс привода (одина­ковое выравнивание нагрузки двигателя) можно получить либо увеличением момента инерции привода J_Σ, либо соот­ветствующим увеличением перепада угловой скорости, до­стигаемым смягчением механической характеристики дви­гателя (уменьшением M_к.з). На практике используются оба способа вместе или отдельно для увеличения отдачи энергии инерционными массами привода.

Выравнивание нагрузки двигателя позволяет уменьшить переменные потери в нем, благодаря чему двигатель может быть выбран с меньшей номинальной мощностью и мень­шим перегрузочным моментом.

Вопрос выбора оптимальных значений момента инерции маховика и мощности двигателя при рассматриваемой на­грузочной диаграмме механизма или еще более сложной

Рис. 9.26. Нагрузочная диаграмма маховикового электропривода при многоучастковом графике нагрузки.

диаграммы вида, показанного на рис. 9.26, является доста­точно трудным и неоднозначным. Правильно выбранный момент инерции и мощность двигателя должны обеспечи­вать хорошее использование двигателя по мощности (по его нагреву) и по перегрузке при умеренных размерах махо­вика. В ряде случаев требуется выполнение еще третьего условия о допустимой неравномерности хода

(9.84)

где j — допустимая неравномерность хода; ω_ср — средняя угловая скорость.

Как показывает опыт проектирования подобных элект­роприводов, первые два условия обычно удовлетворяются, если двигатель выбран с номинальным моментом, близким к среднему, а именно:

(9.85)

гдеМ_ср — средний момент нагрузки, определяемый по на­грузочной диаграмме механизма; например, для диаграммы, приведенной на рис. 9.26,

(9.86)

Расчет требуемого момента инерции маховика при вы­бранном согласно (9.85) двигателе основывается на выпол­нении условия о допустимой перегрузке двигателя и заклю­чается в следующем. На нагрузочной диаграмме механизма (рис. 9.26) выбираем предположительно наиболее тяжелый участок работы (М_сз = М_стах), на котором момент двига­теля может достигнуть наибольшего значения (в случае примерно одинакового времени участков — это участок с наибольшим статическим моментом). Если считать, что наибольший момент двигателя будет равен допустимому по перегрузке М_доп = k_д М_ном , то

(9.87)

где для упрощения начальный момент двигателя на рас­сматриваемом участке принят равным статическому мо­менту холостого хода М_с0.

Из (9.87)

(9.88)

где k_д — коэффициент перегрузки двигателя; J_ε — суммар­ный приведенный момент инерции привода.

Решая (9.88) относительноJ_ε и учитывая, что Т_м=

= , получаем :

(9.89)

Момент инерции маховика

(9.90)

где J_пр — момент инерции электропривода.

Для выбранного двигателя и рассчитанного момента инерции маховика следует построить нагрузочную диаграм­му электропривода М = f (t), примерный вид ее показан на рис. 9.26, и диаграмму скорости электропривода. Кри­терием правильности выбора момента инерции маховика и построения диаграмм является равенство угловых скоро­стей и моментов двигателя в начале и в конце цикла, а также равенство суммы площадей, пропорциональных кинетиче­ской энергии, запасенной в массах привода при холостом

ходе (на рис. 9.26 отмечена знаком плюс), сумме площадей, пропорциональных израсходованной энергии при нагрузке (отмечена знаком минус).

Используя полученную нагрузочную диаграмму элект­ропривода, проверяем выбранный двигатель по допустимой нагрузке и по нагреву, применяя методы, изложенные в последующих параграфах.

Выровнять нагрузку двигателя и ограничить его момент можно, как уже отмечалось, не только увеличением момента инерции, но и увеличением перепада угловой скорости. При наличии маховика, увеличивая перепад угловой ско­рости, можно или увеличить выравнивание нагрузки или при том же выравнивании уменьшить маховик. Увеличение перепада угловой скорости при приложении нагрузки до­стигается введением резисторов в роторную цепь асинх­ронного двигателя с фазным ротором или в якорную цепь двигателя постоянного тока или применением двигателя с короткозамкнутым ротором и с повышенным скольже­нием. Однако увеличение скольжения ведет к снижению средней угловой скорости привода за цикл, что влечет за собой снижение производительности механизма и увеличе­ние мощности потерь. Сохранение производительности на заданном уровне потребует уменьшения передаточного от­ношения от двигателя к рабочему валу механизма, что в конечном счете приведет к увеличению номинального момента двигателя. Применение асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и с повышенным скольжением при увеличенном среднем моменте нагрузки требует зна­чительного увеличения габаритов двигателя вследствие воз­растания потерь скольжения. Включение дополнительных резисторов в роторную цепь асинхронного двигателя с фаз­ным ротором с целью увеличения скольжения вызывает увеличение потерь в роторной цепи, но не сказывается на габаритах двигателя, так как большая часть потерь энер­гии выделяется в дополнительных резисторах, В силу этих недостатков (большие потери и снижение производитель­ности) перепад угловой скорости более чем на 20 % не до­пускают. При этом использование инерционных масс элект­ропривода с постоянно включенными резисторами оказы­вается невысоким и не обеспечивает достаточное выравни­вание нагрузки на двигателе.

Стремление устранить отмеченные недостатки махови­кового привода привело к созданию электроприводов с ре­гуляторами нагрузки. В последних автоматически изме-

няется скольжение в зависимости от нагрузки на валу двигателя, благодаря чему достигается значительно более полное выравнивание нагрузки. Простейшим регулятором такого рода является жидкостный регулятор нагрузки. Вследствие его недостаточной чувствительности, нестабиль-кости сопротивления, громоздкости, а также сравнительно низкого КПД и быстродействия этот регулятор находит весьма ограниченное применение.

Другой подобный тип регулятора нагрузки с резисто­рами и контактным управлением обеспечивает большее быст­родействие, однако при ча­стом включении контакторов снижается его надежность. Кроме того, этот регулятор также имеет низкий КПД.

Для механизмов, работаю­щих с резкопеременным ста­тическим моментом, могут быть использованы асинхрон­ный вентильно-машинный или асинхронный вентильный кас­кады, которые выполняют роль более совершенного ре­гулятора нагрузки.

Рис. 9.27. Принципиальная схе­ма регулятора нагрузки для привода с асинхронным двига­телем с фазным ротором, пост­роенная на основе вентильно-машинного электромеханиче­ского каскада.

Принципиальная схема од­ного из таких регуляторов нагрузки для привода с асин­хронным двигателем с фаз-. ным ротором показана на рис. 9.27. Здесь двигатель M1 включен в вентильно-машин­ный электромеханический кас­кад. По этой схеме осуществляется автоматическое регули­рование угловой скорости электропривода с изменением нагрузки на его валу. Вначале M1 совместно с маховиком J и двигателем постоянного тока М2 пускается вхолостую при подаче напряжения на статор M1 при включенном кон­такторе К1 и выключенном К2. Затем устанавливается близкий к 0 ток возбуждения М2, и производится отключе­ние контактора К1 с последующим включением К2. Напря­жение со вторичных обмоток трансформаторов тока ТТ подается ( после выпрямления) на усилитель У, управляю­щий тиристорным преобразователем ТП , предназначен­ным для питания обмотки возбуждения М2. Усилитель со-

держит также регулятор, обладающий настраиваемой зоной нечувствительности (уставкой срабатывания).

При холостом ходе привода напряжение, снимаемое с ТТ, меньше напряжения уставки, тиристорный преобра­зователь закрыт, и ток возбуждения М2 равен 0 — угло­вая скорость привода наибольшая. Когда привод нагру­жается, сигнал достигает напряжения уставки, открыва­ется ТП, увеличивается ток возбуждения М2, и снижается до требуемого значения угловая скорость привода. Якорь машины М2 в некоторой мере выполняет роль дополни­тельного маховика. Система по сравнению с жидкостными и кднтакторными регуляторами обладает большим КПД и относительно высоким быстродействием.

При использовании в качестве регулятора нагрузки вен­тильного каскада достигается большее быстродействие и не требуется установка дополнительной машины постоянного тока.

Приведенные на рис. 9.25 и 9.26 нагрузочные диаграммы электропривода при резкопеременной нагрузке не соответ­ствуют ни одному из стандартных режимов работы электро­приводов. Эти графики близки к нагрузочной диаграмме перемежающегося режима S6, но при значительном вырав­нивании нагрузки они будут близкими к диаграмме продол­жительного режима S1.

Большинство реальных нагрузочных диаграмм электро­приводов не соответствует диаграммам стандартных режи­мов. Поэтому для выбора двигателя необходимо реальную нагрузочную диаграмму преобразовать к одной из трех ос­новных стандартных нагрузочных диаграмм, соответствую­щих режимам работы SI, S2, S3. Преобразование это должно быть эквивалентным, т. е. реальный режим и расчетный эквивалентный должны соответствовать одинаковому сред­нему или максимальному превышению температуры двига­теля. Методы таких эквивалентных преобразований нагру­зочных диаграмм (режимов работы) рассматриваются в по­следующих параграфах.

Режимы работы SI, S2, S3 являются основными потому, что двигатели выпускаются только трех серий (по режиму работы) — продолжительного режима работы, кратковре­менного и повторно-кратковременного. В зависимости от того, из какой серии предполагается выбрать двигатель, производится преобразование реальной нагрузочной диа­граммы к соответствующей стандартной, для работы при которой спроектирован и предназначен двигатель. Конечно,

двигатель нужно выбрать той серии, которая больше соот­ветствует реальному режиму работы привода. Но иногда в силу разных причин используется, например, двигатель продолжительного режима работы при повторно-кратко­временном режиме работы электропривода. В этом случае нужно диаграмму повторно-кратковременного режима пре­образовать к эквивалентной диаграмме продолжительного режима работы.