2.5. Разработка схемы управления и описание её работы

Модернизированная схема электрическая принципиальная, станка токарно-винторезного повышенной точности, на рисунке 3 изображена силовая на цепь, на 4 цепь управления

При включении вводного автоматического выключателя QF1 подготавливаются цепи питания электродвигателей приводов станка и подается напряжение на первичную обмотку трансформатора управления Т1.

Местное освещение включается переключателем, встроенным в светильник EL1.

Пуск и остановка электродвигателя главного привода М1 осуществляется при помощи реле KV, управляемым при помощи кнопки SB2 «Пуск главного привода» и SB3 «Стоп главного привода». Торможение шпинделя осуществляет тормозная муфта Y1.

Включение шпинделя станка по часовой стрелке, остановка и включение против часовой стрелки при включении электродвигателя главного привода М1 осуществляется в ручную при помощи фрикциона. Торможение шпинделя осуществляется при помощи тормозной муфты Y1.

Пуск и остановка электродвигателя охлаждения М2 осуществляется пускателем КМ1, управляемым переключателем SA2. Включение насоса возможно только после включения электродвигателя главного привода М1.

Управление электродвигателем привода ускоренных перемещений каретки позиция М3 осуществляется выключателем SQ3 (встроенным в рукоятку фартука).

Аварийное отключение станка осуществляется нажатием кнопки SB1.

2.6.Выбор элементов схемы управления

Выбираем все аппараты защиты и элементы схемы электрической принципиальной. Выбор силовых тиристоров VS1-VS6 производим по условиям:

I_ном.т ≥ (0,5 ∙I_max.кр)/(2К_о ∙К_Q ∙К_α∙К_ф), (2)

U_{обр.ном.т} ≥ 1,1 ∙ √2 ∙U_ном.с , (3)

где, I_ном.т - номинальный ток тиристора, А;

I_{max кр} - максимальный возможный кратковременный ток через тиристор, А;

К_о - коэффициент, учитывающий условия охлаждения тиристора, о.е.. К_о=0,5;

К_Q - коэффициент, учитывающий загрузку тиристора в зависимости от температуры окружающей среды, о.е.. Принимаем К_Q =1;

- коэффициент, учитывающий угол проводимости тиристора, =1;

К_ф – коэффициент отклонения формы анодного тока тиристора от прямоугольной, о.е.. Принимаем К_ф=1,1;

U_{обр.ном.т} - обратное номинальное напряжение тиристора, В;

U_ном.с - номинальное напряжение сети, В.

В нашем случае возможный максимальный кратковременный ток проходящий через тиристор I_{max кр} , А, будет иметь место при замкнутом положении SA2 при пуске одновременно двух двигателей М1 и М3:

I_max.кр= I_п1 + I_п3 , (4)

где I_п1 ; I_п3 – пусковые токи электродвигателей М1 и М3, А.

Пусковые токи электродвигателей I_п ,А, определяем по формуле:

I_п=I_ном ∙ (I_п/I_ном) , (5)

где I_ном – номинальный ток электродвигателя, А;

(I_п/I_ном) – кратность пуска электродвигателя, о.е..

Номинальный ток электродвигателя I_ном, А, рассчитываем по формуле:

I_ном=Р_ном/(√3 ∙ U_ном ∙ η_ном ∙ cosφ_ном) , (6)

где η_ном – коэффициент полезного действия двигателя, о.е.;

cosφ_ном – номинальный коэффициент активной мощности электродвигателя, о.е..

Для двигателя М1:

I_ном1=11/(1,73 ∙ 0,38 ∙ 0,885 ∙ 0,86)=21,98 А

Для двигателя М2:

I_ном2=0,18/(1,73 ∙ 0,38 ∙ 0,68 ∙ 0,78)=0,52 А

По формуле (5):

I_п1=21,98 ∙ 6,5=142,87 А

I_п2=0,91 ∙ 5,0=2,58 А

По условиям (2), (3):

I_ном.т ≥ (0,5 ∙ 145,47)/(2∙0,5 ∙1 ∙1∙1,1)=66,12 А

U_{обр.ном.т} ≥ 1,1 ∙ 1,41 ∙ 380=589,38 В

Так как в схеме не предусмотрена защита от перенапряжения R-C-цепочкой, то выбираем тиристоры по напряжению на два класса выше, чем по расчету.

По [14] выбираем тиристоры марки Т15-80-8 с I_ном.т=80A, U_{обр.ном.т}=800 B, I_упр.т=300 mA, U_упр.т=4 В.

Выбор диодов VD1-VD6 для тиристорного пускателя производим по условиям:

I_доп.пр≥I_упр.т , (7)

U_{обр.доп}≥√2 ∙ U_ном.с , (8)

где, I_доп.пр – допустимый прямой ток диода, А;

I_упр.т – ток управления тиристором, А;

U_{обр.доп} - обратное допустимое напряжение диода, В.

I_доп.пр≥0,3 А

U_{обр.доп}≥1,41∙380=535,8 В

По [5] выбираем диоды марки КД105В с I_доп.пр =0,3 A, U_{обр.доп}=600 В.

При необходимости данные выбранных диодов заносим в таблицу 4.

Таблица 4

Поз. обозначение	Марка диода	Iдоп.пр , A	Uобр.доп , B	Iупр.т , A
VD1-VD6	КД105В	0,3	600	0,3

В ы б о р р е з и с т о р о в R1-R3 т и р и с т о р н о г о п у с к а т е л я п р о и з в о д и м п о у с л о в и я м :

R_р≥(0,05 ∙ U_max-U_упр.т)/(1,1 ∙ I_упр.т), (9)

Р_рас≥I²_упр.т ∙R_р , (10)

где, R_р - активное сопротивление резистора, Ом;

U_тах - максимальное значение напряжения сети, В;

P_рас - мощность рассеивания резистора, Вт.

М а к с и м а л ь н о е з н а ч е н и е н а п р я ж е н и я с е т и U_тах, В, рассчитываем по формуле:

U_max=√2 ∙ U_ном.c (11)

U_max=1.41 ∙ 380=535,8 В

По условию (9):

R_р≥(0,05 ∙ 535,8-4)/(1,1 ∙ 0,3)=69 Ом

По условию (10):

Р_рас≥0,3² ∙69=6,21 Вт

По [1] выбираем резисторы марки С5-35В с R_р =100 Ом, Р_рас=7,5 Вт.

При малых значениях Р_рас выбираем резисторы МЛТ.

Выбор герконового реле KV производим по условиям:

U_{ном.кат.р}.≥U_{ном.у.у.} , (12)

I_ном.к.р≥I_дл.к.ц , (13)

где ,U_{ном.кат.р} - номинальное напряжение катушки реле, В;

U_{ном.у.у.} - номинальное напряжение цепи управления, В;

I_ном.к.р - номинальный ток контактов реле, А;

I_{дл к.ц.} - длительный ток коммутируемой цепи, А.

U_{ном.кат.р}.≥24 В,

I_ном.к.р≥0,3 А (I_упр.т)

По [13] выбираем РПГ-010411, с четырьмя замыкающими контактами, с одной обмоткой в катушке с Р_ном=2,0 Вт.

При наличии в схеме нескольких элементов, одинаковых по функциональному назначению, их данные заносим в таблицу 5.

Таблица 5

Поз. обозначение	Марка реле	Тип контактов	Число контактов	Потребляемая мощность, Вт
KV1	РПГ-010411	Замыкающие	4	2,0
KV2		Замыкающие
		Размыкающие
KV3

Выбор герконового контактора KМ производим по условиям:

U_{ном.кат.к}.≥U_{ном.у.у.} , (14)

I_ном.к.≥I_дл.к.ц , (15)

где, U_{ном.кат.к} - номинальное напряжение катушки контактора, В;

I_ном.к. - номинальный ток контактора, А;

По схеме длительный ток коммутируемой цепи это номинальный ток электродвигателя М3.

По формуле (6):

I_ном2=0,37/(1,73 ∙ 0,38 ∙ 0,72 ∙ 0,86)=0,91 А

По условиям (14) и (15):

U_{ном.кат.к}.≥24 В

I_ном.к.≥1,93 A

По [11] выбираем герсиконовый контактор КМГ-17-1930-00У2.04 с I_ном.к.=6,3 А, U_{ном.кат.к}=24 В, с потреблением мощности Р_потр.=4 Вт.

Выбор реле времени КТ производим по условиям (12), (13):

U_{ном.кат.р}.≥24 В

I_ном.к.р≥0,08 А

Длительный ток коммутируемой цепи определяем по формуле:

I_дл.к.ц=P_потр.KV/U_ном.ц.у (16)

I_дл.к.ц=2,0/24=0,08 А

По [11], [13] выбираем реле времени РВП72М с выдержкой времени от 1 с до 10 мин, с U_{ном.кат.р} =21 В, I_ном.к.р=1 А, Р_потр=2,4 Вт.

Выбор кнопок управления производим по условиям:

U_ном.кн≥ U_ном.ц.у , (17)

I_ном.кн≥I_дл.к.ц ,

где, U_{ном кн.} - номинальное напряжение кнопки, В;

I_{ном к.ц} - номинальный ток контактов кнопки, А.

Покажем выбор кнопки SB2.

Длительный ток комутационной цепи I_дл.к.ц , А, определяем по формуле:

I_дл.к.ц=(P_потр.KV+ Р_потр.KТ)/U_ном.ц.у , (18)

I_дл.к.ц=(2,0+2,4)/24=0,18 А

По [3], [13] выбираем кнопку SB2 марки КЕ181У3 исполнение 2 с красным толкателем, I_ном.кн=6 А.

Выбор остальных кнопок аналогичен, данные заносим в таблицу 8.

Таблица 8

Поз. обозначение	Марка кнопки	Вид управляющего элемента	Цвет управляющего элемента	Кол. замыкающих контактов	Кол. размыкающих контактов
Продолжение таблицы 8
SB1	КЕ181У3 исп. 2	Грибовидный	Красный	-	1
SB2	КЕ181У3 исп. 2	Грибовидный	Красный	-	1
SB3	КЕ181У3 исп. 2	Цилиндрический	Черный	1	-

Выбор конечных выключателей производим по условиям:

U_{ном кон.в.}≥ U_ном.ц.у (19)

I_{ном кон.в.}≥I_{дл к.ц.} , (20)

где, U_{ном кон.в} - номинальное напряжение конечного выключателя, В;

I_{ном кон.в.} - номинальный ток конечного выключателя, А.

Покажем выбор SQ1

U_{ном к.в.}≥24 В

Длительный ток коммутируемой цепи равен:

I_дл.к.ц=Р_потр.KТ/U_ном.ц.у (21)

I_дл.к.ц=2,4/24=0,1 А

По [13] выбираем конечный выключатель SQ1 марки ВПК2110У2 с U_{ном кон.в.}=24 В, I_{ном кон.в.}=4 А, усилием нажатия F=10 H.

Конечные выключатели полумгновенного действия ВКП выбираем по [13], микропереключатели по [13].

Выбор остальных выключателей аналогичен, данные заносим в таблицу 9.

Таблица 9

Поз. обозначение	Тип	Uном кон.в., В	Iном кон.в. , А
SQ1	ВПК2110У2	24	4,0
SQ2	ВПК2110У2	24	4,0

Выбор переключателей в силовых цепях и цепях управления производим по следующим условиям:

- по назначению;

- по конструктивному исполнению;

- по рабочему напряжению

U_{ном.пер}≥U_ком.ц. ; (22)

- по току контактов переключателя

I_{ном.к.пер}≥I_дл.к.ц , (23)

где, U_{ном пер} - номинальное напряжение переключателя, В;

U_ком.ц. - номинальное напряжение коммутируемой цепи, В;

I_{ном.к.пер} - номинальный ток переключателя, А.

Покажем выбор переключателя SA2 в цепи двигателя М2.

U_{ном.пер}≥380 В

I_{ном.к.пер}≥ I_ном3=0,52 А

По [3] выбираем однополюсный переключатель типа ПВ1-10 с U_{ном.пер}=380 В, I_{ном.к.пер}=6,0 А. данные заносим в таблицу 10.

Таблица 10

Поз. обозначение	Тип переключателя	Uном,пер, В	Iном.к.пер , А	Iдл.к.ц. , А
SA1	ПВ1-10	380	6	0,52

Сигнальные лампы выбираем по условиям:

- по конструктивному исполнению;

- по номинальному напряжению

U_ном.с.л≥U_ц.с , (24)

где, U_ном.с.л – номинальное напряжение сигнальной лампы, В;

U_ц.с – напряжение цепи сигнализации, В.

Питание цепей сигнализации можно выполнять или от источника цепи управления или от отдельной отпайки вторичной обмотки трансформатора, напряжение которой обычно составляет 5В. Сигнальные лампы с арматурой выбираем по [3].

Выбор лампы местного освещения производим по условиям:

- по мощности;

- по номинальному напряжению

U_{ном.л.м.о}≥U_ц.м.о , (25)

где, U_{ном.л.м.о} – номинальное напряжение лампы местного освещения, В;

U_ц.но – напряжение цепи местного освещения, В.

Сигнальную лампу HL выбираем по условию(24):

U_ном.с.л≥24 В

По [3] выбираем сигнальную лампу марки КМ24-90 с U_ном.с.л=24В, I_ном.л.с=90mА=0,09A.

Выбор лампы местного освещения EL выбираем с учётом условия (25):

U_{ном.л.м.о}≥24 В

По [7] выбираем лампу накаливания марки МО-24-40 с U_{ном л.м.о.}=24В, Р_{ном.л.м.о.}=40Вт.

Выбор диодов однофазного мостового выпрямителя для питания цепи управления производим после выбора всех элементов схемы управления. Выбор производим по условиям:

- по обратному напряжению

U_обр≥1,57U_ц.у ; (26)

- по прямому току

I_доп.пр.≥0,5 ∙ I_d , (27)

где, I_d - ток нагрузки диодов, А.

Ток нагрузки диодов определяем по формуле:

I_d=(∑P_потр)/(U_ц.у), (28)

где, ∑Р_потр - сумма активных мощностей потребителей цепи управления, Вт.

Диоды выбираем по [5],[1]

Покажем выбор диодов VD7-VD10.

По условию (26):

U_обр≥1,57 ∙24=37,68 В

По условию (28):

I_d=(P_пот.KV+ P_пот.к+ P_HL)/(U_ц.у) (29)

I_d=(2,0+4+0,09∙24)/24=0,34 А

По условию (27):

I_доп.пр.≥0,5 ∙ 0,34=0,17 А

По [5] выбираем диоды VD7-VD10 серии КД219 с I_доп.пр=0,5А и U_обр=100В.

Ток нагрузки диодов определяем для наиболее тяжёлого режима, т.е. когда находится в рабочем (включенном) состоянии наибольшее количество аппаратов схемы управления.

Выбор понижающего трансформатора для питания цепей управления, местного освещения и сигнализации производим по условиям:

- по напряжению обмоток

U_ном.1тр≥U_ном.с ; (30)

U_ном.2тр≥U_р.2TV ; (31)

При наличии вторичной обмотки для питания местного освещения дополнительно должно выполняться условие:

U_{ном.2м.о}≥U_ц.м.о ; (32)

Если сигнальные лампы питаются не от цепи управления, то дополнительно должно выполняться ещё одно условие:

U_ном.2с.<U_ц.c/ ; (33)

- по мощности трансформатора

S_ном.тр≥S_расч.1 ; (34)

где, U_ном.1тр - номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора, В;

U_р.2TV - номинальное напряжение вторичной обмотки питания выпрямителя, В;

U_ном.2с. - номинальное напряжение вторичной обмотки питания сигнализации, В;

U_{ном.2м.о.} - номинальное напряжение обмотки питания местного освещения, В;

S_ном.тр - номинальная мощность трансформатора, ВА;

S_расч.1 - полная расчетная нагрузка первичной обмотки трансформатора, ВА.

Расчетную нагрузку трансформатора S_расч.1, ВА, определяем по формуле:

S_расч.1 =S₂/η_тр , (35)

где, S₂ – суммарная полная мощность нагрузки вторичных обмоток, ВА;

η_тр – коэффициент полезного действия трансформатора.

Суммарную мощность нагрузки S₂, ВА, определяем по формуле:

S₂=К_u(I_d ∙ U_ц.у) + I_л.м.о ∙ U_{ном.л.м.о} + I_с.л. ∙ U_ц.с , (36)

где, I_л.м.о – ток лампы местного освещения, А;

I_с.л.— суммарный ток сигнальных ламп, А.

К_u – коэффициент соотношения напряжений U₂ и U_d , о.е.

Трансформаторы выбираем по [1], [11], [13].

Трансформаторы серии ОСМ1 (однофазные, сухие, многоцелевого назначения мощностью 0,063-2,5 кВА, напряжением первичной обмотки от 115 до 660 В, вторичных обмоток от12 до 260 В предназначены для питания цепей управления, местного освещения, сигнализации и автоматики.

При использовании в цепи сигнализации лампы на напряжение меньше напряжения цепи управления, последовательно с лампой включаем добавочное сопротивление Rg, Ом, величину которого определяем по формуле:

Rg=(U_ном-U_л)/I_л , (37)

где, U_ном – номинальное напряжение сети, В;

U_л – напряжение на лампе, В, U_л=(0,75-0,8) U_ном ;

I_л – ток в цепи лампы, А.

Ток в цепи лампы I_л , А, равен:

I_л= U_л/R_л , (38)

где, R_л – сопротивление лампы, Ом.

Сопротивление лампы R_л , Ом, определяем из номинальных данных лампы по формуле:

R_л= U_ном²/Р_л , (39)

где Р_л – мощность лампы, Вт.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора цепи питания выпрямителя U_р.2TV , В, определяем по формуле:

U_р.2TV=U_d∙К_и , (40)

где , К_и- коэффициент соотношения напряжений U₂ и U_d ,о.е..

По условию (36):

S₂=1,23∙0,34∙24+40+0,09∙24=52,2 В∙А

По формуле (35):

S_расч.1 =52,2/0,83=62,9 В∙А

По формуле (40):

U_р.2TV=24∙1,11=26,64 В

По условиям (30), (31), (32), (33):

U_ном.1тр≥380 В

U_ном.2тр≥26,64 В

U_{ном.2м.о}≥24 В

S_ном.тр≥62,9 В∙А

По [11] выбираем трансформатор ОСМ-01-0,063-380/29/29 трёхобмоточный с S_ном=63 В∙А и U_ном.2тр=29В, U_{ном2м.о.}=29В.

Так как лампа ЕL выбрана на 24 В, то по условию (47):

R_л=24²/40=14,4 Ом

По условию (38):

I_л= 0,8∙24/14,4=1,33 А

Величина добавочного сопротивления Rg, Ом, по формуле (45) равна:

Rg=29-0,8∙24/1,33=7,37 Ом