Важную роль в современном производстве играют металлорежущие станки. В связи с этим большое значение имеет правильный выбор электродвигателя для приводов этих станков, так как завышение мощности на несколько киловатт приведет к большому перерасходу энергии в масштабах страны, что в настоящих условиях обернется снижением конкурентоспособности станков из-за большого расхода энергии при прочих равных параметров станка.
Обработка изделий на металлорежущих станках- это придание заготовке поверхности необходимой формы и необходимых размеров путем перемещения режущей кромки инструмента. Требуемое относительное перемещение создается сочетанием движений инструмента и заготовки. Это движение называется основным(рабочим).
Его разделяют на главное движение, за счет которого инструмент производит резание детали, и движение подачи, обуславливающее перемещение инструмента или обрабатываемой детали для снятия нового слоя металла. Главное движение и движение подачи могут быть вращательными и поступательными и совершаться как заготовкой, так и инструментом.
Важную роль в производстве играют станки токарной группы, для которых правильный выбор мощности электродвигателей имеет существенное значение, так как он позволяет предотвратить неоправданно большие потери. Сложность рационального выбора двигателей для токарных станков обусловлена универсальностью их использования для обработки деталей различной конфигурации, разнообразием материала, применением эмпирических формул с множеством экспериментально найденных значений коэффициентов, зависящих не только от материала, но и от конструктивных особенностей режущего инструмента.
Токарные станки предназначены, главным образом, для обработки наружных и внутренних цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, нарезание резьбы и обработки торцевых поверхностей деталей типа тел вращения с помощью разнообразных резцов, сверл, зенкеров, разверток, метчиков и плашек. Токарный станок имеет три основных электропривода: электропривод главного движения, электропривод продольной подачи, электропривод поперечной подачи.
Электропривод главного движения приводит во вращательное движение закрепленную в патроне заготовку. Привод поперечной подачи осуществляет подвод инструмента к обрабатываемой детали, привод продольной подачи осуществляет перемещение инструмента- этим обеспечивает процесс резания.
Электропривод подачи металлорежущего станка
... преобразует виды движения. Совокупность различных элементов передаточного устройства образует кинематическую цепь станка. На основании анализа кинематической схемы подачи составляем расчетную схему электропривода. Рис. ... с инструментом или заготовкой относительно других узлов станка. На них воздействуют составляющие сил тяжести и резания. Чтобы обеспечить точность перемещения, устойчивость движений ...
В данном курсовом проекте будет рассчитаны электропривод и система частотного управления главного движения токарного станка.
- 1. Расчет мощности двигателя и выбор его по каталогу
Для выбора двигателя необходимо рассчитать усилия, которые возникают в процессе работы. Так как для определения мощности двигателя нужно знать максимальные нагрузки, то расчет режимов резания проведем для черновой обработки.
Скорость резания равна
Наибольшее усилие резания равно:
Момент определим по формуле:
М ст ==652 ;
Определим расчетное значение мощности:
Р z ==
Р д ===5,4 кВт;
V п =
;
Исходя из этого выбираем двигатель АД с КЗ 4А132М8Y3, паспортные данные двигателя представлены в табл.1.1.
Данный двигатель удовлетворяет условиям проверки на нагрев и перегрузочную способность.
Таблица 1.1
|
Тип |
— |
4А132М8 Y3 |
|
|
Номинальная мощность, кВт |
P н дв |
5,5 |
|
|
Синхронная частота вращения, об/мин |
n |
750 |
|
|
Линейное напряжение, В |
U 1 н дв |
380 |
|
|
Фазное напряжение, В |
U 1 н ф |
220 |
|
|
Номинальное скольжение |
S н |
0,041 |
|
|
к.п.д.,% |
83 |
||
|
Коэффициент мощности |
0,7 |
||
|
Кратность пускового тока |
I п /Iн |
6 |
|
|
Кратность пускового момента |
М п / Мн |
1,8 |
|
|
Кратность критического момента |
М min / Мн |
1,4 |
|
|
Перегрузочная способность |
М max / Мн |
2,2 |
|
|
Активное сопротивление статора |
R ‘1 |
0,068 |
|
|
Индуктивное сопротивление статора |
X ‘1 |
0,01 |
|
|
Активное сопротивление ротора |
R »2 |
0,058 |
|
|
Индуктивное сопротивление статора |
X »2 |
0,17 |
|
|
Индуктивное сопр. в возд. зазоре |
X µ |
1,6 |
|
- 2. По данным двигателя выбрать по каталогу комплектный электропривод
Для качественной обработки металлической заготовки на токарном станке необходимо постоянство скорости вращения шпинделя и момента, которые может обеспечить частотный преобразователь.
Для регулирования скорости вращения двигателя выбирается ППЧ с промежуточным звеном постоянного тока, собранный по мостовой схеме на IGBT-транзисторах. Укрупненная принципиальная схема преобразователя частоты показана на рис.2.1.
Рис.2.1. Принципиальная схема преобразователя частоты
Выбор преобразователя частоты производится согласно условиям:
Номинальный ток статора двигателя:
Номинальная мощность двигателя потребляемая их сети:
Согласно условиям выбираем преобразователь частоты PM-G540-5,5K-RUS[2].
Параметры преобразователя частоты приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
|
Макс. мощность двигателя, кВт |
Макс. Выходная мощность ПЧ, кВА |
Ном. входной ток ПЧ, А |
Входное напряжение, B |
Диапазон выходной частоты |
Управление |
Перегрузочная способность |
Масса, кг |
|
|
5,5 |
10 |
16 |
3 фазы 380 : 480 (+10%, -15%) |
Регулируется от 0.1 до 400 Гц (выходной ток синусоидальный) |
U/F-регулирование, векторное регулирование скорости, компенсация скольжения |
150% номинального тока ПЧ в течение 1 мин |
3,66 |
|
Рис. 2.2. Схема подключения преобразователя частоты
Выбор сетевого дросселя
Условие выбора:
Согласно условиям выбираем сетевой дроссель модели ED3N-0,9/16[2].
Параметры сетевого дросселя приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
|
Мощность, кВт. |
Ток, А. |
Индуктивность, mH. |
Габариты. |
|
|
5,5 |
16 |
0,9 |
125х61х141 |
|
Выбор автоматического выключателя
Рис. 2.3. Силовая схема подключения двигателя
Условие выбора:
14,3=286 А.
Выбираем автоматический выключатель ВА88-35[2].
Параметры автоматического выключателя:
Таблица 2.3
|
Количество силовых полюсов |
Степень защиты |
Уставка срабатывания магнитного расцепителя Im, А |
Тип расцепителя |
Номинальное напряжение, В |
|
|
3 |
IP20 |
300 |
Тепловой, электромагнитный |
400 |
|
Выбор тормозного резистора
Сопротивление резистора вычисляется:
Где -напряжение в звене постоянного тока преобразователя.
В нашем случае,
Условие выбора :
500 Ом ? 240 Ом
Выбираем тормозной резистор BRR-0031-HD-5[2].
- 3. Рассчитать и построить статические характеристики двигателя, соответствующие наименьшей и наибольшей скоростям
Для построения статических характеристик разомкнутой системы необходимо на основании паспортных данных двигателя(табл.2.1) определить параметры :
- активное сопротивление цепи статора(R 1 );
- активное сопротивление ротора(R 2 ‘);
- реактивное сопротивление цепи статора(X 1 );
- реактивное сопротивление ротора(X 2 ‘);
- индуктивное сопротивление главного потокосцепления(Х м ).
Далее определяем величины: Параметры двигателя:
Xм’=1.6, X 1 ‘=0.01, X2 «=0.17, R1 ‘=0.068, R2 «=0.058. Для перевода их в именованные единицы производится следующий расчет:
Номинальный потребляемый ток двигателя сети:
Найдем поправочные коэффициенты b k и с:
C=
Расчет критического скольжения S кр и момента Мкр для каталожных данных:
где щ 0 — синхронная скорость двигателя .
На основании паспортных данных двигателя (табл.2.1) определим величины: S кр и Мкр
где M ном — номинальный момент двигателя, [Н*м];
S н — номинальное скольжение двигателя;
n н — номинальное число оборотов двигателя, [об/мин];
n 0 — число оборотов двигателя, соответствующее синхронной скорости щ0 , [об/мин].
Условие определения способа определения параметров Г-образной схемы замещения:
Тогда дальнейшие вычисления будут производиться по паспортным данным.
Выполним проверку выбранного закона управления. Рассчитаем параметры Г-образной схемы замещения (рис.3.1) для построения статических характеристик электропривода.
Рис.3.1. Г-образная схема замещения электропривода
Определение номинального фазного тока статора:
Определение синхронной и номинальной угловой скорости:
Определение номинального момента:
Определение номинальных потерь мощности:
Номинальные механические потери:
Добавочные потери, связанные с вращением двигателя:
Момент холостого хода:
Электромагнитный момент:
Номинальные переменные потери в роторе:
Коэффициент загрузки двигателя принимаем:
Определение номинальных переменных потерь в двигателе:
Определение номинальных постоянных потерь:
Определение номинальных переменных потерь в статоре:
Активное сопротивление фазы статора:
Максимальный электромагнитный момент:
Коэффициент, имеющий размерность сопротивления:
Полное расчетное сопротивление:
Приведенное активное сопротивление ротора:
Индуктивное сопротивление короткого замыкания:
Коэффициент в формуле Клосса:
Индуктивные сопротивления статора и ротора:
Определение тока холостого хода:
Потери в стали:
Активное сопротивление ветви намагничивания:
Индуктивное сопротивление ветви намагничивания:
В соответствии рассчитанных параметров строим естественную характеристику, используя следующие формулы:
- s) ;
- Изменяя значение скольжения от нуля до критического, определим точки скорости и момента для построения характеристик .
Результаты расчетов представлены в табл. 3.1.
U 1 =220В; f=50Гц
Таблица 3.1
|
S |
M,Н*м |
w,рад/с |
|
|
0 |
0 |
78,5 |
|
|
0,0173 |
27,47265143 |
76,98495 |
|
|
0,0386 |
51,23721473 |
75,4699 |
|
|
0,0579 |
70,8252669 |
73,95485 |
|
|
0,0772 |
86,26128176 |
72,4398 |
|
|
0,0965 |
97,89894758 |
70,92475 |
|
|
0,1158 |
106,2610002 |
69,4097 |
|
|
0,1351 |
111,9180629 |
67,89465 |
|
|
0,1544 |
115,4132744 |
66,3796 |
|
|
0,1737 |
117,2244063 |
64,86455 |
|
|
0,173 |
117,7511381 |
63,3495 |
|
При изменении частоты должно выполняться условие:
Определяем коэффициент пропорциональности при номинальных значениях по формуле:
Изменяя частоту () строим искусственные характеристики с учетом того, что напряжение (), угловая скорость вращения поля () и индуктивные сопротивления ( и ) меняются в соответствии с формулами:
Пример расчета для одного значения частоты:
двигатель скорость электроэнергия нагрев
Результаты расчетов для частот 30Гц, 40Гц, 60Гц представлены в табл.3.2.
Таблица 3.2
|
30 Гц 132 В |
40 Гц 176 В |
60 Гц 220 В |
|||||||
|
S |
M,Н*м |
w,рад/с |
S |
M,Н*м |
w,рад/с |
S |
M,Н*м |
w,рад/с |
|
|
0 |
0 |
47,12 |
0 |
0 |
62,8 |
0 |
0 |
94,2 |
|
|
0,025 |
21,13597 |
45,942 |
0,01975 |
22,5335 |
61,5597 |
0,0135 |
16,27 |
92,9283 |
|
|
0,05 |
39,32208 |
44,764 |
0,0395 |
42,32725 |
60,3194 |
0,027 |
30,96 |
91,6566 |
|
|
0,075 |
54,54678 |
43,586 |
0,05925 |
59,16594 |
59,0791 |
0,0405 |
43,75 |
90,3849 |
|
|
0,1 |
66,97624 |
42,408 |
0,079 |
73,07237 |
57,8388 |
0,054 |
54,53 |
89,1132 |
|
|
0,125 |
76,88282 |
41,23 |
0,09875 |
84,23591 |
56,5985 |
0,0675 |
63,32 |
87,8415 |
|
|
0,15 |
84,58716 |
40,052 |
0,1185 |
92,94341 |
55,3582 |
0,081 |
70,27 |
86,5698 |
|
|
0,175 |
90,41728 |
38,874 |
0,13825 |
99,52348 |
54,1179 |
0,0945 |
75,57 |
85,2981 |
|
|
0,2 |
94,68322 |
37,696 |
0,158 |
104,3074 |
52,8776 |
0,108 |
79,44 |
84,0264 |
|
|
0,225 |
97,6636 |
36,518 |
0,17775 |
107,6053 |
51,6373 |
0,1215 |
82,13 |
82,7547 |
|
|
0,25 |
99,60039 |
35,34 |
0,1975 |
109,6935 |
50,397 |
0,135 |
83,83 |
81,483 |
|
|
0,275 |
100,6987 |
34,162 |
0,21725 |
110,8104 |
49,1567 |
0,1485 |
84,73 |
80,2113 |
|
|
0,3 |
101,1296 |
32,984 |
0,237 |
111,1568 |
47,9164 |
0,162 |
85,01 |
78,9396 |
|
Рис.3.1 Механические характеристики
Диапазон регулирования:
Диапазон регулирования исследуемой разомкнутой системы электропривода Dр=1,66:1.
Это значительно меньше требуемого(Dтр= 1000 : 1).
Так же, можно установить, что скалярный закон регулирования не позволяет удовлетворить тяжёлым характеристикам пуска, и переменному статическому моменту.
- 3 .1 Рассчитать и построить графики при пуске и торможении
Векторное управление — это частотное управление, где в качестве управляющих воздействий используются пространственные векторы электромагнитных величин (магнитный поток, токи, напряжения статора, электромагнитный момент).
В векторном управлении независимо изменяется магнитный поток и электромагнитный момент с помощью составляющих вектора тока статора, что делает АД аналогом двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Принцип векторного управления основан на использовании теории обобщенной электрической машины.
Функциональная схема системы регулирования координат АД при векторном управлении и определении потокосцепления ротора по модели потока приведена на рис.4.1. АД питается от преобразователя частоты со звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения. На входе преобразователя действует трехфазная система задающих напряжений Система регулирования выполнена во вращающейся системе координат. Преобразование координат в прямом канале (ПКП) и в канале обратной связи (ПКО) производится в соответствии правилами преобразования координат в системе векторного управления.
Рис.4.1. Функциональная схема прямого векторного управления АД
Структурная схема системы регулирования скорости при векторном управлении АД представлена на рис.4.2. Система управления выполнена во вращающейся системе координат и построена по принципу подчиненного регулирования. Внешним по отношению к контуру тока по оси б является контур регулирования потокосцепления ротора (РПт).
Внешним по отношению к контуру регулирования тока по оси в является контур регулирования момента (РМ).
Внешним контуром по отношению всей системы управления является контур скорости (РС).
Рис.4.2. Структурная схема прямого векторного управления АД
Структурная схема системы регулирования скорости при векторном управлении АД представлена на рис.4.2. Система управления выполнена во вращающейся системе координат и построена по принципу подчиненного регулирования. Внешним по отношению к контуру тока по оси б является контур регулирования потокосцепления ротора (РПт).
Внешним по отношению к контуру регулирования тока по оси в является контур регулирования момента (РМ).
Внешним контуром по отношению всей системы управления является контур скорости (РС).
Математическая модель показана на рисунке 4.3.
Рис.4.3. Математическая модель
Рис.4.4 Переходные процессы в электроприводе при пуске
Рис.4.5 Переходные процессы в электроприводе при торможении
- 3.2 Рассчитать и построить графики при автоматическом регулировании скорости двигателя
На рисунке 5.1 показана графики переходных процессов при автоматическом регулировании, в момент времени 1,4 с происходит наброс нагрузки, при этом величина тока и момента возрастает, а скорость снижается.
Рис. 5.1. Переходные процессы при набросе нагрузки
- 4. Проверить двигатель по нагреву
Условие проверки привода по перегрузке выполняется (
Проверку проводим сравнением средней мощности потерь в обмотке статора за время цикла с номинальными потерями в ней .
Средняя мощность потерь в обмотке статора
Так как это условие выполняется, то выбранный двигатель удовлетворяет условию по перегреву.
- 5. Определить расход электроэнергии за цикл обработки, среднециклические КПД и коэффици
Найдем расход электроэнергии за цикл работы:
Расход электроэнергии за цикл работы равен:
Найдем КПД:
Найдем полезную работу
Тогда КПД:
- Заключение
В курсовом проекте рассчитан электропривод шпинделя токарного станка. По номинальным значениям мощности был выбран двигатель переменного тока. Для данного двигателя был подобран частотынй преобразователь.
Рассчитаны и построены механические характеристики, переходные процессы при пуске и реверсе, которые были получены при помощи модели. Выбранный двигатель проверил по теплу и перегрузочной способности.
- Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovoy/elektroprivod-tokarnogo-stanka/
1. Браславский И. Я., Ишматов З. Ш., Поляков В. Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод под ред. И. Я. Браславского. — М: Academa, 2004
2. http://www.elitacompany.ru/price/index/24365/024825
3. Фираго, Б. И. Регулируемые электроприводы переменного тока / Б. И. Фираго, Л. Б. Павлячик. — Мн.: Техноперспектива, 2006. — 363 с
4. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными электродвигателями/ Уч. пособие.- СПБ 2002
5. Токарно-винторезный станок Руководство по эксплуатации.- Станкоимпорт СССР
7.
8. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0: Учебное пособие. — СПб.: КОРОНА принт, 2001
9. http://velta-c.ru/catalog/
