EPST

Оглавление
1 Анализ требований задания ..................................... 3
2 Анализ
кинематической
электропривода
и
схемы
механизма
подачи
металлорежущих станков ..................................................... 5
3 Анализ
возможных
вариантов
и
выбор
системы электропривода подачи металлорежущего
станка ............................................................................................... 8
4 Расчет мощности и выбор двигателя ............... 9
5 Расчет и выбор элементов силовой части
тиристорного преобразователя ......................................11
5.1 Расчет
параметров
и
выбор
силового
трансформатора .......................................................................................... 12
5.2 Расчет и выбор тиристоров .................................................. 13
5.3 Расчет индуктивности уравнительных реакторов. . 14
5.4 Расчет индуктивности сглаживающего дросселя ...... 15
5.5 Расчет регулируемой характеристики коэффициента
передачи
и
постоянного
времени
тиристорного
преобразователя............................................................................................
КПЭП 130302.17.20 ПЗ 16
Изм Лис
№ докум.
Разраб.
.
т Харисова
Провер. Львова
Т.Н.
Л.А.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпис Дат
ь
а Проектирование
электропривода
металлорежущего станка
Лит.
Лист
Листов
КНИТУ гр.8131-51
5.6 Расчет постоянных времени электропривода .............. 17
6 Анализ возможности разомкнутой системы
по обеспечению требований задания .............................19
7 Синтез замкнутой системы электропривода
21
8 Анализ
технических
данных
спроектированного электро- .............................................23
привода .....................................................................................23
1 Анализ требований задания
Спроектировать
электропривод
подачи
металлорежущего
станка,
осуществляющего преобразование вращательного движения ходового винта в
поступательное перемещение суппорта с помощью ходовой пары «винт-гайка»,
требующего регулирования частоты вращения при постоянном наибольшем
допустимом моменте в диапазоне D со статической ошибкой, не превышающей
∆доп.
Требуемая частота вращения двигателя на верхнем пределе диапазона
регулирования равна - верх .
Механизм работает в длительном режиме с
переменной нагрузкой. Работу механизма характеризует нагрузочная диаграмма
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
3
на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Нагрузочная диаграмма
Параметры нагрузочной диаграммы (рисунок 1.1), кинематической цепи
сведены в табл.1.1, а параметры суппорта и требования к ЭП приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.1
№
п/п
Требования к
электроприводу
D
Δдоп, % ωверх,
рад/c
450
5
157
20
Нагрузочная диаграмма
Mхв0,
Н·м
14
Mхв1,
Н·м
70
Mхв2,
Н·м
90
t1, с
t2, с
Tц, с
60
220
300
Таблица 1.2
№
Кинематическая цепь
Суппорт
п/п
ip
ŋp
р,
м/рад
dхв, м
lхв, м
a, м
b, м
c, м
20
8
0,95
0,01
0,07
1,5
0,14
0,5
1,5
В табл. 1.1, 1.2 приняты следующие условные обозначения:
1. Параметры нагрузочной диаграммы:
Mхв0 – момент на ходовом винте в режиме холостого хода, H×м;
Mхв1 – момент на ходовом винте при выполнении первой технологической
операции, H×м;
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
4
Mхв2 – момент на ходовом винте при выполнении второй технологической
операции, H×м;
t1 – время движения суппорта в режиме холостого хода, с;
t2 – время выполнении первой технологической операции, с;
Tц – время выполнении технологического цикла, с.
Параметры кинематической цепи редуктор – ходовой винт:
iр – передаточное число редуктора;
ηр – КПД редуктора;
ρ – радиус приведения кинематической ходовой пары «винтгайка», м/рад;
dхв – диаметр ходового винта, м;
lхв – длина ходового винта, м.
Параметры суппорта:
a – длина суппорта, м;
b – ширина суппорта, м;
c – высота суппорта, м.
Суппорт выполнен из стали и при расчете его массы может рассматриваться как
параллелепипед.
2 Анализ
кинематической
электропривода
и
механизма
схемы
подачи
металлорежущих станков
В настоящее время в тяжелых и средних металлорежущих станках
электроприводы подачи выполняются по типовой кинематической схеме, которая
показана на рисунке 2.1.
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
5
Рисунок 2.1 – Типовая кинематическая схема электропривода и
механизма подачи.
Электродвигатель Ml через понижающий редуктор, показанный в виде
шестерни Т1 и зубчатого колеса Т2, приводит в движение ходовой винт ТЗ.
Преобразование вращательного движения ходового винта в поступательное
движение суппорта А1 по направляющим Е7, Е8 осуществляется с помощью
ходовой пары «винт-гайка» Т4. Соединение редуктора с двигателем и ходовым
винтом осуществляется с помощью муфт XI, Х2. Валы ВII и ВIII вращаются в
подшипниках Е1 - Е4, а ходовой винт ТЗ - в подшипниках Е5, Е6.
Приведение моментов на ходовом винте к валу двигателя осуществляется с
помощью следующих соотношений:
M
M
M
M
пр
пр
пр
 хв 0 ; M
 хв1 ; M
 хв 2 ,
хв 0 i 
хв1 i 
хв 2 i 
р мп
р мп
р мп
где  мп - КПД механической передачи вал двигателя – ходовой винт.
Определим КПД механической передачи вал двигателя - ходовой винт. В
соответствии с рис.2.1 можем записать
2    0,98  0,95  0,99  0,92
 мп   м
р пп
где  м - КПД упругой муфты;  р - КПД редуктора; пп - КПД пары
подшипников, установленных на ходовом винте.
M
Изм. Лис
т
M
14
пр
 хв0 
 1,9 Н  м
хв0 i 
8

0,92
р мп
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
6
M
M
70
пр
 хв1 
 9,51 Н  м
хв1 i 
8

0,92
р мп
M
M
90
пр
 хв 2 
 12,23 Н  м
хв 2 i 
8

0,92
р мп
В таблице 2.1 приводятся значения коэффициентов полезного действия
различных элементов кинематической цепи электропривода подачи.
Таблица 2.1
Элементы кинематической цепи
Значения КПД
Упругая муфта
0,98
Винтовая пара «винт-гайка качения»
0,9 - 0,95
Пара подшипников качения
0,99 - 0,995
Пара подшипников скольжения
0,98 - 0,99
Определяем момент инерции ходового винта, кг  м 2
J хв 
2
mхв  d хв
4
где mхв - масса ходового винта, кг .
Масса ходового винта:
mхв  Vхв   
2  l2
  d хв
хв
4
 
  0,072  1,52
4
7,8  103  67,5 кг ,
2
mхв  d хв
67,5  0,07 2
J хв 

 0,082 кг  м 2
4
4
где Vхв - объем ходового винта;  - плотность стали (   7,8 103 кг
м3
)
Момент инерции суппорта, кг  м 2 :
J c  mc  p 2
Масса суппорта, кг :
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
7
mc  m  Vc    a  b  c    0,14  0,5  1,5  7,8  103  819 кг ,
3
J c  mc  p 2  819  0,012  0,0819 кг  м2
где Vc - объем суппорта, м3 .
Приведем параметры ходового винта и суппорта к скорости ходового винта.
При этом суммарный момент инерции суппорта и ходового винта равен, кг  м 2 :
J   J хв  J с  0,082  0,0819  0,1639 кг  м2
Приведем параметры движения на ходовом винте к валу двигателя.
Суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, определяем на
основании закона сохранения импульса движения, кг  м 2 :
J
0.1639
J пр   
 0,003 кг  м2
2
64
ip
Пренебрегая влиянием упругих связей, считаем коэффициенты
J
ω
жесткости с12 и с23 бесконечно большими. Это позволяет
M заменить трехмассовую механическую часть ЭП одной
Mc эквивалентной массой с моментом инерции J , и перейти к
одномассовой расчетной схеме.
В качестве момента нагрузки М с рассматривается приведенный к валу
пр
двигателя момент ходового винта М хв .
Полный момент инерции электропривода, кг  м 2 :
J  J пр  J ,
1
где J - момент инерции ротора двигателя.
1
3 Анализ
системы
возможных
вариантов
и
электропривода
выбор
подачи
металлорежущего станка
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
8
Для осуществления автоматического регулирования предусматриваются
управляемые преобразователи и регуляторы, позволяющие автоматически под
воздействием
обратных
связей
осуществлять
регулирование
координат
электропривода. Наиболее широко используются вентильные преобразователи
напряжения постоянного тока и преобразователи частоты и соответствующие
системы электропривода: система тиристорный преобразователь – двигатель
постоянного тока (ТП – ДПТ), преобразователь частоты –асинхронный двигатель
(ПЧ-АД).
Данные системы имеют ряд преимуществ и недостатков, анализ которых,
учитывая предъявляемые технические требования, позволяют осуществить
правильный выбор системы регулирования.
Система ТП-ДПТ обладает достаточно высоким быстродействием и КПД и
технически проще реализуема.
Система ПЧ-АД представляется технически более сложнее по сравнению с
системой
регулирования
выпрямленным
напряжением,
так
как
требует
дополнительные ступени преобразования электроэнергии.
Из рассмотренных вариантов, учитывая требования задания, наиболее
целесообразнее выбрать систему ТП-ДПТ.
4 Расчет мощности и выбор двигателя
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
9
Определяем эквивалентный момент:
M
Э

(M
пр 2
пр
пр 2
2
2
2
) t  ( M )2 t  ( M
) t
хв0 1
хв1 2
хв 2 3  14  60  70  220  90  20 
t t t
60  220  20
1 2 3
 64,6 Н  м
Определяем расчетную мощность электродвигателя:
Р р  k з  М э  верх  1,2  64,6  157  12,17кВт
где k з  1,1  1,3.
Преобразуем угловую скорость в частоту вращения:
nверх 
30  верх


30  157

 1500 об
мин
Определяем частоту вращения двигателя на нижней границе диапазона
регулирования:
nниж 
30  верх
D
nверх 1500

= 3,3 об
мин
D
450

На основании расчетных данных выбираем двигатель постоянного тока П61М. Параметры двигателя приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1
Тип
Мощность, Напряжение,
двигателя
кВт
Ток, А
В
Частота
КПД, %
вращения,
об/мин
П-61М
12
220
65
1500
84
Номинальный электромагнитный момент ДПТ НВ:
P
12000
М н  ном 
8 Н м ,
ном 1500
Номинальный ток якоря:
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
10
I ном 
Рн
12000

 65 А
U я.н  220  0,84
Постоянная двигателя:
с
М ном 8

 0,12 ,
I ном 65
где Iном – номинальный ток двигателя.
5 Расчет и выбор элементов силовой части
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
11
тиристорного преобразователя
5.1 Расчет
параметров
и
выбор
силового
трансформатора
Определяем мощность на стороне выпрямителя тока:
Pd  U d I d  U я.н I я.н  220  65  14300 Вт.
Определяем типовую мощность трансформатора для трехфазной мостовой
схемы выпрямителя:
ST  1,045  Pd  1,045  14300  14943,5 ВА.
С учетом коэффициента запаса расчетная мощность трансформатора
составляет:
ST . расч  1,25 14943,5  18679,375 ВА.
Выбираем трансформатор ТСЗ -25/0,7. Параметры трансформатора приведены в
таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Параметры трансформатора
Номиналь
ная
мощность,
кВА
Ток
холосто
го хода,
%
Напр.
короткого
замыкания
,%
25
2,6
3,8
Габаритные и
установочные размеры
ТСЗ, мм
Потери
Холостого
хода, кВт
Короткого
замыкания
, кВт
Длина
Ширин
а
Высот
а
0,155
0,6
700
350
650
Масс
а
ТСЗ,
кг
300
Определяем номинальный фазный ток вторичной обмотки трансформатора:
I
Изм. Лис
т
№ докум.
2ф
Подпис Дат
ь
а

Sн
25000

 65,6А
3U я.н
3  220
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
12
Находим полное, активное и индуктивное сопротивления обмоток
трехфазного трансформатора при соединении первичной обмотки в звезду:
Z
U kU НН
3,8  220

 0,07 Ом
100  I 2ф 3 100  65,6  3
Pk 3U нн2 280  3  2202
RTR 

 0,022 Ом
3Pн2
3  250002
2
Х Т  Z 2  RTR
 0,072  0,0222  0,066 Ом
Индуктивность фаз вторичной обмотки трансформатора:
LTR 
XT
0,066

 0,0002 Гн
2 f1 2  3,14  50
5.2 Расчет и выбор тиристоров
Максимальное значение выпрямленного ЭДС для трехфазной мостовой
схемы:
Ed .max  1,35  U нн  1,35  220  297 В
Максимальное обратное напряжение на тиристорах:
U обр.max  1,05  Ed .max  1,05  297  311,85В
Класс тиристора:
класс 
U обр.max
100

311,85
 3,12
100
Исходя из полученных расчетов, тиристоры должны быть не ниже 4-го
класса.
Среднее значение тока тиристора:
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
13
I ср.т 
I d I я.н 65


 21,67 А
3
3
3
Максимальное значение тока тиристора в момент пуска двигателя
определяем при условии, что замкнутая система управления электропривода
обеспечивает кратность пускового тока к двум.
I d.max ki  I я.н 2  65


 43,34 А
3
3
3
I max.Т 
Выбираем тиристор серии Т122-25-4, параметры которого приведены в
таблице 5.2.
Таблица 5.2 – Параметры тиристора Т122-25-4
Наименование
Максимально Обратное
Пороговое
параметров,
допустимый напряжение, напряжение,
единица измерения средний ток, В
В
А
Обозначение
U
U
Iср.т
обр
0
Величина
25
100-1200
1,75
Время
включения
тиристора,
мкс
tвкл
10
Для построения реверсивного тиристорного преобразователя тиристоров
серии Т122-25-4 необходимо в количестве штук.
5.3
Расчет индуктивности уравнительных реакторов.
Уравнительные токи могут протекать по одному из:
1) IIф AT1 – VS1 – L1 – L2 – VS8 – IIф BT1;
2) IIф AT1 – VS10 – L4 – L3 – VS5 – IIф BT1.
Действующее значение уравнительного тока:
I ур  0,1  I я.н  0,1  65  6,5 А
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
14
Требуемая суммарная индуктивность двух уравнительных реакторов при
совместном согласовании управлении группы тиристоров в реверсивном
преобразовании определяется по формуле:
Lур 
kД  2  U НН
2  f1  I ур

0,12  2  220
 0,018 Гн
2  3,141  50  6,5
5.4 Расчет индуктивности сглаживающего дросселя
Индуктивность СД рассчитываем без учета индуктивности уравнительного
реактора, полагая, что они насыщаются рабочими токами.
LСД 
где
en  Edmax
 (2  LTP  La ) Гн,
ie  2 f1  m  I ур
- относительная величина эффективного значения пульсации первой
гармоники выпрямленного напряжения;
- относительная величина эффективного значения пульсации первой гармоники
выпрямленного тока; m – число пульсаций выпрямителя.
 max  90 en  0,24
н 
2 nн  nн 3,14  1500


 157 рад
с
60
30
30
Индуктивность якорной цепи двигателя
La 
Изм. Лис
т
№ докум.
  U ан
0,6  220

 0,006 Гн
pn  н  I ан 2  157  65
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
15
0,24  297
L

 (2  0,0002  0,006)  0,023 Гн
СД 0,02  2  3,141  50  6  65
5.5
Расчет регулируемой характеристики коэффициента
передачи
и
постоянного
времени
тиристорного
преобразователя
Регулировочная характеристика тиристорного преобразователя с учетом
выбранных элементов силовой части строится в соответствии с выражением:
Ed  Ed max  cos 
Коммутационное сопротивление тиристорного преобразователя определяется
по формуле:
RК 
X T  m 0,066  6

 0,063 Ом
2
2  3,141
Принимаем
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
16
Определяем суммарное сопротивление тиристорного преобразователя:
Rп  2  0,22  0,063  2  0,4 103  2  0,005  0,005  0,5188 Ом
Внутреннее падение напряжения тиристорного преобразователя:
U п  Rп  I я.н  0,5188  65  33,7 В
Чтобы определить коэффициент передачи строим касательную к графику
функции:
U d  Ed max  cosφ  Rп  I я.н
Коэффициент передачи тиристорного преобразователя на линейном участке
его регулировочной характеристики можно определить по формуле:
kП 
Edmax 297

 37,125
U су ном
8
где U су ном – напряжение регулирования, необходимое для изменения угла α на
90°.
Для тиристорных преобразователей – 0…10 В.
Достаточно часто на вход системы СИФУ тиристорного преобразователя
устанавливают фильтры.
Постоянную времени такого фильтра принимают равным Tф  0,008 с, при
этом постоянную времени преобразователя определяем по формуле:
TП  TФ 
5.6
Изм. Лис
т
1
2 f1
 0, 008 
1
 0, 01с
2  3,141  50
Расчет постоянных времени электропривода
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
17
Определяем сопротивление якорной цепи двигателя:
Ом
Определяем сопротивление якорной цепи электропривода:
R я  2  Rтр  Rк  2  Rдин  2  R ур  Rсд  Rа  Rп  Rа 
 0,5188  0,0744  0,5932 Ом
Определяем индуктивность якорной цепи электропривода:
Электромагнитную постоянную времени электропривода определяем по
формуле:
Lя
47 103
TЭ 

 0,24c
Rя 195,6 103
Электромеханическую постоянную времени определяем по формуле:
TЭМ 
Rя  J  0,1956  0,49

 0,28с
c2
0,122
Наиболее благоприятным для электропривода является такое соотношение
постоянных времени, когда TЭМ  4TЭ .
Видно, что в данном случае желаемое такое соотношение между постоянного
времени не выдерживается.
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
18
6 Анализ возможности разомкнутой системы по
обеспечению требований задания
Структурная схема разомкнутой системы электропривода, выполненной по
принципу тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока с
независимым возбуждением с регулированием частоты вращения путем
изменения напряжения на якоре, представлена на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 – Структурная схема разомкнутой системы
Структурная схема состоит из двух основных частей – тиристорного
преобразователя и ДТП НВ с нагрузкой.
Тиристорный преобразователь в общем случае состоит из двух звеньев:
1) Система импульсно-фазового управления (СИФУ) с входным устройством;
2) Силовая схема тиристорного преобразователя.
В
инженерных
расчетах
передаточную
функцию
тиристорного
преобразователя в режиме непрерывного тока с достаточной для практических
расчетов точностью, можно представить в виде:
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
19
W ( p) 
kтп
Tтп p  1
где р - оператор дифференцирования;
ТТП - постоянная времени тиристорного преобразователя зависит от
используемой схемы выпрямления, быстродействия СИФУ преобразователя и
индуктивности силовой цепи. В зависимости от этих параметров ТТП принимается
в диапазоне от 0,01 до 0,004 с.
Коэффициент усиления тиристорного преобразователя определяется по формуле:
k тп 
E
d0 ,
U у.ном
где Ed 0 - ЭДС на выходе преобразователя;
Модуль
жесткости
механической
характеристики
электропривода 
(рисунок 6.1) определяется как:
с2

Rя
Анализ электромеханических свойств разомкнутой системы целесообразно
начать с рассмотрения статических механических характеристик для верхнего и
нижнего пределов диапазона регулирования, по которым можно судить об
обеспечении заданных требований.
Уравнение статической механической характеристики имеет вид:
Механическую характеристику ДПТ НВ можно построить по двум точкам.
Для этого определяем значения частоты вращения на верхнем и нижнем пределах
регулирования для двух режимов работы электропривода: при
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
20
7 Синтез замкнутой системы электропривода
Синтез
проводим
с
учетом
инерционности
фильтра
на
выходе
тахогенератора, полагая, что силовой полупроводниковый преобразователь(СПП)
можно рассматривать, как инерционное звено.
Передаточная функция разомкнутого контура регулятора скорости:
Wраз.с ( p )  WPC ( p )  WП ( p )  WPC ( p ) 
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
kДС
kП
1/ c


TП p TэмTэ p 2  Tэм p  1 Tэ p  1
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
21
7.1
Расчет значения частоты вращения двигателя в
режиме холостого хода
Рассчитываем значение частоты вращения двигателя в режиме холостого
хода на верхней границе диапазона регулирования
0max 
7.2
U aн 220

 379,3 рад
с
с
0,58
Определение коэффициента передачи канала обратной
связи по скорости
Принимаем максимальное значение задания скорости:
U зс max  8B
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
22
kДС 
U зс max

0 max
8
Вс
 0,021
379,3
рад
kДС  kТГ
7.3
Расчет постоянной времени двигателя
Т Д  Т эм  Т э  0,26с
7.4
Расчет параметров регулятора скорости
Принимаем
постоянную
времени
фильтра
на
входе
тахогенератора
Т Ф  0,002с .
TИ РС  TД РС  Т Д  0,26 с
T  TП  Т Ф  0,1  TД РС  0,01  0,002  0,1 0,26  0,038 с
kРС 
c  TД
ac  T  kП  kДС
8 Анализ

0,58  0,26
 1,87
2  0,038  50,45  0,021
технических
данных
спроектированного электропривода
Изм. Лис
т
№ докум.
Подпис Дат
ь
а
КПЭП 130302.17.20 ПЗ
Лис
т
23