Автоматизированный электропривод подачи токарного станка

метки: Электропривод, Станок, Токарный, Скорость, Значение, Напряжение, Частота, Элемент

Техническое задание на курсовой проект

:

двухмассовой системы

сопротивления ΔМ

Исходные данные для проектирования АЭП

Вариант 1.0

Наименование величин	Значения
Значение коэффициентов для расчете режима резания	kv =1.6; kpz =1.5; xpz =1.0; ypz =0.8; np =0
cpz	90
cv	150
xv	0.2
yv	0.8
m	0.2
T , мин	60
Глубина резания, t, мм	t= 2
Величина подачи, S , мм	Υ = 45
КПД станка	= 0,8
Максимальная скорость шпинделя, с	ώш мах = 18
Общий диапазон регулирования скорости	D = 150
Длительность переходного процесса при управляющем воздействии.	t =0,4 с
Длительность переходного процесса при возмущающих воздействии	t не более 0,5
Динамическая ошибка замкнутой системы, %	3
Момент инерции механизма станка приведенный к валу двигателя J , кг м	J = 0,3
Частота упругих колебаний механической системы, с-1	ω =100
Коэффициент демпфирования упругих колебаний ξУ	=0,1
Система электропривода	Тиристорный преобразователь-двигатель

Глава 1. РАСЧЕТ И ВЫБОР СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

1.1.Выбор электродвигателя главного движения карусельного станка

Требуемая мощность приводного электродвигателя шпинделя станка рассчитывается для длительного режима работы по формуле:

где, F — усилие резания, Н ;

• скорость резания, м/мин;
• КПД станка.

Fz =9.81 cpz kpz txpz Sypz Vnp , V = cv kv / Tm txvSyv .

Соответствующие параметры расшифрованы в таблице исходных данных., Таким образом получаем:

= 9.81 90 1.5 21 0.60.8 1 = 1748.47 Н.

= 150.9 м/мин

Р кВт

по расчитаной мощности выбираю двигатель: так как мощность двигателя 5,5 кВт, то выбираем приводной электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения серии 2ПФ типа 2ПФ132М.

Технические данные электродвигателя постоянного тока 2ПФ132М:

• частота вращения номинальная n
• частота вращения максимальная
• ток якоря
• КПД =80 % ;
• сопротивление обмотки якорной цепи R
• сопротивление обмотки возбуждения R
• число проводников якоря
• число витков обмотки возбуждения
• число главных полюсов 2Р
• момент инерции J
• номинальное якорное напряжения
• номинальное напряжения возбуждения
• число параллельных ветвей обмотки якоря 2а=2;
• управление скоростью электропривода- двухзонное.

Передаточное число редуктора находится по формуле:

i =

где, -максимальная скорость двигателя,

• максимальная скорость шпинделя.

, с

i =

Индуктивность цепи якоря двигателя приближенно может быть рассчитана по формуле Линвилля-Уманского:

где,:

• номинальный ток якоря, А
• номинальное якорное напряжение двигателя
• число пар полюсов
• коэффициент компенсации при наличии компенсационной обмотки
• номинальная угловая скорость двигателя
• вычисляется по формуле:

где, -номинальная частота вращения

Расчет активного сопротивление якорной цепи двигателя

1.2. Выбор тиристорного преобразователя (ТП)., Исходя из условий:

=440 В, = 30А.

Исходя из требований, получаем: Преобразователь типа

Тип преобразо-вателя	Напряжение U , В	Ток номинальный I , А	Ток максимальный I , А	КПД ,%
КТЭ 50/440	440	50	100	95

Уравнение характеристики СУТП: = 90–

Максимальный ток – ток, при котором допускается работа агрегата в повторно- кратковременном режиме в течение 15 с. со времени цикла 10 мин при условии, что среднеквадратичное значение тока не превышает номинального значения. Управление реверсивным тиристорным агрегатом — раздельное. Силовая часть преобразователя построена по трехфазной мостовой схеме выпрямления. Агрегаты с номинальным напряжением 440 В предназначены для непосредственного подключения к сети с линейным напряжением 380 В.

для дальнейших расчетов необходимо определить индуктивность L

L =L + L + L

В рассматриваемой схеме нет уравнительного реактора и силового трансформатора поэтому

L = L

Следуя условию: I, Получаем: Трехфазный токоограничивающий реактор типа РТСТ-41-1,0 У3

Тип реактора	Ток I , А	Напряжение сети U , В	Индуктивность L , мГн	Активное сопротивление R , Ом
РТСТ-41-1,0У3	41	410	1,000	0,08850

L = L =1 мГн = 10-3 Гн

Сопротивление R

R =R + R + R + R + R

В моем случае: R, Сопротивление коммутации рассчитываем по формуле:

R = L · f · m

• индуктивность анодной цепи тиристора

f-частота питающей сети (50 Гц)

m-число пульсаций ТП (для мостовой схемы m=6)

R =1·10-3·50·6=0,3 Ом

R = 2 0,088+0,3=0,476 Ом

1.3. Выбор сглаживающего дросселя

При работе тиристорного преобразователя на якорь двигателя в ряде случаев необходим сглаживающий дроссель. Эту необходимость следует проверить, так как параметры силовой цепи тиристорного преобразователя и конструктивные особенности двигателя могут допускать бездроссельный вариант привода. Основными расчетными параметрами дросселя являются его номинальный ток I и индуктивность L .

При выборе дросселя по току справедливо условие: I, Индуктивность дросселя: L

L — полная индуктивность якорной цепи

L — индуктивность тиристорного преобразователя

L — индуктивность двигателя

Требуемое значение L

L =

где,

е — относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного напряжения (для широко регулируемых ЭП е =0,22….0,24).

Выберу е =0,24

Е — максимально выпрямленная ЭДС ТП

i — относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного тока (для двигателей серии 2ПФ и 4ПФ i = 0,07)

• угловая частота пульсаций

Найду : = 2··f·m

Где f-частота питающей сети (50 Гц)

m-число пульсаций ТП (для мостовой схемы m=6)

= 2·3,14·50·6=1884 с

Таким образом, L

L =L — L — L =0,031 -0,001-0,017=0,013>0

Дроссель нужен., Значение L

где: I — минимальный рабочий ток двигателя.

Определим: I

I = 0,2 · I

= 0,2 ·30 = 6 А

Гранично-непрерывный ток I

I =

где: = arccos ( )

где: E = к

— Ф· + I · R

кФ-к0оэффициент передачи по магнитному потоку

-полное активное сопротивление якорной цепи ТП-Д,

Так как, сглаживающий дроссель еще не выбран, то его сопротивление R

R =

U -падение напряжения на дросселе

U = U ·0,01

U =0,01·440=4,4 В

R = Ом

R =0,66+0,476+0,14=1,276 Ом

=

где, -минимальная угловая скорость,

• максимальная угловая скорость двигателя 4500
• диапазон управления скоростью

= =3,14 с

кФн=

кФн= =3,7 В·с

=3,7·3,14+30∙1,276 =49,8 В

=arccos =84°

I = 5,7 A

Условие I <I выполнено , т . к . 5,7<6 [A]

Дроссель нужен.

L = L — L — L

L =0,031-0,017-0,001=0,013 Гн

L > L и I ≥

Исходя из условия: выбираем сглаживающий дроссель:

ДФ — 7

Тип дросселя	Ток, I А	Индуктивность L, мГн
ДФ – 7	40 А	15

Определяем уточнённое значение L

L = L + L +L

L =0,017+0,001+0,015=33∙ 10-3 Гн =33мГн

1.5. Определение коэффициентов передачи и постоянных времени силовых элементов

В работе следует использовать динамические коэффициенты передачи звеньев САУ, определяемые как отношение приращения, выходной переменной к приращению входной переменной в рабочей точке статической характеристики звена.

Коэффициент передачи двигателя при управлении напряжением якоря

К =

К = =0,28

Коэффициент передачи двигателя по возмущению-изменению

К =

К = =0,08

Коэффициент передачи тиристорного преобразователя (ТП)

К . =

U =0….10В

∆Е =Е -Е

∆U =U -U

Е = Е sin ( ),

Е =513 В

=10 В, таким образом:

Построим зависимость Е

U	0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
Е	0	36,23	72,28	107,97	143,12	177,56	211,11	243,6	274,88	304,78	333,17
U	5,5	6	6,5	7	7,5	8	8,5	9	9,5	10
Е	359,89	384,81	407,81	428,77	447,59	464,18	478,44	490,32	499,75	506,68

рис. 1 Регулировочная характеристика тиристорного преобразователя

Е =кФω + I R

Е =3,7·114 + 1,276∙30= 385,8 В

Е =кФω + I R

ω =

=

= =471 с

ω = =3,14 с

Е =3,7·3,14+30∙1,276 = 49,88 В

U = arcsin ( )

U = arcsin( )= 5,4 В

U = arcsin( )

U = arcsin ( )= 0,09 В

К =

К = =63,2

Электромагнитная постоянная времени

Т =

Т = =0,025 с

Электромеханическая постоянная времени привода

Т =

• суммарный момент инерции ЭП

J = J + J

=0,65+0,3 = 0,95 кг·м

Т = c

Глава 2. КОМПОНОВКА И РАСЧЕТ СТАТИКИ САУ

2.1. Выбор структуры САУ

В соответствии с техническим заданием в курсовой работе рассматриваем двухконтурную систему регулирования скорости.

При выборе типа элементов САУ следует ориентироваться на отечественную систему

УБСР-АИ

Данные элементов УБСР-АИ

Тип элемента	Наименование Элемента	Характеристики элемента
		U ,В	R ,кОм	R ,кОм	К
У2-АИ У4-АИ	Операционные усилители	-10 +10	150	2	Не менее 10000
ФВ- I АИ	Фазочувствительный выпрямитель	8	5	2	1,25
ДТ- I АИ	Датчик тока	0,075…0,2	0,01	2	40…140
ДН- I АИ	Датчик напряжения	-10,+10	10	2	1

2.2. Построение функциональной схемы САУ

Функциональная схема САУ позволяет определить основные функциональные связи между звеньями системы.

Структура системы имеет следующий вид:

U з ДТ Д ДС

ЗУ

ТП

РТ

РС

U ос

где: ЗУ — задающее устройство скорости ;

РС — регулятор скорости ;, РТ — регулятор тока ;, ТП — тиристорный преобразователь ;, ДТ — датчик тока ;, ДС — датчик скорости ;, Д — электродвигатель ;

• заданное напряжение скорости ;

U — напряжение обратной связи по скорости

В качестве типовых регуляторов тока и скорости могут использоваться пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы.

2.3 . Расчет статических характеристик САУ

В этом разделе рассчитываются приближенные графики и механические характеристики двигателя =f(M) в разомкнутой системе на верхней и нижней скоростях. Строятся графики на рабочем отрезке М (М =M ).

=

Мс =

Мс= = 48,24 Н·м

при М=0 =

= = 104,2 с

при М=Мс =

= = 99,8 с

при М=0 =

= = 13,45 с

при М=М =

= = 9,05 с

Определю просадку скорости:

=

= ·100% = 4,2 %

=

= ·100%= 32 %

Расчет значения скорости для второй зоны регулирования при ослаблении магнитного потока в 2 раза получаем:

При:

при уменьшении момента на валу двигателя в 2 раза получаем:

рис.2 Механические характеристики.

2.4. Выбор элементов САУ и расчет параметров обратных связей

Функциональная схема включения датчика и регулятора скорости.

C 0

Ro

РС

R з

R с

ТГ

п

R1

C 1

При использовании аналоговых регуляторов на базе операционных усилителей, например, регуляторов серии УБСР-АИ, коэффициент передачи обратной связи по скорости можно определить следующим образом:

К =К ·К =

К = =0,08 В·с

где, U -максимальное значение управляющего напряжения задающего устройства (для элементов УБСР-АИ U = 10 В )

• номинальная угловая скорость двигателя

В качестве датчиков скорости могут применяться тахогенераторы постоянного тока типов ТМГ, ТГ, ТД, ПТ и другие. Тахогенератор выбирается из условия: n >n , так как

n = 4500 об/мин

Исходя из условий выбираем ТГ-3

Тип тахогене-ратора	Коэффициент передачи, В·с	Сопротив- ление обмотки якоря, Ом	Макс. ток нагрузки, А	Макс. частота вращения, об\мин	Напряжение возбуж- дения, В	Ток возбуждения, А
ТГ-3	0,16	51	0,10	4000	27	0,30

Рассчитаем коэффициент передачи датчика скорости К

К =К ·К ·К

где, К — коэффициент передачи потенциометра(0,5)

К — коэффициент передачи сглаживающего дросселя (0,95)

К — коэффициент передачи тахогенератора,

К = 0,16·0,95·0,5 = 0,076 В·с

Определим коэффициент приведения обратной связи по скорости к задающему входу регулятора скорости:

К = К = = 1,05

Коэффициент передачи обратной связи по току в системах подчиненного регулирования определяется выражением:

К =

где, U — напряжение ограничения регулятора скорости, получаемое с помощью соответствующего блока ограничения, 10 В

• максимальное значение тока якоря двигателя

I =2,5· I

=2,5·30 = 75 А

К = = 1,3

Найдем коэффициент передачи датчика тока К

К = К · К

где, К — коэффициент передачи шунта

К — коэффициент усиления датчика тока ДТ-1АИ (выберу 100)

Тип элемента	Наименование Элемента	Характеристики элемента
		U ,В	R ,кОм	R ,кОм	К
ДТ- I АИ	Датчик тока	0,075…0,2	0,01	2	40…140

Вычислим К

К =

где, U =75мВ

I ≥ I ( I =30 A ), так как I = 50, 75, 100, 150, 200, 300, 500 А то выбираем

=50 А , тогда получаем:

К = =1,5·10-3

К =1,5·10-3·100=0,15

Рассчитаем коэффициент приведения обратной связи по току (К

К =

К = = 8,6

К =

Глава 3 .СИНТЕЗ И РАСЧЕТ ДИНАМИКИ САУ.

3.1. Составление передаточных функций звеньев САУ .

Построенная выше функциональная схема САУ даёт возможность выделить отдельные динамические звенья САУ 1-го и 2-го порядка. Для каждого звена надо составить его передаточную функцию и структурную схему.

Тиристорный преобразователь

где: ТТП-постоянная времени, ТТП=ТФ+τТП(ТФ-постоянная времени фильтра(0,003…..0,005), τТП-время запаздывания силовой части(τТП= ).

τТП= = 0,05

ТТП=0,05+0,004=0,054

W ТП(р)=

Датчики скорости и тока

для датчика скорости ТДС=0,01…0,02; для датчика тока ТДТ=0,002…0,005.

W ДС(р)=

W ДТ(р)=

Передаточные функции П-,ПИ-,ПИД-регуляторв, построенных на базе операционных усилителей, соответственно могут быть представлены в виде:

β- динамический коэффициент усиления

τ- постоянная времени настройки регулятора

Структурная схема имеет вид:

ЗУ

3.2. Построение структурной динамической схемы и синтез регуляторов .

В САР скорости контур тока чаще всего настраивается на оптимум по модулю(ОМ), а контур скорости- на симметричный оптимум(СО).

Так как структура СЭП с упругими звеньями надо рассчитать сопрягающие частоты:

,

ξ1= ξУ

Т1= =0,01 с

ξ1= ξУ=0,1

Коэффициент отношения масс:

q = =

q = 0,68

так как q>0,5 надо применить вторую ступень оптимизации.

Т2= ;

ξ2= ξ1·

Т2= =0,016 с

ξ2= 0,1· =0,063

Параметры

1= = 93,6

1= =0,1

передаточная функция контура скорости :

Параметры ПИ-регулятора тока настраиваем как в жесткой системе:

2=

2= Т = 0,02

К =

Суммарная малая постоянная времени контура тока: Т =Т +Т

К = = 64,3

Т =0,054+0,002= 0,056

2= =0,002

передаточная функция разомкнутого контура тока :

передаточная функция замкнутого контура тока :

передаточная функция двигателя с упругими связями

W

W

передаточная функция механизма:

W

W

3.3 Оптимизация цепи возбуждения двигателя

1. контур тока возбуждения

Т =σ с 2р

где, Т -постоянная времени контура тока возбуждения ;

σ -коэффициент рассеивания потока двигателя 1,15….1,25 , выбираем σ =1,2 ;

с -коэффициент намагничивания;

с =

для того, чтобы найти коэффициент намагничивания с

IW , А·в	0	1360	2720	4080	5440	6800	8160
Ф, Вб	0	0,01863	0,03657	0,05244	0,06141	0,069	0,07383

рис. 3 Кривая намагничивания.

из графика видно, что ΔIW =2757,5 А·в;

• ΔΦ =0,026078 Вб;

с = =9,46·10

• число витков на полюс обмотки возбуждения
• сопротивление обмотки возбуждения в нагретом состоянии

Вычисляем номинальный ток возбуждения

I =

I = A

Исходя из условий:

=220 В., = 1,9 А.

Исходя из требований, получаем: Преобразователь типа

Тип преобразо-вателя	Напряжение U , В	Ток номинальный I , А	Ток максимальный I , А	КПД ,%
КТЭУ 5/220	220	5	40	85

Уравнение характеристики СУТП: = 90–

Максимальный ток – ток, при котором допускается работа агрегата в повторно- кратковременном режиме в течение 15 с. со времени цикла 10 мин при условии, что среднеквадратичное значение тока не превышает номинального значения. Управление реверсивным тиристорным агрегатом — раздельное. Силовая часть преобразователя построена по трехфазной мостовой схеме выпрямления. Агрегаты с номинальным напряжением 460 В предназначены для непосредственного подключения к сети с линейным напряжением 380 В.

Т =1,2·9,46·10 ·4· = 0,94 с

Эквивалентная постоянная времени Т

где, Т =0,94 — постоянная времени контура тока возбуждения

Т =0,1 Т =0,1·0,94=0,094

Т = 0,94+0,094 = 1,034 с

Коэффициент обратной связи контура возбуждения К

К =

К = = 5,2

ПИ-регулятора тока возбуждения настраивается на оптимум по модулю:

К =

U =0….10В

К = tg α = =51,3

Т

Т =3,4 с

К -коэффициент передачи датчика потока 0,5…1 ( выбираем 1)

=0,065

τ4=

2. контур ЭДС

ПИ-регулятор ЭДС настраивается на оптимум по модулю

где, Т =Т = =0,029

К -конструктивная постоянна времени

К= = =528,5

К = =0,022

= 8∙10-5

=0,029 с

4. ВЫВОД

Целью курсового проекта являлось спроектировать автоматизированный электропривод движения карусельного станка, выполнить расчет статики и произвести оптимизацию динамики САУ. При выполнении оптимизации коэффициент ПИ регулятора скорости стали 1=22, 1=0,1496 с ( расчетные значения 1=35,72, 1=0,071 с)

В результате оптимизации были получены графики переходных процессов по возмущению и по управлению:

1. по управлению:

• перерегулирование:

где,: — максимальное значения выходной переменной, выбирается из таблицы

• установившиеся значения выходной переменной, выбирается из таблицы

, что удовлетворяет техническому задание, по которому перерегулирование должно составлять 5%

• Время переходного процесса.

Границы установившегося значения

отложив на графике 5 %-ю область получу время переходного процесса

что удовлетворяет техническому заданию, в соответствии с которым

1. по возмущению:

• время переходного процесса по возмущению:

как можно видеть из графики переходного процесса по возмущению переходный процесс успевает закончится за 1 секунду, что соответствуют техническому заданию курсового проекта.

ЛИТЕРАТУРА

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovoy/elektroprivod-tokarnogo-stanka/

1. В.М.Шестаков «Теория автоматическою управления. Методические указания к курсовой работе для студентов по специальности 2102». ВТУЗ-ЛМЗ Ленинград, 1989.

2. Конспект по теории автоматического управления.

3. Егоров В.Н., Шестаков В.М. «Современные методы расчета динамики замкнутых САУ» -Л.: СЗПИ, 1982.

4. Ф.Ф. Андреев «Электронные устройства автоматики. М.«Машиностроение»

1978г.

5 Электроника: Справочная книга. Ю.А.Быстров, Я.М. Великсон, В.Д.Вогман и др.;.Под ред. Ю.А. Быстрова.- СПб.:Энергоатомиздат. 1996