38798

Расчет автоматизированного электропривода поперечной подачи плоскошлифовального станка 3Е711

Дипломная

Производство и промышленные технологии

Для увеличения точности шлифования в данном курсовом проекте необходимо уделить особое внимание приводу вертикальной подачи поэтому рассмотрим несколько вариантов его реализации: На основе применения вентильного двигателя: Подключение вентильного двигателя можно реализовать с помощью микросхемы MC 33033 и MC 33039 рис.1 Схема привода на основе БДПТ На основе шагового двигателя: Основные функциональные узлы разомкнутого шагового электропривода приведены на рис. Принцип его работы заключается в том что при изменении частоты...

Русский

2013-09-30

3.36 MB

175 чел.

PAGE  71

СОДЕРЖАНИЕ

[0.1] 8.1 Формализация условий работы промышленной установки

[0.2] 8.2 Разработка алгоритма и программы управления

[0.3] 8.3 Проектирование функциональной схемы системы автоматизации

[0.4] 8.6 Полное описание функционирования системы автоматизации

[0.5] 10.2 Составление  перечня элементов электрооборудования промышленной установки

[0.5.0.1] BR080W1000

[0.5.0.2] Schneider Electric VAMU1

[0.5.0.3] BUSSMAN Limitron KTK JJS-6

[1] Для этого необходимо определить:

[2]
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


ВВЕДЕНИЕ

Шлифование – один из прогрессивных методов обработки металлов резанием. При шлифовании припуск на обработку срезают абразивными инструментами – шлифовальными кругами. Шлифовальный круг представляет собой пористое тело, состоящее из большого числа абразивных зерен, скрепленных между собой связкой. Между зернами круга и связкой расположены поры. Материалы высокой твердости, из которых образованы зерна шлифовального круга, называют абразивными. Шлифование состоит в том, что шлифовальный круг, вращаясь вокруг своей оси, снимает тонкий слой металла (стружку) вершинами абразивных зерен, расположенных на режущих поверхностях шлифовального круга (периферия круга). Число абразивных зерен, расположенных на периферии круга, очень велико; у кругов средних размеров оно достигает десятков и сотен тысяч штук. Таким образом, при шлифовании стружка снимается огромным числом беспорядочно расположенных режущих зерен неправильной формы, что приводит к очень сильному измельчению стружки и большому расходу энергии. Режущая поверхность шлифовального круга состоит из множества абразивных зерен, расположенных на его поверхности на некотором расстоянии друг от друга и выступающих на различную высоту. Этим объясняется то, что не все абразивные зерна работают одинаково. Абразивное зерно, вращаясь с очень большой скоростью (90 м/с и более), срезает металл с поверхности заготовки. Следовательно, шлифование следует рассматривать как сверхскоростное резание (царапанье) поверхностных слоев заготовки большим числом мельчайших шлифующих зерен (резцов), сцементированных в круге с помощью связки. Полученная таким образом шлифованная поверхность представляет собой совокупность шлифовочных рисок, оставляемых вершинами абразивных зерен круга. Образование каждой шлифовочной риски происходит в результате последовательного внедрения режущей кромки зерна в обрабатываемую поверхность.

    Плоское шлифование делят на две группы: шлифование периферией

круга и шлифование торцом круга. Для осуществления плоского шлифования необходимы следующие движения: а) главное движение резание – вращение шлифовального круга; б) движение подачи шлифуемой заготовки; в)  вижение поперечной подачи детали или шлифовального круга в направлении, перпендикулярном движению подачи; г) движение шлифовального круга на заготовку или заготовки на шлифовальный круг – подача на глубину шлифования. В том случае, когда высота шлифовального круга больше ширины шлифуемой заготовки, поперечная подача отсутствует.


1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ ЭЛЕКТРПРИВОДУ

1.1 Описание промышленной установки

Станок 3Е711 предназначен для шлифования торцом круга плоских поверхностей различных изделий, закрепленных на столе. Станок имеет программированый съем припуска, при котором обеспечивается черновая автоматическая подача с переходом в цикле на чистовую, отключение чистовой подачи при достижении заданного размера, выхаживание и отскок шлифовального круга.

В станке предусмотрена автоматеческая поперечная подача, автоматический реверс суппорта, вывод стола в зону загрузки.

Данный станок с указанным уровнем автоматизации предназначен для использования в серийном и крупносерийном производствах.

Рисунок 1.1 – Общий вид промышленной установки.

Плоскошлифовальный станок состоит из:

1.-Стол;

2.-Ограждение;

3.-Механизм фиксации суппорта;

4.-Смазка станка;

5.-Головка шлифования;

6.-колонна;

7.-Привод шлифовального круга;

8.-Редуктор вертикальной подачи;

9.-Охлаждение;

10.-Сборник;

11.-Электрооборудование. Пульт управления.


1.2 Анализ технологического процесса промышленной установки  и выбор управляемых координат электропривода

Плоское шлифование в настоящее время является наиболее надежным методом точной обработки плоскостей. Плоское шлифование осуществляется периферией или торцом круга на специальных плоскошлифовальных станках с прямолинейно-возвратным или вращательным движением стола. При шлифовании периферией круга условия работы менее жесткие, чем при работе торцом круга, так как площадь соприкосновения круга с обрабатываемой заготовкой меньше, поэтому в данном случае применяются менее мощные станки. Обычно при работе периферией круга применяются станки мощностью не более 7-15 кВт, в то время как при работе торцом круга мощность станков достигает 50 кВт и более. Плоское шлифование периферией круга производится обычно шлифовальными кругами типа ПП наружным диаметром 175-500, высотой 20-75 мм (реже до 100 мм). Шлифуемые заготовки в зависимости от материала, формы и размеров крепятся на рабочей поверхности стола или на магнитной плите. При обработке торцовых поверхностей, когда необходимо шлифование широким кругом, применяются шлифовальные круги типов ПВ и ПВД. При плоском шлифовании торцом круга широко применяются круги типов 1К, ЧК, ЧЦ и ПН, а также шлифовальные сегменты, закрепленные в специальной сегментной головке. Применение сегментов позволяет обрабатывать большие поверхности, которые невозможно обработать без прижогов шлифовальными кругами другого типа. Для плоского шлифования торцом круга в тех случаях, когда требуются более высокая чистота и точность отделки заготовки, или при обработке заготовки небольших размеров вместо сегментов применяются кольцевые круги. Кольцевыми кругами называются такие, диаметр отверстия которых больше половины наружного диаметра круга. Они изготовляются в зависимости от назначения наружным диаметром 200-600 мм на бакелитовой или керамической связках. Закрепляются такие круги в крепежной планшайбе серой или каким-либо другим цементирующим или клеящим веществом.

Для плоскошлифовальных станков, работающих торцом, абразивная промышленность изготовляет кольцевые круги типа К. Такие круги применяются в большинстве случаев на плоскошлифовальных станках с вертикальным шпинделем и реже — на заточных станках с горизонтальным шпинделем. Для плоского шлифования торцом круга широко применяются также шлифовальные круги типа ЧК наружным диаметром 75-175 мм, реже — круги типа ЧЦ наружным диаметром 100-150 мм и типа 1T тех же размеров. Для станков, работающих периферией круга, на которых, в частности, обрабатываются направляющие станин, применяются круги типа ПП, наружным диаметром 350-400 мм и типа ПВД тех же размеров.

 Для улучшения условий удаления стружки, снижения температуры в зоне шлифования, уменьшения деформации заготовок, прижогов и местного отпуска поверхности обработки при работе торцом круга искусственно сокращается зона соприкосновения круга с заготовкой путем поднутрения торца круга при его правке или наклона шлифовальной бабки. При этом сокращается площадь контакта круга с заготовкой, а шлифование осуществляется только частью зерен, расположенных на рабочей кромке круга.

При плоском шлифовании чаще всего работают относительно мягкими кругами на бакелитовой или керамической связке из нормального и белого электрокорунда и реже из карбида кремния. Наиболее часто применяются круги зернистостями 125, 100, 80; 63, 50 и 40. Круги более мелких зернистостей применяются лишь для выполнения специальных работ.

В настоящее время на операциях окончательного плоского шлифования периферией круга, когда припуск на обработку не превышает 0,2 мм, и при небольших съемах металла требуются высокая геометрическая и размерная точность и высокое (без прижогов) качество обработанной поверхности, применяют круги из эльбора. При применении эльборных инструментов предъявляются повышенные требования к жесткости и виброустойчивости станков, а также к равномерности продольной и поперечной подач, так как обработка ведется обычно при их меньших значениях, чем в случае применения инструментов из обычных абразивных материалов.

Глубинное шлифование (шлифование с предельными глубинами, в 10-1100 раз превышающими глубины при обычном плоском шлифовании) является прогрессивным методом окончательной обработки в размер различных прямоугольных пазов, угловых и сложных профилей и других конструкций (например, «елочного» профиля замков турбинных лопаток) машин и механизмов. 

Выбор регулируемых координат электропривода.

Для обеспечения заданного технологического процесса необходимо обеспечить заданную точность поперечной подачи: 1 мм. Следовательно нужно осуществить регулирование электропривода поперечной подачи.

1.3 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу

Автоматизированный электропривод, рассматриваемый в данном дипломном проекте, должен удовлетворять следующим условиям:

- дискретность электропривода поперечной подачи 1 мм

-максимальные ускорения и замедления при пуске, торможении, и изменении скорости.

-обеспечивать необходимы диапазон скоростей 1,5.

-ошибка позиционирования не должна превышать 1%.

-обеспечивать плавность хода.

-простота и надежность управления.

-обеспечение необходимого пускового момента.

-удобство обслуживания, наладки и диагностики.

-обеспечение многократных режимов пуска, реверса, торможения.

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Обзор систем электропривода, применяемых в промышленной установке

Нередко возникает вопрос о модернизации промышленного оборудования и всего технологического процесса в целом. Для плоскошлифовального станка, в данном курсовом проекте, в первую очередь необходима модернизация поперечной и вертикальной подачи для увеличения точности обработки заготовки.

Для увеличения точности шлифования в данном курсовом проекте необходимо уделить особое внимание приводу вертикальной подачи, поэтому рассмотрим несколько вариантов его реализации:

  1.  На основе применения вентильного двигателя:

Подключение вентильного двигателя можно реализовать с помощью микросхемы MC 33033 и MC 33039  (рис.2.1). Микросхема адаптера MC 33039. ИС MC 33033 и MC 33039 в базовой схеме включения работают без обратной связи по скорости. Для получения более жестких механических характеристик и повышения точности регулирования замыкание контура скорости БДПТ может быть осуществлено при использовании ИС контроллера MC 33035 (MC 33033) совместно с ИС адаптера MC 33039, предназначенной для преобразования сигналов датчика положения в импульсный сигнал со скважностью, пропорциональной скорости вращения.

Рисунок 2.1 - Схема привода на основе БДПТ

  1.  На основе шагового двигателя:

Основные функциональные узлы разомкнутого шагового электропривода приведены на    рис. 2.2. Последовательность управляющих импульсов вырабатывается генератором импульсов(ГИ) с регулируемой частотой путем подачи управляющего сигнала Uy. Указанная последовательность импульсов может  поступать также  непосредственно от ЭВМ. При необходимости сигналы с выхода ГИ калибруются по длительности и амплитуде в формирователе импульсов ФИ и через ключ управления КУ поступают на распределитель импульсов РИ.

Рисунок 2.2 - Функциональная схема разомкнутого шагового электропривода.

  1.  Система электропривода: преобразователь частоты-асинхронный двигатель:

На сегодняшний день энергосбережение является одной из важных задач, стоящих перед человечеством, целью которого является сведение к минимуму потерь электроэнергии.

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для управления, а именно для регулирования скорости электропривода переменного тока, который включает в себя электродвигатель (ЭД), систему управления и, собственно, сам преобразователь электроэнергии, в данном случае преобразователь частоты (Рисунок 2.3).

Принцип его работы заключается в том, что при изменении частоты питания напряжения – изменяется частота вращения двигателя.

Рисунок 2.3-Система электропривода: преобразователь частоты-асинхронный двигатель.

2.2 Выбор рациональной системы электропривода

Характер технологического процесса оказывает основное влияние на режимы работы электропривода и определяет главные требования, предъявляемые к нему. Электропривод поперечной подачи должен обеспечивать глубокое регулирование угловой скорости при постоянстве момента нагрузки, высокие динамические показатели системы, и кроме того, должен точно отрабатывать большие, средние и малые перемещения.

Для привода подачи применим только регулируемый электропривод т.к производится регулирование положения в широких пределах, предъявляются высокие требования к качеству регулирования .

Регулируемый электропривод с плавным изменением частоты вращения в широком диапазоне наилучшим образом  удовлетворяет условиям автоматического регулирования.

Наиболее распространенным видом привода вследствие своей простоты и наименьших капитальных вложений является короткозамкнутый асинхронный электродвигатель. Этот вид привода применяется от самых малых мощностей до нескольких тысяч киловатт, кроме того, он отличается простой конструкцией, высокой надежностью и удобством в обслуживании. Управление механическими координатами, основными из которых являются скорость вращения и момент на валу, в электроприводе с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором может быть осуществлено тремя основными методами:

  1.  изменением напряжения приложенного к двигателю, при этом частота питающего напряжения постоянна;
  2.  изменением амплитуды и частоты приложенного напряжения – скалярное управление;
  3.  векторным управлением.

Первый метод используется для регулирования скоростью в небольших пределах и является энергетически эффективным только для технологических установок с нагрузочными характеристиками, не выходящих за область допустимых моментов на валу двигателя. Данный метод широко применяется для облегчения пуска асинхронного двигателя, кроме того в настоящее время подобные системы оснащены целым рядом дополнительных функций: защита от короткого замыкания и перегрузок по току, реверс двигателя, возможность интеграции в комплексные системы автоматического управления и т.д.

Описанный метод управления не может в полной мере обеспечить энергетически и функционально эффективного управления асинхронным электроприводом. Для этих целей исторически первыми применялись преобразователи частоты с непосредственной связью. Простая и естественная компоновка такого преобразователя частоты позволяет получать из высокой частоты низкую. Верхняя частота регулирования ограничена частотой питающей сети, что снижает область применения данных преобразователей. В настоящее время такого рода преобразователи также используют для осуществления плавного пуска асинхронных двигателей большой мощности и регулировании частоты вращения двигателя при не большом диапазоне регулирования.

Теоретически безукоризненный способ управления координатами электропривода с короткозамкнутым асинхронным двигателем состоит в изменении частоты питающего напряжения с одновременным воздействием на его амплитуду – это, так называемое, скалярное управление. Для его осуществления в настоящее время используются преобразователь частоты на основе автономного инвертора. Скалярное управление позволяет плавно регулировать скорость вращения ротора асинхронного двигателя. При этом в зависимости от нагрузочных характеристик исполнительного механизма, применяют различные законы формирования частоты и амплитуды подводимого к двигателю напряжения. Самым распространенным из них является закон U к f константа.

При проектировании частотно-регулируемого автоматизированного электропривода, следует помнить об ухудшении вентиляции двигателя. Вентилятор любого общепромышленного двигателя рассчитывается исходя из работы на номинальной скорости. Если же скорость уменьшается – уменьшается и эффективность работы вентилятора, что может вызвать перегрев двигателя. Для работы в длительном режиме на пониженных частотах и с номинальным моментом, необходимо использовать специальный двигатель или общепромышленный двигатель, обдуваемый внешним вентилятором.

Если необходимо обеспечить наилучшую динамику системы применяется векторное управление, фактически обеспечивающее амплитудно-фазовое управление. Данное управление позволяет получить высокий пусковой момент и сохранить его до номинальной скорости асинхронного электродвигателя. Векторное управление обеспечивает высокое качество регулирования по скорости, даже при скачкообразном изменении момента сопротивления на валу. Важно и то, что векторное управление позволяет наилучшим образом обеспечить энергосбережение, так как преобразователь частоты (инвертор) передает в двигатель ровно столько мощности, сколько необходимо для вращения нагрузки с заданной скоростью, даже если входное напряжение больше чем 380В. Экономия электроэнергии особенно заметна на мощных двигателях 11кВт и выше.

Т.о. рационально использовать систему электропривода ПЧ – АД с частотно-токовым способом управления. При частотно-токовом способе управления асинхронными двигателями сигнал на входе электропривода формирует момент на валу электродвигателя. Механические характеристики привода являются мягкими. Так как функциональная зависимость момента электродвигателя переменного тока от величины тока якоря является более прочной, чем от величины напряжения на якоре, входной сигнал формирует ток якоря. Мгновенные значения токов якоря в фазах обмотки определяются входными сигналами (требуемым моментом) и условным положением ротора.

Они должны соответствовать требованиям к мгновенным значениям токов многофазной симметричной системы.

Отличительной чертой приводов с частотно-токовым управления является применение в них преобразователей энергии на основе усилителей тока, представляющих собой усилители напряжения, охваченные глубокой отрицательной связью по мгновенным значениям токов фаз электродвигателя. В этом случае напряжение на фазах электродвигателя автоматически формируется преобразователем энергии для заданного режима.

Преимущества частотно-токового управления:

  1.  высокие статические и динамические показатели электропривода, момент на валу является линейной функцией входного сигнала для всех скоростей привода;
  2.  исключается возможность выпадения из синхронизма, опрокидывание и качание электродвигателей переменного тока;
  3.  при достаточно простых технических средствах возможно оптимальное использование электродвигателей для получения как максимального момента на валу при заданном токе, так и высоких энергетических показателей;
  4.  высокая надежность работы преобразователя энергии так как осуществляется контроль за мгновенными значениями токов фаз двигателя.

В качестве систем управления в настоящее время применяются преимущественно программируемые контроллеры, которые позволяют довольно просто реализовывать системы управления и различные законы управления электроприводом.

Из выше изложенного материала можно сделать следующий вывод, что для привода поперечного движения станков наиболее рациональной системой электропривода будет – ПЧ–АД.

2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

На рисунке 2.4 представлена функциональная схема автоматизированного электропривода.

Для обеспечения точности технологического процесса необходимо выполнить предварительный пуск двигателя с занесением данных в счетчик.

После подачи сигнала о пуске,  двигатель запускается и после определения ФИД расстояния, подается сигнал о торможении двигателя и сбросе счетчика, затем показания с ФИД о выбеге двигателя заносятся в счетчик. Эти показания учитываются  в последующих пусках двигателя.

Рисунок 2.4-Функциональная схема автоматизированного электропривода.

ПЧ- преобразователь частоты

М- асинхронный электродвигатель

ФИД- фотоимпульсный датчик

БС- блок сброса

БЗ- блок задания

РС- счетчик

БИ- блок идентификации

Блок I реализуется на базе праграммируемого логического контроллера.


3 ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

В данном пункте дипломного проекта рассматривается выбор электродвигателя для электропривода поперечной подачи токарного станка. Выбор мощности электродвигателя для привода подачи осуществляют исходя из действующих нагрузок, параметров механической характеристики привода, особенностей его цикла работы.

Исходные данные [1]:

1. Минимальная и максимальная скорости рабочей подачи стола:

;

.

2. Максимальная скорость быстрых перемещений стола:

.

3. Масса стола:

.

4. Масса обрабатываемой детали:

;

5. Шаг ходового винта:

.

6. Ускорение стола в направлении поперечного перемещения:

.

3.1 Анализ кинематической схемы механизма и определение ее параметров. Составление математической модели механической части электропривода и определение её параметров

Кинематическая схема для привода механизма поперечной подачи шлифовального станка 3Е711 представлена на рисунке 3.1:

Рисунок 3.1- Кинематическая схема для привода механизма поперечной подачи шлифовального станка 3Е711

АД – асинхронный двигатель;

ИМ – исполнительный механизм;

М – муфта;

ДП – датчик положения.

Приведенная схема наглядно отражает то положение, что механическая часть электропривода представляет собой систему связанных масс, движущихся с различными скоростями вращательно и поступательно. Вал электродвигателя соединяют с передаточным механизмом или исполнительным механизмом с помощью упругой муфты, применение которой позволяет допустить их относительное смещение, снижает амплитуду изменения крутящего момента при разгоне и торможении привода, предохраняет ходовой винт от нагрева теплотой, выделяемой электродвигателем, снижает колебания в приводе. Соединительная муфта оказывает существенное влияние на точность и жёсткость привода.

Для анализа движения механической части электропривода осуществляется переход от реальной кинематической схемы к расчетной, с которой массы и моменты инерции движущихся элементов и их жесткости, а также силы и моменты, действующие на эти элементы, заменены эквивалентными величинами, приведенными к одной и той же скорости. Процесс перехода к расчетным схемам обычно называют приведение, а величины называются приведенными.

Данная механическая схема представляет собой систему связанных масс, движущихся с различными скоростями. Механические связи в такой системе можно принять абсолютно жесткими, исходя из чего, механическую схему механизма можно представить в виде одномассовой модели, показанной на рисунке 3.2:

Рисунок 3.2 – Механическая модель электропривода.

Рассчитаем радиус приведения для передачи типа винт-гайка:

.   (3.1)

Момент инерции механизма определим как:

. (3.2)

3.2 Расчёт нагрузок, построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма.

Зададимся следующим режимом работы:

  1.  движение с максимальной скоростью из исходного положения к месту начала обработки заготовки;
  2.  обработка заготовки на рабочей скорости (6 микроциклов с простоем 5 сек);
  3.  реверс двигателя , движение с максимальной скоростью в исходное положение;
  4.  повтор предыдущих 2 пунктов 5 раз (3 черновых обработки и 2 чистовых)
  5.  остановка, простой двигателя в течение 60 секунд для смены заготовки,  если необходимо смена инструмента;
  6.  Конец рабочего цикла.

Рассчитаем время каждого участка при обработке детали. Примем путь, пройденный столом, при движении на максимальной скорости .

1. Время быстрого хода стола:

.

2. Технологическое время одного хода продольной подачи стола:

,

3. Количество микроциклов 6.

4. Время возврата стола в исходное положение со скоростью быстрых перемещений:

.

5. Время смены заготовки:

.

   6. Количество циклов 5.

Суммарное рабочее время обработки заготовки:

.

Суммарное время цикла:

.

Т.о. продолжительность включения:

.

Как видно из расчета ПВ=9%<10% [3]. Поэтому примем, что время паузы повлияет на охлаждение двигателя. Будем считать режим работы кратковременным.

Произведём расчёт нагрузок для приведенного режима работы в соответствии с [1,2]. Будем считать, что идет процесс чернового шлифования на максимальной рабочей скорости подачи.

п – кпд механической передачи, п = 0,8.

Определение усилия развиваемого при поперечной подаче стола:

                                   Fс,n =  ,                    

- коэффициент трения стола о направляющие (= 0,05 – 0,08);        

Найдём момент для поперечной подачи:

    (3.3)

.

 Найдем угловую скорость приведенную к валу двигателя:

Найдем динамический момент:

На рисунке 3.3 представлена механическая характеристика электропривода поперечной подачи.

Рисунок 3.3- механическая характеристика механизма поперечной подачи.

1. Пуск привода:

,

.

2. Движение стола:

,

.

3.Торможение стола:

4. Возврат стола в исходное положении со скоростью быстрых перемещений:

,

.

Т.о. по рассчитанным временным интервалам и соответствующим им скоростям и моментам построим нагрузочную и скоростную диаграмму электропривода:

Рисунок 3.4-один микроцикл временной даиграммы

Рисунок 3.5-один микроцикл нагрузочной даиграммы

3.3 Предварительный выбор двигателя по мощности

При известных значениях усилия и скорости движения можно определить мощност, необходимую для дпоперечной подачи стола, Вт, по формуле:

.

Выбор электродвигателя произведем исходя из мощности потребной на подачу стола. В этом случае статическая мощность, Вт, электродвигателя определяется по следующей формуле (3.9):

,       (3.4)

где k – коэффициент запаса по мощности, k = 1,3.

.

3.4 Выбор номинальной скорости двигателя и типоразмера двигателя

При однозонном регулировании за максимальную скорость следует принять номинальную скорость двигателя, так как регулирование производится вниз от основной. Максимальной скорости соответствует скорость быстрых перемещений стола . Найдём скорость двигателя, которая соответствует скорости быстрых перемещений стола [3]:

.

Т.о. этой скорости двигателя соответствует следующая номинальная частота вращения:

.

По полученным данным  и  выбираем двигатель из серии двигателей 4А специально разработанных для частотно-регулируемых электроприводов по пособию [3]. Выбираем двигатель согласно условию: , указанным критериям удовлетворяет асинхронный двигатель 4АА56А4У3 со следующими техническими данными:

Таблица 3.1 Технические данные асинхронного двигателя 4АА56А4У3

Рном,

кВТ

Sном ,

%

ном ,

%

cosном

Sк

%

,

кгм2

Синхронная частота вращения 1500 об/мин

0,12

8

63

0,66

2,2

2

49

5

7,710-4

Рассчитаем номинальную скорость вращения:

.

Номинальный момент двигателя:

.

3.5 Построение нагрузочной диаграммы электропривода

Нагрузочная диаграмма механизма представляет собой зависимость электромагнитного момента М от времени. Для её построения произведем расчет электромагнитного момента двигателя на каждом этапе работы, определим динамический момент и момент холостого хода. Из основного уравнения движения электропривода [6]:

,   (3.5)

где  – суммарный момент инерции:

,     (3.6)

где – коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора, соединительной муфты, = 0,1;

,

где  – допустимое угловое ускорение двигателя:

,

Рисунок 3.6-Нагрузочной диаграммы электропривода

3.6 Проверка выбранного электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности

Упрощенная нагрузочная диаграмма электропривода используется для проверки двигателя по нагреву и перегрузочной способности.

Т.к. в данном случае режим работы кратковременный, то времени паузы между включениями привода достаточно для естественного охлождения двигателя. Следовательно проверку будем вести только по максимальному моменту.

Проверим выбранный двигатель по перегрузочной способности. Перегрузочная способность двигателя определяется условием:

,    (3.7)

,                            (3.8)

где  – максимальный момент нагрузочной диаграммы;

– максимальный допустимый момент с учётом возможного снижения напряжения сети на 10%;

– кратность максимального момента двигателя, .

Т.о. , условие выбора двигателя по перегрузочной способности (3.14)выполняется правильно.

Выбранный двигатель типа АД 4АА56А4У3 удовлетворяет условиям  перегрузки, поэтому делаем заключение, что электродвигатель выбран правильно.


4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора вида преобразователя электрической энергии

В качестве устройства регулирования целесообразно выбрать преобразователь частоты.

При использовании частотного преобразователя пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что уменьшает нагрузку на двигатель и механику, увеличивает срок их службы.

Применение частотных преобразователей с обратной связью обеспечивает точное поддержание скорости вращения при переменной нагрузке, что во многих задачах позволяет значительно улучшить качество технологического процесса.

Для питающей сети преобразователь является чисто активной нагрузкой и потребляет ровно столько энергии, сколько требуется для выполнения механической работы (с учётом КПД преобразователя и двигателя).

Применение регулируемого частотного электропривода позволяет сберегать энергию путём устранения непроизводительных затрат энергии в дроссельных заслонках, механических муфтах и других регулирующих устройствах. При этом экономия прямо пропорциональна непроизводительным затратам и может достигать 80%.

Частотный преобразователь позволяет регулировать выходную частоту в пределах от 0 до 400 Гц. Разгон и торможение двигателя осуществляется плавно (по линейному закону), время разгона и торможения можно настраивать в пределах от 0.1 сек до 30 мин. Возможен плавный реверс двигателя. При разгоне происходит автоматическое увеличения момента для компенсации инерционной нагрузки. Момент при пуске достигает 150% от номинального.

Частотные преобразователи обеспечивают полную электронную защиту преобразователя и двигателя от перегрузок по току, перегрева, утечки на землю и обрыва линий передачи. Преобразователь позволяет отслеживать и отображать на цифровом пульте основные параметры системы – заданную скорость, выходную частоту, ток и напряжение двигателя, выходную мощность и момент, состояние дискретных входов, общее время работы преобразователя и т. д. В зависимости от характера нагрузки можно выбрать вольт-частотную характеристику или создать свою собственную. Современные преобразователи частоты поддерживают вольт-частотное скалярное регулирование, регулирование потокосцеплением и векторное регулирование.

Для выбора комплектного преобразователя определим предельные значения его параметров. Такими параметрами являются:

  1.  максимальное значение выходного напряжения: UMAX, В
  2.  максимальное значение эквивалентного нагреву тока:IЭ.MAX, А;
  3.  число фаз;
  4.  максимальное значение выходное частоты: fМАХ, Гц.

Для выбранного двигателя номинальное напряжение составляет 380 В, следовательно, .

Максимальное значение эквивалентного по нагреву тока определяем по формуле:

,    (4.1)

где  – значение тока ротора АД;

– отклонение скорости двигателя от скорости идеального холостого хода при ;

– максимальное значение момента, Нм;

– модуль статической жесткости частотных характеристик:

;

– ток идеального холостого хода, определим по формуле:

,

,

,

.

Число фаз выходного напряжения преобразователя – 3.

Максимальное значение выходной частоты при однозонном регулировании скорости электропривода – 50 Гц.

Условия выбора преобразователя частоты по току и напряжению имеют следующий вид:

    (4.2)

где  – номинальное значение выходного тока преобразователя частоты, А;

– входное напряжение преобразователя частоты.

В соответствии с рассчитанными параметрами выбираем преобразователь частоты серии “VFD-S” фирмы Delta Electronics [5], который рассчитан на работу с АД мощностью 0,4-4,5 кВт, (номинальная мощность двигателя 0,37 кВт). Преобразователь предназначен для изменения и регулирования скорости вращения низковольтных двигателей переменного тока для процессов с высокой динамикой и повышенными требованиями к стартовому моменту и перегрузке. Система управления может быть дополнительно оснащена функцией автоматической настройки на параметры используемого двигателя и функцией коррекции параметров двигателя при нагреве.

Основные параметры преобразователя VFD004S43 [5]:

  1.  входное напряжение – 380-460 В 10%;
  2.  номинальная мощность двигателя – 0,12 кВт
  3.  номинальный входной ток – 1,7 А;
  4.  номинальный выходной ток – 1,5 А;
  5.  допустимая перегрузка по току в течение 60 сек – 150 %;
  6.  входная частота – 47-63 Гц;
  7.  выходная частота – 0,1-400 Гц;
  8.  КПД преобразователя – 97 %;
  9.  коэффициент мощности не менее – 0,95;
  10.  способ торможения – генераторное, динамическое;
  11.  виды защит – низкое напряжение, перенапряжение, перегрузка по току, перегрев двигателя и др.;
  12.  масса преобразователя – 4,8 кг.

На рисунке 4.1 приведём электрическую схему подключения преобразователя.

Рисунок 4.1 – Электрическая схема подключения преобразователя

Частотный преобразователь (ЧП) VFD004S43 фирмы Delta Electronics предназначен для плавной регулировки скорости вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей мощностью до 2,2кВт. Изделие создано на базе 16-разрядного микропроцессора специализированного для работы с трехфазными двигателями и силового транзисторного IGBT-модуля. Микропроцессор выполняет функцию регулятора, генератора широтно-импульсного модулированного сигнала, формирующего в двигателе синусоидальный ток, обеспечивает связь с пультом управления, а также осуществляет необходимые защитные функции.

Пульт управления позволяет изменять режим работы ЧП (местный/дистанционный), редактировать параметры, записывать их в энергонезависимую память, а также осуществлять местное управление ЧП.

В дистанционном режиме скорость вращения двигателя задается по аналоговому входу ЧП (0-10 В), а обработка сигналов “Пуск” и “Стоп” может осуществляться как с пульта так и по дискретным входам ЧП.

Широкие коммуникационные возможности позволяют встраивать ЧП в контроллерные и компьютерные сети, осуществлять управление и настройку ЧП и получать информацию о его работе через интерфейс RS-485.

Частотный преобразователь обладает всеми контрольно-диагностическими функциями, позволяющими защитить от повреждения, как ЧП, так и асинхронную машину. Частотный преобразователь устойчив к коротким замыканиям в цепи нагрузки, заклиниванию двигателя, перенапряжения источника при торможении, исчезновению фазы силового питания, перегреву преобразователя.

Устройство и принцип работы преобразователя.

При подаче на выпрямительный мост входного напряжения 3х380 вольт, происходит заряд конденсатора. После запуска источника вторичного питания резистор блокируется контактами реле. Напряжение в звене постоянного тока при нормальной работе может находиться в пределах от 450 до 700 вольт. Нижний предел связан с минимально допустимым напряжением в сети. Верхнее значение может достигаться при частотном торможении двигателя, когда происходит возврат (рекуперация) накопленной механической энергии в конденсаторы ЧП. В случае превышения допустимого уровня происходит свободный выбег двигателя. Как правило, такие ситуации характерны при малом времени торможении двигателя с большим моментом инерции на валу. В таких случаях для повышения эффективности торможения к ЧП необходимо подключить внешний разрядный резистор, либо использовать режим динамического торможения.

Микропроцессор управляет транзисторным инвертером по алгоритму, обеспечивающему в двигателе синусоидальный ток, контролируя и ограничивая его на заданном уровне. Драйверы IGBT – сборки обеспечивают: гальваническую развязку по цепям питания, управления силовыми транзисторами и защиту от короткого замыкания на выходе инвертера. Микропроцессор содержит энергонезависимую память для запоминания настроек после отключения питания. Управление частотным преобразователем может осуществляться от пульта, через каналы ввода-вывода, либо по последовательному интерфейсу RS-485. Использование моноканала RS-485 позволяет осуществить управление частотными преобразователями в количестве до 14 штук от внешнего контроллера.

4.2 Расчет параметров и выбор электрических аппаратов силовой цепи

Для обеспечения надежной и грамотной эксплуатации преобразователя в составе с ним должно применяться различное дополнительное оборудование: сетевые предохранители или автомат защиты, сетевые и моторные дроссели, радиочастотные фильтры, тормозные резисторы и др.

Для защиты внутренних цепей преобразователя в каждую фазу между источником питающего напряжения и преобразователем должны быть установлены быстродействующие предохранители (используемые для защиты полупроводниковых диодов). Выбор предохранителя производится по таблице, из руководства по эксплуатации в соответствии с моделью преобразователя. Преобразователю частоты VFD004S43 соответствует предохранитель фирмы BUSSMAN Limitron KTK класса CC со следующими параметрами [5]:

  1.  тип предохранителя – JJS-6
  2.  номинальный ток предохранителя – 1,7 А.

Входной дроссель применяется для уменьшения пиков напряжения, уменьшает влияние высших гармоник из сети на преобразователь и обратно, улучшает коэффициент мощности.

Выходной дроссель предназначен для снижения высших гармоник в токе двигателя и снижению емкостных токов в длинном моторном кабеле, а также для ограничения пиковых перенапряжений на двигателе.

Выбираем дроссели по таблице, из руководства по эксплуатации в соответствии с моделью преобразователя частоты.

Параметры входного дросселя [5]:

  1.  
  2.  .

Параметры выходного дросселя:

  1.  
  2.  .

Выбираем дроссели фирмы Schaffner RWK212-4-KL [6].

Для рассеивания энергии, выделяемой двигателем, применяется внешний тормозной резистор, что значительно улучшает возможности торможения. Он не должен быть меньше 85 Ом (для 3-х фазных преобразователей со входным напряжением от 400В).

Расчет тормозного резистора производится из мощности, рассеиваемой на нем при торможении по формуле:

,     (4.5)

где  – действующее значение напряжения, В;

– рассеиваемая при торможении мощность, Вт.

,

где  – фазное значение напряжения питающей сети.

– коэффициент схемы, для 3-х фазной схемы .

.

Рассеиваемая при торможении мощность рассчитывается  по следующей формуле:

,     (4.4)

где  – расчётный динамический момент, .

.

Исходя из расчётных значений по формуле (4.3) определяем значение сопротивления :

.

Выбираем стандартное значение тормозного сопротивления:

.

Из руководства по эксплуатации преобразователя частоты [5] выбираем тормозной резистор модели BR080W1000.


5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

5.1 Выбор датчиков для измерения управляемых координат электропривода

Как было отмечено ранее, для реализации векторного управления необходимо производить регулирование следующих величин: потокосцепление ротора, угловая скорость ротора и составляющие тока статора по осям x и y. Преобразователь частоты VFD - S использует косвенное управление скоростью двигателя, т.е. текущее значение скорости ротора и потокосцепления вычисляются по текущим значениям тока и напряжения статора. При таком способе управления ошибка поддержания скорости не превышает 1-5%. Для повышения точности предусмотрена возможность подключения датчика скорости. Наибольшей точностью обладают импульсные датчики скорости, в которых частота следования импульсов пропорциональна угловой скорости ротора.

Таким образом, для регулирования скорости привода поперечного движения используются следующие виды датчиков: скорости, положения, тока и напряжения. Причем датчики тока и напряжения конструктивно выполнены в преобразователе частоты, а датчик скорости и положения реализуем на основе оптического энкодера. Выбираем оптический инкрементальный энкодер фирмы «Schneider Electric» [8] со следующими техническими параметрами:

  1.  максимальная скорость вращения – 9000 об/мин;
  2.  диапазон рабочих температур – -20… +80 oC;
  3.  максимальная частота – 150 кГц;
  4.  число штрихов на оборот вала – 1000;
  5.  напряжение питания – +15В;
  6.  уровень выходного сигнала – +10В;
  7.  диаметр вала – 10 мм (цельный вал).

В качестве датчика, определяющего наличие заготовки и в качестве концевых выключателей будем использовать индуктивные датчики приближения 2-проводной модели TL-T [7].

Параметры датчика приведены в таблице:

Таблица 5.1-параметры индуктивного датчика:

Тип

Расстояние

срабатывания

Подключение

Тип выхода

Нормально

разомкнутый выход

(Н.Р.)

Нормально

замкнутый выход

(Н.З.)

неэкранированный

4мм

Со встроеным кабелем

NPN

TL-T4ME1-E

TL-T4ME2-E

PNP

TL-T4ME1-E

TL-T4ME2-E

Разъем м8( 2-контактный)

NPN

TL-T4ME1-M5-E

TL-T4ME2-M5-E

PNP

TL-T4ME1-M5-E

TL-T4ME2-M5-E

Схема подключения концевого выключателя приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – Схема подключение концевых выключателей

5.2 Составление математических моделей объекта управления, датчиков и исполнительного устройства.

В последнее время сформировался новый подход к построению систем асинхронного электропривода с преобразователем частоты, основанный на полных дифференциальных уравнениях асинхронного двигателя записанных на базе теории обобщенной электрической машины. Такой подход позволяет построить структуру системы управления частотным электроприводом, называемую системой векторного управления и осуществить анализ и синтез асинхронного электропривода более простыми методами.

Исходной информацией для построения системы векторного управления является информация о мгновенных значениях и пространственном положении вектора потокосцепления в воздушном зазоре, мгновенных значениях токов статора и скорости ротора двигателя [6]. Для этого в начале рассмотрим математическое описание асинхронного двигателя. При этом используем следующие упрощающие допущения:

  1.  трёхфазная система симметрична;
  2.  воздушный зазор является равномерным;
  3.  магнитная система машины не насыщена.

Для синтеза системы векторного управления фазные величины трёхфазной машины преобразуют к соответствующим величинам эквивалентной двухфазной машины. В ортогональных неподвижных координатных осях ,  вместо трёх фазных величин  получим две проекции вектора  на координатные оси:

   (5.1)

Аналогичное преобразование выполняется для токов и потокосцеплений. Для синтеза системы переменные преобразуются к координатной системе (х, у), вращающейся со скоростью потокосцепления ротора ω0:

   (5.2)

В этих координатах электромагнитные процессы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором описываются системой дифференциальных уравнений:

   (5.3)

где первые два уравнения записаны для статорной, а вторые два – для роторной цепи;

– сопротивления фазных обмоток статора и ротора;

– составляющие потокосцепления статора по осям x, y;

– потокосцепление ротора;

– частота вращения напряжения статора;

,  – угловая скорость ротора;  – число пар полюсов.

Выражения потокосцеплений имеют вид:

    (5.4)

Выразим из системы (5.4) составляющие тока ротора и потокосцепления статора:

     (5.5)

где эквивалентная индуктивность, которая определяется следующим образом:

.       (5.6)

После преобразований системы (5.2) с учётом (5.5) получим:

(5.7)

где  – эквивалентное сопротивление, которое определяется как:

     (5.8)

Синхронная частота  удовлетворяет выражению:

     (5.9)

Скорость вращения координатной системы, используемая для координатных преобразований, .

Электромагнитный момент определяется выражением:

   (5.10)

     (5.11)

Скорость ротора  удовлетворяет дифференциальному выражению:

.      (5.12)

Структурная схема асинхронного двигателя представлена на рисунке 5.2

Рисунок 5.2 Структурная схема асинхронного двигателя

5.3 Расчет параметров объекта управления, датчиков и исполнительного устройства

Структурная схема АД с векторным управлением представлена на рисунке 5.3

Рисунок 5.3- Структурная схема АД с векторным управлением

Определим численные значения параметров двигателя используя методику, изложенную в пособии [3].

Рассчитаем базовое сопротивление:

Рассчитаем сопротивления двигателя в абсолютных значениях:

активное сопротивление статорной обмотки

активное сопротивление ротора

сопротивление рассеяния статора

,

сопротивление рассеяния ротора

,

индуктивное сопротивление взаимоиндукции

.

Индуктивность рассеяния статора:

Индуктивность рассеяния ротора:

Индуктивность взаимоиндукции статора и ротора:

Найдем соответствующие индуктивности для системы уравнений (5.4):

Определим эквивалентные сопротивление и индуктивность:

Определяем постоянные времени:

 Конструктивная постоянная момента:

Звено  преобразует динамический момент в скорость:

,                           

Величина магнитного потока 2 определяется из выражения:

                                         

Коэффициент обратной связи по скорости будет равен:

Определим коэффициент обратной связи по току:

где 2,5 – коэффициент перегрузки преобразователя по току.

Найдем коэффициент обратной связи по магнитному потоку:

Коэффициент обратной связи по положению:

-максимальное перемещение стола.

5.4. Проектирование регуляторов на основании разработанных математических моделей и требований к автоматизированному электроприводу.

Кроме структуры асинхронного двигателя, в систему по каналам управления потокосцеплением и скоростью входят динамические звенья системы регулирования.

Синтез системы заключается в определении структуры и параметров регуляторов каждого канала, что позволяет сформировать сигналы управления Ux, Uy.

Управление частотой, амплитудой и фазой напряжения на двигателе выполняется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ)  синусоидальных напряжений фаз. В структуре системы управления преобразователь может быть приближённо представлен инерциооным звеном:

Кп(р)=,                                                            (5.13)

где:  − =0,001−0,002 с − малая постоянная времени. В случае высокой частоты ШИМ преобразователь можно считать безинерционым звеном.

−  − коэффициент усиления преобразователя,

                                     (5.14)

ТП – постоянная времени преобразователя. Так как мы выбрали автономный инвертор на базе транзисторных силовых ключей, который обладает высоким быстродействием, то постоянную времени преобразователя можно принять равной малой некомпенсированной постоянной времени τ:

  (5.15)

fк – частота коммутации силовых ключей инвертора, fк=5кГц.

Кп(р)=,      (5.16)

Таким образом, полная структурная схема системы управления ЭП имеет два канала регулирования: канал регулирования потокосцепления и канал регулирования момента. Каналы регулирования потокосцепления и момента по управлению независимы, только перекрестные связи по току вносят влияние друг на друга. Для уменьшения их влияния введем компенсацию, а также компенсацию по потокосцеплению. Поэтому всеми перекрестными и внутренними связями двигателя мы будет пренебрегать. Выполняем синтез контуров регулирования при постоянном потокосцеплении ротора, то есть в случае однозонного регулирования скорости. При оптимизации контура регулирования тока полагаем, что Тм>>Тэ, то есть единичной обратной связью по ЭДС можно пренебречь.

Канал регулирования потокосцепления состоит из внутреннего контура регулирования тока и внешнего контура регулирования потокосцепления. Для их синтеза и расчета регуляторов, а также для последующего синтеза канала регулирования момента, будем использовать метод последовательной оптимизации контуров на основании модульного оптимума исходя из максимального быстродействия системы автоматического регулирования.

Синтез внутреннего контура тока канала х:

Рисунок 5.4 – Структурная схема замкнутого контура тока.

Регулятор тока должен компенсировать инерционность якорной цепи, поэтому будем применять ПИ-регулятор тока с передаточной функцией:

(5.17)

Составим передаточную функцию для замкнутого контура тока:

(5.18)

Согласно модальному оптимуму: , тогда получим:

(5.19)

Из выражения (3.49) определяем передаточную функцию для регулятора тока:

(5.20)

Определим передаточную функцию для замкнутого контура тока:

(5.21)

Регулятор потокосцепления выбираем для компенсации инерционности звена K2, то есть выбираем ПИ-регулятор с передаточной функцией:

(5.22)

Изобразим замкнутый контур регулирования потокосцепления:

Рисунок 5.5 – Структурная схема замкнутого контура потокосцепления.

Запишем передаточную функцию для замкнутого контура потокосцепления:

(5.23)

Согласно модальному оптимуму: , тогда получим:

(5.24)

Из выражения (3.54) находим передаточную функцию для регулятора потокосцепления:

(5.25)

Определим передаточную функцию для замкнутого контура потокосцепления:

(5.26)

Синтез и расчет передаточных функций регуляторов канала регулирования момента будем также рассчитывать методом последовательной оптимизации контуров на основании модального оптимума.

Структурная схема для замкнутого контура тока канала регулирования момента будет такой же, как и для канала регулирования потокосцепления, а, следовательно, и передаточная функция будет такой же. Тогда по формуле (3.25) получим:

(5.27)

Регулятор скорости выбираем исходя из заданного диапазона. По заданию D=41,7, поэтому необходимо использовать ПИ-регулятор скорости. В этом случае показатели переходного процесса будут соответствовать симметричному оптимуму. Для улучшения качества переходного процесса можно применить:

  1.  ПИ-регулятор скорости с фильтром на входе задания скорости;
  2.  Использовать задатчик интенсивности на входе задания скорости;
  3.  Применить два контура регулирования скорости с И-регулятором и П-регулятором;
  4.  Применить управляющее устройство с дополнительным воздействием по заданию.

В этом случае передаточная функция будет иметь вид:

(5.28)

Вычертим контур регулирования скорости:

Рисунок 5.6 – Структурная схема замкнутого контура скорости.

Коэффициент усиления регулятора скорости kРС можно найти исходя из модального оптимума.

Составим передаточную функцию для данного замкнутого контура:

(5.29)

Согласно модальному оптимуму: , тогда получим:

(5.30)

Из выражения (5.30) получим передаточную функцию для регулятора скорости:

(5.31)

  (5.32)

Так как суммарный момент инерции изменяется, то необходимо произвести анализ влияния суммарного момента инерции. Из выражения (5.31) видно, что при увеличении суммарного момента инерции ЭП будет увеличиваться перерегулирование системы и снизиться быстродействие. Поэтому дальнейший расчет будем производить для худших условий, т. е. с большим суммарным моментом инерции.

Передаточная функция для замкнутого контура скорости определяется из соотношения:

(5.33)

При настройке контура скорости по симметричному оптимуму дополни-тельно используется фильтр для улучшения переходных процессов (снижения перерегулирования):

Рисунок 5.7 – Структурная схема замкнутого контура скорости с фильтром.

Передаточная функция фильтра:

(5.34)

Тогда передаточная функция замкнутого контура скорости с фильтром будет равна:

(5.35)

После оптимизации контура скорости переходим к оптимизации контура положения. Структурная схема контура положения примет вид как показано на рисунке 5.7

Рисунок 5.8-контур положения

Применим коибинированный регулятор положения, который позволяет получить оптимальную обработку малых, средних и больших перемещений.

Определим параметры нелинейного регулятора:

Из выражений ,  и  выразим :

Выразим ускорение как , тогда:

Определим (коэффициент нелинейного регулятора положения), который равен:

Определим параметры линейного регулятора. Линейный регулятор роложения настроим на модульный оптимум. Параметры найдем из условия равенства передаточных функций разомкнутого контура положения и желаемой:

После преобразования уравнения получим передаточную функию линейного регулятора положения:

Определим параметры комбинированного регулятора, для этого запишем условие сопряжения. Точка сопряжения, в которой и линейным и нелинейным регулятороми формируется одно и то же значение задание скорости:

,

Где -координата сопряжения;

-координата смещения.

Тогда будем иметь:

Выразив разность  получим:

.

Исходя из этого, выразим  и  получим:

 ,

.

Окончательно получим систему уравнений, которая будет выражать комбинированный регулятор положения:

 

Для получения требуемых динамических показателей необходимо вначале подать ступенчатое задающее воздействие uзп на вход контура потокосцепления. Затем, по истечении времени регулирования потока, на вход контура скорости должно быть подано линейно возрастающее до требуемой величины задание скорости uзс, обеспечивающее ограничение ускорения при разгоне.

Необходимо учитывать, что система управления работает в линейном режиме только при малых приращениях сигналов. При больших рассогласованиях регуляторы заходят в насыщение.

Таким образом можно осуществлять ограничение управляемых координат. В соответствии со сказанным необходимо выбрать соответствующим образом коэффициенты обратных связей.

Ограничение ускорения можно добиться с помощью задатчика интенсивности. Согласно заданию на проект пуск и торможение должно осуществляться с постоянным (минимальным) ускорением без нагрузки, тогда время пуска рассчитывается по формуле:

.


6 РАСЧЁТ И АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

6.1 Разработка имитационной модели автоматизированного электропривода

На основе функциональной схемы автоматизированного электропривода, математического описания объекта и системы управления, которое представлено в разделе 5, с помощью пакета MATLAB/Simulink разработаем программу для компьютерного моделирования автоматизированного электропривода поперечного подачи плоскошлифовального станка 3Е711. В качестве программного обеспечения возьмем программу Matlab R2012a с библиотекой simulink, где имеются все необходимые для моделирования блоки. Покажем имитационную модель векторного управления, которая взята из demo примеров – AC Motor Drive Vector Control (Discrete).

Рисунок 6.1 – Имитационная модель векторного управления

Раскроем и покажем настройки основных блоков, так модель содержит:

Виртуальный асинхронный короткозамкнутый двигатель.

Рисунок 6.2 – Блок АДКЗ

В данном блоке мы настраиваем следующие параметры нашего АД по строкам:

  1.  мощность АД, линейное напряжение, частота сети;
  2.  сопротивление обмотки статора и ее индуктивность;
  3.  сопротивление обмотки ротора и ее индуктивность;
  4.  взаимная индуктивность между статором и ротором;
  5.  Момент инерции механизма, сила трения, число пар полюсов АД.

Подсистема канала регулирования потока представлена на рисунке 6.2.

Рисунок 6.3 – Структурная схема подсистемы регулятора потокосцепления

Структурная схема подсистемы канала регулирования положения представлена на рисунке 6.4:

Рисунок 6.4 – Структурная схема подсистемы канала регулирования положения

Структурная схема преобразователя частоты представлена на рисунке 6.5.

Рисунок 6.5 – Структурная схема преобразователя частоты

Структурная схема подсистемы блока коррекции представлена на рисунке 6.6.

Рисунок 6.6 – Структурная схема подсистемы блока коррекции

Структурная схема подсистемы определения потока и угла поворота осей системы координат представлена на рисунке 6.9.

Рисунок 6.7 – Структурная схема подсистемы определения потока и угла поворота осей системы координат

6.2 Расчет переходных процессов и определение показателей качества

Произведем моделирование электромагнитных процессов электропривода на отработку заданого перемещения. По требованиям технологического процесса нагрузка присутствует всегда.

Приведём необходимые диаграммы, полученные в результате имитационного моделирования.

Рисунок 6.8 – Заданое и отработаное перемещение S

Рисунок 6.9 – Момент нагрузки Mc

Рисунок 6.10 – Ток

Рисунок 6.11 – Ток

Рисунок 6.12 – Скорость ротора

Рисунок 6.13 – Электромагнитный момент двигателя М

Рисунок 6.14 – Токи в фазах двигателя

Рисунок 6.15 – Потокосцепление ротора

По приведенным выше графикам моделирования можно сделать вывод: отработка перемещения осуществляется в полной мере, требуемой технологическим процессом. Ошибка перемещения составляет менее 1%, что добускается спецификой технологического процесса (Рисунок 6.16).

Рисунок 6.16 – погрешность при отработке перемещения

6.3 Построение статических характеристик электропривода

Пропорционально-интегральный регулятор скорости придает контуру регулирования скорости астатизм, т.е. в установившемся режиме рассогласование между значениями задания и обратной связи равно нулю. При этом, учитывая, что регулирование скорости производится в низ от номинальной скорости, т.е. при постоянстве потокосцепления ротора, то статические электромеханические  и механические  характеристики будут аналогичны. Статические характеристики в показаны на рисунке 6.19:

Рисунок 6.17 – Статические характеристики замкнутой САУ по положению


7 ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПРАВИЛЬНОСТИ ВЫБОРА ДВИГАТЕЛЯ

7.1 Построение точной нагрузочной диаграммы электропривода за цикл работы автоматизированного электропривода

Используя имитационную модель, которая была подробно рассмотрена в пункте 6, произведем построение точной нагрузочной диаграммы электропривода за цикл работы.

Рисунок 7.1 – Электромагнитный момент двигателя М

7.2 Проверка электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности по точной нагрузочной диаграмме

Т.к. режим работы двигателя кратковременный, ПВ < 10% и время включения двигателя меньше 10%, следовательно имеет место естественное охлаждение. Как видно из диаграммы (Рисунок 7.1) ().

Следовательно делаем вывод, что двигатель выбран правильно.


8 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ПРОГРАММИРУЕМОГО КОНТРОЛЛЕРА

8.1 Формализация условий работы промышленной установки

Система автоматизации электропривода поперечной подачи стола должна предусматривать:

– обработку сигналов управления с ПЛК;

– проверку исправной работы преобразователя частоты, датчиков скорости;

–контроль показателей позиции стола;

–при выходе из строя преобразователя частоты должна быть произведена остановка станка;

Для визуального контроля за работой системы должны быть выведены следующие сигналы:

- движение стола;

- осходное положение;

- индикаторы позиции;

- аварийная остановка (неисправна установка).

8.2 Разработка алгоритма и программы управления

На рисунке 8.1 представлен алгоритм системы автоматизации плоскошлифовального станка 3Е711.

Рисунок 8.1 - Алгоритм автоматизации технологического процесса плоскошлифовального станка.

По полученному алгоритму разработаем программу на я зыке LAD. Затем эту программу  используем для записи на ПЛК SIMATIC S7-200 (Рисунок 8.2)

Рисунок 8.2- Программа автоматизации технологического процесса плоскошлифовального станка.

Окончание рисунка 8.2

8.3 Проектирование функциональной схемы системы автоматизации

Группировку и обозначение сигналов по релейно-контактной схеме рекомендуется производить в следующем порядке:

  1.  выявить и обозначить все входные сигналы, к которым относятся сигналы от кнопок управления, концевых и промежуточных выключателей, датчиков, контролирующих процесс;
  2.  произвести сокращение числа входных сигналов путем объединения ряда простых сигналов одним эквивалентным им сигналом;
  3.  выявить и сгруппировать все выходные сигналы, управляющие исполнительными элементами: контакторами, электромагнитами, соленоидами;
  4.  выделить и сгруппировать все промежуточные сигналы, появляющиеся в результате срабатывания промежуточных элементов схемы. В большинстве случаев к промежуточным элементам относятся реле, размножающие сигналы, контакты которых включены в цепи выходных элементов или других промежуточных элементов;
  5.  промежуточные сигналы подразделить на сигналы без обратных связей и сигналы с обратными связями. Цепи сигналов без обратных связей содержат контакты только входных элементов. В цепях сигналов с обратными связями включены контакты элементов управляемых этими сигналами.

Конструктивно программируемый контроллер SIMATIC S7-200 выполнен в виде блоков: модуль памяти, микропроцессор, интерфейс, модуль периферии и блок питания.

На рисунке 8.3 представлена функциональная схема контроллера SIMATIC S7-200.

Рисунок 8.3 – Функциональная  схема контроллера SIMATIC S7-200

  1.  CPU– микропроцессор;
  2.  FLASH – память для операционной системы и функционального математического обеспечения;
  3.  SRAM – память для дополнительных данных;
  4.  интерфейс шины Р – для коммуникации с CPU;
  5.  интерфейс шины К – для коммуникации с устройствами управления и программирования.


8.4 Выбор аппаратов системы автоматизации

Для управления электроприводом стола будем использовать контроллер SIMATIC S7-200.

SIMATIC S7-200 – это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности. Модульная конструкция, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации обеспечивают возможность получения оптимальных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства [9].

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Контроллеры SIMATIC S7-200 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

  1.  модуль центрального процессора (cpu), в зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т.д.
  2.  модули блоков питания (ps), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230в или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В;
  3.  сигнальные модули (sm), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами;
  4.  коммуникационные процессоры (cp) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ithernet и др.;
  5.  функциональные модули (fm), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов.

Программное обеспечение Siemens для работы с этим контроллером позволяет:

  1.  загружать программы с других компьютеров;
  2.  при подготовке программ использовать сразу несколько языков программирования контроллера (STL, LAD, FBD и др.);
  3.  визуально наблюдать процесс выполнения текущей программы.

Для реализации программы управления воспользуемся языком LAD являющимся производным от языка РКС, входящим с состав ПО контроллера.

Программное обеспечение Siemens позволяет сделать процесс написания и чтения готовых программ значительно удобнее за счет использования символьных имен, которые можно сопоставлять входам и выходам интерфейсных модулей.

В таблице 8.3 приведены технические характеристики контроллера SIMATIC S7-200.

Таблица 8.1 - Технические характеристики контроллера SIMATIC S7-200

п/п

Наименование

Обозначение

Параметры

1

Блок CPU

CPU

Встроенный источник питания =5В(3,5А); =24В(1,5А)

2

Модуль питания

I/O POWER

E ~120…230B

=5B, 4A; =24B, 1,5A.

3

Блок входа/выхода

Вход/выход

I/O

=24B, 16 входов, 16 выходов

4

Блок связи

PC/PPI

RS-485

8.5 Проектирование схемы электрической соединений системы автоматизации

На рисунке 8.4 показана схема подключения контроллера:

Рисунок 8.4 – Схема электрическая соединений системы автоматизации

8.6 Полное описание функционирования системы автоматизации

Для обеспечения требуемого технологического процесса запуск и работа плоскошлифовального станка должны осуществляется в следующем порядке:

Оператор должен подать питание на установку. После нажатия оператором на кнопку «пуск» осуществляется включение станка и далее его работа выполняется автоматически в соответствии с алгоритмом программы.

После нажатия на кнопку «пуск», запускается система охлаждения жидкости, и когда жидкость достигнет необходимого давления, тогда  придет сигнал на ПЛК с датчика давления, что СОЖ включена и загорится индикаторная лампочка. Затем включаются привода защитных кожухов, если сработают концевые выключатель, то на ПЛК придет сигнал о том что защитные кожухи включены и загорится соответствующая индикаторная лампочка. Когда заготовка будет помещена на стол, то сработает датчик наличия заготовки, и соответствующий сигнал будет на ПЛК.

Программируемый логический контроллер проверяет находится ли привод поперечной подачи в исходном положении ( об этом свидетельствует сигнал с концевого выключателя), если это условие не выполнено, то ПЛК подает сигнал для возвращения шпинделя в исходное состояние.

Включается привод шлифовального круга, о том что привод включен свидетельствуют показания датчика вращения. Привод вертикальной подачи опускает шпиндель до заготовки. Затем происходит включение гидравлической системы стола. Если сработает один из концевых выключателей привода стола, то привод поперечной подачи автоматически переместится вперед на расстояние равное ширине периферии шлифовального круга. Этот процесс повторяется пока не сработает счетчик, который подсчитывает количество повторений движений стола, при помощи концевого выключателя SQ1. Когда сработает счетчик, привод стола отключается, привод вертикальной подачи поднимает шпиндель вверх( в исходное состояние), пока не сработает концевой выключатель SQ3. И привод поперечной подачи возвращает шпиндель в исходное состояние. Затем включается выдержка времени для того чтобы сменить заготовку и алгоритм повторяется с точки распознавания наличия заготовки на столе.

Остановка плоскошлифовального станка осуществляется после нажатия оператором кнопки «стоп».


9 Проектирование схемы электроснабжения и электрической защиты промышленной установки

9.1 Выбор аппаратов, проводов и кабелей

Аппаратура управления и защиты, устанавливаемая в системе электропитания, должна обеспечивать:

  1.  включение и отключение электроприемников и участков сетей в нормальном режиме работы;
  2.  надежное отсоединение электроприемников и линий для резервации и ремонтных работ;
  3.  защиту от всех видов коротких замыканий и перегрузки, если она требуется.

Выключатели автоматические предназначены для проведения тока в нормальном режиме и отключения его при коротких замыканиях и недопустимых снижениях напряжения, для нечастых оперативных включений и отключений электрических цепей.

Выбор автоматических выключателей осуществляется по следующим параметрам:

,     (9.1)

,      (9.2)

,     (9.3)

где Uн.а  – номинальное напряжение автомата, В;

Uн.с – рабочее напряжение сети, 380В;

Iн.а – номинальный ток автомата, А;

Iдв. – номинальный ток двигателя, 0,44 А;

Iн.т.р. – номинальный ток расцепителя, А;

Кн.т. – коэффициент надежности теплового расцепителя, Кн.т.=1,15.

.

Выбираем автоматический выключатель серии VAMU1 фирмы Schneider Electric [10]. Данные выключатели обеспечивают защиту от токов перегрузки и короткого замыкания. Номинальный ток возьмем равный 0,6 А, ток уставки 0,5 А.

Выбирать провода будем исходя из рекомендаций производителя преобразователя частоты Delta Electronics. Для нашего типоразмера (S) рекомендуются: для сетевого кабеля, кабеля двигателя и тормозного резистора площадь сечения до ; для защитного заземления до .


10 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СОЕДИНЕНИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

10.1 Схема электрическая соединений автоматизированного электропривода

В результате проектирования схема автоматизированного электропривода поперечной подачи плоскошлифовального станка будет иметь вид, показанный на рисунке 10.1.

На схеме (рисунок 10.1) обозначены:

QF – автоматические выключатели;

БП – блок питания;

М – асинхронные двигатели;

SB – кнопки управления;

UFD-S – преобразователь частоты;

PLK – программируемый логический контроллер.


Рисунок 10.1 – Схема электрическая соединений автоматизированного электропривода


10.2 Составление  перечня элементов электрооборудования промышленной установки

Позиционное обозначение

Наименование

Кол.

Примечане

Двигатель

АД

4АА56А4У3

1

Преобразователь частоты

ПЧ

VFD004S43

1

Дроссели

L1…L2

Schaffner RWK212-4-KL

2

Тормозной резистор

R1

BR080W1000

1

Контроллер

SIMATIC S7-200

1

Автоматический выключатель

QF1..QF7

Schneider Electric VAMU1

7

Предохранители

FU1…FU3

BUSSMAN Limitron KTK JJS-6

3

Выключатели кнопочные

SB1…SB2

КМЕ4501УХЛЗ

2

Концевые выключатели

B1...B7

TL-T

7


11 ОХРАНА ТРУДА

11.1 Меры безопасности при выполнении работ на базовой установке

Эксплуатация металлорежущих станков связана с применением электрической энергии напряжением 380В. В случае прерывания подачи, падения давления масла, воздуха, при появлении постороннего шума, обнаружении неисправности в оборудовании, поломки инструмента необходимо отключить электрооборудование. Открывать станции управления и шкафы с электрооборудованием, а тем более самостоятельно производить профилактические и  ремонтные работы, лицам не имеющим соответствующей квалификации, категорически запрещается. Выполнять вышеуказанные работы разрешается только электрикам, прошедшем специальный инструктаж и получившим группу электробезопасности.

Поражение человека электрическим током возможно как при случайном прикосновении его непосредственно к токоведущим частям, так и к металлическим нетоковедущим элементам электрооборудования (корпусу электрических машин, ванн, светильников и т.д.), которые могут оказаться под напряжением в результате какой-либо аварийной ситуации (замыкания фазы на корпус, повреждения изоляции и т.п.).

Защитное заземление и зануление являются наиболее распространенными, весьма эффективными и простыми мерами защиты от поражения электрическим током при появлении напряжения на металлических нетоковедущих частях (металлических корпусах оборудования).

Опасность поражения электрическим током при прикосновении к корпусу и другим нетоковедущим металлическим частям электрооборудования, оказавшимся под напряжением, может быть устранена быстрым отключением поврежденного электрооборудования от питающей сети. Для этой цели используется зануление. Зануление – это преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Принцип действия зануления – превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (между фазным и нулевым проводником) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты и автоматически отключить повреждённое электрооборудование от питающей сети.

Рисунок 11.1 – Схема зануления

1 – корпус, 2 – аппараты защиты от токов короткого замыкания (предохранители и автоматические выключатели), R0 – сопротивление заземления нейтрали источника тока, Rп – сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника, Iк – ток к.з., Iн – часть тока короткого замыкания, протекающая через нулевой проводник, Iз – часть тока короткого замыкания, протекающая через землю, 0 (н.з.) – нулевой защитный проводник.

Отключение поврежденной установки от питающей сети произойдет, если значение  тока однофазного короткого замыкания (Iк), которое искусственно создается в цепи, будет больше (или равно) значения тока срабатывания автоматического выключателя (или номинального тока плавкой вставки предохранителя Iном) и выполняется следующее условие:

Для проверки обеспечения отключающей способности зануления необходимо проверить следующее условие:

.       (11.1)

Для этого необходимо определить:

  1.  наименьшее допустимое значение тока (Iк1) короткого замыкания, при котором произойдет срабатывание защиты и поврежденное оборудование отключится от сети;
  2.  действительное значение тока однофазного короткого замыкания, которое будет иметь место в схеме при возникновении аварии .

,

где k – коэффициент кратности тока, выбирается в зависимости от типа защиты электроустановки.

Определим величину тока :

где  – номинальный ток отключения силового автоматического выключателя, защищающего двигатель.

Определим полное сопротивление петли “фаза-нуль”:

 (11.2)

где (медь),  (сталь) – активное сопротивление фазного и нулевого защитного проводников;

,  – внутреннее индуктивные сопротивления фазного и нулевого проводников;

– внешнее индуктивное сопротивление петли “фаза-нуль”.

Находим действительное значение тока однофазного короткого замыкания, проходящего в схеме в аварийном режиме:

,  (11.3)

где Uф – фазное напряжение, В;

Zп – полное сопротивление цепи “фаза-нуль”, Ом;

Zт – полное сопротивление трансформатора, Ом.

Таким образом, условие (11.1) выполняется, что означает: отключающая способность системы зануления обеспечена, и нулевой защитный проводник выбран правильно.

11.2 Производственная санитария

В механических цехах производят все виды обработки металлов, пластмасс и других материалов на металлорежущих станках; при этом возникает ряд опасных ситуаций.

Вредными физическими производственными факторами, характерными для процесса резания, являются: повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны, высокий уровень шума и вибрации, недостаточная освещенность рабочей зоны, повышенная пульсация светового потока, наличие прямой и отраженной блеклости.

В воздух рабочей зоны выделяются также аэрозоли масел и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Содержание углеводородов при этом достигает 150 – 940 мг/м3, аэрозоля масел 7 – 45 мг/м3, загрязнение одежды составляет 800 – 900 мг/дм2.

Концентрация СОЖ и отдельных компонентов, а также их качественный состав зависят от их расхода, способа подачи, термостабильности, характера и режим обработки изделия, свойств обрабатываемого материала, наличия и эффективности санитарно-технических устройств.

К психофизическим вредным производственным факторам можно отнести физические перегрузки при установке, закреплении и съеме крупногабаритных деталей, а также перенапряжение зрения и монотонность труда.

К биологическим факторам относятся болезнетворные микроорганизмы и бактерии, появляющиеся при работе с СОЖ.

Стружку (отходы производства) от станков и рабочих мест следует убирать механизированным способами, представленными в таблице 11.1.

Таблица 11.1 – Средства для удаления стружки и отходов от станков и рабочих мест

Вид стружки

Средства для удаления

Без применения СОЖ

Мелкая дробленая

Одношнековые транспортеры

Стальной вьюн

Двухшнековые транспортеры

Сыпучая

Вибрационные транспортеры

Стружка любого типа

Пластинчатый транспортер

С применением СОЖ

Элементная чугунная

Скребковые транспортеры

Элементная стальная

Скребковые и одношнековые транспортеры

Элементная и вьюн цветных металлов

Пластинчатые транспортеры, гидротранспортеры

Стальной вьюн

Двухшнековые и пластинчатые транспортеры

Периодичность замены СОЖ устанавливаться по результатам контроля ее содержания, но не реже одного раза в шесть месяцев при лезвийной обработке, одного раза в месяц при абразивной обработке для масляных СОЖ и одного раза в три месяца для водных СОЖ. Очистку емкостей для приготовления СОЖ, трубопроводов и систем подачи следует проводить один раз в шесть месяцев для масляных и один раз в три месяца для водных СОЖ.

Стружка и пыль магниевых и титановых сплавов хранятся в закрытой металлической таре. При наличие специальных помещений стружку и пыль магниевых сплавов (кроме магний-литиевых) можно хранить в открытой таре. В местах хранения стружки имеются средства пожаротушения.

При выборе и расчете освещения производственного участка руководствуются нормами проектирования производственного освещения ТКП 45-2.04-153-2009, в которых задаются как количественные (величина минимальной освещенности), так и качественные характеристики (показатель ослепленности и дискомфорта, глубина пульсации освещенности) искусственного освещения.

Наиболее распространены три типа источника света: лампы накаливания, люминесцентные лампы и газоразрядные лампы высокого давления. Преимущество ламп накаливания состоит в том, что они включаются в сеть без дополнительных пусковых приспособлений. Однако имеют относительно низкую световую отдачу. Газоразрядные лампы высокого давления отличаются высокой световой отдачей и компактностью, однако, имеют сложную схему включения и невысокий срок службы.

Электроосвещение обеспечивает равномерную освещенность не менее 100 лк. Применение открытых электрических ламп не допускается. Наблюдение за состоянием арматуры и светильников возлагается на лиц, выделенных для этой цели.

Для освещения данного автоматизированного рабочего места наиболее подходят люминесцентные лампы. Эти лампы имеют высокую световую отдачу (до 75 лм/Вт), большой срок службы (до 10000 ч), лучшую, чем у ламп накаливания цветопередачу, относительно малую яркость (хотя и создают ослепленность).

Станки являются источниками шума. Шум – совокупность звуков, различных по частоте и интенсивности, вредно влияющих на организм человека. Степень повреждения органов слуха зависит от уровня звука и его продолжительности и от индивидуальной чувствительности человека. Одним из источников производственного шума являются металлорежущие станки. В зависимости от типа металлорежущего оборудования, мощности его приводов, интенсивности стабильности процесса резания уровни звука, создаваемые на расстоянии 1 м от ограждающих поверхностей, составляют 60 – 110 дБ (А). При типовых условиях эксплуатации станков верхний предел этого диапазона 90 дБ (А). Спектр шума станков обычно имеет максимум, расположенный в диапазоне частот 500 – 2000 Гц. Большинство станков при надлежащем качестве изготовления имеют шумовые характеристики, удовлетворяющие санитарным нормам без применения дополнительных мер по снижению шума. К основным источникам шума в металлорежущем станке можно отнести:

  1.  зубчатые передачи, входящие в приводы главного и вспомогательного - движений;
  2.  гидравлические агрегаты;
  3.  электродвигатели;
  4.  процесс резания.

Шум станков снижают в источнике возникновения уменьшением передачи колебаний энергии от источника к излучателям шума, демпфированием излучателей и строительно-аккустическими мероприятиями. Для уменьшения влияния на общий уровень шума отельные агрегаты, устанавливаемые на станок виброизолируются от упругой системы станка. Это же относится и к электрошкафам, устанавливаемым на станке, которые сами не являются источниками колебаний, но, имея большую площадь поверхности, интенсивно излучают шум.

11.3 Пожарная безопасность

Электроэнергия широко применяется на промышленных предприятиях для силовых, нагревательных установок, технологического оборудования и освещения. Причинами, нарушающими нормальную работу установки, могут быть короткое замыкание, перегрузка проводов сети, возникновение больших переходных сопротивлений.

Установки могут представлять пожарную опасность, если они имеют токоведущие части, доступные для соприкосновения с горючими и легковоспламеняющимися веществами и предметами. При монтаже электрооборудования необходимо предусмотреть устройства для выключения при коротком замыкании сети, так и отдельных ее участков. Выключатели, в которых по условиям эксплуатации происходит прерывание тока, закрывают кожухами, предотвращающих возникновение пожара от искрения или электрической дуги. Распределительные устройства опасны в пожарном отношении при коротком замыкании. Электроосвещение представляет пожарную безопасность при перегреве проводов и воспламенении их изоляции. Электролампы могут иметь на колбе значительную температуру, достигающую 200 0С и  выше. При такой температуре возможно загорание горючей пыли, осевшей на колбе, а также близкорасположенных предметов.

Применяемые средства пожаротушения максимально ограничивают размеры пожара и обеспечивают его тушение. Наиболее эффективными огнегасящими веществами для станков являются:

  1.  вода; вода с добавками поверхностно активных веществ;
  2.  пена;
  3.  порошковые составы;
  4.  негорючие газы;
  5.  галоидированные углеводороды (галоны, хладоны).

Первичные средства пожаротушения – это такие средства, которые используются в начальной стадии загорания. Они предназначены для ликвидации начинающихся очагов пожара силами персонала, обнаружившего загорание. Самым распространенным видом первичных средств пожаротушения являются огнетушители.

Огнетушители углекислотные. Углекислотные огнетушители бывают ручные, стационарные и передвижные. Принцип действия углекислотных огнетушителей основан на свойстве углекислоты изменять агрегатное состояние. Так в огнетушителе типа ОУ находится углекислота – углекислый газ в жидком состоянии. При приведении огнетушителя в действие происходит переход углекислоты в снегообразное состояние, объем ее увеличивается в 400-500 раз, поглощается большое количество тепла. Углекислота превращается в «снег» с температурой -72°С. Эту снегообразную массу и применяют для локального тушения загорания. Тушение при этом происходит за счет действия двух факторов: во-первых, углекислый газ уменьшает концентрацию кислорода в зоне горения, во-вторых, имея очень низкую температуру, углекислота понижает температуру в очаге возгорания.

При применении углекислотных огнетушителей необходимо учитывать токсичность СО2 (например, при вдыхании воздуха, содержащего 10% СО2, наступает паралич дыхания и смерть), что особенно опасно, если учесть, что этот газ не имеет запаха. Поэтому использовать ОУ в непроветриваемых помещениях запрещено.

Огнетушитель порошковый. Порошковые огнетушители получили в настоящее время наибольшее распространение. Они применяются для ликвидации загораний и пожаров всех классов.

В качестве огнетушащего вещества используются порошки общего и специального назначения. Порошки обычного назначения используют при тушении пожаров и загораний ЛВЖ, газов, древесины и т.д. Порошки специального назначения применяются при ликвидации пожаров и загораний щелочных металлов, алюминий- и кремний органических соединений и других пирофорных (способных к самовозгоранию) веществ.

Огнетушитель ОП-10 приводится в действие нажатием на пусковой рычаг. После этого игольчатый шток прокалывает мембрану баллона с газом. Рабочий газ выходя из баллона поступает по сифонной трубке под аэроднище. В центре сифонной трубки имеется ряд отверстий, через которые выходит часть рабочего газа и производит рыхление порошка. Взрыхление порошка под действием давления рабочего газа выдавливается по сифонной трубке и выбрасывается через насадок на очаг возгорания [9].


12 ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

12.1 Общие сведения

Расчет технико-экономических показателей осуществляется на основе анализа сравнительных технических данных двух альтернативных систем электропривода. Экономическая оценка базируется на принципе минимальных расходов: минимальных начальных затрат, эксплуатационных затрат, затрат электроэнергии, затрат связанных с вынужденным простоем электрооборудования [13]. По техническим соображениям принят комплектный электропривод переменного тока фирмы Delta Electronics типа VFD-S. До модернизации был установлен гидропривод. Технические данные электрооборудования сравниваемых систем приведены в таблице 12.1.

Таблица 12.1 – Технические данные электроприводов сравниваемых систем

Параметры

Базовый вариант

Проектируемый вариант

Тип двигателя

4АХБ2П90L4ПБ

4АА56А4У3

Мощность, кВт

2,2

0,12

к.п.д., %

80

63

Частота вращения, об/мин

1500

1500

Тип преобразователя

гидронасос

VFD-S

Мощность преобразователя, кВт

5,5

0,2

к.п.д. преобразователя, %

62

0,98

Передаточный механизм

12.2 Расчет начальных затрат

Наиболее дорогостоящими составляющими электропривода являются двигатель, преобразователь и передаточный механизм. Таким образом, сметная стоимость электропривода для базового варианта:

где  – стоимость электродвигателя 4АХБ2П90L4ПБ,тыс. руб.;

– стоимость пускорегулирующей аппаратуры, тыс. руб.;

– стоимость гидронасоса, тыс. руб.

Для проектируемого варианта:

где  – стоимость электродвигателя 4АА56А4У3, тыс. руб.;

– стоимость пускорегулирующей аппаратуры, тыс. руб.;

– стоимость преобразователя частоты VFD-S, тыс. руб.

Стоимость монтажных работ вычисляется отдельно для электропривода и рабочего механизма. Для электропривода эту величину можно принять равной 6% от стоимости электропривода, для рабочего механизма – 5% стоимости электропривода. Таким образом, стоимость монтажных работ:

для базового варианта:

.

для проектируемого варианта:

.

Транспортно-заготовительные работы, составляют 2% от суммы стоимости электропривода и стоимости монтажных работ:

для базового варианта:

,

для проектируемого варианта:

.

Плановое накопление монтажной организации составляют 10% от стоимости монтажных работ:

для базового варианта:

,

для проектируемого варианта:

Для наглядности выполненный расчет капитальных вложений для обоих вариантов сведем в таблицу 12.2.

Таблица 12.2 – Расчет капитальных вложений

Источник затрат

Базовый вариант

Проект. вариант

Электродвигатель, тыс.руб.

272000

161000

Преобразователь, насос, тыс.руб.

672000

Пускорегулирующая аппаратура, тыс.руб.

418000

80600

Механическая передача, тыс. руб.

-

-

Монтажные работы, руб.

244750

100500

Транспортно-заготовительные работы, тыс.руб.

49400

20300

Плановые накопления монтажной организации, тыс.руб.

24500

10500

Суммарные капитальные вложения, тыс.руб.

2543650

1044900

12.3 Определение эксплуатационных затрат

При расчете эксплуатационных затрат важное значение имеет величина периода, за который производится расчет. При сравнении приводов ограничимся периодом 20 лет.

Затраты на электроэнергию определяются количеством энергии, потребляемой за год, номинальной мощностью двигателей, а также тарифной ставкой на электроэнергию. Для расчета энергии, потребляемой за год, нужно знать суммарное время работы электропривода за год, которое определяется коэффициентом использования:

где ПВ – продолжительность включения установки, о.е.;

– продолжительность работы установки за смену, ;

– число рабочих часов за смену, .

Определим число рабочих часов установки за год:

где  – число рабочих дней в году, ;

– число смен в сутки, ;

.

Определим энергию, потребляемую за год:

для базового варианта:

где ,  – номинальные параметры двигателей;

для проектируемого варианта:

Таким образом, затраты на для базового варианта:

где  – основная тарифная ставка,  тыс.руб/кВтч;

для проектируемого варианта:

Амортизационные отчисления составляют 9,5% от сметной стоимости электропривода. Тогда для первого варианта:

,

.

Плановая продолжительность ремонтного цикла (ремонтный цикл – наработка электрического оборудования, выраженная в годах календарного времени между двумя капитальными плановыми ремонтами) для асинхронного двигателя:

,

где . – продолжительность ремонтного цикла для электродвигателя, ;

– коэффициент, определяемый сменностью работы оборудования, ;

– коэффициент, учитывающий уменьшение ремонтного цикла машин, отнесенных к категории основного оборудования, ;

Для преобразователя частоты:

где  – продолжительность ремонтного цикла для преобразователя частоты, ;

Для гидронасоса:

где  – продолжительность ремонтного цикла для гидронасоса, ;

Наработка энергетического оборудования, выраженная в месяцах календарного времени между двумя плановыми ремонтам, для асинхронного электродвигателя:

Для преобразователя частоты:

Для гидронасоса:

По полученным величинам можно рассчитать количество капитальных и текущих ремонтов в расчете за 1 год. Количество капитальных ремонтов в год составляет:

Количество текущих ремонтов за один год определяется аналогично:

По заданному количеству ремонтов в год, а также по заданной норме трудоемкости определяется годовая трудоемкость ремонтов. Годовая трудоемкость электрических машин рассчитывается по формуле:

где  – норма трудоемкости капитальных ремонтов для двигателя,  человеко-часов;

– поправочный коэффициент, учитывающий частоту вращения электродвигателя, ;

Для преобразователя частоты:

.

Для гидронасоса:

.

Годовая трудоемкость текущих ремонтов для соответствующих типов определяем аналогично трудоемкости капитальных ремонтов:

Для пускорегулирующей аппаратуры годовая трудоемкость капитального (текущего) ремонта принимается равной 25% от трудоемкости капитального (текущего) ремонта электропривода:

Трудоемкость технического обслуживания оборудования принимается равной 10% от нормы трудоемкости текущего ремонта оборудования без учета поправочных коэффициентов.

Для удобства сравнения выполненный расчет трудоемкости ремонта и технического обслуживания для обоих вариантов сведен в таблицу 12.3.

Таблица 12.3 – Результаты расчетов трудоемкости ремонта и технического обслуживания оборудования рассматриваемых вариантов

Тип оборудования

Базовый вариант

Проект. вариант

Годовая трудоемкость капитальных ремонтов, человеко-часы

Электродвигатель

2,3

2,3

Преобразователь, насос

16,8

9,8

Пускорегулирующая аппаратура

0,575

3,03

Механическая передача

-

-

Годовая трудоемкость текущих ремонтов, человеко-часы

Электродвигатель

0,62

0,62

Преобразователь

15,4

1,19

Пускорегулирующая аппаратура

0,155

0,45

Механическая передача

-

-

Годовая трудоемкость технического обслуживания, человеко-часы

Электродвигатель

8,4

8,4

Преобразователь

70,8

18

Пускорегулирующая аппаратура

0,84

2,64

Механическая передача

-

-

Суммарная трудоемкость эксплуатации оборудования:

115,89

46,43

По известной годовой трудоемкости эксплуатации оборудования, учитывая тарифную ставку ремонтного рабочего, а также соответствующие налоги, можно определить затраты на заработную плату ремонтных рабочих за год:

для базового варианта:

где  – часовая тарифная ставка ремонтного рабочего (по 4-му разряду),  руб/ч;

– коэффициент, определяющий затраты на выплату налогов в связи с начислением зарплаты:

34% - начисление на социальное страхование,

1% - начисление на пенсионный фонд,

25% - начисление на премирование,

10% - начисление на выплату дополнительной зарплаты.

Т – суммарная трудоемкость эксплуатации оборудования.

тыс.руб.,

Для проектируемого варианта:

тыс.руб.

Стоимость материалов для ремонта и обслуживания принимается равной 100% от основной заработной платы ремонтных рабочих без учета выплаты налогов:

для базового варианта:

тыс.руб.

для проектируемого варианта:

тыс.руб.

Общецеховые расходы принимаются равными 100% от основной заработной платы без учета налогов, т.е.:

тыс.руб.,

тыс. руб.

Общезаводские расходы принимаются равными 50% от основной заработной платы без учета налогов:

тыс.руб,

тыс.руб.

Таким образом, найдены все величины, необходимые для расчета годовых затрат по эксплуатации электрической части установки а также для определения годовых эксплуатационных расходов для обоих вариантов.

Анализ экономической целесообразности принятого решения проведем используя метод приведенных затрат.

где  – согласно рекомендациям ЮНИДО для развивающихся стран;

Теперь посчитаем экономический эффект:

Анализ и сопоставление капиталовложений, эксплуатационных затрат и затрат на электроэнергию показывает, что недостатком нерегулируемого электропривода являются большие затраты на электроэнергию. В свою очередь, основными затратами на регулируемый электропривод составляет стоимость преобразователя частоты. Затраты на ремонт и обслуживание в первом случае больше, т.к. связаны с использованием коробки скоростей. Проанализировав экономический эффект, можно сделать вывод, что установка частотного электропривода экономически выгодна.

Для наглядности и сравнения полученных технико-экономических показателей сравниваемых систем приводов все данные сведем в таблицу 12.4.

Таблица 12.4 – Технико-экономические показатели сравниваемых систем электропривода

Наименование

Обозначение

Базовый вариант

Модернизи-рованный вариант

Номинальная мощность двигателя, кВт

2.2

0,12

Номинальный КПД двигателя,%

80

63

Номинальный КПД преобразователя, %

-

95

Капиталовложения, т.руб

К

254365

104490

Амортизационные отчисления, т.руб

21140

Стоимость потребленной электроэнергии, т.руб

332960

45270

Заработная плата ремонтных рабочих, т.руб

83395

22315

Стоимость материалов для ремонта ЭП, т.руб

25030

10030

Цеховые расходы, т.руб

25030

10030

Общезаводские расходы, т.руб

12515

5015

Годовые эксплуатационные расходы, т.руб

461475

96975

Приведенные затраты, т.руб

499630

112650

Экономический эффект, т.руб

386980


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном дипломном проекте произведен расчет автоматизированного электропривода поперечной подачи плоскошлифовального станка 3Е711.

В ходе работы проведен анализ технологического процесса, рассмотрена работа привода поперечной подачи, сформулированы требования к электроприводу поперечной подачи, рассмотрены основные типы приводов, применяемых в шлифовальных станках. Исходя из этого, выбрана система электропривода: взамен нерегулируемого АД с гидростанцией выбрали систему ПЧ-АД с векторным управлением. В результате расчета режимов шлифования для типовой детали был выбран электродвигатель 4АА56А4У3 мощностью 0,12 кВт и комплектный преобразователь VFD-S фирмы Delta Electronics.

Была разработана математическая модель автоматизированного электропривода, по которой произведен синтез регуляторов системы управления. По математической модели была составлена в среде MATLAB/Simulink имитационная модель, по которой произведен расчет переходных процессов и построена уточненная нагрузочная диаграмма.

В результате моделирования было определено, что величина перерегулирования скорости во время пуска и изменения нагрузки не превышает 1%, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к электроприводу.

В дипломном проекте также рассмотрены мероприятия по обеспечению охраны труда при эксплуатации плоскошлифовального станка и проведено технико-экономическое обоснование выбранного технического решения.

Таким образом, тема дипломного проекта проработана полностью.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1.  Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т./ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп.  М.: Машиностроение, 1986. – 496с., ил.
  2.  Соколов Н.Г. и Елисеев В.А. Расчёты по автоматизированному электроприводу металлорежущих станков. Учеб. Пособие для вузов по специальности Электропривод и автоматизация промышленных комплексов”.  М.: Высш. школа, 1969 – 296 с. с ил.
  3.   Фираго Б. И. Учебно-методическое пособие к курсовому проектированию по теории электропривода для студентов специальности 1-53 01 05 «Автоматизированные электроприводы» / Б. И. Фираго. – Мн.: БНТУ, 2005. – 126 с.
  4.  Петренко Ю.Н., Г.И. Гульков. Автоматизация типовых и промышленных установок. Тексты лекций / Петренко Ю.Н., Г.И. Гульков. – Мн.: БПИ, 1989 – 82 с.
  5.  Руководство по эксплуатации преобразователя частоты фирмы Delta Electronics серии UFD-S.
  6.  Сайт компании Элком, поставщика электротехнической продукции в России http://www.elcomspb.ru. Выбираем дроссели L и автоматичесие выключатели QF.
  7.  http://www.rakurs.su/files/ControlComponents/E38E-RU-01+TL-T+Datasheet.pdf
  8.  Сайт компании Шнейдер Электрик http:// www.schneider-electric.ru.
  9.  Богданович Ф.А. и др. Пожарная безопасность: Учебно-методическое пособие по курсу "Охрана труда" для студентов всех специальностей./ Ф.А.Богданович, Л.П. Филянович, А.М. Лазаренков. - Мн.: БГПА, 1994. -43с