Помощь студентам в учебе
Модернизация электропривода главного движения токарного станка PITTLER
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 7
1.1 Описание механизмов, рабочих органов, кинематическая схема 7
1.2 Исходные данные для проектирования 9
2 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 11
2.1 Расчет нагрузочных диаграмм скорости и моментов рабочего органа 11
2.2 Предварительный расчет мощности электродвигателя 15
2.3 Предварительный выбор электродвигателя и редуктора 16
2.4 Предварительная проверка двигателя по нагреву и
производительности 16
3 ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ 18
3.1 Выбор преобразователя 18
3.2 Выбор коммутационных аппаратов 19
3.3 Шкаф управления электроприводом 19
4 РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА .. 21
5 РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 25
5.1 Назначение математического моделирования систем электропривода 25
5.2 Расчет параметров схемы управления и динамических режимов
работы электропривода 26
6 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ 38
6.1 Проверка двигателя и преобразователя по нагреву 38
6.2 Проверка на перегрузочную способность 38
7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 39
7.1 Выбор ПЛК 39
7.2 Логические уравнения 40
7.3 Программирование ПЛК 41
8 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 43
9 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 46
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 7
1.1 Описание механизмов, рабочих органов, кинематическая схема 7
1.2 Исходные данные для проектирования 9
2 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 11
2.1 Расчет нагрузочных диаграмм скорости и моментов рабочего органа 11
2.2 Предварительный расчет мощности электродвигателя 15
2.3 Предварительный выбор электродвигателя и редуктора 16
2.4 Предварительная проверка двигателя по нагреву и
производительности 16
3 ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ 18
3.1 Выбор преобразователя 18
3.2 Выбор коммутационных аппаратов 19
3.3 Шкаф управления электроприводом 19
4 РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА .. 21
5 РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 25
5.1 Назначение математического моделирования систем электропривода 25
5.2 Расчет параметров схемы управления и динамических режимов
работы электропривода 26
6 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ 38
6.1 Проверка двигателя и преобразователя по нагреву 38
6.2 Проверка на перегрузочную способность 38
7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 39
7.1 Выбор ПЛК 39
7.2 Логические уравнения 40
7.3 Программирование ПЛК 41
8 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 43
9 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 46
ВВЕДЕНИЕ
Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 70% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода для промышленных механизмов является приоритетным направлением развития современной техники.
Во всем мире неуклонно прослеживается тенденция к снижению доли систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока. По прогнозам в ближайшие 10 лет доля приводов постоянного тока сократится до 10% от общего числа приводов. Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода с вентильными, т. е. электроннокоммутируемыми двигателями. В качестве исполнительных бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением (для больших мощностей). Этот тип привода перспективен для прецизионного станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим. Также данный тип электромеханических преобразователей может работать только совместно со специализированной системой управления двигателем, также слабым местом у этих двигателей является наличие датчика положения ротора и постоянных магнитов, которые являются не очень стойкими к ударным нагрузкам, возникающим в процессе эксплуатации станков. Основными производителя в данном сегменте являются фирмы “BOSCH”, “KUKA”, “SIEMENS”, “ROCKWELL AUTOMATION”.
В качестве приводов главного движения в настоящее время широко применяются привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Асинхронные электродвигатели в настоящее время являются наиболее распространенным видом двигателей. Они выпускаются крупными сериями на электротехнических заводах, что привело к тому, что на данный момент этот тип двигателей является самым дешевым из серийно выпускаемых. Преимущества данного типа двигателей заключается в том что, у них отсутствует электромеханический коллекторный узел, являющийся наиболее подверженной поломкам частью, что повышает надежность системы в целом и дает возможность использовать их на высоких частотах вращения, они при одинаковой мощности имеют меньшие массогабаритные показатели. Также в случае выхода из строя преобразователя двигатель может работать самостоятельно без системы управления. В связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается. В настоящее время основными производителями в этом сегменте созданы серии специализированных приводов, отвечающих специфике применения. Они имеют встроенную защиту от перегрева, токовую защиту, возможность автоматического старта при нарушении системы питания, защиту от перенапряжения и пониженного напряжения, параметрируемое время разгона и торможения, реализуют механизм бесшумной работы двигателя на высокой частоте.
Целью дипломного проекта является повышение производительности автоматического токарного станка, за счет уменьшения времени простоя станка в ремонте и сокращения эксплуатационных затрат, связанных с ремонтом системы электропривода главного движения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующую задачу: выявить слабые стороны существующей системы электропривода с использованием коробки скоростей с электромагнитными муфтами и спроектировать новую систему привода главного движения, на основе известных технических решений, включающую в себя асинхронный двигатель и частотный преобразователь.
Для решения поставленной задачи, необходимо выбрать систему электропривода, обеспечивающую надежную работу оборудования с заданными технологическими параметрами. В соответствии с этим произвести выбор электродвигателя, подходящего по заданным условиям, типа преобразователя для управления данным двигателем.
Для проверки и определения настроек системы необходимо построить математическую модель электропривода и системы управления двигателем, провести анализ результатов исследования математической модели, для оптимизации структуры и параметров электропривода.
Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 70% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода для промышленных механизмов является приоритетным направлением развития современной техники.
Во всем мире неуклонно прослеживается тенденция к снижению доли систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока. По прогнозам в ближайшие 10 лет доля приводов постоянного тока сократится до 10% от общего числа приводов. Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода с вентильными, т. е. электроннокоммутируемыми двигателями. В качестве исполнительных бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением (для больших мощностей). Этот тип привода перспективен для прецизионного станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим. Также данный тип электромеханических преобразователей может работать только совместно со специализированной системой управления двигателем, также слабым местом у этих двигателей является наличие датчика положения ротора и постоянных магнитов, которые являются не очень стойкими к ударным нагрузкам, возникающим в процессе эксплуатации станков. Основными производителя в данном сегменте являются фирмы “BOSCH”, “KUKA”, “SIEMENS”, “ROCKWELL AUTOMATION”.
В качестве приводов главного движения в настоящее время широко применяются привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Асинхронные электродвигатели в настоящее время являются наиболее распространенным видом двигателей. Они выпускаются крупными сериями на электротехнических заводах, что привело к тому, что на данный момент этот тип двигателей является самым дешевым из серийно выпускаемых. Преимущества данного типа двигателей заключается в том что, у них отсутствует электромеханический коллекторный узел, являющийся наиболее подверженной поломкам частью, что повышает надежность системы в целом и дает возможность использовать их на высоких частотах вращения, они при одинаковой мощности имеют меньшие массогабаритные показатели. Также в случае выхода из строя преобразователя двигатель может работать самостоятельно без системы управления. В связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается. В настоящее время основными производителями в этом сегменте созданы серии специализированных приводов, отвечающих специфике применения. Они имеют встроенную защиту от перегрева, токовую защиту, возможность автоматического старта при нарушении системы питания, защиту от перенапряжения и пониженного напряжения, параметрируемое время разгона и торможения, реализуют механизм бесшумной работы двигателя на высокой частоте.
Целью дипломного проекта является повышение производительности автоматического токарного станка, за счет уменьшения времени простоя станка в ремонте и сокращения эксплуатационных затрат, связанных с ремонтом системы электропривода главного движения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующую задачу: выявить слабые стороны существующей системы электропривода с использованием коробки скоростей с электромагнитными муфтами и спроектировать новую систему привода главного движения, на основе известных технических решений, включающую в себя асинхронный двигатель и частотный преобразователь.
Для решения поставленной задачи, необходимо выбрать систему электропривода, обеспечивающую надежную работу оборудования с заданными технологическими параметрами. В соответствии с этим произвести выбор электродвигателя, подходящего по заданным условиям, типа преобразователя для управления данным двигателем.
Для проверки и определения настроек системы необходимо построить математическую модель электропривода и системы управления двигателем, провести анализ результатов исследования математической модели, для оптимизации структуры и параметров электропривода.
В процессе выполнения дипломного проекта разработана система управления электропривода вращения главного движения двухшпиндельного токарного станка фирмы “PITTLER”.
Был произведен обзор существующих технических решений и выбрана отвечающая необходимым требованиям система электропривода, в соответствии с технологическими параметрами оборудования был произведен выбор электродвигателей 4А180М4У3 (30 кВт/ 1500 об/мин) и выбор типа частотного преобразователя, разработана принципиальная электрическая схема подключения преобразователей к оборудованию и их связи с системой управления станка.
Были составлены структурные и функциональные схемы электроприводов, на основе которых создана математическая модель, описывающая поведение системы.
С помощью математического моделирования были построены переходные характеристики электроприводов шпинделей.
При анализе переходных характеристик построенной математической модели видно, что минимальное время переходного процесса составляет 0,064 с., величина перерегулироания не превышает допустимого для системы с настройкой на симметричный оптимум значения 8,3%, что соответствует заданным показателям качества.
Для математической модели были смоделированы основные режимы работы системы электроприводов во время цикла: пуск, переключение скорости во время обработки, торможение и отключение приводов в конце цикла. Из приведенных характеристик видно, что спроектированная система управления обеспечивает стабильность работы во время всего цикла обработки.
Был произведен обзор существующих технических решений и выбрана отвечающая необходимым требованиям система электропривода, в соответствии с технологическими параметрами оборудования был произведен выбор электродвигателей 4А180М4У3 (30 кВт/ 1500 об/мин) и выбор типа частотного преобразователя, разработана принципиальная электрическая схема подключения преобразователей к оборудованию и их связи с системой управления станка.
Были составлены структурные и функциональные схемы электроприводов, на основе которых создана математическая модель, описывающая поведение системы.
С помощью математического моделирования были построены переходные характеристики электроприводов шпинделей.
При анализе переходных характеристик построенной математической модели видно, что минимальное время переходного процесса составляет 0,064 с., величина перерегулироания не превышает допустимого для системы с настройкой на симметричный оптимум значения 8,3%, что соответствует заданным показателям качества.
Для математической модели были смоделированы основные режимы работы системы электроприводов во время цикла: пуск, переключение скорости во время обработки, торможение и отключение приводов в конце цикла. Из приведенных характеристик видно, что спроектированная система управления обеспечивает стабильность работы во время всего цикла обработки.
