Расчёт и построение механических характеристик электродвигателей

Аннотация
Расчёт и построение механических характеристик электродвигателей. Модернизация существующих и разработка новых автоматизированных электроприводов станков, промышленных роботов или других объектов автоматизированных станочных систем. – ПЗ, 23 стр., илл., 5, табл., 1, библиогр., 11 назв, прил. – Чертежи: Механические характеристики двигателей:- асинхронного двигателя (естественная);- двигателя постоянного тока (естественная и искусственная); Кинематическая схема механизма (передаточное устройство разрабатываемого привода; Схемы (структурные, принципиальные), диаграммы и графики, связанные с управлением электроприводом – 2 листа А1.

Содержание
TOC \o "1-3" \h \z \u Введение PAGEREF _Toc72690594 \h 41 Расчет и построение механических характеристик электродвигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения PAGEREF _Toc72690595 \h 52 Расчет и построение механических характеристик асинхронных электродвигателей (АД) PAGEREF _Toc72690596 \h 83 Определение требуемого диапазона частот вращения PAGEREF _Toc72690597 \h 114 Определение приведённых к валу двигателя моментов от сил резания и сил трения PAGEREF _Toc72690598 \h 125 Предварительный выбор электродвигателя PAGEREF _Toc72690599 \h 146 Проверка выбранного двигателя по среднеквадратичному моменту PAGEREF _Toc72690600 \h 177 Построение и описание структурной схемы комплектного привода PAGEREF _Toc72690601 \h 18Заключение PAGEREF _Toc72690602 \h 23Список литературы PAGEREF _Toc72690603 \h 24
ВведениеВ современных высокоточных металлорежущих станках и автоматизированных обрабатывающих центрах устанавливаются два или более электроприводов. Один из них, именуемый главным, предназначен для вращения детали относительно режущего инструмента (токарные операции) или наоборот (фрезерные или сверлильные операции). Остальные приводы, именуемые приводами подач, выполняют функцию перемещения инструмента.
Главный привод обладает большой мощностью, т.к. именно он преодолевает силы сопротивления резанию, приводы же подач по мощности на порядок и более могут уступать главному, но именно они обеспечивают точность и чистоту обработки детали и одновременно производительность оборудования, поскольку от них зависит как точность взаимного позиционирования инструмента и обрабатываемой детали, так и быстрота перемещения инструмента при смене операций.
В связи с этим к двигателям, составляющим основу приводов подач, предъявляются высокие требования в плане широты диапазона регулирования частоты вращения, линейности регулировочных характеристик, быстродействия, способности выдерживать высокие перегрузки по току и моменту.

1 Расчет и построение механических характеристик электродвигателей постоянного тока независимого и параллельного возбужденияПроизведем расчет и построение механических характеристик двигателя постоянного тока 2ПФ132М со следующими техническими характеристиками: РН=2 кВт, UH=440 B, RЯ=6,28 Ом, RДП=3,94 Ом, RB=35 Ом, nH=800 об/мин, η=71,5%, La=132 мГн.
Так как механическая характеристика прямолинейна, то для того, чтобы рассчитать и построить её, достаточно найти координаты двух любых точек. Построение естественной механической характеристики удобно производить по точкам, одна из которых соответствует номинальному электромагнитному моменту двигателя и номинальной скорости (𝑀 = 𝑀ном и 𝜔 = 𝜔ном), а другая –
скорости идеального холостого хода (𝑀 = 0 и 𝜔 = 𝜔0).
Номинальная угловая скорость вращения двигателя:

Рассчитаем номинальный момент двигателя:

Суммарное сопротивление якорной цепи при рабочей температуре:

Номинальный ток обмотки якоря:

Скорость идеального холостого хода двигателя:

Постоянная двигателя:

Для построения искусственной механической характеристики при введении дополнительного сопротивления в цепь якоря произведем расчет скорости идеального холостого хода и скорости при номинальном значении момента двигателя:



Рисунок 1.1 – Естественная и искусственная механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

2 Расчет и построение механических характеристик асинхронных электродвигателей (АД)Произведем расчет и построение механической характеристики асинхронного двигателя АИР90LA8 со следующими техническими характеристиками: РН=0,75 кВт, ηН=70%, cosφH=0,66, IH=2,5 A, KI=3.5, λП=1,6, λМ=1,7, nH=698 об/мин, J=0,0067 кг·м2.
Для расчета и построения механической характеристики используют формулу Клосса:


Номинальная угловая скорость вращения двигателя:

Номинальный момент двигателя:

Пусковой и максимальный момент двигателя:


Номинальное скольжение двигателя:

Критическое скольжение двигателя:

Скорость, соответствующая критическому скольжению:

Выражение для расчета механической характеристики:


Произведем расчет механической характеристики.
Таблица 2.1 – Расчет механической характеристики.
s 0 0,07 0,2 0,215 0,5 0,8 1
М, Н·м 0 10,2 17,3 17,4 12,6 8,7 16,4
ω, рад/с 78,5 73,1 62,8 61,6 39,2 15,7 0

Рисунок 2.1 – Механическая характеристика асинхронного двигателя.
3 Определение требуемого диапазона частот вращенияИсходные данные для расчета: VPmax=1200 мм/мин, VPmin=1,9 мм/мин, VБХ=9600 мм/мин, a=1 м/с2, fTP=0,01, FZ=5000 Н, FX=3000 Н, m=2000 кг, t=10 мм, dВ=0,063 м, lВ=1 м.
Максимальная и минимальная частоты вращения двигателя определяются из уравнения кинематического баланса механизма




4 Определение приведённых к валу двигателя моментов от сил резания и сил тренияСтатический момент определяется усилием, передаваемым в направлении подачи при установившемся движении рабочего органа станка, которое в общем случае равно:

Приведенный момент к валу электродвигателя от составляющих сил резания по направлению подачи

где: t – шаг винта, мм;
k – число заходов винта;
η – КПД привода подач.
Сила трения от перемещаемых масс узлов станка и установленной на нем массы детали определяется в общем случае по формуле


Приведенный момент к валу двигателя от сил трения при наличии предварительного натяга определяется:
- для шариковой передачи винт-гайка

- для подшипников ходового винта

Приведенный момент от неуравновешенных масс перемещаемых узлов определяется их силой тяжести Mну=0 т.к. угол между направлением перемещения и горизонтальной плоскостью тоже равен 0.
Получаем:



5 Предварительный выбор электродвигателяПо статическому моменту от сил резания и трения, по скоростям быстрого хода и рабочих подач предварительно выбирается электродвигатель, а затем производится уточнение его параметров после расчета необходимого динамического момента.
Предварительно выбирается двигатель с длительно допустимым (номинальным) моментом Мн > М при частотах вращения nн  nmax , nmax 
nб.ч.
Выбираем двигатель постоянного тока 4ПФ132М со следующими техническими характеристиками: РН=11 кВт, UH=220 B, IaH=61,5 А, nH=1060 об/мин, η=78,5%, nmax=4500 об/мин.
Момент инерции линейно перемещающегося узла, приведённый к валу двигателя:

Определяем момент инерции винта

Момент инерции муфты примем равным 0,1 момента инерции двигателя:

Определяется временем изменения переходных процессов tп.п., а также заданным законом и диапазоном изменения скорости.
Определим время переходного процесса:

Для случая разгона до Vбх двигатель должен иметь ускорение

Определяем динамический момент на двигателе:

Определяем момент преодолеваемый двигателем при разгоне:

Номинальная угловая скорость вращения двигателя:

Рассчитаем номинальный момент двигателя:

Суммарное сопротивление якорной цепи:

Скорость идеального холостого хода двигателя:


Рисунок 5.1 – Механическая характеристика двигателя.

6 Проверка выбранного двигателя по среднеквадратичному моментуЕсли двигатель работает в повторно-кратковременном режиме с резко переменной нагрузкой, то его номинальный момент должен быть не менее среднеквадратичного момента.
Исходные данные для расчета: a1=0,3, a2=0,1, a3=0,2, a4=0,15, a5=0,15, a6=0,1, b1=1, b2=0,4, b3=0,1, b4=0, b5=0,4, b6=0,5.
Значение Мс.к. определяется с учётом нагрузочного графика работы двигателя выражением:

Выбранный двигатель удовлетворяет требованиям по заданному условию.

7 Построение и описание структурной схемы комплектного приводаЭлектропривод предназначен для работы в закрытых отапливаемых помещениях при следующих условиях:
- высота над уровнем моря не более 1000 м;
- температура окружающего воздуха (внутри шкафа) от +5 до +45°С;
- относительная влажность окружающего воздуха 80% при температуре 30°С.
Окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию. Содержание масел, пыли – в пределах санитарных норм.
Основные технические параметры электропривода указаны в табл. 7.1.
Таблица 7.1.
Наименование параметра Ед. измерения Требования техническихусловийНапряжение сети В 380 (+10–15) %
Частота сети Гц 50±1
Мощность электродвигателя кВт 0,611,3
Максимальный диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя 10000
Электропривод обеспечивает работу во всех 4-х квадрантах механической характеристики при изменении управляющего напряжения в пределах ±10В.
Электропривод серии ЭТ6 состоит из тиристорного преобразователя, электродвигателя со встроенным тахогенератором, согласующего трансформатора серии ТСТ, задатчика частоты вращения и токоограничивающих реакторов РТ.
Электропривод конструктивно представляет собой комплектное устройство, выполненное в открытом исполнении (степень защиты IP00) и предназначенное (кроме электродвигателя) для встройки в шкаф.
Преобразователь имеет блочную конструкцию, обеспечивающую оперативную замену блоков и возможность ремонта или замены отдельных элементов.
Электропривод серии ЭТ6 представляет собой электромеханическое устройство, служащее для регулирования и стабилизации частоты вращения электродвигателя постоянного тока в диапазоне 1:10000.
Структурная схема электропривода приведена на рис. 2.1, где:
РС – регулятор скорости;
РТ – регулятор тока;
Uто=f(n) – узел зависимости токоограничения;
ТП – тиристорный преобразователь;
ДТ – датчик тока;
ДС – датчик скорости;
Rэ – эквивалентное сопротивление якорной цепи;
Тя – электромагнитная постоянная времени;
Тм – электромеханическая постоянная времени;
К – конструктивный коэффициент;
Uз – задающее напряжение;
Uогр=f(Uc) – узел ограничения минимального угла управления;
Uдс – напряжение датчика скорости;
ΔU1 – разность (Uз–Uдс);
Uрс – напряжение на выходе регулятора скорости;
Uто – напряжение узла токоограничения;
Uдт – напряжение на выходе датчика тока;
ΔU2 – разность (Uрс–Uдт);
Uрт – напряжение на выходе регулятора тока;
Uя – напряжение на якоре двигателя;
Iя – ток якоря двигателя;
n – частота вращения электродвигателя;
М – двигатель;

Рисунок 7.1 - Функциональная схема электропривода.
При наличии рассогласования (ΔU1) на входе регулятора скорости (РС), на его выходе формируется сигнал, пропорциональный этому рассогласованию, который, сравниваясь с текущим значением тока якоря, поступает на вход регулятора тока РТ. Регулятор тока усиливает эту разность и подает управляющее напряжение на схему формирования управляющих импульсов (СИФУ), функция которой заключается в формировании и распределении импульсов управления силовыми тиристорами. По мере уменьшения рассогласования (под действием отрицательной обратной связи по частоте вращения) происходит стабилизация часты вращения двигателя на уровне, пропорциональном напряжению задания (Uз). Коэффициент усиления системы регулирования обеспечивает необходимый диапазон регулирования и достаточную точность поддержания частоты вращения при различных возмущающих воздействиях.
Ограничение тока якоря двигателя осуществляется путем ограничения напряжения выхода регулятора скорости.
Предусмотрено зависимое ограничение тока в функции частоты вращения.
Тиристорный преобразователь является управляемым двухполярным, шестипульсным выпрямителем, состоящим из:
- силовой схемы;
- схемы формирования управляющих импульсов;
- схемы усилителя – регулятора скорости;
- схемы усилителя – регулятора тока с датчиком тока и схемой ограничения производной РТ;
- схемы ограничения минимального угла управления;
- схемы ограничения тока якоря;
- схемы защиты;
- источника питания;
- схемы дополнительного усилителя.
Схема регулятоpа тока с датчиком и схемой ограничения представлена на рисунке 7.2.
Регулятор тока. Внутренним контуром электропривода ЭТ6, выполненного по структуре подчиненного регулирования, является контур тока. В этот контур, кроме тиристорного преобразователя и якорной цепи электродвигателя, входит регулятор тока РТ и датчик тока ДТ, принципиальные схемы которых приведены на рис. 5.6. Основным назначением РТ является компенсация электромагнитной постоянной времени якорной цепи электродвигателя и обеспечение управления током этой цепи в соответствии с сигналом рассогласования между заданным значением тока с выхода регулятора скорости и фактическим значением, которое определяется с помощью специального датчика тока.
РТ выполнен на операционном усилителе А601 и представляет собой пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор. Параметры такого регулятора определяются резистором R604 и конденсатором С*, в качестве которого выбираются при настройке конденсаторы С602, С603 и С604. Резистор R605 и конденсатор С601 относятся к элементам, обеспечивающим устойчивую работу операционного усилителя, и практически не оказывают влияния на параметры РТ (R605—910 кОм, С601—6800 нФ, а сумма R602 и R603— 3,5 кОм).

Рисунок 7.2 – Схема регулятоpа тока с датчиком и схемой ограничения.
Резистор R607 обеспечивает защиту операционного усилителя ОУ от перегрузки по току и также не влияет на параметры РТ, поскольку охватывается обратной связью. Диоды Д601 и Д602 обеспечивают защиту ОУ по входу. В состав РТ входит схема ограничения производной (СОП) его выходного сигнала с целью исключения динамического уравнительного тока в силовой схеме. СОП выполнена на ОУ А701 н содержит дифференцирующую цепочку R705—С704, формирующую сигнал на входе А701, зависящий от скорости изменения выходного сигнала РТ, и делитель R702, R707, причем резистор R707 шунтирован двусторонним стабилитроном Д701. Когда напряжение на выходе А701 превышает напряжение пробоя стабилитрона Д701, последний пробивается и напряжение с резистора R702 поступает через резистор R701 на неинвертирующий вход 5 ОУ А601 РТ. При этом происходит ограничение скорости изменения выходного сигнала РТ на заданном уровне. Датчик тока предназначен для передачи на вход РТ сигнала обратной связи, пропорционального току якоря электродвигателя. Датчик тока выполнен на основе магнитодиодов Д501 и Д502, включенных в мостовую схему из резисторов R507, R5O8 н R506, который служит для балансировки датчика тока. Для защиты от высокочастотных помех магнитодиоды шунтированы конденсаторами С505, С506 (6800 пФ). Включение магнитодиодов по мостовой схеме позволяет исключить влияние уравнительных токов, протекающих по цепи 50—52, 51—52, поскольку при одинаковой величине этих токов напряжение в диагонали моста будет равно нулю, что обеспечивается его балансировкой с помощью резистора R506. При вращении электродвигателя в том или ином направлении токи в указанных цепях силовой схемы оказываются не равными, что приводит к соответствующей разбалансировке моста и появлению напряжения в его диагонали, пропорционального разности токов. Это напряжение усиливается с помощью дифференциального усилителя, выполненного на ОУ А501 (коэффициент передачи ДУ около 51) и поступает на один из входов РТ (резистор R601), на другой вход которого (резистор R602) поступает сигнал от регулятора скорости PC. Назначение резистора R503 аналогично R607 в РТ.

ЗаключениеВ процессе выполнения курсовой работы, после проведения всех необходимых расчетов, был выбран электродвигатель постоянного тока модели 4ПФ132М. Электродвигатель соответствует всем предъявляемым к нему требованиям: по величинам номинальной и максимальной частот вращения, вырабатываемому моменту и ускорению.
Была построена механическая характеристика выбранного электродвигателя и описан один из функциональных блоков его устройства управления (ЭТ6).
Методика, применяемая при выполнении курсовой работы максимально приближенна к действительной (идеальной), что позволяет по результатам проделанной работы сделать вывод о целесообразности использования данного двигателя для приводов подач станков с ЧПУ.
Разработка всех чертежей, блоков, узлов и схем велась с соблюдением ЕСКД и соответствующих стандартов.

Список литературы1. Копылов И. П. “Электрические машины” М.: Высшая школа, 2002.
2. Чиликин М. Г., Сандлер А.С. “Общий курс электропривода” М.:Энергоиздат, 1981.
3. Усатенко С.Т. и др. графическое изображение электpоpадиосхем: Справочник / С.Т. Усатенко, Т.К. Каченюк, М.В. Теpехова. - К.: Техника, 1986. – 120 с., ил.
4. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов : Учебник для вузов. - М.: Машиностpоение , 1990. - 304 с., ил.
5. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шинянский. - М.: Энеpгоатомиздат, 1983. - 616 с., ил.
6. Электроприворд ЭПУ-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.