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, 22 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 _Toc71565048 \h 41 Расчет и построение механических характеристик электродвигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения PAGEREF _Toc71565049 \h 52 Расчет и построение механических характеристик асинхронных электродвигателей (АД) PAGEREF _Toc71565050 \h 83 Определение требуемого диапазона частот вращения PAGEREF _Toc71565051 \h 114 Определение приведённых к валу двигателя моментов от сил резания и сил трения PAGEREF _Toc71565052 \h 125 Предварительный выбор электродвигателя PAGEREF _Toc71565053 \h 146 Проверка выбранного двигателя по среднеквадратичному моменту PAGEREF _Toc71565054 \h 177 Построение и описание структурной схемы комплектного привода PAGEREF _Toc71565055 \h 18Заключение PAGEREF _Toc71565056 \h 22Список литературы PAGEREF _Toc71565057 \h 23
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 2ПФ160М со следующими техническими характеристиками: РН=3 кВт, UH=110 B, RЯ=0,138 Ом, RДП=0,135 Ом, RB=128 Ом, nH=750 об/мин, η=75,5%, La=5,04 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 4А80А4 со следующими техническими характеристиками: РН=1,1 кВт, ηН=75%, cosφH=0,81, IH=2,7 A, KI=5, λП=2, λМ=2,2, nH=1420 об/мин, J=0,00323 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 0,05 0,1 0,21 0,5 0,8 1
М, Н·м 0 3,8 12,7 16,3 11,6 8 14,8
ω, рад/с 157 148,6 141,3 114,8 78,5 31,4 0

Рисунок 2.1 – Механическая характеристика асинхронного двигателя.
3 Определение требуемого диапазона частот вращенияИсходные данные для расчета: VPmax=5500 мм/мин, VPmin=2,2 мм/мин, VБХ=8500 мм/мин, a=0,8 м/с2, fTP=0,1, FZ=10000 Н, FX=4800 Н, m=850 кг, t=10 мм, dВ=0,08 м, lВ=1,1 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=0,25, a2=0,15, a3=0,25, a4=0,2, a5=0,1, a6=0,05, b1=1, b2=0,45, b3=0,2, b4=0, b5=0,25, b6=0,45.
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 приводаЭлектроприводы ЭПУ1М по назначению делятся на две группы:
1) для механизмов подач станков, промышленных манипуляторов (роботов) с обратной связью по скорости;
2) для механизмов главного движения станков и других механизмов (в нашем случае для механизмов подач).
Электропривод состоит из блока управления БСМ3203...П (преобразователя), электродвигателя постоянного тока М1 со встроенным тахогенератором ВR1, согласующего трансформатора Т1, блока предохранителей U1, задатчика скорости ЗС, пусковой аппаратуры (контакты «Работа», «Сброс защит», «Авария»). При необходимости в цепь якоря двигателя М1 включается сглаживающий реактор L1. В случае использования электродвигателя с электромагнитным возбуждением для питания обмотки возбуждения ОВМ1 используется блок возбудителя U2.
Система регулирования электроприводом выполнена двухконтурной с ПИ-регуляторами скорости РС и тока РТ с устройством линеаризации характеристик (УЛХ) ТПЯ в режиме прерывистого тока (рпт). УЛХ содержит нелинейное звено НЗ, которое подключается к выходу РТ и датчика ЭДС ДЕ.
Связь по ЭДС по отношению к выходному сигналу НЗ является положительной.
Управление тиристорами ТПЯ производится от техканальной СИФУ, содержащей формирователи импульсов ФИ1—ФИЗ. Ввод управляющего сигнала в СИФУ, регулирование углов и их ограничение (α мин, α мак, α нач.) осуществляется с помощью переменных резисторов в управляющем органе (УО) СИФУ. Переключение импульсов управления в преобразователе ТПЯ производится блоком логического устройства ЛУ, которое работает в функции сигнала заданного направления тока и выходного сигнала датчика проводимости вентилей ДП. Сигнал заданного направления тока на вход ЛУ поступает с выхода нелинейного звена НЗ. При этом коэффициент передачи НЗ обратно пропорционален коэффициенту передачи ТПЯ. Положительная связь по ЭДС на вход НЗ с выхода ДЕ компенсирует внутреннюю отрицательную связь по ЭДС двигателя. С помощью устройства линеаризации осуществляется поддержание примерно одинакового коэффициента усиления линеаризованного таким образом преобразователя.

Рисунок 7.1 - Функциональная схема электропривода ЭПУ-1.
Для согласования реверсивного сигнала НЗ с нереверсивной регулировочной характеристикой УО служит переключатель характеристик ПХ1, управляемый ЛУ. Аналогичный переключатель ПХ2 установлен в цепи
датчика тока (ТТЯ, ВЯ).
На входе РС суммируются сигналы задания скорости с задатчика скорости (или с выхода задатчика интенсивности ЗИ) и обратной связи с тахогенератора ВR1. Вместо задатчика скорости регулятор РС может подключаться к аналоговому выходу системы с ЧПУ. РС имеет три входа: «Вх.
I», «Вх. 2» и «Вх. 3И». Контакт К1.1 служит для снятия задающего напряжения
со входа РС при размыкании контакта «Р» — «Работа», при этом за счет обратной связи по скорости происходит торможение двигателя М1.
Токоограничение в данной системе регулирования обеспечивается за счет ограничения выходного напряжения регулятора РС. При этом исключение
бросков тока осуществляется за счет ограничения выходного напряжения РТ. Узел зависимого токоограничения УЗТ обеспечивает снижение уставки токоограничения в функции скорости, Сигнал на вход УЗТ поступает с тахогенератора BR1 через делитель напряжения.
Блок защит осуществляет блокирование выхода регулятора PC и РТ, а также снятие управляющих импульсов при включении и срабатывании защит.
Блокирование выхода PC и РТ осуществляется ключами в функции изменения скорости тахогенератора и включения контакта «Работа»; при равенстве нулю сигналов задания скорости и тахогенератора выход PC шунтируется.
Кнопка S1 осуществляет установку триггеров защиты блока БЗ в начальное состояние (сброс защит), а контак- - 10 - том «Работа» осуществляется деблокирование PC и РТ. Контакт S2 осуществляет аварийное
отключение (снятие импульсов).
При реверсировании сигнала U3 реверсируется сигнал на входе ЛУ. Ток в силовой цепи начинает спадать. Как только с выхода ДП на вход ЛУ поступит
сигнал, разрешающий переключение (ток равен нулю), с выхода ЛУ поступит
сигнал разрешения выдачи импульсов Up в СИФУ.
При этом с БЗ на управляющий орган УО поступает сигнал, переводящий углы в a макс. Данный сигнал поступает на УО с БЗ и при срабатывании одной из защит.
В электроприводе имеется устройство, выделяющее режим n < n мин, что необходимо в ряде случаев, например, для наложения тормоза на двигатель
когда его скорость снизится до минимальной величины (выбираемой из условия безопасности наложения тормоза).
Канал регулирования потока и ЭДС двигателя содержит задатчик тока возбуждения ЗТВ, ПИ-регулятор тока - 11 - возбуждения РТВ, ПИ-регулятор
ЭДС РЕ с задатчиком ЭДС (ЗЕ). На входе РЕ сравниваются сигнал задания ЭДС Езад и обратной связи по напряжению двигателя. Последний образуется выпрямлением при помощи выпрямителя В2 выходного сигнала ДН.
Электропривод выполнен по зависимому от напряжения на якоре принципу регулирования скорости.
В электроприводе ЭПУ1М предусмотрено применение блока ориентации шпинделя (БОШ), который выполняется моноблоком и может быть заказан отдельно.
Схема тиристорного преобразователя цепи возбуждения представлена на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 – Схема тиристорного преобразователя цепи возбуждения.

ЗаключениеВ процессе выполнения курсовой работы, после проведения всех необходимых расчетов, был выбран электродвигатель постоянного тока модели 4ПФ160М. 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.
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.