Файл: 14_Глава 11.doc

Глава 11. Основы проектирования автоматизированных электроприводов производственных механизмов

11.1. Общие требования, предъявляемые к электроприводу

Производственные машины и механизмы составляют основу большинства технологических процессов, используемых в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, в коммунальном хозяйстве – во всех сферах человеческой деятельности. Большинство производственных машин оснащено автоматизированным электроприводом и устройствами электроавтоматики.

Технологические процессы разнообразны по своему содержанию и областям использования. Также разнообразны производственные машины и механизмы, осуществляющие различные технологические процессы. Однако можно выделить группы машин и механизмов производственного назначения, характеризующиеся общностью выполняемых операций и принципом действия.

К таким машинам относятся:

• турбомеханизмы: насосы, вентиляторы, турбокомпрессоры;

• грузоподъемные машины: краны, лифты, шахтные подъемники и другие;

• Транспортные машины: конвейеры, транспортеры, эскалаторы и другие;

• Металлообрабатывающие станки;

• машины возвратно-поступательного движения: поршневые насосы и компрессоры, прессы;

• экскаваторы;

• прокатные станы.

Здесь перечислены производственные машины, которые наиболее широко применяются в основных отраслях промышленности и поэтому могут быть названы типовыми производственными механизмами.

Основное влияние на режим работы электропривода и на требования, предъявляемые к нему, оказывает характер технологического процесса. По характеру технологического процесса все машины и механизмы можно разделить на две большие группы: механизмы непрерывного действия и механизмы циклического действия. В первой группе технологический процесс протекает непрерывно, во второй – рабочий процесс состоит из однотипных повторяющихся циклов.

Электроприводы механизмов непрерывного действия характеризуются редкими пусками, не требуют, как правило, реверсирования и точной остановки. Электроприводы механизмов циклического действия – частыми пусками, реверсами, необходимостью регулирования скорости и точной остановки.

Требования к электроприводу формируются отдельно для каждого производственного механизма или для группы идентичных механизмов. Но есть общие требования, которые предъявляются к электроприводам всех механизмов. К таким требованиям относятся:

1. Обеспечение заданного технологического процесса и требуемой производительности.

2. Обеспечение требуемых условий пуска и торможения производственных механизмов, а при необходимости – реверсирования и регулирования скорости.

3. Ограничение перегрузок, динамических и ударных.

4. Принципы управления электроприводом (ручное, автоматическое, программное и т.п.).

5. Требования по надежности, которые, как правило, отражаются в заданном времени наработки на отказ.

6. Требования по конструктивной защищенности электрооборудования (степени защиты оболочек), по условиям окружающей среды, климатическому исполнению.

7. Экономические показатели; к которым следует относить стоимость электропривода и затраты электроэнергии на его работу.

8. Экологические требования; к ним относят уровень шума и ограничение влияния электропривода на питающую сеть, связанное с искажениями, вызванными высшими гармониками тока.

В требованиях указываются также параметры электроснабжения (величина напряжения, частоты, допустимые отклонения).

11.2. Последовательность проектирования электропривода

Проектирование электропривода производится обычно в следующей последовательности:

• разработка требований, предъявляемых к электроприводу;

• расчет статических нагрузок и построение нагрузочной диаграммы и тахограммы движения рабочего органа производственного механизма;

• выбор системы электропривода на основании предварительного технико-экономического анализа;

• выбор безредукторного или редукторного привода с определением передаточного числа механической передачи;

• выбор типа приводного электродвигателя;

• предварительный выбор электродвигателя по мощности и номинальной скорости вращения;

• расчет динамических нагрузок и построение нагрузочной диаграммы электропривода;

• проверка электродвигателя на нагрев, перегрузочную способность и по условиям пуска;

• выбор и расчет полупроводниковых преобразователей для питания электродвигателя;

• разработка функциональной и принципиальной схем электропривода;

• составление структурной схемы и расчет регуляторов системы автоматического регулирования;

• расчет или моделирование переходных процессов электропривода.

11.3. Нагрузочные диаграммы и тахограммы

Основой для выбора электропривода и расчета его мощности являются нагрузочные диаграммы и диаграмма скорости (тахограмма) (рис.11.1). Нагрузочной диаграммой производственного механизма называется зависимость приведенного к валу двигателя момента сопротивления движению М_с (статического момента) от времени М_с=f(t). Эта диаграмма рассчитывается на основе данных, характеризующих работу машины (механизма).

Нагрузочная диаграмма электропривода – это зависимость момента, развиваемого двигателем от времени. Она рассчитывается как алгебраическая сумма статического и динамического моментов М=М_с+М_дин=f(t). Тахограмма – это зависимость скорости рабочего органа машины или вала двигателя от времени .

Реальные нагрузочные диаграммы могут существенно отличаться от расчетных. Это связано с различной загрузкой машин, опытом машиниста и многими другими факторами. Однако всегда можно выделить наиболее вероятные производственные циклы работы механизма, по которым и следует производить расчет элементов электропривода.

Пример 11.1. Построить тахограмму движения и нагрузочные диаграммы механизма и привода подъема башенного крана. Цикл работы состоит из подъема груза массой 500 кг и спуска пустого крюка. Кпд передачи 0,9, диаметр барабана 0,6 м, номинальная скорость двигателя 60 1/с, скорость подъема 1 м/с, скорость спуска крюка 2 м/с (при ослабления поля двигателя). Момент инерции якоря двигателя и механизма (без груза), приведенный к валу двигателя – 0,2 кгм², высота подъема 20 м.

Решение.

1. Найдем передаточное отношение от вала барабана к валу двигателя

.

2. Статический момент на валу двигателя при подъеме груза

Н.м.

Момент сопротивления движению при спуске крюка – момент потерь в передаче (ориентировочно)

Н.м.

3. Найдем параметры тахограммы движения, полагая ускорение и замедление м/с²;

с; с;

с; с;t₀=15с.

Тахограмма показана на рис.11.2.

4. Приведенная к валу двигателя масса груза

кг.м².

Суммарный момент инерции при подъеме груза

кг.м².

4. Моменты на валу двигателя

При подъеме груза:

Н.м

М₂=М_с=91Нм

Н.м

При спуске груза:

Н.м

Н.м

Н.м.

Нагрузочная диаграмма представлена на рис.11.2.

Для примера на рис.11.3 представлена тахограмма и нагрузочная диаграмма электропривода стола продольно-строгального станка [14]. Рабочий ход станка – прямой, во время которого резец обрабатывает закрепленную на столе деталь. Обратный ход является холостым, поэтому его скорость принимается больше скорости холостого хода.

Работа станка начинается с разгона стола с обрабатываемой деталью до скорости V₁ (время t₁). При этом двигатель развивает максимально допустимый момент М₁=М_макс. Момент нагрузки в этом режиме равен М_с2, соответствующим усилию , где:G_c, G_g вес стола и детали, - коэффициент трения. Резец входит в деталь на установившейся скоростиV₁ (время t₂). На участке t₂ скорость стола и двигателя ω₁=const. Скорость при врезании не должна превосходить заданного по условиям технологии значения.

На участке t₃ усилие (- усилие резания), а моментМ₃ соответствует усилию F₃, резец находится в соприкосновении с деталью. Далее стол разгоняется до скорости прямого хода V_пр(ω_пр) под действием момента М_дин=М_макс-М₃, который существенно меньше динамического момента при разгоне стола до соприкосновения резца с деталью (время t₁).

На участке t₅ имеет место режим работы на установившейся скорости, М₅=М₃. На участке t₆ осуществляется торможение привода стола до скорости V₁(ω₁), на которой резец выходит из детали. При торможении двигатель развивает максимальный момент М₆=М_макс. На участке t₇ стол движется в прямом направлении со скоростью V₁(ω₁), на которой резец выходит из детали. Затем осуществляется реверс привода. Скорость движения стола в противоположном направлении V_обр выбирается в 2...3 раза большей, чем в прямом направлении. Разгон станка и его торможение производится при моменте М_макс двигателя. Усилие на участках обратного хода обусловлено только трением в направляющих . По окончании обратного хода дается команда на разгон электродвигателя в прямом направлении.