Курсач (ТЭП, 8 сем, Поехавший, ЭЛ-100-500). Пояснительная записка к курсовому проекту Электропривод планшайбы токарнокарусельного станка

• Название: Пояснительная записка к курсовому проекту Электропривод планшайбы токарнокарусельного станка
• Анкор: Курсач (ТЭП, 8 сем, Поехавший, ЭЛ-100-500).pdf
• Дата: 20.03.2019
• Размер: 1.44 Mb.
• Имя файла: Курсач (ТЭП, 8 сем, Поехавший, ЭЛ-100-500).pdf
• Тип: Пояснительная записка; #26133

НИУ «МЭИ»
Кафедра Автоматизированного Электропривода
Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту
«Электропривод планшайбы токарно-карусельного
станка»
Группа: ЭЛ-01-09
Студент: ПАХОМ
Вариант: Я БАНКИИИИИИИИИИИИИИИИИИИИИИИИИИР
Консультанты: Благодаров Д.А.
Сафонов Ю.М.

1
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................................................................ 2
1 СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЁТНОЙ СХЕМЫ И ПРИВЕДЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ К ВАЛУ ДВИГАТЕЛЯ ....... 3
2 ПОСТРОЕНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ......................................................................................... 7
2.1
П
ЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ СКОРОСТИ ПЛАНШАЙБЫ ПО УПРАВЛЯЮЩЕМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
.................................... 8 2.2
П
ЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ СКОРОСТИ ПЛАНШАЙБЫ ПО ВОЗМУЩАЮЩЕМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
.................................. 9
3 ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ И ПОСТРОЕНИЕ УТОЧНЁННЫХ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК .............. 12
3.1
П
ЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ СКОРОСТИ ПЛАНШАЙБЫ ПО УПРАВЛЯЮЩЕМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
.................................. 18 3.2
П
ЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ СКОРОСТИ ПЛАНШАЙБЫ ПО ВОЗМУЩЕНИЮ
.............................................................. 19
4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ И
ПОСТРОЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ............................................................................................ 22
4.1
М
ЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПО ФОРМУЛЕ
К
ЛОССА
................................................................................ 23 4.2
Л
ИНЕАРИЗОВАННАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
................................................................................... 25
5 СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ В ОСЯХ ОБОБЩЁННОЙ МАШИНЫ ...................................................... 28
6 ВЫБОР СИЛОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ................................................................................................... 33
6.1
Л
ИНЕЙНЫЙ ЗАКОН РЕГУЛИРОВАНИЯ
.................................................................................................................. 34 6.2
Н
ЕЛИНЕЙНЫЙ ЗАКОН РЕГУЛИРОВАНИЯ
.............................................................................................................. 35 6.3
П
ОГРЕШНОСТЬ РЕГУЛИРОВАНИЯ
....................................................................................................................... 37
7 ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС В РАЗОМКНУТОЙ СИСТЕМЕ ......................................................................... 38
8 РАСЧЁТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИВОДА ........................................................................ 41
ВЫВОД ..................................................................................................................................................................... 45

2
Введение
В курсе «Теория электропривода» содержание максимально обобщено и абстрагировано от частных особенностей применяемой техники управления, а также требований технологии использования машины, для которй проектируется электропривод. Выполнение курсового проекта имеет цель закрепить освоение следующих разделов курса:
1)
выбор двигателей и силовых преобразователей, проверка их по нагреву и по перегрузочной способности;
2)
регулирование момента и скорости в разомкнутой системе электропривода, переходные процессы;
3)
расчёт параметров и анализ свойств электропривода постоянного и переменного тока в системе «управляемый преобразователь – двигатель»
(УП-Д);
4)
анализ влияния упругостей и кинематических зазоров на динамику электропривода.
Исходными данным для проекта являются кинематическая схема технологической установки, нагрузочная диаграмма и тахограмма её работы.
Необходимо спроектировать электропривод рабочего органа установки: выбрать двигатель, преобразователь, обосновать этот выбор. Проверить и проанализировать получившуюся систему, сделать выводы по работе.

3
1 Составление расчётной схемы и приведение параметров к валу двигателя
Описание механизма: данная работа имеет целью спроектировать электропривод для управления планшайбой токарно-карусельного станка. Станок используется для вытачивания металлических деталей больших размеров и массы, то есть происходит процесс резания метала.
Сначала двигатель разгоняется до необходимой скорости и начинает резание цилиндрической детали на определённом диаметре. После того, как необходимый результат достигнут, механизм снижает скорость, чтобы продолжить рез, но уже на другом диаметре. Причём в первом случае диаметр реза меньше, чем во втором, поэтому момент нагрузки меньше. Так как для процесса резания характерно постоянство мощности, то с ростом нагрузки необходимо пропорционально снижать скорость.
Допустимое ускорение ограничено возможностями двигателя.
Примерный вид нагрузочной диаграммы и тахограммы технологического процесса:
M
c t
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
t t
1
t
’
1
t
6
t
’
6
ω
дв
I
II
III
IV
V
M
дв t
3
t
4
Момент нагрузки
Скорость двигателя

4
Пример детали:
Рисунок 1.1. Пример детали
Исходные данные:
– момент инерции двигателя;
– момент инерции детали;
– момент инерции планшайбы;
– упругость муфты;
– момент сопротивления планшайбы;
– КПД передач
Количество зубьев:

5
Д
С
М
Z
1
Z
2
Z
4
Z
3
Z
5
Z
6
J
Д
J
дет
М
пш
Рисунок 1.2. Кинематическая схема
В первую очередь по кинематической схеме нужно составить расчётную механическую схему. Все моменты инерции заменяются прямоугольниками, а упругости – линиями.
Для упрощения нужно вычислить общее передаточное число всех редукторов:
Далее следует привести все параметры механической части к валу двигателя. На приведенной расчетной механической схеме все моменты инерции заменяются прямоугольниками с площадями, пропорциональными величинам моментов инерции, а упругости заменяются линиями с длинами, обратно пропорциональными величинам упругостей.

6
J
дв
С
м
J
дет
М
дв
ω
дв
М`
пш
ω
пш
J
пш
Рисунок 1.3. Расчётная механическая схема
Полученная механическая система является двухмассовой упругой системой.
Определим её основные параметры.
Частота собственных колебаний системы:
√
√
Парциальная частота колебаний первой массы:
√
√
Парциальная частота колебаний второй массы:
√
√
Коэффициент соотношения инерционных масс:
Вывод: механическая часть представлена как две массы со своими моментами инерции, соединённые через вал с определённой жесткостью. Такая система является колебательной и имеет несколько характерных резонансных частот. Так как момент инерции второй массы значительно больше момента инерции второй, частота

7 колебаний всей системы близка к парциальной частоте колебаний первой массы, а сами парциальные частоты отличаются в три раза.
2 Построение частотных характеристик
Для определения динамических свойств системы нужно построит её частотные характеристики – амплитудную и фазовую. Для этого следует составить структурную схему системы по её математическому описанию.
Известно, что двухмассовая упругая система описывается следующими уравнениями:
{
Для нашей расчётной схемы эти уравнения будут выглядеть следующим образом:
{
Структурная схема, составленная для этой системы уравнений:
p
J
дв
1
p
с
М
p
J '
1
M
дв
M
12
M
12
M`
пш
ω
пш
ω
пш
ω
дв
Рисунок 2.1. Структурная схема двухмассовой упругой системы
Далее можно записать существенные для механической части передаточные функции. В нашем случае можно рассмотреть влияния изменения моментов двигателя

8 и планшайбы с деталью на скорость планшайбы, так как это будет определять точность изготовления детали.
2.1 Передаточная функция скорости планшайбы по управляющему
воздействию
Передаточная функция от момента двигателя к скорости планшайбы:
(
)
Здесь
√
(
)
Логарифмическая амплитудная функция:
Логарифмическая фазовая функция:
{
Значения функций:
220
230
231
232
233
235
242
244
244.5 245
246
248
-54
-50
-50
-49
-48
-47
-36
-22
20
-22
-31
-39

9
Проверка результатов в MatLAB:
Рисунок 2.1.1 Результаты моделирования
2.2 Передаточная функция скорости планшайбы по возмущающему
воздействию
Для составления передаточной функции от момента планшайбы к её скорости удобно перестроить структурную схему системы:
M
12
M`
пш
1

3
W
ω
пш
2
W
1
W
ω
дв
Рисунок 2.2.1 Структурная схема двухмассовой упругой системы

10
Здесь
;
;
Передаточная функция:
(
(
))
(
)
(
) (
)
(
) (
)
(
) (
)
Здесь
√
√
(
)
Для построения ЛАЧХ и ЛФЧХ эти функции неплохо бы переписать.

11
Здесь:
{
;
{
Логарифмическая амплитудная функция:
Фазовая функция:
Значения функций:
Проверка полученных результатов в MATLAB:
Рисунок 2.2.2 Результаты моделирования
220
230
231
232
233
235
242
244
244.5 245
246
248
-74
-85
-91
-117 -90
-79
-57
-41
1
-41
-50
-56

12
Вывод:
на построенных характеристиках видно, что колебания момента двигателя с частотой около 244 1/с или момента нагрузки с частотой 233 1/с или 244 1/с вызовут колебания скорости с той же частотой, но с очень большой амплитудой.
При резком скачке одного из этих воздействий в системе начнутся колебания с частотой 244 1/с.
3 Выбор двигателя и построение уточнённых частотных характеристик
Токарно-карусельный станок предназначен для вытачивания деталей больших размеров и массы. Этот процесс занимает длительное время. Ниже представлена нагрузочная диаграмма установки.
M
c t
M
пш
M
с1
M
с2
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
t
ω
1
t
1
t
’
1
t
6
t
’
6
ω
дв
I
II
III
IV
V
M
дв t
0,5M
пш
M
с1
M
с2
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
I
II
III
IV
V
1,3M
пш t
3
t
4
ω
2
Момент нагрузки
Скорость двигателя
Момент двигателя
Рисунок 3.1 Тахограмма и нагрузочная диаграмма

13
Для участков II и III примем следующие моменты нагрузки:
Как уже упоминалось выше, эти диаграммы описывают процесс реза деталей.

участок I – разгон планшайбы до необходимой скорости;

участок II – резание (небольшое расстояние от центра детали);

участок III – перемещение ножа;

участок IV – резание (расстояние от центра детали больше);

участок V – остановка планшайбы.
Так как момент, развиваемый планшайбой, является реактивным, то появляется он только при начале движения и всегда имеет знак, противоположный моменту двигателя.
В зависимости от размеров и материала детали, режима резания скорость вращения детали может меняться. Примем средний радиус детали
(для второго участка) и скорость резания
. Линейную скорость резания необходимо поддерживать постоянной. Тогда угловая скорость двигателя должна быть не менее:
Поскольку мощность на валу неизменна, то скорость на участке два определяется из соотношения:
Теперь можно уточнить диаграмму:

участок I – разгон планшайбы до скорости 91 1/с за 4с;

участок II – резание на скорости 91 1/с в течение 300 с при моменте сопротивления 1400 Нм:

14

участок III – замедление двигателя до скорости 85 1/с за 0,5 с

участок IV – на скорости 85 1/с в течение 300 с при моменте 1500 Нм;

участок V – остановка планшайбы под действием момента сопротивления.
Исходя из этих данных можно рассчитать необходимые моменты двигателя на каждом участке. Для этого нужно воспользоваться уравнением движения.
Так как разгон/торможение происходит равномерно (то есть скорость изменяется линейно), то можно перейти к уравнению в приращениях:
Для участка I:
Для снижения скорости за 0.5 секунд:
Для остановки двигателя за 1.5 секунды:
Этот момент обеспечит нагрузка, поэтому можно отключить двигатель.
Таким образом, получились следующие параметры работы привода на участках тахограммы:
Участок
I
II
III
IV
V
1550 1400 1090 1500 0
0,6 0,8 0,6 0,8 0,6 4
300 0.5 300 1.5

15
Выберем двигатель по мощности. Максимальная скорость 91 1/с. Момент 1400
Нс. Мощность:
Выбран двигатель Siemens 1LE1503-3AC62-1AA4. Паспортные данные:
Энергетические характеристики двигателя:

16 95 95,2 95,4 95,6 95,8 96 40 50 60 70 80 90 100
η
, %
P/P
ном
, %
Зависимость КПД от загруженности
двигателя
0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 40 50 60 70 80 90 100
co
sϕ
P/P
ном
, %
Зависимость cosϕ от загруженности
двигателя

17
С учётом нового момента инерции двигателя нужно пересчитать необходимые значения динамического момента для разгона и торможения:
Для снижения скорости за 0.5 секунд:
Для остановки двигателя за 1.5 секунды:
Как видно, на участке разгона момент двигателя превышает номинальный, поэтому необходимо выполнить проверку двигателя по нагреву. Для проверки используем метод эквивалентного момента, так как предполагается, что в процессе работы поток двигателя будет постоянным.
Расчёт эквивалентного момента:
√
√
Видно, что
, а значит двигатель можно использовать для наших целей.
Параметры механической части привода тоже изменились:
Частота собственных колебаний системы:
√
√
Парциальная частота колебаний первой массы:

18
√
√
Парциальная частота колебаний второй массы:
√
√
Коэффициент соотношения инерционных масс:
Необходимо пересчитать передаточные функции и частотные характеристики системы с учётом конкретизированного момента инерции двигателя
3.1 Передаточная функция скорости планшайбы по управляющему
воздействию
Здесь
√
(
)
Логарифмическая фазовая функция:
{
Значения функций:
130
135
140
142
145
145.4 146
150
155
160
165
170
-52
-49
-44
-40
-22
0
-25
-43
-50
-54
-57
-60

19
Результаты моделирования в MatLAB:
Рисунок 3.1 Результаты моделирования
3.2 Передаточная функция скорости планшайбы по возмущению
Здесь
√
√
(
)
Для построения ЛАЧХ и ЛФЧХ эти функции можно переписать.
Логарифмическая амплитудная функция:

20
Фазовая функция:
{
{
Значения функций:
Результаты моделирования в MatLAB:
220
230
231
232
233
235
242
244
244.5 245
246
248
-74
-85
-91
-117 -90
-79
-57
-41
1
-41
-50
-56

21
Рисунок 3.2 Результаты моделирования
Выводы: с изменением момента инерции двигателя в большую сторону уменьшился коэффициент соотношения инерционных масс, определяющий частоты свободных колебаний системы. Из-за этого эта частота уменьшилась, как уменьшилась и частота колебаний первой массы, что отражено на уточнённых логарифмических амплитудных характеристиках.

22
4 Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя и
построение механической характеристики
Для Т-образной схемы замещения выбранного асинхронного двигателя были определены следующие параметры:
Проверка основных характеристик двигателя по параметрам схемы замещения.
Критический момент:
(
√
)
( √
)
Расхождение с паспортными данными:
(
)
Критическое скольжение:
(
√
)
( √
)
Выводы: для двигателей большой мощности сопротивления обмоток статора и ротора имеют весьма небольшие значения – до сотых долей Ома. По полученным результатам были рассчитаны критические скольжение и момент, причём расхождение в значении момента по сравнению с паспортными данными составило всего 2.6%.
R
1
X
1
R
’
2
X
’
2
R
μ
X
μ

23
4.1 Механическая характеристика по формуле Клосса
Для построения линейного участка механической характеристики двигателя и приблизительной оценки времени пуска можно использовать формулу Клосса.
Уравнение механической характеристики по формуле Клосса:
Здесь
Номинальное скольжение:
Погрешности определения номинального и критического моментов:
0 20 40 60 80 100 120 0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
ω
, 1
/с
М, Нм
Механическая характеристика для
АД (формула Клосса)

24
Как видно, на линейном участке (до критического момента) механическая характеристика по формуле Клосса довольно точно совпадает с паспортными данными. Однако не всё так хорошо. Пусковой момент значительно ниже: 900 Нм вместо паспортных 4300 Нм.
Для двигателя с такой механической характеристикой был смоделирован пуск без нагрузки:
Рисунок 4.1.1 Пуск двигателя с МХ по формуле Клосса

25
Рисунок 4.1.2 Механическая характеристика (формула Клосса)
Как видно, пуск происходит примерно за 0,26 с. Пуск начинается с моментом около 950 Нм, в конце разгона момент достигает критического значения 6000 Нм.
4.2 Линеаризованная механическая характеристика
Для построения линеаризованной механической характеристики следует определить средний пусковой момент. Он определятся из условия равенства площадей, заключённых между исходной механической характеристикой и средним моментом.
∫

26
Из сравнения графиков видно, что хотя средний момент и больше пускового момента двигателя по формуле Клосса, но он неизменен. По формуле Клосса момент двигателя резко и многократно вырастает, поэтому пуск двигателя, вероятнее всего, будет более быстрым по механической характеристике, построенной в соответствии с формулой Клосса.
Результат моделирования пуска вхолостую двигателя с линеаризованной механической характеристикой:
0 20 40 60 80 100 120 0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
ω
, 1
/с
М, Нм
Механическая характеристика для АД (линеаризованная)

27
Рисунок 4.2.1 Пуск двигателя с линеаризованной МХ
Рисунок 4.2.2 Механическая характеристика (линеаризованная)
Пуск происходит быстрее, так как он идёт под действием постоянного момента, который больше пускового момента по Клоссу.
Вывод: нужно заметить, что процессы пуска, рассчитанные таким образом, не имеют практически ничего общего с процессами, происходящими в реальной машине, так как это методы со множеством допущений и упрощений. Эти два метода позволяют лишь приблизительно оценить время пуска двигателя. Однако формула
Клосса применима для исследования установившихся процессов на линейном участке механической характеристики.

28
5 Составление уравнений в осях обобщённой машины
Для того чтобы максимально точно и приближенно к реальности рассмотреть эти процессы, необходимо представить асинхронный двигатель в виде обобщенной машины. Для этого необходимо рассчитать индуктивности фаз статора и ротора.
Для исследования динамики электромеханических процессов, происходящих в синхронном двигателе, следует записать переменные, описывающие работу двигателя, в осях обобщённой машины. При этом наиболее удобно записать их в осях x и y, вращающихся синхронно с основным полем машины. Для этого в общей системе уравнений нужно положить
. Тогда система уравнений примет вид:
{

29
U
1x
U
1y
ω
0эл
ω
эл
p
J
дв
1
p п
ω
M
ЭМП
I
Рисунок 5.1 Представление АД в виде обобщённой машины
Однако для исследования динамических процессов, происходящих в машине, необходимо использовать вычислительную технику, а для этого систему уравнений удобно записать, разрешив все уравнения относительно производной потокосцепления:
{
(
)

30
В соответствии с приведёнными уравнениями составлена структурная схема асинхронного двигателя:
U
1y
U
1x
2 12 2
1 2
1
L
L
L
L
R

p
1 2
12 2
1 2
1
L
L
L
L
R

p
1 2
12 2
1 12 1
L
L
L
L
R

2 12 2
1 12 1
L
L
L
L
R

2 12 2
1 1
2
'
L
L
L
L
R

p
1 2
12 2
1 1
2
'
L
L
L
L
R

p
1 2
12 2
1 12 2
'
L
L
L
L
R

2 12 2
1 12 2
'
L
L
L
L
R

Ψ
1x
Ψ
1y
Ψ
2x
Ψ
2y
ω
0эл
Ψ
1y
Ψ
2x
Ψ
2y
Ψ
1x
2 12 2
1 12
L
L
L
L
p
п

М
p
p
п
ω
эл
Рисунок 5.2 Структурная схема обобщённой машины

31
По этой схеме был смоделирован пуск двигателя на холостом ходу:
Рисунок 5.3 Пуск обобщённой машины

32
Рисунок 5.4 Механическая характеристика (обобщённая машина)
Также были сняты графики тока:
Рисунок 5.5 Токи обобщённой машины
В установившемся режиме можно наблюдать ток
. Это ток намагничивания. Он проецируется на ось y, так как является реактивным. Величина
200А в двуфазной модели является амплитудной и соответствует действующему значению
√ тока фазы реальной трехфазной машины, что составляет от номинального и согласуется с теорией.
Вывод: результаты показывают, что пуск двигателя происходит по сложной траектории, все величины, характеризующие его, носят колебательный во времени характер. Полученные графики наиболее приближенны к реальным, хотя обобщенная машина также имеет некоторые допущения – отсутствие насыщения, эффектов

33 вытеснения тока, неучёт погрешности изготовления деталей и т.д. Однако все эти допущения вполне приемлемы для расчётов с инженерной точностью.
6 Выбор силового преобразователя
Для управления асинхронным двигателем необходимо выбрать частотный преобразователь. Выбираем преобразователь Универсал (160 кВт). Характеристики:
Напряжение питания: 220/380 В
Номинальная мощность: 160 кВт
Диапазон частот: 0,5 - 512 Гц
Номинальный выходной ток: 325 А
Из характеристик видно, что данный преобразователь подходит для управления выбранным двигателем, т.к.
U
vd
U
vd
U
vt
U
vt
Выпрямитель
Инвертор
Рисунок 6.1 Состав силового преобразователя
Преобразователь вносит дополнительное сопротивление в цепь статора двигателя, которое влияет на вид механических характеристик. Это сопротивление необходимо рассчитать. Расчёт делается исходя из падения напряжения, которое создаст эквивалентное сопротивление в номинальном режиме. Падение напряжения равно падениям на двух ключах инвертора и двух диодах выпрямителя:
Суммарное сопротивление цепи статора:

34
Как видно, сопротивление цепи статора увеличилось более чем на 200%, что повлияет на механическую характеристику двигателя.
6.1 Линейный закон регулирования
Регулирование частоты должно производиться по определённому закону U=F(f).
При выполнении обычного линейного соотношения
, получается следующее семейство характеристик.
Как видно, при стандартном линейном законе регулирования критический момент на характеристиках резко падает. Причина заключается в том, что меняется величина падения напряжения на активном сопротивлении из-за изменения реактивного сопротивления со снижением частоты. Это падение необходимо компенсировать.
0 20 40 60 80 100 120 0
1000 2000 3000 4000 5000 6000
ω
, 1
/с
М, Нм
Семейство характеристик (U/f = const)

35
6.2 Нелинейный закон регулирования
Для того, чтобы сформировать правильный закон регулирования частоты, нужно предварительно построить семейство характеристик для разных частот в соответствии со следующими уравнениями:
{
(
√
)
(
√
)
Критический момент нужно поддерживать постоянным. При этом необходимо учитывать зависимость индуктивных сопротивлений от частоты.
√
(
√
)
50
40
30
20
10
220
181
142
103
64
0,04068 0,0325 0,0244 0,0162 0,0081 0,06638 0,0531 0,0398 0,0265 0,0132 5150 5150 5150 5150 5150 0.05 0.06 0.08 0.10 0.13

36
Таким образом, новый закон позволяет сохранять величину критического момента при любой частоте. Однако для большинства современных преобразователей
IR-компенсация является встроенной функцией.
0 50 100 150 200 250 0
20 40 60
U
, В
f, Гц
Законы регулирования
Нелинейный
Линейный
0 20 40 60 80 100 120 0
1000 2000 3000 4000 5000 6000
ω
, 1
/с
М, Нм
Семейство характеристик

37
6.3 Погрешность регулирования
Необходимо отработать заданные скорости не превышая определённой погрешности, предположим
Данные, необходимые для оценки погрешности регулирования:
Жесткость естественной механической характеристики:
|
|
Рабочие частоты:
(
)
(
)
(
)
(
)
Для определения диапазона регулирования нужно найти средние скорости на обоих механических характеристиках.

38
Диапазон регулирования скорости:
Погрешность регулирования:
Погрешность получилась гораздо меньше заданной, что является очень хорошим результатом. Причина в том, что диапазон регулирования скорости весьма невелик
(всего 5 1/с), а жёсткость велика.
7 Переходный процесс в разомкнутой системе
Для оценки качества работы системы необходимо получить переходной процесс.
Для этого входным воздействием выберем скорость, изменяющуюся в соответствии с тахограммой:
p
J
дв
1
p
с
М
p
J
пш '
1
M
дв
M
12
M
12
M`
пш
ω
пш
ω
пш
ω
дв
1
э

p
T
c

ω
t
ω
1
t
1
t
’
1
t
6
t
’
6
ω
дв t
3
t
4
ω
2
Рисунок 7.1 Структурная схема и тахограмма
В линеаризованной модели двигателя:

39
Еще раз продублируем скорости и моменты диаграммы:
1)
Разгон до скорости 95 1/с за 4 секунды под действием момента 1620 Нм
2)
Работа на скорости 95 1/с с моментом 1400 Нм
3)
Замедление до 81 1/с за 1 секунду под действием момента 1050 Нм
4)
Работа на скорости 81 1/с с моментом 1500 Нм
5)
Торможение под действием момента сопротилвения планшайбы 1250 Нм.
Результаты моделирования:
Рисунок 7.2 Работа двигателя по нагрузочной диаграмме

40
Рисунок 7.3 Отработка двигателем скорости и момента
На графиках видно, что моменты двигателя на всех промежутках соответствуют рассчитанным. Переходные процессы являются колебательными, колебания затухают не мгновенно, однако перерегулирование по скорости практически равно нулю. Для количественной оценки колебательности используется логарифмический декремент колебаний.
Логарифмический декремент колебаний можно оценить как логарифм соотношения двух соседних амплитуд:

41
Рисунок 7.4 Затухающие колебания скорости планшайбы
Для оценки возьмём точки при и
Вывод:декремент получился очень маленьким, что говорит о высокой колебательности системы. Связано это с тем, что выбранный двигатель имеет очень высокую жесткость характеристики -
Поэтому демпфирующие способности привода низкие. Оптимизация процесса в задачу проектирования не входит. Нужно заметить, что величина перерегулирования скорости крайне мала:
(
)
8 Расчёт энергетических показателей привода
Существует несколько энергетических показателей работы электропривода – цикловой КПД, потери энергии за цикл, средевзешенный коэффициент мощности и прочие. Определим некоторые из них для рассчитанной системы.
Цикловой КПД определяется следующим образом:

42
∫
∫
∫
∑
∑
∑
∑
∑
∑
Данные о зависимости КПД и cosf двигателя от загрузки двигателя имеются:
При этом КПД всей установки будет ниже, так как потери присутствуют ещё и в передаче:
Необходимые для расчёта данные удобно свести в таблицу:
1 2
3 4
5
Длительность, с
4 300 0.5 300 1
Мощность двигателя, кВт
90 135 91 135 60 95 95,2 95,4 95,6 95,8 96 40 50 60 70 80 90 100
η
, %
P/P
ном
, %
Зависимость КПД от загруженности двигателя

43
КПД двигателя, %
95.4 95.78 95.42 95.78 95.25
КПД установки, %
81.1 81.4 81.1 81.4 81.0
Суммарные затраты энергии, кДж
381 42280 51 42280 57
Потери энергии, кДж
72 7864 9.6 7864 10.8 0.72 0.82 0.72 0.82 0.68
Цикловой КПД:
∑
∑
∑
Цикловой cosϕ:
∑
∑
Потери энергии за цикл:
Затраты энергии на единицу продукции:
Как видно, из-за большого количества передач с низким суммарным КПД вся система имеет КПД около 81%. Однако это не худший результат, так как благодаря удачному выбору двигателя, основная его работа происходит при нагрузке в 82% от номинала, а в этом случае КПД близок к максимальному.

44

45
Вывод
В ходе работы был спроектирован электропривод планшайбы токарно- карусельного станка. Были получены навыки проектирования электропривода для конкретных производственных задач, в частности: расчёт необходимой мощности двигателя, выбор двигателя, определение качества работы разомкнутой электромеханической системы, выбор силового преобразователя, синтез закона регулирования скорости электродвигателя и расчёт энергетических показателей привода. Также в ходе работы были изучены методы расчёта механической части системы и представление механизмов в виде двухмассовой системы.
Двухмассовая система является колебательной. Один из основных параметров – соотношение инерционных масс,
. Характерные частоты колебаний: 244 1/с
(частота собственных колебаний), 232 1/с (парциальная частота колебаний первой массы) и 77 1/с (парциальная частота колебаний второй массы). На частотных характеристиках видны резонансы (ЛАЧХ) и опрокидывания фазы (ФЧХ) на этих частотах.
Так как производственный цикл требует обработки деталей больших масс и габаритов, то для привода был выбран асинхронный двигатель большой мощности –
160 кВт. Момент инерции выбранного двигателя значительно отличается от предварительного (
, что сильно повлияло на поведение механической части привода – коэффициент соотношения масс уменьшился до
Частоты колебаний (соответственно): 145 1/с, 123 1/с, 77 1/с.
По паспортным данным были рассчитаны параметры схемы замещения двигателя, что позволило построить механическую характеристику по формуле Клосса и приблизительно оценить время пуска на холостом ходу. Оно составило 0.26 с.
Представление двигателя в виде обобщенной машины дало понятие переходных процессах при пуске: колебания токов, скорости и момента.
Для регулирования скорости был выбран частотный преобразователь. Из-за падения напряжения на ключах преобразователя критический момент двигателя при номинальной скорости упал с 5860 Нм до 5150 Нм. Для сохранения этого значения

46 момента при всех частотах был рассчитан нелинейный закон регулирования
(соотношение
Несмотря на снижение критического момента, жесткость механической характеристики осталась достаточно высокой – 1968 Нмс. Вкупе с небольшим диапазоном регулирования (D = 1.07) это дало крайне малую погрешность регулирования
Анализ переходных процессов в разомкнутой системе УП-Д показал, что система имеет низкую способность к демпфированию (
. И хотя амплитуда колебаний скорости крайне мала, эту характеристику привода можно было повысить, уменьшив жесткость характеристики АД вводом дополнительных сопротивлений в цепь статора. В этом случае погрешность регулирования увеличилась бы, но столь высокая точность при данном технологическом процессе не нужна и ею вполне можно было бы пожертвовать.
В заключение был проведен анализ энергетических показателей привода, который показал, что спроектированный электропривод имеет цикловой КПД
, что является практически максимальным достижимым результатом, так как большую часть времени двигатель работает при загрузке примерно 84% - именно в этом случае его КПД максимален.
Таким образом, поставленная задача была достигнута. Спроектированный электропривод был исследован и проверен с различных позиций: механика, электродинамика, энергетика. Для предложенного технологического процесса с учётом специфики установки данный проект удовлетворяет всем требованиям и является качественным решением.