Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

UPGRADE FEED DRIVE OF A PLANER

Dymov I.S. 1 Gurova E.G. 1 Kotin D.A. 1 Makarov S.V. 1
1 Novosibirsk state technical university
The article describes the method of calculation and justification of power DC motor with separate excitation and transmission ratio of transmitting and transforming torque, with one or more mechanical transmissions. A method of calculation of the electric power supply planer. Currently, distribution system received pulse width converter – the engine on the basis of modern semiconductor devices. Of particular importance is the modernization of machines in operation. That automation on existing machines individual transitions, operations, or the most common cycles can give a significant effect on improving performance and ease of maintenance of the machine. Offered an upgraded drive circuit feed. The paper presents simulation results. Found that the use of pulse-width converter no effect on the quality of the process.
feed drive
planer
pulse width converter
transistor
motor
1. Automatic control of electric drives. Part 1. Coordinate regulation of electric DC: Textbook. Benefit / V.V. Pankratov. Novosibirsk: Publishing NSTU, 2013. 215 p.
2. Automatic Electric: Textbook. Benefit / G.M. Simakov. Novosibirsk: Publishing NSTU, 2010. 135 p.
3. Reducers and motor gear engineering application: Directory / L.S. Boyko, A.Z. Vysotsky, E.N. Galichenko and etc. M.: Mechanical, 1984. 247 p.
4. Handbook of electric machines. In 2 t , ed. I.P. Kopylov and B.K. Klokova. T. 1. Energoatomizdat, 1988 456 p.
5. Theory of electric / I.D. Abakumov, NSTU. Novosibirsk, 2008 72 p.

В настоящее время все мероприятия по усовершенствованию металлорежущих станков напрямую связаны с развитием автоматизированного электропривода. Ранее применение находил электропривод по системе генератор – двигатель. Однако система генератор – двигатель является сравнительно сложной, дорогой и имеет низкий КПД. Замена в ряде случаев преобразователя системы генератор – двигатель полупроводниковым преобразователем, несомненно, целесообразна, т.к. при этом повышается КПД привода, уменьшаются его вес и габарит, повышается быстродействие привода. Особое значение приобретает модернизация уже находящихся в эксплуатации станков. В связи с этим автоматизация на существующих станках отдельных переходов, операций или наиболее часто встречающихся циклов может дать существенный эффект в отношении повышения производительности и облегчения обслуживания станка.

Цель исследования – разработка транзисторного электропривода подачи суппортов продольно-строгального станка.

Задачи:

  1. Рассчитать и обосновать двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТНВ) и передаточное число редуктора.
  2. Рассчитать и обосновать элементную базу силовой части системы широтно-импульсный преобразователь – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ШИП-ДПТНВ).
  3. Синтезировать двухзонную систему подчиненного регулирования системы ШИП-ДПТНВ.

Материалы и методы исследования

Предметом исследования является использование системы ШИП-ДПТНВ в приводе подачи продольно-строгального станка.

Результаты исследования и их обсуждение

Продольно-строгальный станок – металлообрабатывающий станок для обработки плоских и линейчатых поверхностей резцом. Предмет совершает прямолинейное рабочее движение, проходя под неподвижным резцом, который при окончании рабочего хода несколько сдвигается на сторону (движение подачи) для снятия следующей стружки.

Тахограмма и нагрузочная диаграмма механизма главного движения без учета динамических нагрузок представлены на рис. 1.

pic_17.tif

Рис. 1. Тахограмма и нагрузочная диаграмма механизма главного движения

Как вертикальные, так и боковые суппорты имеют самостоятельные коробки подач и индивидуальные электродвигатели. Электродвигатели коробок подач и главного движения сблокированы с таким расчетом, что при холостом движении главного двигателя, когда стол совершает обратное нерабочее движение, электродвигатели коробок подач совершают рабочее движение, т.е. движение подач.

В исследовании рассматривается наиболее тяжелый режим работы, когда суппорт нужно перенести из одного крайнего положения траверсы в другой. Тахограмма и нагрузочная диаграмма горизонтальной подачи суппортов по траверсе без учета динамических нагрузок представлены на рис. 2.

С помощью нагрузочной диаграммы возможно найти среднеквадратичное (эквивалентное по условиям нагрева) значение статической мощности, соответствующее реальному (обусловленному технологией) значению продолжительности включения электродвигателя по следующей формуле:

dymov001.wmf (1)

где ωпод – скорость подачи, с–1; Мпод.р, Мпод.т, Мпод.раб – моменты разгона, торможения и рабочей скорости, Нм; tпод.р, tпод.т, tпод.раб, tобр – время разгона, торможения, движения на рабочей скорости и обратного хода, с.

pic_18.tif

Риc. 2. Тахограмма и нагрузочная диаграмма горизонтальной подачи суппортов по траверсе при одном двойном ходе c учетом динамических нагрузок

Расчётную мощность двигателя в этом случае можно найти как

dymov002.wmf (2)

где Кз = 1,1 – коэффициент запаса мощности при расчете с учетом динамических нагрузок; ηмех – КПД механизма (пары «рейка – колесо»); ПВст % – стандартная продолжительность включения.

Суммарный момент инерции возможно найти по формуле из [5]:

dymov003.wmf (3)

где JΣ – суммарный момент инерции привода.

Требуемое передаточное число редуктора определяется по формуле

dymov004.wmf (4)

С учетом формул (3) и (4) выбирается электродвигатель общепромышленной серии 2П по [4], исходя из условия минимума произведения (dymov005.wmf), а также редуктор по [3].

Для проверки двигателя на перегрузочную способность воспользуемся следующей формулой:

dymov006.wmf (5)

где dymov007.wmf – номинальный момент электродвигателя. (6)

Для проверки двигателя по нагреву можно использовать метод эквивалентных моментов, при этом должно выполняться следующее условие:

dymov008.wmf (7)

Функциональная схема системы ШИП-ДПТНВ с возможностью регулирования напряжения на обмотке возбуждения предоставлена на рис. 3.

pic_19.tif

Рис. 3. Функциональная двухзонная схема системы ШИП-ДПТНВ

Расчет силовой части ведется по полученным данным двигателя и передаточного числа редуктора.

Трансформатор в управляемом вентильном электроприводе необходим для согласования напряжения сети с напряжением двигателя. Трансформатор выбирается по коэффициенту трансформации и типовой мощности.

Коэффициент трансформации трансформатора определяется как

dymov009.wmf (8)

Типовая мощность трансформатора

dymov010.wmf (9)

где q – коэффициент схемы.

Выбор и проверка тиристоров, принятых к установке в преобразователе, производится по трем параметрам: по среднему току, максимальному амплитудному значению напряжения на тиристоре и ударному току внутреннего короткого замыкания.

Среднее значение тока, протекающего через тиристор, А:

dymov011.wmf (10)

где Iдоп – допустимый ток двигателя для общепромышленной серии машин.

Максимальное амплитудное напряжение на тиристоре, В:

dymov012.wmf (11)

где kзн = 1,3...1,5 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможность перенапряжений на тиристорах; U – линейное действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Ударный ток внутреннего короткого замыкания находится по формуле, А:

dymov013.wmf (12)

Выпрямленное напряжение сглаживается емкостным фильтром. Емкость фильтра Cф дополнительно выполняет следующие функции: накопителя энергии, возвращаемой электродвигателем в тормозном режиме, реактивной проводимости в цепи обратного тока и компенсатора индуктивного сопротивления трансформатора.

Емкость конденсатора фильтра с учетом перегрузки равна, Ф:

dymov014.wmf (13)

Напряжение конденсатора фильтра, В:

dymov015.wmf (14)

где kз = 1,3...1,5 – коэффициент запаса по напряжению.

Выбор транзисторов производится по следующим параметрам: по максимальному току перехода эмиттер-коллектор в открытом состоянии через транзистор и по максимальному напряжению перехода эмиттер-коллектор транзистора.

Максимальный ток якоря, приведенный к классификационным параметрам транзистора, А:

dymov016.wmf (15)

где kси = 3 – коэффициент инвертирования; kохл = 1...2, 5 – коэффициент, учитывающий условия охлаждения; kз.шим = 1, 2 – коэффициент запаса на ШИМ пульсации.

Максимальное напряжение, которое прикладывается к транзистору во время его запирания, В:

dymov017.wmf (16)

где kзн = 1,3 – коэффициент, учитывающий перенапряжение.

Для транзисторного электропривода с ШИП важным параметром является оптимальная частота коммутации, которая может быть вычислена по формуле

dymov018.wmf (17)

где kf = 0,332 – коэффициент пропорциональности; t+ , t – время нарастания и спада коллекторного тока транзистора, мкс.

Для того чтобы удостовериться в правильности выбора электродвигателя и полупроводникового преобразователя, воспроизведем работу электропривода согласно тахограмме и нагрузочной диаграмме привода подачи в программе Simulink Matlab.

Структурная схема электропривода, составленная с помощью программы Simulink Matlab, представлена на рис. 4.

Рассмотрим наиболее интересующий переходный процесс – по скорости, который представлен на рис. 5.

pic_20.tif

Рис. 4. Структурная схема электропривода подачи в Simulink Matlab

pic_21.tif

Рис. 5. Переходный процесс по скорости электропривода подачи

Результаты имитационного моделирования доказали, что переходный процесс по скорости полностью повторяет ранее рассмотренную тахограмму привода подачи продольно-строгального станка (рис. 2).

Заключение

  1. Предложена методика расчета требуемой мощности двигателя и передаточного числа редуктора.
  2. Рассчитана элементная база силовой части электропривода.
  3. Произведен расчет замкнутой системы регулирования скорости, с обратной связью по току, скорости, магнитному потоку и ЭДС, а также были рассчитаны регуляторы по каждому из контуров.

Рецензенты:

Аносов В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок (ЭАПУ), НГТУ, г. Новосибирск;

Алиферов А.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой автоматизированных электротехнологических установок (АЭТУ), НГТУ, г. Новосибирск.

Работа поступила в редакцию 05.08.2014.