ЭП и автоматизация привода станка модели ІК825Ф2

 

Таблица 3.1 — Характеристика системы электропитания станка вальцетокарного  калибровочного модели IК 825 Ф2.

Назначение цепей	Источник питания	U, f
Питание электрооборудования станка	сеть	380В, 50Гц
Питание УЦИ	Трансформатор Т22	220В, 50Гц
Питание ЦУ постоянного тока напряжением 110В (станция НКУ 2090)	Трансформатор Т10 с выпрямительным мостом V20 — V25	110В
Питание ЦУ постоянного тока стабилизированным  напряжением 110В (станция НКУ 2090)	Стабилизатор G2, трансформатор Т7 с выпрямительным мостом V8 — V11	110В
Питание ЦУ постоянного тока напряжением 24В (станция НКУ 2090)	Трансформатор Т8 с выпрямительным мостом V12 — V17	24В
Питание ЦУ постоянного тока напряжением 24В (станция НКУ 2090)	Трансформатор Т11 с выпрямительным мостом V26 — V31	24В
Питание ЦУ постоянного тока напряжением 110В (станция НКУ 3090)	Трансформатор Т20 с выпрямительным мостом V89	110В
Питание ЦУ постоянного тока напряжением 24В (станция НКУ 3090)	Трансформатор Т23 с выпрямительным мостом V90	24В
Питание двигателей вентиляторов комплектных устройств НКУ	Трансформатор Т12	220В, 50Гц
Питание цепей освещения	Трансформатор Т4	24В,16А,50Гц
Питание местного освещения (станция  НКУ 2090)	Трансформатор Т6	24В, 50Гц
Питание ЦУ напряжением 110В (станция  НКУ 2090)	Трансформатор Т6	110В, 50Гц
Для нужд потребления (станция НКУ 2090)	Трансформатор Т5	220В,2А,50Гц

 

4. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ  ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ

 

На Рис. 4.1 приведена структурная  схема системы тиристорный преобразователь — двигатель. Математическая модель проектируемой системы приведена на Рис. 4.2.

Определим по эмпирическим формулам согласно [5] недостающие данные.

Номинальная угловая скорость вращения двигателя:

 

^1/с, (4.1)

 

Суммарное активное сопротивления  якорной цепи электродвигателя определим из условия распределения потерь, считая, что половина потерь в двигателе идет на нагрев обмоток. Тогда:

 

  ^Ом (4.2)

 

Определим значение номинального магнитного потока:

 

  ^В*с (4.3)

 

Время регулирования, то есть время, за которое завершиться переходный процесс, составит:

 

 ^с (4.4)

 

Определим коэффициент усиления тиристорного преобразователя как отношение среднего значения выпрямленного напряжения U_d0 к максимальному напряжению управления U_ум (поскольку планируется использование стандартной блочной системы регуляторов, то максимально допустимое напряжение U_ум составляет 8 В):

 

 ^(4.5)

 ^(4.6)

где  К_u = 0.428 — коэффициент схемы выпрямления.

 

Постоянную времени тиристорного преобразователя принимаем равной 0.007 с — время, достаточное для  восстановления запирающих свойств тиристоров после прохождения полуволны напряжения через 0.

Определим активное сопротивление фазы трансформатора:

 

  ^Ом (4.7)

где  В (4.8)

 

Тогда полное сопротивление фазы трансформатора составит:

 

 ^Ом, (4.9)

 

а индуктивное сопротивление фазы трансформатора составит:

 

^Ом (4.10)

Тогда индуктивность фазы трансформатора составит:

 

^Гн (4.11)

 

Определим индуктивность  якоря двигателя по эмпирической формуле:

 

  ^Гн (4.12)

где  p = 2 — число пар полюсов двигателя.

 

Определим суммарную индуктивность  якорной цепи двигателя:

L_- = L_ср + 2L_тр + L_яд = 0.75 + 2 * 0.02892 + 2 = 2.808 мГн (4.13)

 

Определим суммарное активное сопротивление  якорной цепи двигателя:

 

R_- = R_яд + r_ср + a * r_д + b * r_тр + c * r_ур + r_к (4.14)

где r_ср — активное сопротивление сглаживающего реактора;

r_д — динамическое сопротивление тиристоров;

r_ур — активное сопротивление уравнительного реактора;

r_к — коммутационное сопротивление;

a = 2, b = 2, c = 1 — коэффициенты, зависящие от схемы   

выпрямления напряжения.

 

 ^Ом (4.15)

 

 ^Ом (4.16)

 

r_д = 0.45 * 10^-3 Ом — по паспортным данным (4.17)

 

Подставив (4.15) — (4.17) в (4.14), получим:

 

R_- = (21.5 + 0.062 + 2 * 0.45 + 2 * 0.186 + 1 * 0.62 + 8.68) * * 10^-3 = 31.576 * 10^-3  Ом (4.18)

 

Определим граничный угол отпирания  тиристоров:

 

  ^(4.19)

где С_е^’ — коэффициент пропорциональности между скоростью и ЭДС двигателя.

 

 ^(4.20)

Тогда, подставив (4.20) в (4.19), получим  граничный угол отпирания тиристоров равным:

 

  (4.21)

 

Определим постоянные времени полученной системы.

Электромагнитная  постоянная якорной цепи двигателя:

 

 ^с (4.22)

 

Электромагнитная  постоянная якоря двигателя:

 

 ^с (4.23)

 

Электромеханическая постоянная системы:

 

  ^с (4.24)

где  J_- = K_j * J_äâ = 2.5 * 8.25 = 20.625 кг*м²  (4.25)

 

K_j — коэффициент динамичности системы электропривода, показывающий во сколько раз система электропривода инерционней, чем двигатель. Для тяжелых токарных станков 2 - K_j - 3.

 

Результаты вычислений сведем в  таблицу.

 

Таблица 4.1 — Динамические параметры системы

 

Наименование	Обозначение	Величина
Электромагнитная постоянная времени  системы	Тэ	0.0899  с
Электромагнитная постоянная времени  якорной цепи двигателя	Тя	0.093  с
Электромеханическая постоянная времени  системы	Тм	0.0606  с
Постоянная времени тиристорного преобразователя	Т-	0.007  с
Суммарное сопротивления якорной цепи электродвигателя	R-	0.031576  Ом
Суммарный момент инерции системы электропривода	J-	20.625  кг*м2
Коэффициент усиления тиристорного преобразователя	Ктп	67.17
Максимальный угол отпирания тиристоров	-max	81- 37’

 

 

 

 

 

5. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО  РЕГУЛИРОВАНИЯ

 

Для обеспечения требуемых статических  и динамических параметров определим требуемую структуру системы.

Поскольку необходимо регулировать мощность резания, то система должна иметь контур мощности.

Так как требуется хорошая динамика, то необходимы контура тока и скорости.

Поскольку требований к статической  ошибке по скорости не предъявляется, то можно использовать пропорциональный (П) регулятор скорости. Регулятор тока в любом случае — пропорционально—интегральный (ПИ).

Поскольку основным требованием к мощности является стабилизация ее на заданном уровне с точностью 5%, то необходимо применить пропорционально—интегрально—дифференциальный (ПИД) —регулятор мощности, если при этом интегральная и дифференциальная части регулятора будут значимы.

Исходя из вышеизложенного, можно провести синтез соответствующей системы регулирования — трехконтурной, с внутренними контурами тока и скорости двигателя и с внешним контуром мощности резания.

 

5.1. Расчет контура тока

 

Структурная схема контура тока приведена на Рис. 5.1.

Регулятор тока организован по пропорционально-интегральному (ПИ) закону управления с настройкой на модульный оптимум. Регулятор для обеспечения требуемых динамических параметров должен компенсировать электромагнитную постоянную времени системы Т_э, а также малую постоянную времени контура тока Т_от.

Тогда передаточная функция регулятора тока будет иметь вид:

 

 ^(5.1)

где  -_рт — постоянная времени токового контура;

 

 (5.2)

 

К_рт — пропорциональная часть регулятора тока, определяется по формуле:

 

 ^(5.3)

где  Т_от — малая постоянная времени токового контура;

 

Т_от = 2 * Т_- = 2 * 0.007 = 0.014 с (5.4)

 

К_от — коэффициент обратной связи по току, определяется по формуле:

 

К_от = К_дт * К_ш = 60.95 * 1.875*10^-4 = 1.143 * 10^-2 (5.5)

где  К_дт — коэффициент усиления датчика тока;

 

 ^(5.6)

 

К_ш — коэффициент усиления измерительного шунта;

 

 ^(5.7)

Подставив (5.3) — (5.6) в (5.2), получим:

 

 ^(5.8)

 

Подставив (5.8) в (5.2), получим:

 

 ^(5.9)

 

На Рис.5.2 приведена схема реализации регулятора тока. Рис. 5.3 отображает структурную  схему регулятора тока. Согласно Рис. 5.2 и Рис. 5.3 запишем уравнения  соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации:

 

 ^(5.10)

 

Зададимся емкостью конденсатора С_ост = 1 мкФ. Тогда, согласно уравнения 2 системы (5.10), сопротивление R_ост составит:

 

  ^{кОм  (5.11)}

 

Подставив значение С_ост = 1 мкФ в уравнение 3 системы (5.10), найдем, что сопротивление R_зт составит:

 

 ^{кОм  (5.12)}

 

Подставив (5.12) в 1 уравнение системы (5.10), получим, что сопротивление R_т составит:

 

  ^{кОм (5.13)}

 

 

5.2. Расчет контура скорости

 

Структурная схема контура скорости приведена на Рис. 5.4.

Регулятор скорости организован по пропорциональному (П) закону управления с настройкой на модульный оптимум. Регулятор для обеспечения требуемых динамических параметров должен компенсировать электромеханическую постоянную времени системы Т_м, а также малую постоянную времени контура скорости Т_ос.

Тогда передаточная функция регулятора скорости будет иметь вид:

 

 ^(5.14)

где  Т_ос — малая постоянная времени токового контура;

 

Т_от = 2 * Т_от = 4 * Т_- = 4 * 0.007 = 0.028 с (5.15)

 

К_ос — коэффициент обратной связи по скорости, определяется по формуле:

 

   ^{В*с (5.16)}

 

Подставив динамические параметры  системы, а также (5.15) — (5.16) в (5.14), получим:

 

 ^(5.17)

 

На Рис.5.5 приведена схема реализации регулятора тока. Рис. 5.6 отображает структурную  схему регулятора тока. Согласно Рис. 5.5 и Рис. 5.6 запишем уравнения  соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации:

 

 ^(5.18)

где К_дс — коэффициент датчика скорости, определяемый отношением:

 

   ^{В*с (5.19)}

 

Зададимся сопротивлением R_осс = 100 кОм. Тогда, согласно уравнения 2 системы (5.18), сопротивление R_зс составит:

 

  ^{кОм  (5.20)}

 

Подставив значение R_зс = 4.8 кОм в уравнение 1 системы (5.18), найдем, что сопротивление R_с составит:

 

 ^{кОм  (5.21)}

 

 

 

5.3. Расчет контура мощности и  процесса резания

 

Структурная схема контура скорости приведена на Рис. 5.7.

Контур мощности будем рассчитывать на стабилизацию уровня мощности резания  в пределах 90 - 5% номинальной мощности двигателя, что составит 93 - 4% мощности резания. Такие действия правомочны, поскольку для расчета требуемой мощности двигателя был принят теоретически самый тяжелый вариант работы — из трудно обрабатываемого, но часто используемого материала резцами из быстрорежущей стали при максимальных диаметре заготовки и величине подачи резца.

Согласно (2.1) — (2.11), в данном конкретном случае мощность резания определяется следующим выражением: