Проектирование и расчет системы стабилизации частоты вращения электропривода

где – статическая мощность механизма,

 – коэффициент запаса мощности,

k = 1,09÷1,35,

 – КПД передачи.

         = = 636 Вт

При однозонном регулировании за максимальную скорость следует принять номинальную  скорость двигателя, так как регулирование  производится вниз от основной. При имеющемся редукторе скорость двигателя для обеспечения v = 1,33 м/мин должна быть равна = 1000 об/мин.

Из справочника (3) выбираем двигатель серии 4ПФ160МУХЛ4 с номинальными данными:

= 1,4 кВт

= 2 кВт

= 440 В

= 1000 об/мин

= 3000 об/мин

= 78%

   = 0,046 кг·м2

1. Рис 5. – Габаритный размер двигателя

 

При выборе необходимо также учитывать и  момент, поэтому мы выбираем двигатель 4ПФ160МУХЛ4 = 1,4 кВт. Это связанно с тем, что только двигатель с такой мощностью обладает нужным моментом.

Определим номинальную угловую скорость двигателя

            =                                                                                                (13)

            = = 188,4 рад/с

Определим номинальный  момент двигателя

            =                                                                                                         (14)

            = = 7,43 Н·м

Широкорегулируемые электродвигатели типа 4ПФ

Двигатели типа 4ПФ предназначены для приводов механизмов главного движения станков с ЧПУ, гибких производственных систем и роботизированных производственных комплексов. Исполнение ДПТ по степени защиты — IP23, по способу  охлаждения — ICO6 (с независимой вентиляцией); климатическое исполнение и категория  размещения — УХЛ4 или О4.

Средний уровень  шума (по ГОСТ 16372-84) ДПТ с номинальной  частотой вращения до 900 об/мин соответствует  классу 1; ДПТ с номинальной частотой вращения 900 об/мин и выше — классу 2.

Среднеквадратичное  значение вибрационной скорости (по ГОСТ 16921-83) двигателей типов 4ПФ112 и 4ПФ132 при номинальной частоте вращения равно 1,12 мм/с и при максимальной частоте вращения — 1,8 мм/с, типов 4ПФ160 и 4ПФ180 при номинальной частоте вращения — 1,8 мм/с и при максимальной частоте вращения — 2,8 мм/с.

Двигатели выполнены  с шихтованным магнитопроводом станины и компенсационной обмоткой, могут комплектоваться фильтром для очистки охлаждающего воздуха при независимой вентиляции.

Двигатели поставляются со встроенными тахогенераторами типа ТП75-20-0,2 (ТУ 16-516.285-83) и датчиком тепловой защиты — терморезистором типа СТ 14-1Б (ТУ ОЖО.468.130). Возбуждение ДПТ независимое, рассчитанное при последовательном соединении катушек на питание 220 В и при соединении катушек возбуждения в две параллельные ветви — на 110 В.

Класс нагревостойкости изоляции обмоток F.

Двигатели типа 4ПФ имеют статор восьмигранного сечения, который набирается из листов электротехнической стали марки 2013 толщиной 0,5 мм. Он запрессован  между двумя нажимными плитами  толщиной 10 мм из стального проката. В осевом направлении пакет статора  стянут шпильками и приварен в  углах по накладным планкам, обеспечивающим его поперечную жесткость. В нажимных плитах выполняются центрирующие замковые поверхности и резьбовые отверстия  для болтов крепления подшипниковых  щитов. Обмотки статора наматываются машинным способом: параллельного возбуждения  — непосредственно на полюс, компенсационная — раздельным способом путем втягивания ее в пазы. Катушки дополнительных полюсов изготовляются традиционно — машинная шаблонная намотка и ручная установка на полюс в статоре.

Рассчитаем  сопротивление обмотки якоря  выбранного двигателя:

 

 

2. Выбор тахогенератора

 

Тахогенератор ТП-75-20-0,2 предназначены  для комплектации электродвигателей (в том числе серии 2П, 4П и  др..), работающих в широкорегулируемых электроприводах постоянного тока.

 

Основные технические  данные тахогенератора

 

Крутизна выходного напряжения, мВ/мин -1	20+4
Номинальная частота вращения, мин -1	3000
Максимальная частота вращения, мин -1	6000
Минимальная частота вращения, мин -1	0,1
Нагрузочное сопротивление,  кОм, не менее	10
Погрешность в диапазоне  частот вращения 30-4000 мин -1, % не более	0,2
Коэффициент пульсации при  максимальной частоте вращения, %	1,0
Масса, кг, не более	0,5
Щетки марки	СГ1

 
Тахогенератор содержит якорь и  магнитную систему возбуждения.

 

 

 

Рис. 6 – Габаритный размер тахогенератора

 

Якорь состоит из втулки 2, на которую  насажен сердечник 12, коллектора 1, кольца 16 и обмотки 14. Магнитная система  возбуждения представляет собой  кольцо из магнита 10. К магнитной  системе возбуждения крепится щеткодержатель 9, имеющий четыре обоймы 8 со щетками 6, пружинами 7. Для установки тахогенератора на валу электродвигателя 13 и регулировки положения в осевом направлении специально предусмотрены шайба 4 и регулировочные кольца 11. Для фиксации щеток внутри обойм при монтаже, транспортировании и хранении предусмотрена фиксирующая втулка 5.

 

3. Выбор тиристорного преобразователя электропривода

 

 ТПЯ – реверсивный ТП напряжения цепи якоря двигателя с трехфазной системой импульсно-фазового управления СИФУ

КТЭУ-800/220-13212-УХЛ4.

 

Рис. 7 – Схема тиристорного управления двигателем постоянного тока

 

Тиристорный преобразователь ТП, работающий на нагрузку в виде ДПТ, состоит из двух основных частей: силовой схемы и системы импульсно-фазового управления. Основное назначение силовой схемы — преобразование 3-фазного переменного напряжения сети в постоянное напряжение для питания якорной цепи ДПТ, величина которого зависит от величины управляющего напряжения Uупр, подаваемого на вход ТП. На рисунке (7) представлена схема комплектного тиристорного ЭП серии ЭТЗР с ДПТ серии ПБСТ либо 4ПО (4ПФ).

 

Рис.7 -Силовая часть реверсивного электропривода серии КТЭУ

 

Силовой трансформатор предназначен для  согласования напряжения сети 
(U_с = 380 В) с номинальным напряжением преобразователя. 
Выбираем трансформатор типа ТСП (или ТСЗП), трехфазный, двухобмоточный, сухой с естественным воздушным охлаждением, открытого исполнения . 
Данные выбранного трансформатора

Параметр	Значение
Тип трансформатора	ТСЗП-250/0,7
Способ соединения первичной и  вторичной обмоток	Звезда - звезда
Номинальная мощность	SТ = 235 кВА
Номинальное линейное напряжение первичных  обмоток	U1N = 380 В
Номинальное линейное напряжение вторичных  обмоток	U2N = 208 В
Номинальный линейный ток вторичных  обмоток	I2N = 635 В
Потери КЗ	РК = 3800 Вт
Относительно напряжение короткого  замыкания	uK = 4,5%

4.  Выбор силового преобразователя ЭП

Выберем в  качестве силового преобразователя  модуль МРТ40М1 из комплекта ЭПТ-2. Данный модуль имеет выходной ток 40А. ЭПТ-2 в комплекте с электродвигателями предназначен для использования в составе станка в качестве приводов подач и главного движения. В составе электропривода существует модуль регулирования тиристорный (МРТ), построенный на унифицированной трехфазной мостовой схеме тиристорных преобразователей, обеспечивает однозонное регулирование скорости двигателя и модуля возбуждения (МВ), построенного по двухфазной полностью управляемой мостовой схеме.

Постоянные  напряжения и синхронизирующие сигналы, обеспечивающие работу МРТ и МВ, формируются в модуле питания (МП), который подключается к МРТ и  МВ с помощью плоского кабеля.

Питание электропривода осуществляется от трехфазной сети 380В (+10%, -15%) частотой 50Гц (+2%, -2%). Электропривод подач (МРТ) в комплекте с электродвигателем обеспечивает диапазон регулирования частоты вращения 1:10000 при регулировании напряжении на якоре. При этом крутизна выходной характеристики тахогенератора должна быть не менее 20В/1000 об/мин. Электропривод подач имеет следующие защиты:

- максимально-токовую;

- время-токовую;

- от обрыва  фазы силовой цепи;

- от понижения  напряжения питания цепей управления;

- перегрев  привода;

- устранение  ползучей скорости.

Модуль питания  имеет защиту от неправильного чередования  фаз. Электропривод должен выдавать сигнал: «готовность к работе», а  также отрабатывать внешние сигналы:

- разрешение  работы;

- сброс;

- регулирование  Ф для модуля возбуждения. 

Для питания  модуля (МП) используется напряжение 380В, с частотой 50Гц. Данный модуль предназначен для формирования питающих напряжений +20В, +12В, -12В и синхронизирующих сигналов, необходимых для работы модулей  регулирования (МРТ) и модуля возбуждения (МВ). На данном модуле расположена индикация  следующих сигналов:

- Наличия  напряжения +12В, -12В, +20В.

- Индикация  срабатывания защиты от неправильного  чередования фаз.

На данной семе:

А1, А9 – модули нелинейных звеньев;

А2 – модуль переключателя характеристик;

А3 – модуль управляющего органа;

А4 – модуль СИФУ;

А5 – модуль логического устройства;

А6 – модуль датчика проводимости вентилей;

А7 – модуль датчика тока;

А8 – модуль УЗТ;

А10 – модуль устройства защиты;

А11 – модуль тиристорной группы.

Потенциометры  R1 и R2 служат для задания двух скоростей.

Также на нем  расположена кнопка сброса триггеров  защиты в МРТ и МВ.

Модуль МРТ  предназначен для организации управляющего воздействия на привод подач станков  с ЧПУ. Система регулирования  электропривода выполнена двухканальной  с ПИ-регуляторами скорости и тока. Управление тиристорами осуществляется от трехканальной СИФУ. Синхронизирующие импульсы, обеспечивающие привязку импульсов управления тиристорами к силовой сети, поступают с модуля питания (МП). Управляющий орган (УО) обеспечивает смещение и ограничение управляющего сигнала. Переключение импульсов управления с группы тиристоров «вперед» и группы «назад» осуществляется логическим устройством (ЛУ), которое работает согласно поступающим сигналам от датчика проводимости вентилей (ДПВ).  Сигнал заданного направления тока на вход ЛУ поступает с нелинейного звена (НЗ). Для согласования НЗ с УО служит переключатель характеристик (ПХ), управляемый ЛУ.

Система импульсно-фазового управления (СИФУ) предназначена для преобразования постоянного управляющего напряжения, поступающего на вход с УО в последовательности импульсов соответствующей фазы, подаваемые на управляющие входы  тиристоров. СИФУ состоит из трех идентичных каналов, состоящих из нуль-органа (НО) и схемы формирования и распределения импульсов. Каждый канал СИФУ выполнен по принципу одноканального управления двумя противофазными вентилями выпрямительного моста, что исключает асимметрию противофазных управляющих импульсов. Каналы фазосмещения выполнены по «вертикальному» принципу управления. Функциональная схема одного канала СИФУпоказана на рисунке 8.

 

Рис. 8 - Функциональная схема одного канала СИФУ

Модуль возбуждения  предназначен для питания обмоток  возбуждения тахогенератора и двигателя.

Передаточная  функция ПИ-регулятор скорости имеет  вид:

                                                 (1)

Где:                                                                                                             (2)

                                                      

                                                      (3)

Таким образом, мы можем получить необходимый коэффициент  передачи регулятора, подобрав величины резисторов и конденсатора.

4. Расчет передаточной функции двигателя

Основные  коэффициенты передаточной функции  могут быть определены из паспортных данных двигателя.

                                                   (1)

                                                   (2)

                                                   (3)

                                                      (4)

                                             (5)

                                                         (6)

 

 

Подставляя  паспортные данные в эти выражения  получим:

                                               

                                                                                                (7)