Электропривод и автоматизация главного привода специального вальцетокарного станка модели IK 825 Ф2Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели разработанной системы: ? высокая точность стабилизации мощности резания на заданном уровне; ? достаточно большое быстродействие системы; ? малая чувствительность к изменению параметров объекта управления. Настоящая система управления может быть использована не только в данном вальцетокарном станке, но и в тяжелых токарных и токарно-винторезных станках, где есть необходимость ограничить мощность, выделяемую с главного привода станка или мощность резания на практически любом заданном уровне. Эффективность разработанной системы управления определяется применением оптимальных регуляторов, а также использованием современной элементной базы. Форма № У-9. 01 Утв. Приказом Минобр. Украины от 3 августа 1984г. № 253 …... ……………. Донбасский горно-металлургический институт ………… ..…. (наименование вуза) Факультет……… АПП ……………….………..Кафедра……….. ……… ЭАПП …………………………… Специальность………………………………. 2105 …………………………………………………………….… УТВЕРЖДАЮ: Зав. кафедрой……………………………… «……»……………………..…….…19..…г. ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ (РАБОТУ) СТУДЕНТУ ………………………… Луцкому Александру Михайловичу …………………..... (фамилия, имя, отчество) 1. Тема проекта (работы)……Электропривод и автоматизация главного привода специального .................... ..............................вальцетокарного станка модели IK 825 Ф2……………………………………………………..... ……………………………………………………………………………………………………………..…………….. .…………………………………………………………………………………………………....................................... утверждена приказом по институту от «…..…»………………………….19…….г. №…............…………….. 2. Срок сдачи студентом законченного проекта (работы)……………2 января 1998 г...........…………..………….. 3. Исходные данные к проекту (работе)……………………………………………………………………...……....... ......Электродвигатель 2ПН300 L , Р н = 110 кВт, I н = 350 А, U н = 220 В.......................................................................... ......Преобразователь КТЭУ 400/220 - 03222, Р н = 122 кВт, I н = 500 А, U н = 220 В .................................................... ......Система стабилизации мощности резания (трехконтурная, с внутренними контурами тока и скорости)......... .............................................................................................................................................................................................. ………………………………………………………………………………………………………………….................. 4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)………………..... — выбор и проверка электродвигателя, расчет динамических параметров системы электропривода;.................... — синтез системы автоматического регулирования , анализ работы системы с использованием пакета МАСС;... — экономическое обоснование внедрения новой системы электропривода;............................................................... — проработка вопросов охраны труда при работе на вальцетокарном калибровочном станке модели I К 825 Ф2. 5. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)…………………………......... — кинематическая схема электропривода главного движения вальцетокарного калибровочного станка;............... — математическая схема системы электропривода, статическая характеристика системы;...................................... — цифровая модель системы электропривода для набора в МАССе;........................................................................... — графики переходных процессов;................................................................................................................................... — конструкторские разработки;......................................................................................................................................... — экономические показатели системы электропривода.................................................................................................. ...……………………………………………………..........…………………………………………………………..….... ………………………………………………………………………………………………………………….................. 6. Консультанты по проекту (работе), с указанием относящихся к ним разделов проекта
Качество металлопроката и геометрические размеры профилей, в том числе и производимых станом 600 Алчевского металлургического комбината, зависят от многих факторов, одним из которых является качество изготовления и точность обработки поверхности валков черновых и чистовых клетей прокатных станов. В соответствии с рабочими калибровками и монтажами валков в вальцетокарной мастерской сортопрокатного цеха производится обработка и расточка валков черновых и чистовых клетей. Для этих целей применяется станок типа IK 825 Ф2, который предназначен для обработки валков как сортовых, так и листовых прокатных станов. При обработке валков, имеющих неоднородную структуру и различные физико-механические свойства, возникают броски мощности резания, которые отрицательно влияют на качество поверхности валков и точность геометрических размеров готового проката. В связи с этим в данном проекте была предложена система стабилизации мощности резания на заданном уровне, что оказывает положительное влияние на качество поверхности обрабатываемых валков. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ И ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ Станок вальцетокарный калибровочный специальный модели I К 8 25 Ф 2 с цифровой индикацией и управлением (УЦИ) предназначен, согласно [ 15] для обработки и калибровки наружных поверхностей прокатных валков в специальных калибровочных люнетах. На станке не предусматривается обработка деталей со смещенным центром тяжести относительно оси вращения типа эксцентриковых и коленчатых валов, конусных деталей с неуравновешенными массами. Управление основными движениями станка (перемещение суппортов по осям X и Z ) осуществляется от УЦИ. Операции, связанные с переключением ступеней главного привода, регулированием скорости вращения шпинделя и подач суппорта, перемещение и фиксация задней бабки, перемещение пиноли, установка и зажим изделия, установка люнеты, установка и зажим режущего инструмента на суппорте выполняются от органов управления, расположенных на этих сборочных единицах без учета УЦИ, то есть эти операции не программируются. Обработка деталей может быть произведена в «ручном» режиме (УЦИ выполняет роль индикации) и «программном» (автоматическом) режиме по программе, заданной ручным вводом задания на пульт ввода УЦИ с управлением главным приводом и суппортами с помощью органов управления, расположенных на пульте суппортов. Применение УЦИ К 525 повышает производительность труда в режиме индикации и преднабора, а в автоматическом режиме обработки по программе освобождает оператора от пользования универсальным мерительным инструментом, повышает точность работы и обработки деталей, а также снижает утомляемость рабочего-оператора, позволяет организовать бригадное и многостаночное обслуживание станка. 1.1. Техническая характеристика станка Класс точности согласно нормам точности по техническому заданию. Технические характеристики вальцетокарного калибровочного специального станка модели I К 8 25 Ф 2 приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1. - Техническая характеристика вальцетокарного калибровочного станка модели I К 8 25 Ф 2
Основными технологическими требованиями согласно [ 3, 4, 7 ] являются обеспечение: ? самого широкого круга технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента; ? максимальной производительности; ? наибольшей точности обработки; ? высокой чистоты обрабатываемой поверхности. Удовлетворение всем этим и другим требованиям зависит от характеристик станка и режущего инструмента, мощности главного привода, и электромеханических свойств приводов подач и системы управления. В современных станках с числовым программным управлением (ЧПУ) функции, выполняемые электроприводом главного движения, значительно усложнены. Помимо стабилизации частоты вращения, при силовых режимах резания требуются обеспечение режимов позиционирования шпинделя при автоматической смене инструмента, что неизбежно ведет к увеличению требуемого диапазона регулирования частоты вращения. Требуемый технологический диапазон регулирования скорости шпинделя с постоянной мощностью по [ 8, 9 ] , равный 20 — 50 при двухступенчатой коробке скоростей, можно вполне обеспечить при электрическом регулировании скорости двигателя с постоянной мощностью в диапазоне 5:1 — 10:1, что вполне осуществимо при современных двигателях постоянного тока. Стабильность работы привода характеризуется перепадом частоты вращения при изменении нагрузки, напряжении питающей сети, температуры окружающего воздуха и тому подобных. Погрешность частоты вращения для главного привода вальцетокарного станка модели I К 825 Ф2 должна, согласно [ 10 ] , составлять не более: ? суммарная погрешность — 5%; ? погрешность при изменении нагрузки — 2%; ? погрешность при изменении направления вращения — 2%. Коэффициент неравномерности, рассчитываемый как отношение разности максимальной и минимальной мгновенных частот к средней частоте вращения при холостом ходе привода, должен быть не более 0,1. В современных станках динамические характеристики приводов главного движения по управлению прямым образом определяют производительность. При этом время пуска и торможения по [ 11 ] не должно превышать 2,0 —4,0 с. При наличии зазоров в кинематической цепи главного привода перерегулирование приводит к дополнительным затратам времени на позиционирование, поэтому появляется необходимость обеспечения монотонного апериодического характера изменения скорости. Динамические характеристики электропривода по нагрузке практически определяют точность и чистоту обработки изделия, а также стойкость инструмента. Устойчивый процесс резания при необходимой точности и чистоте поверхности возможен, если параметры настройки привода обеспечивают при набросе номинального момента нагрузки максимальный провал скорости не более 40% при времени восстановления, не превышающем 0,25с. Отличительной особенностью главного привода станков с ЧПУ является необходимость применения реверсивного провода даже в тех случаях, когда по технологии обработки не требуется реверс. Требование обеспечения эффективного торможения и подтормаживания при снижении частоты вращения и режимов поддержания постоянной скорости резания приводит к необходимости применения реверсивного привода с целью получения нужного качества переходных процессов. 1. ВЫБОР И ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В электроприводах главного движения токарных станков согласно [ 11 ] мощность электродвигателя определяется требуемой мощностью резания. Для определения мощности резания согласно с [ 1 ] определим скорость резания V и тангенциальную составляющую силы резания F z для самого тяжелого варианта работы — для наружной черновой обработке валка диаметром 1000 мм, изготовленного из конструкционной стали марки 60ХН резцами из быстрорежущей стали марки Т14К8: Выбираем двигатель [ 6 ] серии 4ПН 400 - 22 МУ3 со следующими параметрами: ? номинальная мощность двигателя Р н = 70 кВт; ? номинальный ток двигателя I н = 350 А; ? номинальное напряжение питания U н = 220 В; ? момент инерции двигателя J дв = 8.25 кг*м 2 ; ? минимальная скорость вращения n min = 250 об/мин; ? номинальная скорость вращения n н = 750 об/мин; ? максимальная скорость вращения n max = 150 0 об/мин; ? пусковая перегрузочная способность ? п = 2; ? номинальный коэффициент полезного действия ? н = 93%. Произведем проверку выбранного двигателя по нагреву согласно тахограммы и нагрузочной диаграммы, приведенных на Рис. 2.1, где: ? t 1 = 1 с — время разгона электродвигателя; ? t 2 = t 4 = 2 с — время работы электродвигателя на холостом ходу; ? t 3 = 3000 с — время работы электродвигателя с номинальной нагрузкой; ? t 5 = 1 с — время торможения электродвигателя; ? I1 = 2 I н = 700 А — пусковой ток двигателя ? I2 = 0.1 I н = 35 А — ток холостого хода электродвигателя; ? I 3 = 0.95 I н = 332 А — номинальный рабочий ток двигателя; ? I 4 = 0.1 I н = 35 А — ток холостого хода электродвигателя; ? I5 = 1.9 I н = 665 А — тормозной ток электродвигателя. Тогда:
Математическая модель проектируемой системы приведена на Рис. 4.2. Определим по эмпирическим формулам согласно [ 5 ] недостающие данные. Номинальная угловая скорость вращения двигателя: 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: Определим суммарную индуктивность якорной цепи двигателя: L ? = L ср + 2 L 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. Электромагнитная постоянная якорной цепи двигателя: Таблица 4.1 — Динамические параметры 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: Согласно Рис. 5.2 и Рис. 5.3 запишем уравнения соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации: 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: Согласно Рис. 5.5 и Рис. 5.6 запишем уравнения соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации: Согласно (2.1) — (2.11), в данном конкретном случае мощность резания определяется следующим выражением: Р рез = 7870.66975 * V кВт (5.22) где V — скорость резания. Требуемая в данном случае скорость резания согласно (2.5) составляет 8.66 м/мин. Рассчитаем коэффициент передачи передаточного механизма (коробки скоростей): Подставив (5.25) в (5.24), получим: Поскольку унифицированная блочная система регуляторов (УБСР) рассчитана на максимальное напряжение 8 В, то и ограничение по мощности, выполненное на элементах УБСР, будет соответствовать U ср = 8 В. Тогда коэффициент датчика мощности можно рассчитать из следующих соображений, что при мощности, равной мощности стабилизации, напряжение обратной связи по мощности должно достигнуть напряжения сравнения, то есть: Поскольку датчик мощности выполняется на базе датчиков тока и скорости, то он будет обладать некоторой инерционностью. Постоянная времени датчика мощности стандартной реализации находится в пределах 0.003—0.006 с. Поскольку в данном случае датчик мощности реализуется с использованием микросхем, что ускоряет работу, примем постоянную времени датчика мощности Т дм = 0.004 с. Тогда, согласно Рис. 5.7., для компенсации всех постоянных необходима следующая передаточная функция регулятора мощности: Согласно Рис. 5.8 и Рис. 5.9 запишем уравнения соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации: Зададимся сопротивлением R осм = 100 кОм. Тогда, согласно уравнения 2 системы (5.30), сопротивление R зм составит: Подставив значение R зм = 4.8 кОм в уравнение 1 системы (5.18), найдем, что сопротивление R м составит: Прямым способом измерить мощность резания невозможно. Поэтому ее измеряют косвенно. Для измерения мощности резания можно использовать сигналы, пропорциональные току двигателя, скорости вращения двигателя, ЭДС двигателя. В данном случае предлагается использовать сигналы, пропорциональные току и скорости вращения двигателя. После перемножения этих сигналов на выходе получится сигнал, пропорциональный мощности резания. Функциональная схема реализованного датчика мощности приведена на Рис. 5.12. В состав спроектированного датчика мощности входит интегральная микросхема (ИМС) [ 16 ] К525ПС2А, представляющая собой четырехквадрантный аналоговый перемножитель (АП) сигналов и имеет следующие параметры: ? потребляемый ток — не более 6 мА; ? погрешность перемножения — не более ? 1%; ? нелинейность перемножения: ? по входу X — не более ? 0.8%; ? по входу Y — не более ? 0.5%; ? остаточное напряжение: ? по входу X — не более 80 мВ; ? по входу Y — не более 60 мВ; ? входной ток: ? по входу X — не более 4 мкА; ? по входу Y — не более 6 мкА; ? полоса преобразования по входам — не менее 0.7 МГц; ? выходное напряжение — не более ? 10.5 В. Стабилитрон во входной цепи операционного усилителя рассчитаем из следующих соображений. Напряжение срабатывания стабилитрона должно соответствовать достижению мощностью резания уровня стабилизации. Этому уровню будут соответствовать статический ток двигателя I с = 333 А и скорость вращения двигателя ? н = 78.54 1/с. Поскольку датчик тока рассчитан на пусковой ток, то в номинальном режиме его выходное напряжение составит: Обратная связь включается через 1.5 с после включения двигателя, что обеспечивают контакты реле времени. Это необходимо для того, чтобы при пуске обратная связь по мощности не срабатывала. 6. АНАЛИЗ РАБОТЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТА МАСС По структурной схеме системы, приведенной на Рис. 6.1., составим математическую модель проектируемой системы для дальнейшего моделирования, которая приведена на Рис. 6.2. Согласно Рис. 6.2. составим таблицу задания для моделирования процессов на МАССе. DIPMAG.MDS 3-December-97, Wednesday Номер Тип Входы Параметры 1 K 1.0879E+00 10 + 1 -16 0 11 G 10 0 0 7.3529E+00 12 L 11 8.0000E+00 -8.0000E+00 13 G 24 0 0 1.1026E-01 15 AN 14 1.3333E-04 3.9999E-03 16 D 15 8.0000E+00 -8.0000E+00 20 + 12 -25 0 21 G 20 0 0 2.0799E+01 22 L 21 8.0000E+00 -8.0000E+00 23 + 44 -103 0 24 I 0 23 0 0.0000E+00 1.9263E-01 0.0000E+00 25 G 24 0 0 1.0185E-01 27 G 24 0 0 2.7050E+00 30 + 22 -45 0 31 R2 41 30 34 32 G 30 0 0 2.6119E-01 33 I 0 31 0 0.0000E+00 2.9382E+00 0.0000E+00 34 K 0.0000E+00 35 + 32 33 0 36 AB 35 37 K 8.0000E+00 38 + 37 -36 0 39 NL 38 40 EL 30 33 41 AL 39 40 42 L 35 8.0000E+00 -8.0000E+00 43 + 50 -27 0 44 AN 43 3.1669E+01 8.8899E-02 45 G 44 0 0 1.1430E-02 50 AN 42 6.7170E+01 6.9999E-03 100 K 1.0000E+00 101 B 24 103 X 100 101 104 104 G 14 0 0 5.1152E-03 999 DT 13 1.5000E+00 14 AN 999 7.8700E+03 2.1766E+01 Структура модели: ? регулятор тока — блоки 30 — 42; ? обратная связь по току — блок 45; ? нагрузка (статический ток) — блоки 100 — 104; ? регулятор скорости — блоки 20 — 22; ? обратная связь по скорости — блок 25; ? регулятор мощности — блоки 10 — 12; ? обратная связь по мощности — блоки 15 — 16; ? тиристорный преобразователь — блок 50; ? двигатель: ? токовая часть — блоки 43 — 44; ? скоростная часть — блоки 23 — 24; ? внутренняя обратная связь двигателя (СФ) — блок 27; ? передаточный механизм — блок 13; ? процесс резания — блоки 999,14. Выходы блоков: ? скорость вращения двигателя — выход блока 24; ? ток двигателя — выход блока 44; ? мощность резания — выход блока 14. В результате моделирования были получены результаты, приведенные на Рис.6.3. — Рис. 6.9., которые приведены ниже. На рисунках приведено: ? Рис. 6.3. — пуск двигателя; ? Рис. 6.4. — стабилизация расчетного варианта мощности; ? Рис. 6.5. — работа системы при увеличении коэффициента резания на 50%; ? Рис. 6.6. — работа системы при уменьшении коэффициента резания на 50%; ? Рис. 6.7. — работа системы при уменьшении механической постоянной времени на 10%; ? Рис. 6.8. — работа системы при уменьшении механической постоянной времени на 20%; ? Рис. 6.9. — работа системы при уменьшении механической постоянной времени на 30%. Таким образом, из приведенных графиков переходных процессов можно сделать вывод, что изменение механической постоянной времени, что может случиться в результате уменьшения массы обрабатываемой детали и ее геометрических размеров, не оказывает существенного влияния на стабилизацию мощности, в то время, как изменение механических свойств обрабатываемой детали или режущего инструмента, изменение чистоты поверхности детали и так далее существенно влияют на мощность резания. При этом изменяется характер переходного процесса нарастания мощности резания. Из апериодического (рис.6.4) он превращается в колебательный (рис. 6.5) |
Электропривод и автоматизация главного привода специального вальцетокарного станка модели IK 825 Ф2
(2.1) где С v = 340 — эмпирический коэффициент; Т = 60 мин — стойкость резца; t = 12 мм — глубина резания; S = 34 мм/об — продольная подача; m = 0.2; x = 0.15; y = 0.45 — эмпирические коэффициенты; K v — поправочный коэффициент, учитывающий фактические условия резания. K v = K mv * K п v * K и v , (2.2) где: K п v = 1 — коэффициент, отражающий состояние поверхности заготовки — без корки; K и v = 0.8 — коэффициент, учитывающий качество материала инструмента, используется резец марки Т14К8; K mv — коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала (физико-механические свойства). 
, (2.3) где К г = 1 — коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и материала инструмента; ? В = 1100 МПа — предел прочности обрабатываемого материала; n В = 1.78 — показатель степени, зависящий от обрабатываемого материала и материала инструмента. Тогда, подставив (2.3) в (2.2), получим: K v = 0.52 * 1 * 0.8 = 0.41, (2.4) Тогда, с учетом (2.1)—(2.4), получим: 
м/мин, (2.5) Тогда, зная скорость резания V , определим тангенциальную составляющую силы резания F z : F z = 10 * C p * t x * S y * V n * Kp, (2.6) где C p = 200 — эмпирический коэффициент; x = 1; y = 0.75; n = 0 — эмпирические коэффициенты. К p — поправочный коэффициент, учитывающий фактические условия резания. K p = K mp * K ? p * K ? p * K rp * K ? p ; (2.7) где K ? p , K ? p , K rp , K ? p — поправочные коэффициенты, учитывающие влияние геометрических параметров режущей части инструмента на составляющие силы резания (резец из быстрорежущей стали марки Т14К8); K ? p = 1.15 — передний угол в плане ? = 12-15 ? ; K ? p = 1 — угол наклона главного лезвия ? = 15 ? ; K rp = 0.93 — радиус при вершине r = 1 мм; K ? p = 1 — главный угол в плане ? = 45 ? ; K mp — поправочный коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости. 
, (2. 8 ) где ? В = 1100 МПа — предел прочности обрабатываемого материала; n = 0.75 — показатель степени, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости. Тогда, подставив (2.8) в (2.7), получим: K p = 1.33 * 1.15 * 1 * 0.93 * 1 = 1.425 . (2.9) Подставив (2.1) — (2.5), (2.7) — (2.9) в (2.6), получим: F z = 10 * 200 * 12 1 * 34 0.75 * 8.66 0 * 1.425 = 481670 кН. (2. 10 ) Тогда, зная скорость резания V и тангенциальную составляющую силы резания F z , определим требуемую мощность резания (с учетом коэффициента полезного действия системы равного 0.9): 
кВт. (2.11) Поскольку расчет велся для самого тяжелого варианта, то можно выбирать двигатель, который проходит по мощности для этого варианта.
(2.12) Поскольку полученный эквивалентный ток меньше номинального тока двигателя, следовательно по нагреву данный двигатель подходит и выбран верно. Для питания двигателя выбираем комплектный тиристорный преобразователь [ 2 ] серии ЭПУ1-2-4347 D УХЛ4 со следующими параметрами: ? Р н = 92 кВт — номинальная мощность преобразователя; ? U н = 230 В — номинальное выходное напряжение ТП; ? I н = 400 А — номинальный выходной ток преобразователя. Для питания тиристорного преобразователя выбираем вводной трансформатор [ 2 ] ТСЗП - 160 / 0.743 со следующими параметрами: ? Р н = 143 кВА — номинальная потребляемая мощность трансформатора; ? U 1 = 380 В — напряжение первичной обмотки трансформатора; ? U 2ф = 230 В — напряжение вторичной обмотки трансформатора; ? I 2ф = 500 А — ток вторичной обмотки трансформатора; ? ? Р хх = 795 Вт — потери холостого хода в трансформаторе; ? ? Р кз = 2400 Вт — потери при коротком замыкании в трансформаторе; ? U кз = 4.5% — напряжение короткого замыкания трансформатора; ? I хх = 5.2% — ток холостого хода трансформатора. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения выбираем сглаживающий реактор [ 5 ] ФРОС - 125 / 0.5 У3 со следующими параметрами: ? I н = 500 — номинальный ток сглаживающего реактора; ? L н = 0.75 мГн — номинальная индуктивность сглаживающего реактора; ? R н = 3 мОм — номинальное сопротивление реактора. 3. СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СТАНКА Характеристика системы электропитания вальцетокарного калибровочного станка модели I К 825 Ф2 приведена в табл. 3.1. Таблица 3.1 — Характеристика системы электропитания станка вальцетокарного калибровочного модели I К 825 Ф2. 
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.
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.
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.
с (4.22) Электромагнитная постоянная якоря двигателя: 
с (4.23) Электромеханическая постоянная системы: 
с (4.24) где J ? = K j * J = 2.5 * 8.25 = 20.625 кг*м 2 (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.
(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.
(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.
(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.
(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.
м*с/мин (5.23) Постоянная процесса резания согласно [ 1 ] определяется следующим образом: 
(5.24) где n ш — скорость вращения шпинделя, определяющаяся по формуле: 
об/мин (5.25) где D дет — диаметр устанавливаемой в центрах заготовки.
с (5.26) Для стабилизации мощности без затягивания переходного процесса нарастания мощности необходимо, чтобы обратная связь по мощности включалась при превышении мощностью уровня стабилизации (то есть максимально допустимой мощности), для чего необходима зона нечувствительности по мощности.
В / Вт (5.27) где Р ст — уровень стабилизации мощности. Для расчета регулятора мощности необходимо рассчитать максимальное задание, которое будет подано на вход регулятора мощности для достижения уровня стабилизации. Это задание рассчитывается из условия того, что при мощности стабилизации задание соответствует максимальной мощности, а при максимальной мощности задание на мощность равно нулю. Таким образом, требуемое напряжение задания можно определить по формуле: 
(5.28) Оптимизация контура мощности ведется по симметричному оптимуму.
(5.29) Подставив значения постоянных времени и коэффициентов передачи, получим: ? пропорциональная часть регулятора мощности К п рм = 7.3529; ? интегральная часть регулятора мощности К и рм = 0.0338; ? дифференциальная часть регулятора мощности К д рм = 0.0029. Таким образом, интегральная и дифференциальная части оказались незначимыми по сравнению с пропорциональной частью регулятора мощности, откуда следует, что для обеспечения требуемых показателей качества как в динамике, так и в статике достаточно пропорционального интегратора мощности. На Рис.5.8 приведена схема реализации регулятора мощности. Рис. 5.9 отображает структурную схему регулятора мощности.
(5.30) где К дм — коэффициент датчика скорости.
кОм (5.31) где К рм — пропорциональная часть регулятора мощности.
кОм (5.32) где Ком — коэффициент обратной связи по мощности, рассчитываемый из условия соответствия максимального задания на мощность максимальной мощности, то есть: 
(5.33) 5.4.Расчет статической характеристики системы Структурная схема проектируемой системы электропривода в статике для расчета статической характеристики приведена на Рис. 5.10. Запишем уравнение скорости движения электропривода в статике: 
(5.34) где ? —скорость вращения двигателя; ? 0 — скорость холостого хода двигателя: 
1/с (5.35) ? ? с — статическое падение скорости при статическом токе: 
1/с (5.36) Выражение (5.34) раскрыто с применением правил Лопиталя для раскрытии неопределенностей вида 
По полученным расчетным данным построим статическую характеристику системы, приведенную на Рис. 5.11. 5.5. Разработка датчика мощности В проектируемой системе электропривода необходимо иметь сигнал, пропорциональный мощности резания.
В (5.37) Сигнал с тахогенератора составит: 
В (5.37) Тогда сигнал на выходе ИМС составит: 
В (5.38) Таким образом, напряжение стабилизации входного стабилитрона должно составлять 3 В, что обеспечит правильную работу обратной связи по мощности.
Рисунок 6.3 — Переходный процесс пуска двигателя 
Рисунок 6.4 — Переходный процесс стабилизации мощности. 
Рисунок 6.5 — Переходный процесс стабилизации мощности при увеличении К р на 50%. 
Рисунок 6.6 — Переходный процесс стабилизации мощности при уменьшении К р на 50%. 
Рисунок 6.7 — Переходный процесс стабилизации мощности при уменьшении Т м на 10%. 
Рисунок 6.8 — Переходный процесс стабилизации мощности при уменьшении Т м на 20%.