Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок
ЭЛЕКТРОПРИВОД ПРОМЫШЛЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
для студентов всех форм обучения специальности 5B0718 –
Электроэнергетика
Алматы 2009
СОСТАВИТЕЛИ: П.И. Сагитов, С.Б. Алексеев. Электропривод промышленных механизмов. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 5B0718 – Электроэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2009. – 13с.
Методические указания содержат необходимые теоретические положения, программу выполнения работ, методику подготовки и проведения экспериментов, анализа полученных результатов.
Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальности 5B0718 – Электроэнергетика.
1 Лабораторная работа. Исследование системы стабилизации мощности фрезерования
1.1 Цель работы:
получить навыки расчета и моделирования системы автоматического управления фрезерным станком с технологической обратной связью по мощности фрезерования.
1.2 Структурная схема технологического процесса
В процессе фрезерования может изменяться глубина и ширина обработки, твердость обрабатываемого металла, происходит износ режущего инструмента. В результате изменяется мощность, затрачиваемая на обработку, и происходит занижение параметров фрезерования, что приводит к снижению производительности и повышению себестоимости металлообработки. В рассматриваемой системе с технологической обратной связью по мощности, воздействуя на привод подачи, стабилизируют мощность при изменяющихся условиях процесса фрезерования / 2 /.
На рисунке 1.1
представлена структурная схема стабилизации мощности фрезерования.
|
WH (P)
 |
Ucp
Рисунок 1.1
Wэп(р) – передаточная функция электропривода;
Wр(р) – передаточная функция процесса обработки;
Wдм(р) – передаточная функция датчика мощности;
Wк(р) – передаточная функция корректирующего звена;
WH (p)- нелинейное звено;
Кпм – коэффициент передачи редуктора.
В качестве электропривода подачи в работе предлагается применить систему тиристорный преобразователь – двигатель (ТП-Д) с подчиненым регулированием (рисунок 1.2).
Электродвигатель может быть представлен структурной схемой (рисунок 1.3).
 |
Рисунок 1.2
 |
Рисунок 1.3
Преобразователь - мостовой управляемый выпрямитель c передаточной функцией
WП(P) = 
,
где Тп – постоянная времени преобразователя Тп = 0,01с;
Кп – коэффициент усиления Кп = 25.
Регулятор тока
WРТ(P) = 
где ТЯ - электромагнитная постоянная цепи якоря
ТЯ = 
;
КТ – коэффициент передачи датчика тока ( КТ = 0,07).
Регулятор скорости
Wрс(Р) =
,
где КС – коэффициент датчика скорости ( КС= 0,5 В·с/рад ).
Электродвигатель представлен двумя последовательно включенными звеньями – инерционным и интегрирующим (рисунок 1.3):
W(P) = 
; W(P) = 
.
Электромеханическая постоянная двигателя
,
Коэффициент двигателя
.
Инерционное звено (для снижения перерегулирования при скачке входного сигнала)
WИ(P)=
.
Параметры, необходимые для расчета, берутся из справочника / 5 / для электродвигателя - ПН-85, Р = 2,3 кВт.
Структурная схема электропривода
Рассчитанные
передаточные функции подставляются в структурную схему (рисунок 1.2). В
результате получим структурную схему, которая является основой для набора
модели в Matlab Simulink (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4- Структурная схема электропривода
Математическая модель процесса фрезерования, если рассматривать его как безынерционный и стационарный, может быть описана эмпирической зависимостью выходной координаты – усилия резания Fz от входных координат – глубины фрезерования tр, подачи на один зуб фрезы Sz, ширины фрезерования В и скорости резания V:
,
где СFz, XFz, YFz – по справочнику / 2 /;
Dф – диаметр фрезы, мм;
В – ширина фрезерования;
Zф – число зубьев.
Мощность резания
.
Скорость резания при фрезеровании
.
 |
Схема модели процесса резания представлена на рисунке 1.6.
 |
Рисунок 1.6
Передаточная функция процесса фрезерования при условии равномерности может быть представлена следующим образом
.
Кр – рассчитывается для заданного типа фрезы и обрабатываемого материала .
Тр – для заданной частоты вращения шпинделя выбирается по справочнику.
Cр', Ср' ', - коэффициенты; n, i, Xp, Yp, q - показатели степени для заданного процесса металлообработки определяются по справочнику и заданию преподавателя. (СР´´= 2,2; tР = 0 – 10мм; XP = 0,95; YP = 0,8).
Датчик мощности
,
где Тдм=0,02с, Кдм=10 В/кВт.
Узел технологической обратной связи
при 
при 
,
где Uк, Uср - напряжения коррекции и сравнения.
Устройство упреждающей коррекции
.
Кпм - коэффициент передачи механизма подачи ,
Кдм – коэффициент усиления датчика мощности (10 В/ кВТ).
На основании вышесказанного составить структурную схему модели системы стабилизации мощности фрезерования, и затем схему модели в среде программного обеспечения Matlab Simulink. Произвести расчет необходимых коэффициентов и параметров структурной схемы. Установить рассчитанные параметры и коэффициенты в элементы и блоки структурной схемы Matlab Simulink. Исследовать работу модели, добиться устойчивой работы системы регулирования, определить перерегулирование и время переходного процесса, проанализировать полученные результаты w=f(t), I=f(t) , РZ (t) сделать выводы.
1.3 Задание для домашней подготовки
1.3.1 Построить модель фрезерования с технологической обратной связью по мощности, согласно методическим указаниям и блок- схемы (рисунок 1.7).
1.3.2 Произвести расчет параметров САУ электроприводом подачи станка в режиме стабилизации мощности фрезерования для заданных преподавателем параметров процесса фрезерования.
1.3.3 Составить структурную схему модели с применением программного обеспечения Matlab Simulink.
UЗ Рдм
Рисунок 1.7
1.4 Программа работы
1.4.1 Открыть программу Matlab, в открывшемся окне создать новый проект и присвоить имя исследуемой модели. Из элементов и блоков Matlab Simulink набрать модель на основании разработанной структурной схемы.
1.4.2 Выделить из структурной схемы модель электропривода, скопировать ее в отдельный проект и присвоить имя модели электропривода. Добавить в модель элементы измерения тока и скорости, установить параметры модели.
1.4.3 Исследовать модель электропривода по управляющему и возмущающему воздействиям, подавая на вход системы единичный ступенчатый сигнал. Графики переходных процессов w=f(t), I=f(t) сохранить, определить величину перерегулирования и время переходного процесса. В случае неудовлетворительных показателей качества САУ проверить расчеты и произвести настройку системы. Отлаженную модель сохранить.
1.4.4 Параметры настроенной модели электропривода установить в основную модель.
1.4.5 Исследовать работу модели по управляющему и возмущающему воздействиям. Полученные графики I=f(t), w=f(t), Pz=f(t) зарисовать и оценить работу системы. В случае возникновения колебательного режима ввести в схему устройство упреждающей коррекции, согласно методических указаний. Отредактировать модель и повторить исследования. Графики сохранить.
1.4.8 По заданию преподавателя изменить параметры процесса резания и повторить эксперимент.
1.4.9 Сделать выводы о проделанной работе.
5 Содержание отчета
1 Результаты расчета параметров системы регулирования.
2 Структурная схема системы регулирования.
3 Схема исследования системы в Matlab Simulink.
4 Результаты исследования системы в виде графиков w=f(t), I=f(t), Pz=f(t).
5 Анализ результатов, выводы.
2 Лабораторная работа. Исследование автоматизированной системы управления центробежным вентилятором
2.1 Цель работы:
исследовать технико-экономическую эффективность применения частотно-регулируемого электропривода в механизмах с вентиляторной нагрузкой.
2.2 Методические указания
Эксплуатационные
свойства механизмов центробежного типа определяются Q–H характеристикой и зависимостью КПД от подачи при w=const.
Теоретический расчет указанных характеристик представляет большие трудности,
поэтому на практике пользуются экспериментальными зависимостями H=f(Q) и h=j(Q), которые приводятся в каталогах насосов для неизменной
номинальной скорости wном.
Чтобы получить Q–H-
характеристики для скорости, отличной от номинальной, пользуются законами
пропорциональности. Для этого задается ряд значений Qe,
которым соответствуют значения He на
исходной естественной Q–H-
характеристике с wном=const (рисунок2.1). В соответствии с законами
пропорциональности рассчитываются параболы 
,проходящие через выбранные точки на
исходной характеристике. Каждой точке параболы, согласно этим законам
соответствует определенная скорость механизма w=wномQ/Qe. Соединяя точки парабол с одинаковым значением w, определяют Q–H-характеристику для w=const. Так как законы пропорциональности получены в
предположении постоянства гидравлического КПД насоса- hг и объемного- h0,
то пересчетные параболы оказываются линиями постоянного КПД механизма / 4 /.
Для вентилятора напор H измеряется в единицах давления и его можно трактовать как энергию, сообщаемую единице объема газа. Тогда полезная мощность вентилятора определяется произведением
а мощность на валу
где hвен–КПД вентилятора.
При отсутствии статического напора в магистрали Hcт = 0
Hмаг= He
=He
.
Рисунок 2.1
2.3 Задание для домашней подготовки
2.3.1 По данной для номинальной скорости Q-H – характеристике лабораторного центробежного вентилятора произвести расчет новых характеристик для заданных преподавателем скоростей.
2.3.2 Определить потери мощности на дросселирование при снижении расхода до заданной величины Qз, при дроссельном способе регулирования подачи.
2.4 Программа работы
2.4.1 Ознакомиться со схемой лабораторного стенда, элементами управления и инструкцией по эксплуатации преобразователя MICROMASTER-Eco и стенда.
2.4.2 С помощью переключателя - Q1 подключить электродвигатель к сети минуя преобразователь UZ ( рисунок 2.2).
2.4.3 Произвести запуск электродвигателя кнопкой SB1, установленной на стенде, и для полностью открытой заслонки, регулирующей производительность вентилятора, записать значение тока, потребляемого двигателем, а также напряжение на нем и показания датчика расхода. Подобные измерения произвести еще для трех промежуточных положений заслонки.
2.4.4 Переключателем Q1, при выключенном пускателе КМ, подключить электродвигатель к преобразователю. С помощью пульта управления преобразователем ОРе запустить двигатель и регулируя частоту вращения, при полностью открытой заслонке, установить расход,
Рисунок 2.2
соответствующий первому промежуточному положению заслонки п.2.4.3 и записать показания приборов. Аналогичные опыты проделать для двух других положений заслонки.
2.4.5 По результатам измерений произвести расчет мощности, потребляемой электроприводом, для двух способов регулирования. Определить величину сэкономленной мощности. По известной мощности, угловой скорости п.2.3.1 и КПД вентилятора определить положение рабочей точки на рассчитанных характеристиках. Сделать выводы.
2.5 Содержание отчета
1 Электрическая схема стенда.
2 Результаты расчета характеристик, графики.
3 Результаты измерений и расчеты сэкономленной мощности.
4 Выводы.
Список литературы
1.Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. – М.: Издательский центр « Академия », 2004.- 576с.
2. Шапарев Н.К. Автоматизация типовых технологических процессов металлообработки.-Киев: Высшая школа, 1984.-312с.
3. Сагитов П.И. Автоматизированный электропривод промышленных механизмов.Учебное пособие.- РК, КАУ, РИЗ.- Алматы, 2006.- 85с.
4. Алексеев С.Б. , Сагитов П.И., Системы автоматического управления. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика.- Алматы: АИЭС, 2009.- 33с.
5. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. – М.: Энергоатомиздат, 1983.-616с.
Содержание
1 Лабораторная работа № 1. Исследование системы стабилизации мощности фрезерования 3
2 Лабораторная работа № 2. Исследование автоматизированной системы управления центробежным вентилятором 9