CC BY
38
http://naukovedenie.ru
publishina@naukovedenie.ru
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie. ru/
Том 9, №4 (2017) http://naukovedenie.ru/vol9-4.php
URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/89TVN417.pdf
Статья опубликована 16.09.2017
Ссылка для цитирования этой статьи:
Анцифиров А. А., Кривошеин В.А., Лазуткин А.В. Экспериментальное исследование привода кривошипного пресса при частотном управлении // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №4 (2017) http://naukovedenie.ru/PDF/89TVN417.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК 621.7-52
Анцифиров Алексей Анатольевич
ГОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», Россия, Москва,
Кандидат технических наук, доцент E-mail: aaleksei@inbox.ru
Кривошеин Виталий Александрович
Россия, Москва, ГОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»
Кандидат технических наук, доцент E-mail: krivosheinvitaly@gmail.com
Лазуткин Александр Владимирович
Россия, Москва, ГОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»
Магистр
E-mail: aleksander. lazutkin@gmail.com
Экспериментальное исследование привода кривошипного пресса при частотном управлении
Аннотация. Статья посвящена работе по подготовке к экспериментальному исследованию функционирования привода кривошипного пресса с системой частотного управления асинхронным двигателем. Исследование проводится с целью практического подтверждения теоретических результатов математического моделирования работы привода пресса в энергосберегающем режиме.
Отражено, что с использованием частотного управления и при соблюдении режима постоянства скольжения можно достигнуть снижения энергопотребления и температуры нагрева обмоток главного двигателя, увеличить его долговечность, уменьшить массу и габаритные размеры маховика пресса, разгрузить вал, на котором установлен маховик, повысив тем самым долговечность работы всего пресса. На основе результатов моделирования отражено, что для пресса номинальной силой 25 МН режимом постоянства скольжения можно достигнуть снижения потребляемой энергии на 30,23 % при уменьшении массы маховика на 38,4 %. Результаты моделирования сопровождаются наглядными иллюстрациями.
Авторами приводится план экспериментального исследования на базе пресса модели К460 номинальной силой 630 кН и частотного преобразователя PROSTARPR6000-0450T3G. Представлена принципиальная схема экспериментального стенда с основными элементами системы управления прессом, описаны этапы проведения экспериментальных исследований, приводится описание дальнейших работ, результатами которых будет обеспечение постоянства скольжения главного двигателя пресса.
Ключевые слова: кривошипный пресс; частотное управление; привод кривошипного пресса; энергоэффективность привода
http://naukovedenie.ru
publishina@naukovedenie.ru
Введение
Работа электродвигателя привода кривошипного пресса обладает спецификой по сравнению с устройствами, в которых применяется частотное управление. Это связано с пиковым характером нагрузки и наличием в приводе пресса маховика. Наиболее важными показателями работы привода являются долговечность, материалоёмкость, прочность, КПД, плавность изменения токовой нагрузки. В [1] путём математического моделирования показано, что применение частотного управления приводом кривошипного горячештамповочного пресса конструкции завода имени Лихачёва с номинальной силой 25 МН позволяет на 30,23 % уменьшить потребление энергии, на 38,4 % уменьшить массу маховика, повысить запас прочности приёмного вала пресса. Целью данной работы является экспериментальное подтверждение целесообразности частотного управления приводом кривошипных прессов.
Кривошипные прессы нашли широкое применение в автомобилестроении, авиастроении, приборостроении, других отраслях промышленности. Поэтому применение частотного управления приводом кривошипных прессов даст значительный экономический эффект в масштабах экономики страны.
1. Объект экспериментального исследования
Объектом исследования в данной работе является листоштамповочный кривошипный пресс двойного действия К460 с номинальной силой 630 кН (рис. 1).
Рисунок 1. Кривошипный пресс двойного действия (источник: Руководство к прессу / Одесский завод прессов, 1955. - 54 с.)
http://naukovedenie.ru
publishina@naukovedenie.ru
Рисунок 2. Кинематическая схема пресса (разработано авторами)
Пресс (рис. 2) содержит привод, главный исполнительный механизм, станину и систему управления. Привод пресса включает в себя асинхронный электродвигатель 1, клиноременную передачу 2, быстроходную и тихоходную зубчатые передачи 3, 4, приводной вал 5 и маховик 6. Главный исполнительный механизм состоит из кривошипного вала 7, вытяжного 8 и прижимного 9 ползунов. Система включения 10 состоит из муфты и тормоза [2, 3].
В большинстве случаев привод кривошипных прессов включает маховик и асинхронный двигатель. Применение асинхронного электродвигателя обусловлено тем, что он имеет простую конструкцию, низкую стоимость, относительно небольшие габаритные размеры. Маховик предназначен для обеспечения энергией деформирования штампуемой заготовки. Запас кинетической энергии маховика определяется выражением:
лм -
м
2
где: Зы - момент инерции маховика, ^ы - частота вращения маховика.
Цикл работы такого привода состоит из следующих этапов: ход приближения, рабочий ход, холостой ход вверх.
При совершении рабочего хода маховик расходует кинетическую энергию, что приводит к уменьшению частоты его вращения при этом затраты энергии маховика носят пиковый характер:
Л„ - ^ (а2
2
а
)
Количество энергии, отдаваемое маховиком, ограничено, поскольку электродвигатель, с которым он кинематически жёстко связан, не допускает значительного уменьшения частоты вращения и сопутствующего увеличения скольжения. Последнее приводит к механической, электрической и тепловой перегрузкам [4], резко сокращающим срок службы двигателя.
м
Интернет-журнал «НАуКОВЕД1ЕНИЕ» Том д, ^ (июль - авГуСТ 2017)
http://naukovedenie.ru
publishina@naukovedenie.ru.
Поэтому доля энергии, отдаваемой маховиком составляет не более 20-30 % его полной энергии [1].
Минимальная частота вращения ротора двигателя:
®min _ min
где: i - передаточное отношение клиноременной передачи (рис. 2). Абсолютное скольжение асинхронного двигателя за рабочий ход:
Аа=ав-а,
где: а в - частота вращения магнитного поля двигателя, а - частота вращения ротора двигателя.
График изменения текущего значения частоты вращения ротора а во время работы привода, полученный при математическом моделировании средствами программного комплекса ПА9 [4], представлен на рис. 3.
\
У ГЛОЕ. СКОРОСТЬ ЛЕН ГАТЕЛЯ
1 1/ТЕН ПОЛОГИ Ч ВС КАЯ СИЛА
1 \
1 1 \
^ Ж
Рисунок 3. График изменения частоты вращения ротора (разработано авторами)
Особенности маховичных приводов подразумевают построение системы частотного управления таким образом, чтобы исключить или значительно уменьшить количество неиспользуемой энергии маховика и потери, увеличить надежность машины и обеспечить номинальный срок службы электродвигателя.
Управление частотой питающего напряжения, регулирующей частоту вращения поля асинхронного двигателя, производят в соответствии со следующим выражением [6, 7]:
http://naukovedenie.ru
publishina@naukovedenie.ru.
а0 -
Р
где: / - частота питающего напряжения, р - количество пар полюсов асинхронного двигателя.
Уменьшение частоты вращения поля статора позволяет практически без ограничения снижать значение минимальной частоты вращения ротора, не превышая критического значения скольжения. При этом снижаются токовые и тепловые нагрузки, увеличивается КПД, снижается энергопотребление.
Результаты моделирования, выполненного в работе [1], показали, что оптимальным законом изменения частоты вращения магнитного поля статора является закон постоянства скольжения двигателя Аа=аo-а=const. При этом равенство скольжения, равного номинальному скольжению электродвигателя, обеспечивает номинальный режим его работы.
Рисунок 4. Зависимость КПД асинхронного двигателя от частоты вращения (разработано авторами)
Как видно из графика, полученного при моделировании (рис. 4), при работе двигателя в номинальном режиме достигается максимальный КПД. По сравнению с результатами моделирования процесса без частотного управления (рис. 5), его использование (рис. 6) позволило значительно сузить зону скольжения Аа.
http://naukovedenie.ru
publishina@naukovedenie.ru
Рисунок 5. Цикл работы пресса без частотного управления приводом (источник: Складчиков Е. Н., Овсянников В. В. Частотное управление приводом кривошипных прессов //Наука и образование: научное издание, 2008, №1)
/
У
\
Т Лш= шо - ш=ео> <tst
1
Рисунок 6. Цикл работы с частотным управлением приводом (источник: Складчиков Е. Н., Овсянников В. В. Частотное управление приводом кривошипных прессов //Наука и образование: научное издание, 2008, №1)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» http://naukovedenie.ru
Том 9, №4 (июль - август 2017) publishina@naukovedenie.ru
План экспериментального исследования
Для установления достоверности результатов, полученных при моделировании процесса штамповки на кривошипном прессе, был проведен натурный эксперимент.
Задачами данного эксперимента являлись определение и сопоставление данных, полученных при выполнении операций штамповки на прессе К460, подключенного к электрической сети постоянной промышленной частоты и в условиях постоянства скольжения электродвигателя, обеспечиваемого управлением частотой питающего напряжения. Дать количественную и качественную оценку изменения основных отслеживаемых параметров и сравнить их с результатами, достигнутых при моделировании, представленном в работе [1].
Система частотного управления
Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рис. 7.
Рисунок 7. Схема экспериментального стенда (разработано авторами) Основными элементами системы управления являются:
• АД - асинхронный электродвигатель (Рн=7,5 кВт, Пн=1440 об/мин.);
• ТГ - тахогенератор ТП-80-20-0,2 ^=20 мВ*об/мин., Пн=3000 об/мин.);
• Д1, Д2 - делители напряжения;
• ЧП - частотный преобразователь PROSTARPR6000-0450T3G (0 до 400 Гц).
Частотный преобразователь обеспечивает на своем выходе частоту напряжения пропорциональную напряжению на управляющем входе 3, равной 50 Гц при напряжении 5 В. Это соответствует частоте вращения магнитного поля двигателя 1500 об/мин. Характеристика частотного преобразователя показана на рис. 8.
http://naukovedenie.ru
publishina@naukovedenie.ru
^ Гц
Пц, об./мин.
50 Гц, 1500 об./мин.
5 В
Рисунок 8. Характеристика частотного преобразователя (разработано авторами)
Тахогенератор при 1500 об/мин. обеспечивает напряжение 30 В (точка 1 на схеме по рис. 7). Делителем напряжения Д1 это напряжение приводится к значению 5В (точка 2 на схеме по рис. 7). Тогда характеристика тахогенератора в совокупности с делителем напряжения Д1 будет иметь вид, показанный на рис. 9.
При подаче напряжения с точки 2 схемы по рис. 7 на управляющий вход частотного преобразователя графики п и по на рис. 8 и рис. 9 окажутся совмещёнными, что определит скольжение двигателя равное нулю. Для задания скольжения отличного от нуля в схеме по рис. 7 предусмотрен делитель напряжения Д2 с собственным источником напряжения. Этим задаётся вольтодобавка, величина которой определяет задаваемое скольжение двигателя. Характеристика частотного преобразователя, управляемого от тахогенератора с делителями напряжений Д1 и Д2 показана на рис. 10.
П; об./мин.
1500 об./мин.
У,В
5 В
Рисунок 9. Характеристика тахогенератора с делителем напряжения Д1 (разработано авторами)
50 Ги. 1500 об..
5 В
вольтодобавка
Рисунок 10. Характеристика частотного преобразователя, управляемого от тахогенератора с делителями напряжения Д1 и Д2 (разработано авторами)
http://naukovedenie.ru
publishina@naukovedenie.ru
Тогда совмещённые характеристики частотного преобразователя и тахогенератора с делителями напряжения Д1 и Д2 будут иметь вид, показанный на рис. 11.
Рисунок 11. Совмещённые характеристики частотного преобразователя и тахогенератора (разработано авторами)
Согласно рис. 11, во всём диапазоне частот вращения двигателя обеспечивается постоянное скольжение по-п.
Экспериментальное исследование
Экспериментальное исследование включает в себя следующие этапы:
• проектирование и изготовление вспомогательного приспособления;
• установка, подключение и настройка системы управления и измерительной аппаратуры;
• получение управляющего сигнала;
• проведение испытаний и фиксация характерных параметров работы пресса.
Перед получением данных о работе привода необходимо выполнить настройку системы управления. Она включает в себя измерение напряжения сигнала, поступающего с выхода тахогенератора и определение значения вольтодобавки, обеспечивающей постоянное скольжение электродвигателя с необходимым опережением.
Ход проведения эксперимента
Первый шаг экспериментального исследования - пуск пресса и выполнение одиночной штамповочной операции (вытяжки) при промышленной частоте питающего напряжения. Необходимо получить значения следующих параметров:
КПД;
работа деформирования; технологическая сила; эквивалентный ток;
частота вращения ротора и магнитного поля, скольжение электродвигателя.
Вторым шагом экспериментального исследования является определение такого же набора параметров при выполнении операции штамповки (вытяжки) кривошипным прессом в
http://naukovedenie.ru
publishina@naukovedenie.ru
условиях частотного управления, обеспечивающего постоянство скольжения электродвигателя.
Необходимо определить оптимальное значение скольжения двигателя, дающее наибольший выигрыш по энергоэффективности [8] с минимальным ущербом для остальных характеристик.
Заключение
Заключительным шагом экспериментального исследования является сравнение результатов, достигнутых при применении системы частотного управлении приводом, с характеристиками, полученными при работе пресса без ее использования. Также необходимо сопоставить данные эксперимента с результатами математического моделирования и сделать выводы о возможностях и рациональности частотного управления маховичными приводами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Складчиков Е. Н., Овсянников В.В. Частотное управление приводом кривошипных прессов // Наука и образование: научное издание, 2008, №1.
2. Живов Л. И., Овчинников А. Г., Складчиков Е. Н. Кузнечно-штамповочное оборудование: Учебник для вузов / Под ред. Л. И. Живова. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, 560 с.: ил.
3. Бочаров Ю. А. Кузнечно-штамповочное оборудование: учебник для студ. высш. учеб. заведений. Москва, Издательский центр «Академия», 2008, 480 с.
4. Складчиков Е. Н., Артюховская Т. Ю. Моделирование кузнечно-штамповочного оборудования средствами программного комплекса анализа динамических систем ПА9: Методические указания / Под ред. Езжева А. С. - М.: МГТУ, 2013. - 96 с.
5. Сипайлов Г. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах: Учеб. для вузов по спец. "Электромеханика" / Сипайлов Г. А., Санников Д. И., В. А. Жадан. - М.: Высш. школа.
6. Сандлер А. С., Сарбатов Р. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М., Энергия, 1974. - 328 с.
7. Харизоменов И. В. Электрооборудование кузнечно-штамповочных машин. Учебник для вузов по специальности "Машины и технология обработки металлов давлением". М., "Высш. школа", 1970. - 185 с.
8. Крысанов В. Н., Голонов М. А. Повышение энергоэффективности работы колено-рычажного пресса в динамических режимах // Электротехнические комплексы и системы управления. 2011. №3. С. 52-55.
http://naukovedenie.ru
publishina@naukovedenie.ru
Antsifirov Aleksei Anatol'evich
Bauman Moscow state technical university, Russia, Moscow
E-mail: aaleksei@inbox.ru
Krivoshein Vitaliy Aleksandrovich
Bauman Moscow state technical university, Russia, Moscow E-mail: krivosheinvitaly@gmail.com
Lazutkin Alexandr Vladimirovich
Bauman Moscow state technical university, Russia, Moscow E-mail: aleksander. lazutkin@gmail.com
Experimental research of the crank press drive by frequency control
The article is dedicate to the work of the preparation for the experimental research of the operation of the crank press drive with the frequency control system of an asynchronous motor. The research is carried out with the purpose of practical confirmation of the theoretical results of the mathematical simulation of the operation of the press drive in an energy-saving mode.
It is shown that with the use of frequency control and in compliance with the regime of slip constancy, it is possible to achieve a reduction in energy consumption and a heating temperature of the windings of the main press drive, increase his durability, reduce the mass and overall dimensions of the flywheel of the press, unload the shaft on which the flywheel is installed, thereby increasing the longevity of the press. Based on the simulation results it is shown that for a press with a nominal force of 25MN with the slip constancy regime possible achieve a reduction in energy consumption by 30,23 % with a reduction in flywheel mass by 38,4 %. The results of the simulation are accompanied by graphical illustrations.
The authors present a plan for experimental research on the basis of the K460 press with a nominal power of 630kN and a frequency converter PROSTARPR6000-0450T3G. It presented basic scheme of the experimental stand with the main elements of the control system by press, described stages of carrying out of experimental researches, given A description of further work is, the results of which will be to ensure the slippage of the main engine of the press.
Keywords: crank press; frequency control; crank press drive; energy efficiency of drive
