CC BY
117
УДК 621.316.722:621.316.1
ВЫБОР ТИПА ПРИВОДА МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО
ШТАМПОВОЧНОГО КОМПЛЕКСА
А.М. Литвиненко, А.В. Кузовкин, Г.В. Воскресенский, А.О. Богданов
В данной статье решается задача сопоставления асинхронных двигателей с нерегулируемой и регулируемой частотой вращения. Решающим фактором при выборе системы привода кривошипных прессов является экономическая целесообразность в сочетании с техническими требованиями. Большинство кривошипных прессов оборудовано маховиковым приводом с асинхронным трехфазным электродвигателем с фазным ротором. Предпочтение, оказываемое этому типу электродвигателей, объясняется простотой их устройства, невысокой стоимостью, надежностью и безопасностью работы
Ключевые слова: асинхронный двигатель, мехатронный модуль, привод пресса, двигатель с фазным ротором, преобразователь частоты
Современные технологии штамповки предъявляют с одной стороны повышенные требования к надежности приводов прессов и робототехнического оборудования, а с другой стороны требуют широкого диапазона регулирования, и соответственно перегрузочной способности. В известной степени данные комплексы требований являются противоречивыми, что требует тщательного подхода к выбору типа привода мехатронного модуля.
Освоен промышленный выпуск различных модификаций асинхронных электродвигателей: с повышенным скольжением, многоскоростные с переключением полюсов и др., что позволило расширить область их применения.
Определенными преимуществами обладает частотно регулируемый электропривод (система ПЧ-АД):
1) возможностью бесступенчатого электрического регулирования числа ходов ползуна и угловой скорости кривошипа на холостом ходу и в период рабочего хода;
2) повышение коэффициента полезного действия.
В кривошипных прессах целесообразность привода с маховиком вытекает из анализа пяти периодов его работы (рис. 1): 1 - при включении муфты; 2 - при прямом холостом ходе; 3 -при рабочем ходе; 4 - при обратном холостом ходе; 5 - после выключения муфты.
Характерной особенностью работы привода является малая длительность второго периода, составляющая не более 0.03 ^ [1].
Рис. 1. Г рафик изменения момента двигателя за время цикла
Номинальная мощность электродвигателя определяется суммарной мощностью активного Ыр.х и холостого Ых.х ходов полного цикла:
N _ кЫ + N , (1)
ном р.х Х.Х ? V /
где к - коэффициент запаса.
Средняя мощность активного хода: п А + А
N ____ вкл вкл р.х
Рх ^ ’
ц
где пвкл - число включений муфты за цикл (в автоматическом режиме пвкл) Средняя мощность холостого хода
А,,
N_
Тогда номинальная мощность асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором
Литвиненко Александр Михайлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: litvinenko@aits.vorstu.ru, тел. (473) 243-56-59
Кузовкин Алексей Викторович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 254-57-84
Воскресенский Геннадий Владимирович - ВГТУ, соискатель, тел. (473) 239-38-70
Богданов Анатолий Олегович - ВГТУ, студент, e-mail: bao-17 @yandex. ru
N..... _
k(пвкл Авкл + Ap.x ) + Ax t
Коэффициент запаса к функционально зависит от номинального скольжения установленного электродвигателя: чем меньше скольжение, тем ниже способность электродвигателя к перегрузке и, следовательно, тем больше
должен быть коэффициент запаса. В свою очередь скольжение должно соответствовать числу фактически используемых ходов пресса: чем больше число используемых ходов, тем меньше времени требуется для восстановления оборотов двигателя и, следовательно, меньше должно быть номинальное скольжение £ном (таблица)
[2].
Исходя из требуемого значения скольжения рассчитывается искусственная механическая характеристика для асинхронного двигателя с фазным ротором. Необходимую характеристику можно получить, если в цепь обмоток ротора вводить добавочные сопротивления Яё. Причем скольжение увеличится, а частота вращения ротора уменьшится при неизменной нагрузке:
^ «2 + V
пе = ^(1 - X ПИ = пі(1 - Ян ), где Яе и Яи - соответственно скольжения на естественной и искусственной характеристиках;
Пе и Пи - соответствующие им частоты вращения ротора.
Аналогично можно записать соотношение критических скольжений естественной и искусственной механических характеристик:
£ «
откуда
V Яки
-1
Расчет резисторов в цепи ротора, обеспечивающих заданную пусковую диаграмму двигателя, для асинхронного электропривода с фазным ротором является наиболее часто встречающейся задачей.
В случае применения частотно-регулируемого электропривода плавность пуска достигается путём изменения задающего сигнала от нуля до номинального значения скорости. Мягкую механическую характеристику можно получить путём поддержания определённого угла угол между ЭДС ротора и током ротора
[3].
Для анализа режимов работы главного электропривода пресса с асинхронным двигателем имеющим фазный ротор и для привода с системой ПЧ-АД построим математические модели.
Математическое моделирование можно проводить с помощью многих программ, но для
систем автоматического управления и электропривода вне конкуренции остается приложение Ма1ЬаЪ 81шиНпк.
В модели главного привода пресса имеющий асинхронный двигатель с фазным ротором (рис. 2) из упомянутых элементов имеются:
1 - источник питания 50 Гц 380 В; 2 - двигатель главного привода; 3 - технологическая нагрузка; 4 - блок расчёта потребляемой мощности электроприводом; 5 - осциллограф.
Рис. 2. Модель привода пресса
В модели главного привода пресса с ПЧ -АД (рис. 3) входят: 1 - система управления инвертором; 2 - источник постоянного напряжения 537 В; 3 - инвертор; 4 - двигатель главно -го привода; 5 - технологическая нагрузка.
Рис. 3. Модель привода пресса с ПЧ - АД
При моделировании работы пресса на каждом шаге интегрирования вычисляется момент двигателя частота вращения ротора; скольжение; активный, реактивный и полный фазные токи; потребляемая активная мощности, коэффициент полезного действия.
Для исключения влияния нестационарного периода работы пресса, например периода разгона маховика, вычисление эквивалентного тока начинается в фиксированный момент модельного времени, который вводится как один из параметров модели. Его значение можно принимать равным времени начала первого цикла работы пресса. В моделях элементов, обладающих диссипативными свойствами, вычисляются входная и выходная энергии и (или)
ее потери при работе элемента, а в моделях элементов, обладающих способностью накапливать энергию, - накопленная энергия. Значения входной, выходной и накопленной энергии, а также ее потери определяются в процессе моделирования по итогам выполненной части и сами являются переменными величинами. Вычисленные величины могут быть выведены как расчетные переменные с помощью универсальных индикаторов. Их значения имеют характер нарастающего итога в течение моделирования. При определении потерь энергии их следует относить к одному циклу работы пресса, т. е. находить разницу выводимых величин для начала и конца выбранного цикла. При моделировании работы пресса при различных следующих одна за другой операциях (много переходная штамповка) определение потерь энергии следует относить к составному циклу работы пресса.
На рис. 4, показаны результаты, полученные моделированием расчета коэффициента полезного действия 1 - для главного привода с фазным ротором и 2 - для системы ПЧ-АД, работы пресса в автоматическом режиме, время цикла равным 5 с.
Рис. 4. Эпюры коэффициента полезного действия
При этом разность потерь между 1 и 2 показывает кривая 3. Из рис. 4 видно, что усреднённое значение потерь для привода с фазным ротором больше на 10 % за цикл.
По результатам рис. 4, был построен рис. 5, на котором показано изменение КПД во время пуска: 1 - для системы ПЧ-АД, 2 - для системы с фазным ротором.
Рис. З. Изменение КПД во время пуска
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том что КПД пресса можно увеличить на 10 % за счёт использования системы ПЧ-АД, также это позволит бесступенча-то регулировать числа ходов ползуна и угловой скорости кривошипа на холостом ходу и в период рабочего хода.
Литература
1. Гурьев Ю.Т., Плюгачев В.Г. Современное кузнеч-но-штамповое оборудование (кривошипные горячештамповочные прессы). М.: Машиностроение, 1984.
2. Филькин И.Н. Автоматизированные комплексы горячей штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. 1981. № 5. С. 7-9.
3. Шнейберг В.М., Акаро И. Л. Кузнечно-
штамповочное производство Волжского автомобильного завода. М.: Машиностроение, 1977. 302 с.
Значения коэффициентов к и е для расчета мощности привода
Пфакт*, ход/мин Sном к е
До 1З 0.12...0.0S 1.2 0.8З
1З...З0 0.0S...0.04 1.З 0.9
Св. З0 0.04...0.02 1.4...1.6 0.9З
Воронежский государственный технический университет
SELECTION OF DRIVE MECHATRONIC MODULES ROBOTIC STAMPING COMPLEX A.M. Litvinenko, A.V. Kuzovkin, G.V. Voskresensky, A.O. Bogdanov
In this paper we solve the problem asynchronous motors with a comparison of unregulated and variable speed drive. The decisive factor when choosing a system drive crank presses is economically viability in combination with the technical requirements. Most crank presses equipped with a flywheel-driven three-phase asynchronous motor with phase rotor. Preference is exerted by this type of motors, due to the simplicity of the device, low cost, reliability and safety of work
Key words: asynchronous motor, mechatronic module, press the drive, the motor with phase rotor, the frequency converter
