автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методика расчета мощности главного электропривода станков с учетом вероятностных характеристик нагрузки

На правах рукописи

Максименко Эдуард Отариевич

МЕТОДИКА РАСЧЕТА МОЩНОСТИ ГЛАВНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА СТАНКОВ С УЧЕТОМ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАГРУЗКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2007

003056805

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Московского государственного открытого университета (МГОУ).

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Онищенко Георгий Борисович

Официальные оппоненты

доктор технических наук Чернов Евгений Александрович

кандидат технических наук, доцент Филатов Игорь Николаевич

Ведущая организация

ОАО ЭНИМС (Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков) г. Москва

Защита состоится «26» апреля 2007 г. в 14 часов в аудитории № 1307 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 в Нижегородском государственном техническом университете (603950, ГСП - 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).

Отзывы на авторефераты, заверенные печатью организации, просим направить по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02 или по факсу (8312) 369-379.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан «23» марта 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Соколов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Расчет мощности электродвигателя для привода станков представляет собой важную и достаточно сложную задачу. Правильно выбранный электродвигатель должен обеспечивать выполнение технологического процесса при наименьшей установленной мощности и эксплуатационных затратах.

Как показывают исследования, проведенные ЭНИМС и автором работы, при работе универсальных металлорежущих станков в среднем 80% времени их работы происходит при использовании мощности главного электропривода 20% от номинальной, 9% - со значениями, меньшими половины номинальной, и только 1^-2% - со значениями, превышающими номинальные. Близкое сходство графиков нагружения, полученных по экспериментальным данным, свидетельствует о существовании, несмотря на различие моделей станков, их типоразмеров и условий эксплуатации, устойчивой статистической закономерности, проявляющейся в уменьшении времени использования мощности по мере увеличения ее значений.

Завышение мощности выбираемого двигателя при проектировании станка связано с тем, что расчет проводят, учитывая возможность работы станка при тяжелых нагрузках. Однако представленные данные показывают, что расчет мощности электродвигателя необходимо выполнять, ориентируясь не на тяжелые режимы нагружения, а на типовые. Анализ возможности работы станка в типовых условиях следует проводить на стадии оценки технологического процесса в условиях производства.

Проблематика определения рациональной величины установленной мощности двигателя главного движения станков заключается в том, что основную часть рабочего времени станок работает в типовых режимах, когда загрузка двигателя по мощности составляет 20-40% от устанавливаемой сегодня мощности двигателя. В то же время технологические возможности станка позволяют выполнять обработку деталей в тяжелых режимах нагружения, при которых требуемый средне-эффективный момент (мощность) будет в 2-3 раза больше. Такие режимы работы являются редкими и в общем балансе рабочего времени не превышают 5%. По существу не было предложено путей разрешения указанного противоречия, сказывающегося на определении рациональной величины мощности двигателя. Поиску таких путей посвящена настоящая работа.

Тенденции развития современных автоматизированных систем .разных классов приводят к однозначному выводу: добиться эффективного решения поставленной задачи проектирования и эксплуатации электропривода можно лишь при использовании методов компьютерного моделирования процессов нагружения приводного двигателя.

Учитывая вышеизложенное, целью настоящей диссертационной работы является разработка новой методики расчета и выбора мощности главного электропривода станков, базирующейся на вероятностных характеристик нагрузки и позволяющая уменьшить установленную мощность при проектировании и ремонте станков.

Цель работы определяет следующие задачи исследования:

1. Статистическое исследование режимов нагружения главных электроприводов металлорежущих станков в промышленности. Расчет вероятностных характеристик процесса нагружения электродвигателей на основе полученных данных.

2. Разработка теоретически обоснованной математической и компьютерной моделей выбора мощности главного электропривода металлорежущих станков на основе вероятностной оценки режимов нагружения.

3. Разработка и обоснование математической, а также компьютерной моделей оценки возможности применения технологического режима обработки на конкретном металлорежущем станке на основе расчета перегрузки и перегрева двигателей главного электропривода, включая алгоритм оптимизации параметров технологического процесса.

4. Разработка и обоснование основных принципов релейной защиты от аварийных режимов электродвигателя, в том числе от перегрузки на основе предложенной тепловой модели двигателя.

5. Разработка структурной схемы устройства превентивной защиты на основе современной микропроцессорной техники для реализации системы релейной защиты асинхронных электродвигателей с заданными параметрами, предназначенной для выполнения терминальной функции в нормальных и аварийных режимах.

6. Разработка управляющей программы для устройства защиты на основе алгоритмов ее действия и сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования.

Методы исследования. При проведении работы использованы методы математического анализа, теории вероятностей и статистической обработки информации. Теоретические исследования сопровождались разработкой моделей и методик. Создание и отладка программных продуктов осуществлялась с помощью методов объектно-ориентированного и структурного программирования в среде разработки программ Visual С++. Научная новизна:

1. Проведено статистическое исследование режимов нагружения главных электроприводов металлорежущих станков в промышленности, позволяющее осуществить расчет вероятностных характеристик процесса нагружения.

2. Предложены и обоснованы математическая и компьютерная модели, позволяющие осуществить выбор оптимальной мощности главного привода станков и оценить возможности реализации на металлорежущем станке технологического режима с учетом допустимой перегрузки и перегрева двигателя в процессе работы.

3. Предложены и обоснованы основные принципы превентивной защиты от аварийных режимов электродвигателя, в том числе от перегрузки на основе предложенной тепловой модели двигателя.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика выбора оптимальной мощности главного электропривода станков на основе вероятностной оценки режима его нагружения.

2. Разработана методика проверки соответствия технологического режима нагружения возможностям металлорежущего станка, позволяющая осуществить предварительное прогнозирование условий эксплуатации главного электропривода с целью исключения аварийного прерывания процесса обработки в тяжелых режимах работы.

3. Реализовано программное обеспечение на основе предложенных методик расчета и анализа установленной мощности электродвигателя.

4. Предложена структурная схема комплексного устройства защиты электродвигателя от аварийных режимов, которое может быть использовано как в качестве автономного устройства, так и составе системы ЧПУ станка.

5. Реализован управляющий алгоритм микропроцессорной защиты, позволяющий осуществить превентивную защиту электродвигателя в процессе работы на основе предложенных алгоритмов расчета.

Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью используемых методов математического моделирования, экспериментальными исследованиями и большим объемом статистических исследований.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде методик расчета, моделирования и анализа установленной мощности, а также компьютерных программ внедрены в ООО «Специальное конструкторское бюро - завод тяжелых станков» и ЗАО фирма «Дизельсервис» (г.Коломна).

В работе автор защищает:

1. Методику выбора мощности электродвигателя, позволяющую осуществить расчет оптимальной мощности главного электропривода металлорежущих станков на основе вероятностной оценки режимов нагружения.

2. Методику проверки соответствия технологического режима нагружения возможностям металлорежущего станка, позволяющую осуществить предварительное прогнозирование возможности выполнения'приводом, выбранным по условиям наиболее вероятностных режимов, редких тяжелых режимов нагружения.

3. Принципы превентивной микропроцессорной защиты электродвигателя от аварийных режимов, в том числе от перегрузки на основе предложенной и обоснованной тепловой модели двигателя.

Публикация и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 3 работы и получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

• международная научная конференция «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (г.Магнитогорск, 14-17 сентября 2004 г.);

• научные семинары кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» МГОУ (г.Москва, 2004-2006 гг.).

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 146 страницах, содержит 39 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе рассмотрены основные принципы вероятностных оценок нагружения главного электропривода металлорежущих станков и обоснована необходимость их использования при выборе мощности электродвигателей.

Дан анализ исследований в области выбора мощности силовых электроприводов, который показал, что незнание фактических режимов работы главных приводов металлорежущих станков часто приводит к тому, что мощность и максимальный момент двигателя обычно выбирают значительно завышенными. Большую роль в исследовании проблемы расчета и анализа установленной мощности главного электропривода металлорежущих станков сыграли ученые Гурский Ч.Ю., Ильинский Н.Ф., Ключев В.И., Кравчик А.Э., Онищенко Г.Б., Петров И.И., Петров В.М., Пратусевич P.M., Ратнер Н.И., Сандлер A.C., Харизоменов И.В. и другие.

Показано, что для универсальных станков характерны значительное преобладание чистовых и получистовых операций над черновыми, занимающими в среднем около 10-15% от общего времени работы, а также затраты значительной доли времени на переходы и операции, не допускающие интенсивного использования мощности (нарезание резьбы, прорезание канавок и т.д.) и на холостое вращение элементов привода Таким образом, обоснована необходимость расчета мощности электродвигателя при проектировании с ориентацией не на тяжелые режимы нагружения, а на типовые.

Установлено, что применение методов математической статистики для выбора мощности двигателей со случайной нагрузкой позволит не только преодолеть ограниченность существующих расчетных приемов, но и указать границы их применимости. Таким образом, обоснована необходимость исследования процессов нагружения станков вероятностными методами для определения основных характеристик случайного процесса, дающих возможность уточненного теплового расчета двигателя с учетом доверительных интервалов для параметров нагрузки.

Анализ данных эксплуатационных наблюдений за универсальными станками и полуавтоматами широкого назначения (более 1300 станков, работающих в различных отраслях машиностроения) позволил выявить режимы нагружения деталей привода в типовых условиях эксплуатации, включая наиболее неблагоприятные в отношении нагрузок. Типовые условия устанавливались на основе изучения номенклатуры обрабатываемых изделий, особенностей технологического процесса, масштаба выпуска и т.д. Главное внимание уделялось наиболее тяжелым условиям нагружения, например, для сверлильных станков - рассверливанию отверстий наибольшего диаметра, цекованию больших поверхностей, сверлению отверстий наибольшего диаметра в чугунных деталях и т.д.

Результаты изучения фактических режимов нагружения деталей привода, в частности, сходство графиков нагружения, полученных для универсальных станков различных типов и размеров, подтверждают наличие определенной статистической закономерности - уменьшение вероятности (времени) исполь-

зования мощности по мере увеличения ее значений, что приближенно выражается графиками гиперболического вида.

Сравнительно невысокий уровень средних значений используемых нагрузок при высоких максимальнь1х, а также специфическая форма графиков на-гружения обусловлены, главным образом, универсальным характером работ и все возрастающим удельным весом чистовых и точных операций, производимых на универсальных станках. Характерно, что средние значения мощности, полученные даже при тяжелых условиях нагружения (обработка изделий большого диаметра, обдирка и т.п.), хотя и превышают данные для средних условий, но достигают лишь 0,35-0,45 от Рном. Этот вывод позволяет при использовании результатов исследования проводить предварительные расчеты мощности лишь с учетом средних параметров нагружения.

Для практического использования полученных данных экспериментальные графики нагрузок - гистограммы - были аппроксимированы с помощью плавных кривых (спектров мощностей), отражающих статистическую связь времени со значениями нагрузки. Наиболее подходящими зависимостями, выражающими обнаруженную закономерность - падение доли машинного времени с ростом нагрузок -оказались корреляционные уравнения гиперболического вида:

В таблице 1 представлены полученные корреляционные уравнения, по которым построены графики нагрузок (рис.1). Из графиков виден сравнительно узкий интервал рассеивания нагруженности, несмотря на различие представленных условий эксплуатации и типов станков.

Таблица 1

Корреляционные уравнения нагрузочных зависимостей ГЭП станков

Тип станка Усредненные относительные значения нагрузки Тип станка Усредненные относительные значения нагрузки

Токарно-винторезные 0,02193 У»_ 3/ Радиально-сверлильные 0,0707 У,= X

Токарно-револьверные (патронные) 0,024 У« "" 3/ X Фрезерные 0,0219 У.- 3/ X

Токарно-револьверные (прутковые) 0,0358 У'= X Тяжелые токарные 0,0584 У,= X

—«— токарно-винторезные токарно-револьверные (патронные) —токарно-револьверные (прулсоеые) —к— вертикально-сверлильные

—ж—радиально-саерлильные —•—фрезерные —1— тяжелые токарные

Рис. 1. Графики нагружения, построенные по корреляционным уравнениям нагрузки

В целях максимального приближения значения установленной мощности двигателей главного привода станков к реальным условиям их нагружения разработана методика выбора мощности, основанная на вероятностной оценке режимов нагружения по результатам статистических исследований реальных станков.

В предлагаемой методике на первом этапе проектирования при предварительном выборе двигателя влияние случайных факторов учитывается с помощью доверительного интервала, определяемого при вычислении оценок математического ожидания и дисперсии по известным формулам теории вероятности.

После определения доверительных интервалов нагрузочной диаграммы на следующем этапе расчета двигателя при его проверке по нагреву вычисления также проводятся с учетом случайности нагрузочного графика. При этом для каждой ступени графика мощности строится доверительный интервал и вычисляются значения ДР с учетом доверительных границ по формуле:

ДРЛ]ДР({>И, (2)

* о

где Т - время цикла.

Разработанная методика выбора мощности электродвигателя основана на исследовании эксплуатируемых механизмов, подобных рассматриваемому. В этом случае рассчитанные по статистическим диаграммам эквивалентные вели-

чины позволяют определить коэффициенты случайного воздействия, т.е. поправочные коэффициенты случайной нагрузки, по формуле:

О)

Гэ.р.

где Рэс - статистическое значение эквивалентной величины, полученное для данного класса станков; Рэр - значение эквивалентной величины того же класса механизмов, полученное расчетным путем по расчетной нагрузочной диаграмме традиционными методами.

Проверка по перегрузочной способности осуществляется- по известной формуле Рта* = Рн -X, где X - коэффициент допустимой перегрузки электродвигателя, но'с учетом коэффициента случайного воздействия:

Р = (4).

1 max . W'

t.H.P

Проверка электродвигателя по допустимому нагреву в разработанной методике осуществляется методом средних потерь. Потери в двигателе рассчитываются на основе нагрузочной зависимости Р = f(t), характеризующейся математическим ожиданием мощности случайной нагрузки

M[p]=Tu-1it1-P,-ka (5)

1=1

и математическим ожиданием потерь в двигателе

М[ЛР]=Та-1

t,Plk0-aaA.(Pi.kJ+ba.i.(Pl.kJ+,+<

И *и

(6)

где кв =сл-,1<о, - коэффициент, равный 1 при постоянной угловой скорости двигателя; аа, Ьз и Ь, = 2,4,6,8... - постоянные коэффициенты, зависящие от КПД и мощности двигателя и определяемые при аппроксимации графика функции т1э=Г(Р!/Р„); скоэффициент, нелинейно зависящий от соотношения номинальной угловой скорости и суммарного значения скоростей, действующих во время рабочего цикла. Поскольку режим нагружения главного электропривода носит случайный характер, перегрев оценивается не по среднему значению установившегося превышения температуры корпуса, а по предельным значениям диапазона рабочих температур. Предельные значения установившегося превышения температуры рассчитываются с учетом доверительного интервала потерь в электродвигателе.

На основе предложенной методики расчета мощности электродвигателя было разработано программное обеспечение для расчета оптимальной мощности главного электропривода металлорежущих станков с использованием методов компьютерного моделирования.

В целях анализа адекватности полученных алгоритмов расчета оптимальной мощности главного электропривода металлорежущих станков был проведена оценка соответствия установленной мощности, требуемой по данным реального технологического процесса. Оценка полученных моделей расчета проводилась по результатам обработки диаграмм нагружения трубообрабатываю-щего станка модели КТ 45, полученных в ООО «Специальное конструкторское

бюро - завод тяжелых станков».

Результаты программного анализа показали, что для решения поставленных задач на станке установлен двигатель завышенной мощности. В соответствии с обработкой статистического материала получены рекомендации о замене двигателя на модель с номинальной мощностью в пределах от 43 кВт до 55 кВт. Указанному доверительному интервалу соответствует двигатель Siemens модели 1РН7186 - ND, номинальная мощность которого составляет Р„ = 51 кВт. Проверка выбранного двигателя по перегрузочной способности и нагреву с учетом типовой нагрузочной диаграммы показала, что выбранный двигатель подходит для установки на станке КТ 45 при принятых условиях обработки, при этом замена двигателя большей мощности на двигатель меньшей мощности приведет к часовому снижению потерь активной мощности в размере 1,21 кВт.

Во второй главе осуществляется оценка режимов нагружения главного электропривода металлорежущих станков на основе обоснованной тепловой модели двигателя.

В руководствах по теории электропривода в основу тепловых расчетов двигателей кладется одноступенчатая теория нагрева, базирующаяся на упрощенном выражении теплового состояния двигателя: ,

APdt=Atdt+C<ft, (7)

где АР - мощность греющих потерь в двигателе; t - время; А - теплоотдача в окружающую среду; С - теплоемкость двигателя; т - превышение температуры (перегрев) данной точки двигателя над температурой окружающей среды.

Решение уравнения при постоянной интенсивности источников тепла (AP=const) дается в виде экспоненциальной функции:

1-е т"

+ т0ет", (8)

где х =др/ '- максимальное установившееся превышение температуры двига-у /А

теля (при I -> от); х„ = - постоянная времени нагрева двигателя;

т0 - начальное превышение температуры двигателя.

Схема расчета установившегося значения перегрева по уравнению (8) сводится к следующему: 1) по графику нагрузки определяется температурная кривая двигателя и устанавливается конечное максимальное превышение рабочей температуры изоляции двигателя Тта*; 2) полученное значение максимальной температуры сравнивается с предельно допустимой температурой тдоп, установленной стандартом на электрические машины для данного класса изоляции; 3) проверка по нагреву считается положительной, если Тщахю Тдоп-

Вытекающие из одноступенчатой теории нагрева инженерные методы тепловых расчетов двигателей содержат ряд противоречивых положений, поскольку электрический двигатель в ее рамках рассматривается как моногенное тело с одним источнйком тепла, в то время как в действительности он представляет собой сложную систему тел с несколькими внутренними источниками тепла.

В этом случае необходимо было решить вопрос, достаточно ли точными будут полученные результаты при определении максимального перегрева двигателя. По этому поводу можно заключить следующее: поскольку максимальный перегрев двигателя определяет экстремальный тепловой режим ею работы, а и настоящее время вопросы защиты двигателя при экстремальных режимах работы успешно решаются применением температурных датчиков и т.д., не требуется определение абсолютно точного значения максимального перегрева, которое можно получить только экспериментальным путем. В этом случае достаточно ориентироваться на некоторое у сред] генное значение перегрева двигателя, что является оправданным и с точки зрения наиболее полного использования двигателя по мощности, то есть погрешность расчетов методом одноступенчатой теории нагрева будет в допустимых пределах.

Для оценки адекватности предлагаемой тепловой модели было проведено сравнение полученного в результате расчета переходного процесса в двигателе с экспериментальными измерениями (рис,2), В качестве экспериментальных данных взята кривая нагрева асинхронного двигателя единой серии 4А. Сравнение кривой нагрева, полученной в результате расчета по уравнению тепловой модели (7), с кривой нагрева, построенной по результатам экспериментальных измерений, показывает, что предлагаемая тепловая модель для характерных активных частей электрических машин обеспечивает вполне удовлетворительную точность оценки нагрева электродвигателя.

Исходя из уравнения нагревания (7) и учитывая, что мощность тепловых потерь при известных допущениях для однородного тела равна Лр = к + Я12{(), превышение температуры обмотки двигателя будет

о ем ¡л-я ьух ггеэ Рис.2. Совпадение действительной и расчетной кривой нагрева:

--------расчет по модели;

----эксперимент.

1(0=«

(9)

где т0 - начальное превышение температуры, °С; I - ток в обмотке статора; И. -активное сопротивление питающей цепи. Применение упрощенной формулы для определения потерь в двигателе, вытекающей из условий использования одноступенчатой модели его нагрева, обосновано исследованиями таких ученых, как Сыромятников И.А., Костенко П.А. и др., показавшими, что установившееся превышение температуры двигателя зависит главным образом от потерь в его обмотках.

При случайной нагрузке 1(1) является случайной функцией времени, по-

этому случайным будет и t(t). Если статистические характеристики функции I(t) известньг, то есть известна плотность вероятности f(I), математическое ожидание Ш| и корреляционная функция k|(t1(t2), то могут быть определены соответствующие характеристики превышения температуры.

В общем случае математическое ожидание превышения температуры будет

i » ч i - JeTdt + —— [т., eTdt

г- 1 Г.А.Т1 I

T.+-

oAT i «AT:

(10)

где п»12 - математическое ожидание квадрата тока нагрузки двигателя.

Если приложенная к двигателю нагрузка подчинена нормальному закону распределения и стационарна, то математическое ожидание и дисперсия квадрата тока будут равны

т,, =н(т? +ст?), Ю,, = 2К2о^(2т,2+ст?)- (И)

Тогда при стационарной нагрузке, подчиненной нормальному закону распределения, шт и Бт равны соответственно: (

m. = *„

г

i '

+ к- 1-е т + тту 1-е

где

= К(т,Ча?)=н(ш?+с?) =1Г^Т(2т? +0?)Л((13)

4 аА АРЯ 2^ аА) 1 " 2^ДРН ') у 1 "

Так как закон распределения температуры близок к нормальному, на основании положения математической статистики эквивалентное превышение температуры двигателя можно принять равным

т,=тт + (2 + з)ат (14).

Расчет предельных значений диапазона рабочих температур позволяет перейти к оценке изменений срока службы электродвигателя, определяющим для которого является срок службы изоляции обмотки статора.

В третьей главе на основе предложенной и обоснованной тепловой модели двигателя решается проблема обеспечения в условиях производства нетиповых режимов нагружения.

Выбор технологического режима в целях его применения на конкретном металлорежущем станке является одной из первостепенных задач, оказывающих существенное влияние на эффективность производства в целом, так как останов станка в незапланированное циклом изготовления время часто приводит к браку деталей, поломке режущего инструмента, а также к выходу из строя блоков управления различными агрегатами станка. Поэтому нетиповые режимы нагружения, включающие кратковременные или длительные перегрузки, приводящие к перегреву двигателя, а, следовательно, старению и сокращению рабочего ресурса изоляции его обмоток, требуют предварительного прогнозирования их допустимости для того или иного станка.

В целях решения задачи предварительного прогнозирования в диссертационной работе разработана методика оценки возможности применения техно-

логического режима обработки на конкретном металлорежущем станке на основе расчета перегрузки и перегрева двигателей главного электропривода, включая алгоритм оптимизации параметров технологического процесса, на базе которой разработана компьютерная программа, позволяющая технологу смоделировать возможные результаты запуска на станке оцениваемого технологического режима с учетом перегрузки и перегрева двигателя главного электропривода вплоть до прогнозирования состояния изоляции его обмотки. Предлагаемую методику можно разделить на два основных этапа: 1) проверка допустимости технологического режима по тепловой модели и перегрузочной способности двигателя; 2) адаптация технологического режима к возможностям двигателя.

После ввода исходных данных начинается процесс построения нагрузочной диаграммы с одновременным анализом соответствия требуемой мощности электродвигателя мощности установленной с учетом коэффициента возможной перегрузки. Если проверка по перегрузочной способности дала положительный результат, на основе тепловой модели, позволяющей проводить вероятностный расчет максимального и минимального значения диапазона рабочих температур при случайном режиме нагружения, осуществляется проверка по нагреву.

При обнаружении недопустимой перегрузки пользователю выдается сообщение с указанием номера прохода. В этом случае возможны два варианта: а) технолог принимает решение о невозможности реализации технологического процесса на исследуемом станке; б) принимается решение об адаптации технологического режима к возможностям электродвигателя станка на основе алгоритма выбора оптимальных управляемых параметров резания.

Предложенный алгоритм основан на решении задачи линейного программи-

я

рования. Требуется минимизировать целевую функцию при выполнении ог-

раничений:

х.^0, 1 = 1,п,

__(15)

1=1

где п - число управляемых параметров или переменных, ш - число ограничений задачи, ау, константы.

В нашем случае критерием оптимальности принято основное технологическое время при условии, что период стойкости инструмента Т не менее заданного и значение рада физических характеристик процесса не превосходит заданных предельных значений:

10 =— ;п8->тах, (16)

пБ

где Ь - длина обработки, п, б - частота вращения шпинделя и подача. Кроме того, глубина резания, геометрия инструмента и его материал предполагаются постоянными и известными величинами.

Поиск оптимального значения проводится при выполнении ряда технологических ограничений. Область допустимых значений частоты вращения и подачи ограничена допускаемой мощностью электродвигателя Ртах, крутящим

моментом на шпинделе Мгаах, скоростью резания, соответствующей стойкости инструмента, и ограничениями, налагаемыми на величины 8 и п и обусловленными диапазонами изменения скоростей главного электропривода.

Указанным методом был проведен экспериментальный расчет оптимальных параметров наружного чернового точения с самым тяжелым режимом на тяжелом токарном станке модели 1670. Графически система ограничений для рассматриваемого случая представлена на рис.3. Область значений п и Б, удовлетворяющих всем техническим ограничениям, обозначена штриховкой (оптимальные значения параметра - координаты т.С). Оптимизация параметров технологического режима завершается повторной проверкой нагрузочной диа1раммы по перегрузке.

Предложенные алгоритмы обеспечения нетиповых режимов на конкретном станке позволяют спрогнозировать недопустимые последствия в виде отказов электродвигателя или срабатывания защиты. Но поскольку определяющим является не только прогноз, но и реальное предупреждение аварийных ситуаций (по различным оценкам ежегодно выходит из строя до 25-30% общего парка электродвигателей), возникает необходимость использования некоторых из проанализированных моделей в устройствах предупредительной защиты станка.

В связи с этим в четвертой главе были предложены и обоснованы основные принципы защиты от различных аварийных режимов электродвигателя, в том числе от перегрузки на основе рассмотренной тепловой модели двигателя.

К алгоритмам защиты предупредительного действия относятся: 1) алгоритм действия защиты от перегрузки; 2) алгоритм действия защиты от внутренних коротких замыканий и неполнофазного режима; 3) алгоритм действия защиты от однофазных замыканий на землю.

Для номинального режима работы электродвигателя:

ДРи=к + 12„К, (17)

тогда

к + 1?11

Гк+1Т

т„ =-,т„ =т.. -I =т,

^ -[Н4

А

где к] - коэффициент кратности тока.

При кратковременных перегрузках обмотка электродвигателя интенсивно нагревается. Установившееся значение ее температуры превышает допустимое значение температуры изоляции. Благодаря тепловому сопротивлению изоляции и медленному нагреву стали из-за большой массы, нагрев обмоток в начале процесса происходит изолированно от нагрева стали. Поэтому при кратковременных перегрузках постоянная времени нагрева определяется тепловыми характеристиками самой обмотки, а теплоотдачей можно пренебречь. При этом допущении увеличение температуры обмотки обусловлено только изменением потерь в ней самой. Поэтому уравнение одноступенчатой теории нагрева (7) принимает следующий вид:

(АР-ДР0)1 = сЛЛ/Л(т-тв), (19)

где ДРо- потери мощности в начальном установившемся состоянии; см — теплоемкость материала обмотки; Мм - масса обмотки; то — превышение температуры электродвигателя в начальном состоянии.

Длительность перегрузки определяется по формуле:

1 =

с„М„ т-т„ } (20)

АР к2-к1

н К1 к!0

при этом допустимое время работы рассчитывается как:

(21)

Если установившееся значение температуры не превышает допустимого значения, время работы двигателя не ограничено. Но в соответствии с правилом Монт-сингера повышение температуры изоляции на 8-10°С сокращает срок ее службы в два раза, поэтому такой перегрузочный режим нежелателен. Расчет допустимого времени работы по представленному выражению (21) этот недостаток устраняет.

Алгоритм действия защиты от перегрузки предполагает сравнение фазных токов электродвигателя с номинальным значением. В случае превышения вычисляется допустимое время работы, по истечении которого электродвигатель отключается от питающей сети. При этом устанавливается запрет повторного пуска на время, необходимое для остывания обмотки двигателя до температуры, соответствующей номинальному режиму. Если перегрузка закончилась до окончания вычисленного допустимого времени, то отсчет допустимого времени работы электродвигателя приостанавливается и начинается отсчет времени номинального режима.

Алгоритм действия защиты от внутренних коротких замыканий предполагает сравнение текущих значений токов фаз статора 1А, 1в, 1с с уставкой 1у- расчетным значением тока срабатывания, и при I = шах(1А, 1в, 1с) ^ 1у электродвигатель отключается от Читающей сети. Уставка вычисляется по формуле:

■ - • 1У=М„, - • (22)

где кн = 1,2-Н,8 - коэффициент надежности; 1„ - интефальное значение пускового тока.

В микропроцессорной защите уставка определяется один раз перед началом эксплуатации и заносится в энергонезависимую память. Повторное определение необходимо после ремонта, когда могут измениться электрические параметры электродвигателя.

Алгоритм действия защиты от однофазных замыканий на землю основан на контроле интегральных значений тока нулевой последовательности с помощью трансформатора нулевой последовательности (ТНП). Вторичный ток ТНП обрабатывается, определяется его действующее значение, которое сравнивается с уставкой. При превышении уставки формируется сигнал на отключение электродвигателя от сети. Защита отстраивается от бросков собственного емкостного тока защищаемого присоединения.

Использование рассмотренных алгоритмов защиты предупредительного действия предполагается в микропроцессорном устройстве защиты, которое может быть использовано как в нерегулируемом электроприводе металлорежущих станков, так и в приводе станков с ЧПУ. В диссертационной работе разработана структурная схема устройства превентивной защиты на основе анализа современной микропроцессорной элементной базы, предназначенного для выполнения терминальной функции в нормальных и аварийных режимах работы двигателя.

В соответствии с представленными алгоритмами защиты на языке Assembler была написана управляющая программа, предварительная оценка работоспособности которой была осуществлена путем компьютерного моделирования. При моделировании были использованы результаты периодических испытаний на стенде трехфазного асинхронного электродвигателя АИС100ЦВ4К в различных режимах работы, в том числе и аварийных, проведенные специалистами ООО «Специальное конструкторское бюро - завод тяжелых станков».

Результаты моделирования основных аварийных режимов показали, что при замыканиях время срабатывания защиты не превышает 0,08 с. Моделирование работы устройства при нагрузке от 1,2 до 2 от номинальной подтвердило, что отклонение времени срабатывания защиты от уставки не превышает 5%. Время срабатывания защиты зависит от величины превышения номинального тока с учетом постоянной нагрева и значений фазных токов. При неограниченном возрастании тока нагрузки электродвигателя время срабатывания алгоритма защиты уменьшается по экспоненциальному закону и стремится к нулю. Алгоритм защиты от перегрева предусматривает три уставки: 1) laa^ - значение нагрева, при котором запрещается выдача команды на включение двигателя; 2) тсигаал - значение нагрева, при котором срабатывает предупредительная сигнализация; 3) То™ - значение нагрева, при котором выдается команда на отключение двигателя. Различные моделируемые варианты нагружения показали, что независимо от величины и времени перегрузки момент информирования пользователя о вероятном развитии событий будет достаточным для принятия адекватных мер в целях исключения сбоев в технологическом режиме, что свидетельствует о работоспособности и корректности принятых алгоритмов расчета.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил получить следующие результаты:

1. Обоснована необходимость использования методов математической статистики и теории вероятности для выбора рациональной величины мощности привода главного движения металлорежущих станков, поскольку проведенный на основе статистических данных анализ режимов нагружений главных электроприводов металлорежущих станков показал, что в подавляющем большинстве случаев основную часть времени станок работает в типовых режимах, когда загрузка двигателя составляет 20-40% от установленной мощности. Причиной такого положения дел является то, что при проектировании станка расчет мощности двигателя производится на основе детерминированных методов с учетом, в первую очередь, возможности работы оборудования в наиболее тяжелых режимах нагружения, хотя, как показывает практика, такие режимы являются крайне редкими, составляя всего 1-5% от общего машинного времени.

2. В работе предложены новая методика расчета и технические решения, позволяющие приблизить величину установленной мощности двигателя к реальным условиям его работы, а именно:

2.1. Разработана методика выбора мощности, основанная на вероятностной оценке режимов нагружения по результатам статистических исследований реальных станков.

2.2. Разработана методика, позволяющая осуществить оценку возможности применения технологического режима обработки на конкретном металлорежущем станке на основе расчета перегрузки и перегрева двигателей главного электропривода, а также оптимизации параметров технологического процесса.

2.3. Разработана структурная схема устройства защиты на основе анализа современной микропроцессорной элементной базы для реализации системы релейной защиты асинхронных электродвигателей с заданными параметрами, предназначенной для выполнения терминальной функции в нормальных и аварийных режимах.

3. Разработана тепловая модель двигателя, учитывающая вероятностный характер его нагружения, которая позволяет рассчитать предельные значения диапазона превышения температуры двигателя в целях оперативной оценки изменений срока его службы.

4. Разработано программное обеспечение для выбора мощности проектируемого станка, написанное на языке С++ и реализующее алгоритм расчета мощности электродвигателя, основанный на вероятностной оценке режима нагружения. Программа для ЭВМ зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (ФИПС), свидетельство об официальной регистрации № 2007610575 от 05.02.2007 г.

5. Разработано программное обеспечение для анализа и оптимизации установленной мощности двигателя главного электропривода станка, написанные

на языке С++ и реализующие алгоритмы оценки возможности применения на нем технологического режима с расчетом возможного количества повторяющихся операций.

6. Разработаны принципы построения превентивной защиты двигателя от перегрузки на'микропроцессорной базе, позволяющие контролировать температурный режим двигателя и прогнозировать общее непрерывное время реализации технологического процесса.

' 7. Разработана управляющая программа на основе предложенных алгоритмов действия защиты, написанная на языке Assembler, результаты отладки которой на основе данных испытаний реального двигателя подтверждают правомерность использованных теоретических положений и допущений.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Максименко Э.О., Онищенко Г.Б. Вероятностный подход к расчету мощности электродвигателей станков // Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития». Часть 2. -Магнитогорск, 2004. С.83-85.

2. Максимёнко'Э.О. Методика выбора мощности асинхронных двигателей для металлорежущих станков в типовых и тяжелых режимах нагружения - М.: МГОУ // Приводная техника, № 2,2004. С.32-40.

3. Максименко Э.О. Методика расчета мощности асинхронных двигателей для мёташгарежущих станков в режимах случайного нагружения. - М.: МГОУ // Приводная техника, № 5,2006. С.31 -37.

4. Свидетельство № 2007610575 об официальной регистрации программы для ЭВМ / Э.О.Максименко. Опубл. бюл. 05.02.2007.

Личный вклад автора. В работе, написанной в соавторстве, автору принадлежит изложение методики расчета мощности электродвигателей на основе вероятностного подхода /1/.

Подписано в печать 21.03.07. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч .-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 221.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.