Вопросы для самоподготовки:

1. Перечислите основные элементы приводов современных кузнечно-штамповочных машин?

2. Перечислите задачи, которые выполняет система управления кузнечно-штамповочными машинами?

3. Охарактеризуйте архитектуру промышленных компьютеров?

4. В чем заключаются особенности сервопривода кузнечно-прессовых машин?

Лекция 3. Пуск и ход электропривода кузнечно-прессовых машин

Теоретические вопросы:

3.1. Общая характеристика пускового режима

3.2. Пуск в ход электропривода с короткозамкнутым двигателем

3.3. Учет изменения мощности электродвигателя при различных режимах работы

3.4. Учет нагрева двигателя за время пуска и ход

3.5. Выбор мощности привода

3.1. Общая характеристика пускового режима

К наиболее распространенным кузнечно-штамповочному оборудованию принадлежат различных конструкций механические пресса с маховиковым приводом.

Пуск в ход маховикового электропривода относится к числу тяжелых, так как двигателю приходится развертывать значительные инерционные массы при наличии еще некоторого момента трения механизма. Тяжелые условия пуска требуют обеспечить:

1) достаточно высокий начальный момент и

2) возможность ускоренного, форсированного пуска электропривода для сокращения общей продолжительности его и понижения нагрева двигателя.

Для характеристики инерционных масс маховикового электропривода используют следующий показатель:

, (3.1)

где A₁ – запас кинетической энергии при полной скорости вращения, кГм;

P_H – номинальная мощность приводного двигателя, кВт.

Время пуска электропривода в ход проверяют по следующей формуле

(3.2)

если принять приближенно, что избыточный момент, действующий во время разгона электропривода, сохраняет постоянную величину и равен для двигателя с контактными кольцами и пусковым реостатом

(3.3)

а для двигателя с короткозамкнутым ротором

, (3.4)

где _k - кратность опрокидывающего момента; _n - кратность начального или пускового момента двигателя; число 0,2 в формуле показывает, что момент сопротивления механизма принят 20% от номинального момента двигателя.

У кривошипных прессов с асинхронным короткозамкнутым двигателем по условиям нагрева не рекомендуется превышать следующих ориентировочных величин продолжительности пуска:

При мощности двигателя	до 10 кВт	10 сек
При мощности двигателя	14-28 кВт	15 сек
При мощности двигателя	40-55 кВт	20 сек

Широкое распространение в приводе кузнечно-прессовых машин получили асинхронные короткозамкнутые двигатели, чему способствовали их простота конструкции, низкая стоимость и повышенная надежность двигателей.

3.2. Пуск в ход электропривода с короткозамкнутым двигателем

При выборе пуска в ход электропривода прессов с короткозамкнутым двигателем приходится учитывать два по существу противоположных требования: уменьшение толчка пускового тока и увеличение пускового момента в связи с тяжелыми условиями пуска. При пуске в ход электродвигателя с короткозамкнутым ротором он потребляет пусковой ток I_n, превышающий номинальный I_H в 4-8 раз. Толчок пускового тока вызывает в сети, к которой подсоединен электродвигатель, понижение напряжения. Обычно это понижение невелико, но при пуске двигателя большой мощности, понижение напряжения может быть весьма значительным.

Крутящий момент асинхронного двигателя при данной скорости вращения пропорционален квадрату напряжения сети. Если при пуске электродвигателя большой мощности напряжение сети уменьшается, то уменьшится его пусковой момент, а другие электродвигатели, работающие в это время с перегрузкой, могут остановится.

Поэтому, пуск асинхронного двигателя без применения средств, ограничивающих пусковой ток, допускается в том случае, если номинальная мощность двигателя не превышает 25% мощности трансформаторов, питающих сеть цеха. В том случае, когда к той же сети присоединены лампы накаливания и электродвигатель запускается часто, его мощность понижается до 5% мощности трансформаторов, питающих сеть.

На практике встречаются следующие способы пуска в ход таких электроприводов:

а) непосредственный – прямым включением двигателя в сеть; такой пуск сопряжен с большими толчками тока;

б) через пусковой автотрансформатор;

в) переключением от звезды (во время пуска) на треугольник (в конце пуска и при нормальной работе);

г) с добавочными сопротивлениями в цепи статора, закорачиваемыми после окончания пуска.

Для привода крупных прессов иногда также применяют двухскоростные короткозамкнутые двигатели, позволяющие производить пуск двигателя сперва на малой скорости с последующим переключением на более высокую, нормальную скорость.

3.3. Учет изменения мощности электродвигателя при различных режимах работы

Переходные режимы электроприводов имеют место при разгоне, торможении, реверсе двигателей, изменении скорости и механической нагрузки. Расчет переходных режимов заключается в определении длительности процесса, закона изменения скорости, пройденного пути и вычислении потери энергии.

Длительность переходного режима является составной частью длительности цикла работы кузнечно-штамповочной машины, и следовательно, сокращение длительности переходных процессов приводит к увеличению производительности устройства. При переходных режимах в электроприводах одновременно имеют место переходные процессы механического, электромагнитного и теплового характера, причем эти процессы взаимно связаны.

Однако переходные тепловые процессы совершаются весьма медленно, электромагнитные происходят очень быстро, тепловые совершаются весьма медленно, в связи с чем при расчетах выделяют следующие два основных режима работы.

Определение времени переходных процессов основано на интегрировании уравнения движения привода:

, (22)

где М - момент электродвигателя.

Если М  М_с, то - ускорение двигателя.

Если М  М_с, то - замедление.

При М = М_с, - установившийся режим.

Время разгона:

. (23)

Время торможения:

. (24)

Аналитическая зависимость изменения скорости при пуске или торможении имеет обычно сложный вид. Поэтому пользуется обычно графоаналитическим способом (рис. 12)

Рис. 12. Расчет переходного процесса

График разбивается на большое число участков, в пределах которых (М - М_с) - можно считать постоянным в пределах каждого участка ,

. (25)

Полное время разгона:

. (26)

По итогам расчета можно построить диаграмму мощности на период переходного режима (рис.13).

. (27)

Рис. 13. Диаграмма мощности переходного процесса

Участок АВ определяет затраты энергии на разгон электропривода.

Повторно-кратковременный режим работы характеризуется короткими периодами нагрузки, в течение которых электродвигатель не успевает нагреться, до установившегося перегрева. Периоды нагрузки разделяются крактовременными паузами, в течение которых графиками, представленными на рис. 3. Режим повторно-кратковременной нагрузки является характерным для приводов кузнечно-прессовых машин, работающих одиночными ходами и не имеющих маховика.

При выборе мощности двигателя устройств, работающих в повторно-кратковременном режиме работы, вначале рассчитывают приведенные к валу статические нагрузки, затем осуществляют предварительный выбор двигателя по каталогу (правильность выбора двигателя проверяется методом эквивалентных величин или средних потерь после построения нагрузочной диаграммы двигателя с учетом динамических нагрузок).

Если известен действительный цикл работы механизма, то можно построить зависимость момента нагрузки на валу от времени . В этом случае целесообразно определить эквивалентный момент нагрузки М_СЭ по нагрузочной диаграмме исполнительного механизма. Ориентировочно значение мощности двигателя P₁ при заданной ПВ₁ можно определить по следующей зависимости:

, ()

где K_Э – коэффициент, учитывающий динамические нагрузки, К_Э = 1,1…1,4;

_p – рабочая скорость механизма, приведенная к валу двигателя, рад/с.

Мощность с действительной ПВ на величину, указанную в каталогах можно пересчитать по нескольким формулам, самой простой из которых является следующая зависимость:

()

Приведенная формула выведена с учетом предпосылки пропорциональности потерь в двигателе второй степени тока и не учитывает изменения постойной времени нагревания двигателя в различных режимах работы и во время паузы.

По вычисленному значению P_H предварительно осуществляют выбор двигателя по каталогу. Проверка выбранного двигателя по мощности с учетом переходных процессов для ряда приводов не является обязательной, она определяется отношением времени переходного процесса ко времени установившегося режима.

У вспомогательных приводов кузнечно-штамповочных машин также встречается кратковременный режим работы.

Он характеризуется нагрузкой в течение малого промежутка времени, недостаточного для достижения электродвигателем установившегося перегрева. При этом периоды нагрузки чередуются с одинаковыми или неодинаковыми периодами полной остановки электродвигателя, достаточными для его полного охлаждения к началу каждого рабочего периода.

Рис. 14. Изменение нагрузки и скорости вращения электродвигателя

Этот режим характеризуется графиками, показанными на рис. 15.

Режим кратковременной нагрузки встречается у приводов управления муфтой, поворота стола, перемещения прижима и т.п.

Продолжительность работы приводов такого рода обычно так мала, что за время работы при перегрузке в допустимых пределах электродвигатель не успевает нагреться даже до нормального перегрева. Номинальная мощность электродвигателя в данном случае определяется только условиями перегрузки.

Рис. 15. График кратковременного режима работы

Момент сопротивления при работе вспомогательных приводов создается в основном силами трения, в связи с чем эти приводы требуют значительного пускового момента. Двигатель должен иметь пусковой момент, превышающий момент сопротивления неподвижного механизма.

3.4. Учет нагрева двигателя за время пуска и хода

Поскольку пуск двигателя в ход происходит при повышенном моменте двигателя и сопровождается повышенным током, двигатель за время пуска подвергается увеличенному нагреву. Нагрев электрических машин обуславливается потерями в них, так как все потери энергии в электродвигателе превращаются в тепло, что и вызывает нагрев машины.

Отсюда понятно, что в последующий период работы нагрузка двигателя должна быть несколько снижена против номинальной, для того чтобы сохранить нагрев двигателя на расчетном, т.е. номинальном уровне. Необходимая степень снижения нагрузки, требующегося только при частых пусках, может быть определена лишь путем сложного расчета, учитывающего различный характер нагрева меди и стали двигателя, неодинаковую интенсивность охлаждения во время пуска и во время работы и прочие факторы, нуждающиеся в экспериментальном исследовании. При выполнении такого расчета следует помнить, что наиболее чувствительной к нагреванию частью является изоляция обмоток двигателя. С увеличением температуры изоляции обмоток двигателя сокращается срок ее службы, она теряет механическую прочность и становится хрупкой, что может стать причиной замыкания обмоток и значительного сокращения срока службы.

Срок службы изоляции может быть приближенно определен по формуле

, (3.5)

где L – срок службы изоляции;

K и  – постоянные коэффициенты для данного типа изоляции;

- температура изоляции.

3.5. Выбор мощности привода

Для обеспечения работы производственной машины электродвигатель должен: преодолевать наибольшую возможную нагрузку и не перегреваться выше нормы во время работы. Нагрев электродвигателя обуславливается потерями мощности, возникающими в нем при работе. К ним относятся: потери на нагрев током обмоток электродвигателя, потери на нагрев магнитопровода от гистерезиса вихревых токов, а также потери на трение о воздух. Потери на нагрев обмоток рабочим током называют переменными потерями. Они резко изменяются при колебаниях нагрузки двигателя. Переменные потери асинхронного двигателя можно определить по следующей зависимости:

, (8.1)

где m – число фаз;

I – ток обмоток статора, А;

- общее активное сопротивление обмоток двигателя, Ом.

Все остальные потери мало изменяются при колебаниях нагрузки. Пренебрегая этими небольшими изменениям, их приближенно считают независящими от нагрузки и называют постоянными потерями.

Допустимый нагрев электродвигателя определяется наименее теплостойким материалом конструкции. И таким материалом в конструкции электродвигателя является изоляция его обмотки.

Величиной, характеризующую нагрев электродвигателя и не зависящей от температуры окружающей среды, является превышение температуры электродвигателя над температурой окружающий среды, или так называемый перегрев

. (8.2)

Различие условий нагрева отдельных частей и сложность явлений теплообмена между ними значительно затрудняют аналитическое исследование теплового состояния электродвигателя. Поэтому для упрощения принимают, что все потери в одинаковой степени влияют на нагрев двигателя, который условно считают однородным теплом с бесконечно большой теплопроводностью.

В общем случае различают следующие основные режимы работы электроприводов. Наиболее простым из них является продолжительный режим работы с постоянной нагрузкой.

За время работы производственной машины электродвигателем достигается установившейся перегрев. Этот режим наиболее часто встречается у приводов правильных, волочильных, ленторазрезных и других кузнечно-штамповочных машин.