ЭЛЕКТРОПРИВОД ЛУЩИЛЬНОГО СТАНКА

Одной из главных и перспективных отраслей экономики России является деревообрабатывающая промышленность, так какна территории России находится 1/4 всех мировых запасов древесины. Древесина и изделия из нее по-прежнему распространены и популярны. Строительство и облицовка домов, изготовление мебели, отделочных материалов, дверных полотен, фанеры и другое, все это происходит благодаря профессиональной эксплуатации специального оборудования. Развитие производства шпона находится в прямой зависимости от темпов роста жилищного, промышленного и социально-культурного строительства.
На сегодняшний день стремительно растет потребность в качественной обработке древесных материалов. Основное направление развития деревообработки – повышение уровня качества продукции за счет использования новых технологий и современного оборудования.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЛУЩИЛЬНОГО СТАНКА И СТРУКТУРЫ ЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА (ЭП) 7
1.1 Назначение, область применения и конструкция лущильного станка 7
1.2 Электрические двигатели, используемые в ЭП лущильных станков 11
1.3 Структура ЭП лущильного станка 14
1.4 Анализ режимов работы ЭП лущильного станка 16
1.5 Требования, предъявляемые к ЭП лущильного станка 17
1.6 Способы регулирования скорости вращения двигателя ЭП лущильного станка 18
1.7 Целесообразность модернизации ЭП лущильного станка 21
2 РАСЧЕТ ЭП ЛУЩИЛЬНОГО СТАНКА 23
2.1 Расчет мощности и выбор двигателя по каталогу 23
2.2 Расчет параметров Т–образной схемы замещения АД КЗР 35
2.3 Расчет и построение естественной механической характеристики АД КЗР 40
2.4 Расчет искусственных механических характеристик АД КЗР при разных частотах питающего напряжения 42
3 РАЗРАБОТКА МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭП ЛУЩИЛЬНОГО СТАНКА 50
3.1 Виды ПЧ, анализ схемных решений 50
3.2 Выбор ПЧ 57
3.3 Функциональная схема ПЧ 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 68

1.1 Назначение, область применения и конструкция лущильного станка

Лущильные станки относятся к деревообрабатывающей промышленности, а именно оборудованию для производства шпона.Лущеныйшпон является не только полуфабрикатом для изготовления фанеры и фанерной продукции, но и самостоятельной товарной продукцией, используемой обычно в мебельной промышленности для облицовки щитов и получения клееных деталей, а также в ряде других производств: тарном, спичечном, карандашном, паркетном и др. [6, с.19].Современные деревообрабатывающие лущильные станки предназначаются для получения очень тонкой древесной ленты – стружки равномерной толщины из коротких бревен.
В зависимости от размеров перерабатываемого сырья лущильные станки делятся на три группы:
• легкие;
• средние;
• тяжелые.
На легких станках используются чураки диаметром до 700 мм и длиной до 800 мм, на средних станках – диаметром до 800 мм длиной до 2 м и на тяжелых – диаметром до 1000 мм длиной более 2 м [2, с. 48].
...

1.2Электрические двигатели, используемые в ЭП лущильных станков

ЭП лущильных станков могут быть выполнены на базе электродвигателей (ЭД) как постоянного, так и переменного тока.
В ЭП лущильных станков чаще всего используются ЭД постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ), главным достоинством которых является наличие жестких рабочих характеристики, что обеспечивает при изменениях нагрузки на валу незначительное изменение скорости, а также они обладают возможностью плавно регулировать частоту вращения в широких пределах. Принцип работы ДПТ НВ является достаточно сложным вследствие независимой работы двух источников – это является главным недостатком данного типа двигателей.
Так же ЭП лущильных станков могут быть выполнены на базе ЭД постоянного тока с параллельным возбуждением. Характеристики этих двигателей также жесткие.Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением,т.е.
...

1.3 Структура ЭП лущильного станка

Структурная схема ЭП переменного тока представлена на рисунке 5.

ЭП – электрический привод; ИЭЭ – источник электрической энергии; Пр – преобразователь электрической энергии; УУ – устройство управления; ЭД – электрический двигатель; МП – механическая передача; ИО – исполнительный орган; РМ – рабочая машина; ЭЭ – электрическая энергия; МЭ – механическая энергия; СУ – система управления;
Рисунок 5 – Структурная схема ЭП лущильного станка
Структура ЭП состоит из четырех основных частей: двигателя переменного тока, преобразовательного устройства, системы управления и передаточного устройства.
ЭП имеет два канала: силовой и информационный, где утолщенными линиями показаны силовые каналы энергии, а тонкими линиями – маломощные (информационные) электрические цепи [7, с. 5].
...

1.4 Анализ режимов работы ЭП лущильного станка

Получение шпона с устойчивыми показателями качества и сохранение производительности достигаются сохранением постоянной скорости лущения при переменном диаметре чурака, при этом скорость вращения бревна должна изменяться плавно.
При использовании ЭП на базе трехскоростного АД, механические характеристики которого представлены в п. 2 на рисунке 4, в режиме пуска предусмотрено включение двигателя на повышенную скорость для окорки и оцилиндровки чурака, если это не было сделано ранее. АД разгоняется до заданной скорости и начинает работать на повышенных скоростях (характеристика 1 на рисунке 4) до того момента пока на выходе не получится непрерывная лента шпона. Затем, для того чтобы начать процесс лущения, АД переходит на рабочую скорость, например, на характеристику 3. В зависимости от требований к шпону можно либо повысить скорость лущения (характеристика 2), либо продолжать работать на пониженной скорости.
...

1.5 Требования, предъявляемые к ЭП лущильного станка

Требования к ЭП определяются технологией обработки, конструктивными особенностями станка, режущим инструментом, функциональными возможностями системы.
Основными требованиями, которым должен удовлетворятьЭП лущильного станка, являются:
• обеспечение необходимой частоты вращения шпинделей лущильного станка;
• минимальное время переходных процессов;
• высокая надежность;
• жесткость механических характеристик;
• надежное отключение ЭП при аварийных ситуациях;
• наличие сигнализации.
Повышение частоты вращения шпинделей позволяет увеличитьпроизводительность лущильных станков и делает экономически выгодным использование ЭП с плавным изменением частоты вращения шпинделей [4, с.214 – 215]. В настоящее время достигнута частота вращения шпинделей 9 с-1.
...

1.6 Способы регулирования скорости вращения двигателя ЭП лущильного станка

Единственным способом плавного изменения скорости вращения магнитного поля статора АД КЗР в широких пределах является изменение частоты питающего напряжения. Для лучшего использования магнитной системы при снижении частоты питающего напряжения необходимо пропорционально уменьшать напряжение, иначе значительно увеличатся намагничивающий ток и потери в стали. Также при увеличении частоты питания следует пропорционально увеличивать напряжение.
В качестве источника питания применяют ПЧ, выполняемые на мощных полупроводниковых приборах.
В зависимости от характера момента сопротивления закон управления напряжением и частотой имеет различные формы. При неизменной нагрузке во время всего технологического процесса закон частотного регулирования примет вид:

где – напряжение питающей сети;
– частота питающего напряжения.
Механические характеристики АД при этом законе изображены на рисунке 7.
...

1.7Целесообразность модернизации ЭП лущильного станка

Главными задачами модернизации действующих станков являются: повышение уровня механизации и автоматизации, увеличение производительности, расширение технологических возможностей, обеспечение требований техники безопасности и т.д. В последнее время первостепенное значение имеет повышение точности и другие качественные показатели модернизируемого оборудования. Модернизация станков в большинстве случаев экономически оправдана, так как приобретение нового оборудования всегда связано со значительными материальными затратами. Применение ЭП со ступенчатым регулированием не решает многих технологических задач и в первую очередь не позволяет сохранять постоянство скорости резания при переменных диаметрах обрабатываемых изделий. Частотное регулирование создает возможность управления скоростью ЭД в соответствии с характером нагрузки.
...

2.1Расчет мощности и выбор двигателя по каталогу

Правильный выбор мощности электрооборудования станков и линий имеет большое значение, так как от него зависят не только первоначальные затраты, но и размеры эксплуатационных расходов. Если будет выбран двигатель недостаточной мощности, то он не сможет обеспечить нормальную работу обслуживаемой машины. Если же мощность окажется завышенной, то это ухудшит технико-экономические показатели механизма, что приведет к повышению стоимости установки, повысит потери энергии и снизит коэффициент мощности АД. При эксплуатации лущильного оборудования, как правило, учитываются объем производства и показатели, определяющие частоту выполнения отдельных операций [4, с. 212].Для расчета мощности двигателя необходимо рассчитать производительность лущильного станка.Исходные данные лущильного станка ЛУ17-4 представлены в таблице 1. Технические характеристики лущильного станка представлены в таблице 2.
...

2.2 Расчет параметров Т–образной схемы замещения АД КЗР

По известным техническим данным АД КЗР и параметрам Г-образной схемы замещения (рисунок 10, а), рассчитываются параметры Т-образной схемы замещения (рисунок 10, б) в режиме короткого замыкания и параметры модели двигателя[3, c. 6].

а)б)
Рисунок 10 − Г − образная (а) и Т – образная (б) схемы замещения
асинхронной машины

Расчет номинального фазного напряжения статора:

где – номинальное линейное напряжение статора, В.
Номинальный фазный ток статора:

где – номинальная мощностьдвигателя,кВт, (см. таблицу 3);
– КПД двигателя (см. таблицу 3);
– коэффициент мощности двигателя (см. таблицу 3).
Базисное значение сопротивления:

Расчет угловой частоты тока:

где – частота питающего напряжения, Гц.
Реактивное сопротивление рассеяния статора:

где – параметры схемы замещения, отн. ед., представлены в таблице 4.
...

2.3 Расчет и построение естественной механической характеристики АД КЗР

Расчет естественной механической характеристики АД КЗР производится по выражению[3, c. 11]:

где s – диапазон значений скольжения.
Расчет критического скольжения[3, c. 11]:

Угловая скорость ротора в функции от скольжения[3, c. 11]:

где s – диапазон значений скольжения.
Результаты расчета представлены в таблице 6.

0
0,009
0,017
0,026
0,098
0,1
0,2
0,3
,
рад/с
62,8
62,27
61,73
61,2
56,65
56,52
50,24
43,96
M,
Нм
0
253,99
489,03
698,62
1415,09
1416,19
1178,7
909,61
Таблица 6 –Данные расчета естественной характеристики

Окончание таблицы 6

0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
,
рад/с
37,68
31,4
25,12
18,84
12,56
6,28
0
M,
Нм
725,94
600,05
509,95
442,76
390,92
349,79
316,4

Естественная механическая характеристика АД КЗР w=f(M)представлена на рисунке 11.

Рисунок 11

2.4 Расчет искусственных механических характеристик АД КЗР при разных частотах питающего напряжения

Расчет искусственных механических характеристики осуществлен при значениях частот питающего напряжения:
Скорость вращения электромагнитного поля статора при разных частотах питающего напряжения определяется по формуле:

Напряжение на статоре при различных частотах рассчитывается по формуле:

Относительное значение частоты питающего напряжения определяется по формуле:

Скорость вращения ротора АД рассчитывается по формуле:

где – диапазон значений скольжения.
...

3.1 Виды ПЧ, анализ схемных решений

Существуют два типа ПЧ: с непосредственной связью (НПЧ) и с промежуточным звеном постоянного тока.
При использовании НПЧ напряжение из сети подается на двигатель через управляемый выпрямитель, в силовой части которого система управления поочерёдно подключает статорные обмотки к питающей сети. Для построения НПЧ применяются различные варианты схем реверсивных управляемых выпрямителей: нулевые или мостовые, встречно-параллельные или перекрестные, с совместным или раздельным управлением. В основном используется раздельное управление, так как при совместном управлении необходимо использовать реакторы, чтобы ограничивать уравнительные токи. Формирование необходимой частоты и амплитуды переменного напряжения на зажимах двигателя обеспечивается непрерывным циклическим изменением улов управления комплектами преобразователей. Кроме регулирования амплитуды, фазы и частоты, НПЧ может преобразовывать число фаз, изменять порядок следования фаз.
...

3.2 Выбор ПЧ

При выборе частотного преобразователя необходимо владеть информацией о специфике процессов, которыми будет управлять ПЧ. ПЧ управляют всеми режимами ЭД, стабилизируют работу, подают электропитание в нужных пропорциях и режимах, в результате достигается требуемая точность и безопасность в работе. Правильный выбор ПЧ позволяет сокращать текущие производственные расходы и, одновременно, повышать производительность технологического оборудования. При выборе частотного преобразователя для конкретной цели, необходимо учесть ряд рабочих параметров: мощность ЭД, его тип, диапазон регулирования скорости и точность этой регулировки. Также важным показателем при выборе ПЧ является его габаритные размеры, расположение элементов управления и перегрузочная способность. Важно учитывать пиковые нагрузки, которые может выдерживать частотник. При выборе ПЧ наиболее низкая стоимость определена набором минимальных функций. Рост стоимости пропорционален их увеличению.
...

3.3 Функциональная схема ПЧ

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство(контроллер). Функциональная схема ПЧ для ЭД переменного тока изображена на рисунке 19.
В процессе работы ПЧ происходит контроль следующих функций:
• управление пуском и торможением двигателя;
• настройка скорости вращения;
• аварийное снятие силового питания и др.
Контроллеры представляют собой микропроцессорные устройства, выполняющие определенные действия по заложенной в них программе. Контроллеры позволяют обрабатывать электрический сигнал и преобразовывать его. Контроллеры мало чем отличаются от компьютеров и имеют одинаковые с ними основные узлы. Они содержат: процессор, память и устройства ввода-вывода.
Функция процессора – выполнять команды, записанные в памяти.
...

1. Васечкин Ю.В. Технология и оборудование для производства фанеры: Учебное пособие. – Москва, 1983. – 310 с.
2. Глебов И.Т. Альбом схем деревообрабатывающих станков: Учебное пособие. – Екатеринбург: УГЛТУ, 2015. – 55 с.
3. Исследование статических и динамических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в пакете MatLab: метод. указания к лабораторной работе № 2 для студентов направления 140400 «Электроэнергетика и электротехника» по дисциплине «Теория электрического привода» [Электронный ресурс] / сост. Н.М. Марченко; Инженерная школа ДВФУ. – Электрон. дан. – Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2014. – 21 с. URL: http://www.dvfu.ru/web/is/metodiceskie-rekomendacii .
4. Комплексная система ресурсосбережения в производстве лущеного шпона: монография / Ю.К. Калугин – Барановичи: РИО БарГУ, 2011. – 233 с.
5. Подготовка сырья и производство лущеного шпона: методические указания к контрольной работе / Сост. О.Ф. Токарева,Н.В. Сачкова. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та,2011. – 34 с.
6. ЧечуроваТ.В. Методическое пособие для выполнения домашней контрольнойработы по МДК 01.03 «Фанерное и плитное производство». – Братск, 2013. – 43 с.
7. Электропривод и электрооборудование. Ч.1: Регулирование асинхронного электропривода в сельском хозяйстве: учеб. пособие по самостоятельной работе/ А.Ю. Кузнецов, П.В. Зонов; Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т. 2-е изд. – Новосибирск: Изд-во НГАУ, 2017. – 79 с.