Электромеханические системы

Электромеханические системы

Оглавление

Введение.. 4

Часть первая. Общие сведения о дисциплине.. 5

1.1 Содержание дисциплины и литература по темам.. 5

1.2 Рекомендуемая литература. 6

Часть вторая. Контрольная работа. Задания и методические указания по ее выполнению... 8

2.1 Общие положения. 8

2.2 Исследование статических (механических и электромеханических) характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения. 9

2.3 Порядок выполнения и методические указания. 10

2.4 Исследование динамики двухмассовой упругой электромеханической системы.. 11

Введение

Современный электропривод функционально состоит из трех основных частей.

1. Силовая преобразовательная часть, содержащая силовой полупроводниковый преобразователь. Основная функция заключается в преобразовании электрической энергии между источником питания и электрическим двигателем.

2. Электромеханическая часть, содержащая рабочий механизм, соединенный посредством механической передачи с электрическим двигателем.

3. Информационная или управляющая часть, служащая для управления силовым полупроводниковым преобразователем и обеспечивающая заданные свойства электроприводу.

Проектирование полупроводникового электропривода включает в себя последовательность решения множества взаимосвязанных задач, в ряду которых можно выделить проектирование силовой преобразовательной и управляющей частей электропривода. Эти задачи в последнее время решаются на совершенно новой основе с привлечением компьютерных технологий и использованием прикладных пакетов программ, способных решать практически любые задачи анализа, синтеза, расчета и конструирования как отдельных элементов, так и всей системы в целом.

Целью изучения дисциплины «Электромеханические системы» (ЭМС) является формирование у студентов знаний об основных функциональных элементах электромеханических систем, их характеристиках, особенностях функционирования электромеханических систем в различных условиях и режимах, а также знаний по методам их выбора и расчета.

В результате изучения дисциплины студенты должны знать:

n  механическую часть силового канала электромеханической системы;

n  электромеханические системы постоянного тока;

n  электромеханические системы переменного тока;

n  замкнутые электромеханические системы;

n  статические, динамические характеристики, а также методы расчета электромеханических систем

Изучение упомянутых выше разделов должно вестись не только с точки зрения обязательного изучения физических процессов, протекающих в электромеханических системах, но и с точки зрения использования для этого прикладных программ, таких, как Matlab-Simulink, позволяющих на основе математической модели исследовать конкретную систему, грамотно обработать результаты моделирования и представить их в наглядной форме.

Методические указания состоят из двух частей. В первой части представлены содержание дисциплины и рекомендуемая литература по темам изучаемой дисциплины. Во второй части предложены варианты двух заданий контрольной работы (определяются по индивидуальному шифру студента) и методические указания по ее выполнению.

Часть первая. Общие сведения о дисциплине

1.1 Содержание дисциплины и литература по темам

1.1.1 Введение в ЭМС

Общие сведения о ЭМС. Классификация ЭМС. Общая структура. Функциональное назначение элементов ЭМС.

Литература: 2, 3, 8, 11[1].

1.1.2 Механическая часть силового канала ЭМС

Нагрузки рабочих механизмов. Расчетные схемы ЭМС. Приведение параметров механической части ЭМС. Математическое описание движения механической части ЭМС. Установившиеся режимы работы механической части ЭМС. Механические переходные процессы в одномассовой и двухмассовой упругой ЭМС.

Литература: 2, 3, 6, 8, 11.

1.1.3 ЭМС постоянного тока

ЭМС в виде двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) и одномассовой механической системы. Физическая модель системы. Математическое описание, структурная схема, передаточные функции. Характер переходных процессов. Установившиеся режимы. Статические характеристики. Структура ЭМС при питании ДПТ НВ от автономного источника. Источник ЭДС и источник тока. Регулирование координат в системе управляемый источник ЭДС – двигатель. ЭМС в режиме управления моментом при питании от источника тока. Ограничение тока (момента) в динамических режимах при питании от источника ЭДС. Двигатели постоянного тока параллельного и последовательного возбуждения: математическое описание, структурные схемы. Генераторные режимы работы двигателей постоянного тока. Управление координатами при питании от источника нерегулируемой ЭДС: реостатное регулирование, регулирование шунтированием якоря двигателя. Управление координатами при питании от источника регулируемой ЭДС с помощью широтно-импульсного преобразователя и управляемого выпрямителя. Основные показатели регулирования координат ДПТ. Электромеханические, электромагнитные и тепловые переходные процессы в ДПТ.

Литература: 2, 7, 8, 9, 11.

1.1.4 ЭМС переменного тока

ЭМС в виде АД и одномассовой механической системы. Физическая модель системы. Математическое описание в векторной форме и в виде структурной схемы. Управление координатами ЭМС с АД при питании от источника напряжения постоянной частоты. Управление напряжением на статоре, реостатное регулирование, управление в схеме асинхронно-вентильного каскада. Частотное управление скоростью ЭМС с АД. Схема замещения при регулируемой частоте источника питания. Структура системы преобразователь – двигатель при питании от автономного инвертора напряжения и тока. Требуемая зависимость напряжения или тока от частоты. ЭМС с синхронным двигателем. Вентильный двигатель. Основные соотношения. Структурная схема. Система с шаговым двигателем.

Литература: 2, 3, 4, 6, 7, 8.

1.1.5 Замкнутые ЭМС

Принципы управления координатами в замкнутой системе. Принципы построения и классификация замкнутых систем. Одноконтурная система, ограничение промежуточных координат. Принцип подчиненного регулирования, независимое управление координатами. Принципы построения систем управления скоростью и положением исполнительного органа. Следящие системы. Структура, настройка, оценки точности при отработке управляющего и возмущающего воздействия.

Литература: 1, 2, 5, 7, 8.

1.2 Рекомендуемая литература

Основная

1.  Терехов, В. М. Системы управления электроприводов [Текст] : учеб. для студ. вузов / , ; под ред. . – М., 2005. – 304 с.

2.  Онищенко, Г. Б. Электрический привод [Текст] : учеб. для студ. вузов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / . – М., 2006. – 288 с.

3.  Онищенко, Г. Б. Электрический привод [Текст] : учеб. для студ. вузов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / . – М., 2008. – 288 с.

4.  Ильинский, Н. Ф. Электропривод. Энерго - и ресурсосбережение [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / , . – М., 2008. – 208 с.

5.  Епифанов, А. П. Основы электропривода [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов, обучающихся по спец. 110302 – «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» / . – М., 2008. – 192 с.

6.  Фираго, Б. И. Теория электропривода [Текст] : учеб. пособие для студ. спец. «Автоматизированные электроприводы» учреждений, обеспечивающих получение высш. образования / , – М., 2007. – 585 с.

7.  Кувшинов, Г. Е. Основы электропривода [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и спец. «Электрооборудование и автоматика судов» / Г. Е. Кувшинов, . – М., 1999. – 221 с.

Дополнительная

8. Герман-Галкин, С. В. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0 [Текст] : учеб. пособие / -Галкин. – СПб. : КОРОНА принт, 2001. – 320 с.

Часть вторая. Контрольная работа. Задания
и методические указания по ее выполнению

2.1 Общие положения

Освоение основ ЭМС, одной из важных дисциплин специальности, невозможно без проверки положений теории в практических приложениях. Учебным планом предусмотрено выполнение одной контрольной работы по дисциплине «Электромеханические системы».

Контрольная работа включает выполнение двух заданий:

1) исследование статических (механических и электромеханических) характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения;

2) исследование динамики двухмассовой упругой электромеханической системы.

При проектировании системы управления каким-либо объектом необходимо знать статические и динамические характеристики последнего. Для двигателей любого типа к статическим относят электромеханические и механические характеристики.

Механические характеристики двигателя представляют собой зависимость угловой скорости его вала от развиваемого электромагнитного момента в установившемся режиме работы и выражают связь между двумя механическими величинами, характеризующими работу электродвигателя. Электромеханические характеристики представляют собой зависимость угловой скорости от тока главной цепи двигателя в установившемся режиме работы и отражают связь между механической и электрической величинами. Если первые характеристики используются для анализа работы двигателя совместно с приводимым в движение механизмом, то вторые позволяют оценить загрузку двигателя по току. Эта оценка очень важна для электрических машин, так как значение тока должно быть ограничено по условиям нагрева обмоток, а для машин постоянного тока – по условиям безыскровой коммутации коллектора. Вместе с тем оба указанных типа характеристик взаимосвязаны, так как величина электромагнитного момента, развиваемого двигателем, определяется значениями тока и магнитного потока.

В теории проектирования электромеханических систем одним из важных вопросов является исследование динамики механического движения электродвигателя (ЭД) совместно с рабочим механизмом (РМ). В контрольной работе система ЭД-РМ представляется в виде двухмассовой системы, когда между двигателем и рабочим механизмом имеется упругая связь, которой в некоторых случаях нельзя пренебречь. Моделирование такого рода систем имеет важное практическое значение для оценки динамики системы с точки зрения исключения нежелательных колебательных процессов, снижающих точность выполнения технологических операций. При выполнении обоих заданий используется программный пакет Matlab-Simulink.

2.2 Исследование статических (механических и электромеханических) характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения

В таблице 1 приведены технические данные двигателей постоянного тока независимого возбуждения типа П:

Рн (кВт) – номинальная мощность двигателя;

nН (об/мин) – частота вращения двигателя;

Iян (А) – номинальное значение тока якоря двигателя;

Rя (Ом) – активное сопротивление якорной цепи двигателя;

Rв (Ом) – активное сопротивление обмотки возбуждения;

N – число активных проводников якоря;

2а – число параллельных ветвей якоря;

w – число витков обмотки возбуждения;

Фпол (мВб) – магнитный поток, полезный;

Iвн (А) – номинальное значение обмотки возбуждения;

J (кг·м2) – момент инерции двигателя.

Таблица 1 – Технические параметры двигателей

Тип	РН, кВт	nН, об/мин	Iян, А	Rя, Ом	Rв, Ом	N	2а	w	Фпол, мВб	Iвн, А	J, кг·м2
П11	0,3	1500	2,1	22,6	670	3304	2	4000	1,9	0,27	0,0125
П12	0,45	1500	2,9	11,76	785	2352	2	4000	3,0	0,23	0,015
П21	0,7	1500	4,3	6,75	600	2376	2	4800	3,1	0,3	0,042
П22	1,0	1500	5.9	4,17	712	1728	2	4800	4,3	0,25	0,052
П31	3,2	3000	17,5	0,642	285	720	2	3600	5,7	0,62	0,09
П32	2,2	1500	12,0	1,205	358	936	2	3600	8,6	0,49	0,116
П41	1,0	750	6,8	5,35	280	1800	2	2100	3,6	0,60	0,15
П42	2,2	1000	13,3	1,75	243	1080	2	1800	5,2	0,69	0,18
П51	3,2	1000	18,3	1,051	168	1054	2	1600	5,5	0,99	0,35
П52	8,0	1500	43,5	0,269	150	496	2	1500	8,2	1,11	0,4

Двигатели П11 – П32 – двухполюсные (2р = 2), а двигатели П41 – П52 – четырехполюсные (2р = 4).

Варианты заданий выбираются в соответствии с таблицей 2 по последней цифре зачетной книжки.

Таблица 2 – Варианты заданий

Номер варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Тип двигателя	П52	П11	П51	П12	П42	П21	П41	П22	П32	П31

2.3 Порядок выполнения и методические указания

Прежде чем выполнить первую часть контрольной работы, необходимо пояснить понятия «естественная» и «искусственные» механические и электромеханические характеристики. Естественной характеристикой называется характеристика, снятая при номинальных значениях параметров двигателя: UЯ = UЯН; Ф = ФН; RЯ∑ = RЯ. Искусственными называются характеристики, снятые при изменении одного из трех параметров двигателя и фиксированных номинальных значениях двух остальных. На каждом из графиков должны быть представлены естественная и две-три искусственных характеристики. Таким образом, всего должно быть шесть графиков; три из них – электромеханические характеристики, а три – механические.

В первой части контрольной работы должно быть представлено математическое описание работы ДПТ НВ в динамическом режиме. На основании этого описания составляется структурная схема, которая и исследуется в среде Matlab-Simulink. В типовые динамические звенья структурной схемы необходимо подставить параметры передаточных функций. Эти параметры определяются исходя из паспортных данных на двигатели (см. табл. 1). Однако этих данных недостаточно для определения параметров структурной схемы, поэтому ниже приводятся основные соотношения, используемые для расчета необходимых параметров.

1.		5.
2.		6.
3.		7.
4.		8.

В приведенных выше соотношениях введены следующие обозначения:

• ωн – номинальное значение угловой скорости двигателя (рад/с);

• МН – номинальный электромагнитный момент двигателя (Н·м);

• К – конструктивный коэффициент, являющийся постоянным числом для данного типа двигателя;

• р – число пар полюсов двигателя;

• ФН – номинальное значение магнитного потока (мВб);

• ω0 – угловая скорость идеального холостого хода (рад/с);

• UЯН = 220 В – номинальное напряжение якоря двигателя;

• ТВ – постоянная времени цепи возбуждения двигателя (с);

• kS – коэффициент рассеяния главных полюсов, выбирается в пределах 1.1…1.25;

• ТЯ – постоянная времени цепи якоря двигателя (с);

• LЯ – индуктивность обмотки якоря (Гн);

• γ = 0,25 для компенсированных двигателей;

• КФ – коэффициент намагниченности двигателя.

Механические и электромеханические характеристики ДПТ НВ представляют собой линейные зависимости, поэтому для их построения необходимо знать две точки. Как правило, построение ведется либо по точкам холостого хода и короткого замыкания, либо по точкам холостого хода и номинального режима работы. Определение указанных точек осуществляется по переходной характеристике в установившемся режиме. Масштаб по оси абсцисс, по которой откладывается электромагнитный момент М (механическая характеристика) или ток якоря (электромеханическая характеристика) должен быть выбран таким, чтобы полученные характеристики пересекали эту ось.

2.4 Исследование динамики двухмассовой упругой электромеханической системы

При выполнении второй части контрольной работы исходными данными является математическое описание работы ДПТ НВ в динамическом режиме, дополненное уравнением связи между электрическими и механическими координатами двигателя и уравнениями механического движения для первой и второй масс в соответствии с уравнением Лагранжа второго рода. С точки зрения исследования динамики двухмассовой упругой электромеханической системы в среде Matlab-Simulink структурная схема двигателя, используемая в первой части контрольной работы, дополняется структурной схемой механической части ЭМС. При этом возмущающие воздействия по току и моменту принимаются равными нулю, так как нагрузкой для двигателя в данном случае является сам рабочий механизм.

При исследовании двухмассовой ЭМС варьируемыми параметрами являются:

1)  момент инерции рабочего механизма;

2)  коэффициент жесткости упругой связи С12;

3)  коэффициент вязкого трения β12.

При выполнении первого пункта необходимо задаться исходными значениями С12ИСХ и β12ИСХ:

где М12 – момент упругого взаимодействия между первой и второй массами; при исследовании системы М12 выбирается в пределах (0,25…0,5)МН; φ1 – угол поворота первой массы; φ2 – угол поворота второй массы. Разность углов поворота принимается в пределах 1…3 градусов.

где МВТ – момент вязкого трения, принимаемый при исследовании двухмассовой упругой системы в пределах (0,1…0,3)МН; ω1 – ω2 – разность угловых скоростей, принимаемая в пределах (1.0…5.0)с–1.

Таким образом, исследование системы по первому пункту сводится к следующему: коэффициенты жесткости и вязкого трения принимаются равными выбранным исходным значениям, а момент инерции рабочего механизма сначала принимается равным моменту инерции двигателя, затем уменьшается вдвое и в третьем случае увеличивается вдвое. Для каждого случая должны быть получены и проанализированы с соответствующими краткими выводами осциллограммы динамики изменения угловых скоростей для первой и второй масс.

При выполнении второго пункта задания изменяется коэффициент жесткости относительно выбранного исходного значения. Сначала он увеличивается, а затем уменьшается вдвое. При этом моменты инерции двигателя и рабочего механизма принимаются равными между собой, а коэффициент вязкого трения принимается равным исходному значению.

Третий пункт задания связан с исследованием влияния коэффициента вязкого трения на демпфирующие свойства исследуемой системы. В этом случае он также сначала увеличивается, а затем уменьшается вдвое относительно исходного значения. При этом моменты инерции двигателя и рабочего механизма также принимаются равными между собой, а коэффициент жесткости принимается равным исходному значению.

По результатам исследования двухмассовой упругой ЭМС необходимо обосновать в теоретическом плане полученные динамические характеристики.

[1] Приведены номера источников из списка рекомендуемой литературы (см. раздел 1.2).