Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное учреждение высшего
«Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
МИЭМ
Факультет «Электроника и телекоммуникации»
Кафедра «Микросистемная техника, материаловедение и технологии»
Программа дисциплины
"Электромеханические устройства и системы"
для подготовки инженеров
Направление подготовки 550200 Автоматизация и управление
Специальность 220201.65 - Управление и информатика в
технических системах
Автор программы
профессор, к. т.н.
Рекомендована секцией УМС
по УиИТС каф МТМиТ
Председатель профессор, д. т.н.
________________________________
«_____» __________________ 2012 г.
Одобрена на заседании кафедры
Микросистемная техника, материаловедение и технологии
Зав. кафедрой профессор, д. т.н.
___________________________ _____
«____»_____________________ 2012 г.
Утверждаю
Декан факультета Электроника и телекоммуникации
профессор, д.т. н.
________________________________
«____»_____________________ 2012 г.
Москва, 2012 год
1.Цели и задачи дисциплины.
В практике автоматизации производства электромеханические системы имеют преимущественное значение. Почти две трети всей энергии, генерируемой электрическими станциями, преобразуется в механическую посредством электромеханических систем. В связи с
этим специалисты в области управления должны быть хорошо знакомы с принципами построения электромеханических систем, их статическими и динамическими характеристиками, а также методами их расчета.
Одновременно с этим они должны быть хорошо знакомы с
конструкцией, принципом работы, основами теории, статическими и динамическими характеристиками электромеханических устройств автоматики, в основном электромашинных и электромагнитных.
Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами из курсов: физика, математический анализ, теоретические основы электротехники, теория управления, электроника.
2.Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
В результате изучения дисциплины студенты должны получить необходимые знания по выбору типа электромеханических систем и устройств, расчету их характеристик.
3.Объем дисциплины и виды учебной работы.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестр 5 | Семестр 6 |
Общая трудоемкость дисциплины | |||
Аудиторные занятия | 85 | 51 | 34 |
Лекции | 68 | 34 | 34 |
Лабораторные работы | 17 | 17 | |
Самостоятельная работа | |||
Курсовой проект | 17 | ||
Реферат | 5 | ||
Контрольные работы | 8 | ||
Вид итогового контроля | Экзамен | Зачет |
Контрольные работы выполняются по темам «Трансформаторы» и «Асинхронные машины и микромашины».
Реферат подготавливается на основе самостоятельной работы по электромагнитным и пьезоэлектрическим элементам и электротехническим материалам, применяемым для их изготовления.
4.Содержание дисциплины.
4.1.Разделы дисциплины и виды занятий
Аудиторные занятия | ||||
№п\п | Раздел дисциплины | Лекции | ПЗ | ЛР |
1 | Общие сведения об исполнительных устройствах, электромеханических системах и электроприводах | 6ч | ||
2 | Трансформаторы | 6ч | 2ч | |
3 | Асинхронные машины и микромашины | 12ч | 5,5ч | |
4 | Синхронные машины и микромашины | 10ч | ||
5 | Электромашинные преобразователи угловых перемещений | 6ч | 4ч | |
6 | Машины и микромашины постоянного тока | 10ч | 5,5ч | |
7 | Электромагнитные устройства | 2ч | ||
8 | Механическая часть силового канала электромеханической системы | 2ч | ||
9 | Выбор мощности двигателя | 2ч | ||
10 | Электромеханические системы постоянного тока | 6ч | ||
11 | Электромеханические системы переменного тока | 4ч | ||
12 | Общие сведения о мехатронике и интеллектуальных электромеханических системах | 2ч |
4.2.Содержание дисциплины.
Раздел 1.Общие сведения об исполнительных устройствах, электромеханических системах и электроприводах – 4ч.
Определение, классификация, элементная база.
Раздел 2.Трансформаторы-6ч.
Классификация, конструкция и принцип действия трансформатора. Уравнения равновесия эдс и мдс трансформатора. Эдс взаимоиндукции, коэффициент трансформации. Приведенный трансформатор, схема за-
мещения. Внешняя характеристика и кпд. Особенности трехфазных и импульсных трансформаторов.
Раздел 3.Асинхронные машины и микромашины-12ч.
Трехфазные асинхронные машины. Конструкция, принцип работы и принцип обратимости. Асинхронный двигатель как обобщенный трансформатор. Схема замещения. Электромагнитный момент. Механические характеристики. Пуск, реверсирование, торможение и регулирование скорости.
Исполнительные асинхронные микродвигатели. Особенности конструкции и принципа работы. Способы управления. Статические и динамические характеристики.
Асинхронные тахогенераторы. Принцип работы. Выходные характеристики и погрешности.
Раздел 4.Синхронные машины и микромашины-10ч.
Трехфазные синхронные машины. Конструкция, принцип действия в режиме двигателя и генератора. Электромагнитный момент, U-образная характе-
ристика. Способы пуска.
Синхронные микродвигатели: с постоянными магнитами на роторе, реактивные, гистерезисные. Конструкция, принцип действия, характеристики.
Синхронные микродвигатели с редуцированием скорости: редукторные, волновые. Конструкция, принцип действия, характеристики.
Синхронные шаговые двигатели: активные, реактивные, индукторные, линейные. Конструкция, принцип действия, характеристики.
Раздел 5.Электромашинные преобразователи угла-6ч.
Сельсины. Конструкция. Индикаторная и трансформаторная системы передачи угла. Характеристики трансформаторной системы, классы точности.
Вращающиеся трансформаторы. Конструкция, режимы работы. Симметрирование ВТ. Характеристики, погрешности и классы точности. Многополюсные ВТ.
Раздел 6.Машины и микромашины постоянного тока-10ч.
Коллекторные машины постоянного тока. Конструкция, принцип действия и принцип обратимости. Эдс, электромагнитный момент и реакция якоря. Основные характеристики двигателей и генераторов независимого и параллельного возбуждения.
Исполнительные микродвигатели постоянного тока. Якорный и полюсный, непрерывный и импульсный способы управления. Механические, регулировочные и динамические характеристики. Бесконтактные микродвигатели.
Тахогенераторы постоянного тока. Основные характеристики, погрешности, классы точности.
Электромашинные усилители. Конструкция, принцип действия, статические и динамические характеристики ЭМУ поперечного поля.
Раздел 7.Электромагнитные устройства-2ч.
Основные типы электромагнитных устройств – реле, магнитные пускатели, магнитные схваты, муфты, магнитные усилители.
Раздел 8. Механическая часть силового канала электромеханической системы-2ч.
Одномассовая механическая система. Состав механической части. Основное уравнение движения. Приведение масс и сил. Статические характеристики механической части. Двухмассовая механическая система. Уравнение движения. Коэффициент жесткости.
Раздел 9.Выбор мощности двигателя -2ч.
Режимы работы электроприводов. Тепловое состояние двигателя. Выбор мощности двигателя при длительной нагрузке. Выбор мощности двигателя при повторно-кратковременном режиме. Метод эквивалентных
величин. Выбор мощности двигателя для следящего привода.
Раздел 10. Электромеханические системы постоянного тока-6ч.
Электромеханическая система в виде двигателя постоянного тока независимого возбуждения и одномассовой механической системы.
Электромеханическая система в режиме управления скоростью и моментом. Ограничение тока (момента) в динамических режимах. Система управляемый выпрямитель-двигатель. Схемы, механические и динамические характеристики тиристорных систем УВ-Д. Система широтно-импульсный преобразователь-двигатель. Схемы транзисторных и тиристорных ШИП. Механические и динамические характеристики системы ШИП-Д.
Управление координатами при питании от источника нерегулируемой ЭДС: реостатное регулирование, регулирование шунтированием обмотки возбуждения и якоря двигателя.
Раздел 11.Электромеханические системы переменного тока -4ч.
Электромеханическая система в виде асинхронного двигателя и одномассовой механической системы.
Управление координатами электромеханической системы с асинхронным двигателем при питании от источника напряжения постоянной частоты. Управление напряжением на статоре, реостатное регулирование.
Частотное управление скоростью электромеханической системы с асинхронным двигателем. Структура системы преобразователь-двигатель при питании от автономного инвертора напряжения и тока. Требуемая зависимость напряжения или тока источника от частоты.
Электромеханическая система с синхронным двигателем. Вентильный двигатель. Основные соотношения. Система с шаговым двигателем. Разомкнутый дискретный привод с ШД. Функциональная схема, блоки системы управления. Специальные режимы работы: старт-стопный, программный разгон, дробление шага.
Раздел 12.Общие сведения о мехатронике и интеллектуальных электромеханических системах
Понятие и принцип построения мехатронных электроприводов. Уровни интеллектуализации, примеры реализации.
4.3.Понедельный план проведения лекционных занятий.
Семестр №5
1.Введение в дисциплину.
2. Общие сведения об исполнительных устройствах систем автоматизации и управления, электромашинных устройствах и системах (электроприводах).
3. Классификация электромашинных устройств.
4.Классификация трансформаторов. Конструкция и принцип действия однофазных трансформаторов.
5. Уравнения равновесия эдс и мдс. Приведенный трансформатор, схема замещения.
6.Внешние характеристики и кпд трансформатора. Особенности трехфазных и импульсных трансформаторов.
7.Трехфазные асинхронные машины. Конструкция и принцип действия.
8.Асинхронный двигатель как обобщенный трансформатор. Схема замещения. Электромагнитный момент.
9. Механические характеристики. Пуск, реверсирование, торможение и регулирование скорости.
10. Исполнительные асинхронные микродвигатели. Особенности конструкции и принципа работы.
11. Способы управления. Статические и динамические характеристики.
12.Асинхронные тахогенераторы. Принцип работы. Выходные характеристики и погрешности.
13.Трехфазные синхронные машины. Конструкция, принцип действия в режиме двигателя и генератора. Электромагнитный момент, U-образная характе-
ристика. Способы пуска.
14.Синхронные микродвигатели: с постоянными магнитами на роторе, реактивные, гистерезисные. Конструкция, принцип действия, характеристики.
15. Синхронные микродвигатели с редуцированием скорости: редукторные, волновые. Конструкция, принцип действия, характеристики.
16.Синхронные шаговые двигатели: активные, реактивные, индукторные, линейные. Конструкция.
17. Синхронные шаговые двигатели: принцип действия, характеристики.
Семестр №6
1. Сельсины. Конструкция. Индикаторная и трансформаторная системы передачи угла. Характеристики трансформаторной системы, классы точности.
2.Вращающиеся трансформаторы. Конструкция, режимы работы. Симметрирование ВТ. Характеристики, погрешности и классы точности.
3.Многополюсные ВТ. Редуктосины, индуктосины.
4. Коллекторные машины постоянного тока. Конструкция, принцип действия.
5.Эдс, электромагнитный момент и реакция якоря. Основные характеристики двигателей и генераторов независимого и параллельного возбуждения.
6.Исполнительные микродвигатели постоянного тока. Якорный и полюсный, непрерывный и импульсный способы управления. Механические, регулировочные и динамические характеристики.
7.Бесконтактные микродвигатели постоянного тока. Конструкция и принцип работы.
8.Тахогенераторы постоянного тока. Основные характеристики, погрешности, классы точности.
Электромашинные усилители. Конструкиця, принцип действия, характеристики ЭМУ поперечного поля.
9.Электромагнитные устройства. Реле, магнитные пускатели, муфты, магниты, магнитные схваты. Конструкция, принцип работы.
10. Механическая часть силового канала электромеханической системы. Одномассовая механическая система. Основное уравнение движения. Приведение масс и сил. Статические характеристики механической части.
11. Выбор мощности двигателя. Режимы работы.
Тепловое состояние двигателя. Выбор мощности двигателя при длительной нагрузке. Выбор мощности двигателя при повторно-кратковременном режиме. Метод эквивалентных величин.
12.Электромеханическая система постоянного тока в режиме управления скоростью и моментом. Ограничение тока (момента) в динамических режимах. Управление координатами при питании от источника нерегулируемой ЭДС: реостатное регулирование, регулирование шунтированием обмотки возбуждения и якоря двигателя.
13.Система управляемый выпрямитель-двигатель. Схемы, механические и динамические характеристики тиристорных систем УВ-Д.
14.Система широтно-импульсный преобразователь-двигатель. Схемы транзисторных и тиристорных ШИП. Механические и динамические характеристики системы ШИП-Д.
15. Электромеханическая система переменного тока. Частотное управление скоростью электромеханической системы с асинхронным двигателем. Структура системы преобразователь-двигатель при питании от автономного инвертора напряжения и тока. Требуемая зависимость напряжения или тока источника от частоты.
16.Электромеханическая система с синхронным двигателем. Вентильный двигатель. Система с шаговым двигателем. Разомкнутый дискретный привод с ШД. Функциональная схема, блоки системы управления. Специальные режимы работы: старт-стопный, программный разгон, дробление шага. Динамические характеристики.
17. Общие сведения о мехатронике и интеллектуальных электромеханических системах. Понятие и принцип построения мехатронных электроприводов. Уровни интеллектуализации, примеры реализации.
5. Лабораторный практикум
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ | Трудо-емкость (часы) |
1. | 2 | Исследование однофазного трансформатора питания с использованием ПЭВМ | 2 |
2. | 3,11 | Исследование частотного асинхронного электропривода с применением ПЭВМ | 4 |
3. | 6,10 | Исследование тиристорного электропривода постоянного тока с применением ПЭВМ | 4 |
4. | 5 | Исследование вращающегося трансформатора | 4 |
5. | 3,6 | Исследование тахогенераторов переменного и постоянного тока | 4 |
6. Примерная тематика курсовых проектов (работ)
Выбор электрических двигателей для локальных систем автоматического управления с использованием персональных ЭВМ и удаленных баз данных.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1., Фалк устройства автоматики. Учебное пособие.-М.:МИЭМ, 2002, 2008.
2.,Козаченко курс электропривода. Учебник для вузов.-М.:Энергоатомиздат,1992
3.Фалк средства автоматизации и управления: исполнительные устройства. Учебное пособие.- М.:МИЭМ, 2004.
б) дополнительная литература
1., Фалк микромашины. Учебное пособие.-М.: Высшая школа, 1985.
2.Кацман привод. Учебник для техникумов.-М.: «Академия», 2005.
3.Москаленко привод. Учебное пособие.- М.:ИЦ «Академия», 2005.
4.Под. ред. . Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации. Учебное пособие. –М.:Электротехника,
5.Онищенко привод. Учебник.- М.:ИЦ «Академия».
6., Соколова устройства электромеханических систем. Учебное пособие.-М.:ИЦ «Академия».
7. ГОСТы: ЕСКД, Единицы физических величин.
1.Программа информационно-поисковой системы для выполнения курсового проекта «Выбор электрических двигателей для локальных систем автоматического управления с использованием ПЭВМ и удаленных баз данных» на автономной ПЭВМ.
2.Программа информационно-поисковой системы для дистанционного выполнения курсового проекта «Выбор электрических двигателей для локальных систем автоматического управления с использованием ПЭВМ и удаленных баз данных» в среде Internet.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы___________________
Электронные версии учебных пособий (п. п. 1 и 3 раздела «7а») и курсового проекта (раздел «7в»):
Сайт кафедры uiits. miem. edu. ru
Учебные материалы
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
В составе кафедры функционирует лаборатория «Электромашинные устройства и системы»,в которой имеется комплексный стенд ЭМП1-К, на котором с использованием ПЭВМ исследуются двигатели и тахогенераторы постоянного тока, трехфазные асинхронные двигатели, тиристорные приводы постоянного тока и асинхронные приводы с частотным управлением.
В дисплейном классе кафедры на персональных ЭВМ типа IBM PC установлено программное обеспечение, позволяющее выполнять курсовой проект и ряд лабораторных работ в составе автоматизированной обучающей системы.
9. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Программа автоматизированного контроля знаний на основе выполнения контрольных работ по темам разделов 2-6 на персональных ЭВМ типа IBM PC.
