Курсовой проект по дисциплине «Электромеханические системы» Силовая следящая электромеханическая система с электромашинным усилителем Выполнил студент группы ауи-411 Маценов В. С. Проверил Давыдюк В. Б

скачать doc

Министерство Путей Сообщения Российской Федерации
Московский Государственный университет

Путей Сообщения (МИИТ)

Курсовой проект

по дисциплине

«Электромеханические системы»

Силовая следящая

электромеханическая система

с электромашинным усилителем

Выполнил

студент группы АУИ-411

Маценов В.С.

Проверил

Давыдюк В. Б.

Москва - 2003

Содержание

1. Цель и задачи курсового проектирования 3

2. Исходные данные 3

3. Выбор типовых элементов системы 4

3.1. Выбор исполнительного двигателя 4

3.2. Выбор тахогенератора 6

3.3. Выбор сельсинов точного и грубого отсчетов 6

3.4. Выбор электромашинного усилителя 7

4. Расчет механической передачи системы 7

5. Передаточные функции элементов системы 10

6. Построение характеристик системы 11

7. Описание принципиальной схемы системы 13

Список использованной литературы 15

1. Цель и задачи курсового проектирования

В системах автоматического управления технологическими процессами широко применяются электромеханические системы. Почти две трети всей энергии, вырабатываемой электрическими станциями, преобразуется в механическую электромеханическими системами.
Для обеспечения высоких технико-экономических показателей проектируемой системы необходимо выбрать структуру системы, элементы, входящие в нее, таким образом, чтобы они функционировали в оптимальном режиме.
Задачей курсового проектирования является использование студентами сведений и данных, содержащихся в научно-технической и справочной литературе. Итогом работы над курсовым проектом должно быть решение, основанное на использовании современной элементной базы и отвечающее требованиям технического прогресса.

2. Исходные данные

Тема

Силовая следящая электромеханическая система с электромашинным усилителем.

Исходные данные

G₀= 750 [н] – вес объекта

R₀= 0,5 [м] –радиус центра тяжести масс относительно оси вращения

I₀ = 18308 [кг∙м²] – момент инерции относительно оси вращения

₀ = 1,2 [рад/с] – максимальная скорость;

₀ = 0,017 [рад/с²] – максимальное ускорение;

 = 4 [угл.мин] - погрешность воспроизведения угла (не более);

Блок-схема системы приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Блок-схема системы.

СД–ГО, СД–ТО – сельсин-датчик грубого и точного отсчетов;

СП–ГО, СП–ТО – сельсин-приемник грубого и точного отсчетов;

ПУ – предварительный усилитель;

СУ – синхронизирующее устройство;

ФЧУ – фазочувствительный усилитель;

ЭМУ – электромашинный усилитель;

ТГ – тахогенератор;

ИД – исполнительный двигатель;

РС – силовой редуктор;

О – объект.

Задание

Выбрать типовые элементы ЭМС (ИД, ЭМУ, ТГ, сельсины ТО и ГО), рассчитать и построить механические и регулировочные характеристики привода.
Определить передаточные отношения силового редуктора РС и редукторов Р_Д и Р_П между сельсинами ТО и ГО на задающей и приемной оси.
Рассчитать оптимальные передаточные числа РС по скорости и моменту.
Определить коэффициенты усиления ЭМУ, ФЧУ, СУ, ПУ, ТГ.
Вывести передаточные функции элементов привода и разработать структурную схему системы.
Рассчитать и построить для разомкнутой системы график разгона привода до максимальной скорости, график изменения во времени угла поворота объекта.
Разработать принципиальную электрическую схему и описать принцип действия системы.

3. Выбор типовых элементов системы

3.1. Выбор исполнительного двигателя

Исполнительный двигатель является ключевым элементом электромеханической системы (ЭМС). Выбор мощности двигателя производится исходя из необходимости обеспечения заданной работы при условии нормального температурного режима и допустимых механических перегрузок. Затем производится уточненная проверка динамических возможностей и энергетических характеристик самого привода.
Рассчитаем мощность исполнительного двигателя постоянного тока:
M₀=G₀* R₀ =750*0,5=375 [Н*м]

[кВт]

где

– максимальная скорость привода [рад/с];

К_Р = 1.7 – коэффициент запаса по мощности;

η_М = 0,8 – коэффициент перегрузки двигателя по моменту.
По приложению [1] выберем
Двигатель ПН – 10.

Технические данные:

Мощность Р_НОМ	2400 Вт
Напряжение U_ЯНОМ	110 В
Скорость вращения Ω_НОМ	2850 об/мин =298 рад/с
Ток якоря I_ЯНОМ	26,6 А
Момент инерции якоря J_Д	0,8 кгм²
R_Я	0,57 Ом
L_Я	0,113·10^-2 Гн
U_В	110 В
I_В	2,7 А

Проверим основные параметры выбранного двигателя:

, где

[Н*м]

80.0  72.9  условие выполняется.

Механическая характеристика исполнительного двигателя

(приведена на рис. 3.1.1.)

[Н*м / A ]

[В*с/рад]
Пусковой момент:

[Н*м]

Скорость холостого хода:

[рад/c]

M_Д=0 [Н*м]

=343.75 [рад/c]

M_Д=57,9 [Н*м]

=0 [рад/c]

рис. 3.1.1. Механическая характеристика двигателя

Регулировочная характеристика исполнительного двигателя

(приведена на рис. 3.1.2.)

Напряжение трогания:

[В]

U_Я=15.2 [В]

=0 [рад/c]

U_Я=110 [В]

=296 [рад/c]
M_ДН=Kм*Iя ном=26,6*0,3=8.0 [Н*м]

=343,75-5,94*8=296 [рад/c]

рис. 3.1.2. Регулировочная характеристика двигателя

Выбор тахогенератора

Так как исполнительный двигатель постоянного тока, то целесообразно выбрать тахогенератор постоянного тока, у которого номинальная скорость вращения не меньше номинальной скорости вращения исполнительного двигателя. Исходя из этих соображений по приложению [13] выбираем:
Тахогенератор СЛ – 161.
Технические данные:
Напряжение U_ОВ = 110 В;

Ток I_ОВ = 0,05 А;

Крутизна = 0,02 В/об/мин=0.19 В/рад/с

Максимальный ток нагревания I_Н = 0,1 А;

Сопротивление обмотки якоря R_Я = 170 Ом;

Момент инерции якоря J_Я = 0,52·10^-5 кг·м²;

Индуктивность обмотки якоря L_Я = 1,2 Гн;

Максимальная скорость якоря Ω_НОМ = 3500 об/мин = 366,5 рад/с.

Выбор сельсинов точного и грубого отсчетов

Для повышения точности передачи угла применяют двухканальные системы, состоящие из каналов грубого (ГО) и точного (ТО) отсчетов.

Для заданной погрешности:.

Δθ = 4/60=0,066667 =0.0012 [рад]

По приложению [10] выберем

Контактные сельсины ДИ – 404 и СС – 404.
Технические данные:
Частота питания f = 50 Гц;

Напряжение питания U = 110 B;

Ток возбуждения I_B = 0,42 A;

Вторичное напряжение U_ВТОР = 49 В;

Момент трения = 0,075 Н·см = 7,5·10^-4 Н·м;

Скорость вращения Ω = 500 об/мин = 52,36 рад/с.

Порядок точности  I, максимальный угол рассогласования 0,75

Выбор ЭМУ

По приложению [7] выберем ЭМУ-25
Технические данные:
Мощность номинальная Mн - 2.5 кВт

Напряжение номинальное U = 115 B;

Ток номинальный I = 21,7 A;

Постоянная времени обмотки управления –0.06 с

Постоянная времени короткозамкнутой обмотки – 0.05 с

Коэффициент усиления по напряжению –16-25

Коэффициент усиления по мощности – 5000
Расчет оптимальных передаточных чисел по ускорению и моменту
По ускорению:

По моменту:

Пусть i_Р =222
Предварительная проверка правильности выбора двигателя
А).По скорости : i_{Р *} Ω_О=< (1.05-1.1)* Ω_Д

222*1.2=< (1.05-1.1)* 296

266.4 < (310.8 - 325.6 )  условие выполняется.

Б).По моменту : M_{Д НОМ}>= 1.1*Mo/( i_Р*0.75)

8.0>= 2.47 условие выполняется.

В).По нагреву : M_{Д НОМ}> =

8.0 >= 3.77  условие выполняется.

4.Расчет механической передачи системы

Определим передаточное отношение Р_Д и Р_П между сельсинами ТО и ГО на задающей и приемной оси. Выберем сельсины 1-го класса точности; для заданного класса точности погрешность передачи угла составляет 0,25. Заданная погрешность 0,066667. Определим передаточное отношение Р_Д и Р_П:

i_Д = 0,25/0,066667 = 4.

i_П = 0,75/0,066667= 12.

n = i_Д∙ i_П = 4∙12 = 48.
Определим число n кинематических пар редуктора из условия:

т.е. получаем 4 кинематические пары редуктора.
Z_ш=20 Z_ш1=20

Проверка :

Число зубьев ведущих шестерен : Zвед = 20

Диаметр вала двигателя : d = 12(мм) =12*10^-3(м)

Диаметры ведущих шестерен : Dвед = 2*d=24 (мм) =24*10^-3(м)

Расчет значения модуля:

m = Dвед / Zвед =24/20=1.2 (мм)=1.2*10^-3(м)

Выберем значения модуля равным 1.25 (мм)=1.25*10^-3(м)

Число зубьев ведомых шестерен :

Zведом1 = i_1* Zвед = 36

Zведом2 = i_2* Zвед = 48

Zведом3 = i_3* Zвед = 84

Zведом4 = i_4* Zвед = 240

Диаметры ведомых шестерен :

Dведом1 =m_* Zведом1 = 45 (мм)= 45*10^-3(м)

Dведом2 =m_* Zведом2 = 60 (мм)= 60*10^-3(м)

Dведом3 =m_* Zведом3 = 105 (мм)= 105*10^-3(м)

Dведом4 =m_* Zведом4 = 300 (мм)=300*10^-3(м)
Проверка зубьев на прочность :
Примем

0.12 <= 1.25 –условие выполняется

Кинематическая схема редуктора :

Двигатель i₃ Объект

i₁ i₂ i₄

Расчет моментов инерции шестерен:

=

=4.847*(24*10^-3)⁴=1.6*10^-6[кг*м²]

1.98*10^-5[кг*м²]

6.282*10^-5[кг*м²]

5.892*10^-4[кг*м²]

0.039 [кг*м²]
Расчет момента инерции редуктора :

=5.33*10^-5[кг*м²]
Окончательная проверка правильности выбора двигателя :
А). По моменту

M_{Д НОМ}>=₀ * i_Р (Jд+Jр+Jo/(

*0.8))+ Mo/( i_Р*0.8)

8 >= 6.883  условие выполняется.
Б).По скорости : i_{Р *} Ω_О=< 1.1* Ω_Д

222*1.2=< 1.1* 296

266.4 < 325.6  условие выполняется.

В).По нагреву : M_{Д НОМ}> =

8 >= 3.867  условие выполняется.

5. Передаточные функции элементов системы

Расчет добротности:

Коэффициент усиления тахогенератора определяется крутизной его характеристики:

[В/рад/с]

Передаточная функция тахогенератора :

Исполнительный двигатель

[рад/(В*с)]

[кг*м²]

В формуле неучтен J_Р т.к. он пренебрежительно мал и равен 5.33*10^-5[кг*м²]

[c]

[Гн/Ом]

Редуктор

ЭМУ

Сельсины

D=К_общ= К_С*К_ПУ*К_СУ*К_ФЧУ* К_Р*

667=41* К_ПУ*К_СУ*К_ФЧУ*0.0045*

К_ПУ*К_СУ*К_ФЧУ= 745

= 745

Структурная схема системы.

Передаточная функция системы.

6. Построение характеристик системы

6.1. Построение графика разгона системы до максимальной скорости

С помощью программы PEREHOD1 получим:

	0	0.3	0.599	0.899	1.200	1.500	1.800	2.100	2.400	2.700
	0	0.443	0.806	1.001	1.104	1.158	1.183	1.194	1.198	1.19999

График разгона системы до максимальной скорости приведен на рис 6.1.1

Рис 6.1.1. График разгона системы до максимальной скорости.

Построение графика изменения во времени угла поворота

объекта

С помощью программы PEREHOD1 получим:

	0	0.3	0.599	0.899	1.200	1.500	1.800	2.100	2.400	2.700
	0	0.004	0.230	0.508	0.829	1.170	1.522	1.878	2.237	2.595

График изменения во времени угла поворота объекта приведен на рис 6.1.2

Рис.6.1.2. График изменения во времени угла поворота объекта.

7. Описание принципиальной схемы системы.

Принципиальная схема системы включает в себя двухканальную следящую систему сельсинов, устройство синхронизации, фазочувствительный усилитель и электромашинный усилитель, исполнительный двигатель постоянного тока, тахогенератор в цепи отрицательной обратной связи.

Двухканальная система сельсинов имеет каналы точного (ТО) и грубого (ГО) отсчетов. При подаче на вход системы задающего угла сначала отрабатывается угол из канала ГО, а затем на канале ТО до заданной точности.

Коммутация каналов осуществляется с помощью устройства синхронизации. Угол ,преобразованный в напряжение на двухканальной системе сельсинов подается на фазочувствительный усилитель , который , в зависимости от амплитуды и фазы напряжения, на выходе выдает напряжение соответствующей полярности.

Затем напряжение поступает на вход электромашинного усилителя, к выходу которого подключен исполнительный двигатель. На вход электромашинного усилителя подается и напряжение с тахогенератора с учетом того, что ТГ – элемент отрицательной обратной связи .

Список использованной литературы

Давыдюк В. Б. Электромеханические системы. Методические указания к курсовому проектированию. – М., Типография МИИТ, 1998.

Учащимся

Учителям

Силовая следящая

электромеханическая система

с электромашинным усилителем

Выполнил

Проверил

Содержание

1. Цель и задачи курсового проектирования

2. Исходные данные

Тема

Исходные данные

Задание

3. Выбор типовых элементов системы

3.1. Выбор исполнительного двигателя

Механическая характеристика исполнительного двигателя

Регулировочная характеристика исполнительного двигателя

4.Расчет механической передачи системы

5. Передаточные функции элементов системы

Сельсины

Структурная схема системы.

Передаточная функция системы.

6. Построение характеристик системы

7. Описание принципиальной схемы системы.

Список использованной литературы