Реферат: Программа дисциплины по кафедре Автоматика и системотехника электромеханические системы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тихоокеанский государственный университет



Утверждаю

Проректор по учебной работе

______________ С.В. Шалобанов

“_____” ________________200_ г.



Программа дисциплины

по кафедре Автоматика и системотехника


ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ


Утверждена научно-методическим советом университета для направлений подготовки в области автоматизации и управления


Хабаровск 2007 г.

Программа разработана в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта, предъявляемыми к минимуму содержания дисциплины и в соответствии с примерной программой дисциплины, утвержденной департаментом образовательных программ и стандартов профессионального образования с учетом особенностей региона и условий организации учебного процесса Тихоокеанского государственного технического университета.


Программу составил


Коваленко С.Н. к.т.н. АиС




Ф.И.О. автора (ов)
Ученая степень, звание, кафедра






Программа рассмотрена и утверждена на заседании кафедры

протокол № 2 от « 4 » декабря 2006г

Зав кафедрой_________«__»______ 200_г

Чье Ен Ун

Подпись дата

Ф.И.О.







Программа рассмотрена и утверждена на заседании УМК и рекомендована к изданию

протокол № ______ от «____»_____________ 200_г

Председатель  УМКС  ______«__»_______ 200_г

Чье Ен Ун

Подпись дата

Ф.И.О.




Директор  института  _______«__»_______ 200_г

^ Клепиков С.И.

(декан факультета) Подпись дата

Ф.И.О.

Цель и задачи дисциплины


Цель изучения дисциплины – дать студенту представление о современном электроприводе, его физических основах, принципах управления, об энергетике, а также научить студента решать многочисленные несложные задачи, постоянно возникающие на практике.

^ 2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.


В результате изучения дисциплины студенты должны знать:

общие особенности механической части электромеханических систем, важней­шие их элементы, связи и параметры, а также математические методы описания и анализа.

характеристика электроприводов постоянного и переменного

тока.

принципы построения и реализации замкнутых

электромеханических систем;

уметь:

на основе получен­ных знаний свободно оценивать характер движения электропривода по известному характеру изменения электромагнитного момента дви­гателя и приложенных к системе внешних сил либо.

определять законы изменения электромагнитного момента, обеспечиваю­щие формирование требуемых законов движения приводимого ме­ханизма.

должны иметь опыт решения типовых задач применения электропривода.


^ 3. Объём дисциплины и виды учебной работы.


Таблица 1 – объем дисциплины и виды учебной работы

Наименование

По учебным планам основной траектории обучения

с максимальной трудоёмкостью

с минимальной трудоёмкостью

^ Общая трудоёмкость дисциплины







по ГОС

119




по УП

102



Изучается в семестрах
5




^ Вид итогового контроля по семестрам







зачет

5




экзамен

5




Курсовой проект (КП)







Курсовая работа (КР)







^ Вид итогового контроля самостоятельной работы без отчетностей

расчетно-графические работы (РГР)







Реферат (РФ)







Домашние задания (ДЗ)







^ Аудиторные занятия:







всего

51




В том числе: лекции (Л)

34




Лабораторные работы (ЛР)

17




Практические занятия (ПЗ)







^ Самостоятельная работа







общий объем часов (С2)

51




В том числе на подготовку к лекциям

32




на подготовку к лабораторным работам

17




на подготовку к практическим занятиям







на выполнение КП







на выполнение КР







на выполнение РГР







на написание РФ







на выполнение ДЗ







на экзаменационную сессию









^ 4. Содержание дисциплины.


Содержание дисциплины включает в себя следующие разделы:


Раздел 1. Основные понятия и определения


Определение понятия ЭМС. История развития электропривода.

Структуры и компоненты управляемой электромеханической системы.


Раздел 2. Механика электропривода


Формулы приведения. Особенности механической части и основные расчётные схемы. Типовые статические нагрузки электропривода


^ Раздел 3. Уравнение движения электропривода.


Вывод для трёхмассовой, двухмассовой с учётом вязкого трения, одномассовой. Механические переходные процессы. Определение времени переходного процесса (пуск, реверс , торможение ). .


^ Раздел 4. Механическая часть электропривода как объект управления.


Передаточной функции для двухмассовой системы с учётом вязкого трения по управляющему воздействию для ω1 и ω2. Частотные характеристики системы. Динамические нагрузки электропривода. Уравнение упругого динамического момента .


^ Раздел 5. Элементы силовой части, их математическое описание.


Двигатель постоянного тока независимого возбуждения Устройство, принцип действия , вывод уравнений статических характеристик, понятие модуля жёсткости и статизма, естественная характеристика, искусственные характеристики. Способы . регулирования скорости. Тормозные режимы ДПТ-НВ. Динамические свойства ДПТ-НВ Выражение динамической жёсткости.

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения Устройство, принцип действия , вывод уравнений статических характеристики, естественные и искусственные характеристики, тормозные режимы. Способы регулирования скорости.

Двигатель постоянного тока смешанного возбуждения. Устройство, принцип действия, уравнения статических характеристики, особенности естественных и искусственных характеристик .Тормозные режимы

Асинхронный электродвигатель Устройство, принцип действия , вывод уравнений статических характеристик, естественные и искусственные характеристики, формулы скольжения и Клосса, тормозные режимы. Способы регулирования скорости.

Синхронный электродвигатель Устройство, принцип действия , вывод уравнения угловой характеристики естественные и искусственные характеристики . Тормозные режимы

Переходные процессы электропривода с линейной механической характеристикой при линейном нарастании управляющего воздействия. Процессы происходящие при линейном нарастании управляющего воздействия. Понятие ошибок.

Системы управления электромеханическими преобразователями.


^ Раздел 6. Принципы построения и реализации замкнутых электромеханических систем.


Основные показатели регулирования координат электропривода

Типовые структуры систем электропривода. Метод последовательной коррекции Стандартные настройки


^ Раздел 7. Принципы подчиненного регулирования, независимое управление координатами.


Структура системы подчинённое регулирование координат. Настройка системы подчинённого регулирования координат.


Таблица 2 – Разделы дисциплины и виды занятий и работ

№
Раздел дисциплины Л
ЛР

ПЗ

КП

(КР)
РГР
ДЗ

РФ

С2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10



Основные понятия и определения

*
























Механика электропривода

*

*





















Уравнение движения электропривода.

*

*





















Механическая часть электропривода как объект управления.

*

*





















Элементы силовой части, их математическое описание

*

*





















Принципы построения и реализации замкнутых электромеханических систем.

*
























Принципы подчиненного регулирования, независимое управление координатами.

*
























^ 5. Лабораторный практикум.


Перечень лабораторных работ включает в себя следующие поставленные лабораторные работы:


Лабораторная работа №1

Исследование механических переходных процессов


^ Цель: Рассчитать и смоделировать процесс пуска и торможения грузоподъёмного механизма.

Задание:

Имеется грузоподъёмный механизм, который состоит из двигателя, одноступенчатого зубчатого редуктора, и барабана. Двигатель через редуктор передаёт вращение барабану на который наматывается трос с прикреплённым грузом массой - m. Необходимо в соответствии с заданным вариантом рассчитать требуемый прямоугольный пусковой электромагнитный момент развиваемый двигателем, который должна сформировать система управления с тем, чтобы осуществить пуск двигателя грузоподъёмного механизма на подъём с заданным ускорением до заданной номинальной скорости ном (двигателя) .

Порядок выполнения:

1) Ознакомьтесь с содержанием приложения 1.

2) Приведите моменты инерции и сопротивления к валу двигателя

и составьте уравнение движения для жёсткого приведённого звена..

3) Из составленного уравнения движения определите требуемый пусковой момент М.
^ 4) По заданному ускорению определите время пуска. 5 ) Аналогично рассчитаете время торможения.
6) Данная работа выполняется на листе А4 печатным способом с рамочкой (можно без обложки) и защищается по вопросам для защиты.

7) Рассчитать время торможения при подъёме от номдо =0 с выключенным двигателем.

8) Нарисовать трапецеидальный график механического переходного процесса пуск-движение-торможение грузоподъёмного механизма (по горизонтальной оси - t по вертикальной - М и скорость - ). 

9) Проверить расчёт с помощью моделирования в программе Matlab.

Для выполнения лабораторной работы необходим компьютерный класс с программой Matlab 6.

Вопросы для защиты лабораторной работы №1 .



Что называется переходным процессом в механической части?

Расставьте направления скорости и моментов на кинематической схеме для режима подъёма. Что говорит об этом правило знаков ?

Для чего нужно приведение к одной скорости ?

Приведите приведённую кинематическую схему механизма

5) Перечислите типовые статические нагрузки электропривода и дайте характеристику вашей нагрузки.

6) Перечислите особенности механической части электропривода .

7) Разъясните как выведены используемые вами формулы приведения .

Как упростить расчетную схему механической части ?

Как учесть КПД редуктора при вычислениях?

Как выводится уравнение движения электропривода?

11) Составьте уравнение движения для заданной преподавателем точки кинематической схемы.


Время выполнения работы 4 часа.


Лабораторная работа №2

Исследование динамических переходных процессов

^ Цель: Исследовать двухмассовую упругую систему с учётом вязкого трения.

Задание и порядок выполнения:

1. На основе данных предыдущей лабораторной работы постройте модель механической части привода подъёма с учётом жёсткости каната в виде двухмассовой упругой системы. Ротор и барабан представьте как J1 , а груз как J2 -приведённый к валу двигателя момент инерции учитывающий массу груза с12пр – приведённая эквивалентная жёсткость механической связи между барабаном и грузом .

c12пр=C (Dб/2i)2/l


где c=1*105H/ m- жёсткость каната, l-длина каната.

Момент сопротивления создаваемый грузом Mc2 прикладывается к массе J2 . Mc1 можно принять равным нулю. В схеме должно быть два входа (М и Мс1 Мс2) и три выхода (М12,  и  и . Звено куда входит вт представьте в виде комбинации простых динамических звеньев.

2. Получите трапецеидальный график механического переходного процесса пуск-движение-торможение грузоподъёмного механизма (по горизонтальной оси - t по вертикальной - М и скорость - ) аналогично предыдущей лабораторной работе.

3. Запустите структуру для вт=0. Изменяя массу J2 определите (по вашему мнению) при каком соотношении J1 и J2 () влиянием J2 на скорость  можно пренебречь .

4. Определите как влияет величина внутреннего вязкого трения вт на характер колебаний М12,  и с параметрами п.2 (вт =02). Снимите осциллограммы. Сделайте выводы.

5. Продемонстрируйте как влияет величина среднего ускорения на М12 .

6. Снимите АЧХ системы для (f)Mи (f)Mдля параметров п.1. Для этого используйте программу MATLAB.

7.По графикам переходных процессов определите частоту колебаний масс J1 и J2 и нанесите на ЛАЧХ.

Для выполнения лабораторной работы необходим компьютерный класс с программой Matlab 6.


Вопросы для защиты лабораторной работы №2:


Чем отличается двухмасовая система от одномассовой ?

Как получено с12пр ?.

Что такое М12 ?

Как влияет и на что вязкое трение (вт)?

Объясните на что влияет М12 (увеличивает время разгона –торможения,. снижает динамические нагрузки, повышает надёжность механической части и т.д..?

Зачем нужно уменьшать М12 ?

Если с12 стремится к бесконечности то что это вам даёт ?

В каком случае двухмассовую систему можно заменить одномассовой и что при этом будет потеряно.

Как изменяется Мс2 по сравнению с Мс пр из лр№1 ?

.

Время выполнения работы 4 часа.


^ Лабораторная работа №3

Исследование статических и динамических характеристик

ДПТ-НВ


Цель: С помощью математической модели ДПТ-НВ снять его динамические и построить статические характеристики .


Задание:

В данной работе необходимо исследовать пуск двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) . Двигатель вращает механизм приведённый суммарный момент инерции которого равен J (считается, что момент инерции ротора двигателя входит в J). Вращению противодействует активный момент сопротивления Мс.


^ Порядок выполнения:

Соберите структурную схему ДПТ -НВ в программе Matlab/Simulink c параметрами соответствующими варианту задания. . Выход 1 подключите к “Scope” через делитель на 10 для приведения (t) и M(t) к одному масштабу. Выведите также I(t).

Получите графики переходных процессов (t) и I(t) для чего осуществите прямой пуск двигателя в момент t=0с с Мс=0 при Uя=220В. В момент времени t = 2c подайте Мс=2Мном. Снимите осциллограммы (t) и I(t) в одних осях.

3. Используя полученные осциллограммы графически постройте динамическую механическую характеристику при изменении момента скачком от М=0 до М=2Мном и начальном значении скорости соответствующем о.

4. Снимите данные для построения следующих статических характеристик.

а) Две статических характеристики с параметрами п.1. Первая при Uя= Uя ном, а вторая при Uя= 0.5Uя ном (см. пояснения к порядку выполнения ):

б) Три искусственные статические характеристики 1-я с добавочными сопротивлениями Rдоб=10 Rдв ном, при Uя= Uя ном

2-я с Rдоб=10Rдвном, при Uя= 0.5Uя ном.

3-я с Uя= Uя ном, Rдв=Rдвном, Ф = 0.8Фном.

Данные занесите в таблицу. Для каждой построенной характеристики рассчитайте жёсткость  и Тя=Lя /Rя.. Все пять характеристик отобразите в одних осях. при изменении момента до 2Мном.

5. По графику I(t) из п2.определите кратность пускового тока Kп=Iпуск/Iном.

6. Рассчитайте величину добавочного сопротивления Rдоб которое позволяет снизить пусковой ток до величины kп заданного таблицей вариантов. Подтвердите правильность вычислений моделированием

7. Смоделируйте заданный тормозной режим ДПТ-НВ. Результатом моделирования должен быть установившийся участок динамической характеристики с произвольными координатами рабочей точки Мс и  соответствующими моделируемому тормозному режиму работы ДПТ-НВ. Координаты рабочей точки торможения отобразите на графиках п.4.

8. Обрыв цепи питания обмотки возбуждения (на рис.1 не показано) считается для ДПТ-НВ аварийным режимом. Получите соответствующий график (t).

Для выполнения лабораторной работы необходим компьютерный класс с программой Matlab 6.


Вопросы для защиты лабораторной работы №3:


Объясните по пунктам , что делалось и что получено по ходу выполнения л/р.

Краткая характеристика двигателей ДПТ?

Устройство ДПТ-НВ средней и большой мощности?

Объясните как выводится уравнение статической электромеханической характеристик ДПТ?

Объясните, что именно моделирует каждый квадратик структурной схемы и почему?

Что такое противо-э.д.с., как работает и как моделируется?

Почему после пуска двигателя угловая скорость принимает конечное значение, а ток падает до нуля?

Какие динамические характеристики были получены ?

Какие статические характеристики были получены и как?

Что такое скорость идеального холостого хода и как рассчитывается?

Дайте краткую характеристику тормозным режимам ДПТ-НВ.

Объясните что изменится в структурной схеме, чтобы в качестве выходной величины

получить Iя вместо М.

13. От какого источника питается моделируемый двигатель:

а) с возможностью рекуперации т.е. возврата энергии в сеть ?

б) без рекуперации ?

14. Как смоделировать работу двигателя от другого источника?

15. Как влияет масса механизма на качество переходного процесса?

16. Почему обрыв цепи питания обмотки возбуждения считается для ДПТ-НВ аварийным режимом ?

Время выполнения работы 5 часов.


Лабораторная работа №4.

^ Построение естественной статической характеристики АД .

Цель: По заданным параметрам рассчитать и построить механическую характеристику асинхронного двигателя с коротко-замкнутым роторо

Задание порядок выполнения:

1. Из таблицы вариантов , выпишите значения параметров двигателя, соответствующие вашему варианту.

2. По этим данным рассчитайте синхронную скорость двигателя

3. Определите критическое скольжение.

4. Определите пусковой момент.

5. Используя гладкую аппроксимацию объедините полученные точки в один график

6. Нанесите на график точку номинального режима.

7. Рассчитайте частоту тока ротора при Мкр если частота сети f =50Гц

Для выполнения лабораторной работы необходим компьютерный класс с программой Matlab 6.


Вопросы для защиты лабораторной работы №4

:

1. Каков порядок вывода уравнения механической характеристики АД.

2. Что такое критическое скольжение и момент.

3. Перечислите искусственные характеристики АД.

4. Тормозные режимы АД.

5. Объясните принцип действия АД

Время выполнения работы 4 часа.


Таблица 3 – Лабораторный практикум и его взаимосвязь с содержанием лекционного курса


№ п/п

№ раздела

дисциплины
^ Наименование лабораторной работы
1

2,3

Механические переходные процессы. .

2

4

Динамические свойства двухмассовой системы.

3

5

Исследование статических и динамических характеристик ДПТ-НВ

4



5



Исследование статических характеристик АД


^ 6. Формы контроля знаний используемых в процессе изучения дисциплины

Контроль знаний осуществляется преподавателем в процессе защиты студентами лабораторных и практических занятий .


^ 6.1. Перечень вопросов для входного контроля студентов

Решение дифференциальных уравнений первого и второго порядков.

Элементы векторно-матричной алгебры.

Уравнение вращательного движения в механике.

Момент силы.

Трехфазный ток: основные понятия и соотношения.

Векторное представление переменного тока.

Понятие об обратных связях, их разновидностях.

Понятие о передаточных функциях объекта управления.

Понятие о разомкнутых и замкнутых системах регулирования.


^ 6.2. Перечень вопросов для текущего контроля студентов


Что называется переходным процессом в механической части?

Расставьте направления скорости и моментов на кинематической схеме для режима подъёма. Что говорит об этом правило знаков ?

Для чего нужно приведение к одной скорости ?

Приведите приведённую кинематическую схему механизма

Перечислите типовые статические нагрузки электропривода и дайте характеристику вашей нагрузки.

Перечислите особенности механической части электропривода .

Разъясните как выведены используемые вами формулы приведения .

Как упростить расчетную схему механической части ?

Как учесть КПД редуктора при вычислениях?

Как выводится уравнение движения электропривода?

Составьте уравнение движения для заданной преподавателем точки кинематической схемы.

Чем отличается двухмасовая система от одномассовой ?

Как получено с12пр ?.

Что такое М12 ?

Как влияет и на что вязкое трение (вт)?

Объясните на что влияет М12 (увеличивает время разгона –торможения,. снижает динамические нагрузки, повышает надёжность механической части и т.д..?

Зачем нужно уменьшать М12 ?

Если с12 стремится к бесконечности то что это вам даёт ?

В каком случае двухмассовую систему можно заменить одномассовой и что при этом будет потеряно.

Как изменяется Мс2 по сравнению с Мс пр из лр№1 ?

.Объясните по пунктам , что делалось и что получено по ходу выполнения л/р.

Краткая характеристика двигателей ДПТ?

Устройство ДПТ-НВ средней и большой мощности?

Объясните как выводится уравнение статической электромеханической характеристик ДПТ?

Объясните, что именно моделирует каждый квадратик структурной схемы и почему?

Что такое противо-э.д.с., как работает и как моделируется?

Почему после пуска двигателя угловая скорость принимает конечное значение, а ток падает до нуля?

Какие динамические характеристики были получены ?

Какие статические характеристики были получены и как?

Что такое скорость идеального холостого хода и как рассчитывается?

Дайте краткую характеристику тормозным режимам ДПТ-НВ.

Объясните что изменится в структурной схеме, чтобы в качестве выходной величины

получить Iя вместо М.

От какого источника питается моделируемый двигатель:

а) с возможностью рекуперации т.е. возврата энергии в сеть ?

б) без рекуперации ?

Как смоделировать работу двигателя от другого источника?

Как влияет масса механизма на качество переходного процесса?

Почему обрыв цепи питания обмотки возбуждения считается для ДПТ-НВ аварийным режимом ?

Каков порядок вывода уравнения механической характеристики АД.

Что такое критическое скольжение и момент.

Перечислите искусственные характеристики АД.

Тормозные режимы АД.

Объясните принцип действия АД


^ 6.3. Перечень вопросов для выходного контроля студентов


1.Определение понятия ЭМС.

2. Расчётные схемы механической части электропривода. Формулы приведения. Особенности мех..части и основные расчётные схемы. Типовые статические нагрузки электропривода

3. Уравнение движения электропривода. Вывод для трёхмассовой, двухмассовой с учётом вязкого трения , одномасcовой.

4. Механическая часть электропривода как объект управления. Свойства двухмассовой системы с учётом вязкого трения по управляющему воздействию для ω1 и ω2. Построение ЛАЧХ.

5. Механические переходные процессы механической части электропривода. Объяснить как определяется время переходного процесса (пуск, реверс , торможение ) при прямоугольном изменении момента Мп.

6. Динамические нагрузки электропривода. Дать вывод уравнения упругого динамического момента и оценку влияния J1 на J2.

7. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения Устройство, принцип действия , вывод уравнений статических характеристик, понятие модуля жёсткости и статизма, Естественная хар-ка, искусственные характеристики. Способы . регулирования скорости. Тормозные режимы ДПТ-НВ. Динамические свойства ДПТ-НВ На основе уравнений построить структурную схему, дать выражение динамической жёсткости.

8. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения Устройство, принцип действия , вывод уравнений статических характеристики, естественные и искусственные характеристики, тормозные режимы. Способы регулирования скорости.


9. Двигатель постоянного тока смешанного возбуждения. Устройство, принцип действия, уравнения статических характеристик, особенности естественных и искусственных характеристик .Тормозные режимы

10. Асинхронный электродвигатель Устройство, принцип действия , вывод уравнений статических характеристик, естественные и искусственные характеристики, формулы скольжения и Клосса, тормозные режимы. Способы регулирования скорости.

11. Синхронный электродвигатель Устройство, принцип действия , вывод уравнения угловой характеристики естественные и искусственные характеристики . Тормозные режимы. U-образные характеристики. Динамические свойства.


^ 7.Учебно-методическое обеспечение дисциплины.


а) основная литература :


1. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М. Издательство МЭИ. 2003. – 224с.

2. Москаленко В. В. Электрический привод: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования - М.: Мастерство: Высшая школа, 2000. -368 с.

Ключев В. И. Теория электропривода: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 560с., ил.


б) дополнительная литература :


1. Терехов В.М.Элементы автоматизированного электропривода:

Учебник для вузов . - М.: Энергоатоиздат, 1987г.- 224 с: ил.

2. Справочник по электрическим машинам. Том 1. Под общей редакцией И.П. Копылова . 1988г.- 456с..

3. Ильинский Н.Ф. , Казаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1992.- 544с.:


^ 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины.


Для проведения лабораторных работ необходим компьютерный класс с IBM PC- совместимыми компьютерами и установленной программой Matlab 6. Минимальные системные требования: Intel Pentium 4, 3,4 ГГц, 64 Mb RAM, SVGA, ОС- Windows 2000 или выше.


^ 9.Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.


Перед изучением данной дисциплины полезно восстановить в памяти студентов необходимые положения механики и теории управления. В теоретической механике главное внимание следует уделить обобщенному описанию динамики механических систем помощью уравнений Лагранжа и соответствующим понятиям степеней свободы системы, обобщенных координат, обобщенных сил, их элементарной работы на возможных перемещениях и т. п. В теории управления необходимо рассмотреть частотные характеристики и переходные функции интегрирующего и колебательного звеньев, а также проверить знание
простейших приемов преобразования структурных схем и

определе­ния передаточных функций.


^ 10. Словарь терминов и персоналий


Электропривод определяется как электро­механическая система, состоящая из электро­двигательного, преобразовательного, переда­точного и управляющего устройств, предназ­наченная для приведения в движение испол­нительных органов рабочей машины и управ­ления этик движением

главный электропривод, обеспечивающий главное движение исполнительного органа рабочей машины или основную операцию процесса,

вспомога­тельный электропривод, обеспечивающий вспомогательное движение исполнительных органов рабочей машины или вспомогатель­ные операции процесса.

вращательный электропривод, электродвигательным устрой­ством которого является вращающийся э