Дипломная работа: Комп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
Міністерство
освіти і науки України
Вінницький
державний технічний університет
Інститут
автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління
Факультет
автоматики та комп’ютерних систем управління
ЗАТВЕРДЖУЮ
Зав. кафедри МПА ВДТУ,
д. т. н., професор
___________ В. О. Поджаренко
"___" _______________ 2009 р.
КОМП’ЮТЕРИЗОВАНА
ВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН З ГАЗОМАГНІТНИМ ПІДВІСОМ
Пояснювальна
записка
до
дипломного проекту за спеціальністю
7.091401
Системи управління та автоматики
08
03. ДП. 003. 00. 000 ПЗ
Керівник проекту
к. т. н., доц. П. І. Кулаков
"___" ____________ 2009 р.
Розробив студент гр. 1 АМ – 09
В. І. Козловський
"___" ____________ 2009 р.
Вінниця
ВДТУ 2009
ПОГОДЖЕНО
ЗАТВЕРДЖУЮ
Зав. кафедри МПА
ВДТУ,
д. т. н.,
професор
__________В. О.
Поджаренко
"___" ______________
2009 р.
ЗАВДАННЯ
на
дипломний проект зі
спеціальност
7.091401 – системи управління і автоматики
студент
групи 08 - 03. ДП. 008. 00. 000 ПЗ В. І. Козловський
Тема
проекту: "Комп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричних
машин з газомагнітним підвісом"
Вихідні дані. Діапазони
вимірювання параметрів: середнього і миттєвого значення кутової швидкості від
10 до 6500 рад/с; приведеного моменту інерції від 10-3 до 10-2
Н·м; амплітуди крутильних коливань від 10-5 до 2·10-4
рад; Відстань від первинного вимірювального перетворювача до комп’ютера – не
більше 2 метрів. Визначення: середньої кутової швидкості, миттєвої кутово
швидкості, приведеного моменту інерції, амплітуди крутильних коливань. Зведен
похибки вимірювань комп’ютерної системи: середнього значення кутової швидкост
1%; миттєвого значення кутової швидкості – 5%; приведеного моменту інерц
10 %; амплітуди крутильних коливань – 7 %. Результат представлення вимірювано
нформації у вигляді числового подання на екран монітора персонального
комп’ютера.
Короткий
зміст частин проекту
1 Графічна Комп’ютеризована вимірювальна система
параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом. Схема електрична
структурна. Комп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричних машин
з газомагнітним підвісом. Схема електрична принципова. Первинний вимірювальний
перетворювач параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом. Схема
електрична принципова. Комп’ютеризована вимірювальна система параметрів
електричних машин з газомагнітним підвісом. Схема програми. Комп’ютеризована
вимірювальна система параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом.
Складальне креслення.
2 Текстова
(пояснювальна записка). Огляд аналогів розробляємої системи. Техніко-економічне
обґрунтування доцільності проектування. Розробка комп’ютеризовано
вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом.
Розробка структурної схеми. Розробка принципової схеми. Вибір елементної бази.
Розрахунок метрологічних характеристик. Розробка алгоритмічного та програмного
забезпечення. Електричні розрахунки. Економічна частина. Охорона праці.
Цивільна оборона.
Консультанти з
окремих розділів дипломного проекту:
1 Спец.
частина _______________________к.т.н., доцент__________
підпис
Вчений ступінь, вчене звання (посада)
_________П.
І. Кулаков__________
ініціали
та прізвище
"_____"
___________ 2009 р.
2 Економічна
частина _______ _______________ асистент________
підпис
Вчений ступінь, вчене звання (посада)
Т.
К. Мещерякова_____
ініціали
та прізвище
"_____"
___________ 2009 р.
3 Охорона
праці _______ __________к. т. н., доцент______________
підпис
Вчений ступінь, вчене звання (посада)
В. П. Якубович
ініціали
та прізвище
"_____"
___________ 2009 p.
4 Цивільна
оборона ________ к. т. н., доцент__________________
підпис
Вчений ступінь, вчене звання (посада)
В.
Ф. Сакевич
ініціали
та прізвище
"____"
_____________2009p.
Дата попереднього
захисту проекту 17.06.2009 р.
Офіційний рецензент _______ к.т.н., ст. викл. каф. ЛОТ ВДТУ___
підпис
Посада, організація (місце роботи)
М. Г. Тарновський
ініціали
та прізвище
"___"
__________ 2009 p.
Завдання видав керівник проекту _______ ___ к. т. н., доцент________ підпис
Вчений ступінь, вчене звання (посада)
П. І. Кулаков
ініціали
та прізвище
"_____"
___________ 2009 p.
Завдання отримав
студент _______ В. І.
Козловський
підпис
ініціали та прізвище
"_____"
___________ 2009 p.
Примітка:
Завдання на дипломний проект є підставою для розробки технічного завдання.
Зміст
Анотація
Annotation
Вступ
1. Огляд аналогів розробляємої комп’ютеризованої вимірювальної системи
параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
2. Техніко-економічне обґрунтування доцільност
розробки комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з
газомагнітним підвісом
2.1 Особливості вимірювання параметрів електричних
машин з газомагнітним підвісом
2.2 Проведення маркетингових досліджень
2.3 Розробка вимог до розробляємої системи
2.4 Порівняльна характеристика розробляємої системи
3. Розробка структурної схеми комп’ютеризованої вимірювальної системи
параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
4. Розробка принципової схеми комп’ютеризованої вимірювально
системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
4.1 Аналіз лінійного фотоприймача
4.1.1 Розробка первинного вимірювального перетворювача
4.2 Розробка пристрою спряження перетворювача з ПЕОМ
5. Електричні розрахунки
5.1 Розрахунок компаратора напруг
5.2 Електричний розрахунок генератора
прямокутних імпульсів, що запускає АЦП
5.3 Електричний розрахунок лінійних фотоприймачів
6. Розробка схеми програми роботи
комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним
підвісом та програмного забезпечення
6.1 Розробка схеми програми роботи пристрою
6.2 Розробка програмного забезпечення
7. Розрахунок похибок вимірювання комп’ютеризованої вимірювально
системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
7.1 Розрахунок похибок вимірювання моменту інерції
7.2 Розрахунок похибки вимірювання кутової швидкості
8. Економічна частина
8.1 Розрахунок витрат на розробку і впровадження комп’ютеризовано
вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
8.2 Розрахунок виробничої собівартості комп’ютеризованої вимірювально
системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
8.3 Розрахунок ціни реалізації нового технічного рішення
8.4 Розрахунок чистого прибутку для виробника
8.5 Розрахунок експлуатаційних витрат для нового пристрою
8.6 Розрахунок економічного ефекту на експлуатаційних витратах для
споживача
8.7 Розрахунок економічного ефекту на ціні для споживача від придбання
нового пристрою
8.8 Розрахунок терміну окупності витрат
9. Охорона праці
9.1 Характеристика об’єкта, що проектується
9.2 Погіршення стану здоров’я користувачів ЕОМ, як
пов’язані зі стресом
10. Оцінка стійкості роботи
комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин газомагнітним
підвісом в умовах дії іонізуючих та електромагнітних випромінювань
10.1 Дія іонізуючих випромінювань та електромагнітного імпульсу на
радіоелектронні системи
10.2 Оцінка стійкості роботи комп’ютеризованої вимірювальної системи
параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом в умовах дії іонізуючих
випромінювань
10.3 Оцінка стійкості роботи комп’ютеризованої вимірювальної системи
параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом в умовах д
електромагнітного імпульсу
Висновки
Список літератури
Додатки
Додаток А (обов’язковий) Технічне завдання на дипломне проектування
Додаток Б (обов’язковий) Фрагмент програми вимірювання та контролю моменту інерції
Додаток В (обов’язковий) Комп’ютеризована вимірювальна
система параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
Перелік елементів
Анотація
У дипломному
проекті розроблено комп’ютерний пристрій для контролю
моменту інерціі ротора синхронної гістерезисної електричної машини з
газомагнітним підвісом ротора. Розроблено високоточний первинний перетворювач
амплітуди крутильних коливань та вимірювальний канал на основ
аналого-цифрового перетворювача, дані з виходу якого передаються через порт до
ПЕОМ, де обчислюється значення моменту інерції та здійснюється його контроль.
Розраховано похибку вимірювання моменту інерції та показники достовірності його
контролю.
Також у дипломному проект
проведено розрахунок економічного ефекту від впровадження пристрою у
виробництво та розглянуто питання охорони праці та екології.
Annotation
In the degree project the computer device for monitoring a moment of
inertia of a curl of the synchronous hysteresis electrical machine of the
machine gas-magnetic hanger of a curl is developed. The precision primary
converter of amplitude of torsional oscillations and measuring channel is
developed on the basis of an analog-to-digital converter, the datas from which
exit are transmited through a port to the computer, where the value of a moment
of inertia is evaluated and its monitoring is carried out. The measuring error
of a moment of inertia and indexes of reliability of its monitoring is
calculated.
Also in the degree project the account of economic
benefit from introduction of the device in manufacture is carried out and are
considered of a question of protection of work and ecology.
Вступ
Момент
нерції ротора будь-якої електричної машини є однією з найважливіших
характеристик. На жаль, вимірювання та контроль цього параметру електричних
машин трудомісткий і в умовах промислового виробництва а також в процес
періодичного контролю стану електричних машин не завжди виконується.
Промисловістю
не випускаються засоби автоматизованого контролю та вимірювання моменту
нерції. Це приводить до відносно високого проценту браку при виробництв
машин.
В теперішній
час бажано мати пристрій, здатний здійснювати контроль та вимірювання моменту
нерції без знімання електричної машини з місця її роботи.
Величина моменту
нерції 
ротора електричних машин
суттєво впливає на виміряне значення динамічного моменту 
, оскільки останній
невід’ємною складовою частиною під час встановлення залежності 
і в процесі отримання
динамічної механічної характеристики 
.
Розрахунков
методи визначення 
характеризуються
досить низькою точністю, тому на практиці застосовуються рідко. Найбільш
розповсюдженими є експериментальні методи : допоміжного маятника; крутильних
коливань; самогальмування.
Суттєвим
недоліком перших двох експериментальних методів є невисока точність та
складність автоматизації процесу вимірювання.
Окрім
того, їх не можна застосовувати при вимірюванні моменту інерції ротора
електричних машин з безконтактним підвісом ротора, тому як у таких машинах
використовується примусове гальмування ротору в процесі зупинки машини.
Високоточний
контроль та вимірювання кутової швидкості має велике значення не тільки при
випробуваннях електричних машин (ЕМ), а в багатьох випадках і під час їх
роботи. Це стосується систем точних приводів, систем автоматики, у яких ЕМ
складовими компонентами, систем, у яких відбувається керування електроприводами.
Специфічною
особливістю тахометрії є вимога високої точності вимірювання: в більшост
випадків вимірювання швидкостей повинні виконуватись з точністю на один-два
порядку вище, ніж вимірювання інших параметрів руху. В останній час ця вимога
накладається ще на динамічний режим роботи тахометра, обумовлюючи ще одну
вимогу - високу швидкодію.
Дуже важливим
елементом вимірювального кола кутової швидкості є тахометричний перетворювач. В
сучасних вимірюваннях, в основному використовуються два види тахометричних перетворювачів
- частотні та амплітудні, інформативними параметрами вихідного сигналу яких є,
відповідно, частота (період) та амплітуда.
Нині найточнішими
вважаються дискретні методи вимірювання кутової швидкості. Вони ґрунтуються на
квантуванні сигналів за рівнем та дискретизації у часі [1].
Для
більшості електродвигунів, які працюють у різноманітних пристроях автоматики,
системах точних електроприводів, різноманітних побутових пристроях, динамічний
режим є основним режимом їх роботи. Велике значення, особливо для апаратури
відео та звукозапису, систем автоматики, має високоточне вимірювання відхилень
кутової швидкості електродвигуна від номінального значення.
Широке
застосування математичних моделей електродвигунів обумовлює необхідність
перевірки їх адекватності. Це краще за все робити шляхом порівняння
розрахункової динамічної характеристики з експериментальною.
В
останній час з’явилось багато наукових праць, що присвячені ідентифікац
параметрів електродвигунів за їх математичними моделями, що дозволяє значно
скоротити час їх випробувань. Використовуємі при цьому алгоритми обумовлюють
необхідність високоточного вимірювання динамічних характеристик
електромеханічних перетворювачів енергії (ЕМПЕ).
Незважаючи на те,
що відома велика кількість різноманітних тахометрів, тахометричних
перетворювачів, багато з яких може бути застосовано для високоточного контролю
середнього значення кутової швидкості, вітчизняна промисловість таких пристроїв
не випускає. Це обумовлює необхідність розробки
високоточного пристрою для вимірювання та контролю середнього значення кутово
швидкості.
1 Огляд
аналогів розробляємої комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів
електричних машин з газомагнітним підвісом
Вирішення
проблеми підвищення продуктивності механізмів та машин, що нерозривно пов’язане
з проблемою підвищення швидкості робочих органів механізмів, провідні фірми
світу знаходять у використанні безконтактного підвісу роторних систем. Відом
три типи безконтактних підвісів роторних систем - газовий, магнітний, газомагнітний.
Порівняльна характеристика трьох типів безконтактних підвісів дозволяє оцінити
х переваги та недоліки, перспективність подальшого розвитку, вибрати об’єкт
контролю.
Широко
розповсюдженим типом безконтактного підвісу роторних систем є газовий підвіс.
Однією з найважливіших характеристик безконтактного підвісу є момент тертя та
потужність витрат на тертя. Витрати на тертя у газових підшипниках виникають за
рахунок в’язкого тертя усередині шару газоподібного мастильного матеріалу.
Момент тертя концентричного радіального газового підшипника визначається
виразом [1]
, (1.1)
де 
- динамічна в’язкість
газоподібного мастильного матеріалу,
R - радіус
підшипника,
L - довжина
підшипника,
С - середній
радіальний зазор,
- кутова швидкість.
Момент тертя у
симетрично навантажених газових підшипниках з гладкими поверхнями [1]
, (1.2)
де r0
та ri - зовнішній та внутрішній радіуси підшипника,
h - зазор між
поверхнями.
З виразів (1.1)
та (1.2) видно, що внаслідок малої в’язкості 
газу
у мастильному шарі, момент тертя та втрати на тертя дуже малі. Газов
підшипники, жорсткість яких набагато вище жорсткості підшипників кочення [2],
уступають їм у відношенні несучої здатності. Швидкохідність газових підшипників
визначається швидкістю шейки валу, максимальне значення якої складає 300-350
м/с. Основною причиною, що обмежує швидкохідність ротору на газових
підшипниках, є його динамічна нестійкість, що виникає при появ
напівшвидкісного вихору або синхронного вихору, що обумовлено дисбалансом
ротора. До недоліків газових підшипників, що обмежують їх використання, слід
віднести явище нестійкості типу «пневматичний молот», що обумовлено
стискуємістю газового шару [3].
Одним з методів
реалізації безконтактного підвісу роторних систем є магнітний підвіс, втрати на
тертя в якому обумовлені взаємодією вихрових струмів, що виникають в цапф
ротору при його обертанні, з магнітним полем елементів, що забезпечують підвіс.
Із визначення втрат на тертя у магнітному підвісі випливає, що струм статору
ЕМ, що збільшується при збільшенні кутової швидкості обертання ротора, збільшу
вихорові струми у цапфі ротора, що обумовлює збільшення втрат на тертя. Момент
тертя магнітного підвісу визначається:
, (1.3)
де J - момент
нерції ротора відносно його вісі обертання,
t - час.
Втрати потужност
на тертя визначаються у вигляді
. (1.4)
Аналіз виразів (1.3) та (1.4)
показує, що момент тертя збільшується прямо пропорційно кутовому прискоренню, а
втрати потужності збільшуються із збільшенням кутової швидкості. Останн
суттєвим недоліком магнітного підвісу, що значно обмежує його швидкохідність.
Жорсткість магнітного підвісу менше жорсткості підшипників кочення та
зменшується при збільшенні частоти обертання. При значному збільшенні частоти
обертання у високошвидкісних роторних механізмах жорсткість магнітного підвісу
прямує до нуля, що обумовлює втрату стійкості. Слід зазначити, що магнітний
підвіс за своєю природою є нестійкою системою, стійкий підвіс одного магніту у
полі другого неможливий. Стійкість магнітного підвісу забезпечується тільки при
введенні системи автоматичного регулювання напруженості магнітного поля та
щільності магнітного потоку збудження, що дозволяє компенсувати зміну положення
тіла, що підвішується, та діючих на нього сил. Усі наведені вище недоліки
магнітного підвісу обмежують його використання у високошвидкісних роторних
системах. Тому такі системи з магнітним підвісом не знайшли широкого
використання у промисловості.
Дослідження у напрямку компенсац
недоліків газового та магнітного підвісів привели до створення систем
магнітного розвантаження газового підвісу, тобто газові сили, які відштовхують
ротор від статора, та магнітні сили, які притягують ротор до статора,
взаємокомпенсуються та забезпечують стійкість системи. Слід зазначити, що таке
поєднання не звільняє від динамічної нестійкості газового шару при появі напівшвидкісного
та синхронного вихорів та не змінює характер залежності параметрів магнітного
підвісу (моменту тертя, втрат на тертя, жорсткості) від частоти обертання,
тобто не звільняє від недоліків газового та магнітного підвісів.
Приведений коефіцієнт тертя
прецизійних опор кочення високошвидкісних роторних механізмів достатньо великий
та може змінюватись в межах від 0,002 (для шарикопідшипників) до 0,01 (роликов
підшипники) [1]. Аналогічний показник газових опор складає 0,0001 та
визначається в основному тільки в’язким тертям усередині шару газової змазки
[1]. Приведений коефіцієнт тертя магнітних опор обумовлений гальмівним ефектом
магнітного поля, а момент тертя та втрати потужності на тертя збільшуються із
збільшенням частоти обертання. Приведений коефіцієнт тертя газомагнітної опори
може бути рівний аналогічному параметру газових опор та практично не залежить
від частоти обертання.
Швидкохідність
високошвидкісних роторних механізмів з прецизійними опорами кочення обмежена
значними втратами на тертя та не перевищує 2,5 10 5 хв-1
при короткочасному ресурсі роботи та 4 10 4 хв-1 при
довгостроковому. Швидкохідність роторних механізмів з газовими опорами може
досягати значення 6,5 106 хв-1 [2]. Перевищення вказано
швидкості приводить до появлення динамічної нестійкості опори, що проявляється
у вигляді напівшвидкісного або синхронного вихорів. Швидкохідність магнітного
підвісу, що перевищує швидкохідність газового підвісу, обмежена різко
зростаючими при збільшенні частоти обертання втратами на тертя. Швидкохідність
газомагнітної опори практично обмежена механічною міцністю обертаючихся вузлів
роторного механізму та може значно перевищувати швидкохідність газових чи
магнітних опор.
Жорсткість опор кочення значно
поступається аналогічному параметру газових опор, що обумовлюється більшою
різницею площин, що передають навантаження від валу до корпусу опори, а також
великою кількістю зазорів в опорах кочення. Жорсткість магнітних опор,
поступається аналогічному параметру опор кочення, зменшується при збільшенн
частоти обертання та прямує до нуля. Жорсткість газомагнітної опори значно
перевищує жорсткість газової опори. Це обумовлено тим, що площа газомагнітно
опори, що передає навантаження, дорівнює площі поверхні ротору та значно
перевищує площу робочої поверхні газової опори. Окрім того, жорсткість газомагнітно
опори є сумою жорсткості газового шару та магнітного поля, що створює магнітн
сили навантаження газового шару.
Стійкість є одним з найбільш слабких
місць газових опор, що зв’язано з явищами напівшвидкісного та синхронного
вихорів, а також з явищем «пневмомолотка» [3], які приводять до порушення шару
газової змазки, і як наслідок, до появлення безпосереднього торкання робочих
поверхнею та виходу газового підшипника із строю. Стійкість магнітних опор, яка
знижується при підвищенні частоти обертання, забезпечується зовнішньою системою
автоматичного керування та давачами величини зазору. Газомагнітний підвіс
стійкою системою, якій придатні властивості саморегулювання та адаптивності до
зміні зовнішнього навантаження, чого не мають інші опори.
Демпфування коливань ротору в
газомагнітному підвісі значно перевищує аналогічний параметр роторних
механізмів з газовими чи магнітними опорами. Особливістю газомагнітного підвісу
адаптивність його демпфучих властивостей до зміни зовнішнього навантаження.
Віброакустична активність,
