акс


-299085-121285МИХАЙЛОВСКАЯ ВОЕННАЯ АРТИЛЛЕРИЙСКАЯ АКАДЕМИЯКафедра ракетных комплексов и РСЗО
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Основы электропривода»
курсанта _131____ взвода _Аксиньин Алексей Владимирович
(Фамилия, Имя, Отчество)

Тема: Проект электропривода вращающейся части БМ РСЗО
Руководитель проекта: преподаватель кафедры, кандидат технических наук
подполковник В. Могиленко
Санкт-Петербург – 2015 г.
00МИХАЙЛОВСКАЯ ВОЕННАЯ АРТИЛЛЕРИЙСКАЯ АКАДЕМИЯКафедра ракетных комплексов и РСЗО
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Основы электропривода»
курсанта _131____ взвода _Аксиньин Алексей Владимирович
(Фамилия, Имя, Отчество)

Тема: Проект электропривода вращающейся части БМ РСЗО
Руководитель проекта: преподаватель кафедры, кандидат технических наук
подполковник В. Могиленко
Санкт-Петербург – 2015 г.
МИХАЙЛОВСКАЯ ВОЕННАЯ АРТИЛЛЕРИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра ракетных комплексов и РСЗО
УТВЕРЖДАЮ
Начальник кафедры
полковник А. Девликамов«____» _______________ 2015 г.
ЗАДАНИЕ
на выполнение курсового проекта
по дисциплине «Основы электропривода»
курсанту __131___ взвода __Аксиньину Алексею Владимировичу
(Фамилия, Имя , Отчество)
№ темы и ее наименование: Проект электропривода вращающейся части
2. Тема утверждена на заседании кафедры «___» __________ 200_ г. Протокол № ____.
Целевая установка:
На основе анализа достоинств и недостатков существующих реализаций электроприводов в штатной ракетной технике, энергетических закономерностей в проектируемой электромеханической системе осуществить энергетический расчет электропривода для достижения заданных свойств привода.
4. Исходные данные:
МНТ = 110 а1=570 JН =850 wн max = 44 εн max = 25
5. Основные вопросы темы:
1. Общее определение электрического привода и назначение разрабатываемого привода.
2. Описание функциональной схемы привода.
3. Краткое описание принципа действия привода.
4. Расчетная часть:
5. Выбор двигателя.
6. Выбор электромашинного усилителя
7. Определение оптимального передаточного отношения редуктора, числа ступеней зубчатого зацепления и распределение передаточного отношения редуктора по ступеням зацепления.
8. Построение механических характеристик привода (совмещенных характеристик двигателя и нагрузки).
9. Определение жесткости механических характеристик привода.
10. Определение КПД привода при максимальной нагрузке.
6. Документы, подлежащие разработке:
- пояснительная записка объемом 20 листов;
- плакаты (компьютерные слайды) - 4.
7. Срок представления курсового проекта: «___» ______________ 201___года.
Руководитель: преподаватель кафедры, КТН подполковник _________________ В. Могиленко«____» ______________ 2015 года
Задание принял к исполнению_______________________________________________________
(дата, воинское звание и подпись курсанта)
СОДЕРЖАНИЕ
TOC \o "1-3" \h \z \u ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ4
ВВЕДЕНИЕ5
1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ6
1.1 Требования, предъявляемые к приводам наведения ракетно-артиллерийс-кого вооружения6
1.2 Функциональная схема электропривода9
1.3 Принципиальная электрическая схема электропривода11
Выводы17
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРОПРИВОДА БОЕВОЙ МАШИНЫ 18
2.1 Приведение статических моментов и моментов инерции18
2.2 Выбор исполнительного двигателя и передаточного отношения редуктора ………………………………………………………………………...19
2.3 Выбор электромашинного усилителя22
2.4 Параметрический синтез редуктора24
2.5 Построение механических характеристик привода 25
2.6 Оценка устойчивости привода. Расчет пусковых характеристик привода30
Выводы33
3 расчет электрического привода34
Выводы44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ45
ПРИЛОЖЕНИЯ46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ50


ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙБМ – боевая машина
ЗУ – задающее устройство
ИД – исполнительный двигатель
ИМ – исполнительный механизм
КПД – коэффициент полезного действия
ПУ – предварительный усилитель
Р – редуктор
РАВ – ракетно-артиллерийское вооружение
РСЗО – реактивная система залпового огня
СТС – сложная техническая система
УМ – усилитель мощности
УУ – усилительное устройство
ЭП – электрический привод
ЭДС – электродвижущая сила
ЭМУ – электромашинный усилитель

ВВЕДЕНИЕПроектирование комплекса ракетно-артиллерийского вооружения (РАВ) – очень сложный, дорогостоящий и длительный процесс.
Современные комплексы ракетно-артиллерийского вооружения являются сложными электромеханическими системами, имеющими в своем составе большое количество электроприводов (ЭП), выполняющих важную роль в составе механизмов и систем РАВ. В современных условиях возрастают требования к точности и эффективности применения образцов РАВ, что обуславливает внедрение инженерно-технических решений, полученных путем реализации новых физических принципов. Это приводит к повышению требований к эффективности функционирования ЭП, а, следовательно, к усложнению его структуры и расширению функциональных возможностей.
Именно поэтому вопросам проектирования ЭП уделяется столь пристальное внимание. Целью курсового проекта является выполнение энергетического расчета электропривода для достижения заданных свойств привода на основе анализа достоинств и недостатков существующих реализаций электроприводов в штатной ракетной технике, энергетических закономерностей в проектируемой электромеханической системе.
Объем пояснительной записки курсового проекта – 51 л., из них введение, 3 раздела и заключение составляют 41 л., среди которых: рисунки - 6 шт., таблицы – 1 шт., остальной объем работы образуется за счет списка литературы из 14 наименований и 3–х приложений.
1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ1.1 Требования, предъявляемые к приводам наведения
ракетно-артиллерийского вооруженияСовременные комплексы ракетно-артиллерийского вооружения (РСЗО, ПТРК, САО и др.) являются сложными электромеханическими системами, имеющими в своем составе большое количество электрооборудования. Составной частью этого электрооборудования является ЭП, выполняющий важную роль в составе механизмов и систем боевой машины.
Электропривод РАВ должен отвечать следующим требованиям:
развивать мощность, достаточную для преодоления суммарных нагрузочных моментов, действующих на объект управления в процессе слежения;
обеспечивать широкий диапазон регулирования по скорости и плавность наведения на низких скоростях слежения за целями;
обладать достаточной степенью устойчивости при заданном качестве переходных процессов;
обеспечивать заданную динамическую точность в основных режимах работы и контроль исправности ЭП;
обеспечивать выполнение заданных требований при минимальном весе, габаритах и стоимости.
К приводам наведения ракетно-артиллерийского вооружения предъявляется ряд специфических требований:
Скорость наведения. Привод наведения должен обеспечивать как точное наведение вооружения на цель, так и быстрый перенос огня с одной цели на другую. Минимальная скорость наведения ωмин выбирается из условия обеспечения точной наводки.
Как правило, ωмин=0,07…0,15 градс. Максимальная скорость должна обеспечивать возможность быстрого переноса огня с одной цели на другую и наведения на цель при необходимости стрельбы с ходу.
Обычно для привода вертикального наведения принимают ωмаксверт=5…7, а для привода горизонтального наведения – ωмаксгор=24…25градс.
Кратность регулирования, т.е. отношение максимальной скорости наведения к минимальной должна составлять 50-150 для приводов вертикального наведения и 200-500 для приводов горизонтального наведения.
Регулировочная характеристика.
Привод должен обеспечивать плавное регулирование скорости, особенно в диапазоне скоростей наведения от ωмин до ω1=2…3 градс. Ступенчатое регулирование допустимо только при переходе к максимальной скорости наведения от ω2 до ωмакс.Типовые регулировочные характеристики приводов наведения, т.е. зависимости скорости ω от угла поворота φ рукоятки управления (потенциометра), изображены на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 - Типовые регулировочные характеристики приводов наведения
1 – регулировочная характеристика привода горизонтального наведения
2 – регулировочная характеристика привода вертикального наведения
Регулировочная характеристика привода горизонтального наведения (кривая 1) имеет зону нечувствительности и три рабочих участка, соответствующих плавному наведению, грубому наведению и переносу огня.
Регулировочная характеристика привода вертикального наведения (кривая 2) имеет только два рабочих участка (участок плавного наведения и участок грубого наведения), так как кратность регулирования здесь требуется значительно меньшая.
3. Точность регулирования. Для обеспечения точного наведения вооружения на цель необходимо, чтобы заданная скорость наведения не изменилась при воздействии на привод различных возмущений, например таких, как изменение момента сопротивления пакета труб, изменение напряжения питания и других. Повышение точности регулирования достигается применением автоматизированных приводов, которые обладают жесткими механическими характеристиками ωМ и практическими нечувствительны к колебаниям момента сопротивления и другим внешним возмущениям.
4. Динамические показатели привода. Приводы наведения работают главным образом в переходных режимах. Чем быстрее протекают процессы, тем быстрее можно навести вооружение на цель. Время разгона исполнительного двигателя привода до максимальной скорости недолжно превышать 5,5…2,2 с, а время торможения с максимальной скорости до полной остановки - 0,5 с. Переходный процесс может быть апериодическим или колебательным. С точки зрения быстродействия привода оптимальным следует считать затухающий колебательный процесс с одним-двумя переходами через установившееся значение.
5. Удобство и легкость управления. Рукоятки управления должны быть расположены удобно, их движение должно соответствовать естественным рефлексам наводчика. Усилие на рукоятках управления должно быть в пределах 10…30 Н (примерно 1…3 кг*с).
Схема управления должна обеспечивать возможность быстрого перехода с одного вида управления на другой: с автоматического на ручное и обратно.
6. Эксплуатационные свойства. Привод наведения должен:
быть надежным в работе и простым в обслуживании;
допускать замену агрегатов и элементов без специальных сложных регулировок;
обеспечивать удобство контроля исправности и быстроту исправления повреждения;
иметь минимальные габариты и вес.
1.2. Функциональная схема электроприводаПроектируемый ЭП предназначен для наведения по азимуту вращающейся части и углу возвышения качающейся части боевой машины РСЗО. Информационный канал ЭП представлен задающим устройством (ЗУ). Силовой канал состоит из усилительного устройства (УсУ), исполнительного двигателя (ИД) и передаточного устройства (ПУ). Нагрузкой (рабочим механизмом (РМ)) привода является артиллерийская часть (АЧ) изделия.
Электропривод выполнен по системе «генератор-двигатель». Функциональная схема электропривода приведена на рисунке 1.2.
-228600217170UОС1
UОС2
φ UЗАД UПрУ UA ωД ωН
УсУ
ЗУ
ПрУУМ
ИД
ПУ
РМ
00UОС1
UОС2
φ UЗАД UПрУ UA ωД ωН
УсУ
ЗУ
ПрУУМ
ИД
ПУ
РМ

Рис.1.2 - Функциональная схема электропривода
Сокращения: ЗУ – задающее (управляющее) устройство; УсУ – усилительное устройство; ПрУ – предварительный усилитель; УМ – усилитель мощности; ИД – исполнительный двигатель; ПУ – передающее устройство (редуктор); РМ – рабочий механизм (пакет труб).
Электропривод включает следующие функциональные узлы:
Задающее (управляющее) устройство (ЗУ) – электрическое устройство, предназначенное для управления преобразовательным и (или) электродвигательным, и (или) передаточным устройством. Оно состоит из потенциометра и соединенного параллельно с ним делителя напряжения. Требуемая скорость вращения РМ задается оператором вручную, поворотом ручки потенциометра на угол φ. При этом на выходе ЗУ формируется задающее напряжение UЗАД.
Усилительное устройство (УсУ) – это электротехническое устройство, преобразующее род тока и (или) изменяющее показатели качества электрической энергии, предназначенное для создания управляющего воздействия на исполнительный электродвигатель. Состоит из предварительного усилителя ПрУ (вибрационный усилитель) и усилителя мощности УМ (электромашинный усилитель). Вибрационный усилитель усиливает задающее напряжение до величины UПрУ, мощность которой достаточна для управления электромашинным усилителем, который, в свою очередь, усиливает его до напряжения UА. Мощность усиленного сигнала достаточна для работы исполнительного двигателя.
Для обеспечения устойчивой работы привода на малых (доводочных) скоростях наведения, а также для уменьшения времени разгона и торможения привода (форсирование переходных процессов), в УУ предусмотрены две отрицательные обратные связи (сигналы UОС1 и UОС2).
Исполнительный двигатель (ИД) – это устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в механическую. В рассматриваемом приводе представляет собой электрическую машину постоянного тока независимого возбуждения. Он преобразует подведенную к нему от УУ электрическую энергию в виде сигнала UА в механическую энергию вращения вала, характеризуемую угловой скоростью ωД.
Передаточное устройство ПУ (редуктор) – это устройство, предназначенное для передачи механической энергии от ИД, характеризуемой угловой скоростью ωД, к рабочему механизму (ωН) и согласования вида и скоростей их движения (вращательное-вращательное). Оно представляет собой многоступенчатый цилиндрический редуктор.
Рабочий механизм (РМ) – это артиллерийская часть боевой машины РСЗО, которая предназначена для ведения стрельбы реактивными снарядами. РМ имеет две степени свободы, т.е. две независимые координаты, и может посредством двух конструктивно идентичных приводов независимо вращаться в горизонтальной и вертикаль плоскостях.
Рассматриваемая система электропривода позволяет осуществлять регулирование скорости наведения АЧ с кратностью регулирования до 200. 1.3. Принципиальная электрическая схема и описание работы электроприводаПринципиальные электрические схемы ЭП горизонтального и вертикального наведения артиллерийской части БМ РСЗО одинаковы и приведены на рисунке 1.3. При наведении АЧ БМ РСЗО ЭП работает следующим образом.
При повороте маховика пульта управления движок потенциометра R1 смещается относительно среднего (нейтрального положения) и на основную обмотку ОР1 вибрационного усилителя – поляризованного реле (ВибрУ) РП-5 подается управляющее напряжение, величина которого тем больше, чем больше угол отклонения маховика пульта управления от нейтрального положения, а полярность управляющего напряжения зависит от направления поворота маховика. Ток, протекающий в обмотке ОР1 ВибрУ, вызывает притяжение якоря Я к контакту Л или П в зависимости от того направления поворота маховика пульта управления.
2063750183515б
00б
587375129540ОК1
00ОК1

60325-292100а
ИД
Я
R1
R2
+28 В
С
ОУ3
ОУ2
ОУ1
ЭМУ
Р1
ОР1
Р1
ОР2
П
Л
ОВИД
00а
ИД
Я
R1
R2
+28 В
С
ОУ3
ОУ2
ОУ1
ЭМУ
Р1
ОР1
Р1
ОР2
П
Л
ОВИД

1891030149860РП-5
00РП-5

Рисунок 1.3 - Принципиальная электрическая схема привода
Якорь Я замыкает цепь питания соответствующей обмотки ОУ1 или ОУ2 электромашинного усилителя (ЭМУ).
Усилитель возбуждается, и на выходе его появляется напряжение, которое подается на якорь исполнительного двигателя. В цепи «якорь электромашинного усилителя – якорь исполнительного двигателя» появляется ток, вызывающий вращение исполнительного двигателя ИД. По мере разгона в якоре ИД появляется постепенно нарастающая электродвижущая сила.
Напряжение обратной связи от точек а и б начинает воздействовать на основную обмотку ОР1 встречно с управляющим напряжением. По мере разгона исполнительного двигателя результирующее напряжение и ток в основной обмотке ОР1 поляризованного реле уменьшаются. Когда скорость вращения исполнительного двигателя достигнет определенного значения, напряжение на основной обмотке ОР1 поляризованного реле уменьшится до такой малой величины (несколько десятых долей вольта), что контакты поляризованного реле размыкаются (якорь Я устанавливается в среднее положение). При этом обмотка управления ОУ1 (ОУ2) электромашинного усилителя отключается от источника, и скорость вращения ИД начинает уменьшаться.
С уменьшением скорости вращения ИД уменьшается противоэлектродвижущая сила ИД, а значит, и напряжение обратной связи. Результирующее напряжение, действующее на основную обмотку ОР1 поляризованного реле, возрастает. Небольшое увеличение его вызывает повторное замыкание контактов реле, через которые обмотка управления ОУ1 (ОУ2) ЭМУ вновь присоединяется к источнику напряжения. Ток в ней, напряжение ЭМУ и скорость вращения ИД вновь увеличиваются до тех пор, пока снова не произойдет размыкание контактов в РП-5. Вследствие этого напряжения ЭМУ и скорость вращения ИД колеблются около некоторого среднего значения.
При увеличении угла поворота маховика пульта управления движок потенциометра переместится так, что управляющее напряжение, приложенное к основной обмотке ОР1 поляризованного реле, увеличится, контакты поляризованного реле при этом останутся замкнутыми.
Ток в обмотке управления, напряжение ЭМУ и скорость ИД увеличиваются. Вследствие нарастания скорости ИД и напряжения обратной связи результирующее напряжение, действующее на основную обмотку ОР1 поляризованного реле, вновь уменьшается до прежнего, очень малого значения, контакты поляризованного реле размыкаются, и начинается их вибрация. Напряжение ЭМУ и скорость ИД колеблются около нового среднего значения. Таким образом, изменяя угол поворота маховика пульта управления, можно задавать скорость вращения исполнительного двигателя.
В системе имеется дополнительная обратная связь по току управления ЭМУ. Она создается с помощью вспомогательной обмотки ЭМУ ОУ3 и вспомогательной обмотки ОР2 поляризованного реле. Они соединены между собой, как показано на рисунке 1.3.
Действует эта обратная связь следующим образом. Все обмотки управления электромашинного усилителя находятся на его полюсах и связаны с продольным магнитным потоком. Если контакты П и Я поляризованного реле замкнуты, то обмотка управления ОУ1 электромашинного усилителя присоединена к источнику тока, и ток в ней увеличивается. Увеличивается и продольный магнитный поток электромашинного усилителя. В обмотке ОУ3 он индуктирует электродвижущую силу самоиндукции.
Эта электродвижущая сила наводит в обмотке ОУ3 электромашинного усилителя ток, который, проходя по вспомогательной обмотке ОР2 поляризованного реле, создает намагничивающую силу, действующую противоположно намагничивающей силе основной обмотки ОР1 поляризованного реле.
Общий магнитный поток обмоток реле уменьшается, контакты П и Я размыкаются, и обмотка ОУ1 ЭМУ отключается от источника тока. Ток в ней начинает уменьшаться, что приводит к уменьшению продольного магнитного потока ЭМУ. Следовательно, намагничивающие силы обеих обмоток ОР1 и ОР2 реле совпадают по направлению, общий магнитный поток обмоток реле увеличивается, и контакты П и Я вновь замыкаются. Таким образом, при наличии обратной связи по току управления колебания якоря реле следуют за колебаниями тока в обмотке управления электромашинного усилителя.
Каждое изменение управления происходит раньше изменения скорости вращения исполнительного двигателя. Поэтому частота вибрации значительно увеличивается, колебания тока управления получаются небольшими (колебания напряжения электромашинного усилитель еще меньшими), а колебания скорости вращения исполнительного двигателя практически незаметны. При наличии обратной связи по току управления обратная связь по скорости при разгоне двигателя определяет момент начала вибрации реле. Следовательно, скорость вращения определяется только положением движка потенциометра, т.е. углом поворота маховика пульта управления.
При повороте ручки потенциометра R1 в другую сторону замыкаются контакты Л и Я поляризованного реле. К источнику тока подключается обмотка ОУ2 электромашинного усилителя. Направление магнитного потока в ЭМУ, создаваемое этой обмоткой, имеет обратную полярность. Происходит реверс исполнительного двигателя.
Применение обратной связи по скорости исполнительного двигателя и вибрационного усилителя значительно сокращает продолжительность разгона и торможения исполнительного двигателя. Действительно, при разгоне в первоначальный момент напряжение обратной связи по скорости отсутствует (скорость исполнительного двигателя равна 0), и на обмотку управления электромашинного усилителя действует полное напряжение +28 В источника тока, которое значительно больше, чем необходимо для возбуждения электромашинного усилителя до номинального напряжения. При торможении исполнительного двигателя переходный процесс сильно форсируется. Если движок потенциометра управления установить в исходное (среднее) положение, то управляющее напряжение с него на основную обмотку ОР1 поляризованного реле изменяет направление – контакты Я и Л замыкаются. К источнику тока подключается обмотка ОУ2, тогда как до торможения замыкались и размыкались контакты П и Я, и ток проходил по обмотке ОУ1.
Полярность напряжения ЭМУ изменяется, и он возбуждается до значительного напряжения, так как почти до остановки исполнительного двигателя вторая обмотка ОУ2 электромашинного усилителя остается присоединенной к источнику тока. Электродвижущая сила исполнительного двигателя действует согласно и создает в цепи «якорь электромашинного усилителя – якорь исполнительного двигателя» ток в несколько раз больший номинального, что ускоряет торможение исполнительного двигателя.
Напряжение отрицательной обратной связи по скорости исполнительного двигателя, поступающее на основную обмотку ОР1 поляризованного реле от поперечных щеток электромагнитного усилителя, снимается полностью. Часть его гасится на сопротивлении потенциометра таким образом, что диапазону малых скоростей соответствует большая часть угла поворота маховиков пульта, т.е. увеличен диапазон малых скоростей наведения.
Для устранения автоколебаний в ЭП, которые могут быть вызваны внешним возмущением, в нем предусмотрена гибкая отрицательная обратная связь по напряжению ЭМУ. Эта связь выполнена с помощью конденсатора С, который последовательно с вспомогательной обмоткой ОУЗ ЭМУ и вспомогательной обмоткой ОР2 поляризованного реле подключен к выходу ЭМУ.
При наведении (движок потенциометра сдвинут со средней точки) конденсатор С заряжен до напряжения ЭМУ. Ток в цепи вспомогательной обмотки ОР2 поляризованного реле отсутствует. При повышении напряжения на выходе ЭМУ конденсатор С начинает подзаряжаться, что вызывает появление тока в цепи обмотки ОР2 поляризованного реле, создающего намагничивающую силу в обмотке ОР2. Контакты реле остаются разомкнутыми. Нарастание напряжения ЭМУ замедляется. При уменьшении напряжения на выходе ЭМУ ниже определенного значения начинается разряд конденсатора С, вызывая прохождение тока по обмотке ОР2 реле в обратном направлении. Намагничивающая сила обмотки ОР2 суммируется с намагничивающей силой основной обмотки ОР1 и контакты реле остаются замкнутыми. Падание напряжения электромашинного усилителя замедляется.
Таким образом, при возникновении колебаний напряжения электромашинного усилителя во вспомогательной обмотке ОР2 поляризованного реле появляется переменный ток, противодействующий колебаниям напряжения ЭМУ. Степень противодействия тем больше, чем больше скорость изменения его напряжения.
Выводы
Во первом разделе курсового проекта проведен анализ объекта исследования. Результаты анализа:
сформулированы общие требования, предъявляемые к электрическим приводам;
сформулированы специфические требования, предъявляемые к электрическим приводам наведения ракетно-артиллерийского вооружения;
рассмотрен принцип работы электрического привода ракетно-артиллерийского вооружения на основе его функциональной и принципиальной электрической схемы.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что рассматриваемая система является сложной технической системой военного назначения, требующей учета некоторых особенностей ее функционирования при проектировании.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРОПРИВОДА БОЕВОЙ МАШИНЫ
Приведение статических моментов и моментов инерцииДля сочленения двигателя и исполнительного органа в большинстве случаев необходим редуктор с передаточным отношением от нескольких десятков до нескольких сотен единиц. Для описания динамики их движения в целях упрощения систему заменяют некоторой приведенной (эквивалентной) системой, вращающейся со скоростью двигателя (приведение скоростей, моментов инерции и моментов сил к валу двигателя).
Для получения приведенной системы все моменты сил и моменты инерции должны быть пересчитаны таким образом, чтобы сохранились динамические и энергетические свойства исходной системы. Для этого используют фундаментальный закон физики – закон сохранения энергии.
При приведении момента сил механизма у оси двигателя закон сохранения энергии записывают в следующем виде:
Мдωдηр=Мнωн ,
где, Мд – статический момент на валу двигателя;
Мн – статистический момент на валу исполнительного двигателя;
ωд и ωн – угловые скорости двигателя и исполнительного механизма;
ηр – КПД редуктора.
Отсюда момент всех сил сопротивления движению, приведенный к валу двигателя, равен
Мд=Мнωнηрωд=Мдηрi,(2.1)
где, i=ωдωн – передаточное отношение редуктора.
Приведение моментов инерции двигателя, исполнительного органа и элементов передачи к валу двигателя проводят с учетом неизменности запаса кинетической энергии в исходной и приведенной системе. Из закона сохранения кинетической энергии можно написать уравнение
Jωд22=Jд+J1ωд22+J2+J3ωп122+J4+J5ωп222+J6+Jнωп322 ,
откуда, умножив это уравнение на величину 2ωд2, получим
J=Jд+J1+Jд+J11iп12+J2+J31iп22+J4+Jн1i2 ,(2.2)
где, J – момент инерции всех движущихся частей механической системы, приведенный к валу двигателя (эквивалентный момент инерции системы);
Jд и Jн – моменты инерции двигателя и исполнительного механизма;
J1… J6 – моменты инерции элементов передачи;
iп1=ωдωп1; iп2=ωдωп2; i=ωдωн – передаточные отношения отдельных ступеней редуктора и редуктора в целом;
ωп1; ωп2 – скорости вращения промежуточных валов передачи.
2.2. Выбор исполнительного двигателя и передаточного отношения редуктораИсходными данными при выборе двигателя для электропривода служат следующие параметры нагрузки:
механическая характеристика нагрузки Мн;момент инерции Jн;максимальная угловая скорость ωн макс;максимальное угловое ускорение εн макс.По условиям нагрева двигатель ориентировочно может быть выбран исходя из следующих соображений.
Момент двигателя, необходимый для преодоления статической и динамической нагрузки, может быть представлен как
Мд=δJд+Jнηрi2εнi+Мнηр∙i=δJдεнi+Jнεн+Мн1ηр∙i=Мд1+Мд2 ,(2.4)
где, Мд1 – динамическая составляющая момента – составляющая, необходимая для ускорения якоря и редуктора;
Мд2 – составляющая момента, обусловленная действием нагрузки;
εн=dωнdt.
Из выражения (2.4) следует, что при увеличении передаточного отношения редуктора возрастает динамический момент двигателя, и уменьшается действие нагрузки. Соответствующим выбором передаточного отношения можно свести к минимуму требуемый момент двигателя, и уменьшается действие нагрузки. Соответствующим выбором передаточного отношения можно свести к минимуму требуемый момент двигателя.
Найдем передаточное отношение редуктора, обеспечивающее минимальный момент двигателя, вычислив производную от Мд по J и приравняв к 0
dМдdt=δJдεн-Jнεн+Мн1ηр∙i2=0 .
Поскольку вторая производная положительна, то оптимальное передаточное отношение редуктора равно
iопт=Jнεн+МнδJдεнηр .(2.5)
Подставим найденное выражение (2.5) в соотношение (2.4), получим
Мд1=δJдεнJнεн+Мнηр ; Мд2=δJдεнJнεн+Мнηр .
Таким образом, при оптимальном передаточном отношении редуктора имеем равенство Мд1=Мд2 , откуда
Мд=2δJдεнJнεн+Мнηр .
Отсюда, используя выражение (2.4) и формулу (2.5), находим требуемый момент и мощность двигателя
Мд тр=2 Jнεн+Мнηрiопт ;(2.6)
Pд тр=2 Jнεн+Мнωаηрiопт=2 Jнεн+Мнωаηр .(2.7)
Из выражения (2.7) следует, что ориентировочно необходимая мощность двигателя может быть определена исходя только из заданных условий по нагрузке.
По каталогу выбирают двигатель, мощность которого равна или больше найденной по формуле (2.7).
Выбранный таким образом двигатель удовлетворяет требованиям по мощности, но может не удовлетворять требованиям по моменту и скорости. Поэтому необходимо произвести дополнительную проверку выбранного двигателя на перегрузку по моменту и кратковременное превышение скорости сверх номинальной:
γ=Мд трМд ном≤γдоп; α=ωд трωд ном≤αдоп,(2.8)
где, γ – коэффициент перегрузки по моменту;
α – коэффициент кратковременного превышения скорости сверх номинальной;
Мд тр, ωд тр – требуемые момент и скорость двигателя;
Мд ном, ωд ном – номинальные момент и скорость двигателя;
γдоп – коэффициент допустимой перегрузки двигателя по моменту;
αдоп – коэффициент допустимого кратковременного увеличения скорости двигателя сверх номинальной.
Требуемая скорость двигателя находится из выражения
ωд тр=Рд трМд тр или ωд тр=ωд максiопт ,а номинальные значения момента Мд ном и скорости ωд ном - из паспортных данных на двигатель.
Таким образом, выбор электродвигателя и передаточного отношения редуктора сводятся к следующему:
по формуле (2.7) подсчитывается необходимая мощность двигателя;
по каталогу (приложение А) выбирается двигатель, номинальная мощность которого равна или несколько больше подсчитанной;
по формуле (2.5) определяется оптимальное значение передаточного отношения редуктора, так как момент инерции двигателя теперь известен из паспортных данных;
по формулам (2.8) производится проверка двигателя по моменту и по скорости. Практикой для двигателей постоянного тока установлены γдоп≤10, γдоп=1,2…1,3.
2.3. Выбор электромашинного усилителяПри выборе ЭМУ и определении исходных данных для расчета выходного каскада предварительного усилителя необходимо руководствоваться следующим.
Номинальное напряжение ЭМУ должно соответствовать номинальному напряжению исполнительного двигателя, а отношение номинального тока ЭМУ Iэ ном к току якоря двигателя Iд ном должно удовлетворять условию
Iэ номIд ном≥1.
При этом, чем выше требования к быстродействию привода, тем больше должно быть указанное отношение.
В зависимости от имеющегося бортового источника питания артиллерийского комплекса выбирают ЭМУ с соответствующим типом приводного двигателя (на постоянном или переменном токе) и напряжением питания.
На холостом ходу ЭМУ при току управления IУ НОМ развивает номинальное напряжение Еэ ном. Значение Iу и Еэ ном приводиться в паспортных данных. Однако для обеспечения номинального режима работы двигателя ЭМУ должен развивать несколько большую ЭДС
Еэ=I+εUа ном ,
где, ε – степень недокомпенсации ЭМУ, которая для регулируемых приводов принимается равной 0,15…0,2.
Максимально допустимое значение ЭДС ЭМУ определяется из условия холостого хода двигателя Iа=0, при котором максимальная скорость ωд макс не должна превышать номинальную ωд ном в αдоп=1,2…1,3 раза
Еэ=Uа ном-IаRца.(2.9)
При работе ЭМУ на двигатель постоянного тока выходное сопротивление ЭМУ играет роль добавочного сопротивления в цепи якоря, т.е.
Rца=Rа+Rэ вых ,(2.10)
где, Rца – полное сопротивление цепи якоря двигателя;
Rа – сопротивление якоря двигателя;
Rэ вых – входное сопротивление ЭМУ.
Величину сопротивления Rэ вых необходимо знать при определении динамических характеристик двигателя и привода, а также при построении механических характеристик.
Для нахождения Rэ вых можно использовать формулу
Rэ вых=Uа номIа ном ,(2.11)
где, Uа ном и Iа ном - соответственно номинальные значения напряжения и тока в обмотке якоря двигателя.
2.4. Параметрический синтез редуктораДля силовых передач масса и габариты редуктора зависят от того, как распределено общее передаточное отношение по ступеням передачи. Установленные практикой ориентировочные рекомендации по распределению передаточных отношений показаны на графиках (рисунок 2.1). Графии а разработаны из условия получения минимальной массы зубчатых колес при одинаковых или близких по значению допускаемых напряжения в материалах зубчатых колес во всех ступенях передачи.
Рекомендуемые практикой передаточные отношения для различных чисел ступеней и видов зубчатых колес: одноступенчатые цилиндрические i<8; одноступенчатые конические i<4; двухступенчатые цилиндрические i<45…60; трехступенчатые цилиндрические i<200…300; многоступенчатые i=I1∙I2∙I3.
Таким образом, по заданному передаточному отношению i=iопт редуктора, используя рекомендуемые практикой передаточные отношения, определяют число ступеней m передачи.
По графикам определяют диапазоны передаточных отношений iK min≤iK≤iK max для всех ступеней K=1,2…, m-1.
Для этого на оси абсцисс находят точку, соответствующую оптимальному передаточному отношению iопт. Из нее восстанавливают ординату (пунктирная линия). При трехступенчатой передаче (m=3) имеем четыре точки а, б, в, г. Передаточное отношение первой (К=1) ступени может быть выбрано из диапазона iБ≤i1≤iа, а второй ступени (К=2) – из диапазона iг≤i2≤iв. Пределы изменения передаточного отношения для третьей ступени (m=k=3) вычисляют по формулам
im max=ik=1m-1ik min=iiвiг ; im min=ik=1m-1ik max=iiаiб. (2.12)

Рисунок 2.1 - График для определения диапазона передаточных отношений
1 – I1 для двух ступеней; 2 – I1 для трех ступеней; 3 – I2 для трех ступеней
2.5. Построение механических характеристик привода и приведение механической характеристики нагрузкиВ установившихся режимах работы для электродвигателя, работающего в составе привода, справедливы следующие уравнения:
Uа=IаRца+Еа;(2.13)
Еа=СЕФωд=КЕωд ;(2.14)
М=СмФIа=КмIа ; (2.15)
М=Мд+Мд0,(2.16)
где, Uа – напряжение, подведенное к якорю двигателя (ЭДС ЭМУ);
Iа – ток якоря;
Rца – полное сопротивление цепи якоря (включая внутреннее сопротивление входного каскада ЭМУ);
Еа – противо - ЭДС двигателя;
Ф – полный машинный поток возбуждения;
ωд – скорость вращения вала;
СЕ – конструктивная постоянная;
КЕ – коэффициент противо – ЭДС;
См – конструктивная постоянная машины;
Км – коэффициент электромагнитного момента;
М – электромагнитный момент двигателя;
Мд – приведенный к валу двигателя момент сопротивления всех сил;
Мд0 – статический момент трения в двигателе.
Физический смысл этих уравнений заключается в следующем. Поскольку электродвигатель представляет собой преобразователь электрической энергии в механическую посредством магнитного поля, то его можно условно разделить на три подсистемы: электрическую, магнитную и механическую. Уравнение (2.13) описывает электрическую, уравнение (2.14) и (2.15) – магнитную, а уравнение (2.16) – механическую подсистемы.
Из уравнений (2.13) и (2.14) получим регулировочную характеристику двигателя – зависимость скорости от регулирующей переменной
ωд=Uа-IаRцаCEФ=Uа-IаRцаКE .
Из этой формулы следует, что скорость двигателя в общем случае зависит от трех величин: Uа, Ф, Rца. Изменяя одну из них и оставляя неизменными другие, получают конкретный способ регулирования скорости. Четвертая переменная Iа является зависимой от момента нагрузки Мн и не может служить регулирующей величиной.
Следует иметь в виду, что регулировочные характеристики будут различными для независимого, параллельного, последовательного и смешанного способов возбуждения двигателей.
В курсовом проекте двигатель должен иметь независимое возбуждение и регулирование скорости изменением напряжения на якоре.
При этом регулировочная характеристика имеет вид
ωд=UKE-IаRцаKE, Iа=const, Rца=const .(2.17)
Механической характеристикой привода называют зависимость скорости вращения двигателя от развиваемого им электромагнитного момента при неизменном напряжении на якоре
ωдМ, Uа=const, Ф=const .(2.18)
Уравнение механической характеристики привода с двигателем постоянного тока получается из уравнения (2.13) – (2.15). Независимо от способа возбуждения она имеет вид
ωд=UаСEФ-RцаМСEСмФ2=UаКЕ-RцаМКЕКм, Uа=const, KE=const .(2.19)
Для двигателя с независимым возбуждением с регулированием скорости изменением напряжения на якоре, механические характеристики строят по уравнению (2.18) для конкретного значения регулирующего напряжения UА, считая при этом постоянными все остальные входящие в формулу величины. Задаваясь другими значениями напряжения на якоре, можно построить семейство механических характеристик привода ωаМ,Uа.Механические характеристики обычно стоятся в координатах - ось абсцисс – момент Мд на валу деления; ось ординат – скорость ωд двигателя.
Для этого уравнения (2.18) электромагнитный момент M необходимо в соответствии с формулой (2.16) заменить суммой момента на валу Мд и статического момента трения в двигателе Мд0, т.е. М=Мд+Мд0 .
Тогда формула механической характеристики примет вид
ωд=UаКЕ-RцаМдМд0КЕКм .(2.20)
Почти все электродвигатели постоянного и переменного тока и приводы, построенные на их основе, обладают тем свойством, что скорость их является убывающей функцией момента двигателя. Однако степень изменения скорости при изменении момента у равных двигателей различна и характеризуется так называемой жестокостью механических характеристик β – отношением приращения электромагнитного момента ∆М к соответствующему приращению скорости ∆ωдβ=∆М∆ωд=∆Мд∆ωд .(2.21)
Обычно на рабочих участках механические характеристики двигателей и приводов имеют отрицательную жестокость β<0. Линейные механические характеристики (2.18) имеют постоянную и отрицательную жестокость.
Семейство механических характеристик привода строят для нескольких значений регулирующего напряжения
Uд ном>Uд1>…>Uдк.
Методика их построения сводится к следующему:
По паспортным данным двигателя вычисляют коэффициент ЭДС
КЕ=Uа номIа номRцаωд ном ; Rца=Rа+Rэ вых .
В системе СИ численное значение коэффициента момента равно численному значению коэффициента ЭДС, т.е.
Км=КЕ∙Км ,
где, КЕ – численное значение величины КЕ;
Км – единица измерения величины Км.Для выбранного напряжения на якоре, например, для номинального напряжения Uа ном, по формуле (2.19) вычисляют две характерные точки. Удобно в качестве первой взять точку холостого хода двигателя, определяемую координатами
Мд0;ωд0=Uа номKEМд0RцаКЕКм .
Для нахождения второй точки задаются каким-либо отличным от нуля моментом на валу, например, номинальным моментом двигателя Мд ном, и по уравнению (2.19) вычисляют соответствующее ему значение скорости ωд ном.
По полученным точкам стоят прямую, причем на графике по оси абсцисс откладывают момент нагрузки, а по оси ординат – скорость.
Аналогично строят механические характеристики для других значений напряжения на якоре.
Жестокость механических характеристик привода определяют по формуле (2.20). Она для линейных характеристик постоянна и должна иметь отрицательное значение.
Согласно заданию на курсовой проект механическая характеристика нагрузки задана прямой линией
Мн=Мнт+α1ωн ,
где, Мнт – момент трогания нагрузки;
α1 – угловой коэффициент нагрузки.
Приведение механической характеристики выполняют следующим образом:
Приводят аддитивную составляющую нагрузки, т.е. момент трения нагрузки
Мнт'=Мнтηрi .
Приводят мультипликативную составляющую момента нагрузки
α1'=α1ηрi2 .
Приведенная механическая характеристика нагрузки имеет вид
Мн'=Мнт'+α'ωд .
Ее также строят по двум точкам.
2.6. Оценка устойчивости привода.Расчет пусковых характеристик приводаДля оценки устойчивости привода необходимо:
На построенные механические характеристики двигателя ωдМд наложить приведенную характеристику нагрузки ωдМн'.
Точки пересечения приведенной механической характеристики нагрузки с семейством механических характеристик двигатели показывают точки равновесия привода при соответствующих значениях напряжения на якоре, поскольку при этом момент на валу двигателя Мд уравновешивает приведенные момент нагрузки Мн'. Соответствующие этим точкам скорости называются равновесными.
Для анализа устойчивости достаточно рассмотреть окрестность одной точки равновесия например, точку А. Пусть некоторое возмущение подействовало на привод таким образом, что его скорость несколько упала до значения ωд''<ωд. После исчезновения внешнего возмущения окажется, что момент двигателя превышает момент сопротивления Мг>Мв, т.е. возникает положительный динамический момент и положительное угловое ускорение Jdωдdt=Мг-Мв>0,εд=dωаdt>0 и скорость привода будет возрастать.
Пусть теперь подействовало воздействие, приведшее к увеличению скорости привода до величины ωд'<ωд. После его исчезновения возникает отрицательный динамический момент и отрицательное угловое ускорение Jdωdt=Ма-Мб>0,εд=dдdt>0 и скорость двигателя будет падать.
Следовательно, после того как внешними возмущениями привод был выведен из равновесия, и это возмещение исчезло, скорость привода вернется в исходному равновесному значению. Такой привод является устойчивым.
Привод приходит в движение при некотором напряжении на якоре, которое называют напряжением трогания и обозначают Uа трог. При этом по обмотке якоря протекает такой ток, который создает в двигателе электромагнитный момент Мтрог, превышающий сумму момента трения Мд0 в самом двигателе и приведенного момента трения нагрузки Мнт', т.е.
Мтрог≥Мд0+Мнт'В момент трогания скорость двигателя равна нулю ωд=0. Тогда уравнение механической характеристики (2.19), с учетом соотношения (2.20), можно записать в виде
Uа трогKE-RцаМдо-Мнт'КЕКм=0 .
Откуда напряжение троганияUа трог≥RцаМдо-Мнт'Км .(2.22)
Таким образом, для определения напряжения трогания необходимо:
по формуле (2.21) вычислить электромагнитный момент трогания;
по формуле (2.22) вычислить напряжение трогания.
В начальные момент пуска двигателя его скорость равна нулю ωд=0. Равна нулю также и противо – ЭДС якоря Еа=КЕ∙ω=0.
На рис. 2.2 показана схема электрической цепи якоря, где Еэ, Rэ вых, Lэ – ЭДС, выходное сопротивление и индуктивность ЭМУ, а Еэ, Rа, Lа – ЭДС, сопротивление и индуктивность якоря двигателя.
ЕэЕаLэ

Rэ выхRа

ЕэЕаLэ

Rэ выхRа


Рисунок 2.2 - Схема электрической цепи якоря
Если пренебречь индуктивностями в схеме, то для нее можно написать уравнение напряжений
Еэ-Еа=IаRэ вых+Rа .
Считая Еэ≈Uа ном и учитывая, что в момент пуска Еа=0, получим оценочное или расчетное значение пускового тока
Iа пуск≈Uа номRэ вых+Rа=Uа номRца .(2.23)
В относительных единицах величину пускового тока оценивают расчетной кратностью пускового тока
Кпт=Iа пускIа пуск .(2.24)
Расчетное значение пускового момента можно определить по уравнениям (2.15) и (2.16) в виде
Мд пуск=КмIа пуск-Мд0.
В относительных единицах пусковой момент сводится к нахождению расчетных значений пускового тока и момента по формулам (2.23) и (2.25), а также расчетной кратностью пускового тока и момента по формулам (2.24) и (2.26).ВыводыВторой раздел курсовой работы посвящен разработке математического обеспечения проектируемой САПР ЭП. В разделе рассмотрен порядок расчета и выведены следующие формульные зависимости:
для приведения статических моментов и момента инерции;
выбора исполнительного двигателя и передаточного редуктора;выбора электромашинного усилителя;
параметрического синтеза редуктора;
построения механических характеристик привода;
приведения механической характеристики нагрузки;
оценки устойчивости электрического привода;
расчета пусковых характеристик привода.Расчет электрического приводаИсходными данными для расчета ЭП являются:
момент трения нагрузки Мнг=110 Нм;
линейный коэффициент в уравнении механической характеристики нагрузки α1=570 Н∙м∙срад;
момент инерции нагрузки J1=850 кгм2;
максимальная скорость ωн макс=44 градс;
максимальное ускорение εн макс=25 градс2.Расчеты ведем в системе СИ. Исходные данные в этой системе имеют следующие значения:
максимальная скорость нагрузки
ωн макс=π∙ωн макс180=3,14∙44180=0,767радс ;
максимальное ускорение нагрузки
ωн макс=π∙εн макс180=3,14∙25180=0,436 радс2 ;
максимальный статистический момент нагрузки
Мн макс=Мнг+α1∙ωн макс=110+570∙0,767=547,19 Нм .
Принимаем КПД редуктора ηр=0,85.Определяем требуемую мощность двигателя
Рд тр=2ηрJнεн макс+Мн максωн макс=
=20,85∙850∙0,436+547,19∙0,767=1656 Вт .
По каталогу (приложение А) выбираем электродвигатель постоянного тока типа МИ-41, который удовлетворяет условию:
Рд ном=1600 Вт>Рд тр=1656 Вт .
Номинальная скорость вращения двигателя
ωд ном=2∙π∙νд ном60=2∙3,14∙150060=157 радс .
Номинальный момент на валу двигателя
Мд ном=Rд номωд ном=1600157=10,19 Н*м .
Считаем, что редуктор увеличивает момент инерции двигателя в δ=1,15 раза. Тогда приведенный момент инерции двигателя и редуктора равен δJд=1,15∙0,066=0,076 кг∙м2.
Передаточное отношение редуктора определяем из условия обеспечения минимального момента двигателя в соответствии с формулой
iопт=Jн∙εн макс+Мн максδ∙Jд∙εн макс∙ηр=850∙0,436+547,190,076∙0,436∙0,85=181 .
Вычисляем требуемый момент на валу и требуемую скорость двигателя
Мд тр=2ηр∙iопт∙Jн∙εн макс+Мн макс=
=20,85∙181∙850∙0,436+547,19=12 Нм .
ωд тр=Рд трМд тр=165612=138радс .
Проверим двигатель по моменту и скорости
γ=Мд трМд ном=1210,19=1,17 .
α=ωд трωд ном=138157=0,87 .
Двигатель имеет допустимую перегрузку по моменту γ=1,17, которая меньше допустимой γ доп=10. Кратковременной перегрузки по скорости не будет, так как α=0,87 меньше αдоп=1,2…1,3.Вывод: выбранный двигатель подходит для работы в составе проектируемого привода.
8. Определяем электрическую мощность, которую потребляет двигатель при максимальной нагрузке. Для этого по паспортным данным двигателя определяем коэффициент ЭДС
Кε=Uа ном-Iа ном∙Rаωд ном=110-18,1∙0,32157=0,663В∙срад .
Коэффициент момента численно равен коэффициенту ЭДС, тогда
Км=0,663 Н∙мс .
Для максимальной нагрузки вычислим:
динамическую составляющую момента
Мд1=γ∙Jд∙εн макс∙iопт=0,076∙0,436∙181=6 Н∙м ;
приведенный момент нагрузки
Мд2=Jн∙εн макс+Мн максηр∙iопт=850∙0,436+547,190,85∙181=6 Н∙м ;
максимальный приведенный момент на валу двигателя
Мд макс=Мд1+Мд2=6+6=12 Н∙м .
Согласно паспортным данным в самом двигателе на преодоление сил трения необходим момент Мд0=0,6 Н∙м. Тогда максимальный электромагнитный момент двигателя равен
Ммакс=Мд макс+Мд0=12+0,6=12,6 Н∙м .
Для создания такого электромагнитного момента необходим ток якоря
Iа макс=МмаксКм=12,60,663=19 А .
Напряжение на двигателе для этого случая определяем из формулы
Uа макс=ωд тр∙Кв+Iа макс∙Rа=138∙0,663+19∙0,32=97,6 В .
При этом двигатель потребляет по цепи якоря мощность
Рдэ макс=Uа макс∙Iа макс=97,6∙19=1854 Вт .
9. Вычислим потребляемую двигателем электрическую мощность в номинальном режиме
Рд1 ном=Uа ном∙Iа ном=110∙18,1=1991 Вт .
По каталогу (приложение Б), исходя из электрической мощности двигателя, выбираем ЭМУ поперечного поля типа ЭМУ-12ПМ, который удовлетворяет условию
Рд ном=1991 Вт<Рэ ном=2000 Вт .
Проверяем выбранный ЭМУ по току Iэ номIа ном=18,218,1=1,005>1 .Вывод: выбранный ЭМУ подходит для работы в составе проектируемого ЭП.
10. Определим выходные параметры ЭМУ. Для этого коэффициент недокомпенсации выберем равным ξ=0,18. Тогда для обеспечения номинального режима двигателя ЭДС ЭМУ должна составлять
Еэ=I+ξ∙Uа ном=1+0,18∙110=130 В .
Максимально допустимая скорость двигателя может быть достигнута в режиме холостого и не должна превышать значения
αдоп∙ωд ном=1,3∙157=204радс .
При этом ЭДС ЭМУ не должна превышать
Еэ∙α=Uа ном∙αдоп=110∙1,3=143 В .
Выходное сопротивление ЭМУ (внутренне сопротивление генератора) равно
Rэ вых=ξ∙Uа номIа ном=0,18∙11018,1=1,09 Ом .
11. Уточним параметры редуктора. Для iопт=181 число ступеней в цилиндрической зубчатой передаче m=3. Воспользуемся графиком распределения передаточного отношения редуктора по ступеням (см. рис. 2.1).
Первая ступень должна иметь передаточное отношение i1=7,8…13,0, вторая ступень – i2=4,4…5,0. Числовые пределы для третьей ступени передачи составляют
i3 мин=iоптi1 макс∙i2 макс=18113,0∙5,0=2,78 ;
i3 макс=iоптi1 мин∙i2 мин=1817,8∙4,4=5,27 ,
т.е. i3 =2,78…5,27Значения передаточных отношений ступеней передачи конкретизируются при проектировании редуктора.
12. По уравнению
ωд=UаКε-Ruа∙Мд+МдоКε∙Кмпостроим механические характеристики двигателя для ряда напряжений на якоре Uа=110, 90, 70, 50, 30 В.Сопротивление цепи якоря двигателя составляет
Ruа=Rа+Rэ вых=0,32+1,09=1,41 Ом .
Уточним значение постоянных Кε и Км с учетом того, что в цепь якоря включено дополнительное сопротивление Rэ вых:
Кε=Uа ном-Iа ном∙Ruаωд ном=110-18,1∙1,41157=0,53 В∙срад . Км=0,53 Н∙мА .
Характеристику для напряжения на якоре Uа=110 В строим по двум точкам. Для холостого хода двигателя, когда Мд=0, получим электромагнитный момент Мд+Мд0=Мд0=0,6 Нм и скорость холостого хода
ωд0=UаКε-Ruа∙Мд0Кε∙Км=1100,53-1,41∙0,60,53∙0,53=204 радс .
Зададимся полезной нагрузкой Мд=10 Нм. Вычислим скорость двигателя при этой нагрузке
ωд0=UаКε-Ruа∙Мд+Мд0Кε∙Км=1100,53-1,41∙10+0,60,53∙0,53=153,36 радс.
По двум точкам 0 Нм; 204 радс и 10 Нм; 153,36 радс строим механическую характеристику (рис. 3.4). Аналогично строим механические характеристики для других напряжений на якоре. Результаты расчетов сведены в таблицу 4.1.
Таблица 4.1
Uа, ВМд, НмМ=Мд+Мд0, Нмωд, радс110 0 0,6 204
10 10,6 153,36
90 0 0,6 163
10 10,6 115
70 0 0,6 126
10 10,6 78
50 0 0,6 89
10 10,6 41
30 0 0,6 52
10 10,6 4
13. Определим жесткость механических характеристик, пользуясь данными таблицы 4.1 (для Uд ном=110 В)β=Мд∆Мд=0-10204-153.36=-0,19 Н∙м∙срад .
Жесткость отрицательна и одинакова для всего семейства механических характеристик, т.е. при изменении момента на валу двигателя на 0,24 Нм (что составляет 2,3 % от номинального момента на валу Мд ном) скорость двигателя снизится на 1 рад/с (что составляет примерно 1 % от номинального значения скорости ωд ном). Таким образом, механические характеристики достаточно жесткие, что и требуется для привода.
14. Построим приведенную механическую характеристику нагрузки по заданному уравнению нагрузки
Мн=Мнт+а1∙ωн=110+570∙ωн .
Приведем моменты к валу двигателя
М'нт=Мнтηр∙iопт=1100,85∙181=0,71 Нм ; а'1=а1ηр∙i2=5700,85∙181=0,020 .
Приведенное уравнение механической нагрузки имеет вид
М'н=М'нт+а'1∙ωд=0,71+0,020∙ωн Н∙м∙сради представляет собой прямую линию. Для ее построения определим две точки. Зададим ωц=0, получим М'н=М'нт=0,71 Нм, т.е. координаты первой точки 0,96 Нм; 0 радс. Зададим ωд=100 радс. Получим М'н=0,71+0,020∙100=2,71 Нм, т.е. вторая точка имеет координаты 3,16 Нм; 100 радс.
График приведенной механической характеристики показан на рисунке 3.1 и наложен на механические характеристики двигателя.
15. Оценим устойчивость работы привода. Рассмотрим точку А пересечения приведенной механической характеристики нагрузки с механической характеристикой двигателя (при напряжении на якоре Uа=90 В). Координаты точки А – 3,16 Нм; 100 радс.
Рисунок 3.1 - График приведенной механической характеристики
Пусть на привод подействовало вначале возмущение так, что скорость двигателя возросла до ω'A>ωA. Затем действие внешнего возмущения прекращается. При этом равенство моментов будет нарушено, и возникает отрицательный динамический момент, Jdωдdt=Мд-Мн=Ма-Мб<0 т.е. ускорение εд=dωдdt<0 отрицательно и двигатель будет снижать скорость.
Пусть теперь возмущение привело к снижению скорости до значения ω''A<ωA, а потом исчезло. В этом случае динамический момент и ускорение положительны Jdωдdt=Мд-Мн=Ма-Мб>0, εд>0, двигатель будет разгоняться.
Следовательно, точка А является точкой устойчивого равновесия. Аналогичные рассуждения справедливы для любой другой точки пересечения характеристик.
Вывод: привод устойчив.
16. Определим напряжение трогания двигателя. В начальный момент пуска двигатель неподвижен, т.е. ωд=0. Трогание произойдет, если электромагнитный момент двигателя М превысит сумму момента сил трения Мд0 и двигателе и приведенного момента трения нагрузки М'нт, т.е.
М≥Мд0+М'нт=0,6+0,71=1,31 Нм .
Из уравнения данной механической характеристики двигателя

ωд=UаКε-Ruа∙МКε∙Км=0 .
получим Uа трог≥Ruа∙МКм=1,41∙1,310,53=3,48 В .При этом ток трогания равен
Iа трог≥Мд0+М'нтКм=1,310,53=2,47 А .
17. Оценим пусковые характеристики привода при включении на номинальное напряжение Uа ном=110 В. В начальный момент пуска ωд=0.
Расчетный пусковой ток двигателя Iа пуск=Uа номRuа=1101,41=78 А .Расчетная кратность пускового тока Кпт=Iа пускIа ном=7818,1=4,3 . Реальное значение пускового тока Iа пуск и кратность пускового тока Кпт будут меньше расчетных значений, поскольку индуктивное сопротивление цепи ограничивает броски тока в переходных режимах.
Таким образом, ток в двигателе при пуске на номинальное напряжение не превысит 47 А, а кратность пускового тока будет меньше 3,8.
Расчетный пусковой момент
Мд пуск=Км∙Iа пуск-Мд0=0,53∙78-0,6=40,74 Нм
Расчетная кратность пускового момента
Кпт=Мд пускМд ном=5110,19=5 .
Реальный пусковой момент Мд пуск будет меньше расчетного значения, поскольку реальный пусковой ток меньше расчетного пускового тока.
Таким образом, момент на валу двигателя при пуске на номинальное напряжение будет меньше 40,74 Н*м, а кратность пускового момента не превысит 5.
18. Определим КПД двигателя в режиме максимальной нагрузки. Двигатель в этом режиме отдает полезную механическую мощность
Рд макс=Мд макс∙ωн макс∙iопт=12∙0,767∙181=1665 Вт .
При этом максимальная скорость двигателя составляет
ωд макс=ωн макс∙iопт=0,767∙181=138,8радс.
Электромагнитный момент равен Ммакс=12,6 Н.Из уравнения механической характеристики найдем напряжение на якоре U=ωд макс∙Кε+Ruа∙МмаксКм=138∙0,53+1,41∙12,60,53=107 В .При этом двигатель потребляет от ЭМУ ток Iа макс=МмаксКε=12,60,53=24 А.
Мощность Рдэ макс=U∙Iмакс=107∙24=2568 Вт .Таким образом, двигатель потребляет мощность
Рд1 макс=Рдэ макс+Р3=3627+85=2653 Вт.
А его КПД составляет η=Рд максРд1 макс∙100%=16652653=63% .Перегрузка двигателя по току в режиме максимальной нагрузки составит КI=Iа максIа ном=2418,1=1,32
Полученные значения наиболее важных параметров привода сведены в таблицу (приложение В).
Выводы
В третьей главе выполнен расчет электрического привода. Для этого осуществлен:
выбор исполнительного двигателя и передаточного редуктора;
выбор электромашинного усилителя;
параметрический синтез редуктора;
построение механических характеристик привода;
приведение механической характеристики нагрузки;
оценка устойчивости электрического привода;
расчет пусковых характеристик привода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕВ приказах Министра Обороны РФ о совершенствовании образовательного процесса в высших военных учебных заведениях важное место отводится интенсификации обучения курсантов, повышения его качества за счет применения новых форм и методов.
Проведенное в курсовом проекте исследование выполнено в рамках реализации этой актуальной задачи, решаемой на кафедре ракетных комплексов и РСЗО путем создания системы автоматизированного проектирования электрических приводов.
Целью курсового проекта является выполнение энергетического расчета электропривода для достижения заданных свойств привода на основе анализа достоинств и недостатков существующих реализаций электроприводов в штатной технике образцов РАВ, энергетических закономерностей в проектируемой электромеханической системе.
В результате проделанной работы разработан электрический привод, удовлетворяющий всем предъявленным в задании на курсовой проект требованиям.
Полученный результат имеет практическое значение и может быть использован в ходе работы кружка ВНО, а также при проведении дипломного проектирования.
ПРИЛОЖЕНИЯПриложение А
Технические характеристики электродвигателей постоянного тока
Характеристика двигателя МИ-
11 МИ-12 МИ-21 МИ-22 МИ-
31 МИ-32 МИ-41 МИ-42
Номинальная мощность на валу Pд ном, Вт100 120 200 120 200 200 760 1100
Напряжение якоря Uа, В110
Номинальный ток Iа ном, А1,22 1,46 2,3 1,4 2,4 4,2 9,0 12,6
Номинальная частота вращения nном, обмин2000 2000 2000 1000 1000 1000 1000 1000
Момент инерции Jд, кг∙м0,0015 0,002 0,0036 0,0041 0,0091 0,014 0,041 0,086
Сопротивление якоря при 20°С Ruа, Ом1,48 0,765 0,945 4,58 3,93 2,21 1,3 0,75
Сопротивление обмотки возбуждения при 20°С Rв,Ом642 580 827 934 460 258 255 178
Статический момент трения Мд0, Нм0,1 0,15 0,25 0,6
Мощность возбуждения Рв, Вт19 21 15 18 40 50 70 85
Масса m16 16 18 27 36 40 92 112
Номинальный момент двигателя Мд ном, Вт0,478 0,574 0,957 1,14 1,90 3,52 7,24 10,09
Приложение БТехническая характеристика электромашинных усилителей
Характеристика ЭМУ ЭМУ-3П ЭМУ-5П ЭМУ-12 ЭМУ-12П ЭМУ-12ПМ
Номинальная мощность Рном, Вт150 350 1300 1000 2000
Номинальное напряжение Uном, В115 110
Номинальный ток Iном, А1,3 3,0 11,3 8,7 18,2
Коэффициент полезного действия η, %37,5 50,0 59,0 55,5 52,5
Скорость вращения n, обмин5000 2850 3500 3000 4750
Число обмоток управления N3 3 3 3 3
Ток в обмотках управления Iу, А10 10 10 21 10
Максимально допустимый ток в обмотках управления Iу, А60 30 100 145 60
Сопротивление обмотки управления при 20°С Rу, Ом3440 3000 1030 1340 340
Род тока встроенного приводного двигателя Постоянный
Напряжение питания приводного двигателя Uc, В220 110 110 220 26
Потребляемая мощность ЭМУ P, Вт400 700 2200 1800 3200
Габаритные размеры:
длина, мм:
высота, мм: 380
150 505
225 635
255 635
255 612
273
Масса m24 43 69 69 64
Приложение ВТехнические параметры проектируемого электропривода
Наименование параметра Числовое
значение
Параметры нагрузки
Максимальная скорость ωн макс, радс0,436
Максимальное ускорение εн макс, радс20,698
Максимальный момент Мн макс,Нм335
Параметры ЭМУ
Степень недокомпенсацииξ0,18
Выходное сопротивление Rэ вых,Ом1,57
Параметры двигателя
Номинальная скорость ωд ном, радс105
Скорость при максимальной нагрузке ωд тр,радс58,5
Кратковременное превышение скорости α0,56
Номинальный момент на валу Мд ном,Нм10,5
Момент на валу при максимальной нагрузке Мд тр,Нм18,5
Перегрузка двигателя по моменту γ1,76
Пусковой момент при включении на номинальное напряжение Мд пуск,Нм35,9
Кратность пускового момента при включении на номинальное напряжение Кпм3,4
Номинальный ток Iа ном,А12,6
Ток при максимальной нагрузке. Iа макс,А31,1
Перегрузка по току при максимальной нагрузке КI2,47
Приложение В (продолжение)
Технические параметры проектируемого электропривода
Наименование параметра Числовое
значение
Пусковой ток при включении на номинальное напряжение Iа пуск,А47
Кратность пускового тока при включении на номинальное напряжение Кпт3,7
Номинальная мощность на валу Рд ном,Вт1100
Потребляемая мощность при максимальной нагрузке Рд1 макс,Вт2247
Номинальное напряжение Uа ном,В110
Напряжение троганияUа трог,В5,1
КПД при максимальной нагрузке ηр,%48
Параметры редуктора Передаточное отношение редуктора i134
Диапазоны передаточных отношений:
- первой ступени
- второй ступени
- третьей ступени i1i2i37,5…9,7
4,0…4,7
2,94…4,47
Параметры привода
Устойчивость к внешним возмущениям обеспеч.
Жесткость механических характеристик β,Н∙м∙срад-0,26
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Москаленко В.В. Электрический привод. Учебное пособие. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 368 с.
2Кацман М.М. Лабораторные работы по электрическим машинам и электрическому приводу. Учебное пособие. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 178 с.
Епифанов А.П. Основы электропривода. Учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2009. – 192 с.: ил.
Дюбей Гопал К. Основные принципы устройства электроприводов. – М.: Техносфера, 2009. – 480 с.
Основы электропривода. Учебное пособие./ Под ред. В.Ю. Корнилова/. Михайловский военный артиллерийский университет (филиал г. Казань), 2003. – 320 с.
ГОСТ 16593 – 79. Электроприводы. Термины и определения. М.: Издательство Госстандарта СССР, 1980.
ГОСТ 7.32 – 81. Отчет о научно – исследовательской работе. М.: Издательство Госстандарта СССР, 1989.
Верман А.Б., Снытков В.В. Специальное электрооборудование и электрические приводы боевых машин. Пенза: Пензенское высшее артиллерийское инженерное училище им. Н.Н. Воронова, 1974.
Боевая машина БМ-21. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1989.
Боевая машина БМ-21. Альбом рисунков. М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1982
Сабинин Ю.А. Электромашинные устройства автоматики. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1968.
Элементы приборных устройств (Основной курс): В 2-х ч. Ч.2. Приводы, преобразователи, исполнительные устройства. / Тищенко О.Ф., Киселев Л.Т., Коваленко А.П. и пр./. М.: Высшая школа, 1982
Основы расчета систем автоматического управления. / Выгода Ю.А., Малеев В.А., Марченко В.В. и др./. Пенза: Пензенское высшее артиллерийское инженерное училище им. Н.Н. Воронова, 1970.
Миняев В.В. Характеристики двигателей постоянного тока. Челябинск-70: Московский инженерно-физический институт. Отделение 6, 1990.

Приложенные файлы

  • docx 8818888
    Размер файла: 231 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий