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

спеціальності 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 кутової швидкості, приведеного моменту інерції, амплітуди крутильних коливань. Зведені похибки вимірювань комп'ютерної системи: середнього значення кутової швидкості - 1%; миттєвого значення кутової швидкості - 5%; приведеного моменту інерції -10 %; амплітуди крутильних коливань - 7 %. Результат представлення вимірюваної інформації 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'ютеризованої 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 доцільності 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 вимірювальної 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 вимірювальної 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'ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом

8.2 Розрахунок виробничої собівартості комп'ютеризованої вимірювальної 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, які 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 дії 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 основі 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 проекті 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 інерції ротора будь-якої електричної машини є однією з найважливіших її характеристик. На жаль, вимірювання та контроль цього параметру електричних машин трудомісткий і в умовах промислового виробництва а також в процесі періодичного контролю стану електричних машин не завжди виконується.

Промисловістю не випускаються засоби автоматизованого контролю та вимірювання моменту інерції. Це приводить до відносно високого проценту браку при виробництві машин.

В теперішній час бажано мати пристрій, здатний здійснювати контроль та вимірювання моменту інерції без знімання електричної машини з місця її роботи.

Величина моменту інерції ротора електричних машин суттєво впливає на виміряне значення динамічного моменту , оскільки останній є невід'ємною складовою частиною під час встановлення залежності і в процесі отримання динамічної механічної характеристики .

Розрахункові 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 є складовими компонентами, систем, у яких відбувається керування електроприводами.

Специфічною особливістю тахометрії є вимога високої точності вимірювання: в більшості 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 ідентифікації 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 кутової 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. Відомі три типи безконтактних підвісів роторних систем - газовий, магнітний, газомагнітний. Порівняльна характеристика трьох типів безконтактних підвісів дозволяє оцінити їх 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 r_i - 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. Газові 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 появі 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 цапфі 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, збільшує вихорові струми у цапфі ротора, що обумовлює збільшення втрат на тертя. Момент тертя магнітного підвісу визначається:

, (1.3)

де J - момент інерції ротора відносно його вісі обертання,

t - час.

Втрати потужності 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. Останнє є 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 компенсації 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 (роликові 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 вказаної 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 збільшенні частоти обертання та прямує до нуля. Жорсткість газомагнітної опори значно перевищує жорсткість газової опори. Це обумовлено тим, що площа газомагнітної опори, що передає навантаження, дорівнює площі поверхні ротору та значно перевищує площу робочої поверхні газової опори. Окрім того, жорсткість газомагнітної опори є сумою жорсткості газового шару та магнітного поля, що створює магнітні 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 є 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 є адаптивність його демпфучих властивостей до зміни зовнішнього навантаження.

Віброакустична активність, яка є важливим параметром роторного механізму, збільшується при збільшенні частоти обертання. Якщо віброакустична активність високошвидкісних роторних механізмів з прецизійними опорами кочення досить велика (що пояснюється механічними контактами в опорах та неспіввісністю зазорів опор та приводу), то відсутність механічних контактів у газових та магнітних опорах зменшує віброакустичну активність роторних механізмів з такими опорами на 10 - 15 дБА. Відсутність механічних контактів та неспіввісності робочих зазорів в роторних механізмах з газомагнітними опорами зменшує їх віброакустичну активність на 10-15 дБА у порівнянні з опорами кочення та на 5-10 дБА у порівнянні з газовими та магнітними опорами.

Несуча здатність опор кочення значно перевищує несучу здатність газових опор [3]. Підвищення несучій здатності газових опор зв'язано з підвищенням площі робочої поверхні газового підшипника або із збільшенням тиску наддуву, а значить, із збільшення масо-габаритних параметрів або енергоємності роторного механізму. Підвищення несучої здатності магнітних опор зв'язано з підвищенням щільності магнітного потоку збудження, а значить, з підвищенням втрат на тертя та зменшення жорсткості та стійкості при підвищенні частоти обертання. У газомагнітній опорі, що об'єднує в одному зазорі функції зазору газомагнітного підшипника та зазору електричної машини, площа робочої поверхні опори дорівнює площі робочої поверхні ротору та значно перевищує площу робочої поверхні газової опори. Відповідно, несуча здібність газомагнітної опори значно перевищує несучу здібність газової опори, наближаючись за своєю величиною до несучої здібності підшипників кочення.

Кількість робочих зазорів у роторних механізмах з прецизійними опорами кочення складає як правило від 3 до 6 зазорів. Неспіввісність, яка з'являється внаслідок великої кількості зазорів, значно збільшує віброакустичну активність роторного механізму. Заміна опор кочення газовими або магнітними опорами не змінює конструктивної схеми роторного механізму та збільшує кількість робочих зазорів у зв'язку з необхідністю одночасного використання радіальних та осевих опор, що приводить до ускладнення конструкції.

Газомагнітний підвіс ротору здійснюється безпосередньо в робочому зазорі електричної машини, що дозволяє обмежити кількість робочих зазорів роторного механізму одним зазором, що об'єднує функції зазору безконтактної газомагнітної опори та зазору електричної машини. Така конструктивна схема не потребує співвісності зазорів опорних вузлів електричної машини, спрощує конструкцію роторного механізму та забезпечує його високу технологічність.

Надійність роторних механізмів з газомагнітними опорами майже на порядок перевищує надійність механізмів з газовими та магнітними опорами та майже на два порядки надійність опор на підшипниках кочення.

Порівняльний аналіз різних типів опор, який наведено вище, показує, що роторні системи з газомагнітними опорами, незначно поступаються механізмам з опорами кочення по несучій здібності, а по усім іншим параметрам перевершують високошвидкісні роторні системи з прецизійними опорами кочення, газовими та магнітними опорами. Це обумовлює добрі перспективи подальшого розвитку газомагнітних опор.

Підприємствами Ізраїлю, США, Німеччини, деякими підприємствами хімічної та електротехнічної промисловості України випускалися та випускаються синхронні гістерезисні ЕМ з газомагнітним підвісом, які мають дисковий та конічний ротор. Вони часто використовуються у текстильній промисловості (веретена, прядильні машини), хімічній промисловості (розпилювачі), медицині (апарати для створення штучної атмосфери соляних печер) західних держав та держав СНД. Найбільш розповсюдженими з них є ЕМ з конічним ротором. Це обумовлено високою стійкістю конічного ротору як в осевому так і в радіальному напрямку.

В теперішній час для контролю параметрів ЕМ з газомагнітним підвісом ротору використовуються традиційні пристрої, що не завжди забезпечує високу вірогідність контролю. Математичні моделі цих ЕМ не досліджені з точки зору визначення аналітичних виразів для контролю їх основних параметрів, не існують пристрої контролю, що враховують їх специфіку. Тому в якості об'єкту контролю доцільно обрати синхронну гістерезисну ЕМ з газомагнітним підвісом конічного ротору, як одну з найбільш розповсюджених високо оборотних ЕМ.

Високоточний контроль та вимірювання кутової швидкості має велике значення не тільки при випробуваннях ЕМ, а в багатьох випадках і під час їх роботи. Це стосується систем точних приводів, систем автоматики, у яких ЕМ є складовими компонентами, систем, у яких відбувається керування електроприводами. Складним завданням є високоточний контроль та вимірювання кутової швидкості у динамічному режимі, контроль та вимірювання залежності кутової швидкості від часу - швидкісних діаграм. Контроль кутової швидкості у динамічному режимі ускладнюється рядом причин :

- контроль кутової швидкості у динамічному режимі проводиться за короткий проміжок часу;

- інформативні параметри змінюються у широкому діапазоні;

- виникає необхідність сумісних вимірювань часу та кутової швидкості;

- необхідність вияву короткочасних змін - «голкових провалів моменту», які

суттєво погіршують якість механічної енергії, сприяють виникненню ударів в

механічній трансмісії, що має зазори, з якою з'єднана ЕМ;

- відсутність методик розрахунку динамічних метрологічних характеристик;

Рівняння обертання валу ЕМ описується наступним рівнянням [4]:

, (1.5)

де М₀ - момент опору на валу,

М - обертаючий (електромагнітний) момент.

Динамічний момент ЕМ визначається лівою частиною рівняння (1.5) та дорівнює різниці між обертаючим моментом та моментом на валу, визначає кутове прискорення ротору та зв'язаних з ним мас.

. (1.6)

Момент опору обумовлений наявністю зовнішніх мас, що зв'язані з валом ЕМ. Він може існувати у перехідних та усталеному режимах роботи та бути відсутнім при випробуваннях ЕМ, може змінюватись у часі та залежати від кутової швидкості, але він характеризує зовнішні маси, а не саму ЕМ. При відсутності моменту опору на валу динамічний момент дорівнює обертаючому.

Аналіз виразу (1.5) свідчить про необхідність проведення вимірювання та контролю кутової швидкості в динамічному режимі та контролю моменту інерції для контролю та визначення параметрів руху.

Момент інерції ротору є однією з найважливіших характеристик ЕМ, яка визначає її динамічні властивості. Однак у довідковій літературі та технічних умовах на ЕМ він вказується не завжди. У відповідності з [5] момент інерції ротору може мати великі відхилення від номінального значення (10 % ). При проектуванні різноманітних електроприводів та систем автоматики розробників цікавлять точні значення моменту інерції роторів ЕМ (а деколи і роторів у зборі з виконавчими пристроями), оскільки вони визначають тепловий режим та швидкохідність ЕМ. Внаслідок неоднорідності матеріалу та складних геометричних форм ротору розрахункове визначення моменту інерції є трудомістким завданням зі складною методикою та великою похибкою. Більш точним є експериментальне визначення моменту інерції. Питанням експериментального визначення моменту інерції присвячено багато наукових робіт [6, 7], але високоточного, простого, швидкодіючого пристрою його контролю досі нема. Найбільш розповсюджені в теперішній час методи визначення моменту інерції [6], це метод допоміжного маятнику, який використовується для ЕМ потужністю від 10 до 1000 кВт, метод самогальмування, який використовується для ЕМ потужністю вище 100 кВт, метод крутильних коливань. Останній є найбільш універсальним та придатний для контролю моменту інерції ЕМ як великої потужності, так і мікродвигунів. Згідно цієї методики, частина ЕМ, що обертається, підвішується у вертикальному положенні осі обертання та приводиться у крутильний коливальний рух. При цьому визначається період малих крутильних коливань, який потім порівнюється з періодом коливань еталонного тіла з відомим моментом інерції. Шуканий момент інерції визначається з виразу:

, (1.7)

де - момент інерції еталонного тіла,

- період коливань еталонного тіла,

- період коливань частини ЕМ, що обертається.

Незважаючи на універсальність, цей метод має такі суттєві недоліки, як необхідність розбирання ЕМ та велику трудомісткість, що значно обмежує його використання. За допомогою цього методу неможливий контроль моменту інерції ЕМ в процесі їх роботи та без їх демонтування.

Нині відомі наукові розробки, що присвячені визначенню параметрів та характеристик ЕМ з аналізу динамічних режимів їх роботи [6, 7]. У роботах [8, 9], розроблено спосіб визначення моменту інерції та моменту опору на валу за допомогою двох зразкових мас з відомими моментами інерції на основі використання інформації про зміну кутової швидкості. Він полягає у вимірюванні кутового прискорення у режимах пуску та самогальмування асинхронної трифазної ЕМ при встановлених на валу зразкових масах. На основі отриманих результатів вирішується система рівнянь, з якої знаходяться шукані величини. Цей метод має високу точність, та у порівнянні з іншими методами, високу швидкодію, але він не придатний для контролю моменту інерції ЕМ з газомагнітним підвісом ротору, тому як для більшості таких машин режим самогальмування відсутній, а зупинення здійснюється примусово, шляхом подання постійної напруги замість змінної напруги живлення, що створює гальмівний момент.

Для контролю моменту інерції таких ЕМ перспективним є спосіб, заснований на визначенні амплітуди крутильних коливань ротору під час їх роботи в усталеному режимі. Але він потребує подальшої розробки для визначення аналітичних співвідношень, що зв'язують контролюємий параметр з вихідними параметрами ЕМ, інформацію про які можна отримати шляхом прямих вимірювань.

Механічна характеристика (МХ) є однією з найважливіших та найбільш інформативних характеристик ЕМ та визначається як залежність між обертаючим моментом та кутовою швидкістю обертання:

М=f(), (1.8)

або

=f(М), (1.9)

що отримана при незмінних напрузі живлення та частоті мережі.

Вигляд МХ обумовлюється різноманітними початковими умовами та іншими параметрами. З великою кількості таких МХ виділяють пускову МХ, яка називається ще природною та вимірюється при підключені ЕМ до мережі живлення з номінальними параметрами при відсутності на валу моменту опору та додаткових моментів інерції. За МХ при відповідних умовах розраховуються статичні параметри ЕМ. Наприклад, для трифазної асинхронної ЕМ, МХ режиму реверсу при наявності належного додаткового моменту інерції, наближується до МХ статичного режиму, що дає можливість зменшити час вимірювань таких статичних параметрів, як початковий пусковий момент, максимальний момент та інші. Окрім цього за МХ характеристикою можливо оцінити деякі види браку. Наприклад, при асиметрії обмотки ротору асинхронного двигуна, форма МХ характеристики суттєво відрізняється від зразкової. При невірному з'єднанні секцій обмотки статору час розбігу затягнений у порівнянні із зразковим.

З вищесказаного слідує, що підвищення точності визначення не тільки механічної характеристики, а і багатьох інших параметрів ЕМ вимагає наявності високоточних пристроїв вимірювання та контролю кутової швидкості у статичному та динамічному режимах роботи об'єкту контролю, та точних автоматичних і швидкодіючих пристроїв контролю моменту інерції роторної системи для будь-якої ЕМ. Це обумовлює доцільність їх подальшої розробки та дослідження.

2. Техніко-економічне обґрунтування доцільності розробки комп'ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом

2.1 Особливості вимірювання параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом

Задачі контролю та управління якістю, які вирішуються на різних етапах процесів виготовлення та використання електромеханічних перетворювачів енергії (ЕМПЕ), є різноманітні та взаємопов'язані. В теперішній час, завдяки досягненням мікропроцесорної та вимірювальної техніки стало можливим використовувати автоматичні пристрої та системи різного рівня інтелекту для вимірювання та контролю різноманітних параметрів ЕМПЕ як в процесі їх виготовлення, так і під час їх експлуатації. В інформаційному забезпеченні систем контролю і управління якістю значна роль відводиться проведенню контрольно-вимірювальних, випробних та діагностичних робіт. Ці роботи спрямовані на отримання та використання інформації про показники надійності та якості виробляємих електричних машин. Відповідальними етапами на шляху створення інтегрованих систем вимірювання, контролю, управління якістю вироблюємих електричних машин є розробка та впровадження сучасних методів для промислового контролю, випробувань та діагностики.

При різних видах випробувань ЕМПЕ виникає необхідність вимірювання характеристик руху (ХР), а саме кутової швидкості обертання ; сковзання ; обертаючого моменту М; механічної характеристики; приведеного моменту інерції ротору ЕМПЕ J; моменту механічних втрат М₀. Перераховані фізичні величини входять до загального рівняння рух електричної машини (ЕМ), що дає можливість об'єднати їх під загальною назвою характеристики руху електричних машин ХР ЕМ; Вони повинні визначатись як у статичному так і динамічному режимах роботи.

Механічна характеристика (МХ) є однією з найважливіших та

найінформативніших характеристик ЕМПЕ та визначається як залежність між обертаючим моментом та кутовою швидкістю обертання М=f() або =f(М), що отримана при незмінних напрузі живлення та частоті мережі [13].

Вигляд МХ обумовлюється різноманітними початковими умовами та іншими параметрами. З великою кількості таких МХ виділяють пускову МХ, яка називається ще природною та вимірюється при підключенні ЕМ до мережі живлення з номінальними параметрами при відсутності на валу моменту опору та додаткових моментів інерції. За МХ при відповідних умовах розраховуються статичні параметри ЕМПЕ. Наприклад, для трифазного асинхронного електродвигуна, МХ режиму реверсу при наявності належного додаткового моменту інерції, наближується до МХ статичного режиму, що дає можливість зменшити час вимірювань таких статичних параметрів, як початковий пусковий момент, максимальний момент та інші. Окрім цього за МХ характеристикою можливо оцінити деякі види браку. Наприклад, при несиметрії обмотки ротора асинхронного двигуна, форма МХ характеристики суттєво відрізняється від зразкової. При невірному з'єднанні секцій обмотки статора час розбігу затягнений у порівнянні із зразковим [14].

Вимірювання МХ у перехідному режимі роботи ЕМПЕ має наступні особливості у порівнянні з вимірюванням в статичному режимі: динамічні вимірювання проводяться за короткий проміжок часу; інформативні параметри змінюються у широкому діапазоні; в деяких випадках виникає необхідність сумісних вимірювань (наприклад кутова швидкість вимірюється сумісно з часом, що потребує наявності двох вимірювальних каналів); необхідність вияву короткочасних змін - «голкових провалів моменту», які суттєво погіршують якість механічної енергії, сприяють виникненню ударів в механічній трансмісії, що має зазори, з якою з'єднано електродвигун; відсутність методик розрахунку динамічних метрологічних характеристик.

Рух обертання ЕМПЕ описується наступним рівнянням [15]:

(2.1)

Аналіз виразу (2.1) свідчить про необхідність проведення динамічних вимірювань кутової швидкості для визначення параметрів руху. Кутова швидкість, а точніше її залежність від часу є як і МХ однією з найважливіших характеристик ЕМПЕ. Контроль кутової швидкості в багатьох випадках є необхідним у різноманітних технологічних процесах. Вимірювання МХ нерозривно зв'язане з вимірюванням кутової швидкості обертання, а вимірювання кутової швидкості у динамічному режимі ускладнено тими самими причинами, що і вимірювання механічної характеристики. Питанням автоматизації та механізації праці при випробуваннях ЕМПЕ приділяється недостатньо уваги. Вітчизняною промисловістю не виготовляються автоматизовані прилади для досліджень та промислових випробувань. Між тим, електродвигуни в основному є садовими інших, більш складних виробів. Тому відказ в роботі електродвигуна може привести до відказу в роботі всього пристрою, вартість якого значно перевищує вартість електродвигуна. Вище сказане обумовлює необхідність подальшої розробки автоматизованих пристроїв не тільки для промислового контролю характеристик електродвигунів, а також під час їх експлуатації. Розвиток інформаційно-вимірювальної техніки у напрямку все більшого використання мікроконтролерів, персональних ЕОМ, ускладнення об'єктів вимірювання, і як наслідок алгоритмів процедур вимірювання, вимагає використання інтелектуальної апаратури.

2.2 Проведення маркетингових досліджень

При створенні розробки велика увага повинна приділятися ринковим умовам, тому, що перевагу одержують найбільш прості i доступні для впровадження розроблені системи вимірювання та контролю кутової швидкості, якi мають малу ціну i велику надійність. Найбільш близька модель ринку, яка досліджується в дипломному проектi - олiгополiя. Висновок обумовлений тим, що цим питанням займається обмежена кількість фірм. До них відносяться науково-дослідні інститути i дослідні лабораторії. Велика перевага даної розробки у її гнучкості i застосуванні до різних систем обладнання різноманітних підприємств. Дана розробка забезпечує вимірювання та контроль частоти обертання у великих межах. Крім того дана система легко переобладнується для використання в інших цілях. Даний пристрій вимірювання та контролю частоти обертання буде притягувати до себе увагу багатьох підприємств i фірм, оскільки розроблювана система забезпечує ефективну роботу. Потенційними споживачами розробляємого пристрою можуть бути цукрові заводи, але споживачами також будуть великі підприємства, якi мають справу з системами, де потрібно вимірювати та контролювати кутову швидкість. Так як прилад має великі межі вимірювання, то він набуде більшого застосування, ніж подібні йому прилади. Пристрої розроблені на основі мікропроцесорної техніки будуть мати велику надійність. Отже, їх робота забезпечить надійну роботу систем, де необхідно контролювати частоту обертання на протязі декількох років, з урахуванням того, що сезон цукроваріння складає 70 - 90 діб. Із вище сказаного можна зробити висновок про те, що цукрові заводи Вінницької області, будуть споживачами даної системи, отже, тільки в перший рік потрібно буде виготовити біля 80 (шт), на наступні роки біля 25 (шт). З урахуванням того, що даний пристрій з успіхом може використовуватись і на інших підприємствах, таких як науково-дослідні лабораторії, підприємства по виготовленню електротехнічної продукції, то можливо виробництво даної розробки зросте.

2.3 Розробка вимог до розробляємої системи

Виходячи з вище сказаного, можливо сформулювати основні вимоги до розробляємого пристрою для контролю та високоточного вимірювання кутової швидкості обертання валу електродвигунів малої потужності та мікродвигунів: пристрій повинен бути реалізовано на основі ПЕОМ, що дозволить проводити обробку результатів вимірювання, подавати результати вимірювання і контролю у графічному вигляді, розраховувати інші характеристики електродвигуна; відомі в теперішній час ТП не можуть повністю задовольнити сучасним вимогам, тому доцільно розробити ТП вільний від вказаних вище недоліків; пристрій повинен забезпечувати надійну роботу на протязі 2 - 3 років; вся елементна база повинна вибиратись надійною і з порівняно невеликою ціною ,що дасть малу ціну виробу; пристрій повинен бути надійним і витримувати певні навантаження, зміну кліматичних умов в великих межах; собівартість виробу повинна бути мінімальною, що досягається малою ціною комплектуючих, але які забезпечують потрібну надійність; забезпечення стійкої роботи в екстремальних умовах (пікові викиди струму в мережі живлення, електромагнітні перешкоди, висока температура оточуючого середовища, тощо). Вимоги до розробляємого ТП наступні: малий вносимий момент опору на вал об'єкту досліджень; малі габарити; висока швидкодія; аналоговий вихідний сигнал, перша похідна якого прямопропорційна миттєвому значенню кутової швидкості; чутливість до напрямку обертання; простота конструкції;

Із наведеного вище видно, що досягаючи поставлених вимог до даної розробки можна досягти великих успіхів у розробці з технічної сторони економічного, високонадійного , який буде мати незначну похибку та велику швидкодію, з економічної сторони: конкурентноздатним, який буде мати порівняно малу ціну.

2.4 Порівняльна характеристика розробляємої системи

Проведемо порівняльний аналіз розробляємого пристрою для контролю та високоточного вимірювання у динамічному режимі кутової швидкості обертання валу електродвигунів.

Найбільш простим і зручним для проведення аналізу і вибору базового методу для розробки пристрою є узагальнений якісний критерій якості (УКЯ). Якісний критерій характеризує, досягнута чи не досягнута ціль, яку поставлено перед пристроєм. Цей критерій якості можна трактувати як приймаючий тільки два значення: 1- якщо ціль досягнута, 0- в протилежному випадку. Тоді УКЯ буде являти собою суму окремих якісних критеріїв якості (ОКЕ), які характеризують окремі цілі, поставлені перед пристроєм.

, (2.6)

де б_і - вагові коефіцієнти; _і - загальна кількість ОКЯ.

Відносні значення _і розраховуються за нижченаведеними формулами:

а) Для показників, зростання яких говорить про підвищення в лінійній залежності якості розробки:

, (2.7)

б) Для показників, зростання яких говорить про зниження в лінійній залежності якості розробки:

, (2.8)

При цьому обумовимо, що для досягнення якої-небудь окремої цілі пристрій повинен реалізовувати усі свої потенційні можливості в рамках використовуємого способу вимірювання. Це положення дозволяє проводити порівняльний аналіз пристроїв на рівні реалізованих у ньому способів вимірювання.

Вважаючи, що пристрій повинен забезпечувати як функціональні, так і економічні вимоги на одному рівні, необхідно дотримуватися наступних умов:

. (2.9)

Результати порівняльного аналізу наведено у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Порівняльний аналіз розробляємого пристрою та його аналогів

Назва критерію	Пристрій на основі частотного ТП	Пристрій на основі тахогенератору	Пристрій на основі ФТП з аналого-вим вихідним сигналом	Розроблю-ємий пристрій	Потенційний пристрій
Широкий діапазон контролюємих кутових швидкостей	1	0	0	1	1
Чутливість до напрямку обертання	0	1	1	1	1
Малий вносимий момент опору на валу об'єкту досліджень	1	0	1	1	1
Можливість проведення динамічних вимірювань	1	1	1	1	1
Низька собівартість	1	0	1	1	1
Простота конструкції	1	0	1	1	1
Висока швидкодія	1	0	0	1	1
Простота алгоритму обробки вихідного сигналу	1	1	0	1	1
Простота пристрою для вторинної обробки сигналу	1	0	0	0	1
Необхідність сумісного вимірювання часу при динамічних вимірюваннях	0	0	1	1	1
	8	3	6	9	= 10
	0.8	0.3	0.6	0.9	1

Як слідує з аналізу табл. 2.1, розробляємий пристрій для контролю та високоточного вимірювання у динамічному режимі кутової швидкості обертання валу електродвигунів має найбільший у порівнянні з аналогами показник ефективності, що свідчить про доцільність його розробки.

2.5 Економічна доцільність нової технічної розробки

2.5.1 Прогнозування собівартості

Спрогнозуємо собівартість нової технічної розробки методом питомої ваги.

Цей метод доцільно застосовувати тоді, коли є можливість розрахувати одну з прямих витрат і встановити питому вагу даної статті, в собівартості аналогова. Собівартість одиниці нової продукції можна спрогнозувати за формулою:

(грн). (2.10)

де К_Н - коефіцієнт, який враховує конструктивні та технологічні особливості нової розробки, К_Н = 1ч1,2

В_П - величина однієї із статей витрат, яка вибрана за основу, грн.;

П - питома вага однієї із прямих витрат в собівартості аналогова, %;

Вартість одиниці продукції аналога становить приблизно 1000 грн. Відомо, що питома вага для аналога становитиме 60 %, а питома вага нової розробки становить 65 %.При цьому собівартість розробки складатиме:

(грн)

Собівартість же нової розробки становитиме:

(грн)

2.5.2 Прогнозування величини капітальних вкладень

Розрахуємо величину капітальних вкладень для більшості сучасних аналогів та для нової розробки за формулою:

К = В * А * S (грн)= В*Ц (грн). (2.11)

де S - собівартість нової розробки, яка оцінюється приблизним способом;

В - коефіцієнт, який враховує витрати на розробку, придбання, транспортування, монтаж, налагодження тощо нової розробки, В 1,1 ч 1,8;

А - коефіцієнт, який враховує прогнозований прибуток, податки, які повинен виплатити виробник тощо, А 1,5 ч 2;

Ц - ціна реалізації нової розробки, якщо вона визначена раніше, грн..

К₁ = 1,6 · 2 · 2000 = 6400 (грн.)

К₂ = 1,4 · 2 · 2036,73 = 5702,84 (грн)

2.5.3 Прогнозування величини експлуатаційних витрат

Розрахуємо експлуатаційні витрати для аналога та нової розробки за формулою:

Е = k Ц = k A S (грн/рік), (2.12)

де Ц - ціна реалізації нової розробки, якщо вона визначена раніше, грн./шт., k-коефіцієнт, який ураховує витрати на амортизацію, електроенергію, обслуговування, ремонт тощо. Рекомендується приймати значення k = (0,20,4). Для обчислювальної техніки значення k рекомендується приймати по максимуму. А - коефіцієнт, який враховує прогнозований прибуток, податки, які повинен виплачувати виробник тощо; А 1,5 2, S - собівартість нової розробки, грн., яка оцінювалася вище;

- доля часу, який витрачає працівник на обслуговування вибору в загальному часі своєї роботи.

Е₁ = 0,4 2 2000 0,6 = 960 (грн/рік)

Е₂ = 0,4 2 2036,73 0,6 = 977,63 (грн/рік)

Якщо К₁ = 6400 грн., К₂ = 5702,84 грн. то співвідношення між аналогом та новою розробкою по капітальних вкладеннях - К₁ > К₂. Якщо Е₁ = 960 грн/рік, Е₂ = 977,63 грн/рік, то співвідношення між аналогом та новою розробкою по експлуатаційних витратах - Е₁ < Е₂. Як можна побачити, при впровадженні нової технічної розробки підприємство буде мати економію коштів по капітальних вкладеннях та експлуатаційних витратах у розмірі:

К_еф = 6400 - 5702,84 = 697,16 (грн).

Е_еф = 960-977,63 = - 17,63 (грн/рік).

Такий варіант свідчить про абсолютну економію як на питомих капіталовкладеннях, так і на експлуатаційних витратах, тобто кращою буде нова розробка, що свідчить про доцільність проектування та впровадження її в виробництво.

3 Розробка структурної схеми комп'ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом

До складу розробляємого пристрою входить первинний тахометричний перетворювач. Як було вказано у попередньому розділі, цей ТП буде мати аналоговий вихідний сигнал, прямопропорційний куту повороту. Шляхом обчислення його першої похідної визначається кутова швидкість.

Аналогові диференціюючі пристрої мають велику похибку та вузький частотний діапазон, що не може задовольнити вимоги технічного завдання. Тому необхідно використати цифрове диференціювання вихідного сигналу ТП. Існують три види цифрового диференціювання [16]:

перший тип - це дискретний диференціатор з усередненням. Принцип його дії полягає у відніманні через однакові інтервали часу миттєвих значень вхідного сигналу. Сигнал на виході диференціатора першого типу описується виразом:

(3.1)

де - інтервал дискретності;

другий тип - це дискретний диференціатор з осередненням. У цьому диференціаторі віднімаються через однакові інтервали часу попередньо проінтегровані на цих інтервалах значення вхідного сигналу. Сигнал на виході диференціатора другого типу:

, (3.2)

цифровий диференціатор третього типу - це диференціатор з усередненням на частині інтервалу. У ньому віднімаються через однакові інтервали часу попередньо проінтегровані на частині цих інтервалів значення вхідного сигналу. Вихідний сигнал описується виразом

, (3.3)

Імпульсні характеристики диференціаторів першого, другого та третього типів описуються відповідно виразами

, (3.4)

, (3.5)

, (3.6)

де - дельта-функція Дирака,

Провівши пряме перетворення Фур'є від імпульсних характеристик та відокремивши дійсну та мниму частини отримуємо частотні та фазові характеристики диференціаторів. Для диференціатора першого типу:

, (3.7)

. (3.8)

Для диференціаторів другого типу:

, (3.9)

. (3.10)

Для диференціаторів третього типу

, (3.11)

. (3.12)

Вибір одного з цих трьох видів залежить від конкретного випадку, але кожен з них обумовлює необхідність використання аналого-цифрового перетворювача.

Розробляємий пристрій призначений для високоточного вимірювання та контролю кутової швидкості та інших параметрів руху ЕМПЕ у динамічному режимі. Тобто він повинен працювати як в режимі реального часу так і обчислювати залежності кутової швидкості, кутового прискорення, кута повороту валу від часу. Це обумовлює необхідність реалізації пристрою на основі персональної ЕОМ.