Полученная исходная формула (2.16) позволяет при заданных значениях Р_С, J_С, и J_РЕД определить, создаст ли выбранный двигатель требуемые величины и . Непосредственное применение формулы (2.16) представляет, однако, довольно трудоемкий процесс и требует проверки методом проб пригодности ряда предположительно намечаемых двигателей.

Для упрощения выбора трехфазных асинхронных двигателей типов RA и AДП используется табличные данные [2], в которой приведены значения , вычисленные по формуле (2.16) для различных величин Р_С, J_РЕД при J_С=0

На основании анализа маломощных редукторов в таблице 2.3 приведены данные, рекомендуемые в качестве ориентировочных.

Методика выбора асинхронного двигателя сводится к следующему.

1. При заданных значениях М_С и по формуле (2.16) определяют мощность статической нагрузки Р_С.НГ, КПД редуктора принимают на основании данных таблицы 2.2.

2. По формуле (2.21) определяют мощность потерь в редукторе Р_С.РЕД. При этом величину М_ТР.РЕД берут из справочных данных [2]. Значение _Н принимают в зависимости от частоты питания сети.

Согласно справочных данных [2] для двигателей с питанием от сети 50 Гц можно ориентировочно принять _Н 200 (что соответствует n_Н 2000 об/мин); для двигателей повышенной частоты 400--500 Гц (_Н 600 (что соответствует n_Н6000 об/мин )

3. По формуле (2.19) определяют статическую мощность Р_С.

4. По заданным значениям и находят требуемую величину отношения .

5. Задавшись значением табличным значением J_РЕД при требуемой величине Р_С выбирают двигатель, развивающий , с некоторым запасом по сравнению с .

6. Для выбранного двигателя определяют передаточное число редуктора

. (2.22)

7. По формулам (2.15) и (2.18) находят величину J_С, характеризующую влияние момента инерции нагрузки.

8. Производят проверку пригодности выбранного двигателя с учетом момента инерции нагрузки, т. е. проверяют выполнение неравенства

.

При выполнении неравенства выбор двигателя можно считать законченным. В противном случае следует выбрать двигатель с большим запасом по отношению к и произвести проверку аналогично предыдущему. Разработанный по данной методике алгоритм представлен на рисунке 2.3.

Изложенная методика выбора мощности двигателя основана на проверке по перегрузочному моменту. Для асинхронных двигателей нет особой необходимости производить проверку на тепловую перегрузку, поскольку кратность пускового тока управления невелика. Например, для всех двигателей типа АДП _I=1-1,4.



Когда возникает необходимость контроля двигателя по тепловой нагрузке, следует проверить выполнение неравенства

,

где - эквивалентный момент, рассчитанный по общепринятой методике на основании заданного графика нагрузок.

Определить мощность асинхронного двигателя системы при следующих исходных данных:

cстатический момент нагрузки МС=0,35 Нм;

требуемая скорость привода _С=0,2 1/с;

требуемое ускорение привода _С0,2 1/с²;

момент инерции нагрузки JC=1,55 кгмс².

Двигатель должен быть повышенной частоты f=400 Гц.

Расчет

1. Мощность статической нагрузки

.

2. Мощность трения в редукторе

3. Статическая мощность

Вт.

4. =2/0,2=10.

В соответствии с табличным значением принимаем момент инерции редуктора J_РЕД=0,15 кгмс².

По справочным данным для Р_C=110 Вт и J_РЕД=0,15 кгмс² в результате интерполяции между Р_C=110 и 220 Вт находим RA 71А4 =12,3;

Таблица 2.3

Мощность исполнительного двигателя РН, Вт	КПД редуктора	Момент трения редуктора, МТР.РЕД, гсм	Момент инерции редуктора JРЕД, гсмсек2
До 200 От 200 до 1000	0,7-0,9 0,7-0,9	5-15 10-25	0,005-0,02 0,02-0,2

Данный расчет иллюстрирует удобство пользования предлагаемой методикой выбора двигателя с помощью таблиц электротехнического справочника.

Выбираем двигатель типа RA 71А4 :

Р_Н = 0,25 кВт; n_Н = 4500 об/мин; J_ДВ=0,024 гсмсек²

6. Передаточное число редуктора

.

7. .

8. Производим проверку с учетом влияния момента инерции нагрузки

Следовательно, выбранный двигатель удовлетворяет поставленным требованиям.

Т.о. двигатель типа RA 71А4 с характеристиками Р_Н = 0,25 кВт; n_Н = 4500 об/мин; J_ДВ=0,024 гсмсек² можно использовать в качестве исполнительного двигателя электропривода изделия 9П149.

Выводы

1. Проведенные исследования показали, что одной из основных методик выбора двигателя электромеханических систем, позволяющей с достаточной точностью определить необходимые параметры двигателя является методика выбора мощности асинхронного двигателя основана на проверке по перегрузочному моменту

2. По данной методике разработан алгоритм расчёта исполнительного асинхронного двигателя электропривода изделия 9П149.

3. В результате проведенных расчетов определены необходимые параметры асинхронного двигателя электропривода изделия 9П149 и выбран двигатель типа RA 71А4 . Для данного двигателя определено передаточное число редуктора, требуемый вращающийся момент; произведена проверка выбора двигателя с учетом влияния момента инерции нагрузки, построена естественная характеристика.

3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ИЗДЕЛИЯ 9П149 НА ЕГО ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

3.1 Требования, предъявляемые к математическим моделям электромеханических систем управления

Одновременный уровень развития вычислительной техники, ее программного обеспечения, разработки аналитических и численных методов анализа ЭМС позволяют считать методы цифрового моделирования наиболее целесообразными при решении задач проектирования и исследования ЭМС и ее подсистем.

К основным требованиям, предъявляемым к математической модели ЭП как сложной ЭМС, относятся:

модульный принцип и иерархическая структура;

универсальность и гибкость модели за счет адаптивной перестройки ее структуры, уровня и степени детализации математического описания отдельных подсистем ЭП;

адекватность на различных этапах жизненного цикла изделия;

использование единого языка программирования с четкой фиксацией и согласованием обозначения переменных, массивов и процедур с целью последовательного наращивания пакета прикладных программ (ППП) по мере разработки новых алгоритмов обработки информации и управления функционированием;

обеспечение оценки исследуемых характеристик в широком диапазоне условий работы системы;

наличие развитой системы «сервисных» программ отображения, регистрации, обработки и анализа результатов моделирования.

Оценка показателей эффективности ЭП предусматривает создание математических моделей, которые должны с достаточной точностью описывать реальные процессы при относительно простой реализации. Выбор математического аппарата для, реализации математической модели, исследуемого ЭП может быть осуществлен на основе поиска компромиссного решения между перечисленными требованиями.

Основу алгоритмов математического обеспечения моделей составляют расчетные формулы методов, используемых при постановке экспериментов на модели и обработке всех полученных результатов. Поэтому при создании моделей ЭП стремятся выбрать метод математического моделирования, удовлетворяющий требованиям:

расчет оценок выходных показателей с использованием достаточно простых алгоритмов обработки;

определение необходимого объема числа реализаций моделирования, из условий достижения заданной точности.

Методика организации эксперимента на модели должна реализовываться с учетом возможностей вычислительной техники.

Наиболее полно всем указанным требованиям удовлетворяет метод статистических испытаний.

3.2 Разработка математической модели исполнительного двигателя электропривода изделия 9П149

Исполнительный двигатель (ИД) ЭДМ-14, входящий в систему автоматического регулирования, может работать либо в установившемся режиме, то есть с постоянной скоростью, либо в режиме перехода от одного установившегося состояния к другому.

В качестве входной величины двигателя рассматривается прикладываемое к его якорной обмотке напряжение , а под выходной величиной понимается скорость вращения его якоря.

Основные параметры электродвигателя ЭДМ-14

Номинальная мощность, Вт - 180

Напряжение питания, В - 27

Номинальный момент на валу, кгс·м-- 0,058

Номинальная частота вращения, об/мин - 3000

Момент инерции якоря, кгс·с².0,47·10^-5

Электрическая постоянная времени, с - Не более 10

КПД - Не менее 0,65

Масса, кг - 9

Изменение скорости вращения исполнительных электродвигателей, принимаемых в следующих системах, производится, как правило, путем изменения управляющего напряжения, подводимого к якорю двигателя постоянного напряжения. Кроме того, скорость вращения исполнительного двигателя может как вследствие изменения момента сопротивления на валу двигателя, так и вследствие изменения параметров системы.

Уравнение электрического равновесия электродвигателя в переходном режиме будет:

, (3.1)

где - напряжение, приложенное к обмотке якоря;

- противо-ЭДС в обмотке якоря;

- ток в обмотке якоря;

- внутреннее падение напряжения в цепи якоря;

- индуктивность обмотки якоря;

- ЭДС самоиндукции обмотки якоря.

Уравнение механического равновесия двигателя в переходном режиме будет:

, (3.2)

При постоянном магнитном потоке имеем:

, (3.3)

, (3.4)

Тогда , (3.5)

производная от тока:

, (3.6)

Подставляя выражения (3.2), (3.3) и (3.4) в уравнение (3.5) получили:

, (3.7)

Разделив правую и левую части последнего уравнения на и сгруппировав все члены, содержащие скорость и ее производные, получили:

, (3.8)

Уравнение может быть записано в виде:

, (3.9)

Выражение (3.9) называется уравнением движения электродвигателя.

При выборе двигателя по мощности >>, т.е. можно полагать, что <<0. Тогда уравнение движения примет вид:

, (3.10)

Тогда передаточная функция будет иметь вид:

, (3.11)

где .

Механическую постоянную времени двигателя ЭДМ - 14 берем из справочных данных, с.

Следовательно, передаточная функция двигателя:

, (3.12)

3.3 Разработка математической модели электропривода изделия 9П149

Привод ПТРК 9П149 предназначен для наведения пусковой установки по азимуту (курсу) углу места (тангажу), приведения ПУ в положение для заряжания, а также для удержания ее в заданном положении при сходе изделия 9М114 во время пуска.

Уравнение каждого из этих элементов определяет изменение выходной обобщенной координаты элементы в зависимости от воздействий, приложенных к нему. В свою очередь, процесс на выходе элемента может быть воздействием для других элементов системы. В этом случае вся система автоматического управления представляется в виде совокупности связанных между собой элементов. Естественно, что изменение обобщенных координат, характеризующие внутренние процессы в каждом элементе, при этом не рассматривается. С математической точки зрения это означает, что из всей совокупности управлений, описывающих процесс в каком- либо элементе системы, используется одно уравнение, определяющее лишь изменение выходной обобщенной координаты элемента (процесс на выходе элемента).

Для того, что бы составить математическую модель электропривода наведения, необходимо составить дифференциальные уравнения, описывающие работу каждого из элементов, входящих в электропривод.

1. ВТ - вращающийся трансформатор (ВТ 20МВТ-2-10П), представляет собой малогабаритную электрическую машину переменного тока, перемещений и преобразования их в электрические сигналы переменного тока. Принципиальная электрическая схема вращающегося трансформатора показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.2 - Схема принципиальная электрическая вращающегося трансформатора

Входным сигналом вращающегося трансформатора является угол поворота ротора , выходным - напряжение на обмотке ротора. При повороте ротора относительно поворотной оси в его обмотке индуцируется ЭДС, действующее значение которой имеет вид:

, (3.13)

где - коэффициент трансформации; - действующее значение напряжения на обмотке возбуждения; - передаточный коэффициент.

Вращающиеся трансформаторы могут использоваться для измерения углов рассогласования двух, механически не связанных между собой валов.

Сигнальные обмотки ВТ включены встречно, а поэтому действующее значение ЭДС на выходе равно:

, (3.14)

При малых углах поворота валов sin:

, (3.15)

то есть выходной сигнал пропорционален углу рассогласования .

ВТ можно описать математически в виде уравнения, которое называется безынерциальным законом:

, (3.16)

где - коэффициент передачи ВТ.

Передаточная функция вращающегося трансформатора безынерционного звена имеет вид:

, (3.17)

где коэффициент передачи вращающегося трансформатора 20 МВТ-2-10П . Отсюда следует, что В/град.

Работу блока усилителей можно описать как работу нескольких важных элементов входящих в состав блока:

Блок электроэлементов ПБ5.069.308, который служит для суммирования сигнала поступающего с вращающегося трансформатора с сигналом БАЛАНС. Допустим, что на вход блока электроэлементов поступает сигнал БАЛАНС 0, тогда работа блока электроэлементов может быть описана алгебраическим уравнением вида:

(3.18)

Так как входящий сигнал равен выходному, передаточная функция имеет вид:

, (3.19)

Далее сигнал поступает на первый вход усилителя напряжения ПБ2.548.105. Усилитель напряжения ПБ2.548.105 состоит:

из усилителя напряжения переменного тока, выполненного на микросхеме и транзисторе;

из двухполупериодного фазочувствительного выпрямителя, выполненного на микросхемах.

Основным показателем усилителя является его коэффициент усиления по мощности. Под этим коэффициентом понимается отношение мощности на выходе усилителя к мощности на его входе.

В усилителе напряжения большое значение имеет коэффициент усиления по напряжению. Под этим коэффициентом понимается отношение приращения выходного напряжения к соответствующему приращению входного , т.е. , или в более общем виде:

, (3.20)

При этом имеется в виду равновесное состояние системы.

Так как основным показателем усилителя напряжения является коэффициент усиления по напряжению

, (3.21)

то дифференциальное уравнение, описывающее работу усилителя , имеет вид:

, (3.22)

где - выходной сигнал с усилителя напряжения;

- входной сигнал , поступающий на вход с модулятора.

, тогда уравнение связи усилителя напряжения имеет вид:

, (3.23)

В операторной форме уравнение запишем в виде:

, (3.24)

тогда передаточная функция усилителя У2 будет иметь вид:

, (3.25)

Фазочувствительный выпрямитель - ФЧВ осуществляет преобразование сигналов переменного тока в сигналы постоянного тока, причем полярность выпрямляемого напряжения изменяется на противоположную при изменении фазы входного сигнала на 180.

При изменении фазы входного напряжения на 180 изменяется направление тока и полярность напряжения нагрузки. Выходное напряжение ФЧВ - среднее значения напряжения нагрузки.

Дифференциальное уравнение, описывающее работу ФЧВ, имеет вид:

, (3.26)

где - выходной сигнал постоянного тока ФЧВ;

- входное напряжение переменного тока, поступающее с усилителя напряжения переменного тока, где коэффициент усиления в фазовом режиме .

Таким образом, на основании уравнения связи ФЧВ передаточная функция

, (3.27)

Блок электроэлементов ПБ5.069.305 обычно является последним каскадом цепи усиления сигнала. К его выходу подключается приемник большой мощности. Под этим коэффициентом понимается отношение мощности на выходе усилителя к мощности на его входе. Основным параметром усилителя мощности является коэффициент усиления мощности.

, (3.28)

В общем виде дифференциальное уравнение блока усилителей показывает связь между входной величиной и выходным напряжением, подаваемым на вход электродвигателя и представляет собой зависимость:

, (3.29)

где - коэффициент усиления по мощности.

, следовательно, дифференциальное уравнение усилителя мощности имеет вид:

, (3.30)

а его передаточная функция:

, (3.31)

Для удобства построения математической модели работу блока усилителей целесообразно представить безинерциальным звеном с передаточной функцией.

(3.32)

и нелинейным звеном изображенным на рисунке 3.2 показывающим работу усилителя ПБ2.035.030.

Рисунок 3.2- Нелинейная характеристика типа «Релейная характеристика».

Для электромеханических элементов автоматики типичны релейные характеристики. Релейной характеристикой называется характеристика x₂=f(x₁), представляющая собой такую зависимость между входной x₁ и выходной x₂ координатами, при которой непрерывному изменению x₁ соответствует скачкообразное изменение x₂, происходящее при определенных значениях x₁, а между этими значениями координата x₂ остается постоянной.

Симметричная релейная характеристика с зоной нечувствительности, описывающая работу трехпозиционного реле, соответствует уравнениям:

C при x₁>b

x₂= 0 при -b< x₁<b (3.33)

-C при x₁>-b

Пренебрегая зоной нечувствительности, если она мала, получим идеальную релейную характеристику (рисунок 3.4), описываемую уравнением:

C при x₁> 0

x₂= 0 при x₁ = 0 (3.34)

-C при x₁> 0

Усилитель ПБ2.035.030 осуществляет преобразование сигнала до величины необходимой для работы исполнительного двигателя. Независимо от входного сигнала на выходе сигнал равен ±27 В.

Ред1 - редуктор, представляющий собой вал исполнительного двигателя. Его можно представить усилительным звеном с передаточной функцией

(3.35)

Ред2 - редуктор, связывающий вал исполнительного двигателя с выходным валом можно представить усилительным звеном с передаточной функцией

(3.36)

ТГ - тахогенератор постоянного тока представляет собой электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением и постоянными магнитами (рисунок 3.7).

Входная координата ТГ - угловая скорость , выходная - напряжение, выделенное на сопротивлении нагрузки.

Так, как

, (3.37)

то , (3.38)

, (3.39)

Таким образом, передаточная функция тахогенератора приобретает вид:

, (3.40)

где - постоянная времени фильтра, 0,001 с.

Уравнение, описывающее работу тахогенератора постоянного тока, будет иметь вид:

, (3.41)

где .

Следовательно, уравнение примет вид:

. (3.42)

Передаточная функция тахогенератора постоянного тока

, (3.43)

Для дифференцирования угла поворота вала электродвигателей широко применяются тахогенератора постоянного тока.

Дифференцирование угла поворота вала электродвигателей постоянного тока может быть осуществлено массивной мостовой схемой в соответствии с рисунком 3.3.

Рисунок 3.3 Тахометрический мост постоянного тока

Где - напряжение питающее якорную цепь;

, , - активные сопротивления, участвующие в образовании мостовой схемы;

- падение напряжения на электродвигателе;

- измеряемая величина пропорциональная скорости вращения .

Как известно, выходная величина датчика тока, пропорциональная скорости вращения, находится по формуле:

, (3.44)

где , (3.45)

 - угол поворота вала двигателя.

- постоянный коэффициент противо - ЭДС электродвигателя.

Согласно принятому обозначению на функциональной схеме дифференциальное уравнение имеет вид:

, (3.46)

где - коэффициент пропорциональности датчика тока.

Тогда передаточная функция датчика тока будет:

, (3.47)

Объект уравнения (ОУ) является одним из элементов автоматической системы, от которого существенно зависит динамические свойства и поведение всей системы в целом.

Объектом управления может быть любая физическая система и вследствие этого переменными, определяющими состояние объекта управления, могут быть любые физические величины. Поэтому для описания падения объекта управления в общем случае необходимо составить уравнение всех физических и химических процессов, связывающие интересующие нас величины определяющее мгновенное состояние объекта управления, управляющими воздействиями.

В таких случаях за уравнение, описывающее поведение объекта управления, можно принять уравнения движения выходного элемента исполнительного устройства, добавив их к массе (моменту инерции), приведенную массу (соответственно момент инерции) объекта управления и, включив число действующих на выходной элемент исполнительного устройства сил, приведенные силы, действующие на объект управления.

В качестве объекта управления в ПТРК 9П149 используется пусковая установка, которая обладает своими параметрами, габаритом, весом и т.д. Положение пусковой установки в пространстве однозначно определяется положением выходного вала исполнительного устройства.

Составим уравнение перемещения пусковой установки, когда исполнительное устройства представляет собой электродвигатель постоянного тока с управлением напряжения в цепи якоря.

Уравнение движения ротора двигателя имеет вид:

, (3.48)

Упрощенное уравнение движения ротора двигателя с установкой определяется уравнением:

, (3.49)

, .

Согласно функциональной схемы дифференциальное уравнение, описывающее работу объекта управления имеет вид:

, (3.50)

Запишем в операторной форме уравнение (2.45):

, (3.51)

Тогда передаточная функция объекта управления определяется по формуле:

, (3.52)

где сек - постоянная времени объекта управления;

- коэффициент передачи объекта управления.

Следовательно, в окончательном виде передаточная функция

, (3.53)

Таким образом, мы получили математическое описание всех элементов, входящих в функциональную схему привода наведения пусковой установки 9П149, что дает нам возможность составить полную математическую модель всей системы автоматического управления в целом.

Модель можно представить в виде множества величин, описывающих процесс функционирования данной системы.

Выполнение любого процесса функционирования электропривода можно формально описать уравнением связи входа и выхода:

,

где - выходное вероятное пространство;

- оператор;

- пространство входных данных;

- пространство параметров системы.

Исходя из выше изложенного, под математической моделью привода наведения следует понимать конечное множество вместе с математическими связями между ними и характеристиками .

В результате исследования функционирования ЭП и его элементов разработана математическая модель, представляющая собой схему дифференциальных уравнений третьего порядка. На рисунке 3.4 представлена модель ЭП наведения ПУ изделия 9П149 в виде структурной схемы. Элементы ЭП описаны передаточными функциями. На рисунке 3.5 изображена структурная схема электропривода 9П149 с действующими значениями параметров.

Рисунок 3.4 - Структурная схема электропривода изделия 9П149

Рисунок 3.5 - Структурная схема электропривода изделия 9П149 с действующими значениями параметров

3.4 Обоснование и выбор электромагнитной муфты для асинхронного двигателя электропривода изделия 9П149

Для регулирования частоты вращения, вращающего момента на валу, для соединения и разъединения ведущего и ведомого валов применяются электрические аппараты в виде муфт с электрическим управлением. Эти муфты можно подразделить на индукционные и электромагнитные.

Индукционные муфты (рисунок 3.6) по принципу действия аналогичны асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором. Приводной двигатель соединяется со сплошным якорем 1, ведомый вал связан с индуктором - 2.

Катушка возбуждения 4 создает постоянный магнитный поток 5, замыкающийся по якорю 1. При вращении якоря магнитное поле катушки индуктора пересекает цилиндрическое тело якоря, и в нем наводятся вихревые токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создает силу, которая увлекает индуктор в направлении вращения якоря. Материал якоря должен обладать малым удельным электрическим сопротивлением, что обеспечивает возникновение достаточно больших вихревых токов, и высокой магнитной проницаемостью для получения возможно больших значений магнитного потока.

Рисунок 3.6 - Индукционная муфта: 1 -- якорь, 2--индуктор, 3--магнитная система; 4--катушка возбуждения, 5 -- магнитный поток

Регулируя ток возбуждения I_в и тем самым, меняя магнитное поле, можно плавно регулировать в широких пределах частоту вращения и передаваемый вращающий момент ведомого вала.

На рисунке 3.7 показаны механические характеристики индукционной муфты. На этом рисунке I_в* = I_в/I_в.ном -- ток возбуждения в относительных единицах; М_* = М/М_ном -- передаваемый момент в относительных единицах, где М_ном -- номинальный момент муфты; I_в.ном -- соответствующий ему номинальный ток возбуждения; n -- частота вращения в процентах частоты вращения при отсутствии на ведомом валу нагрузки.

Рисунок 3.7 - Механические характеристики индукционной муфты при различном токе возбуждения

При увеличении момента нагрузки угловая скорость ведомого вала уменьшается. При этом возрастают скольжение и токи, наводимые в якоре муфты. Увеличение токов в якоре увеличивает момент, развиваемый муфтой и передаваемый на ведомый вал.

Механические характеристики индукционной муфты существенно зависят от нагрузки. Поэтому для стабилизации скорости применяются специальные, регулирующие устройства.

Более широко применяются электромагнитные муфты, в которых используется электромагнитное усилие притяжения между ерромагнитными телами. Эти муфты удобны в эксплуатации, имеют малые габаритные размеры и небольшое время срабатывания, передают большие мощности на валу при сравнительно малой мощности управления.

Рисунок 3.8 - Электромагнитная фрикционная муфта: а - разрез муфты; б -поверхность трения

Простейшая конструкция электромагнитной фрикционной муфты представлена на рисунке 3.8. Постоянное напряжение подводится к щеткам, скользящим по контактным кольцам 1, соединенным с выводами обмотки 2. Обмотка имеет цилиндрическую форму и окружена магнитопроводом ведущей части 3 муфты. Направляющая втулка 7 имеет выступ 6, который входит в паз 8 полумуфты 5, которая может перемещаться вдоль оси, оставаясь соединенной с валом 10.

В обесточенном состоянии дружина 9 упирается в направляющую втулку 7, жестко закрепленную на валу 10, и отодвигает подвижную часть полумуфты 5 вправо. При этом поверхности трения (диски 4) не соприкасаются и ведомый вал 10 разобщен с ведущим валом 11.

При подаче на обмотку управляющего напряжения возникает магнитный поток Ф. На полумуфты 3,5, выполненные из магнитомягкого материала, начинает действовать. электромагнитная сила, притягивающая их друг к другу. Таким образом, полумуфты и обмотка представляют собой электромагнит. Между дисками 4, жестко связанными с деталями 3 и 5, возникает сила нажатия, обеспечивающая необходимую силу трения и их надежное сцепление.

На рисунке 3.8 б изображена поверхность трения. Элементарный момент трения

(3.54)

где р_уд -- давление на поверхности трения, Па; k_ТP -- коэффициент трения; R -- текущий радиус поверхности трения, м.

Результирующий момент, развиваемый муфтой,

где = R_вн/R_вш; R_вш , R_вн внешний и внутренний радиусы трущихся поверхностей дисков 4, обычно = 0,3 - 0,8.

Наиболее совершенны диски из металлокерамики. Металлокерамика на медной основе состоит из 68 % меди, 8 % олова, 7 % свинца, 6 % графита, 4 % кремния и 7 % железа. Составляющие в порошкообразном состоянии прессуются при высоком давлении (сотни МПа) и затем спекаются при температуре 700--800 °С. Аналогично изготовляется металлокерамика на железной основе. Металлокерамические материалы имеют высокое значение k_ТP и допускают высокую рабочую температуру (до 200 °С).

Давление р_уд определяется износом поверхностей трения дисков. Для металлокерамических материалов оно составляет 0,8 - 1, для сталей 0,4 - 0,6 МПа.

В процессе пуска момент, который должен быть передан муфтой, возрастает, так как кроме статического момента нагрузки М_н необходимо передать динамический момент М_дин При этом проскальзывание (пробуксовка) поверхностей трения должно быть небольшим, иначе они могут выйти из строя из-за нагрева до высокой температуры. В режиме пуска

,

где J - момент инерции подвижных частей, кгм²; щ - угловая частота вращения, 1/с; k₃ -- коэффициент запаса, учитывающий возрастание момента муфты при пуске. Значения k₃ для различных видов нагрузок приведены ниже:

При большом передаваемом моменте для уменьшения габаритных размеров муфты применяется многодисковая система (рисунок 3.9). Диски 6 связаны с ведущей частью муфты 5 и могут свободно перемещаться вдоль направляющих 7. Диски 8, связанные с электромагнитом ведомой части, также могут перемещаться по направляющей 4. В данной конструкции магнитный поток, создаваемый обмоткой 1, не проходит через диски, а замыкается через магнитопровод 2 и якорь 3, что позволяет уменьшить зазор электромагнита. Момент, развиваемый такой муфтой,

,

где М_Д -- момент трения одной пары дисков; n -- общее число дисков.

Зная поверхность трения S и допустимое давление на поверхности одного диска р_уд, можно найти основные параметры электромагнита. Поскольку рабочий зазор мал и магнитное поле в рабочем зазоре равномерно, определить электромагнитное усилие можно по формуле Максвелла.



Рисунок 3.9 - Многодисковая фрикционная муфта

Электромагнитное усилие создается двумя полюсами с кольцеобразной поверхностью. Соответственно

, (3.57)

где S₁ - поверхность полюса с меньшим радиусом; S₂ - поверхность полюса с большим радиусом. Положим S₁=S₂. Поскольку Ф₁ = Ф₂, то при S₁=S₂=S

. (3.58)

Видоизменением электромагнитной муфты является электромагнитный тормоз. В обесточенном состоянии пружина создает необходимое давление на диски трения и вал надежно заторможен. Для освобождения вала необходимо подать напряжение на электромагнит, преодолевающий силу пружины. При остановке вращающегося вала вся кинетическая энергия превращается в тепло

,

где J -- момент инерции подвижных частей; _о -- начальная угловая скорость; М_тр -- момент трения; _тр -- угол поворота вала, при котором происходит торможение; с - удельная теплоемкость материала дисков; т -- масса диска; п - число дисков; _доп--допустимая температура материала диска; _о --температура окружающей среды.

Данное уравнение позволяет рассчитать параметры электромагнитного тормоза с точки зрения нагрева.

Недостатком конструкций, изображенных на рисунке 3.8 и рисунке 3.9, является наличие скользящего контакта.

Разработаны конструкции муфт, у которых катушка возбуждения неподвижна, а магнитный поток проходит через притягивающиеся ферромагнитные детали ведущей и ведомой частей муфты. Однако передаваемый такими муфтами момент значительно ниже, чем у контактных.

При включении муфты различают три этапа. Первый этап - с момента подачи напряжения до момента соприкосновения дисков. Длительность этого этапа определяется только параметрами самой муфты. Второй этап - с момента соприкосновения дисков до окончания их проскальзывания относительно друг друга. Для определения длительности второго этапа рассмотрим уравнения, движения ведущих ведомых частей

где J₁ и J₂ - моменты инерции ведущей и ведомой частей; ₁ -- угловая скорость ведущей части передачи; ₂ - угловая скорость ведомой части передачи; М_Д - момент, развиваемый электродвигателем М_тр -- момент трения в муфте; М_н -- момент нагрузки на ведомой части муфты.

Введем скорость скольжения _с ведущей части относительно ведомой:

Тогда из системы (3.60), (3.61) получим

Для решения (3.62) необходимо знать изменение М_Д , М _тр, М_я в динамике. В общем случае М_Д является функций скорости ₁, момент М _т зависит от р_уд и k_тр, а момент нагрузки М_н зависит от скорости ₂ и времени t. С целью упрощения решения зависимости М_Д , М _тр, М_я линеаризуются на малых участках изменения скорости. По найденной зависимости _с=f(t) из (3.62) определяется время t, при котором _с=0, т. е. время скольжения.

На третьем этапе (разгон) ведущая и ведомая части муфты жестко связаны. Время разгона определяется решением уравнения

(3.63)

где J -- момент инерции всех движущихся частей; М_д -- момент двигателя; M_н -- момент сопротивления.

Временем включения муфты называется промежуток времени от момента подачи напряжения на электромагнит до достижения вращающим моментом 0,9 установившегося значения.

Время включения возрастает с увеличением габаритов муфты, постоянной времени электромагнита, хода якоря, числа дисков и обычно находится в пределах от 0,07 до 0,3с.

Время отключения представляет собой промежуток времени от обесточивания электромагнита до спада вращающего момента до 0,05 номинального значения. Это время увеличивается с ростом габаритных размеров муфты, магнитного потока и колеблется от 0,1 до 0,4 с.

При каждом сцеплении муфты происходит нагрев дисков за счет энергии, выделяемой при проскальзывании. Допустимое число включений муфты определяется температурой нагрева дисков.

Электромагниты муфт выполняются на постоянном токе, что упрощает технологию изготовления и уменьшает габаритные размеры муфты. При питании переменным током полупроводниковые выпрямители могут встраиваться в муфту, причем переменный ток подается непосредственно на кольца. Для повышения быстродействия муфт применяется форсировка.

Электромагниты муфты изготавливаются из сплошного материала и поэтому имеют большую постоянную времени. При отключении муфты на контактах коммутирующего аппарата возникает дуга, которая замедляет процесс отключения и вызывает сильную эрозию контактов. При быстром обрыве дуги возможны возникновение перенапряжения и пробой обмотки. Для облегчения процесса отключения обмотка шунтируется разрядным резистором. Для устранения залипания якоря в притянутом состоянии магнитная система должна иметь конечный зазор.

Схема устройства двигателя с электромагнитной муфтой показана на рисунке 3.10.

Двигатель 1 через шестерню 2 вращает с постоянной скоростью в различных направлениях шестерни 3 и 4. Движение шестерен 3 и 4 может передаваться шестернями 5 и 6 через фрикционные муфты 8 и 9. Шестерни 5 и 6 соединены с шестерней 7. угол поворота которой является выходной переменной исполнительного устройства. Входной переменной является напряжение U_вx. подаваемое на управляющую обмотку муфты. В зависимости от полярности входного напряжения на выходной вал 7 передается вращение либо с шестерни 5, либо шестерни 6.



Рисунок 3.10 - Принцип работы двигателя с электромагнитной муфтой

Проведенный анализ электромагнитных муфт показал, что для соединения с объектом управления двигателя RA 71А4 возможно использовать электромагнитные муфты серии МГБ, и в частности МГБ-10-6. Электромагнитная муфта МГБ - муфта электромагнитная приводная, бесконтактная, управляемая с малоинерционным цилиндрическим ротором, крепление фланцевое. Режим работы продолжительный.

Условия эксплуатации электромагнитной муфты МГБ:

Вибрационные нагрузки

диапазон частот, Гц5-1000

ускорение, м/сІ.100

Ударные нагрузки, м/сІ.400

Температура окружающей среды, С. от -60 до +85

Относительная влажность воздуха при температуре 35°С, %98

Технические данные электромагнитной муфты МГБ-10-6 (напряжение управления 24В, нелинейность статической характеристики 5 - 10%).

Напряжение питания, В.27

Номинальный передаваемый момент, Н·м.1

Номинальная частота вращения, об/мин6000

Остаточный момент установившегося движения, мН·м29,4

Потребляемый ток при номинальном моменте, А1.1

Сопротивление обмотки, Ом14,4

Гарантийная наработка, ч1000

Масса, кг2

Внешний вид электромагнитной муфты МГБ-10-6 изображен на рисунке 3.11.

d₃₀=72; d₁=5; d₂=28; d₂₂=5,8; l₃₀=131; l=12; d₂₀=85; l₂₁=18,5; b₂₀=91,5; h₂₀=83

Рисунок 3.11 - Электромагнитная муфта МГБ-10-6

3.5 Сравнительная оценка динамических характеристик существующего и разработанного электроприводов изделия 9П149

Для исследования влияния параметров исполнительного двигателя на динамические характеристики электропривода изделия 9П149 проведено численное моделирование процесса функционирования электропривода с параметрами исполнительного двигателя ЭДМ-14 и трехфазным асинхронным двигателем RA 71А4 и получены переходные характеристики.

На рисунке 3.12 представлена переходная характеристика электропривода с двигателем ЭДМ-14, полученная в результате численного моделирования на ПЭВМ. Анализ переходного процесса показывает, что время регулирования электропривода t_рег составляет 1,2 с. При этом перерегулирование переходного процесса = 34,8%.

На рисунке 3.13 представлены результаты моделирования электропривода изделия 9П149 с исполнительным двигателем RA 71А4.

В данном случае К_д=683, T_д = 0,21 . Анализ переходных показал, что время регулирования при использовании в качестве исполнительного двигателя трехфазный асинхронный двигатель RA 71А4 уменьшилось с 1,2 с до 0,95с, при этом перерегулирование переходного процесса = 25%. Т.о. качество переходного процесса улучшилось примерно на 20%.

Рисунок 3.12 - Переходная характеристика электропривода изделия 9П149

Рисунок 3.13 - Переходная характеристика электропривода изделия 9П149 с двигателем RA 71А4

Таким образом, проведенные исследования показали, что для повышения огневой маневренности электропривода необходима модернизация электропривода, и в частности замена исполнительных двигателей современными образцами.

Выводы:

1. В результате анализа процесса функционирования элементов электропривода изделия 9П149 разработана математическая модель и определены значения параметров элементов электропривода. Разработана структурная схема электропривода изделия 9П149.

2. Для управления работой асинхронного трехфазного двигателя предложено использовать электромагнитные муфты МГБ-10-6, которые позволят осуществить реверс двигателя.

3. В результате численного моделирования электроприводов постоянного и переменного тока определено, что при использовании в качестве исполнительного двигателя трехфазный асинхронный двигатель RA 71А4 уменьшилось с 1,2 с до 0,95с, при этом перерегулирование переходного процесса = 25%. Т.о. качество переходного процесса улучшилось примерно на 20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В условиях современного общевойскового боя, отличающегося быстротечностью, резкой сменой обстановки, использованием большого количества личного состава и объектов бронетанковой техники наиболее эффективными средствами, способными повлиять на исход боя является ПТРК.

Одним из путей совершенствования комплексов ПТРК является модернизация конструктивных элементов комплексов с использованием современной элементной базы.

Одним из основных элементов комплексов ПТРК, определяющих его огневую скорострельность являются электромеханические системы, позволяющие автоматизировать процесс наведения пакета направляющих (пусковой установки) на цель, перезаряжания пусковой установки и т.д.

В настоящее время широкое применение для повышения быстродействия и точности систем вооружения получили электромеханические системы переменного тока.

Т.о. для повышения точности и быстродействия электропривода изделия 9П149 необходимо осуществить расчет и обоснование трехфазого асинхронного двигателя с улучшенными динамическими и статическими характеристиками.

Проведенные исследования показали, что одной из основных методик выбора двигателя электромеханических систем, позволяющей с достаточной точностью определить необходимые параметры двигателя является методика выбора мощности асинхронного двигателя основана на проверке по перегрузочному моменту

По данной методике разработан алгоритм расчёта исполнительного асинхронного двигателя электропривода изделия 9П149.

В результате проведенных расчетов определены необходимые параметры асинхронного двигателя электропривода изделия 9П149 и выбран двигатель типа RA 71А4 . Для данного двигателя определено передаточное число редуктора, требуемый вращающийся момент; произведена проверка выбора двигателя с учетом влияния момента инерции нагрузки, построена естественная характеристика.

В результате анализа процесса функционирования элементов электропривода изделия 9П149 разработана математическая модель и определены значения параметров элементов электропривода. Разработана структурная схема электропривода изделия 9П149.

Для управления работой асинхронного трехфазного двигателя предложено использовать электромагнитные муфты МГБ-10-6, которые позволят осуществить реверс двигателя.

В результате численного моделирования электроприводов постоянного и переменного тока определено, что при использовании в качестве исполнительного двигателя трехфазный асинхронный двигатель RA 71А4 уменьшилось с 1,2 с до 0,95с, при этом перерегулирование переходного процесса = 25%. Т.о. качество переходного процесса улучшилось примерно на 20%.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Автоматизированное проектирование электрических машин: Учеб. Пособие для студ. Вузов, обуч. По спец. «электромеханика» / Ю.Б.Бородулин, В.С. Мостейкис, Г.В. Попов, В.П. Шишкин; Под ред. Ю.В. Бородулина.- М.: Высшая школа, 1989.-280с.

2. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. -М.: Высшая школа.,2002.-255с.

3. Берман А.В.,Снытков В.В. Специальное электрооборудование и электрический привод боевых машин. - Пенза: ПВАИУ,1974.-255с.

4. Гольденберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин: Учебник для втузов/ Под ред. О.Д. Гольденберга. - М.: Высшая школа, 1984. - 431с.

5. Изделие 9П149. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

6. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин: Учебник для вузов / Н.Ф. Котеленец, Н.А. Акимова, М.В.Антонов. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 384 с.

7. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк.; Логос; 2000. - 607 с.

8. Лихачев В.Л. Электротехника. Справочник. Том 1. - М.:СОЛОН - Пресс, 2003. - 560 с.

9. Осин И.Л., Юферев Ф.М. Электрические машины автоматических устройств: Учеб. пособие для вузов. - М.: Из-во МЭИ, 2003. - 424 с.

10. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для вузов/И.П.Копылов, Ф.А. Горяинов, Б.К. Клоков и др. Под ред. И.П. Копылова. - М.: Энергия, 1980.-4 96 с.

11. Чиликин М.Г.,Сандлер А.С. Общий курс электропривода.-М.:Энергоиздат,1981.-576с.

Размещено на Allbest.ru