Помощь студентам в учебе
ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ЭЛЕКТРОННЫМ ИЗМЕРИТЕЛЕМ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР: НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИЗМЕРИТЕЛЕМ МОМЕНТА 9
1.1.Область применения ТЭП с ИМ в металлургических общепромышленных комплексах и автомобилестроении 15
2. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ
КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 31
2.1. Устройства измерения крутящего момента ТЭП 32
2.2. Методы измерения крутящего момента 46
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ ТЯГОВЫХ МАШИН
ПО ТЕХНОЛОГИИ ОБОБЩЕННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТОКА 54
3.1. Анализ информационно-измерительной системы автомобильного
ТЭП 54
3.2. Алгоритмы обработки измерительной информации по технологии
обобщенного энергетического потока 61
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯГОВЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ 71
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО
МОМЕНТА ТЭП 80
5.1. Моделирование погрешности измерения активной мощности 80
5.2. Моделирование погрешности измерения тока 82
5.3. Моделирование погрешности измерения крутящего момента ТЭП . 83
6. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ ТЭП 87
7. НАСТРОЙКА АЛГОРИТМОВ ВЫЧИСЛЕНИЯ КРУТЯЩЕГО
МОМЕНТА ТЭП С ИМ 91
7.1. Методика настройки математической модели электрической машины
по техническим данным двигателя 91
7.2. Выбор способа настройки математической модели 957.3.Настройка модели по методу наискорейшего спуска 98
8. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ТЭП С ИМ 101
8.1.ВЫБОР ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ И
МИКРОКОНТРОЛЛЕРА ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 103
8.1.1 .Выбор датчиков тока 105
8.1.2. Выбор датчиков напряжения 107
8.1.3. Выбор датчиков углового перемещения 108
8.1.4. Выбор микроконтроллера 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 119
ВВЕДЕНИЕ 7
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР: НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИЗМЕРИТЕЛЕМ МОМЕНТА 9
1.1.Область применения ТЭП с ИМ в металлургических общепромышленных комплексах и автомобилестроении 15
2. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ
КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 31
2.1. Устройства измерения крутящего момента ТЭП 32
2.2. Методы измерения крутящего момента 46
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ ТЯГОВЫХ МАШИН
ПО ТЕХНОЛОГИИ ОБОБЩЕННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТОКА 54
3.1. Анализ информационно-измерительной системы автомобильного
ТЭП 54
3.2. Алгоритмы обработки измерительной информации по технологии
обобщенного энергетического потока 61
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯГОВЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ 71
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО
МОМЕНТА ТЭП 80
5.1. Моделирование погрешности измерения активной мощности 80
5.2. Моделирование погрешности измерения тока 82
5.3. Моделирование погрешности измерения крутящего момента ТЭП . 83
6. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ ТЭП 87
7. НАСТРОЙКА АЛГОРИТМОВ ВЫЧИСЛЕНИЯ КРУТЯЩЕГО
МОМЕНТА ТЭП С ИМ 91
7.1. Методика настройки математической модели электрической машины
по техническим данным двигателя 91
7.2. Выбор способа настройки математической модели 957.3.Настройка модели по методу наискорейшего спуска 98
8. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ТЭП С ИМ 101
8.1.ВЫБОР ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ И
МИКРОКОНТРОЛЛЕРА ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 103
8.1.1 .Выбор датчиков тока 105
8.1.2. Выбор датчиков напряжения 107
8.1.3. Выбор датчиков углового перемещения 108
8.1.4. Выбор микроконтроллера 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 119
За последнее десятилетие тяговый электрический привод получил значительное развитие. Во многом это взаимосвязано с постоянным усовершенствованием электросиловых установок транспортных средств, в том числе частичной заменой двигателей внутреннего сгорания электрическими или гибридным их аналогом. Главной координатой управления в тяговом электроприводе является крутящий момент. Поэтому точное его измерение и управление является приоритетной задачей в области тягового электропривода [1]. Недостаточная точность управления электромагнитным состоянием электрических машин не позволяет в полной мере реализовать потенциал синхронных машин при глубоком регулировании по углу нагрузки в пиковых режимах и энергетическую эффективность асинхронных машин при глубоком амплитудном регулировании до (30...50)% номинала в длительных режимах частичных нагрузок [2].
Актуальность данной темы заключается в необходимости повышения точности распределения момента между двигателями в многодвигательных взаимосвязанных либо групповых силовых установках автотранспортных средств и однодвигательных агрегатах, область применения которых обширна: технологические процессы металлургического производства, непрерывная транспортировки сыпучих материалов, производство рулонной продукции различного назначения [3]. Электрический привод с измерителем крутящего момента облегчает решение задачи контроля вязкости, влажности и однородности исходного материала в производстве хлебной продукции, глиняного, песочно-цементного и других растворов в производстве строительных материалов. начиная от намоточных устройств однодвигательных электроприводов и заканчивая многодвигательными электроприводами автотранспортных систем и промышленных конвейеров. Стоит отметить, что на данный момент, тяговый электропривод является одним из основных узлов электротранспортных средств, незаменим в металлургии.Характеристики ТЭП во многом определяют характерные черты транспортного средства. Развитие ТЭП находится на границе между высокими
экономическими требованиями, экологичностью и технической
эффективностью оборудования [4].
Проблема недостаточного качества управления тяговым электрическим приводом связана с тем, что существующие методы управления не обеспечивают необходимую точность определения крутящего момента и распределение его по осям, в следствие чего снижается общий уровень надежности и безопасности транспортных средств. Кроме того, это может привести к нарушению технологического процесса, возникновению ударных нагрузок и бракованной продукции.
Целью ВКР является разработка электронного измерителя крутящего момента электрических машин в тяговом электроприводе на основе двигателей переменного тока, позволяющая минимизировать погрешность определения момента до уровня приведенной погрешности не более ±3%. Более того, предполагаемое программное обеспечение измерителя крутящего момента и системы контроля и диагностики тягового электропривода имеет во многом совпадающую информационную и алгоритмическую основу. Данный фактор повышает актуальность разработки предлагаемого продукта.
Актуальность данной темы заключается в необходимости повышения точности распределения момента между двигателями в многодвигательных взаимосвязанных либо групповых силовых установках автотранспортных средств и однодвигательных агрегатах, область применения которых обширна: технологические процессы металлургического производства, непрерывная транспортировки сыпучих материалов, производство рулонной продукции различного назначения [3]. Электрический привод с измерителем крутящего момента облегчает решение задачи контроля вязкости, влажности и однородности исходного материала в производстве хлебной продукции, глиняного, песочно-цементного и других растворов в производстве строительных материалов. начиная от намоточных устройств однодвигательных электроприводов и заканчивая многодвигательными электроприводами автотранспортных систем и промышленных конвейеров. Стоит отметить, что на данный момент, тяговый электропривод является одним из основных узлов электротранспортных средств, незаменим в металлургии.Характеристики ТЭП во многом определяют характерные черты транспортного средства. Развитие ТЭП находится на границе между высокими
экономическими требованиями, экологичностью и технической
эффективностью оборудования [4].
Проблема недостаточного качества управления тяговым электрическим приводом связана с тем, что существующие методы управления не обеспечивают необходимую точность определения крутящего момента и распределение его по осям, в следствие чего снижается общий уровень надежности и безопасности транспортных средств. Кроме того, это может привести к нарушению технологического процесса, возникновению ударных нагрузок и бракованной продукции.
Целью ВКР является разработка электронного измерителя крутящего момента электрических машин в тяговом электроприводе на основе двигателей переменного тока, позволяющая минимизировать погрешность определения момента до уровня приведенной погрешности не более ±3%. Более того, предполагаемое программное обеспечение измерителя крутящего момента и системы контроля и диагностики тягового электропривода имеет во многом совпадающую информационную и алгоритмическую основу. Данный фактор повышает актуальность разработки предлагаемого продукта.
В ВКР рассмотрены существующие методы измерения в тяговом электроприводе, на основе которых сделан выбор в пользу косвенного измерения крутящего момента по средствам электронного измерителя. По средствам ИКМ исключаются такие недостатки прямого измерения моментом как крупные габариты, необходимость установки датчика на вал, в некоторых случаях даже точность измерения. Это позволяет использовать его даже в сложных эксплуатационных условиях. В его основу положен энергетический метод формирования электромагнитного момента, входящий в теорию обобщенного энергетического потока электрической машины. Он учитывает недостатки векторного управления и позволяет повысить точность определения электромагнитного момента в 3-4 раза. Раскрыт принцип построения электронного измерителя крутящего момента, в основу которого положены разработки информационно-измерительной системы электропривода.
Выполнена оптимизация математической модели асинхронного двигателя по критерию минимума среднеквадратичного отклонения базовых показателей, благодаря которой определены значения сопротивлений электрической машины, позволяющие с высокой точностью определять ее основные параметры.
Моделирование точностных характеристик подтвердило реализуемость предъявленных требований к точности определения электромагнитного момента на уровне ± (2,5...3) %. При этом определены допуски на определение суммарных номинальных потерь активной мощности и их зависимость от КПД и класса точности измерительных приборов, а также допуски на погрешности прямого измерения активной мощности, угловой скорости, тока и напряжения. Кроме того, произведен выбор измерительной аппаратуры и микроконтроллера, входящих в состав информационно - измерительной системы тягового электропривода, точность измерения которых учитывалась при моделировании.Разработана общая функциональная схема тягового электропривода с электронным измерителем крутящего момента.
В результате проделанной работы получена универсальная система косвенного определения момента по средствам электронного измерителя тягового электропривода с требуемыми точностными характеристиками. Подтверждено, что данная система позволяет повысить точность определения крутящего момента до уровня ± (2,5...3) % приведенной погрешности, то есть в 3-4 раза по сравнению с векторным методом управления.
Данная работа является второй ВКР, выполненной мной в течение периода работы в научной группе по автомобильному тяговому электроприводу. В выпускной квалификационной работе использованы разработки и публикации коллектива научной группы с моим участием.
При выполнении выпускной квалификационной работы использовались такие программы как MathCAD и AutoCAD, при помощи которых производились такие расчеты как настройка математической модели электрической машины по техническим данным и моделирование точностных характеристик электрической машины, а также разработка функциональных схем как информационно - измерительной системы тягового электропривода, так и общей функциональной схемы электронного измерителя крутящего момента в составе тягового электропривода.
Выполнена оптимизация математической модели асинхронного двигателя по критерию минимума среднеквадратичного отклонения базовых показателей, благодаря которой определены значения сопротивлений электрической машины, позволяющие с высокой точностью определять ее основные параметры.
Моделирование точностных характеристик подтвердило реализуемость предъявленных требований к точности определения электромагнитного момента на уровне ± (2,5...3) %. При этом определены допуски на определение суммарных номинальных потерь активной мощности и их зависимость от КПД и класса точности измерительных приборов, а также допуски на погрешности прямого измерения активной мощности, угловой скорости, тока и напряжения. Кроме того, произведен выбор измерительной аппаратуры и микроконтроллера, входящих в состав информационно - измерительной системы тягового электропривода, точность измерения которых учитывалась при моделировании.Разработана общая функциональная схема тягового электропривода с электронным измерителем крутящего момента.
В результате проделанной работы получена универсальная система косвенного определения момента по средствам электронного измерителя тягового электропривода с требуемыми точностными характеристиками. Подтверждено, что данная система позволяет повысить точность определения крутящего момента до уровня ± (2,5...3) % приведенной погрешности, то есть в 3-4 раза по сравнению с векторным методом управления.
Данная работа является второй ВКР, выполненной мной в течение периода работы в научной группе по автомобильному тяговому электроприводу. В выпускной квалификационной работе использованы разработки и публикации коллектива научной группы с моим участием.
При выполнении выпускной квалификационной работы использовались такие программы как MathCAD и AutoCAD, при помощи которых производились такие расчеты как настройка математической модели электрической машины по техническим данным и моделирование точностных характеристик электрической машины, а также разработка функциональных схем как информационно - измерительной системы тягового электропривода, так и общей функциональной схемы электронного измерителя крутящего момента в составе тягового электропривода.
