Инженерное проектирование. конспект лекций. Конспект лекций гомель 2013 2 введение в качестве объекта проектирования для специальности "Автоматизиро ванный электропривод" могут быть устройства

• Название: Конспект лекций гомель 2013 2 введение в качестве объекта проектирования для специальности "Автоматизиро ванный электропривод" могут быть устройства
• Анкор: Инженерное проектирование
• Дата: 02.08.2022
• Размер: 356.08 Kb.
• Имя файла: конспект лекций.pdf
• Тип: Конспект; #639631
• страница: 1 из 4

ЗАХАРЕНКО С.И., ДОРОЩЕНКО И.В.
ИНЖЕНЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТИ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ГОМЕЛЬ 2013

2
ВВЕДЕНИЕ
В качестве объекта проектирования для специальности “Автоматизиро- ванный электропривод” могут быть устройства:
- блоки автоматики и управления;
- разомкнутый или автоматизированный электропривод исполнительных механизмов рабочих машин;
- схемы управления рабочими машинами и технологическими циклами.
Целью проектирования является документация, необходимая для изго- товления, монтажа, наладки, испытания и эксплуатации соответствующего устройства. В случае серийного производства должны быть разработаны усло- вия хранения и транспортировки.
Проектирование устройств, предназначенных для серийного производ- ства, производится на основании комплекта действующей нормативно- технической документации на уровне систем государственных стандартов, от- раслевых стандартов, методик, руководящих указаний и пр. В соответствии с указанными документами проектированию предшествует предпроектная ста- дия, на которой проводится: составление исходных технических требований к устройству, патентно-информационный поиск, составление технико- экономического обоснования проекта. При необходимости осуществляются
НИР и ОКР.
В нашем регионе специалистам приходится проектировать устройства в основном при модернизации основного технологического оборудования и, в отдельных случаях, для вновь создаваемых, как правило, нетиповых рабочих машин и установок. В последнем случае, при использовании комплектных ти- повых устройств в их схемы часто приходится вносить изменения. Сам процесс ориентирован на конкретные технические и экономические условия предприя- тия-заказчика. К примеру, уровень квалификации инженерного персонала, эко- номические возможности и возможности в получении комплектующих изде- лий.
При проектировании единичных образцов решаются следующие инже- нерные задачи:
1. Разработка, анализ, уточнение, описание задач и показателей электро- привода.
2. Разработка и проектирование системы электропривода.
3. Разработка различного рода конструктивных узлов сопряжения с рабо- чей машиной и сетью.
4. Монтаж, наладка и испытание электропривода.
5. Техническое обслуживание и быстрый ремонт.
На решение указанных задач оказывают влияние возмущающие воздей- ствия:
1. Электростатические и электромагнитные поля.
2. Климатические факторы (температура, влажность, загрязненность).

3
Побочные эффекты электропривода:
1. Механические.
2. Акустические.
3. Тепловые.
4. Опасность электрических и механических воздействий на человека.
5. Пожаро- и взрывоопасность.
6. Излучение электромагнитных полей.
7. Воздействие на сеть коммутационных устройств и силовых преобразо- вателей.
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭП
1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Проектирование ЭП представляет собой процесс обработки информации в ходе, которого на основе более или менее полных исходных данных с помо- щью определенной методики разрабатывается техническая документация для системы электропривода. Входные и выходные величины можно представить следующим образом:
Рис.1. Структурная схема
К блоку А относится информация требуемая в ходе проектирования:
1. О существующих структурах электроприводов, о принципиальных возможных решениях, о типовых проектах и отдельных частных решениях.
2. О технических характеристиках, экономических показателях, об ассор- тименте и условиях поставки типовых модулей, проборов и шкафов управле- ния.
3. О законодательных актах, постановлениях, стандартах, инструкциях, действующих в отрасли и на предприятии, и которые необходимо соблюдать и учитывать.
4. О подлежащих соблюдению авторских правах.
Постановка задачи
Процесс проектиро- вания
А. Информация для принятия инженер- ных решений
Б. Информация для анализа, синтеза и сравнения решений
Техническая документация

4 5. О наиболее целесообразном исполнении схематических и конструктив- ных узлов.
6. Об опыте разработки изготовлении и наладки аналогичных объектов.
Указанная информация изложена в специально-технической литературе, в каталогах, стандартах, патентах и т. д.
К блоку Б относится информация в виде математических и методических средств, представляющих аналитические или эмпирические модели, предназна- ченные:
1. Для записи задачи и ее систематического уточнения.
2. Для эффективного поиска информации, включая патентную докумен- тацию.
3. Для системного анализа и поиска функциональных структур.
4. Для выбора, расчета, параметров и оптимизации узлов системы.
5. Для моделирования и поверочного расчета или оценки характеристик системы и действующих на нее возмущений.
6. Для технической, технологической и экономической оценки разрабо- танных вариантов решений.
7. Для выбора оптимального варианта при наличии различных решений.
Большинство указанных моделей и методов разработаны и представлены в различной форме.
1.2. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Из-за большого числа требований и условий, которые должны быть вы- полнены, процесс проектирования может быть представлен задачей с много- критериальной оптимизацией. Из-за ряда трудностей при синтезе трудно пред- ставить процесс проектирования в строго определенной последовательности.
Даже использую машинную обработку информации нельзя отказаться от уча- стия человека в процессе.
В определенной мере можно алгоритмизировать процесс проектирования и уменьшить роль субъективных факторов до минимума. При этом схема про- цесса может быть представлена моделью, показанной на рис.2.

5
Рис.2. Алгоритм процесса проектирования.
В целом выделено 5 рабочих этапов, которые в процессе проектирова- ния могут встречаться один или несколько раз при итеративном поиске реше- ния.
На первом этапе на основе тщательного изучения проблемы уточняется и конкретизируется поставленная задача, поскольку предварительная постановка небезупречна. Производится отбор и систематизация исходной информации,

6
поиск и добавление недостающих данных, установление приоритета требова- ний на основании пожелания заказчика, с учетом тенденции научно техниче- ского развития и опыта проектирования аналогичных объектов. На данном эта- пе, представляющим собой разработку технического задания, должен обяза- тельно участвовать проектировщик.
Для проектирования системы электропривода уточнение требований производится на основании анализа взаимодействия 3х систем:
1. Электропривод – рабочая машина.
2. Электропривод – сеть.
3. Электропривод и система управления.
Кроме того, учитываются как воздействия на электропривод, так и его влияние на внешнее окружение. При разработке ТЗ целесообразно разделить требование по группам:
1.
Обязательные требования, которые должны быть точно соблюдены, хотя возможны отклонения из-за допусков: динамические показатели, плав- ность регулирования, установочные размеры и др.
2.
Минимальные требования, в отношении которых возможно так называемое “перевыполнение”, а “недовыполнение” недопустимо: диапазон ре- гулирования, время наработки на отказ, уровень помех и т. д.
3.
Пожелания, т.е. требования, необязательные, но которые по воз- можности надо выполнить, обычно это вопросы комфорта обслуживания и ре- монта, автоматизации управления, оформления и т.д.
Для обоснованного выбора решения приоритеты требований по степени их важности обязательно должны быть согласованны с заказчиком.
По уточнённому ТЗ на 2-ом этапе выбирают одно или несколько принци- пиальных решений по самым важным условиям и требованиям с учётом совре- менного уровня научно-технического развитии, опыта проектирования подоб- ных объектов. Решают основные вопросы относительно приводных структур
(ДТП, АД, СД, ШД), автоматизации процессов управления и базу (аналоговую или дискретную) средств обработки информации.
На 3-м этапе для выбранных принципиальных решений производят гру- бый расчет параметров с выбором силового оборудования (двигателей, транс- форматоров), оценку влияния на сеть, предварительный выбор средств автома- тизации, а также грубый экономический расчет. После этого все варианты сравнивают с технической, технологической и экономической точек зрения.
Выбирают оптимальный вариант, который по важнейшим характеристикам наиболее полно удовлетворяет требованиям ТЗ.
На 4-м этапе проводят точный расчет выбранного варианта, оптимизацию системы электропривода, решают вопросы конструктивного исполнения с уче- том монтажа, наладки и испытания. При этом учитывают проблемы безопасно- сти, надежности, помехозащищенности. По окончанию проверяют на сколько электропривод удовлетворяет поставленным требованиям. При неудовлетвори- тельном результате производят корректировку оптимизации или выбирают дру- гое принципиальное решение.

7
При удовлетворительном результате приступают к 5-му этапу, на котором разрабатывают техническую документацию необходимую для изготовления, наладки, испытания и обслуживания системы.
1.3. ОЦЕНКА И СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ РЕШЕНИЯ
В ходе проектирования приходится несколько раз сравнивать варианты решений и оценивать их соответствие поставленным требованиям. В первую очередь проверяются технические, технологические и экономические показате- ли, характеристики, определяющие влияние системы на окружающую среду и степень соответствия конструктивным и эстетическим требованиям.
При сравнении технических характеристик (диапазон регулирования, точность, КПД, и др.) проверяют их соответствие поставленным в ТЗ.
При оценке и сравнении технологических параметров исследуют, в какой степени обеспечивается низкая себестоимость при изготовлении и одновре- менно высокая производительность труда. С этой целью анализируют следую- щие позиции:
1. Как велико в системе число стандартных модулей, блоков по отноше- нию к их общему числу.
2. Каково соотношение затрат рабочего времени на автоматизированные и механизированные работы по отношению к общему времени изготовление.
3. Каково соотношение затрат времени на конструктивную подгонку при сборке системы к общим затратам времени на монтаж.
4. Насколько выдержаны требования стандартов и других нормативных документов.
5. Насколько эффективно могут быть проведены монтаж, наладка и испы- тание системы.
6. Насколько сложна система электропривода, о чем говорит число по- вторяемости и сложности элементов и блоков.
При сравнении экономических показателей, в первую очередь, рассмат- риваются капитальные затраты и затраты отнесенные к какому либо из эксплу- тационных показателей.
Сравнение предварительных результатов производят по важнейшим ха- рактеристикам на основании сравнения показателей качества Q
i
,
где i-номер ха- рактеристики. Показатели служат для количественной оценки выполнения тре- бования, предъявляемых к характеристике. К примеру, можно использовать пя- тибалльную шкалу:
Q=5- требования выполнены полностью (на 100%);
4 - выполнены хорошо (≥ 70%);
3 - выполнены удовлетворительно (≥50%);
2 - неудовлетворительно (недостаточно) (≥25%);
1 - неудовлетворительно (<25%).
В качестве характеристик могут использоваться: диапазон регулирова- ния, КПД системы, плавность регулирования и.др. На основании этой шкалы можно охарактеризовать степень выполнения каждого требования путём назна-

8
чение соответствующей оценки. К примеру, имеем три варианта решения, ко- торые надо оценить по семи показателям (см. Табл. 1).
Таблица 1. Сравнение вариантов ЭП
Характеристики
I вариант
II вариант
III вариант a
i
Q
i a
i
*Q
i
Q
i a
i
*Q
i
Q
i a
i
*Q
i
Q
1
-масса
5 10 2
4 1
2 2
Q
2
-надёжность
3 15 4
20 2
10 5
Q
3
-помехо- чувстви- тельность
2 8
3 12 2
8 4
Q
4
-габариты
5 5
3 3
2 2
1
Q5-КПД
3 12 4
16 1
4 4
Q
6
-Внешнее оформление
4 4
3 3
2 2
1
Q
7
-Затраты
1 4
2 8
4 16 4
Сумма S
23 21 14
Sa
58 66 44
Каждый из вариантов отличается показателями в ту или иную сторону, и выбор наилучшего варианта будет зависеть от значимости характеристик. Если характеристики равнозначны для целей проектирования, то для сравнения ва- риантов используется простая сумма:
∑
=
i
i
Q
S
. Если характеристики имеют разную значимость, то используется взвешенная сумма:
∑
⋅
=
i
i
i
а
а
Q
S
, где а – так называемый весовой коэффициент, который также можно определить по пятибалльной шкале: а=5 – характеристика имеет исключительное значение для целей проек- тирования; а=4 – имеет большое значение; а=3 – определённое значение; а=2 – малое значение; а=1 – несущественна.
Если все характеристики равнозначны, то лучшим является первый вари- ант. При разной значимости лучшим является второй. В ходе проектирования можно проследить за соотношением эксплуатационных показателей и соответ- ствующих им затрат (см. Табл. 2). Для этого проводят сопоставительный анализ с помощью, так называемой технической значимости, которая определяется выражением:
∑
∑
⋅
⋅
=
i
i
i
i
i
в
a
Q
Q
а
t
max
Относительные затраты определяются:
в
t
К
к
=
, где Q
max
– максимально возможная оценка по выбранной шкале;

9
К -ожидаемые затраты.
Таблица 2. Удельные затраты ЭП
I
II
III t
в
0.635 0.682 0.33
К (у.е.)
15 14 11 к
23.7 20.5 33.4
Наиболее низкие удельные затраты при достижении лучших характери- стик имеет второй вариант.
Поскольку назначение оценок по обеспечению требований и весовых ко- эффициентов зависит от субъективной точки зрения проектировщика, то следу- ет производить тщательный анализ для исключения слишком оптимистичных оценок.
1.4. РАЗРАБОТКА ТЗ
Для системы «ЭП - рабочая машина», при анализе задачи должны быть получены следующие результаты:
1. Какие механические переменные должны регулироваться, и с какими показателями.
2. Как должно производиться управление (аналогово или дискретно, ав- томатически или вручную).
3. Силы и моменты, действующие в рабочей машине, влияющие на ЭП.
4. Графики, диаграммы, циклограммы работы исполнительного механиз- ма и ЭП.
5. Требуемые и допустимые значения переменных.
6. Взаимосвязи, блокировки между отдельными ЭП и механизмами.
Для регулируемых электроприводов важно выяснить:
1. Какие воздействия являются существенными и в каком диапазоне они должны быть отработаны.
2. Требуемые или допустимые показатели переходных процессов.
3. Для глубокорегулируемых электроприводов важным показателем явля- ется допустимая неравномерность угловой скорости.
В отдельных случаях необходимо выяснить вопросы: снабжения меха- нической энергией (резервный ЭП), надёжность самого ЭП (время наработки на отказ).
Целью анализа «ЭП – сеть», являются:
1. Параметры сети, влияющие на работу ЭП, хотя они могут изменяться при его подключении.
2. Изменяющиеся параметры сети при подключении ЭП, которые влияют на работу других потребителей.
Основными параметрами сети в точки подключения считаются:
1. Номинальное напряжение сети.

10 2. Длительно допустимое отклонение напряжения от номинального зна- чения.
3. Кратковременно допустимое отклонение напряжения от номинального значения.
4. Номинальная (установленная) мощность подключенных агрегатов к се- ти.
5. Переходное реактивное сопротивление короткого замыкания.
6. Переходная мощность трёхфазного короткого замыкания.
7. Эквивалентное сопротивление сети в точке подключения.
Обычно в точке подключения сеть считается безрезонансной и пред- ставляется в виде источника напряжения и переходного индуктивного сопро- тивления короткого замыкания. Но при параллельной работе активно- индуктивной нагрузки и ёмкостных устройств желательна проверка на возник- новение резонанса. Для реверсивных вентильных ЭП (с естественной коммута- цией), желательно уточнить площадь провала мгновенного значения напряже- ния. Для различных нагрузок сети могут быть ограничены или нормированы коэффициенты искажения, гармоник, несинусоидальности.
В связи с широким применением вентильных приводов и учитывая, что от одной сети питаются несколько потребителей, к синусоидальности напряже- ния сети предъявляются особые требования. На основе анализа гармонического состава можно указать параметры напряжения сети:
- действующее напряжение












+
⋅
≈
=
∑
∑
∞
=
ν
ν
∞
=
ν
ν
3 2
1 1
1 2
2 1
1
U
U
U
U
U
, где индекс
ν
при U означает номер гармоники;
- коэффициент искажения
U
U
K
И
1
=
;
- коэффициент гармоник
2 3
2 1
1
И
Г
K
U
U
K
−
=
=
∑
∞
=
ν
ν
;
- коэффициент несинусоидальности
И
И
K
K
U
U
2 3
2 1
1 1
−
=
=
∑
∞
=
ν
ν
σ
При этом
1 2
2
=
+
И
Г
K
K
и
И
Г
K
K
=
σ
Высшие гармоники должны быть учтены до
13
=
ν
для 6-пульсных вы- прямительных схем и до
25
=
ν
для 12-пульсных.

11
)
(
1
t
u
)
(t
u
Н
)
(t
u
u
u
∆
t
∆
2
Т
t
)
(t
u
Н
-синусоидальная форма при номинальном значении;
)
(
1
t
u
- 1-я гармоника напряжения
Рис.3. Действительная форма напряжения сети
)
(t
u
При расчете параллельной работы вентильных электроприводов и ком- пенсационных устройств описывают характеристики временными функциями.
В соответствии с рис.3 используют следующие параметры:
- глубина провала
)
(
)
(
t
u
t
u
u
H
−
=
∆
;
- ширина провала Δt;
- площадь провала
t
u
F
u
∆
⋅
∆
=
;
- суммарная площадь провалов напряжения, приходящихся на одну полу- волну
∑
2 0
T
u
F
;
-относительное значение мгновенного провала напряжения
H
U
u
U
u
a
∆
≈
∆
=
1
Таблица 3. Допустимые значения параметров напряжения
Параметры
Сеть
Выпрямители
Двигатели
Конденсаторы
Допуски на напряжение
H
U
)
05
,
1 95
,
0
(
÷
H
U
)
05
,
1 925
,
0
(
÷
,
H
U
85
,
0
в течении 0,5 с
H
U
)
05
,
1 95
,
0
(
÷
<
H
U
1
,
1
Отклонение от синусоидальной формы
―
а<0,5 %
(без подключе- ния выпрямителя),
H
U
5
,
0
в течении 1,5 мс
а<0,5 %
―
Отклонение от синусоидальной формы (гармони- ческий анализ)
σ<5 % рекомендовано
03
,
0 02
,
0
÷
=
σ
c
U
U
≤
ν
до
13
=
ν
с=0,05 до
100
=
ν
с=0,01 5
=
Г
K
%
Ограничение дей- ствующего значения тока
H
I
I
3
,
1
≤

12
Целью анализа системы «