Міністерствоосвіти і науки України
Вінницькийдержавний технічний університет
Інститутавтоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління
Факультетавтоматики та комп’ютерних систем управління
ЗАТВЕРДЖУЮ
Зав. кафедри МПА ВДТУ,
д. т. н., професор
___________ В. О. Поджаренко
"___" _______________ 2009 р.
КОМП’ЮТЕРИЗОВАНАВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН З ГАЗОМАГНІТНИМ ПІДВІСОМ
Пояснювальназаписка
додипломного 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.
ВінницяВДТУ 2009
ПОГОДЖЕНОЗАТВЕРДЖУЮ
Зав. кафедри МПАВДТУ,
д. т. н.,професор
__________В. О.Поджаренко
"___" ______________2009 р.ЗАВДАННЯ
надипломний проект зі
спеціальності7.091401 – системи управління і автоматики
студентгрупи 08 — 03. ДП. 008. 00. 000 ПЗ В. І. Козловський
Темапроекту: «Комп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричнихмашин з газомагнітним підвісом»
Вихідні дані. Діапазонивимірювання параметрів: середнього і миттєвого значення кутової швидкості від10 до 6500 рад/с; приведеного моменту інерції від 10-3 до 10-2Н·м; амплітуди крутильних коливань від 10-5 до 2·10-4рад; Відстань від первинного вимірювального перетворювача до комп’ютера – небільше 2 метрів. Визначення: середньої кутової швидкості, миттєвої кутовоїшвидкості, приведеного моменту інерції, амплітуди крутильних коливань. Зведеніпохибки вимірювань комп’ютерної системи: середнього значення кутової швидкості– 1%; миттєвого значення кутової швидкості – 5%; приведеного моменту інерції–10 %; амплітуди крутильних коливань – 7 %. Результат представлення вимірюваноїінформації у вигляді числового подання на екран монітора персональногокомп’ютера.Короткийзміст частин проекту
1 Графічна Комп’ютеризована вимірювальна системапараметрів електричних машин з газомагнітним підвісом. Схема електричнаструктурна. Комп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричних машинз газомагнітним підвісом. Схема електрична принципова. Первинний вимірювальнийперетворювач параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом. Схемаелектрична принципова. Комп’ютеризована вимірювальна система параметрівелектричних машин з газомагнітним підвісом. Схема програми. Комп’ютеризованавимірювальна система параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом.Складальне креслення.
2 Текстова(пояснювальна записка). Огляд аналогів розробляємої системи. Техніко-економічнеобґрунтування доцільності проектування. Розробка комп’ютеризованоївимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом.Розробка структурної схеми. Розробка принципової схеми. Вибір елементної бази.Розрахунок метрологічних характеристик. Розробка алгоритмічного та програмногозабезпечення. Електричні розрахунки. Економічна частина. Охорона праці.Цивільна оборона.
Консультанти зокремих розділів дипломного проекту:
1 Спец.частина _______________________к.т.н., доцент__________
підпис Вчений ступінь, вчене звання (посада)
_________П.І. Кулаков__________
ініціалита прізвище
"_____"___________ 2009 р.
2 Економічначастина _______ _______________асистент________
підпис Вчений ступінь, вчене звання (посада)
Т.К. Мещерякова_____
ініціалита прізвище
"_____"___________ 2009 р.
3 Охоронапраці _______ __________к. т. н., доцент______________
підпис Вчений ступінь, вчене звання (посада)
В. П. Якубович
ініціалита прізвище
"_____"___________ 2009 p.
4 Цивільнаоборона ________ к. т. н., доцент__________________
підпис Вчений ступінь, вчене звання (посада)
В.Ф. Сакевич
ініціалита прізвище
"____"_____________2009p.
Дата попередньогозахисту проекту 17.06.2009р.Офіційний рецензент _______ к.т.н., ст. викл. каф. ЛОТ ВДТУ___
підпис Посада, організація (місце роботи)
М. Г. Тарновський
ініціалита прізвище
"___"__________ 2009 p.Завдання видав керівник проекту _______ ___ к. т. н., доцент________ підпис Вчений ступінь, вчене звання (посада)
П. І. Кулаков
ініціалита прізвище
"_____"___________ 2009 p.
Завдання отримавстудент _______ В. І.Козловський
підпис ініціали та прізвище
"_____"___________ 2009 p.
Примітка:Завдання на дипломний проект є підставою для розробки технічного завдання.
Зміст
Анотація
AnnotationВступ
1. Огляд аналогів розробляємої комп’ютеризованої вимірювальної системипараметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
2. Техніко-економічне обґрунтування доцільностірозробки комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин згазомагнітним підвісом
2.1 Особливості вимірювання параметрів електричнихмашин 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 системипараметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
4. Розробка принципової схеми комп’ютеризованої вимірювальноїсистеми 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 генераторапрямокутних імпульсів, що запускає АЦП
5.3 Електричний розрахунок лінійних фотоприймачів
6. Розробка схеми програми роботикомп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітнимпідвісом та програмного забезпечення
6.1 Розробка схеми програми роботи пристрою
6.2 Розробка програмного забезпечення
7. Розрахунок похибок вимірювання комп’ютеризованої вимірювальноїсистеми 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’ютеризованоївимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
8.2 Розрахунок виробничої собівартості комп’ютеризованої вимірювальноїсистеми 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 дляспоживача
8.7 Розрахунок економічного ефекту на ціні для споживача від придбаннянового 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, якіпов’язані зі стресом10. Оцінка стійкості роботикомп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин газомагнітнимпідвісом в умовах дії іонізуючих та електромагнітних випромінювань
10.1 Дія іонізуючих випромінювань та електромагнітного імпульсу нарадіоелектронні системи
10.2 Оцінка стійкості роботи комп’ютеризованої вимірювальної системипараметрів електричних машин з газомагнітним підвісом в умовах дії іонізуючихвипромінювань
10.3 Оцінка стійкості роботи комп’ютеризованої вимірювальної системипараметрів електричних машин з газомагнітним підвісом в умовах діїелектромагнітного 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 вимірювальнасистема параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
Перелік елементів
Анотація
У дипломномупроекті розроблено комп’ютерний пристрій для контролюмоменту інерціі ротора синхронної гістерезисної електричної машини згазомагнітним підвісом ротора. Розроблено високоточний первинний перетворювачамплітуди крутильних коливань та вимірювальний канал на основіаналого-цифрового перетворювача, дані з виходу якого передаються через порт доПЕОМ, де обчислюється значення моменту інерції та здійснюється його контроль.Розраховано похибку вимірювання моменту інерції та показники достовірності йогоконтролю.
Також у дипломному проектіпроведено розрахунок економічного ефекту від впровадження пристрою увиробництво та розглянуто питання охорони праці та екології.
Annotation
In the degree project the computer device for monitoring a moment ofinertia of a curl of the synchronous hysteresis electrical machine of themachine gas-magnetic hanger of a curl is developed. The precision primaryconverter of amplitude of torsional oscillations and measuring channel isdeveloped on the basis of an analog-to-digital converter, the datas from whichexit are transmited through a port to the computer, where the value of a momentof inertia is evaluated and its monitoring is carried out. The measuring errorof a moment of inertia and indexes of reliability of its monitoring iscalculated.
Also in the degree project the account of economicbenefit from introduction of the device in manufacture is carried out and areconsidered of a question of protection of work and ecology.
Вступ
Моментінерції ротора будь-якої електричної машини є однією з найважливіших їїхарактеристик. На жаль, вимірювання та контроль цього параметру електричнихмашин трудомісткий і в умовах промислового виробництва а також в процесіперіодичного контролю стану електричних машин не завжди виконується.
Промисловістюне випускаються засоби автоматизованого контролю та вимірювання моментуінерції. Це приводить до відносно високого проценту браку при виробництвімашин.
В теперішнійчас бажано мати пристрій, здатний здійснювати контроль та вимірювання моментуінерції без знімання електричної машини з місця її роботи.
Величина моментуінерції /> ротора електричних машинсуттєво впливає на виміряне значення динамічного моменту />, оскільки останній єневід’ємною складовою частиною під час встановлення залежності /> і в процесі отриманнядинамічної механічної характеристики />.
Розрахунковіметоди визначення /> характеризуютьсядосить низькою точністю, тому на практиці застосовуються рідко. Найбільшрозповсюдженими є експериментальні методи: допоміжного маятника; крутильнихколивань; самогальмування.
Суттєвимнедоліком перших двох експериментальних методів є невисока точність таскладність автоматизації процесу вимірювання.
Окрімтого, їх не можна застосовувати при вимірюванні моменту інерції ротораелектричних машин з безконтактним підвісом ротора, тому як у таких машинахвикористовується примусове гальмування ротору в процесі зупинки машини.
Високоточнийконтроль та вимірювання кутової швидкості має велике значення не тільки привипробуваннях електричних машин (ЕМ), а в багатьох випадках і під час їхроботи. Це стосується систем точних приводів, систем автоматики, у яких ЕМ єскладовими компонентами, систем, у яких відбувається керування електроприводами.
Специфічноюособливістю тахометрії є вимога високої точності вимірювання: в більшостівипадків вимірювання швидкостей повинні виконуватись з точністю на один-двапорядку вище, ніж вимірювання інших параметрів руху. В останній час ця вимоганакладається ще на динамічний режим роботи тахометра, обумовлюючи ще однувимогу — високу швидкодію.
Дуже важливимелементом вимірювального кола кутової швидкості є тахометричний перетворювач. Всучасних вимірюваннях, в основному використовуються два види тахометричних перетворювачів- частотні та амплітудні, інформативними параметрами вихідного сигналу яких є,відповідно, частота (період) та амплітуда.
Нині найточнішимивважаються дискретні методи вимірювання кутової швидкості. Вони ґрунтуються наквантуванні сигналів за рівнем та дискретизації у часі [1].
Длябільшості електродвигунів, які працюють у різноманітних пристроях автоматики,системах точних електроприводів, різноманітних побутових пристроях, динамічнийрежим є основним режимом їх роботи. Велике значення, особливо для апаратуривідео та звукозапису, систем автоматики, має високоточне вимірювання відхиленькутової швидкості електродвигуна від номінального значення.
Широкезастосування математичних моделей електродвигунів обумовлює необхідністьперевірки їх адекватності. Це краще за все робити шляхом порівняннярозрахункової динамічної характеристики з експериментальною.
Востанній час з’явилось багато наукових праць, що присвячені ідентифікаціїпараметрів електродвигунів за їх математичними моделями, що дозволяє значноскоротити час їх випробувань. Використовуємі при цьому алгоритми обумовлюютьнеобхідність високоточного вимірювання динамічних характеристикелектромеханічних перетворювачів енергії (ЕМПЕ).
Незважаючи на те,що відома велика кількість різноманітних тахометрів, тахометричнихперетворювачів, багато з яких може бути застосовано для високоточного контролюсереднього значення кутової швидкості, вітчизняна промисловість таких пристроївне випускає. Це обумовлює необхідність розробкивисокоточного пристрою для вимірювання та контролю середнього значення кутовоїшвидкості.
1 Огляданалогів розробляємої комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрівелектричних машин з газомагнітним підвісом
Вирішенняпроблеми підвищення продуктивності механізмів та машин, що нерозривно пов’язанез проблемою підвищення швидкості робочих органів механізмів, провідні фірмисвіту знаходять у використанні безконтактного підвісу роторних систем. Відомітри типи безконтактних підвісів роторних систем — газовий, магнітний, газомагнітний.Порівняльна характеристика трьох типів безконтактних підвісів дозволяє оцінитиїх переваги та недоліки, перспективність подальшого розвитку, вибрати об’єктконтролю.
Широкорозповсюдженим типом безконтактного підвісу роторних систем є газовий підвіс.Однією з найважливіших характеристик безконтактного підвісу є момент тертя тапотужність витрат на тертя. Витрати на тертя у газових підшипниках виникають зарахунок в’язкого тертя усередині шару газоподібного мастильного матеріалу.Момент тертя концентричного радіального газового підшипника визначаєтьсявиразом [1]
/>, (1.1)
де /> - динамічна в’язкістьгазоподібного мастильного матеріалу,
R — радіуспідшипника,
L — довжинапідшипника,
С — середнійрадіальний зазор,
/> - кутова швидкість.
Момент тертя усиметрично навантажених газових підшипниках з гладкими поверхнями [1]
/>, (1.2)
де r0та ri — зовнішній та внутрішній радіуси підшипника,
h — зазор міжповерхнями.
З виразів (1.1)та (1.2) видно, що внаслідок малої в’язкості /> газуу мастильному шарі, момент тертя та втрати на тертя дуже малі. Газовіпідшипники, жорсткість яких набагато вище жорсткості підшипників кочення [2],уступають їм у відношенні несучої здатності. Швидкохідність газових підшипниківвизначається швидкістю шейки валу, максимальне значення якої складає 300-350м/с. Основною причиною, що обмежує швидкохідність ротору на газовихпідшипниках, є його динамічна нестійкість, що виникає при появінапівшвидкісного вихору або синхронного вихору, що обумовлено дисбалансомротора. До недоліків газових підшипників, що обмежують їх використання, слідвіднести явище нестійкості типу «пневматичний молот», що обумовленостискуємістю газового шару [3].
Одним з методівреалізації безконтактного підвісу роторних систем є магнітний підвіс, втрати натертя в якому обумовлені взаємодією вихрових струмів, що виникають в цапфіротору при його обертанні, з магнітним полем елементів, що забезпечують підвіс.Із визначення втрат на тертя у магнітному підвісі випливає, що струм статоруЕМ, що збільшується при збільшенні кутової швидкості обертання ротора, збільшуєвихорові струми у цапфі ротора, що обумовлює збільшення втрат на тертя. Моменттертя магнітного підвісу визначається:
/>, (1.3)
де J — моментінерції ротора відносно його вісі обертання,
t — час.
Втрати потужностіна тертя визначаються у вигляді
/>. (1.4)
Аналіз виразів (1.3) та (1.4)показує, що момент тертя збільшується прямо пропорційно кутовому прискоренню, автрати потужності збільшуються із збільшенням кутової швидкості. Останнє єсуттєвим недоліком магнітного підвісу, що значно обмежує його швидкохідність.Жорсткість магнітного підвісу менше жорсткості підшипників кочення тазменшується при збільшенні частоти обертання. При значному збільшенні частотиобертання у високошвидкісних роторних механізмах жорсткість магнітного підвісупрямує до нуля, що обумовлює втрату стійкості. Слід зазначити, що магнітнийпідвіс за своєю природою є нестійкою системою, стійкий підвіс одного магніту уполі другого неможливий. Стійкість магнітного підвісу забезпечується тільки привведенні системи автоматичного регулювання напруженості магнітного поля тащільності магнітного потоку збудження, що дозволяє компенсувати зміну положеннятіла, що підвішується, та діючих на нього сил. Усі наведені вище недолікимагнітного підвісу обмежують його використання у високошвидкісних роторнихсистемах. Тому такі системи з магнітним підвісом не знайшли широкоговикористання у промисловості.
Дослідження у напрямку компенсаціїнедоліків газового та магнітного підвісів привели до створення системмагнітного розвантаження газового підвісу, тобто газові сили, які відштовхуютьротор від статора, та магнітні сили, які притягують ротор до статора,взаємокомпенсуються та забезпечують стійкість системи. Слід зазначити, що такепоєднання не звільняє від динамічної нестійкості газового шару при появі напівшвидкісногота синхронного вихорів та не змінює характер залежності параметрів магнітногопідвісу (моменту тертя, втрат на тертя, жорсткості) від частоти обертання,тобто не звільняє від недоліків газового та магнітного підвісів.
Приведений коефіцієнт тертяпрецизійних опор кочення високошвидкісних роторних механізмів достатньо великийта може змінюватись в межах від 0,002 (для шарикопідшипників) до 0,01 (роликовіпідшипники) [1]. Аналогічний показник газових опор складає 0,0001 тавизначається в основному тільки в’язким тертям усередині шару газової змазки[1]. Приведений коефіцієнт тертя магнітних опор обумовлений гальмівним ефектоммагнітного поля, а момент тертя та втрати потужності на тертя збільшуються іззбільшенням частоти обертання. Приведений коефіцієнт тертя газомагнітної опориможе бути рівний аналогічному параметру газових опор та практично не залежитьвід частоти обертання.
Швидкохідністьвисокошвидкісних роторних механізмів з прецизійними опорами кочення обмеженазначними втратами на тертя та не перевищує 2,5 10 5 хв-1при короткочасному ресурсі роботи та 4 10 4 хв-1 придовгостроковому. Швидкохідність роторних механізмів з газовими опорами можедосягати значення 6,5 106 хв-1 [2]. Перевищення вказаноїшвидкості приводить до появлення динамічної нестійкості опори, що проявляєтьсяу вигляді напівшвидкісного або синхронного вихорів. Швидкохідність магнітногопідвісу, що перевищує швидкохідність газового підвісу, обмежена різкозростаючими при збільшенні частоти обертання втратами на тертя. Швидкохідністьгазомагнітної опори практично обмежена механічною міцністю обертаючихся вузлівроторного механізму та може значно перевищувати швидкохідність газових чимагнітних опор.
Жорсткість опор кочення значнопоступається аналогічному параметру газових опор, що обумовлюється більшоюрізницею площин, що передають навантаження від валу до корпусу опори, а такожвеликою кількістю зазорів в опорах кочення. Жорсткість магнітних опор,поступається аналогічному параметру опор кочення, зменшується при збільшеннічастоти обертання та прямує до нуля. Жорсткість газомагнітної опори значноперевищує жорсткість газової опори. Це обумовлено тим, що площа газомагнітноїопори, що передає навантаження, дорівнює площі поверхні ротору та значноперевищує площу робочої поверхні газової опори. Окрім того, жорсткість газомагнітноїопори є сумою жорсткості газового шару та магнітного поля, що створює магнітнісили навантаження газового шару.
Стійкість є одним з найбільш слабкихмісць газових опор, що зв’язано з явищами напівшвидкісного та синхронноговихорів, а також з явищем «пневмомолотка» [3], які приводять до порушення шаругазової змазки, і як наслідок, до появлення безпосереднього торкання робочихповерхнею та виходу газового підшипника із строю. Стійкість магнітних опор, яказнижується при підвищенні частоти обертання, забезпечується зовнішньою системоюавтоматичного керування та давачами величини зазору. Газомагнітний підвіс єстійкою системою, якій придатні властивості саморегулювання та адаптивності дозміні зовнішнього навантаження, чого не мають інші опори.
Демпфування коливань ротору вгазомагнітному підвісі значно перевищує аналогічний параметр роторнихмеханізмів з газовими чи магнітними опорами. Особливістю газомагнітного підвісує адаптивність його демпфучих властивостей до зміни зовнішнього навантаження.
Віброакустична активність, яка єважливим параметром роторного механізму, збільшується при збільшенні частотиобертання. Якщо віброакустична активність високошвидкісних роторних механізмівз прецизійними опорами кочення досить велика (що пояснюється механічнимиконтактами в опорах та неспіввісністю зазорів опор та приводу), то відсутністьмеханічних контактів у газових та магнітних опорах зменшує віброакустичнуактивність роторних механізмів з такими опорами на 10 – 15 дБА. Відсутністьмеханічних контактів та неспіввісності робочих зазорів в роторних механізмах згазомагнітними опорами зменшує їх віброакустичну активність на 10-15 дБА упорівнянні з опорами кочення та на 5-10 дБА у порівнянні з газовими тамагнітними опорами.
Несуча здатність опор кочення значноперевищує несучу здатність газових опор [3]. Підвищення несучій здатностігазових опор зв’язано з підвищенням площі робочої поверхні газового підшипникаабо із збільшенням тиску наддуву, а значить, із збільшення масо-габаритнихпараметрів або енергоємності роторного механізму. Підвищення несучої здатностімагнітних опор зв’язано з підвищенням щільності магнітного потоку збудження, азначить, з підвищенням втрат на тертя та зменшення жорсткості та стійкості припідвищенні частоти обертання. У газомагнітній опорі, що об’єднує в одномузазорі функції зазору газомагнітного підшипника та зазору електричної машини,площа робочої поверхні опори дорівнює площі робочої поверхні ротору та значноперевищує площу робочої поверхні газової опори. Відповідно, несуча здібністьгазомагнітної опори значно перевищує несучу здібність газової опори,наближаючись за своєю величиною до несучої здібності підшипників кочення.
Кількість робочих зазорів у роторнихмеханізмах з прецизійними опорами кочення складає як правило від 3 до 6зазорів. Неспіввісність, яка з’являється внаслідок великої кількості зазорів,значно збільшує віброакустичну активність роторного механізму. Заміна опоркочення газовими або магнітними опорами не змінює конструктивної схемироторного механізму та збільшує кількість робочих зазорів у зв’язку знеобхідністю одночасного використання радіальних та осевих опор, що приводитьдо ускладнення конструкції.
Газомагнітнийпідвіс ротору здійснюється безпосередньо в робочому зазорі електричної машини,що дозволяє обмежити кількість робочих зазорів роторного механізму однимзазором, що об’єднує функції зазору безконтактної газомагнітної опори та зазоруелектричної машини. Така конструктивна схема не потребує співвісності зазорів опорнихвузлів електричної машини, спрощує конструкцію роторного механізму тазабезпечує його високу технологічність.
Надійність роторних механізмів згазомагнітними опорами майже на порядок перевищує надійність механізмів згазовими та магнітними опорами та майже на два порядки надійність опор напідшипниках кочення.
Порівняльний аналіз різних типівопор, який наведено вище, показує, що роторні системи з газомагнітними опорами,незначно поступаються механізмам з опорами кочення по несучій здібності, а поусім іншим параметрам перевершують високошвидкісні роторні системи зпрецизійними опорами кочення, газовими та магнітними опорами. Це обумовлюєдобрі перспективи подальшого розвитку газомагнітних опор.
Підприємствами Ізраїлю, США,Німеччини, деякими підприємствами хімічної та електротехнічної промисловостіУкраїни випускалися та випускаються синхронні гістерезисні ЕМ з газомагнітнимпідвісом, які мають дисковий та конічний ротор. Вони часто використовуються утекстильній 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 конічнимротором. Це обумовлено високою стійкістю конічного ротору як в осевому так і врадіальному напрямку.
В теперішній часдля контролю параметрів ЕМ з газомагнітним підвісом ротору використовуютьсятрадиційні пристрої, що не завжди забезпечує високу вірогідність контролю.Математичні моделі цих ЕМ не досліджені з точки зору визначення аналітичнихвиразів для контролю їх основних параметрів, не існують пристрої контролю, щовраховують їх специфіку. Тому в якості об’єкту контролю доцільно обратисинхронну гістерезисну ЕМ з газомагнітним підвісом конічного ротору, як одну знайбільш розповсюджених високо оборотних ЕМ.
Високоточнийконтроль та вимірювання кутової швидкості має велике значення не тільки привипробуваннях ЕМ, а в багатьох випадках і під час їх роботи. Це стосуєтьсясистем точних приводів, систем автоматики, у яких ЕМ є складовими компонентами,систем, у яких відбувається керування електроприводами. Складним завданням євисокоточний контроль та вимірювання кутової швидкості у динамічному режимі,контроль та вимірювання залежності кутової швидкості від часу — швидкіснихдіаграм. Контроль кутової швидкості у динамічному режимі ускладнюється рядомпричин :
— контроль кутової швидкості удинамічному режимі проводиться за короткий проміжок часу;
— інформативніпараметри змінюються у широкому діапазоні;
— виникаєнеобхідність сумісних вимірювань часу та кутової швидкості;
— необхідністьвияву короткочасних змін — «голкових провалів моменту», які
суттєво погіршують якість механічноїенергії, сприяють виникненню ударів в
механічнійтрансмісії, що має зазори, з якою з’єднана ЕМ;
— відсутність методик розрахункудинамічних метрологічних характеристик;
Рівнянняобертання валу ЕМ описується наступним рівнянням [4]:
/>, (1.5)
де М0 — момент опору на валу,
М/> - обертаючий(електромагнітний) момент.
Динамічний моментЕМ визначається лівою частиною рівняння (1.5) та дорівнює різниці міжобертаючим моментом та моментом на валу, визначає кутове прискорення ротору тазв’язаних з ним мас.
/>. (1.6)
Момент опору обумовлений наявністюзовнішніх мас, що зв’язані з валом ЕМ. Він може існувати у перехідних таусталеному режимах роботи та бути відсутнім при випробуваннях ЕМ, можезмінюватись у часі та залежати від кутової швидкості, але він характеризуєзовнішні маси, а не саму ЕМ. При відсутності моменту опору на валу динамічниймомент дорівнює обертаючому.
Аналіз виразу(1.5) свідчить про необхідність проведення вимірювання та контролю кутовоїшвидкості в динамічному режимі та контролю моменту інерції для контролю тавизначення параметрів руху.
Момент інерціїротору є однією з найважливіших характеристик ЕМ, яка визначає її динамічнівластивості. Однак у довідковій літературі та технічних умовах на ЕМ вінвказується не завжди. У відповідності з [5] момент інерції ротору може мативеликі відхилення від номінального значення (/>10% ). При проектуванні різноманітних електроприводів та систем автоматикирозробників цікавлять точні значення моменту інерції роторів ЕМ (а деколи іроторів у зборі з виконавчими пристроями), оскільки вони визначають тепловийрежим та швидкохідність ЕМ. Внаслідок неоднорідності матеріалу та складнихгеометричних форм ротору розрахункове визначення моменту інерції є трудомісткимзавданням зі складною методикою та великою похибкою. Більш точним єекспериментальне визначення моменту інерції. Питанням експериментальноговизначення моменту інерції присвячено багато наукових робіт [6, 7], алевисокоточного, 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 10до 1000 кВт, метод самогальмування, який використовується для ЕМ потужністювище 100 кВт, метод крутильних коливань. Останній є найбільш універсальним тапридатний для контролю моменту інерції ЕМ як великої потужності, так імікродвигунів. Згідно цієї методики, частина ЕМ, що обертається, підвішується увертикальному положенні осі обертання та приводиться у крутильний коливальнийрух. При цьому визначається період малих крутильних коливань, який потімпорівнюється з періодом коливань еталонного тіла з відомим моментом інерції.Шуканий момент інерції визначається з виразу:
/>, (1.7)
де /> - момент інерціїеталонного тіла,
/> - період коливань еталонноготіла,
/> — період коливань частини ЕМ,що обертається.
Незважаючи науніверсальність, цей метод має такі суттєві недоліки, як необхідністьрозбирання ЕМ та велику трудомісткість, що значно обмежує його використання. Задопомогою цього методу неможливий контроль моменту інерції ЕМ в процесі їх роботита без їх демонтування.
Нині відомінаукові розробки, що присвячені визначенню параметрів та характеристик ЕМ заналізу динамічних режимів їх роботи [6, 7]. У роботах [8, 9], розробленоспосіб визначення моменту інерції та моменту опору на валу за допомогою двохзразкових мас з відомими моментами інерції на основі використання інформаціїпро зміну кутової швидкості. Він полягає у вимірюванні кутового прискорення урежимах пуску та самогальмування асинхронної трифазної ЕМ при встановлених навалу зразкових масах. На основі отриманих результатів вирішується системарівнянь, з якої знаходяться шукані величини. Цей метод має високу точність, тау порівнянні з іншими методами, високу швидкодію, але він не придатний дляконтролю моменту інерції ЕМ з газомагнітним підвісом ротору, тому як длябільшості таких машин режим самогальмування відсутній, а зупинення здійснюєтьсяпримусово, шляхом подання постійної напруги замість змінної напруги живлення,що створює гальмівний момент.
Для контролюмоменту інерції таких ЕМ перспективним є спосіб, заснований на визначенніамплітуди крутильних коливань ротору під час їх роботи в усталеному режимі. Алевін потребує подальшої розробки для визначення аналітичних співвідношень, щозв’язують контролюємий параметр з вихідними параметрами ЕМ, інформацію про якіможна отримати шляхом прямих вимірювань.
Механічнахарактеристика (МХ) є однією з найважливіших та найбільш інформативниххарактеристик ЕМ та визначається як залежність між обертаючим моментом такутовою швидкістю обертання:
М=f(/>), (1.8)
або
/>=f(М), (1.9)
що отримана принезмінних напрузі живлення та частоті мережі.
Вигляд МХобумовлюється різноманітними початковими умовами та іншими параметрами. Звеликою кількості таких МХ виділяють пускову МХ, яка називається ще природноюта вимірюється при підключені ЕМ до мережі живлення з номінальними параметрамипри відсутності на валу моменту опору та додаткових моментів інерції. За МХ привідповідних умовах розраховуються статичні параметри ЕМ. Наприклад, длятрифазної асинхронної ЕМ, МХ режиму реверсу при наявності належного додатковогомоменту інерції, наближується до МХ статичного режиму, що дає можливістьзменшити час вимірювань таких статичних параметрів, як початковий пусковиймомент, максимальний момент та інші. Окрім цього за МХ характеристикою можливооцінити деякі види браку. Наприклад, при асиметрії обмотки ротору асинхронногодвигуна, форма МХ характеристики суттєво відрізняється від зразкової. Приневірному з’єднанні секцій обмотки статору час розбігу затягнений у порівняннііз зразковим.
З вищесказаногослідує, що підвищення точності визначення не тільки механічної характеристики,а і багатьох інших параметрів ЕМ вимагає наявності високоточних пристроїввимірювання та контролю кутової швидкості у статичному та динамічному режимахроботи об’єкту контролю, та точних автоматичних і швидкодіючих пристроївконтролю моменту інерції роторної системи для будь-якої ЕМ. Це обумовлюєдоцільність їх подальшої розробки та дослідження.
2. Техніко-економічнеобґрунтування доцільності розробки комп’ютеризованої вимірювальної системипараметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
2.1 Особливостівимірювання параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
Задачіконтролю та управління якістю, які вирішуються на різних етапах процесіввиготовлення та використання електромеханічних перетворювачів енергії (ЕМПЕ), єрізноманітні та взаємопов’язані. В теперішній час, завдяки досягненняммікропроцесорної та вимірювальної техніки стало можливим використовуватиавтоматичні пристрої та системи різного рівня інтелекту для вимірювання таконтролю різноманітних параметрів ЕМПЕ як в процесі їх виготовлення, так і підчас їх експлуатації. В інформаційному забезпеченні систем контролю і управлінняякістю значна роль відводиться проведенню контрольно-вимірювальних, випробнихта діагностичних робіт. Ці роботи спрямовані на отримання та використанняінформації про показники надійності та якості виробляємих електричних машин.Відповідальними етапами на шляху створення інтегрованих систем вимірювання,контролю, управління якістю вироблюємих електричних машин є розробка тавпровадження сучасних методів для промислового контролю, випробувань тадіагностики.
При різних видахвипробувань ЕМПЕ виникає необхідність вимірювання характеристик руху (ХР), асаме кутової швидкості обертання />;сковзання />; обертаючого моменту М;механічної характеристики; приведеного моменту інерції ротору ЕМПЕ J; моментумеханічних втрат М0. Перераховані фізичні величини входять дозагального рівняння рух електричної машини (ЕМ), що дає можливість об’єднати їхпід загальною назвою характеристики руху електричних машин ХР ЕМ; Вони повиннівизначатись як у статичному так і динамічному режимах роботи.
Механічна характеристика(МХ) є однією з найважливіших та
найінформативнішиххарактеристик ЕМПЕ та визначається як залежність між обертаючим моментом такутовою швидкістю обертання М=f(/>) або />=f(М), що отримана принезмінних напрузі живлення та частоті мережі [13].
Вигляд МХ обумовлюєтьсярізноманітними початковими умовами та іншими параметрами. З великою кількостітаких МХ виділяють пускову МХ, яка називається ще природною та вимірюється припідключенні ЕМ до мережі живлення з номінальними параметрами при відсутності навалу моменту опору та додаткових моментів інерції. За МХ при відповідних умовахрозраховуються статичні параметри ЕМПЕ. Наприклад, для трифазного асинхронногоелектродвигуна, МХ режиму реверсу при наявності належного додаткового моментуінерції, наближується до МХ статичного режиму, що дає можливість зменшити часвимірювань таких статичних параметрів, як початковий пусковий момент,максимальний момент та інші. Окрім цього за МХ характеристикою можливо оцінитидеякі види браку. Наприклад, при несиметрії обмотки ротора асинхронногодвигуна, форма МХ характеристики суттєво відрізняється від зразкової. Приневірному з’єднанні секцій обмотки статора час розбігу затягнений у порівняннііз зразковим [14].
Вимірювання МХ у перехідному режиміроботи ЕМПЕ має наступні особливості у порівнянні з вимірюванням в статичномурежимі: динамічні вимірювання проводяться за короткий проміжок часу; інформативніпараметри змінюються у широкому діапазоні; в деяких випадках виникаєнеобхідність сумісних вимірювань (наприклад кутова швидкість вимірюєтьсясумісно з часом, що потребує наявності двох вимірювальних каналів);необхідність вияву короткочасних змін — «голкових провалів моменту», якісуттєво погіршують якість механічної енергії, сприяють виникненню ударів вмеханічній трансмісії, що має зазори, з якою з’єднано електродвигун;відсутність методик розрахунку динамічних метрологічних характеристик.
Рух обертанняЕМПЕ описується наступним рівнянням [15]:
/> (2.1)
Аналіз виразу(2.1) свідчить про необхідність проведення динамічних вимірювань кутовоїшвидкості для визначення параметрів руху. Кутова швидкість, а точніше їїзалежність від часу є як і МХ однією з найважливіших характеристик ЕМПЕ.Контроль кутової швидкості в багатьох випадках є необхідним у різноманітнихтехнологічних процесах. Вимірювання МХ нерозривно зв’язане з вимірюваннямкутової швидкості обертання, а вимірювання кутової швидкості у динамічномурежимі ускладнено тими самими причинами, що і вимірювання механічноїхарактеристики. Питанням автоматизації та механізації праці при випробуваннях ЕМПЕприділяється недостатньо уваги. Вітчизняною промисловістю не виготовляютьсяавтоматизовані прилади для досліджень та промислових випробувань. Між тим,електродвигуни в основному є садовими інших, більш складних виробів. Томувідказ в роботі електродвигуна може привести до відказу в роботі всьогопристрою, вартість якого значно перевищує вартість електродвигуна. Вище сказанеобумовлює необхідність подальшої розробки автоматизованих пристроїв не тількидля промислового контролю характеристик електродвигунів, а також під час їхексплуатації. Розвиток інформаційно-вимірювальної техніки у напрямку всебільшого використання мікроконтролерів, персональних ЕОМ, ускладнення об’єктіввимірювання, і як наслідок алгоритмів процедур вимірювання, вимагає використанняінтелектуальної апаратури.
2.2 Проведеннямаркетингових досліджень
При створеннірозробки велика увага повинна приділятися ринковим умовам, тому, що перевагуодержують найбільш прості i доступні для впровадження розроблені системивимірювання та контролю кутової швидкості, якi мають малу ціну i великунадійність. Найбільш близька модель ринку, яка досліджується в дипломномупроектi — олiгополiя. Висновок обумовлений тим, що цим питанням займаєтьсяобмежена кількість фірм. До них відносяться науково-дослідні інститути iдослідні лабораторії. Велика перевага даної розробки у її гнучкості iзастосуванні до різних систем обладнання різноманітних підприємств. Данарозробка 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 досебе увагу багатьох підприємств i фірм, оскільки розроблювана системазабезпечує ефективну роботу. Потенційними споживачами розробляємого пристроюможуть бути цукрові заводи, але споживачами також будуть великі підприємства,якi мають справу з системами, де потрібно вимірювати та контролювати кутовушвидкість. Так як прилад має великі межі вимірювання, то він набуде більшогозастосування, ніж подібні йому прилади. Пристрої розроблені на основімікропроцесорної техніки будуть мати велику надійність. Отже, їх роботазабезпечить надійну роботу систем, де необхідно контролювати частоту обертанняна протязі декількох років, з урахуванням того, що сезон цукроваріння складає70 — 90 діб. Із вище сказаного можна зробити висновок про те, що цукрові заводиВінницької області, будуть споживачами даної системи, отже, тільки в перший рікпотрібно буде виготовити біля 80 (шт), на наступні роки біля 25 (шт). Зурахуванням того, що даний пристрій з успіхом може використовуватись і на іншихпідприємствах, таких як науково-дослідні лабораторії, підприємства повиготовленню електротехнічної продукції, то можливо виробництво даної розробкизросте.
2.3 Розробкавимог до розробляємої системи
Виходячи з вищесказаного, можливо сформулювати основні вимоги до розробляємого пристрою дляконтролю та високоточного вимірювання кутової швидкості обертання валуелектродвигунів малої потужності та мікродвигунів: пристрій повинен бутиреалізовано на основі ПЕОМ, що дозволить проводити обробку результатіввимірювання, подавати результати вимірювання і контролю у графічному вигляді,розраховувати інші характеристики електродвигуна; відомі в теперішній час ТП неможуть повністю задовольнити сучасним вимогам, тому доцільно розробити ТПвільний від вказаних вище недоліків; пристрій повинен забезпечувати надійнуроботу на протязі 2 — 3 років; вся елементна база повинна вибиратись надійною із порівняно невеликою ціною, що дасть малу ціну виробу; пристрій повинен бутинадійним і витримувати певні навантаження, зміну кліматичних умов в великихмежах; собівартість виробу повинна бути мінімальною, що досягається малою ціноюкомплектуючих, але які забезпечують потрібну надійність; забезпечення стійкоїроботи 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’єктудосліджень; малі габарити; висока швидкодія; аналоговий вихідний сигнал, першапохідна якого прямопропорційна миттєвому значенню кутової швидкості; чутливістьдо напрямку обертання; простота конструкції;
Із наведеноговище видно, що досягаючи поставлених вимог до даної розробки можна досягтивеликих 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 Порівняльнахарактеристика розробляємої системи
Проведемо порівняльний аналізрозробляємого пристрою для контролю та високоточного вимірювання у динамічномурежимі кутової швидкості обертання валу електродвигунів.
Найбільш простим і зручним дляпроведення аналізу і вибору базового методу для розробки пристрою єузагальнений якісний критерій якості (УКЯ). Якісний критерій характеризує,досягнута чи не досягнута ціль, яку поставлено перед пристроєм. Цей критерійякості можна трактувати як приймаючий тільки два значення: 1- якщо цільдосягнута, 0- в протилежному випадку. Тоді УКЯ буде являти собою суму окремихякісних критеріїв якості (ОКЕ), які характеризують окремі цілі, поставлені передпристроєм.
/>, (2.6)
де αі — вагові коефіцієнти; bі — загальна кількість ОКЯ.
Відноснізначення bі розраховуються за нижченаведенимиформулами:
а) Дляпоказників, зростання яких говорить про підвищення в лінійній залежності якостірозробки:
/>, (2.7)
б) Дляпоказників, зростання яких говорить про зниження в лінійній залежності якостірозробки:
/>, (2.8)
При цьому обумовимо, що длядосягнення якої-небудь окремої цілі пристрій повинен реалізовувати усі своїпотенційні можливості в рамках використовуємого способу вимірювання. Цеположення дозволяє проводити порівняльний аналіз пристроїв на рівніреалізованих у ньому способів вимірювання.
Вважаючи, що пристрій повинензабезпечувати як функціональні, так і економічні вимоги на одному рівні,необхідно дотримуватися наступних умов:
/>. (2.9)
Результатипорівняльного аналізу наведено у таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 — Порівняльний аналіз розробляємого пристрою та його аналогівНазва 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 1 1 Чутливість до напрямку обертання 1 1 1 1 Малий вносимий момент опору на валу об’єкту досліджень 1 1 1 1 Можливість проведення динамічних вимірювань 1 1 1 1 1 Низька собівартість 1 1 1 1 Простота конструкції 1 1 1 1 Висока швидкодія 1 1 1 Простота алгоритму обробки вихідного сигналу 1 1 1 1 Простота пристрою для вторинної обробки сигналу 1 1 Необхідність сумісного вимірювання часу при динамічних вимірюваннях 1 1 1
/> 8 3 6 9
/>= 10
/> 0.8 0.3 0.6 0.9 1 /> /> /> /> /> /> />
Як слідує заналізу табл. 2.1, розробляємий пристрій для контролю та високоточноговимірювання у динамічному режимі кутової швидкості обертання валуелектродвигунів має найбільший у порівнянні з аналогами показник ефективності,що свідчить про доцільність його розробки.
2.5 Економічнадоцільність нової технічної розробки
2.5.1Прогнозування собівартості
Спрогнозуємособівартість нової технічної розробки методом питомої ваги.
Цей методдоцільно застосовувати тоді, коли є можливість розрахувати одну з прямих витраті встановити питому вагу даної статті, в собівартості аналогова. Собівартістьодиниці нової продукції можна спрогнозувати за формулою:
/> (грн). (2.10)
де КН– коефіцієнт, який враховує конструктивні та технологічні особливості новоїрозробки, КН = 1÷1,2
ВП –величина однієї із статей витрат, яка вибрана за основу, грн.;
П – питома вагаоднієї із прямих витрат в собівартості аналогова, %;
Вартість одиниці продукції аналогастановить приблизно 1000 грн. Відомо, що питома вага для аналога становитиме 60%, а питома вага нової розробки становить 65 %.При цьому собівартість розробкискладатиме:
/> (грн)
Собівартість же нової розробкистановитиме:
/> (грн)
2.5.2 Прогнозування величиникапітальних вкладень
Розрахуємо величину капітальнихвкладень 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, якаоцінюється приблизним способом;
В – коефіцієнт,який враховує витрати на розробку, придбання, транспортування, монтаж,налагодження тощо нової розробки, В /> 1,1÷ 1,8;
А – коефіцієнт,який враховує прогнозований прибуток, податки, які повинен виплатити виробниктощо, А /> 1,5 ÷ 2;
Ц – цінареалізації нової розробки, якщо вона визначена раніше, грн..
К1 =1,6 · 2 · 2000 = 6400 (грн.)
К2 =1,4 · 2 · 2036,73 = 5702,84 (грн)
2.5.3Прогнозування величини експлуатаційних витрат
Розрахуємо експлуатаційні витрати дляаналога та нової розробки за формулою:
Е = k × Ц × b = k × A × S × b (грн/рік), (2.12)
де Ц — цінареалізації нової розробки, якщо вона визначена раніше, грн./шт., k-коефіцієнт, який ураховує витрати наамортизацію, електроенергію, обслуговування, ремонт тощо. Рекомендуєтьсяприймати значення k = (0,2¸0,4). Для обчислювальної технікизначення k рекомендується приймати помаксимуму. А — коефіцієнт, який враховує прогнозований прибуток, податки, якіповинен виплачувати виробник тощо; А » 1,5 ¸ 2, S — собівартість нової розробки, грн.,яка оцінювалася вище;
b — доля часу, який витрачаєпрацівник 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 тановою розробкою по капітальних вкладеннях – К1 > К2.Якщо Е1 = 960 грн/рік, Е2 = 977,63 грн/рік, тоспіввідношення між аналогом та новою розробкою по експлуатаційних витратах – Е1
Кеф =6400 – 5702,84 = 697,16 (грн).
Ееф =960-977,63 = — 17,63 (грн/рік).
Такий варіантсвідчить про абсолютну економію як на питомих капіталовкладеннях, так і наексплуатаційних витратах, тобто кращою буде нова розробка, що свідчить продоцільність проектування та впровадження її в виробництво.
3 Розробкаструктурної схеми комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрівелектричних машин з газомагнітним підвісом
До складу розробляємогопристрою входить первинний тахометричний перетворювач. Як було вказано упопередньому розділі, цей ТП буде мати аналоговий вихідний сигнал,прямопропорційний куту повороту. Шляхом обчислення його першої похідної визначаєтьсякутова швидкість.
Аналогові диференціюючі пристроїмають велику похибку та вузький частотний діапазон, що не може задовольнитивимоги технічного завдання. Тому необхідно використати цифрове диференціюваннявихідного сигналу ТП. Існують три види цифрового диференціювання [16]:
перший тип — цедискретний диференціатор з усередненням. Принцип його дії полягає у відніманнічерез однакові інтервали часу миттєвих значень вхідного сигналу. Сигнал навиході диференціатора першого типу описується виразом:
/> (3.1)
де /> — інтервал дискретності;
другий тип — це дискретний диференціаторз осередненням. У цьому диференціаторі віднімаються через однакові інтерваличасу 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 віднімаютьсячерез однакові інтервали часу попередньо проінтегровані на частині цихінтервалів значення вхідного сигналу. Вихідний сигнал описується виразом
/>, (3.3)
Імпульсні характеристикидиференціаторів першого, другого та третього типів описуються відповідновиразами
/>, (3.4)
/>, (3.5)
/>, (3.6)
де /> - дельта-функція Дирака,
/>
Провівши пряме перетворення Фур’є відімпульсних характеристик та відокремивши дійсну та мниму частини отримуємочастотні та фазові характеристики диференціаторів. Для диференціатора першоготипу:
/>, (3.7)
/>. (3.8)
Для диференціаторів другого типу:
/>, (3.9)
/>. (3.10)
Длядиференціаторів третього типу
/>, (3.11)
/>. (3.12)
Вибір одного з цих трьох видівзалежить від конкретного випадку, але кожен з них обумовлює необхідністьвикористання аналого-цифрового перетворювача.
Розробляємий пристрій призначений длявисокоточного вимірювання та контролю кутової швидкості та інших параметрівруху ЕМПЕ у динамічному режимі. Тобто він повинен працювати як в режиміреального часу так і обчислювати залежності кутової швидкості, кутовогоприскорення, кута повороту валу від часу. Це обумовлює необхідність реалізаціїпристрою на основі персональної ЕОМ.
Таким чином, пристрій буде складатисьз двох структурних блоків:
— тахометричногоперетворювача;
— блоку спряженнятахометричного перетворювача з ПЕОМ.
Для узгодженняроботи аналого-цифрового перетворювача та мікропроцесора ПЕОМ необхідновикористати порт уведення-виведення та схему його ініціалізації.
Для запускуаналого-цифрового перетворювача використовується генератор з кварцевоюстабілізацією частоти. При відомому періоді частоти цього генератору можливевимірювання залежностей параметрів руху від часу, не проводячи суміснихвимірювань часу.
Данні та керуючісигнали порту уведення-виведення передаються на системну шину та ОЗУ ПЕОМ.Після проведення вимірювань здійснюється контроль середнього значення кутовоїшвидкості.
Структурну схемурозробляємого пристрою наведено на рис. 3.1 та у графічній частині дипломногопроекту.
/>
Рисунок3.1 – Схема електрична структурна пристрою контролю середнього значення кутової швидкості
4. Розробка принципової схемикомп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин згазомагнітним підвісом
4.1 Аналізлінійного фотоприймача
Фотоелектричніперетворювачі площа-напруга (ППН) використовуються у багатьох пристроях, такихяк перетворювачі інтенсивності світлового потоку, первинні тахометричніперетворювачі та інші. Розглянемо ППН на основі пари фотодіод-операційний підсилювач(Рисунок 4.1). У цій схемі фотодіод VD діє як генератор струму, а операційнийпідсилювач DA перетворює цей струм у напругу. Залежність струму, що протікаєчерез фотодіод, від потоку опромінення, описується виразом:
/>
Рисунок 4.1 — Фотоприймач на основі пари фотодіод — операційний підсилювач (а) та йогоеквівалентна схема (б)
/> (4.1)
де IVD — струм фото діоду;
SI0 — інтегральна струмова чутливість фотодіоду при немодульованому опроміненні;
/> - потік опромінення;
IS — темновий струм фото діоду;
U — падіннянапруги на фотодіоді;
Т — абсолютнатемпература;
k — постійнаБольцмана;
е — заряделектрона;
/> - циклічна частота потокуопромінення;
/> - постійна часу фотодіоду,яка залежить від значень внутрішнього опору фотодіоду RVD, паразитноїємності фотодіоду СVD, часом розсосування неосновних носіїв заряду.
При використанніджерела світла з конденсорною лінзою, можна отримати плоско-паралельний потікопромінення, однаковий на всій площині, що освітлюється. У цьому випадку потікопромінення та площа фоточутливого шару фотодіоду, що опромінюється, зв’язаніспіввідношенням:
/>, (4.2)
де J/> — інтенсивність променевогопотоку;
r — відстань відджерела світла до поверхні, що освітлюється;
S — площа, щоопромінюється;
I — сила світла.
Вихідна напруга ППН, з урахуваннямнапруги зміщення нуля, різниці вхідних струмів, напруги шуму, описується виразом:
/> (4.3)
деК — коефіцієнт передачі операційного підсилювача;
RВХ — вхідний опір операційного підсилювача;
/> - напруга зміщення нулю операційногопідсилювача;
/> - різниця вхідних струмівопераційного підсилювача;
/> - напруга шуму на виході фотоприймача.
Модуль вихідноїнапруги шуму визначається виразом:
/>, (4.4)
де /> - спектральна щільністьнапруги шуму операційного підсилювача;
/> - спектральна щільністьшумового струму операційного підсилювача;
/> - спектральна щільністьшумового струму фотодіоду;
/> - спектральна щільністьшумового струму опору зворотного зв’язку.
Після перетворень, отримуємо вираз,що зв’язує спектральну щільність вихідної напруги фотоприймача з комплексноюамплітудою площі фоточутливого шару фотодіоду, що освітлюється
/> (4.5)
Вираз (4.5) можнаспростити. Різниця вхідних струмів /> для сучаснихопераційних підсилювачів складає одиниці нА, а напруга зміщення /> - одиниці мВ. При умовах /> та />, значеннями /> та /> можна знехтувати. Привикористанні елементної бази з низьким рівнем шумів, шумовою складовою виразу(4.5) можна знехтувати. Внаслідок малого значення падіння напруги на фотодіодіпри його роботі у фотовольтаічному режимі та малого значення темнового струму, другаскладова чисельника виразу (4.5) близька до нуля.
Вираз (4.5) описує математичну модельППН, що дозволяє проводити його моделювання з урахуванням частотних та шумовихвластивості елементної бази, на основі якої побудовано перетворювач. Наведенамодель є лінійною, тобто вона не враховує нелінійність фотодіоду. Цесправедливо при умові, що фотодіод при роботі не наближується до станунасичення, де його нелінійні властивості особливо проявляються.
В більшостівипадків гранична частота фотодіоду значно менша за граничну частотуопераційного підсилювача. Тому спад частотної характеристики в області верхніхчастот визначається частотними властивостями фотодіоду. Це дає змогу знехтувативпливом паразитної ємності в колі зворотного зв’язку та вхідною ємністюопераційного підсилювача. Вхідний опір сучасних операційних підсилювачівскладає десятки МОм, що значно перевищує опір в колі зворотного зв’язку тавнутрішній опір фотодіоду. Тому можна прийняти />.При умові, що частота опромінення значно менша за граничну частоту фотодіода,його частотними властивостями можна знехтувати, вираз (4.5) прийме вигляд:
/> (4.6)
Вираз (4.6) ємаксимально спрощеною математичною моделлю фотоприймача на основі парифотодіод-операційний підсилювач як перетворювача площі в напругу, яку можнавикористовувати при умові того, що ширина спектру опромінення значно меншаграничної частоти фотодіоду.
4.1.1 Розробка первинноговимірювального перетворювача
Первиннийвимірювальний перетворювач крутильних коливань (ПВПКК) включає в себе вал 1(рисунок 4.2), на який насаджено модулятор 2.
/>Рисунок 4.2 — Первинний вимірювальний перетворювачкрутильних коливань
Модулятор маєвигляд диску, з чередуючимися прозорими та непрозорими елементами рівноїкутової ширини. За модулятором, зі сторони вала, розташована діафрагма 3, заякою встановлено два фотодіода 4, які входять до складу фотоприймачів на основіпари фото діод — операційний підсилювач. Елементи фотоприймачів та іншіелектронні елементи ПВПКК розташовані на платі 5. Джерело світла 6 зконденсорною лінзою освітлює фоточутливий шар фотодіодів через перехрестямодулятора та діафрагми (його на рисунку 4.2. наведено штриховою лінією).Діафрагма має вигляд пластини з двома отворами 7, зсунутими між собою на кут,рівний 1,5/> кутової ширини елементівмодулятора, відносно його центру, конфігурація яких визначається радіусамимодулятора та концентричними колами, радіусами R1 та R2,центр яких співпадає з центром модулятора. Кутова ширина отворів діафрагмидорівнює кутовій ширині прозорих елементів модулятора. При обертанні валу,обертається і модулятор, внаслідок чого прозорі та непрозорі елементи модулятораперекривають отвори діафрагми. При вище вказаній формі отворів діафрагми, площазаштрихованого отвору, через яке світло при обертанні попадає на фоточутливийшар фотодіоду фотоприймача (домовимось називати цей фотоприймач першим, а той,що зсунутий відносно нього на 1,5/> -другим), лінійно залежить від кута повороту валу та визначається виразом
/>, (4.7)
де /> - поточний кут поворотузаднього в напрямку обертання краю прозорого елементу модулятора, який умовноприйнято за перший, відносно переднього в напрямку обертання краю першогоотвору діафрагми (рад),
R1, R2 — відповідно більший та менший радіус кола, що обмежує отвір діафрагми.Вихідна напруга фотоприймача, як слідує з виразу (4.6), прямопропорційна площіотвору, через який світло попадає на фоточутливий шар фотодіоду. Післяперетворень отримуємо вираз, який зв’язує вихідну напругу першого фотоприймачаз кутом повороту />:
/> (4.8)
Привикористанні одного фотоприймача, виникають похибки, які обумовлені наступнимпричинами. По-перше, це похибка первинного перетворення, що виникає внаслідокчастотних властивостей фотоприймача. Обмеженість смуги пропускання приводить дозгладжування сигналу біля його максимумів та мінімумів (рисунок 4.3, в).
Окрім того,при малих площах отвору, через який світло попадає на
фоточутливий шарфотодіодів, похибка виготовлення отвору діафрагми та елементів модулятораобумовлює виникнення додаткової площі отвору, величина якої мало відрізняєтьсявід корисної площі, що значно впливає на точність перетворення кутовоїшвидкості в інформативний параметр сигналу (рисунок 4.3, а). При більших площахотвору, через який світловий потік попадає на фоточутливий шар фотодіодів, вищеописане явище проявляється значно менше (рисунок 4.3, б), тобто:
/>, (4.9)
/>
Рисунок 4.3 — Виникнення похибки первинного перетворення
Похибка, обумовлена цим факторомпроявляється біля мінімумів імпульсів напруги на виході фотоприймача. Нарисунку 4.3, в показано мінімум вихідної напруги фотоприймача. Суцільною лінієюпоказано реальний випадок, пунктирною — ідеальний.
В розробленому ПВПККвикористовується два фотоприймача на основі пари фотодіод — операційнийпідсилювач, а знімання вимірювальної інформації, з метою виключення проявленнядвох вище вказаних факторів, здійснюється з виходу того фотоприймача, вихіднийсигнал якого не знаходиться біля свого максимуму чи мінімуму. На рисунку 4.4наведено функціональну схему ПВПКК, а на рисунку 4.5 наведено часові діаграмийого роботи у точках, вказаних на рисунку 4.4.
Перед початком вимірювання,модулятор розташовується відносно діафрагми випадково. При відповідному підборізначень напруг джерел опорної напруги Р1 та Р2, які визначають коломінімумну таколомаксимумну область вихідних сигналів фотоприймачів 1 та 2, можливі їхслідуючи два стани перед початком вимірювань — жоден з вихідних сигналівфотоприймачів не знаходиться на рівні, який відповідає знаходженню його білясвого максимуму чи мінімуму або навпаки.
/>
Рисунок 4.4 — Схема електричнафункціональна ПВПКК з зменшенням похибки, що обумовлена частотнимивластивостями фотоприймача.
/>
Рисунок 4.5 – Часові діаграми роботиПВПКК
В таблиці 4.1.наведено всі можливі значення вихідних напруг всіх компараторів (В — високийрівень, Н — низький рівень) перед початком роботи. Високий рівень свідчить прознаходження вихідного сигналу відповідного фотоприймача у своїй коломаксимумнійчи коломінімумній області. У двох нижніх строках таблиці 4.1 знаком "+"відмічено той фотоприймач, вихідний сигнал якого при наведеному станікомпараторів не знаходиться у своїй коломаксимумній чи коломінімумній області.Після включення джерела освітлення, формувачем сигналу «Скид» S(рисунок 4.4) формується сигнал «Скид», який уявляє собою імпульснапруги рівня логічної одиниці, який подається на входи елементів І-НІ, D2 таD3. За заднім фронтом сигналу «Скид» спрацьовує схема запуску об’єктуР.
Таблиця4.1 — Початкові значення вихідних напруг компараторів
Компаратори та їх
вихідні напруги Номер стану Компаратор Напруга 1 2 3 4 5 C1
Uk1 Н В Н Н Н C2
Uk2 Н Н Н Н В C3
Uk3 Н Н В Н Н C4
Uk4 Н Н Н В Н Фотоприймач 1 + - + - + Фотоприймач 2 + + - + -
Перед початкомвимірювань необхідно на вихід ПВПКК подати сигнал з виходу того фотоприймача,вихідний сигнал якого не знаходиться у своїй коломаксимумній чи коломінімумнійобласті. Для цієї передустановки служать логічні елементи АБО-НІ D5 — D8, елементНІ D1, елементи І-НІ D2-D3. Коли компаратори знаходяться у станах 1, 3 або 5(таблиці 4.1), на виході елементу D8 АБО-НІ з’являється рівень логічного нуля.При цьому, під час дії сигналу «Скид», на виході елементу D2 І-НІз’явиться рівень логічного нуля, а на виході елементу D3 І-НІ — рівень логічноїодиниці. Лічильний тригер Т встановиться в одиницю і до виходу перетворювачабуде підключено вихідний сигнал фотоприймача 1. При любих інших станах накомпараторі до виходу перетворювача буде підключено вихідний сигналфотоприймача 2. По задньому фронту сигналу «Скид» спрацьовує схемазапуску об’єкту дослідження Р і запускається об’єкт, кутову швидкість якоготреба виміряти. Коли сигнал «Скид» відсутній, напруга наустановочному вході та вході скиду тригера Т завжди буде рівня логічної одиниціі не буде впливати на його стан. При обертанні вала об’єкта дослідження,трикутні імпульси напруги, які формуються на виході фотоприймачів (рисунок 4.5,a, b), зрівнюються з напругамиджерел опорної напруги Р1 та Р2, відповідно Uп1 та Uп2.При співпаданні, на виході одного з компараторів з’являється імпульс позитивноїполярності (рисунок 4.5, c, d, f, g). Його тривалість дорівнюєтривалості знаходження рівня вихідної напруги фотоприймача вище рівня Uп1чи Uп2. Вихідні імпульси кожного з компараторів подаються на входиелементу D4 АБО, з виходу якого (рисунок 4.5, h) вони поступають на тактовий вхідлічильного тригеру Т, який змінює свій стан по передньому фронту цих імпульсів,відповідно керуючи аналоговим мультиплексором МХ, підключаючи до виходу датчикавихідний сигнал того фотоприймача, який не знаходиться у своїй коломінімумнійчи коломаксимуній області. На виході датчика формується сигнал, який на рисунку4.5, j показано жирною лінією.Знаходимо рівняння перетворення ПВПКК з зменшенням похибки, що обумовленачастотними властивостями фотоприймача. Залежність вихідної напруги першогофотоприймача від кута повороту описується виразом (4.8). Другий фотоприймач зсунутий відносно першого на кут 1,5/>. Його вихідна напруга:
/>, (4.10)
Вирази (4.8) та (4.10) описують рівняння перетворення цього ПВПКК.
В якостіопераційного підсилювача у складі лінійних фотоприймачів доцільно використатимікросхему операційного підсилювача К544УД2. Обрана мікросхема операційногопідсилювача К544УД2 має наступні електричні параметри [10]:
— напругиживлення +/-15 В;
— опірнавантаження 2 кОм;
— вхідна напруга10 В;
— струмспоживання 3,5 мА;
— коефіцієнтпідсилення 35 106;
— частотаодиничного підсилення 1 Мгц;
— вхідний опір 10106 Ом;
— вхідний струм0, 15 мА;
— ємністьнавантаження 500 пФ.
Фотодіод VD1 повиненвідповідати наступним вимогам :
— мати велику площину фоточутливогослою, що значно спростить конструкцію перетворювача;
— мати малу постійнучасу, що буде обумовлювати широкий частотний
діапазон.
Цим вимогамвідповідає фотодіод ФД-155К який має наступні параметри:
— площина фоточутливогослою — 30 мм2;
— постійна часу — 10-6 с.
До складу ПВПКК,як було вказано вище, входить компаратор напруг. Обираємо компаратор К521СА3,який має наступні характеристики:
— часпереключення 30 нс;
— струмспоживання 3,5 мА;
— коефіцієнтпідсилення 35 106;
— частотаодиничного підсилення 1 МГц;
— вхідний опір 10106 Ом;
Тому як на його виході требаформувати імпульси ТТЛ рівня, використовуємо для нього однополярне джереложивлення +5В. Опорну напругу точно виставити можна тільки при настройціфотоприймача, тому для цього використовується резистор змінного опору.
Уграфічній частині дипломного проекту наведено електричну принципову схему ПВПККта його збірне креслення.
4.2 Розробкапристрою спряження перетворювача з ПЕОМ
Схему спряженняреалізовано на базі 12-розрядного АЦП AD1671 фірми Analog Devices, яка маєвбудований пристрій вибірки зберігання та час перетворення 800 нс, портууведення-виведення КР580ВВ55А.
МікросхемаКР580ВВ55 уявляє собою програмований порт, який включає в себе тридвунаправлених порти. Генератор з кварцевою стабілізацією частоти, що запускаєАЦП, запускається програмно через порт С, коли в нього записується керуючеслово «початок». Вихідний сигнал генератору блокується керуючим словом«кінець».
Для ініціалізаціїпорту уведення-виведення використовуються виводи
системної шиниЕОМ А2-А9 та системний сигнал AEN, який свідчить про те, що відбуваєтьсязвернення до зовнішнього пристрою, а не до пам’яті. Виводи А0-А1використовуються для вибору напрямку передачі чи зчитування інформації.
Для завданнярежимів роботи порту — режиму програмування, режиму запису в порт, режимууведення в порт, використовуються системні сигнали RD та WR. Портуведення-виведення ініціалізується при появі на системній шині адрес $100-$103.Призначення цих адресів наведено у таблиці 4.2.
Сигнал готовностіАЦП є запитом на переривання IRQ10, під час обробки якого зчитується перший тадругий байт вихідного коду АЦП і записується в оперативну пам’ять.
Таблиця 4.2 — Адреси портівАдреса Порт $100 порт А $101 порт В $102 порт С $103 Програмування порту
Через портуведення-виведення здійснюється передавання першого байту вихідного коду АЦП(порт А), передавання другого байту вихідного коду АЦП та сигналу наявностізаднього фронту вихідного сигналу ТП (порт В), сигналів початку та закінченнявимірювань (порт С). Дані під час роботи безперервно записуються в оперативнупам’ять персональної ЕОМ.
Схему керуванняпортом уведення-виведення реалізована на мікросхемах DD1, DD2, DD3, DD5. Цемікросхеми 555 серії: DD1 — К555ЛН1; DD2 — К555ЛН1; DD3 — К555ЛА3; DD5 — К555ЛА2.
Електричнапринципова схема блоку спряження з ПЕОМ наведена у графічній частині дипломногопроекту.
5. Електричні розрахунки
5.1Розрахунок компаратора напруг
Компаратор напругреалізовано на мікросхемі К521СА3, яка має вихід з відкритим колектором, щообумовлює використання зовнішнього опору навантаження. Його електричнупринципову схему наведено на рисунку 5.1.
/>
Рисунок 5.1 — Компаратор напруг
При використанніоднополярного живлення +5 В та для отримання на виході сигналів ТТЛ рівня прироботі на високоомне навантаження, необхідно використати резистор опором 1 кОм[11]. Обираємо резистор С2-23 — 1 кОм.
Елементи R7C3 є елементами фільтру за джерелом живлення. Стандартні значенняцих елементів R7 = 100 Ом, C3 1 мкФ. Обираємо резисторС2-23 — 100 Ом та конденсатор К-42-П-5-1 мкФ.
Для встановлення значення опорноїнапруги обираємо резистор СП5 — 10 кОм.
Резистори R8та R10 служать для узгодження вхідних опорів попереднього пристрою зпослідуючим. Обираємо С2-23 — 100 кОм.
5.2Електричний розрахунок генератора прямокутних імпульсів, що запускає АЦП
Схемаелектрична принципова генератора прямокутних імпульсів з кварцевоюстабілізацією частоти наведена на рисунку 5.2.
/>
Рисунок 5.2 — Схема електричнапринципова генератора прямокутних імпульсів з кварцевою стабілізацією частоти
У відповідності з[12], для того, щоб вивести в лінійний режим логічні елементи К555ЛН1 необхідновикористати резистори опором 500 Ом. Тому обираємо резистори R1 та R2С2-23 — 520 Ом.
Для того, забезпечити стійку роботупристрою, щоб АЦП міг перетворити миттєве значення напруги не раніш ніжз’явиться наступний імпульс його запуску, необхідно частоту генератору вибратина порядок менше ніж частота дискретизації АЦП. Тому обираємо кварцевийрезонатор РК86 — 100 кГц.
5.3 Електричнийрозрахунок лінійних фотоприймачів
Схему електричну принципову лінійногофотоприймача на основі пари фото діод — операційний підсилювач наведено нарисунку 5.3.
/>
Рисунок 5.3 — Схема електрична принципова лінійного фотоприймача на основі пари фотодіод — операційнийпідсилювач
Розрахуємономінали елементів лінійних фотоприймачів. Для обох фотоприймачіввикористовується одне і те саме джерело світла, яке має конденсорну лінзу, щодозволяє забезпечити рівномірний світловий потік по всій освітлюємій поверхні.
При настройцітахометричного перетворювача шляхом регулювання сили світла підбираєтьсянеобхідний рівень вихідної напруги фотоприймача. Він повинен дорівнювати 5 В,тому як на такий вхідний сигнал розрахований аналого-цифровий перетворювачAD1671, який використовується у розробляємому пристрої.
Номінальнийфотострум фотодіоду ФД-24К дорівнює 100 мкА.
Обчислюємо опіррезистора R3 (див. графічну частину):
/>50 кОм (5.1)
Обираємо резисторС2-23 — 52 кОм.
Задаємось вихідноюнапругою лінійного фотоприймача, що виконує функції детектору заднього фронтуU=5В. Номінальний фотострум фотодіоду дорівнює 50 мкА. Знаходимо опір резистораR5:
/>100 кОм (5.2)
Обираємо резисторС2-23 — 100 кОм.
В якості балансировочнихрезисторів обираємо резистори СП-5 – 150 кОм у відповідності з рекомендаціями[19].
6/Розробка схеми програми роботи комп’ютеризованої вимірювальної системипараметрів електричних машин з газомагнітним підвісом та програмного забезпечення
6.1 Розробкасхеми програми роботи пристрою
Розробкуалгоритмічного та програмного забезпечення при вирішенні подібного типу задачвже можна починати при завершенні розробки функціональних схем апаратноїчастини.
Якщо задача на розробку поставлена,то для отримання алгоритму роботи пристрою необхідно виконати ряд послідовнихдій [16]:
— детальний описзадачі;
— аналіз задачі;
— інженернуінтерпретацію задачі;
— розробкузагального алгоритму функціонування;
— розробкудеталізованих алгоритмів;
— розподіленняробочих регістрів та пам'яті ЕОМ;
Після ввімкнення живленнявідбувається початкова ініціалізація системи, тобто автоматичне скидання портута обнулення його внутрішніх регістрів.
Після цього в порт записуєтьсякеруюче слово, за яким імпульси з виходу генератора з кварцевою стабілізацієюпоступають на вхід запуску аналого-цифрового перетворювача. Після появи першогоімпульсу формується запит на переривання, після чого проводиться очікуваннясигналу готовності АЦП.Після появи сигналу готовності АЦП перший байт йоговихідного коду записується до порту. З порту він зчитується та записується вОЗУ. Лічильник числа зчитувань з АЦП збільшується на одиницю. Після цього доОЗУ заноситься другий байт даних.
Після цьогообчислюється поточне значення часу за формулою:
/>, (6.1)
де /> - оптимальний періодсигналу тактового генератора.
Даліперевіряється, чи не перша це вибірка. Якщо перша, то здійснюється перехід напочаток програми та зчитується друге слово з АЦП. Якщо вибірка не перша — обчислюється кутова швидкість за виразом:
/> (6.2)
Значення кутової швидкості, кутаповороту, поточного часу записується до файлу чи виводиться на екран монітору,а програма перевіряє, чи нема сигналу кінця вимірювань. Якщо його нема,здійснюється перехід на початок програми. Момент інерції роторної системи є одним з найважливіших її параметрів,що необхідно контролювати під час будь-яких випробувань. При наявності вимірювальноїінформації про момент інерції та швидкісну діаграму об’єкту контролю можливевизначення динамічного моменту та моменту опору на валу. Визначення моментуінерції традиційними методами є складним та трудомістким процесом. Непрямевизначення моменту інерції через вимірювання амплітуди крутильних коливань даєзмогу автоматизувати його. Розглянемо рисунок 6.1, на якому наведено залежностікута повороту від часу при постійному значенні кутової швидкості та відсутностікрутильних коливань /> та при наявностікрутильних коливань />. Залежність кутаповороту від часу в усталеному режимі роботи об’єкту контролю можна записати:
/>, (6.3)
де /> - середнє значення кутовоїшвидкості,
/>
Рисунок 6.1 – Довизначення моменту інерції ротора синхронної гістерезисної електричної машини згазомагнітним підвісом
Значення тангенсукута нахилу прямої />, який дорівнюєсередньому значенню кутової швидкості, визначається шляхом багаторазовихвизначень миттєвого значення кута повороту та послідуючого знаходженнясередньоарифметичного значення похідної сигналу при роботі об’єкту в усталеномурежимі. Середнє значення кутової швидкості визначається виразом:
/>, (6.4)
де n — кількістьвизначених значень кутової швидкості; ТВ — крок дискретизації.
Складова виразу(6.2) /> має коливальний характерта залежить від наступних причин [40]:
— змінніелектромагнітні сили в об’єкті контролю;
— несинусоїдальності розподілу магнітної індукції вздовж зазору;
— нерівномірностімагнітної провідності вздовж осей;
— зміннімеханічні сили в об’єкті контролю;
— дисбаланс ротору, що приводить довиникнення змінних динамічних сил;
— зміна температури;
— місцевідеформації та гальмівні моменти;
— зовнішніфактори, що впливають на ступінь нерівномірності обертання ротора;
— коливання напругиживлення та значення навантаження;
— несиносоїдальність напруги живлення, нестабільність її частоти;
Для ЕМ згазомагнітним підвісом конічного ротору, домінуючою причиною, що обумовлюєвиникнення крутильних коливань є дисбаланс ротора. У цьому випадку, при умовізнехтування іншими причинами виникають крутильні коливання:
/>, (6.5)
Величина />, яка дорівнює різниці міжзначеннями кута повороту з урахуванням крутильних коливань та без їхурахування, визначається виразом:
/>. (6.6)
Для знаходженняамплітуди крутильних коливань доцільно скористатись сплайн-інтерполяцією зпослідуючим знаходженням середнього значення максимумів та мінімумівінтерполяційного сплайну.
Позначимоінтерполяційний сплайн через />. Тодіамплітуда крутильних коливань визначається як середнє арифметичне модулівмаксимумів та мінімумів інтерполяційного сплайну:
/>, (6.7)
де КMAX,КMIN — кількість максимумів та мінімумів інтерполяційного сплайну. Завданнязнаходження максимумів та мінімумів інтерполяційного сплайну легкорозв’язується відомими методами. Момент інерції визначається за виразом:
/> (6.8).
Схему програми, що відповідає вищеописаному алгоритму, наведено у графічній частині дипломного проекту.
6.2 Розробкапрограмного забезпечення
Розробленепрограмне забезпечення, під управлінням якого працює пристрій контролюсереднього значення кутової швидкості, дозволяє реалізувати наступні режимироботи апаратних засобів: режим роботи за допомогою системи меню; графічне ітабличне представлення результатів динамічного вимірювання кутової швидкості,кута повороту; безперервний контроль кутової швидкості; Ядром програмногозабезпечення є основна програма, процедури апроксимації сплайнами, процедурадиференціювання апроксимуючої функції, програмна підтримка процесів накопиченняі представлення результатів вимірювання та контролю. Завдяки наявності системименю, можливо вибрати один з двох режимів роботи: режим вимірювання швидкіснихдіаграм; режим вимірювання та контролю середнього значення кутової швидкості.Кожному з цих режимів відповідає своя підпрограма. Лістинг фрагменту програми,яка написана на алгоритмічній мові Turbo Pascsl 7.0, у відповідності зі схемоюпрограми, наведений у додатку.
7.Розрахунок похибок вимірювання комп’ютеризованої вимірювальної системипараметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
7.1 Розрахунок похибоквимірювання моменту інерції
Похибка вимірюваннямоменту інерції складається з похибок вимірювання параметрів, що входять довиразу (6.8).
Складовимипохибки вимірювання моменту інерції ротору є:
— похибкавимірювання маси ротору;
— похибкавимірювання радіального зміщення ротору;
— похибка вимірюванняамплітуди крутильних коливань.
Похибкавимірювання моменту інерції є функцією вище названих випадкових величин. Масаротору є його паспортною величиною і як правило відома з високою точністю, томуможна вважати, що похибка вимірювання маси ротору не впливає на результат вимірюванняйого моменту інерції. Похибка вимірювання радіального зміщення ротору заметодикою, що розглянуто у [12], складається з похибки вимірювання ексцентриситетумаси, власної резонансної частоти системи, похибки вимірювання кутовоїшвидкості, похибки, що обумовлена наближеністю розрахункового виразу, похибки,що обумовлена вібраціями та багатьох інших, серед яких важко виділити домінуючускладову. Це дає змогу вважати, що ця похибка розподілена за нормальнимзаконом.
Похибкавимірювання амплітуди крутильних коливань складається з похибки квантування,похибки інтерполяції, похибки, що обумовлена випадковими завадами та неточністювиготовлення модулятору та діафрагми та інше.
При багаторазовихвимірюваннях з послідуючим усередненням цю похибку можна значно зменшити [13].Припустимо, що вона настільки мала у порівняні з похибкою вимірюваннярадіального зміщення ротору, що нею можна знехтувати.
Позначимо через /> абсолютну похибкувимірювання радіального зміщення ротора. Вираз (6.8) можна записати як:
/>, (7.1)
де /> - абсолютна похибкавимірювання моменту інерції ротору. Після нескладних перетворень отримуємо:
/>. (7.2)
Квадратабсолютної похибки вимірювання радіального зміщення ротору є малою величиноюдругого порядку малості, тобто />. Цедає змогу записати приблизний вираз для абсолютної похибки вимірювання моментуінерції ротора:
/>. (7.3)
З робіт [14, 15], витікає, щовідносна похибка вимірювання радіального зміщення ротора не перевищує 5%, тобтоможна записати:
/>, (7.4)
де /> - максимальне значенняпохибки вимірювання радіального зміщення. Після нескладних перетвореньотримуємо:
/>, (7.5)
де /> - максимальне значенняабсолютної похибки вимірювання моменту інерції.
З виразу (7.5 )випливає, що абсолютна похибка вимірювання моменту інерції не перевищує 10 %.Так як прийнято, що похибка /> маєнормальний закон розподілу, такий самий закон розподілу має і похибкавимірювання моменту інерції. Він описується виразом:
/>, (7.6)
де /> - середньоквадратичневідхилення абсолютної похибки вимірювання моменту інерції.
7.2 Розрахунокпохибки вимірювання кутової швидкості
Для визначеннякутової швидкості необхідно диференціювати вихідний сигнал ТП. В загальномувипадку результуюча похибка дискретного вимірювання кутової швидкості маєнаступні складові [16]: методична похибка; похибка інтерполяції; похибка, щообумовлена похибкою одного відліку АЦП; похибка, що обумовлена випадковимизавадами та неточністю виконання модулятору та діафрагми.
Методична похибкадискретного вимірювання кутової швидкості в момент ti визначаєтьсявиразом:
/>, (7.7)
де /> - час між відлікамивихідного сигналу ТП;
/> - значення кута повороту вмоменти часу /> та />.
У випадку, коликутове прискорення дорівнює нулю (кутова швидкість постійна), методична похибкавідсутня. Для оцінки методичної похибки використаємо методику, що застосовано у[16]. Припустимо, що усі інші похибки, окрім методичної, відсутні. Вважаємовихідний сигнал ТП гладкою функцією часу, яка у любій точці розкладається у рядТейлора. Якщо розкласти /> біляточки /> в ряд Тейлора, обмежившисьтрьома членами ряду, отримуємо:
/>, (7.8)
де /> - точка між /> та />. Після нескладнихперетворень отримуємо:
/>. (7.9)
Максимальнаоцінка методичної похибки вимірювання кутової швидкості:
/>, (7.10)
де /> - максимальне значеннядругої похідної вихідного сигналу ТП на інтервалі диференціювання, виражене уодиницях кутового прискорення. Значення /> обумовленене тільки режимом роботи об’єкту контролю, а й імпульсними завадами у вихідномусигналі ТП:
/> , (7.11)
де /> — коефіцієнт, який зворотнопропорційний крутизні залежності вихідної напруги ТП від кута повороту.
Цей коефіцієнт дорівнює:
/>. (7.12)
Провівшианалогічні перетворення, можна довести, що методична похибка на початкуінтервалу диференціювання дорівнює методичній похибки на кінці інтервалу. Якщовиникає необхідність подальшої обробки даних, тобто запізнення вимірювальноїінформації не важливе, можна визначити методичну похибку із запізненням на />. В цьому випадку, увідповідності з [16]:
/>. (7.13)
Цю оцінку можливовикористовувати при обробці даних вимірювання з використанням інтерполяції.Вище наведені розрахунки справедливі тільки для диференціаторів першого типу.Для диференціаторів другого типу, у відповідності з [16], оцінка максимальноїметодичної похибки має вигляд:
/>, (7.14)
а длядиференціатору третього типу:
/>. (7.15)
Диференціаторидругого та третього типу мають більш високу завадостійкість, ніж диференціаторпершого типу. Але вони мають більший інтервал диференціювання. Максимальнаоцінка методичної похибки диференціатору першого типу прямо пропорційнамаксимальному значенню другої похідної вихідної напруги ТП та часу ТВ.Значення другої похідної вихідної напруги в загальному випадку є випадковоювеличиною, яка залежить від багатьох факторів. На неї впливають кутовеприскорення, випадкові завади, резонансні явища, що обумовлені муфтоюспряження, співвідношення моментів на валу, прецесія та нутація ротору, неточністьвиконання прорізів модулятору та діафрагми та інше. У роботі [18] доведено, щоякщо виходити з режиму роботи об’єкту контролю з максимальними динамічнимимоментами (максимальне навантаження, максимальна швидкодія), закон розподілумаксимального кутового прискорення буде наближатись до дискретногодвомодального. У цьому випадку, закон розподілу методичної похибкидиференціатору першого типу, має також дискретний двомодальний закон розподілу:
/>. (7.16)
Середньоквадратичневідхилення методичної похибки:
/>. (7.17)
Для вимірювання швидкісних діаграм тапроведення динамічних вимірювань кутової швидкості необхідно знаходити вимірянізначення між точками опитування. Для цього використовують інтерполяцію. Прицьому виникає похибка інтерполяції. Оцінки інтерполяції розглянуто у [12]. Такстосовно до диференціатора першого типу похибка східчастої інтерполяціїоцінюється виразом:
/>. (7.18)
При використаннілінійної інтерполяції оцінка похибки має вигляд:
/>. (7.19)
При використанніінтерполяції кубічними сплайнами, можна використовувати точні або асимптотичноточні оцінки похибок сплайн-інтерполяції на класах функцій [13]. Всі вонидостатньо складні для використання, тому в даному випадку доречно обмежитисьтільки порядковими оцінками похибок. Якщо функція /> належитькласу /> функцій, неперервних на /> і, що мають неперервніпохідні до k — того порядку (k = 0, 1, 2, 3, 4), то для похибки інтерполяціїкубічним сплайном s(t) функції та її похідних дійсні оцінки:
/> (7.20)
де с — невід’ємнаконстанта;
/>. (7.21)
Ns — число відліків. Для функції /> порядокнаближення /> сплайном s(t) дорівнює />, порядок наближенняпохідної />, дорівнює /> та буде складати малувеличину у порівнянні з іншими похибками.
Розглянемопохибку визначення кутової швидкості, що обумовлена похибкою квантуваннявихідного сигналу ТП. Припустимо, що методична похибка визначення кутовоїшвидкості та похибка визначення кута повороту, що обумовлена неточністювиконання модулятору та діафрагми відсутні. Тоді результат вимірювання можливозаписати у вигляді:
/>, (7.22)
де /> - виміряне значеннякутової швидкості у момент часу />;
/>, /> -значення кута повороту у моменти часу /> та/>;
/>, /> -похибка вимірювання кута повороту, що обумовлена квантуванням вихідного сигналуТП, у моменти часу /> та />.
Друга частина виразу (7.22) єпохибкою вимірювання кутової швидкості, що виникає внаслідок наявності похибкиквантування вихідного сигналу ТП:
/>. (7.23)
Є очевидним, щозакон розподілу похибки вимірювання кутової швидкості, що обумовлена похибкоюквантування можна визначити як композицію законів розподілу величин /> та />, які як і похибка квантуваннямають рівномірний закон розподілу. При умові стаціонарності випадковихпроцесів, що обумовлюють виникнення цих похибок, їх закони розподілу можнавважати однаковими:
/>. (7.24)
У відповідності з[19] композиція двох однакових прямокутних законів є трикутний закон (розподілСімпсона). Закон розподілу похибки вимірювання кутової швидкості, що обумовленаквантуванням вихідного сигналу ТП [14]:
/>. (7.25)
Середньоквадратичнезначення цієї похибки:
/>. (7.26)
Випадкова похибкавимірювання кутової швидкості виникає під впливом випадкових завад танеточності виконання прорізів модулятору та діафрагми. Будемо вважати заваду навході диференціатору першого типу стаціонарною випадковою функцією. Припустимо,що методична похибка визначення кутової швидкості та похибка квантуваннявідсутні. Тоді результат вимірювання кутової швидкості можливо записати у вигляді:
/>. (7.27)
Друга частинавиразу (7.27) є похибкою вимірювання кутової швидкості, що виникає внаслідокнаявності похибки квантування вихідного сигналу ТП:
/>. (7.28)
Визначимо законрозподілу похибки вимірювання кутової швидкості, що обумовлена неточністювиконання модулятору та випадковими завадами. Цей закон можна визначити яккомпозицію законів розподілу випадкових величин /> та/>, які мають нормальнийзакон розподілу. При умові стаціонарності випадкових процесів, що обумовлюютьвиникнення цих похибок, їх закони розподілу можна вважати однаковими:
/>. (7.29)
У відповідності з[10] композиція двох однакових нормальних законів є також нормальним законом,який визначається виразом:
/>. (7.30)
В силувластивостей стаціонарності [15], середньоквадратичне значення похибкивимірювання кутової швидкості, що обумовлена випадковими завадами та неточністювиконання модулятору та діафрагми:
/>. (7.31)
Середньоквадратичне відхиленнязагальної похибки вимірювання кутової швидкості знаходиться з виразу:
/>. (7.32)
Графік відносногосередньоквадратичного значення похибки вимірювання кутової швидкості /> при різних значеннях />, без урахування складової,що обумовлена неточністю виконання прорізів модулятору та діафрагми, при />рад/с2, n=12наведено на рисунку 7.1.
/>
Рисунок 7.1 — Відносна середньоквадратична похибка вимірювання кутовоїшвидкості.
Функція (7.26)має мінімум за аргументом ТВ, при якому результуючасередньоквадратична похибка вимірювання кутової швидкості мінімальна:
/>. (7.33)
Враховуючи, що />, вираз (7.33) можназаписати як:
/>. (7.34)
У випадку, коли похибкою, щообумовлена завадами та неточністю виконання модулятору та діафрагми можназнехтувати, вираз (7.34) прийме вигляд:
/>. (7.35)
Залежності /> від значення максимальногокутового прискорення об’єкту контролю при різній розрядності АЦП наведено нарисунку 7.2.
/>
Рисунок 7.2 — Оптимальний час диференціювання при різній розрядності АЦП
Мінімальнавідносна середньоквадратична похибка вимірювання кутової швидкості привідсутності випадкових завад визначається виразом:
/>. (7.36)
Графікизалежності цієї похибки від кутової швидкості при різній розрядності АЦП при />рад/с наведено на рисунку7.3. Їх наведено в діапазоні кутових швидкостей, в якому період дискретизаціїяк мінімум у два рази менше за період вихідного сигналу ТП.
/>
Рисунок 7.3 — Мінімальна відносна похибка вимірювання кутової швидкості
З аналізу рисунка 7.3. випливає, що вобласті низьких кутових швидкостей відносна середньоквадратична похибкавимірювання значно збільшується, що в першу чергу обумовлено похибкоюквантування вихідного сигналу ТП.
8. Економічна частина
8.1 Розрахунок витрат на розробку івпровадження комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричнихмашин з газомагнітним підвісом
Кошторис витрат на розробку івпровадження нового технічного рішення включає розрахунок таких основнихстатей:
а) Основназаробітна плата розробників Зо, яка розраховується за формулою [21]:
/> , (8.1)
Проведеморозрахунок заробітної плати для кожного робітника, що приймає участь в розробціі занесемо отримані дані до таблиці 8.1.Таблиця 8.1 Основна заробітнаплата розробників Найменування посади Місячний посадовий оклад, грн. Оплата за робочий день, грн. Число днів роботи Витрати на заробітну плату, грн. Керівник проекту 385 17,5 22 385 Інженер 330 15 22 330 Всього
Зо=715
б) Витрати наосновну заробітну плату робітників Зр, що виготовляють досліднийзразок.
Ці витрати розраховуютьсяна основі норм часу, які необхідні для виконання даної роботи, за формулою:
/>, (8.2)
Сівизначається за формулою:
/>, (8.3)
Провівширозрахунки занесемо їх до таблиці 8.2.
Таблиця 8.2 –Витрати на основну заробітну плату робітниківНайменування роботи
Трудоміст -
кість, н-годин Розряд роботи Погодинна тарифна ставка, грн./год Величина оплати, грн. Виготовлення 40 6 1,35 108 Монтаж 16 6 1,35 43,2 Випробування 24 3 1 48 Всього
Зр=199,2
в) Розрахуємододаткову заробітну плату розробників та робітників, які були задіяні врозробці дослідного зразка. Вона становить 10¸12% від основної заробітної платирозробників та робітників, тобто 10 ¸ 12% від ( Зр + Зо) :
Зд =0,1 ×( Зр + Зо ) = 0,1 · (199,2 + 715) = 91,42 (грн.).
г)Нарахування на заробітну плату робітників Нзп розробників, які булизадіяні в розробці дослідного зразка [21].
В 2002році нарахування на заробітну плату Нзп складали 37,2 ¸ 40 % від суми основної та додаткової заробітної плати розробників таробітників, тобто Зо + Зр + +Зд.
Нзп= ( Зо + Зр + Зд ) · 0,375 = (715 + 199,2 +91,42) · 0,375 = 377,1 (грн.).
д)Розрахуємо амортизацію основного обладнання, яке використовується для розробки,та приміщень.
Амортизаційнівідрахування по кожному виду обладнання та приміщенням можуть бути розрахованіза формулою:
/>, (8.4)
Для Т =1 ÷3 місяці.
Розраховуємоамортизаційні відрахування і занесемо отримані дані до таблиці 8.3.Таблиця 8.3 Амортизація основного обладнанняНайменування обладнання, приміщень Балансо-ва вартість, грн.
Норма аморти-
зації, % Термін використання, міс. Величина амортизаційних відрахувань, грн.
Робочий кабінет 2000 5 1 8,3
Комп’ютер 1500 25 1 31,25
Електро-двигунни 200 25 1 4,2
Інструменти 30 5 1 0,125
Засоби вимірювальної техніки 300 15 1 3,75
Всього А = 43,425 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
е) Розрахунокоренди обладнання ( приміщень ), які були використанні в ході розробки пристроюта випробувань.
Оренда кожноговиду обладнання (приміщень) розраховується за формулою:
/> (8.5)Всі проведені розрахунки заносимо до таблиці 8.4.
Таблиця 8.4 — Оренда обладнання та приміщеньНайменування обладнання, приміщень Балансова вартість, грн. Ставка орендної плати, %
Термін використан-
ня, міс. Сума орендної плати, грн. Робочий кабінет 2000 5 1 8,3 Засоби вимірювальної техніки 300 5 1 1,25 Всього О = 9,55
ж) Підрахуємовитрати на матеріали, що були використані на розробку та виготовленнядослідного зразка за допомогою формули:
/> (8.6)
Проведеморозрахунки і отримані дані занесемо до таблиці 8.5.Таблиця 8.5 – Витрати на матеріали при розробціпристроюНаймену-вання матеріалу, марка, тип, сорт Ціна за 1 кг, грн. Витра-чено, кг
Величи-
на відходів,
кг. Ціна відходів, грн./кг
Возв-
ратні відходи, грн.
Вартість витраче-
них матеріа-
лів, грн. Каніфоль 2 0,2 0,05 0,1 - 0,34 Припой 5 0,3 0,05 0,15 - 1,5 Всього М = 1,84
з) Розрахуємовитрати на комплектуючі К, що були використані при виготовленні дослідногозразка. Вони знаходяться за допомогою формули:
/> (8.7)
Проведені розрахунки заносимо до таблиці 8.6.
Таблиця 8.6Витрати на комплектуючіНайменування комплектуючих Кількість, шт Ціна за штуку, грн. Сума, грн Текстоліт електротехнічний листовий 4 5,2 22,88 Гайки 20 0,5 11 Шайби 20 0,2 4,4 Гвинти 20 0,3 6,6 Всього К = 44,88
і) Витрати на силову електроенергіюрозраховується за формулою [21]:
/> (8.8)
Отже, припідстановці відомих величин витрати на силову електроенергію будуть такі:
Ве= 0,156 ∙ 0,5 ∙ 528 ∙ 0,5 = 20,58 (грн.)
к) Іншівитрати доцільно прийняти як 200 ¸ 300 % від суми основноїзаробітної плати розробників, тобто від :
Ві= (Зо + Зр) × 2 = (715 + 199,2) · 2 = 1828,4(грн.).
з) Сумавсіх попередніх витрат дає загальні витрати на розробку дослідного зразка В:
В = Зо+ Зр + Зд + Нзп + А + О + М + К + Ве+ Ві =
= 715 +199,2 + 91,42 + 377,1 + 93,75 + 20,8 + 1,84 +
+ 97,9 +20,58 + 1828,4 = 3331,395 (грн.).
Отже,загальні витрати на розробку дослідного зразка складають 3331,395 (грн.).
8.2 Розрахунок виробничої собівартостікомп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин згазомагнітним підвісом
З 1 січня2001 року відповідно до «Положення бухгалтерськогообліку 16 „Витрати“ » основною обліковоюодиницею є: «Виробнича собівартість». До виробничої собівартостіпродукції, робіт, послуг включаються:
— пряміматеріальні витрати;
— прямівитрати на оплату плати;
— іншіпрямі витрати;
— загальновиробничі витрати, які в свою чергу, поділяються на змінні та постійні.Постійні загальновиробничі витрати поділяються, в свою чергу, на розподілені танерозподілені.
Виробничасобівартість є основною для формування ціни реалізації одиниці продукції. Рештавитрат, такі як адміністративні витрати, витрати на збут та інші витратиопераційної діяльності в собівартість продукції не включаються.
В зв’язкуз цим, прогнозування виробничої собівартості одиниці продукції передбачаєпроведення наступних розрахунків, тобто визначення перерахованих нижче статейвитрат:
а) Витратина матеріали М, які розраховуються по кожному виду матеріалів за формулою:
/> (8.9)
Розрахунки витратна матеріали представлені в таблиці 8.5 розділу 8.1 і становлять М = 1,84 грн.
б) Витратина комплектуючі К розраховуються за формулою:
/>, (8.10)
Розрахункивитрат на комплектуючі представлені в таблиці 8.6 розділу 8.1 і становлять К =44,88 грн.
в) Витрати на силову електроенергіюрозраховується за формулою:
/> (8.11)
істановлять 20,58 грн. (формула 8.11).
г) Витрати наосновну заробітну плату робітників Зр, що виготовляють досліднийзразок.
Ці витратирозраховуються на основі норм часу, які необхідні для виконання даної роботи,за формулою [21]:
/>, (8.12)
Сівизначається за формулою:
/>, (8.13)
Розрахункивитрат на основну заробітну плату робітників представлені в таблиці 8.2 розділу8.1 і становлять Зр=199,2 грн.
д) Розрахуємододаткову заробітну плату розробників та робітників, які були задіяні врозробці дослідного зразка. Вона становить 10¸12% від основної заробітноїплати розробників та робітників, тобто 10¸12% від Зр :
Зд =0,1 ×Зр = 0,1 · 199,2 = 19,9 (грн.).
е) Нарахування назаробітну плату робітників Нзп розробників які були задіяні врозробці дослідного зразка.
В 2002році нарахування на заробітну плату Нзп складали 37,2 ¸ 40 % від суми основної та додаткової заробітної плати розробників таробітників, тобто від суми Зр + Зд.
Нзп= ( Зр + Зд ) · 0,375 =
= ( 199,2+ 19,9 ) · 0,375 = 82,16 (грн.).
ж)Розрахунок загальновиробничих статей витрат. В загальному вигляді можнаприйняти, що норматив загальновиробничих витрат складає 170 ¸ 200 % від основної заробітної плати робітників:
Взв= Зр · 1,7 = 199,2 · 1,7 = 338,64 (грн.).
з) Сумавсіх попередніх статей витрат утворює виробничу собівартість одиниці продукції,яка підлягає продажу, Sв:
Sв= М + К + Ве + Зр + Зд + Нзп + ЗВ =
= 1,84 +44,88 + 20,58 + 199,2 + 19,9 + 82,16 + 338,64 =
= 707,2(грн.).
8.3Розрахунок ціни реалізації нового технічного рішення
Визначенняціни реалізації об’єкта розробки буде здійснюватися на підставі аналізу ступеняконкурентності ринку.
Оскількиринок конкурентний, то це означає, що виробнику важливо вплинути на ринковуціну. Тому за ціну реалізації будемо приймати ринкову ціну на відповідні виробиз урахуванням значень конкретних показників якості нової розробки відносно дозначень показників продукції конкурентів. При цьому використовуємо формулу:
/>, (8.14)
дезначення W приймаємо в межах 30¸60, а Р – 20.
Підставившизначення SВ, розраховуємо значення ціни реалізації для нового пристрою:
/> (грн.).
8.4Розрахунок чистого прибутку для виробника
Длярозрахунку величини чистого прибутку П, який може отримати виробник відреалізації нового пристрою за рік, можна скористатись формулою:
/>. (8.15)
На даномуетапі розробки система розробляється, як експериментальний зразок, але вподальшому планується виробляти 25 ÷ 80 виробів на рік, тому чистийприбуток за рік буде таким:
/> =
= 13068,16(грн.).
Зрозуміло,що отримати такий прибуток можна тільки запустивши даний пристрій в серійневиробництво.
8.5Розрахунок експлуатаційних витрат для нового пристрою
Оскільки планується,що виріб буде обслуговуватись інженерно – технічним
працівником,то приблизний склад експлуатаційних витрат та порядок їх розрахунку буденаступним:
а)Заробітна плата обслуговуючого персоналу Зобс, яка розраховується заформулами:
Зобс= 12 · М · b, (8.16)
Такимчином, заробітна плата обслуговуючого персоналу буде:
Зобс= 12 · 350 · 0,2 = 840 (грн. / рік).
б) Розрахуємододаткову заробітну плату Зд розробників. Вона становить 10 ¸ 12 % від основної заробітноїплати обслуговуючого персоналу:
Зд = Зобс· 0,1 = 840 · 0,1 = 84 (грн.).
в)Нарахування на заробітну плату Нзп обслуговуючого персоналу.
У 2002році нарахування на заробітну плату складали 37,2 ¸ 40 %від суми основної та додаткової заробітної плати розробників, тобто Зобс+ Зд.
В 2002році ці нарахування складали:
— вПенсійний фонд – 32%;
— в Фондсоціального страхування на випадок безробіття – 2,9 %;
— в Фондсоціального страхування по тимчасовій втраті працездатності – 2,1 %;
— в Фондсоціального страхування від нещасних випадків на виробництві і професійнихзахворювань України – від 0,2 % до 13,8 %;
Отже,нарахування на заробітну плату буде таким:
Нзп= (Зобс + Зд) · 0,375 = (840 + 84) · 0,375 = 346,5 (грн./ рік).
г) Витратина силову електроенергію розраховуються за формулою:
Ве= В · П · Ф · Кп · b, (8.17)
Отже,витрати на силову електроенергію складатимуть:
Ве= 0,156 · 0,5 · 900 · 0,75 · 0,2 = 10,53 (грн. / рік).
д) Амортизаційнівідрахування розраховуються за такою формулою:
/>, (8.18)
Отже, амортизаційні відрахуваннябудуть складати:
/> (грн./рік)
е) Витратина ремонт пристрою можна розрахувати за формулою:
/> (8.19)
Отже, витрати на ремонт будутьтакими:
/> (грн. /рік).
ж) Іншівитрати розраховуються як 5 % ¸ 10 % від загальної суми усіхпопередніх витрат [21]:
Ів= (Зобс + Зд + Нзп + Ве + А + Р) ·0,05 = 84,67 грн.
з) Сумавитрат за всіма попередніми статтями дає величину експлуатаційних витрат дляданого пристрою – Е2.
Е2= Зобс + Зд + Нзп + Ве + А + Р + Ів= 1778,1 грн.
8.6Розрахунок економічного ефекту на експлуатаційних витратах для споживача
Розрахунокекономічного ефекту на експлуатаційних витратах для споживача від експлуатації нового пристрою визначається заформулою:
/>
8.7Розрахунок економічного ефекту на ціні для споживача від придбання новогопристрою
Розрахунокекономічного ефекту на ціні для споживача від придбання нового пристроюпроводяться за формулою:
/> (грн.)
Результатмає від’ємне значення, це означає, що споживач не буде мати економічного ефектуна ціні від придбання нового виробу, але це ще не говорить про неефективністьнової розробки. Для цього потрібно розрахувати строк окупності додатковихвитрат То на ціні для нового виробу за формулою:
/>
Оскільки То= 1,3 і То
8.8Розрахунок терміну окупності витрат
Термінокупності витрат То для виробника визначається за формулою:
/>. (8.20)
Звичайно,оскільки даний пристрій є дослідним зразком, то планується зробити один зразокдля демонстрації. Зрозуміло, що при виробництві одного пристрою затрати навиробництво будуть значно більші ніж прибуток. Тому було розраховано попитпродукції для вітчизняного ринку який становить 25÷ 80 пристроїв в рік, тоді термін окупності будедорівнювати [21]:
/>
Зрозрахунків видно То
Отжепровівши розрахунок економічної частини було встановлено, що загальні витратина розробку і впровадження нового пристрою становлять 3331,39 грн. Також булоспрогнозовано виробничу собівартість системи. Враховуючи дані розрахунки, атакож беручи до уваги ціну конкурентів на подібну продукцію і розглянувшитехнологічні показники нового пристрою і аналога була встановлена ціна навиріб, яка становить 1103,23 грн. Провівши патентний пошук на виявленняподібних систем і дослідження вітчизняного ринку було встановлено, що схожіпристрої на Україні вже випускаються. Оскільки дану продукцію плануєтьсяпродавати тільки на території України, то було спрогнозовано попит на данупродукцію, він становить 25 пристроїв на рік. При такій реалізації запланованоотримувати 13068,16 грн. прибутку за рік. Також було встановлено, що користувачбуде мати позиивнний економічний ефект від використання нової системи. Присерійному виробництві термін окупності займає дуже малий термін, що такожважливо при теперішньому економічному становищі.
9. Охорона праці
9.1 Характеристика об’єкта, що проектується
В даномудипломному проекті розробляється програмний пакет для керування адаптивнимисистемами автоматичного управління. Даний програмний продукт розробляється на ЕОМi буде використовуватись в машинних залах обчислювальної техніки. Об'єктпроектування реалізовується на обчислювальних машинах типу IBM PC з процесоромне нижче Intel 486, якi представляють собою з'єднання системного блоку,клавіатури та терміналу (монітора), друкуючого пристрою (принтера).
9.2 Погіршеннястану здоров’я користувачів ЕОМ, які пов’язані зі стресом
Робота заВДТ пов’язана з впливом ряду стресогенних факторів: несприятливі умови тарежими праці; зміст праці; здібності та потреби працівника, а також йогосподівання; звички, культура організаційних моментів, умови життя, роботатранспорту та ін.
Стресові впливиможуть стати причиною виникнення фізіологічних, психологічних змін татрансформації поведінки, розладів здоров’я.
Фізіологічні порушення можутьсупроводжуватися розладами шлунково-кишкового тракту, м’язовим напруженням,змінами функцій серцево-судинної системи, пітливістю, виділенням підвищеногорівня катехоламінів, порушенням менструального циклу та ін [22].
Розладишлунково-кишкового тракту та інші фізіологічні порушення частіше спостерігалисяу користувачів з високою та середньою тривалістю роботи за ВДТ, ніж у членівконтрольних груп та користувачів, які працювали за ВДТ менше 50% свого робочогочасу.
До психологічнихта поведінкових розладів, відзначених у літературі,
належить агресивність,фрустрація, нервозність, роздратування, тривога, нерішучість, пригніченість,занепокоєння, порушення сну, втрата апетиту, швидкий розвиток втоми,запаморочення та ін.
За даними рядуавторів, у користувачів ВДТ виникають психологічні та поведінкові порушення(тривога, роздратування, пригніченість), частота яких. коливається від 14 до70%. Було встановлено, що повільне отримання відповіді від системи посилювалофрустрацію, роздратування та нетерпіння.
Великий вплив на вираженість цих симптомів має форма оплати праці.Наприклад, відрядна оплата праці сама по собі немає впливу на зміну настрою.Проте у сполученні з більш динамічною роботою вона призводила до посиленнятемпу роботи користувачів в порівнянні з тими, чия праця оплачується по твердійставці. В сполученні з тривалим чеканням відповіді системи відрядна оплатапраці призводила до посилення фрустрації та роздратованості. Таким чином,відрядна оплата праці у будь-якому випадку викликає підвищене відчуттядефіциту, часу.
Є відомості проіснування позитивної кореляції між невдоволенням користувачів ВДТ деякимифізичними параметрами цих пристроїв (яскравість екрана, його висота і кутнахилу, відблиски та мерехтіння, шум) [22].
Для ілюстраціїінтенсивності захворюваності осіб, що використовують ВДТ, наведемо дані,одержані в Інституті медицини праці АМН України. Була вивчена захворюваністькористувачів ВДТ з різною тривалістю його використання. Розглядалися три групикористувачів: у першу увійшли системні інженери-програмісти (тривалість роботиза ВДТ більше 6 год на день), у другу — інженери-економісти, що займаютьсяексплуатацією створеного програмного забезпечення (тривалість роботи від 4 до 6год), у третю – математики-постановники завдань, які використовували ВДТ небільше як 2 год на день.
Суб'єктивнірозлади у працюючих з ВДТ найчастіше (96%) проявлялись у вигляді такихсимптомів: загальна втома, головний біль, роздратування та втома очей (біль,печія, свербіж, мерехтіння та пелена перед очима наприкінці робочого дня).Відсоток осіб з виявленою передпатологією різних органів та систем наростав уміру збільшення тривалості роботи протягом робочого дня. Дані прозахворюваність користувачів ВДТ (з різною тривалістю роботи) та контрольноїгрупи наведено у таблиці 9.1. Так, здорових серед обстежених користувачів ВДТбуло у кілька разів менше, ніж у першій групі [22].
Таблиця 9.1 — Рівеньзахворюваності, %, осіб, тривалість використання ВДТ у яких була різноюСтан здоров’я Користувачі ВДТ Контрольна
група 1 група 2 група 3 група Функціональні порушення ЦНС (астенічний синдром та ін.) 15,6 8,2 6,3 2,7 Хвороби системи кровообігу 57,7 60,3 29,2 23,0 Хвороби верхніх дихальних шляхів та бронхів 20,0 21,7 11,2 4,1 Хвороби органів травлення 40,0 38,6 29,8 18,9 Здорові 6,7 20,1 29,8 46,6
Основне місцезаймали хвороби серцево-судинної системи. Звертає увагу підвищений рівеньзахворюваності осіб першої і другої груп, які інтенсивніше використовували ВДТ.Аналогічна залежність спостерігається у користувачів, у яких виявленанейроциркуляторна дистонія з гіпертензивною спрямованістю судинних реакцій.
Друге місце за частотою займали захворювання органів травлення: упершій та другій групах вони становили відповідно 40,0 та 38,6%, у третій —29,8%. Частіше за інші форми відзначені хронічні гастрити та холецистити.Причому якої-небудь залежності частоти появи цих захворювань від умов праціобстежених не встановлено.
Необхідновизнати, що працюючі на ЕОМ належать до групи, на яку впливають стресогенніфактори. Тому нерідко нейроциркуляторна дистонія, що розвивається у них, можерозглядатися як виробниче зумовлене захворювання. Такі користувачі ВДТ повиннібути на диспансерному обліку.
З метою попередження виражених гіпертензивних станів необхідніраціоналізація трудового процесу (поліпшення умов і режимів праці тавідпочинку), проведення виробничої гімнастики та інші оздоровчі заходи.Особливу увагу слід приділити ергономічності робочого місця. Про ефективністьтаких заходів свідчать результати вітчизняних та закордонних досліджень.
10. Оцінка стійкості роботи комп’ютеризованоївимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом вумовах дії іонізуючих та електромагнітних випромінювань
10.1 Діяіонізуючих випромінювань та електромагнітного імпульсу на радіоелектроннісистеми
Діярадіації на матеріали і деталі апаратури залежить від виду випромінювання, дозирадіації, природи випромінюваної речовини та умов навколишнього середовища.
Врадіоелектронній апаратурі (РЕА) використовуються елементи, до складу якихвходять матеріали: метали, неорганічні матеріали, напівпровідники та різніорганічні сполуки (діелектрики, смоли та ін.). Серед цих матеріалів металинайбільш чутливі до радіації, оскільки їм властива висока концентрація вільнихносіїв [24].
Врадіоелектронній апаратурі радіація викликає оборотні і необоротні процеси,внаслідок яких можуть бути порушення роботи елементів схеми, що приведе допошкодження апаратури.
Якщо потікгамма-опромінення проходить через елементи РЕА, то в них виникають вільні носіїелектричних зарядів, внаслідок переміщення яких виникає хибний імпульс, якийможе призвести до включення пристрою.
Найбільшчутливі до дії радіації напівпровідники, оптичні прилади і фотоматеріали.
Велементній базі РЕА внаслідок дії іонізуючого випромінювання можлива змінамайже всіх електричних та експлуатаційних характеристик, залежних відпроходження процесів іонізації і порушення структури матеріалів.
Практикаексплуатації РЕА в умовах дії радіоактивних випромінювань дає можливість зробитивисновки:
а) РЕАможе раптово втратити працездатність при критичних рівнях радіації;
б) велементах схем РЕА можуть початись оборотні і необоротні процеси через деякий часпісля випадання радіоактивних опадів при рівнях радіації значно
нижчихкритичних, тобто [23]
/>. (10.1)
Дляінженерної практики найбільший інтерес має перший випадок, тобто оцінкастійкості роботи РЕА при знаходженні її на зараженій радіоактивними речовинамимісцевості тривалістю однієї години після випадання радіоактивних речовин наданій місцевості.
Одним ізвражаючих факторів також є електромагнітний імпульс (ЕМІ) – потужний короткийімпульс, що вражає головним чином електронну апаратуру. Виникає ЕМІ в основномув результаті взаємодії гамма-випромінення, що утворюються під час вибуху, затомами навколишнього середовища.
Основніпараметри ЕМІ, що визначають вражаючу дію, є характер зміни напруженостіелектричного та магнітного полів в часі – форма імпульсу і максимальнанапруженість поля – амплітуда імпульсу.
Діапазончастот електромагнітних імпульсів (ЕМІ) до 100 МГц, але в основному йогоенергія розподілена біля середньої частоти (10 – 15 кГц).
10.2Оцінка стійкості роботи комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрівелектричних машин з газомагнітним підвісом в умовах дії іонізуючихвипромінювань
Приведемоперелік основних елементів, від яких залежить робота комп’ютеризованоївимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом тавизначимо з довідника експозиційні дози Ді, при яких в елементахможуть виникнути зворотні зміни. Дані занесемо до таблиці 10.1.
Таблиця 10.1 –Максимально допустимі експозиційні дози РЕА Елементи радіоапаратури і матеріали
Ді, Р Транзистори, діоди загального призначення
104 … 106 Мікросхеми
105 Інтегральні схеми
5 · 105 Конденсатори
107…109 Резистори
107…109 Кварц
1010
Проаналізувавшидані, визначається межа стійкості Дгр, яка дорівнює мінімальномузначенню експозиційної дози Ді роботи РЕА:
Дгр=104(Р).
Визначаємоможливу дозу опромінення Дм за формулою:
/>, (10.2)
де: р1max– максимальне значення рівня радіації;
Кпосл– коефіцієнт послаблення радіації;
tn –час початку опромінення;
tk –час кінця опромінення.
Відомо, щомаксимальне значення рівня радіації р1max, яке очікується на об’єктідорівнює 4 (Р / год), коефіцієнт послаблення радіації Кпосл = 7, часпочатку опромінення tn = 1 (год), а кінцевий час спрацюваннямікросхеми на відмову приймаємо рівним 10 років, або 87600 годинам. Отже, притаких умовах можлива доза опромінення буде дорівнювати:
/>.
Допустимий часроботи РЕА в заданих умовах можна визначити за допомогою виразу [23]:
/>. (10.3)
Оскільки всізначення відомі, то допустимий час роботи РЕА буде таким:
/>
Провівширозрахунки можна зробити висновок, що в умовах дії іонізуючих випромінюванькомп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричних машин згазомагнітним підвісом буде стійкою до радіації, тому що граничне значенняекспозиційної дози 104 (Р) більше за можливе значення 0,34 · 103(Р):
Дгр> Дм. (10.4)
Отже, проводити заходи щодопідвищення стійкості роботи комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричнихмашин з
газомагнітним підвісом непотрібно, томущо система стійка до іонізуючих випромінювань.
10.3Оцінка стійкості роботи комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрівелектричних машин з газомагнітним підвісом в умовах дії електромагнітногоімпульсу
Закритерій стійкості роботи радіоелектронних систем або окремих їх блоків вумовах дії електромагнітного імпульсу можна прийняти коефіцієнт безпеки[23]:
/>,
де: Uд– допустиме відхилення напруги живлення;
Uв(г)– напруга наведена за рахунок дії електромагнітного імпульсу у вертикальних(горизонтальних) струмопровідних частинах.
Визначимогоризонтальну складову напруженості електромагнітного поля при дії вертикальноїскладової напруженості електромагнітного поля, яка дорівнює 12 (кВ / м) заформулою:
/>.
Комп’ютеризованувимірювальну систему параметрів електричних машин з газомагнітним підвісомможна розділити на такі дільниці: блок перетворення, блок передачі.
Визначимомаксимальну довжину вертикальної lв та горизонтальної lгструмопровідної частини для кожного блоку. Отже:
- для блокуперетворення lг = 0,008 (м), а lв = 0,015 (м);
- для блокупередачі lг = 0,0265 (м), а lв = 0,022 (м);
Визначимонеобхідні параметри у струмопровідних частинах для 2-х блоків комп’ютеризованоїсистеми та отримані дані занесемо до таблиці 6.
Для блокуперетворення:
Uв = Ег· lв =12 · 0,015 = 0,18 (В),
Uг = Ев· lг = 12000 · 0,008 = 96 (В).
Для блокупередачі:
Uв = Ег· lв = 12 · 0,022 = 0,264 (В),
Uг = Ев· lг = 12000 · 0,0265 = 318 (В).
Визначимо допустиме коливання напругиживлення за формулою [24]:
/>, (10.5)
де: Uж– напруга живлення;
N – допустимівідхилення.
Оскільки всясистема живиться від напруги 220(В) з допустимим відхиленням N = 10 %, тодопустиме коливання напруги живлення буде таким:
/> (В).
Визначимо коефіцієнти безпеки длякожного блоку окремо за формулами:
/>, (10.6)
/>. (10.7)
Визначимокоефіцієнти безпеки для кожної дільниці.
Для блокуперетворення:
/>,
/>.
Для блокупередачі:
/>,
/>.
Якщо />/> 40(дБ) і />/> 40(дБ), то система стійка в роботі. А якщо />/> 40(дБ), то система не стійка в роботі при цих умовах. А в стовпчику «Примітка»запишемо – стійкий, чи нестійкий відповідний блок.
Таблиця10.2 – Результати розрахунків коефіцієнтів безпекиДільниця
Ев, В/м
Ег, В/м
Uд, В
Uві, В
Uгі, кВ
КБві, дБ
КБгі, дБ Примітка Блок перетворення 12000 12 222,2 0,18 96 7,29 61,83 Не стійкий Блок передачі 12000 12 222,2 0,264 318 — 3,11 58,5 Не стійкий
Провівширозрахунки відмітимо, що комп’ютеризована вимірювальна система параметрівелектричних машин з газомагнітним підвісом в умовах дії електромагнітногоімпульсу буде не стійкою, тому що значення коефіцієнта безпеки менше задопустимий рівень 40 (дБ). Отже необхідно розробляти заходи щодо підвищеннястійкості системи. Найбільш ефективним заходом є екранування системи або їїелементів.
Проведеморозрахунок екранування. Визначимо перехідне гасіння енергії електричного полястальним екраном (А, дБ) за допомогою формули [23]:
/>, (10.8)
де Аст– перехідне гасіння для стального екрану, дБ;
t – товщина стінки екрана, м;
f – 15000 Гц.
Товщину екранувизначаємо за формулою:
/>, (10.9)
де k – коефіцієнт, що залежить від виду екрану(мідний, алюмінієвий, стальний);
Аекр– затухання в екрані і визначається як:
/>. (10.10)
Проводиморозрахунки, при цьому Кб приймемо 45 дБ для того, щоб виконуваласьумова (10.8), і отримані дані заносимо до таблиці 10.3.
При наступномурозрахунку вертикальна (горизонтальна) складова напруженості електричного поляна виході екрана Еві визначається за допомогою виразу:
/>, (10.11)
/>, (10.12)
Таблиця10.3 Розрахунок екранування дільницьДільниця
Аекр.г,
дБ
Аекр.в,
дБ
tг,
см
tв ,
см
КБві дБ
КБгі, дБ Примітка Блок перетворення 62,2 7,7 0,098 0,012 97,3 45 Стійкий Блок передачі 72,6 11,1 0,11 0,017 106,8 45 Стійкий
Як видно зрезультатів розрахунку які приведені в таблиці 10.3, після проведенняекранування всі блоки стійкі до дії ЕМІ.
Приймачі енергії ЕМІ – тіла, щопроводять електричний струм: всі повітряні і підземні лінії зв’язку, лініїуправління, сигналізації, електропередачі, металеві опори, повітряні і підземніантенні пристрої, наземні і підземні трубопроводи, металеві дахи та іншіконструкції, що виготовленні з металу. В момент вибуху в них на долі секундивиникає імпульс електричного струму і з’являється різниця потенціалу відносноземлі [24]. Під дією цих напруг може відбуватись: пробійізоляції кабелів, пошкодження вхідних елементів апаратури, що підключені доантен, повітряними і підземними лініями (пробій трансформаторів зв’язку, вихідз ладу розрядників, запобіжників, пошкодження напівпровідникових приладів і т.д.), а також вигорання плавких вставок включених в лінії для захисту апаратури.Найбільшу небезпеку ЕМІ представляє для апаратури не обладнаної спеціальнимзахистом.
Висновки
В даномудипломному проекті розроблено комп’ютеризовану вимірювальну систему параметрів електричних машин згазомагнітним підвісом.
Під час йоговиконання було здійснено синтез форми прорізі первинного тахометричногоперетворювача, що забезпечує його низькочастотний вихідний сигнал та обумовлюєкращі, у порівнянні з існуючими аналогами, частотні властивості. Розробленоконструкцію первинного тахометричного перетворювача з низькочастотним вихіднимсигналом.
Розробленопристрій введення вимірювальної інформації до оперативного запам’ятовуючого пристрою комп’ютера, який включає в себе аналого-цифровийперетворювач, порт введення-виведення.
Розроблено схемуроботи та програмне забезпечення вимірювання кутової швидкості та куту поворотувалу об’єкту досліджень в динамічномурежимі.
Також розрахованоекономічну ефективність від впровадження пристрою у виробництво та розглянутіпитання охорони праці і цивільної оборони. На основі порівняння пристрою зіснуючими аналогами доведено його перевагу над ними.
Розробленийпристрій та первинний тахометричний перетворювач мають широкі межізастосування. Тахометричний перетворювач має безперервний аналоговий вихіднийсигнал, прямо пропорційний куту повороту, що дозволяє шляхом диференціювання(аналогового чи цифрового) отримувати вимірювальну інформацію про кутовушвидкість.
Список літератури
1. Красковский Е.Я. Трение в подшипниках // Опоры осейи валов машин и приборов. – Л.: Машиностроение, 1970. – С.209-233.
2. Пинегин С.В., Орлов А.В., Табачников Ю.Б.Прецизионные опоры качения и опоры с газовой смазкой. – М.: Машиностроение,1984. – 216 c.
3. Пинегин С.В., Табачников Ю.Б., Сипенков И.Е. Статическиеи динамические характеристики газостатических опор. – М.: Наука, 1982. – 265
4. Галкин В.И.Магнитный подвес роторов высокоскоростных электродвигателей: Дис… канд. техн.наук: – М.: МЭИ, 1974. – 115 с.
5. Разработкамакета электроверетена ЭВВ-03-ПЦВ-24 с магнитными опорами для машин химическихволокон: Отчет о НИР / Рук. Журавлев Ю.Н.; ЛПИ им. Калинина. – № ГР 81022002.–Ленинград-Псков, 1983. – 89 с.
6.Braunbeck W. Freischwebende Korper in elektrischen und magnetischen Feld //Zeitschrift fur Physik. — 1939. — Bd 112. — S. 753-763.
7. ВышковЮ.Д., Иванов В.И. Магнитные опоры в автоматике. – М.: Энергия, 1978. – 160 с.
8. ЛапидусА.С. и др. Система магнитной разгрузки опор скольжения // Вестник машиностроения.– 1991. – № 2. – C. 22-25.
9. Внутришлифовальный шпиндель на воздушныхподшипниках // Экспресс–информация.Автоматические линии и металлорежущие станки.– М.: ВИНИТИ. – 1981.– № 22.
10. Спицын Н.А., Машнев М.М. Высококачественныеподшипники качения // Опоры осей и валов машин и приборов. – Л.:Машиностроение. – 1970. – С. 265.
11. ШнайдерА.Г., Сокол В.М. Сравнительные характеристики бесконтактных опор для электромашиностроения// Вестник машиностроения. – 1987. – № 7. – C. 18-22.
12. ШнайдерА.Г. Теория и проектирование механизмов текстильных машин с мотор подшипниками:Дис… докт. техн. наук: – М.: МТИ, 1991. – 610 с.
13. Моисеев В.С. Системное проектированиепреобразователей информации. – Л.: Машиностроение, 1982. – 255 с.
14. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП:функционирование, параметры, применение. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с.
15. Высокопроизводительные преобразователи формыинформации / А.И.Кондалев, В.А.Багацкий, В.А.Романов, В.А.Фабричев. – К.: Наук.думка, 1987. – 280 с.
16. Интегральные микросхемы: Микросхемы дляаналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 2 – М.: ДОДЭКА,1996. – 384 с.
17. Оптимальні системи керування електроприводами /Б.І.Кузнєцов, І.М.Богаєнко, М.О.Рюмшин та інш / за ред. Б.І.Кузнєцова,І.М.Богаєнко. – К.: Вища школа,1995.– 210 с.
18. Копылов И.П. Математическое моделированиеэлектрических машин. – М.: Высш. шк., 1987.
19. ГОСТ 11828-86. Машины электрические вращающиеся:общие методы испытаний. – М.: Изд-во стандартов, 1986. – 42 с.
20. Потапов Л.А., Зотин В.Ф. Испытание микроэлектродвигателейв переходных режимах. – М.: Энергоатомиздат, 1986.
21. Техніко-економічне обґрунтування та економічні розрахунки вдипломних проектах: Методичні вказівки для студентів технічних спеціальностейфакультетів: ФАКСУ, ФФЕЛТ, ФКСМ, ФКІ, ФМБЕП, ФРТТК / В.О. Козловський. –Вінниця: ВДТУ, 2002. – 66 с.
22. Навакатікян О.О., Кальншин В.В., Стрюков С.М. Охорона працікористувачів комп’ютерних відеодисплейних терміналів. – К., 1997. – 400 с.
23. Основи розробки питань цивільної оборони в дипломних проектах:Навчальний посібник / В.Ф. Сакевич. – Вінниця: ВДТУ, 2001. – 108 с..
24.Атаманюк В.Г., Ширшев Л.Г., Акимов Н.И… Гражданская оборона. — М.: Высшаяшкола, 1986. – 207 с.
ДОДАТКИ
Додаток А
(обов’язковий)
Вінницькийдержавний технічний університет
ЗАТВЕРДЖУЮ
Зав. кафедри МПА ВДТУ,
д. т. н., професор
___________В.О.Поджаренко
"___" ____________ 2002 р.ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
надипломне проектування
КОМП’ЮТЕРИЗОВАНАВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН З ГАЗОМАГНІТНИМ ПІДВІСОМ
08 –03. ДП. 003. 00. 000 ТЗ
Керівник проекту
к. т. н., доцент кафедри МПА ВДТУ
____________ П.І. Кулаков
Виконавець: ст. гр. 1АМ – 97
____________В.І. Козловський
ВінницяВДТУ 2002
1Підстава для проведення робіт
Підставою для виконаннядипломного проекту на тему: «Комп’ютеризована вимірювальна системапараметрів електричних машин з газомагнітним підвісом» є наказ ректора.
Термін виконанняробіт:
початок02. 04. 2002
кінець17. 06. 2002
2Мета та вихідні дані для проведення робіт
Метою роботи єрозробка апаратних засобів, алгоритмічного і програмного забезпеченнякомп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин згазомагнітним підвісом.
Вихідними даними для проведенняробіт є індивідуальне завдання на дипломний проект від 02. 04. 2002 р.
3 Етапи виконанняробіт
Виконавцем всіх перерахованихв даному розділі етапів є: студент групи 1АМ – 97 факультету автоматики такомп’ютерних систем управління Вінницького державного технічного університету,а замовником є кафедра метрології та промислової автоматики.
Таблиця А.1 –Етапи виконання робіт№ Етапу Зміст етапу Строки виконання Е1 Огляд відомих технічних рішень, техніко-економічне обґрунтування доцільності проекту. Вибір напрямку та задач проектування.
10. 01. 2002 –
10. 03. 2002 Е2 Розроблення узагальнених структурних схем, алгоритмів, обґрунтування вибору способу вимірювання параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом.
10. 03. 2002 –
30. 03. 2002 Е3 Розробка схеми електричної функціональної, оцінка метрологічних характеристик засобів вимірювань.
30. 03. 2002 –
20. 04. 2002 Е4 Розробка схеми електричної принципової, електричний розрахунок, розробка алгоритмічного та програмного забезпечення.
20. 04. 2002 –
05. 05. 2002 Е5 Пророблення питань економічної ефективності проекту та аналіз безпеки життєдіяльності. Пророблення питань цивільної оборони.
05. 05. 2002 –
30. 05. 2002
4 Призначення ігалузь застосування
Дана системаздійснює вимірювання середньої та миттєвої кутової швидкості обертання ротора,приведеного моменту інерції роторної системи, амплітуди крутильних коливань.Процесом вимірювання, обробки і передавання результатів управляє програмнезабезпечення персонального комп’ютера(ПК).
Системапризначена для використання в науково-дослідних лабораторіях а також для проведенняавтоматизованих випробувань безконтактних електричних машин при промисловомувиробництві та поточному контролі кутової швидкості, приведеного моментуінерції роторної системи і крутильних коливань.
Систему передбачаєтьсявикористовувати при температурі від плюс 10˚С до плюс 40˚С,максимальній вологості повітря 90 %.
5 Склад системи
Система складається із такихчастин:
— первиннийвимірювальний перетворювач
— пристрійаналого-цифрового перетворення та спряження з ПЕОМ через шину ЕІSA;
— персональний комп’ютер.
6 Технічні вимоги
6.1 Вимірювані параметри:середня кутова швидкість, миттєва кутова швидкість, приведений момент інерції,амплітуда крутильних коливань.
6.2 Введення даних в комп’ютер через шину EISA
6.3 Зведені похибки вимірювання:
— середнього значення кутової швидкості – 1%;
— миттєвого значення кутової швидкості – 5%;
— приведеного моменту інерції –10 %;
— амплітуди крутильних коливань – 7 %;
— нижня межа вимірювань середнього і миттєвого значення кутової швидкості– 10 рад/с;
— верхня межа вимірювань середнього і миттєвого значення кутовоїшвидкості – 6500 рад/с;
— нижня межа вимірювання приведеного моменту інерції – 10-3 Нм;
— верхня межа вимірювання приведеного моменту інерції – 10-2 Нм;
— нижня межа вимірювання амплітуди крутильних коливань – 10-5рад;
— верхня межа вимірювання амплітуди крутильних коливань – 2 10-4рад;
— відстань від первинного вимірювального перетворювача до комп’ютера – не більше 2 м.
7 Вимоги до надійності
7.1 Середній час безвідмовноїроботи – 10000 год.
7.2 Строк служби – 8 років.
8 Живлення системи
8.1 Система живиться від мережі– 220 В частотою 50 Гц.
8.2 Напруга живлення 220/> В
8.3 Частота промислової мережі50 /> 0.5 Гц/>
9 Умови експлуатації
9.1 Температура навколишньогосередовища від плюс 10˚С до плюс 40˚С.
9.2 Максимальна вологістьповітря 90 % при температурі плюс 30˚С.
9.3 Тиск повітря від 84 до 102кПа.
9.5 Агресивне середовище повиннобути відсутнім.
9.6 Вібрації (f = 25 Гц, амплітуда 0.1 )
10 Вимоги до конструкції
КВС має складатися з такихконструктивно закінчених блоків:
— первинний вимірювальнийперетворювач;
— АЦП і блок спряження;
— персональний комп’ютер.
11 Умови транспортування тазберігання
11.1 Транспортування системиповинно здійснюватись в тарі, яка забезпечує зберігання її технічниххарактеристик.
11.2 Умови транспортування:
11.2.1 Температура навколишньогосередовища від мінус 20˚С до плюс 40˚С.
11.2.2 Максимальна вологістьповітря 80 % при температурі плюс 30˚С.
11.3 Умови зберігання:
11.3.1 Температура зберіганнявід мінус 20˚С до плюс 40˚С.
11.3.2 Вологість повітря призберіганні 85 %, при температурі плюс 30˚С.
Додаток Б
(обов’язковий)
Фрагмент програмивимірювання та контролю моменту інерції
uses Crt;
Function Init_port: boolean;
Function Start_Measurements: boolean;
Function Strobe_Imp: boolean;
Function ACP(num_channel: byte; DelayVarComm: word):word;
ProcedureNextECGMode(SoundOn: boolean); Procedure ProgramRight(SoundOn: boolean);
ProcedureProgramLeft(SoundOn: boolean);
ProcedureSpeedgraph1Reset(SoundOn: boolean);
ProcedureSpeedgraph2Reset(SoundOn: boolean);
ProcedureSpeedgraph3Reset( SoundOn: boolean);
var NNN:byte;
implementation
functionInit_port: boolean; begin
port[$103]:=$92;
Init_port :=true; end; {Init_port}
functionStart_measurements: boolean; begin
Start_measurements:=false;
repeat
delay(10);
if keypressedthen if readkey=#27 then exit;
until(port[$101] and $08)=$08;
repeat
delay(10);
if keypressedthen if readkey=#27 then exit;
until(port[$101] and $08)=$00;
repeat
delay(5);
if keypressedthen if readkey=#27 then exit;
until(port[$101] and $08)=$08;
Start_measurements:= true; end; {Start_measurements}
functionStrobe_imp: boolean; begin
Strobe_imp :=false;
if (port[$101]and $08)=$00 then exit;
if (port[$101]and $08)=$08 then
repeat
delay(10);
until (port[$101] and $08 = $00 ) or KeyPressed;
Strobe_imp :=true; end; {Strobe_imp}
Procedure ProgramRight(SoundOn: boolean); begin
if SoundOnthen sound(3500);
port[$102] :=$11;
delay(30);
nosound;
port[$102] :=$01;
delay(30);
inc(NNN); end;{ProgramRight}
Procedure ProgramLeft(SoundOn: boolean); begin
if SoundOnthen sound(4500);
port[$102] :=$21;
delay(30);
nosound;
port[$102] :=$01;
delay(130);
if NNN > 0then dec(NNN); end; {ProgramLeft}
ProcedureNextECGMode( SoundOn: boolean );
begin
if SoundOnthen sound(6000);
port[$102] :=$11; {вкл}
delay(15);
nosound;
port[$102] :=$01; {выкл}
delay(500);
inc(NNN); ifNNN > 4 then NNN := NNN-5; end; {NextECGMode}
Procedure Speedgraph1Reset(SoundOn: boolean ); begin
if NNN 0 then
repeat
NextECGMode(SoundOn );
until NNN = 0;end;
Procedure Speedgraph2Reset(SoundOn: boolean); var i: byte; begin
for i := 1 to6 do ProgramLeft(SoundOn); end;
Procedure Speedgraph3Reset(SoundOn: boolean );
begin
if NNN 1 then
repeat
NextECGMode(SoundOn );
until NNN = 1;end; {Speedgraph3Reset}
function ACP(num_channel: byte; DelayVarComm: word): word; var my_word, i: word;
ErrCount:word;
masc: byte; begin{$IFNDEF FullRegime}
for ErrCount:=1 to DelayVarComm do;
ACP :=random(10 * num_channel ); exit; {$ENDIF}
ErrCount := 0;ACP := 512;
port[$102]:=$01or ( $07 shl 1 ); { снять пуск АЦП }
repeat
inc(ErrCount);
until (port[$101] and $04 = $04 ) or ( ErrCount > 1000 ) or KeyPressed;
if num_channel> 6 then begin
masc := $80;dec(num_channel,7);
end else beginmasc := 00; dec(num_channel,0); end;
port[$102]:=$01 or ( num_channel shl 1 ) or masc;
for ErrCount:=1 to DelayVarComm do;
port[$102]:=$00 or ( num_channel shl 1 ) or masc;
ErrCount := 0;
repeat
inc(ErrCount);
until (port[$101] and $04 = $00 ) or ( ErrCount > 1000 ) or KeyPressed;
ACP :=port[$100]+$100*(port[$101] and $03); end; {ACP}
(* functionACP(num_channel: byte; DelayVarComm: word): word; var my_word, i, ErrCount: word;
ACP0, ACP1:integer; begin
ErrCount := 0;ACP := 512;
if num_channel= 12 then num_channel := $07 else
if num_channel> 6 then begin
num_channel :=((num_channel — 6) shl 3) or $06;
end;
num_channel :=num_channel shl 2;
port[$102]:=$01or $07;
repeat
inc(ErrCount);
until (port[$101] and $04 = $04 ) or ( ErrCount > 1000 ) or KeyPressed;
port[$102]:=$01 or num_channel;
for ErrCount:=1 to DelayVarComm do;
port[$102]:=$00 or num_channel; ErrCount := 0;
repeat
inc(ErrCount);
until(port[$101]and$04=$00)or (ErrCount>1000)or KeyPressed;
ACP0 :=port[$100]+$100*(port[$101] and $03);
port[$102]:=$03or $07;
repeat
inc(ErrCount);
until ( port[$101]and $04 = $04 ) or ( ErrCount > 1000 ) or KeyPressed;
port[$102]:=$03 or num_channel;
for ErrCount:=1 to DelayVarComm do;
port[$102]:=$02 or num_channel;
ErrCount := 0;
repeat
inc(ErrCount);
until(port[$101]and $04=$00)or(ErrCount>1000)or KeyPressed;
ACP1 :=port[$100]+$100*(port[$101] and $03); { ACP := ((ACP0-ACP1+512) shr 1);
ACP :=1024-ACP1; end; } begin NNN := 0;
for Index := 1to NumDeriv do
begin
gotoxy(1,wherey); write(Index);
Location := 1;
for Term := 1to NumPoints-1 do
ifXDeriv[Index] > XData[Term] then Location := Term;
X :=XDeriv[Index] — XData[Location];
with Spline do{ Approximate first derivative }
YDeriv[Index]:=(3*D[Location]*X+2*C[Location])*X+B[Location];
end; end;
end.