Разработка испытательного стенда для силовой системы линейного электрического привода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Martyshin Andrey Vladimirovich, candidate of technical sciences, leading analyst, ishinadr@,yandex. ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,

Polubekhin Aleksandr Ivanovich, candidate of technical sciences, head of Innovation Technology Center, polub 1980 a mail.ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,

Savostyanov Vladimir Yurievich, candidate of technical sciences, leading analyst, v-savostyanovayandex.ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,

Samarin Oleg Fedorovich, candidate of technical sciences, leading analyst, nio6.fazatronayandex. ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,

Yurin Aleksandr Dmitrievich, candidate of technical sciences, leading analyst, yu-rin. mailayandex. ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,

Khomiakov Kirill Aleksandrovich, leading engineer, rts a cdhae.ru, Russia, Tula, JSC CDBAE

УДК 62.001.4; 62-501.72

РАЗРАБОТКА ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ СИЛОВОЙ СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

А.К. Ломакин

Рассматривается задача проектирования физической модели для лаборатор-но-стендовых испытаний силовой системы электрического привода с поступательным движением выходного вала, выполненной на базе трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока.

Ключевые слова: силовая система, подобие, физическая модель, стенд.

Современные тенденции в развитии техники требуют системного подхода ко всему циклу создания изделия - от его замысла и составления задания на разработку до отладки серийного образца и его промышленной эксплуатации. Поэтому при испытании технических систем желательно воспроизводить эксплуатационные и аварийные режимы работы в установках, оснащенных информационными системами сбора и обработки данных.

Наибольшей достоверностью обладают результаты натурных испытаний, но возможности их проведения и получения необходимого объема информации весьма ограничены. Однако проведение таких испытаний для объектов, функционирующих в составе сложных систем, требует полной готовности не только объекта испытания (ОИ), но и всех взаимодействующих с ним в технологическом процессе подсистем и устройств. Поэтому натурные испытания, как правило, не могут быть организованы при разра-

326

ботке и в процессе изготовления многих технических систем, в частности, из-за того, что нередко требуется проведение экспериментов, сопряженных с опасностью возникновения аварийных режимов.

В период разработки технических систем возможны:

- математическое моделирование, проводимое с использованием

ЭВМ;

- физическое моделирование, которое заключается в исследовании системы той же физической природы, что и исследуемый оригинал, а также испытания с применением натурных узлов (агрегатов, подсистем) испытываемой системы-оригинала.

Рис. 1. Схема расположения основнъгх точек привода: точка О - ось вращения; точка А - центр масс; точка В - точка соединения привода и нагрузки; точка С - точка соединения привода с основанием

Стремление сочетать достоинства натурных и модельных испытаний и одновременно избавиться от присущих им недостатков привело к созданию комплексных испытательных стендов, которые содержат ОИ в виде натурных узлов исследуемой системы, а взаимодействующие с ним агрегаты и внешняя среда замещаются имитаторами, либо моделями [1 - 3].

Рассмотрим задачу проектирования физической модели для лабора-торно-стендовых испытаний силовой системы линейного электрического привода.

Для вычисления параметров физической модели силовой подсистемы привода воспользуемся её математической моделью следующего вида:

М ( ) = 3

& 2а

н о

2

+

М

с.т

• зщп

к & J

+М

нр

соб а

(а)+Мх

аэро

Б1п а

(а)

где М (г)

статический момент сопротивления нагрузки, Мнр - статический момент

управляющий момент, 3н - момент инерции нагрузки, Мст

неуравновешенности нагрузки,

М

аэро

аэродинамический момент нагруз-

ки, а - угол поворота качающейся части.

327

Произведём замену переменных по зависимостям:

г = 7§ • I, а = А§ • а

где т8, А§ - постоянные величины той же размерности, что и I, а; I, а - безразмерные величины.

После замены переменных получим уравнение:

J

Ag d a

" Tg 2 dt2

— = M (Tg-1)-M ^

• sign

r Ag da^

Tg

dt

M

нр

соб

(Ag - a)- M аЭр0 • sin (Ag - a)

Поделив каждое уравнение на один из имеющихся в нём коэффициентов при безразмерной величине, получим:

2_

d a

dt2

Tg2

J н -As

M (Tg-1 )-| M^

• sign

^Ag da4

Выделим все обобщённые параметры:

dt

-Mнр ■ cos(Ag-a)-M(

аэро

Б1П

(Ag-a)

Al

V • M (Tg-1" ) ; A: —^

Jн -A

8

2

T

A4 = -T—- Mаэро ; A5 Jн A

Jн - A8

Ag

с.т

A3 =

Tg

Jн ■ Ag

- M

нр

; a =as ; a7 = tg

g

^ Т8

Выберем базисные величины следующим образом: Тз = 1, Аз = 1, тогда:

• A2 = M^ . A3 J ' 2 J ' 3

L/ 1J О и

M

нр

J н

• A4

M

аэро

н

Л5 = 1; Аб = 1; А7 = 1. Таким образом, получаем критерии подобия:

J н

s

1

M (t)

;s 2

M

с.т

M

; s3

нр

M

; s 4

аэро

Jн J н J н J н

Из этого следует, что для физического моделирования силовой подсистемы привода при неизменных масштабах по времени и углу необходимо, чтобы выполнялось следующее соотношение параметров реальной системы и физической модели:

M \t)_ M с т _ M 'нр _ M а

аэро

jjI

j н

а

м"(г) м"ст м№Нр м"аЭр0

где м '(/^ м 'с.т, м нр, м аэро, ^ н - параметры оригинала, м"(г^мс.т,мнр,маэро, н - параметры физической модели.

Из полученных уравнений видно, что мощность, потребляемая объектом управления, прямо пропорциональна суммарному моменту нагрузки. Учитывая это, получаем, что для имитации нагрузки реальной системы,

328

2

2

1

но с приводом меньшей мощности, необходимо чтобы статические и динамические моменты нагрузки были масштабированы с тем же коэффициентом, что и потребляемая мощность.

К рассматриваемой системе предъявляются повышенные требования к точности и надежности, поэтому в качестве исполнительного двигателя в системе используется пакет бесконтактных двигателей типа ДБМ, которые обладают следующими достоинствами:

- широкий диапазон изменения частоты вращения;

- возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде;

- большая перегрузочная способность по моменту;

- высокие энергетические показатели (КПД выше 90 %);

- большой срок службы и высокая надёжность за счёт отсутствия щеточно-коллекторного узла;

При всех своих достоинствах, бесконтактные двигатели постоянного тока являются довольно дорогими, поэтому рассмотрим возможность замены двигателя серии ДБМ в испытательном стенде на асинхронный трехфазный двигатель.

Математическая модель трехфазного двигателя серии ДБМ представляет собой систему дифференциальных уравнений:

ЪУаРа'О)

и,

э*

иь - ¡ЬЯ

ис — 1СК

с12в

ПР Л2

дУьОЬ'в) ,

э*

ЪУс0с>в) '

э*

М„ =маоа,в)+мьоь,в)+мсос,в)

где иа, иь, ис ,1а, 1ъ, у а, уь, У с - мгновенные значения напряжение, тока и потокосцепления фаз А, В, С; Я. - сопротивление фазы; Ма, Мь, Мс - электромагнитный момент фаз А, В, С; Мн - момент нагрузки; ЛР - приведенный момент инерции нагрузки; в - мгновенное значение угла поворота ротора; t - время.

Приведенную модель можно заменить эквивалентной линеаризованной моделью коллекторного двигателя постоянного тока [4]:

г <а5

и5 = ¿5 + Т5 • — + Сей),

(И

М = Ст • ¿5,

I

пр

т

^ = м-мн. дх

В свою очередь, при построении линеаризованной модели асинхронного трехфазного двигателя (АТД) с короткозамкнутым ротором с векторным управлением, учитывая, что управление производится во вращающейся системе координат с вещественной осью х и мнимой осью у, ориентированной по вектору потокосцепления ротора компенсируя перекрестные связи, при условии поддержания модуля потокосцепления |уя| постоянным, можно получить уравнения АТД, аналогичные уравнениям двигателя постоянного тока:

Убт - рык,- | у И |.

=

ВД + ЗД

3

м = -кгр | ук 118у;

ы =

3

(м - мс).

кг =

пр

Ь

т

и

к1 = г8 + к,. • гг

где - напряжение статора; - ток статора; р - число пар полюсов; мС - момент сопротивления; М - развиваемый момент; Ьт, Ьг -взаимоиндуктивность обмоток и индуктивность ротора; гг, г3 - сопротивления ротора и статора.

Учитывая вышеизложенное, можно заменить в испытательном стенде двигатель серии ДБМ на АТД с короткозамкнутым ротором.

На рис. 2 приведена кинематическая схема испытательного

стенда.

исследуемы^ привод

Рис. 2. Кинематическая схема испытательного стенда: Д - двигатель, ДУ - датчик угла, ШВП - шариковинтовая передача

330

3 2 1

Рис. 3. Эскиз нагрузочного стенда: 1 - нагружающий привод; 2 - редуктор нагружающего привода;

3 - статические грузы; 4 - шарико-винтовая передача;

5 - датчик угла (СКВТ); 6 - исследуемый привод;

7 - блок управления нагружающим приводом; 8 - блок управления исследуемым приводом; 9 - направляющая

Эскиз стенда, реализующего кинематическую схему на рис. 3, изображён на рис. 2. Исполнительный двигатель 6 через колёсную пару передаёт момент на винт шарико-винтовой передачи (ШВП) 4. В результате гайка ШВП совершает поступательные движения, а направляющая 9 вращается относительно оси. Постоянные момент инерции и момент нагрузки создаются за счёт грузов 3. Динамические нагрузки формируются с помощью нагружающего привода 1, выходной вал которого соединён через редуктор 2 с осью вращения направляющей.

Список литературы

1. Веников В. А. Теория подобия и моделирование применительно к задачам электроэнергетики. М.: Высшая школа, 1966. 488 с.

2. Власов-Власюк О.Б. Экспериментальные методы в автоматике. М.: Машиностроение, 1969. 412 с.

3. Кочубиевский И.Д., Стражмейстер В.А. Динамическое моделирование нагрузок при испытаниях автоматических систем. М.: Энергия, 1965. 144 с.

4. Макаров Н.Н. Мехатронный модуль на базе бесконтактного двигателя постоянного тока. // Н.Н. Макаров, С.А. Голополосов // Известия тульского государственного университета. Технические науки, 2011. Вып. 5. Ч. 1. С.30 - 35.

Ломакин Алексей Константинович, ассистент, hostel209@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DESIGNING OF TEST STAND FOR PO WER SYSTEM OF LINEAR ACTUA TOR

A.K. Lomakin

The article is devoted to the problem of designing a physical model for laboratory testing ofpower system of drive with a reciprocating movement of the output shaft based on three-phase brushless motor.

Key words: power system, similarity, physical model, stand.

Lomakin Alexey Konstantinovich, assistant at the Department of Automatic Control Systems, hostel209@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.396

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖПАСПОРТИЗАЦИОННОГО ИНТЕРВАЛА ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА

Ю.И. Мамон, М.Ю. Фомичёв

Введено понятие комбинированной и комплексной паспортизации лазерного дальномера, а также выбран критерий для поиска оптимального межпаспортизаци-онного интервала (МПИ) допустимых погрешностей измерений.

Ключевые слова: лазерный дальномер, паспортизация.

В ходе эксплуатации лазерного дальномера (ЛД) изменяются его характеристики, в том числе и погрешности. В какой-то момент времени погрешности могут превысить свои паспортные значения и тогда средство становится метрологически неисправным и непригодным к измерениям.

332