Савельев А.В. Проектирование электромеханических аппаратов автоматики с применением ЭВМ
Подождите немного. Документ загружается.
1.3. Этапы разработки ЭМАА
Процесс разработки ЭМАА можно разделить на 8 основных
этапов [7].
1. Разработка, согласование и утверждение технического
задания (ТЗ) (см. пример ТЗ в приложении 1)
на проектируемый
аппарат.
2. Выявление основных и дополнительных требований к
ЭМАА, формирование набора исходных данных.
3. Эскизная компоновка проектируемого аппарата.
4. Расчет размеров магнитопровода, механических и тяговых
характеристик, параметров обмотки, теплового режима
проектируемого аппарата.
5. Конструирование и выпуск технической документации.
Также возможны макетирование и испытания.
6. Изготовление опытных образцов ЭМАА и их проверка на
соответствие исходным требованиям.
7. Передача скорректированной технической документации в
промышленное производство.
8. Промышленное производство ЭМАА при авторском
надзоре и технической помощи разработчика.
1.4. Применение ЭВМ при проектировании
Традиционное проектирование во многом базировалось на
эмпирических правилах и методах, анализе прототипов.
Современное проектирование опирается на рациональный анализ
явлений в проектируемом устройстве и обновление методов
проектирования за счет применения ЭВМ. Для реализации такого
подхода применяют системы автоматизированного проектирования
(САПР), использующие современные математические методы,
средства вычислительной техники и связи, а также организационные
принципы проектирования для получения наиболее эффективных
проектных решений.
Применение САПР дает краткосрочный и долгосрочный
эффекты. Первый - за счет роста производительности труда в
исследовательских лабораториях, сокращения сроков разработки.
Второй - за счет сокращения цикла идея-реализация-прототип-
внедрение с помощью вычислительного эксперимента (вместо
натурного). Мировая практика подтверждает, что использование
методов САПР при проектировании электромагнитной части
электрической аппаратуры приводит к росту конкурентоспособности
изделий как с точки зрения стоимости и сроков разработки, так и
качества [12].
10
В САПР человек и машина объединяются для решения задачи
проектирования. Для достижения этой цели необходимо:
- взаимодействие инженера и ЭВМ в диалоговом режиме,
позволяющее вносить коррекции;
- использование базы данных для размещения и модификации
технических данных;
- наличие перефирийных графических устройств.
САПР позволяет на основе анализа выбрать наиболее
рациональные соотношения размеров и параметров проектируемого
объекта с учетом технологии изготовления, в то время как при
неавтоматизированном проектировании его результаты во многом
зависят от инженерной подготовки разработчиков, их опыта,
профессиональной интуиции.
Следует отметить, что применение ЭВМ ни в коей мере не
может заменить интуицию и умение обобщать, хотя новые методы
программирования, используемые в области искусственного
интеллекта при создании экспертных систем, воспроизводят
интеллектуальную деятельность проектировщика. Такие системы
могут взять на себя часть утомительных комбинационных решений,
оставив проектировщику возможность принятия окончательных
решений.
Основой САПР является моделирование проектируемых
объектов. Моделирование ЭМАА осуществляется на базе таких
теоретических дисциплин как :
- электромагнетизм;
- термодинамика;
- механика.
1.5. Система программирования QuickBASIC
Созданная фирмой Microsoft система программирования
QuickBASIC и продолжения этой линии занимают достаточно
прочные позиции в качестве средств разработки серьезных
прикладных систем.
Первые версии QuickBASIC появились в 1985 г., а c 1988 г.
большой популярностью пользуется QuickBASIC 4.5 [13].
Современное семейство Microsoft BASIC наряду с QuickBASIC 4.5
включает также Microsoft BASIC Professional Development System
7.1, Visual BASIC for Windows и др. В версии операционной системы
MS DOS 5.x и 6.x фирма Microsoft под названием QBASIC включила
урезанную (без компилятора) версию QuickBASIC.
11
Центральный компонент системы QuickBASIC -
интеллектуальный редактор, который проверяет синтаксис каждой
строки в процессе ее написания и оказывает активную помощь
пользователю. Редактор может исправлять некоторые ошибки,
например, вставляет пропущенный апостроф в конце оператора
PRINT.
Наряду с интеллектуальным редактором основу системы
составляет также интерпретатор компилирующего типа, который
перед выполнением программы производит ее предварительную
компиляцию и компоновку в специальный псевдокод.
Кроме того, пользователь системы QuickBASIC может создать
с помощью настоящего компилятора и компоновщика программ
исполняемый ЕХЕ-модуль.
Достоинством QuickBASIC является также многомодульность,
то есть возможность разделения программ на самостоятельные части
(расчетные, построения изображений и др.).
В приложении 2 (П2.1) приведен программный модуль с
именем “ris_msem.bas” для получения графического изображения
магнитной системы на дисплее, а на рис. 1.7. показан результат
выполнения этого модуля в среде QBASIC. Изображение на рисунке
реверсировано по сравнению с изображением на дисплее.
12
1.6. Основные типы расчетов при проектировании ЭМАА
В зависимости от конечной цели проектирования различают
два основных типа проектных расчетов ЭМАА [4,7]:
В проектном расчете 1 - го типа по величине перемещения
подвижных частей, а также по заданному усилию, тепловому режиму
рассчитывают обеспечивающие выполнение технического задания
при минимальных габаритных размерах параметры магнитной и
механической систем и обмоточные данные катушки.
В проектном расчете 2 - го типа по заданным габаритным
размерам, а также по величине перемещения подвижных частей,
тепловому режиму рассчитывают обеспечивающие выполнение
технического задания при минимальном тяговом усилии и т.д.
параметры магнитной и механической систем и обмоточные данные
катушки.
Расчет, в ходе которого по известным размерам магнитной и
механической систем и катушки определяют потребляемую
мощность, сигнал срабатывания, тепловой режим, называют
проверочным расчетом.
При проектировании ЭМАА с применением ЭВМ характерно
сочетание проектных и проверочных расчетов. При этом данные,
получаемые в проектном расчете являются исходными для
проверочного, а результаты проверочного расчета используются для
проведения коррекции исходных данных.
13
2. PАСЧЕТЫ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
2.1. Алгоритм проектного расчета электромагнита
После разработки и утверждения технического задания,
выявления основных и дополнительных требований к ЭМАА
формируется набор исходных данных.
Основными исходными данными при проектировании
электромагнита являются:
P
э,н
- начальное тяговое усилие;
н
- начальный зазор.
На начальном этапе проектного расчета электромагнита можно
использовать зависимости магнитной индукции в рабочем зазоре B
от конструктивного показателя (фактора) [2-4]
к
P
н
П
э н,
. (2.1)
На основе зависимостей B
от П
к
(приложение 3 (рис. П3.1,
П3.3, П3.5, П3.6)) определяют основные размеры магнитной системы
(сечение сердечника, диаметр и длину магнитопровода и др. ).
Используя формулу Максвелла для электромагнитной силы
находят площадь сечения сердечника
S
B
э н
,
2 P
0
2
, (2.2)
где
o
= 4
Гн/м - магнитная постоянная.
Затем определяют магнитное напряжение в рабочем зазоре
м
U
B
н
o
(2.3)
и находят в первом приближении МДС обмотки, достаточную для
удержания якоря электромагнита в рабочем положении, т.е.
F=(1,3 - 2)U
м
. (2.4)
14
После этого на основе зависимостей отношения длины
обмотки l
о
к ее толщине h
о
от конструктивного показателя П
к
,
(приложение 3 (рис. П3.2, П3.4)), выбирают в первом приближении
размеры обмотки и переходят к проверочному расчету магнитной
системы.
При проверочном расчете электромагнита можно использовать
метод коэффициентов рассеяния, метод участков и др.
После получения тяговой и механической характеристик, т.е.
зависимостей электромагнитной силы P
э
от зазора
при МДС
срабатывания F
сраб
и механической силы P
мх
от зазора
(рис. 2.1),
проводят проверку соблюдения условий их согласования:
1.
э м
P P
х
при
н
.
2.
э мх
dP
d
dP
d
при
н
.
P
э
(
) при F
сраб
P
мх
(
)
P
P
мх.н
P
мх.к
к
н
Рис. 2.1. Тяговая P
э
(
)
и противодействующая P
мх
(
)
характеристики электромагнита
Далее определяют обмоточные данные и проводят тепловой
расчет. В случае необходимости проводят коррекцию размеров и
параметров обмотки и повторяют проверочный расчет до тех пор,
пока не будут выполнены требования технического задания (такой
подход целесообразен при применении ЭВМ). После этого переходят
к этапу конструирования.
15
На рис. 2.2 приведена структура алгоритма проектного расчета
электромагнита
Температура
удовлетворяет ТЗ?
Составление и утверждение
технического задания.
Формирование исходных данных
Определение конструктивного
показателя.
Выбор типа электромагнита
Конструирование
Предварительный расчет магнитной
системы. Определение в первом
приближении МДС срабатывания
Проверочный расчет магнитной
системы. Уточнение МДС
срабатывания
Коррекция размеров
Расчет
обмоточных данных
Характеристики
согласованы?
Тепловой
расчет
нет
да
да
нет
Рис. 2.2. Структура алгоритма проектного
расчета электромагнита
16
2.2.Расчет магнитной системы по коэффициентам
рассеяния
Расчет по коэффициентам рассеяния относится к проверочным
расчетам. Но применение ЭВМ позволяет, используя проверочный
расчет, перейти к синтезу, т.е. использовать результаты проверочно-
го расчета в проектном.
Рассмотрим получение основных расчетных соотношений для
показанной на рис. 2.3 магнитной системы на основе
дифференциального уравнения магнитной цепи для магнитного
потока
2
2
0
d
dx
r f
d d
. (2.5)
Здесь r - удельное магнитное сопротивление магнитопровода,
d
-
удельная магнитная проводимость рассеяния, f -удельная МДС.
Рис. 2.3. К расчету магнитной системы электромагнита
методом коэффициентов рассеяния
l
x
x
U
мx
x
U
м
x
U
м
0
l
17
Решение уравнения (2.5) при r = 0 имеет вид
2
2
1 0
С x C x C
. (2.6)
Коэффициенты C
0
, C
1
, C
2
находят из граничных условий:
при x = 0 U
м
= U
м
, Ф = Ф
;
при x = l U
м
= 0.
Дополнительное уравнение получают после
дифференцирования (2.6) и использования закона Ома для участка dx
магнитной цепи, т.е.
d
dx
U
C x C
d
м
2 1
2
. (2.7)
Из уравнения (2.6) при x = 0
0
С
. (2.8)
Из уравнения (2.7) при x = 0
1
C U
м
d
. (2.9)
Из уравнения (2.7) при x = l
2 1
2C l C
. (2.10)
Тогда
2
2
C
U
l
м
d
. (2.11)
С учетом найденных значений коэффициентов C
0
, C
1
, C
2
формула для магнитного потока в сердечнике приобретает вид
l
x
xU
dм
2
2
. (2.12)
Коэффициентом рассеяния по потоку называют отношение
потока в сечении с координатой x к потоку в рабочем зазоре, т.е.
18
x
x
,
. (2.13)
Для магнитной системы на рис. 2.3 с учетом того, что
суммарная магнитная проводимость рабочего зазора
U
м
, (2.14)
формула для коэффициента рассеяния электромагнита приобретает
вид
l
x
x
d
x
2
1
2
,
. (2.15)
Пути нахождения суммарной магнитной проводимости
рабочего зазора электромагнита
и удельной магнитной
проводимости рассеяния электромагнита даны в приложении 3 (табл.
П3.2 и П3.3).
Для магнитной системы герконового реле с симметричным
замыкающим герконом (рис. 2.4) дифференциальное уравнение
магнитной цепи для магнитного потока Ф в сердечнике без учета
магнитных сопротивлений контактных сердечников имеет вид
kf
dx
d
2
2
, (2.16)
где
- удельная магнитная проводимость на пути потока, огибаю-
щего или пронизывающего обмотку с внешней стороны, f -удельная
МДС , k - коэффициент, зависящий от координаты x, отсчитываемой
от центра магнитной системы, причем в пределах обмотки, если 0< x
<l
o
/2, то k = 2, а вне обмотки, если l
o
/2< x <l
Г
/2, то k = 0 (здесь l
o
-
длина обмотки, l
Г
- длина геркона).
Решение уравнения (2.16) можно представить в следующем
виде
19