ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – УЧЕБНОНАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ-КОМПЛЕКС» ФАКУЛЬТЕТ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА Кафедра «Мехатроника и международный инжиниринг» Александров Д.В. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Дисциплина: Прикладная теория автоматизированного электропривода Специальность: Мехатроника Форма обучения: Очная Орел 2011 г. Автор, ассистент, Александров Д.В. _____________ Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры «Мехатроника и международный инжиниринг». Протокол № 1 от «1» сентября 2011 г. Заведующий кафедрой «Мехатроника и международный инжиниринг» д-р техн. наук, профессор Л.А. Савин_____________ Рабочая программа согласована с заведующим выпускающей кафедрой «Мехатроника и международный инжиниринг» д-р техн. наук, профессор Л.А. Савин _____________ Рабочая программа утверждена на заседании УМС факультета новых технологий и автоматизации производства. Протокол №____ от «____» __________________20____г. Председатель УМС факультета новых технологий и автоматизации производства д-р техн. наук, профессор Пилипенко О.В. ______________ 2 Содержание Введение 4 1. Цели и задачи дисциплины 5 2. Требования к уровню освоения содержания дисциплин 6 3. Распределения трудоемкости дисциплины по видам учебной работы 7 4. Содержание дисциплины по темам и видам занятий 8 5. Содержание лекционного курса 9 6. Перечень практических занятий 18 7. Распределение самостоятельной работы студентов по формам работы 19 8. Учебно-методическое, материально-техническое обеспечение дисциплины 19 9. Рекомендуемая литература 20 3 Введение Развитие и совершенствование современных технологических и производственных процессов в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве и в других областях народного хозяйства характеризуются широким использованием средств автоматизации и комплексной механизации. Автоматизированный электропривод является энергетической основой технологических и производственных процессов, которые реализуются за счет механической энергии, тем самым, представляя собой важнейшее устройство систем автоматического управления ими. Многообразие и сложность выполняемых электрическим приводом функций, использование в его структурах новых, в первую очередь полупроводниковых элементов и устройств, постоянное увеличение числа и видов автоматизированных электроприводов требуют высокого уровня подготовки специалистов, занимающихся их проектированием, монтажом, наладкой и эксплуатацией. Они должны хорошо знать элементную базу автоматизированных электроприводов, понимать основные принципы построения и работу разомкнутых и замкнутых схем управления приводов. Таким образом, материал данной дисциплины базируется на знаниях, полученных при прохождении курсов «Теория автоматического управления», «Электротехника и электроника», «Основы мехатроники», «Микропроцессорная техника», «Технология автоматизированного машиностроения и приборостроения». Результаты изучения дисциплины используются при прохождении студентами следующих курсов: «Конструирование мехатронных модулей», «Проектирование мехатронных систем», «Моделирование и динамический анализ мехатронных систем», а также при прохождении соответствующих производственных практик. 4 1. Цели и задачи учебной дисциплин Целью изучения дисциплины является подготовка выпускников широкого профиля, способных самостоятельно и творчески решать задачи проектирования, исследования, наладки и эксплуатации современных автоматизированных электроприводов промышленных установок, что позволяет выпускнику успешно работать в избранной сфере деятельности, обладать универсальными компетенциями, и способствующими предметно-специализированными его социальной мобильности и устойчивости на рынке труда. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) Создать у студентов правильное представление о сущности происходящих в электрических приводах процессов преобразования энергии и о влиянии требований рабочих машин и технологий на выбор типа и структуры автоматизированного электропривода. 2) Научить студентов самостоятельно выполнять простейшие расчеты по анализу движения электроприводов, определению их основных параметров и характеристик, оценке энергетических показателей работы и выборе двигателя и системы автоматизированного управления. 3) Научить студентов самостоятельно проводить элементарные лабораторные исследования электрических приводов. 5 2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины Студент должен знать: состав электропривода как электромеханической системы; основные технико-экономические показатели автоматизированного электропривода; способы регулирования скорости, момента и тока в электроприводе и методы их технической реализации; основные системы автоматизированного электропривода и область их рационального применения; устройство типовых систем электропривода. Студент должен уметь: рассчитывать параметры и характеристики электроприводов; читать электрические принципиальные схемы управления типовых узлов систем электроприводов; производить аналитическое и экспериментальное их исследование; разрабатывать мероприятия направленные на обеспечение эффективной эксплуатации электропривода в производственных условиях; рассчитывать и выбирать основные элементы систем управления; уметь моделировать и проводить исследования работы системы электропривода на ЭВМ. Студент должен владеть: умениями и навыками работы с реальными системами управления в условиях лаборатории кафедры; самостоятельно делать обобщения и выводы. 6 3 Распределение трудоемкости дисциплины по видам учебной работы Таблица 1 Распределение часов учебного плана Вид учебной работы Всего часов № Общая трудоемкость дисциплины 72 1 Аудиторные занятия. Всего 38 1.1 Лекции (Л) 22 1.2 Практические занятия (ПЗ) 16 2 Индивидуальные занятия с преподавателями 2 3 Самостоятельная работа (СРС). Всего 32 3.1 Курсовой проект 27 3.2 Другие виды самостоятельной работы 5 (подготовка к ПЗ, изучение теоретического материала) Вид итогового контроля Экзамен 7 4 Содержание дисциплины по темам и видам занятий Таблица 2 Распределение нагрузки по темам и видам занятий № Разд Количество часов Тема раздела Всего Л ПЗ СРС 12 4 2 6 18 6 4 8 14 4 4 6 14 4 2 8 14 4 4 6 72 22 16 34 ела 1 Общие сведения об электроприводе. Принципы построения и элементная база. 2 Регулирование координат в электроприводе постоянного тока 3 Регулирование координат в электроприводе переменного тока 4 Системы автоматизированного управления электроприводов постоянного тока 5 Системы автоматизированного управления электроприводов переменного тока Всего часов 5 Содержание лекционного курса Таблица 3 Содержание лекционного курса 8 № № Кол-во Рекоменду Разде лекци ла и 1 1 Тема лекции, план лекций час. емая литература Введение. Основные понятия и определения. 2 Структурная схема электропривода. Основные элементы электропривода и их назначение. Электропривод как средство электрификации и автоматизации технологических процессов. Функции электропривода и требования к нему. Классификация электроприводов. Условные обозначения в электроприводе. Электрические схемы и правила их выполнения. Назначение и классификация автоматизированных систем управления электроприводов. 2 Механическая часть силового схемы, силы канала 2 электропривода. Кинематические типовых машин уравнения систем. и движения Режимы преобразования характеристики. и моменты механизмов. Основное электромеханических электромеханического энергии. Механические Статическая устойчивость электроприводов. 2 3 Понятие о регулировании координат регулирования скорости 2 электропривода. Показатели электроприводов. тока и момента Показатели регулирования двигателей. Показатели регулирования положения электроприводов. 9 4 Способы регулирования координат в 2 электроприводе постоянного тока. Реостатное регулирование скорости, тока и момента электропривода постоянного тока. Схема включения двигателя. Расчет реостата графическим методом. аналитическим методом. Расчет реостата Расчет выдержек времени. Построение переходных процессов пуска двигателя. Достоинства и недостатки системы. Регулирование координат двигателей постоянного тока в системе «генератор – двигатель». Схема включения Электромеханические характеристики Двухзонное и двигателя. механические двигателя в регулирование. системе. Варианты реверсирования и торможения двигателя в системе. Достоинства и недостатки системы. 5 Способы регулирования координат в 2 электроприводе постоянного тока. Регулирование координат электропривода постоянного тока в системе «управляемый выпрямитель – двигатель». Схема включения двигателя. Особенности электромеханических и механических системе. характеристик Варианты двигателя реверсирования в и торможения двигателя в системе. Управление реверсивными преобразователями: совместное и раздельное управление. Достоинства и 10 недостатки системы. Регулирование постоянного координат тока электропривода в системе «импульсный преобразователь – двигатель». Схема включения двигателя. Особенности электромеханических и механических системе. характеристик Варианты двигателя реверсирования в и торможения двигателя в системе. Управление импульсным преобразователем: симметричное и несимметричное. Достоинства и недостатки системы. Регулирование координат электропривода в системе «источник тока – двигатель». Схема включения двигателя. электромеханических Особенности и механических характеристик двигателя в системе. Варианты выполнения источников тока. Управление скоростью двигателя по средством нелинейной обратной связи по скорости. Достоинства и недостатки системы. 3 6 Способы регулирование координат в электроприводе переменного тока. 2 // Регулирование момента и тока АД путем введения добавочного сопротивления в цепь статора. Схема Особенности включения электромеханических механических характеристик системе. Расчет сопротивлений. двигателя. Достоинства двигателя и в дополнительных и недостатки 11 системы, область применения. Управление пуском АД при помощи электромагнитных муфт скольжения. Принцип действия электромагнитной муфты скольжения. Схема включения двигателя. Особенности и механических электромеханических характеристик двигателя в системе. Достоинства и недостатки системы, область применения. Регулирование скорости асинхронных двигателей изменением числа пар полюсов. Принцип изменения числа пар полюсов в двигателе. Основные схемы включения обмоток статора двигателя. электромеханических Особенности и механических характеристик двигателя в различных схемах включения. Достоинства и недостатки системы, область применения. Реостатное регулирование скорости, тока и момента асинхронных включения двигателей. Схема двигателя. Расчет реостата методом. Расчет реостата Расчет выдержек графическим аналитическим методом. времени. Построение переходных процессов пуска двигателя. Достоинства и недостатки системы, область применения. 7 Способы регулирование координат в 2 электроприводе переменного тока. Импульсное регулирование скорости, момента и 12 тока АД. Схема Особенности включения двигателя. электромеханических механических характеристик и двигателя в системе. Достоинства и недостатки системы, область применения. Регулирование координат асинхронного электропривода в системе «преобразователь напряжения – двигатель». Схема включения двигателя. Особенности электромеханических и механических системе. характеристик Варианты торможения двигателя реверсирования двигателя в в и системе. Квазичастотное регулирование. Регулирование напряжения по электроэнергии. минимуму потерь Достоинства и недостатки системы, область применения. Регулирование координат электропривода в системе «преобразователь частоты – двигатель». Схема включения двигателя. Особенности и механических электромеханических характеристик двигателя в системе при различных законах регулирования напряжения и частоты. Достоинства и недостатки системы, область применения. 4 8 Разомкнутые системы автоматизированного 2 управления (САУ) двигателями постоянного тока. Назначение автоматизированных и классификация систем управления 13 электроприводов. схемах Защиты, электроприводов. электроприводе. применяемые в Блокировки в Сигнализация электроприводе. в Релейно-контакторные системы управления двигателями постоянного тока. Принципы торможением двигателей контакторных двигателей управления системах постоянного пуском в релейно- управления. тока и в Пуск функции времени. Пуск двигателя постоянного тока в функции скорости. Динамическое торможение двигателей постоянного тока в функции времени. Динамическое торможение двигателей постоянного тока в функции скорости. Схема управления двигателем постоянного тока, реализующая пуск в функции скорости и торможение в функции времени. 9 Замкнутые системы автоматизированного 2 управления двигателями постоянного тока. Общие принципы построения замкнутых систем управления. Схемы электропривода с общим усилителем. подчиненным Схемы электропривода регулированием с координат. Технически оптимальный переходный процесс. Оптимизация динамических режимов электропривода по принципу подчиненного регулирования координат. Расчет регулятора тока. Расчет регулятора скорости. Техническая реализация систем подчиненного 14 регулирования: пропорциональные регуляторы (П-регуляторы), интегральные регуляторы (Ирегуляторы), пропорционально-интегральные регуляторы (ПИ-регуляторы), пропорционально-интегральнодифференциальные регуляторы (ПИД- регуляторы). 5 10 Разомкнутые системы автоматизированного управления (САУ) двигателями переменного тока. Принципы управления пуском и торможением 2 двигателей в релейно-контакторных системах управления. Схема управления двухскоростным асинхронным двигателем. Пуск асинхронного двигателя в функции времени. Динамическое торможение асинхронных функции двигателей времени. в Торможение противовключением асинхронных двигателей в функции скорости. Реверсивная схема управления асинхронным двигателем с фазным ротором. Пуск синхронных двигателей. Управление моментом подачи возбуждения при контроле скорости и тока. Узлы схем управления синхронизацией синхронных двигателей при пуске. Схема управления пуском синхронного двигателя. 11 Дискретные системы управления 2 электроприводов. 15 Математические дискретных основы построения систем управления электроприводов. Алгебра логики. Логические функции. Принцип работы цифровых микросхем. Технологии цифровых микросхем (ТТЛ, КМОП). Синтез управляющих логических устройств на основе анализа релейно- контактных схем. Синтез дискретной системы управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Синтез дискретной системы управления пуском асинхронного двигателя в функции времени. Техническая реализация дискретных систем управления на элементах жесткой логики: входные элементы, воспринимающие аппаратов входные воздействия от датчиков и управления, преобразующие их с помощью согласующих элементов в сигналы, воспринимаемые как 0 и 1; логические элементы, преобразующие в соответствии с заданной программой работы входные сигналы в выходные сигналы двух значений, также воспринимаемые как 0 и 1; усилители, повышающие мощность выходных сигналов; Исполнительные воспринимающие выполняющие предназначено выходные функции, устройство элементы, сигналы для и которых (контакторы, электромагниты, сигнальные лампы и т. п.). Техническая реализация дискретных систем 16 управления на элементах программируемые центральный датчиками, адаптеры гибкой контроллеры процессор; ввода-вывода; (ПЛК); интерфейс исполнительными логики: между устройствами, память программ; память данных; циклы выполнения программы; программирование ПЛК. Всего часов 22 6 Перечень практических занятий Таблица 4 Рабочий план практических занятий и СРС Название практического Кол-во Номер Номер и стр. часов на методичес основной и (или) 17 занятия (ПЗ) одно ПЗ кой дополнительной литератур литературы ы Ауд. 1. Механика СРС 2 электропривода 2. Электромеханические 2 свойства двигателей независимого возбуждения (ДНВ) 3. Исследование 2 регулировочных характеристик двигателя постоянного тока в системе с широтноимпульсным преобразователем напряжения. 4. Электромеханические 2 свойства асинхронных двигателей (АД) 5. Переходные процессы в 2 системах электропривода Всего часов 16 18 7 Распределение самостоятельной работы студентов по формам работы Таблица 5 № Вид самостоятельной п/п работы 1 Подготовка к лекциям 2 Подготовка к практическим Неделя Кол-во Рекомендуемая часов литература занятиям 3 Изучение теоретического материала 4 Выполнение курсового проекта 27 8 Учебно-методическое, материально-техническое обеспечение 1. Программное обеспечение для проведения виртуальных лабораторных работ и проведения расчетов в среде Matlab. 9 Рекомендуемая литература Основная литература 1. Филиппов Б.А., Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: МЭИ, 1977. 2. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1992. 3. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 19 4. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1989. 5. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 6. Белов, М. П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. М.: Академия, 2004. 7. В.И. Ключев. Теория электропривода. М.: Энергоиздат, 1998. 8. В.В. Москаленко. Системы автоматизированного управления электропривода. М.: ИНФРА-М, 2004. – 208 с. Дополнительная литература 1. В.В. Москаленко. Электрический привод - М.: Мастерство, 2000. 2. Электротехнический справочник. Т 4. Использование электрической энергии/ Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. – М.: Издво МЭИ, 2002. – 696 с. 3. Справочник по автоматизированному электроприводу/Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. – М.: Энергоатомиздат, 1983. 4. Чернов Е.А. Электропривод и электрооборудование в автоматизированном производстве. Учебник для техникумов. – М.: Машиностроение, 1992. 20