CEEX 2013 CERERE DE FINANŢARE PENTRU PROIECTE DE EXCELENŢĂ PENTRU TINERI CERCETĂTORI 1. Date personale ale directorului de proiect 1.1 Nume Secrieriu 1.2 Prenume Cătălin 1.3 An naştere 1.4 Titlu didactic sau ştiinţific Inginer 2. Locul de muncă 2.1 Codul instituţiei: 55 2.2 Denumirea instituţiei: Universitatea “Vasile Alecsandri” din Bacău 2.3 Facultate/departament: Energetică industrială 2.4 Adresa: Calea Mărăşeşti 157, 60115, Bacău, România 2.5 Telefon: +40 0234 580 170 2.6 E-mail: [email protected]3. Titlul proiectului Comanda PWM a unui motor de curent continuu cu microcontroller-ul PIC18F1320 4. Termeni cheie 1 Electronica 2 Punte H 3 Software 4 Tensiune 5 Tranzistor 5. Încadrarea proiectului în domeniile de specialitate Cod domeniu Cod subdomeniu Expert 1 2B 49 Expert 2 2C 51 1
Transcript
CEEX 2013CERERE DE FINANŢARE PENTRU PROIECTE DE EXCELENŢĂ PENTRU
TINERI CERCETĂTORI
1. Date personale ale directorului de proiect1.1 Nume Secrieriu1.2 Prenume Cătălin1.3 An naştere1.4 Titlu didactic sau ştiinţific Inginer
2. Locul de muncă2.1 Codul instituţiei: 552.2 Denumirea instituţiei: Universitatea “Vasile Alecsandri” din Bacău2.3 Facultate/departament: Energetică industrială2.4 Adresa: Calea Mărăşeşti 157, 60115, Bacău, România2.5 Telefon: +40 0234 580 1702.6 E-mail: [email protected]
3. Titlul proiectuluiComanda PWM a unui motor de curent continuu cu microcontroller-ul PIC18F1320
5. Încadrarea proiectului în domeniile de specialitateCod domeniu Cod subdomeniu
Expert 1 2B 49Expert 2 2C 51
6. Rezumatul proiectuluiPrin lucrarea de faţă se efectuează un studiu teoretic şi experimental privind modul de control şi diagnosticare a sistemelor de acţionare a motoarelor de curent continuu folosind un microcontroller specializat pentru acest lucru care generează impulsuri de frecvenţă constantă modulate în durată (PWM), cu care se comandă un chopper în punte H. În lucrare se face o analiză a caracteristicilor de reglare a vitezei servomotorului de curent continuu cu magneţi permanenţi şi, în general, a modurilor de control a vitezei motoarelor de curent continuu, utilizând dispozitive electronice specifice tehnicii moderne.Partea practică a lucrarii constă în proiectarea şi realizarea unui stand experimental cu posibilitatea supravegherii şi controlului de pe calculator a parametrilor electrici ce intervin.
1
7. Calitatea ştiinţifică a proiectului7.1 Importanţa şi relevanţa conţinutului ştiinţificAceastă temă de cercetare a fost aleasă datorită importanţei ce o prezintă motorul electric de c.c. cu magneţi permanenţi, constituind până în prezent elementul de acţionare cel mai performant pentru sistemele de acţionare electrică cu viteză reglabilă, datorită caracteristicilor sale de reglaj şi simplitaţii echipamentelor de comandă în comparaţie cu cele ale motoarelor de curent alternativ.Astfel sistemele de acţionare având convertoare statice cu modulare PWM comandate de microcontrolere, cunosc în ultima perioadă o ieftinire considerabilă pe piaţă, lucru ce permite implementarea acesora în numeroase aplicaţii industriale şi în domeniul aparaturii electrocasnice;Prin utilizarea pe partea de forţă a sistemelor de acţionare electrică a tranzistorilor de putere de tip IGBT sau MOSFET, se pot comanda puteri foarte mari, chiar şi de ordinul sutelor de kilowaţi, la frecvenţe de comutaţie ridicate (zeci de kiloherţi), oferind siguranţa crescută în exploatare De asemenea, acest lucru face posibilă implementarea unui soft specializat care să permită controlul şi diagnoza sistemului de acţionare de pe calculator fapt ce duce la o reducere considerabilă a personalului de exploatare a proceselor, în comparaţie cu sistemele clasice.
7.2 Metodologia cercetării7.2.1 Scopul lucrăriiÎn cadrul acestei lucrări a avut loc proiectarea şi realizarea unui stand experimental utilizat pentru comanda reglării motoarelor electrice de curent continuu ce dispune şi de posibilitatea supravegherii şi controlului de pe calculator a parametrilor electrici ce intervin.
7.2.2 Obiectivele propuse în cadrul cercetării Studiul documentaţiei tehnice cu privire la problemele specifice tipurilor de asamblări
utilizate în construcţia de maşini. Realizarea şi încercarea practică la solicitări a celor patru ansambluri de îmbinări sudate. Modelarea asistată de calculator a îmbinărilor întocmai cu modelele realizate fizic
(respectând cotele date iniţial) folosind aplicaţia SolidEdge V20. Iniţierea unei analize numerice prin metoda elementului finit folosind aplicaţia
FEMAP v.10.11. Compararea setului de rezultate obţinute în urma experimentului practic, cu setul de
rezultate obţinut în urma analizei numerice asistate de calculator. Precizarea unor asemănări şi diferenţe între seturile de rezultate şi formularea unor concluzii.
7.2.3 Prezentarea formei geometrice a îmbinărilor sudate studiateStudiul are în vedere simularea comportării folosind aplicaţia de analiză prin metoda elementului finit Femap versiunea 9.3 a patru îmbinări sudate ale căror modele tridimensionale sunt redate în Figurile 2-5 care au fost elaborate cu ajutorul aplicaţiei de proiectare asistată de calculator SolidEdge V20.
2
Figura 1. Modelul tridimensional al primei îmbinări sudate
Figura 2. Modelul tridimensional al celei de-a doua îmbinări sudate
Figura 3. Modelul tridimensional al celei de-a treia îmbinări sudate
Figura 4. Modelul tridimensional al celei de-a patra îmbinări sudate
La realizarea celor patru îmbinări sudate, s-a folosit o piesă având dimensiunile de forma unei plăci, având dimensiunile 100 x 45 mm şi grosimea de 10 mm aşa cum este redat în Figura 5:
Figura 5. Forma geometrică a piesei utilizată la realizarea îmbinărilor prin sudare
7.2.5 Definirea proprietăţilor materialulului îmbinărilor sudateToate îmbinările sudate considerate în acest studiu sunt confecţionate din oţel carbon de calitate OLC 35, caracteristicile fizico-mecanice ale acestuia fiind date în Tabelul 1. Alegerea materialului s-a făcut în funcţie de conţinutul de carbon, care influenţează sudabilitatea conform datelor prezentate în Tabelul 2, astfel încât materialul să aibă o sudabilitate corespunzătoare, iar în ceea ce priveşte grosimea pieselor îmbinate prin sudare, aceasta are o valoare constantă fiind egală cu 10 mm pentru toate cele patru cazuri de îmbinări sudate considerate pentru acest studiu.
3
Tabelul 1. Caracteristicile fizico-mecanice ale materialului OLC35
Modul de elasticitateE[Nmm-2]
CoeficientPoisson
Modul de elasticitate transversal G[Nmm-
2]
Densitatea[Kgmm-3]
Rezistenţa la tracţiune[Nmm-2]
Conductivitatea termică
[Wmm-2K-2]
2.1105 0.29 7.7104 7.910-6 4.2103 47
Tabelul 2. Clasificarea sudabilităţii otelurilor în funcţie de conţinutul de carbon[1]Conţinutul
elementelor de aliere în [%]
Sudabilitate bună
Sudabilitate condiţionată
Posibilă (limitată)
Necorespunză-toare
Conţinutul în carbon al otelurilor în [%]<1 0,25 0,25 … 0,35 0,35 … 0,45 >0,45
În cadrul aplicaţiei Femap, definirea proprietăţilor relevante pentru analiză, s-a realizat conform Figurii 6, unitatea de măsură a forţei fiind N, în timp ce unitatea de măsură pentru lungime este milimetrul. Acest lucru este necesar pentru utilizarea unui sistem consistent de unităţi de măsură, şi deci de a evita rezultatele eronate ce apar ca urmare a utilizării unui sistem necorespunzător de unităţi de măsură.
Figura 6. Implementarea proprietăţilor materialului în aplicaţia Femap
7.2.6 Realizarea discretizării elementelor îmbinării sudateDiscretizarea solidelor din care sunt construite cele patru îmbinări sudate supuse studiului experimental s-a realizat cu elemente de tip Hexaedric, în vederea simplificării şi a reducerii timpului de analiză [5], etapele discretizării fiind redate în Figurile 7 şi 8. Mărimea elementului este de 4,5 milimetri în toate cele patru cazuri.
4
Figura 7. Indicarea proprietăţii solidelor ce urmează a fi discretizate
Figura 8. Stabilirea mărimii elementelor discretizării
Rezultatele operaţiei de discretizare pentru fiecare îmbinare sudată sunt prezentate în Figurile 9-12. În ceea ce priveşte rolul operaţiei de discretizare acesta se traduce prin faptul că domeniul continuu ce este dat de solidul supus analizei este practic divizat în elemente finite ce sunt necesare în cadrul rulării analizei.
Figura 9. Discretizarea primei îmbinări sudate
Figura 10. Discretizarea celei de-a doua îmbinări sudate
Figura 11. Discretizarea celei de-a treia îmbinare sudate
Figura 12. Discretizarea celei de-a patra îmbinări sudate
5
7.2.7 Stabilirea condiţiilor-limită aplicate îmbinărilor sudateCele patru îmbinări sudate studiate sunt solicitate cu o forţă constantă având valoarea de 10000N în toate cele patru cazuri considerate, cu scopul determinării câmpului de tensiuni corespunzător, folosind criteriul de analiză Von Mises, conform schemelor prezentate în Figurile 13-16 de altfel fiind şi cel mai utilizat criteriu de elasticitate în practică.
Figura 13. Schema de aplicare a forţei pentru prima îmbinare sudată
Figura 14. Schema de aplicare a forţei pentru cea de-a doua îmbinare sudată
Figura 15. Schema de aplicare a forţei pentru cea de-a treia îmbinare
sudată
Figura 16. Schema de aplicare a forţei pentru cea de-a patra îmbinare sudată
Toate îmbinările vor fi supuse la solicitări liniare statice, valoarea forţei aplicate, fiind, aşa cum s-a arătat, egală cu 10000 N, în timp ce o suprafaţă rămâne încastrată, aşa cum se observă în schemele prezentate în Figurile 13-16Solicitarea este aplicată fiecărei îmbinări în parte, cu scopul de a se obţine o distribuţie a tensiunilor în secţiunea transversală a fiecărei îmbinări sudate considerate, şi chiar de a observa influenţa formei de realizare a îmbinării asupra distribuţiei câmpului de tensiuni şi deplasări.
7.2.8 Prezentarea rezultatelor obţinute în urma analizei structurale. Discuţii pe baza rezultatelor.În urma analizei prin metoda elementului finit, care au fost efectuate în cazul celor patru îmbinări sudate considerate, s-a obţinut reprezentările grafice ale câmpurilor de tensiuni şi deplasări ale îmbinărilor sudate, prezentate în Figurile 17-19, în care s-a urmărit de asemenea influenţa variantei de realizare a îmbinărilor sudate asupra modului de propagare a tensiunilor în cadrul îmbinării.
6
Figura 17. Câmpul de tensiuni al primei îmbinări sudate
Figura 18. Câmpul deplasărilor pentru prima îmbunare sudată
Figura 19. Câmpul de tensiuni al celei de-a doua îmbinări sudate
7
Figura 20. Câmpul deplasărilor pentru cea de-a doua îmbinare sudată
Figura 21. Câmpul de tensiuni al celei de-a treia îmbinări sudate
Figura 22. Câmpul de deplasări al celei de-a treia îmbinări sudate.
8
Figura 23. Câmpul de tensiuni al celei de-a patra îmbinări sudate
Figura 24. Câmpul deplasărilor pentru îmbinarea sudată de-a patra.
Analiza comparativă a Figurilor 17 şi 18 tinde să evidenţieze faptul că este necesar în practică a se evita secţiunile de trecere bruşte, şi deci se impune a se realiza îmbinarea cu o rază de racordare de valoare cât mai mare posibil, în scopul reducerii concentratorilor de tensiuni, care pot afecta rezistenţa îmbinării la eforturi, lucru ameliorat de varianta de îmbinare prezentă în Figura 19. Figurile 19 şi 20, precum şi Figurile 21 şi 22 prezintă un caz de solicitare a îmbinării la încoviere, deoarece forţa acţionează perpendicular pe planul pieselor, iar Figura 23 şi 24 prezintă un caz de solicitare în principal la forfecare a îmbinării dar, într-o mai mică măsură apare şi o solicitare la încovoiere. În acest caz se poate vorbi despre o solicitare compusă.
9
O reprezentare grafică a variaţiei tensiunii maxime Von Mises precum şi a deplasării maxime (determinată din Figurile 17-24) pentru fiecare îmbinare este redată în Figurie 25 şi 26, împreună cu funcţia de regresie polinomială de ordin 3 care oferă o bună aproximare a graficului de variaţie.
Figura 25. Graficul de variaţie al tensiunii maxime Von Mises pentru cele patru îmbinări sudate
Figura 26. Graficul de variaţie a deplasării maxime de-a lungul celor patru îmbinări sudate
Din analiza Figurilor 21-24 se observă şi o zonă neutră, ceea ce reprezintă fibra medie nedeformată (sau fibra neutră) a pieselor, dar este şi zona cea mai apropiată de locul încastrării.În ceea ce priveşte Figura 23, şi cum se poate observa şi în graficele prezentate în Figurile 25 şi 26, comparativ cu celelalte figuri, valoarea maximă a tensiunii Von Mises şi a deplasării este cea mai mică din cele patru cazuri contactul îmbinării se realizează pe o suprafaţă plană mai mare decât în celelalte cazuri.
7.2.9 Concluzii A fost utilizat un model de analiză simplificat a patru îmbinări sudate care sunt utilizate pe scară largă în construcţia de maşini, dar care permite în acelaşi timp reprezentarea comportării unor îmbinări sudate utilizate deseori în practică la o solicitare constantă în vederea aprecierii calităţii execuţiei îmbinării, atât din punct de vedere fizic prin realizarea încercărilor practice, cât şi din punct de vedere virtual, pe baza unor simulări utilizând metoda elementului finit. Prin urmare rezistenţa în timp a unei îmbinări sudate este influenţată şi de forma geometrică a acesteia, care pentru a fi optimă este necesar a se reduce concentratorii de tensiune, utilizând raze de racordare.
7.3 Gradul de originalitate şi inovare al lucrăriiGradul de originalitate şi inovare al proiectului este unul ridicat întrucât pe parcursul efectuării cercetării au fost utilizate metode de calcul optimal şi proiectare, respectiv de investigaţie ştiinţifică şi experimentală dintre cele mai evoluate, reducându-se astfel o serie de timpi inutili şi eventualele surse de erori ce pot apărea pe parcurs, şi ce pot avea influenţe negative asupra rezultatelor finale.
10
8. Planul de organizare a proiectului (managementul proiectului)8.1 Planul de lucru. Obiective şi activităţi
An Obiective Activităţi Valoare solicitată pe activitate [RON]
2012
Studiul literaturii de specialitate, necesară elaborării temei de cercetare
Achiziţionare documentaţie tehnică
cu privire la asamblările utilizate în construcţia de maşini
300
Studiu tehnic preliminar 500
Realizarea şi încercarea practică la solicitări a celor patru ansambluri de
îmbinări sudate
Achiziţionarea a opt semifabricate de tip
bloc200
Debitarea semifabricatelor şi
prelucrarea prin frezare la cotele necesare
200
Realizarea îmbinărilor sudate 250
Încercarea practică a îmbinărilor sudate conform schemelor stabilite, folosind ca
traductori mărci tensiometrice.
4000
Centralizarea rezultatelor obţinute 200
2013
Modelarea ansamblului folosind tehnici de proiectare asistată de calculator cu ajutorul
aplicaţiei SolidEdge V.20
Achiziţionare licenţă academică SolidEdge
V2020000
Modelarea pieselor componente din
ansamblul stabilit.400
Verificarea corectitudinii
ansamblului realizat. Corectarea
eventualelor erori.
2500
Simularea comportării ansamblului virtual corespunzător aparatului de legare la solicitările la care acesta este supus în
realitate. Identificarea reperelor ce prezintă concentratori măriţi de tensiuni.
Achiziţionare licenţă FEMAP V. 9.3
împreună cu solver-ul NX Nastran V 5.0
25000
Iniţierea tuturor etapelor necesare în etapa de analiză numerică a
modelului. Obţinerea rezultatelor de ieşire
15000
Compararea rezultatelor obţinute în urma simulării virtuale. Formularea unor
concluzii
500
11
8.2 Fezabilitatea proiectuluiAprecierea fezabilităţii proiectului are la bază evaluarea riscurilor de ordin tehnologic şi tehnic, de ordin economic şi din punct de vedere a încadrării proiectului în termene strict stabilite. O analiză preliminară a acestor riscuri relevă pe de o parte că ele sunt de mărime redusă sau medie, iar gradul de stăpânire a evoluţiei lucrării este suficient de mare. Astfel încă din primele faze ale lucrării vor fi avute în vedere identificarea cât mai corectă a condiţiilor tehnice ale utilizatorilor precum şi alte aspecte legate de costurile realizării cercetării. Mai mult chiar, gradul de integrare între partenerii implicaţi este unul ridicat, fiecare membru aducând contribuţii în cadrul lucrării conform planului de realizare.
8.3 Planul de diseminare al rezultatelorRezultatele cercetărilor ce urmează a se efectua în cadrul proiectului complex de faţă urmează a se disemina pe scară largă tuturor intreprinderilor de reparaţii având ca domeniu de activitate reparaţii şi prelucrări mecanice, precum şi atelierelor mecanice din cadrul intreprinderilor cu alte domenii de activitate. Rezultatele pot fi cuantificate din punct de vedere macroeconomic cât şi microeconomic.
9. Competenţa ştiinţifică a membrilor echipei de cercetare9.1 Numărul membrilor echipei de cercetare (exclusiv directorul de proiect)
1
9.2 Lista membrilor echipei de cercetareIng. Enea Cosmin-Vasile
9.3 Experienţa anterioară a membrilor echipei de cercetare. Teme propuse. Contribuţii şi finalizare
Contribuţii teoretice şi practice privind realizarea unui studiu comparativ al performanţelor diverselor echipamente de sudate în vederea stabilirii aplicaţiilor optime ale acestora.
10. Infrastructura de cercetareInfrastructura de tehnică de calcul dată de aplicaţii software CAD (Computer Aided Design, în cadrul proiectul de faţă s-a utilizat în acest scop aplicaţia Solid Edge versiunea 20) şi aplicaţii software de tip CAE (Computer Aided Engineering, în acest scop fiind utilizată aplicaţia CAE de analiză prin metoda elementului finit FEMAP. Echipamentele propriu-zise sunt reprezentate de: aparatul de legare achiziţionat, ce va fi încercat pe standul proiectat şi echipat cu mărci tensiometrice, acesta din urmă fiind utilizat în determinările practice ale tensiunilor şi deplasărilor, valorile citite fiind pe ecranul unui tensiometru electronic, şi compararea setului de rezultate obţinut, cu setul obţinut în urma analizei numerice. Echipamentele ce sunt destinate prelucrărilor prin aşchiere, precum şi echipamentele ce sunt necesare realizării îmbinărilor sudate(aparat de sudură electric şi electrozi) cât şi maşinile de încercare la solicitări vor fi puse la dispoziţie de către Universitatea Vasile Alecsandri din Bacău
