Ирина Эланс
Электрические машины и электропривод. 2
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Кафедра «Электротехника»
Курсовая работа
по дисциплине
«Электрические машины и электропривод»
Составитель: Зайцева Н.О. 501гр. Вагоны
Проверила: Буштрук Т.Н.
Самара 2013
Содержание
1. Введение.
2. Исходные данные для расчета.
3. Расчетная часть.
3.1 Расчет размеров зубцовой зоны якоря;
3.2 Расчет размеров воздушного зазора под главным полюсом;
3.3 Расчет размеров сердечника главного полюса;
3.4 Расчет спинки якоря;
3.5 Расчет якоря;
3.6 Программное обеспечение к расчету магнитной цепи МПТ;
4. Электропривод постоянного тока.
5. Установка для охлаждения питьевой воды.
6. Заключение.
7. Список используемой литературы.
Введение
Электрические машины — это электромеханические преобразователи, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в механическую или механической в электрическую. Основное отличие электрических машин от других преобразователей в том, что они обратимы, т. е. одна и та же машина может работать в режиме двигателя, преобразуя электрическую энергию в механическую, и в режиме генератора, преобразуя механическую энергию в электрическую.
В зависимости от рода потребляемого или отдаваемого в сеть тока электрические машины подразделяются на машины переменного и постоянного тока. Машины переменного тока делятся на синхронные, асинхронные и коллекторные.
Большинство машин постоянного тока — это коллекторные машины. Они выпускаются мощностью от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Обмотки возбуждения машин постоянного тока располагаются на главных полюсах, закрепленных на станине. Выводы секций обмотки ротора (якоря) впаяны в пластины коллектора. Коллектор, вращающийся на одном валу с якорем, и неподвижный щеточный аппарат служат для преобразования постоянного тока сети в переменный ток якоря (в двигателях) или переменного многофазного тока якоря в постоянный ток сети (в генераторах постоянного тока).
Конструкция машин постоянного тока более сложная, стоимость выше и эксплуатация более дорогая, чем асинхронных, поэтому двигатели постоянного тока применяются в приводах, требующих широкого и плавного регулирования частоты вращения, или в автономных установках при питании двигателей от аккумуляторных батарей.
Работа любой электрической
машины основана на законах электромагнитной
индукции. В проводнике, движущемся в магнитном
поле, возникает электродвижущая сила.
Используя это физическое явление, можно
построить генератор электрической энергии.
Если поместить в магнитное поле проводник
с током, то он испытывает механическое
воздействие, что используют для построения
электрического двигателя. Таким образом,
электрическая машина должна иметь магнитную
систему для создания магнитного поля
и совокупность проводников, по которым
протекает электрический ток. Можно построить
машины, в которых магнитное поле неподвижно,
а вращаются проводники. Можно использовать
и обратный принцип построения- с неподвижными
проводниками и вращающимся полем. Наконец,
могут вращаться и магнитное поле, и проводники.
В машинах постоянного тока обычно имеется
неподвижная часть, создающая магнитное
поле, и вращающийся якорь с системой проводников.
Магнитное поле, как правило, создается
электромагнитным путем - посредством
обмотки возбуждения, находящейся на полюсах
магнитной системы.
2. Исходные данные для расчета.
Таблица 1
Da, мм |
Активная длина якоря lа, мм |
Число пар полюсов р |
Расчетный коэффициент полюсной дуги аd |
Отношение t1/bz3 |
Воздушный зазор d, мм |
Высота паза hz, мм |
Высота главного полюса hm, мм |
Коэффициент магнитного рассеяния s |
Тип обмотки |
Число пазов якоря Z |
Напряжение питания U, В |
Угловая скорость n, об/мин |
245 |
235 |
2 |
0,64 |
3,2 |
2,5 |
32 |
65 |
1,17 |
петл |
32 |
220 |
1300 |
3. Расчетная часть
3.1. Расчет размеров зубцовой зоны якоря
Длину зубцовой зоны определяют по формуле, м,
lz = laKст.
lz =
Зубцовый шаг в верхнем сечении зуба, м,
t1 = pDa / z.
t1=
Зубцовый шаг в нижнем сечении зуба, м,
t3 = p(Da – 2hz ) / z.
t3 =
Ширина зуба в нижнем сечении, м,
bz3 = t1 / (t1 / bz3).
bz3 =
Определяем ширину паза, м,
bп = t3 – bz3.
bп =
Ширина зуба в верхнем сечении, м,
bz1 = t1 – bп.
bz1 =
Ширина зуба в среднем сечении, м,
bz2 = 0,5(bz1 + bz3).
bz2 =
Зубцовый шаг в среднем сечении зуба, м,
t2 = 0,5(t1 + t3).
t2 =
Находим площади зуба в различных сечениях, м2:
– в верхнем сечении sz1 = bz1lz,
sz1 =
– в среднем сечении sz2 = bz2lz,
sz2 =
– в нижнем сечении sz3 = bz3lz.
sz3 =
Длину магнитной линии в зубцовой зоне принимают равной высоте зуба, м,
Lz = hz.
Вычисляем значения зубцовых коэффициентов в различных сечениях зуба:
– в верхнем сечении Kz1 = t1ld / sz1,
Kz1 =
– в среднем сечении Kz2 = t2ld / sz2,
Kz2 =
– в нижнем сечении Kz3 = t3ld / sz3.
Kz3 =
Значение индукции Bdном = Bd находим по значению Da из графика на рисунке 3, затем вычисляем магнитный поток (номинальный), приходящийся на один зуб и один паз, Вб,
Fном = Fdt1 = Bdt1ld.
Fном =
Рисунок1. Зависимость магнитной индукции в воздушном зазоре от диаметра якоря
Фиктивные индукции, Тл, в трех сечениях зуба находят по формулам:
– в верхнем сечении B¢z1 = Fdt1 / sz1,
B¢z1 =
– в среднем сечении B¢z2 = Fdt1 / sz2,
B¢z2 =
– в нижнем сечении B¢z3 = Fdt1 / sz3.
B¢z3 =
По значениям B¢z1, B¢z2, B¢z3 определяем напряженность магнитного поля в зубцовом слое, и по формуле Симпсона находим, А/м,
Hzсp = (Hz1 + 4Hz2 + Hz3) / 6.
Hzсp =
Находим магнитное напряжение зубцовой зоны якоря, А,
Uмz = 2hzHzсp.
Uмz =
Расчет магнитных характеристик зубцовой зоны (магнитного потока, магнитной индукции, напряженности магнитного поля, магнитного напряжения) сначала проводится для значения основного магнитного потока Фd* = Фd / Фdном = 1,0 Вб, затем пересчитывается последовательно для ряда значений Фd* = Фd / Фdном = 0,5; = 0,75; = 0,9; = 1,0 и 1,2 Вб,
3.2. Расчет размеров воздушного зазора под главным полюсом
Полюсное деление машины определяют по формуле, м,
t = pDa / 2p.
t =
Ширина воздушного зазора (расчетная полюсная дуга), м,
bd = adt.
bd =
Находим площадь воздушного зазора, м2,
sd = ldbd.
sd = ld==
=-5=
Номинальный магнитный поток находим по формуле, Вб,
Fdном = Bdном sd.
Fdном = Bdном =
Определяем коэффициент воздушного зазора,
Kd = t1 / (t1 – g1d),
Kd =
где g1 – расчетный коэффициент, который находится по формуле
g1= (bп / d)2/ (5 + bп / d).
g1=
Расчетная длина магнитной линии воздушного зазора Ld или эквивалентный воздушный зазор d¢, м,
Ld = d¢ = dKd.
Ld =
Находим магнитное напряжение воздушного зазора, А,
Umδ = d¢ Bd1/m0.
Umδ =
3.3. Расчет размеров сердечника главного полюса
Определяем расчетную длину сердечника главного полюса, м,
lmр = lmКст.
lmр =
Номинальный магнитный поток, Вб,
Fт = Fdномs.
Fт =
Ширина сердечника полюса, м,
bm = Fт / Bmlmр.
bm =
Площадь сердечника главного полюса, м2,
sт = bmlmр.
sт =
Для ряда значений магнитного потока Фd*, приведенных в таблице 3, рассчитать индукции в сердечнике, Тл,
Bm = Фм / sт
Bm =
3.4 Расчет спинки якоря
Длина спинки якоря, м,
=
Высота спиеки якоря, м,
=
Площадь спинки якоря, м2
=
Средняя длина магнитной линии спинки якоря, м,
=
Магнитная индукция, Тл,
Ва = Фа / Sа
Ва =
Магнитный поток, Вб,
Фа =
3.5 Расчет Ярма.
Длина ярма, м,
=
Ширина ярма, м,
=
Площадь ярма, м2
Средняя длина магнитной линии ярма, м,
=
Магнитная индукция, Тл,
Вя = Фя / Sя
Вя =
Магнитный поток, Вб,
Фя = Фm / 2
Фя =
Магнитное напряжение, А:
Активного слоя,
Uмdz =
Полюсов,
Uмm =
Спинки якоря,
Uмa =
Спинки ярма,
Uмя =
Стальных частей,
МДС обмотки возбуждения на полюс, А
=
Таблица 2
Расчет магнитных характеристик
Наименование величины |
Значение при Фd* | |||||
0,5 |
0,75 |
0,9 |
1,0 |
1,2 | ||
Основной магнитный поток Фd, Вб |
3,68 |
|||||
Магнитная индукция в воздушном зазоре (под серединой полюса) Bd, Тл |
0,76 |
|||||
Магнитная индукция, Тл |
В верхней части зуба B¢z1 |
1,29 |
||||
В средней части зуба B¢z2 |
1,65 |
|||||
В нижней части зуба B¢z3 |
2,31 |
|||||
Магнитная индукция, Тл: |
||||||
В сердечнике главного полюса |
1,4 |
|||||
В спинке якоря |
1,39 |
|||||
В спинке ярма |
1,18 |
|||||
Напряженность поля в зубцовой зоне, А/м: |
||||||
Hz1 |
11·102 |
|||||
Hz2 |
58,8·102 |
|||||
Hz3 |
1000·102 |
|||||
Hzсp = (Hz1 + 4Hz2 + Hz3) / 6 |
207,7·102 |
|||||
Напряженность поля стальных участков, А/м: |
||||||
Hm |
5,0·102 |
|||||
Ha |
15,3·102 |
|||||
Hя |
12,5·102 |
|||||
Магнитное напряжение, А: |
||||||
Воздушного зазора, Umδ = 2d¢ Bd/m0 |
2454,8 |
|||||
Зубцовой зоны якоря, Uмz = 2hzHzсp |
976,2 |
|||||
Активного слоя, Uмdz = Uмd + Uмz |
3431,0 |
|||||
Полюсов, Uмm = 2hmHm |
46 |
|||||
Спинки якоря, Uмa = LaHa |
130 |
|||||
Спинки ярма, Uмя = LяHя |
227 |
|||||
Стальных частей, Uмст = Uмm + Uмa+ Uмя |
403 |
|||||
МДС обмотки возбуждения на полюс, А |
4834 |
|||||
По данным таблицы 2 строим магнитную характеристику МПТ Фd = f(Ff), Начальная часть магнитной характеристики Фd = f(Ff) прямолинейна, что соответствует ненасыщенному состоянию МЦ. Касательная к начальной части характеристики Фd = f(Ff) будет являться зависимостью Фd = f(Fd).
Рисунок 2. Магнитная характеристика
Коэффициент насыщения определяют по формуле
Kн = Ff / Uмd при Фd* = 1,0.
Kн =
3.6. Программное обеспечение к расчету магнитной цепи МПТ
Для проверки расчет МЦ и магнитной характеристики МПТ выполняется с использованием программы «Ротор», которая выдается преподавателем. Интерфейс программы показан на рисунке 3.
Рисунок 3. Интерфейс программы «Ротор»
.
Рисунок 4. График магнитной характеристики
4. Электропривод постоянного тока
Основным средством приведения в движение рабочих машин является электрический двигатель, а, следовательно, основным типом привода служит электрический привод или электропривод (ЭП) [5]. Наиболее широко используют системы автоматизированного электропривода (АЭП). Современные АЭП выполняют в виде замкнутых систем автоматического управления.
Основными управляемыми параметрами (координатами) электропривода принято считать частоту вращения, ток, момент, точность позиционирования (положение).
В качестве примера, рассмотрим электропривод с двигателем постоянного тока независимого возбуждения (ДПТНВ). Упрощенная электрическая схема системы управляемого ЭП постоянного тока с двигателем независимого возбуждения, включенного по системе «генератор двигатель» дана на рисунке 8. Якорь двигателя М непосредственно подсоединяют к якорю генератора G. Генератор G приводится в движение приводным (гонным) двигателем (на рисунке не показан). В промышленных условиях при наличии сети переменного тока в качестве приводного двигателя используют асинхронный короткозамкнутый двигатель. В автономных установках в качестве приводного двигателя используют двигатель внутреннего сгорания, паровую или газовую турбины и т. п. Регулируемой координатой является частота вращения wд двигателя М. Регулирование угловой скорости осуществляют изменением напряжения Uя на якоре двигателя. Сигнал по
скорости wд измеряют тахогенератором BR, и в виде сигнала обратной связи Uос он поступает на вход управляющего устройства или регулятора, где сравнивается с сигналом задания Uзд, который формирует задатчик частоты вращения RР. На выходе узла сравнения определяют сигнал ошибки Uε = Uзд – Uос, который поступает на операционный усилитель, охваченный обратной связью из R и C элементов. Регулятор формирует управляющее воздействие Uу по определенному закону, которое поступает на усилитель мощности УМ, при этом изменяется напряжение Uв. на обмотке возбуждения генератора и в итоге изменяет напряжение на обмотке якоря двигателя, что в свою очередь приводит к изменению скорости вращения. К примеру, под действием нагрузки (возмущений) wд начинает снижаться, это приводит к уменьшению сигнала обратной связи по скорости Uос, а сигнал ошибки будет увеличиваться Uε = Uзд – Uос. При этом повышается напряжение на выходе регулятора Uу, на выходе УМ Uв и на якоре двигателя Uя, что приведет wд к заданному значению.
Рисунок 5. Упрощенная принципиальная схема ЭП ДПТНВ с регулятором по скорости
RP - устройство сравнения, Р - регулятор, УМ - усилитель мощности, ОBG-обмотка, возбуждения генератора, G - генератор, М - двигатель, ОВМ – обмотка, возбуждения двигателя, BR – тахогенератор
Для регулирования параметров ЭП используют типовые законы регулирования: П–закон (пропорциональный), И–закон (интегральный), ПИ–закон (пропорционально интегральный), ПИД–закон (пропорциональный интегрально дифференциальный), А–закон (апериодический). Схемы П и ПИ регуляторов приведены на рисунке 5.
Включить выбранный регулятор в систему управляемого ЭП и привести полученную схему в пояснительной записке.
Рисунок 6. Схема П и ПИ регуляторов, DA - операционный усилитель
По принципиальной схеме системы автоматизированного ЭП с ДПТНВ необходимо составить структурную схему (рисунок6). В структурной схеме каждый элемент электропривода представлен передаточной функцией (ПФ) Wi(s), где s – аргумент преобразования Лапласа.
Рисунок 7. Структурная схема электропривода с ДПТНВ
Для анализа системы управления ЭП используют аппарат теории управления [3, 4]. Систему автоматического управления ЭП исследуют на устойчивость и определяют показатели качества. Устойчивость и качественные показатели ЭП определяют по переходному процессу. Построение переходного процесса является достаточно трудоемкой процедурой. Однако, существуют косвенные методы или критерии для определения устойчивости и качественных показателей.
Передаточные функции типовых элементов ЭП с ДПТНВ приведены в таблице 3.
Таблица 3
Выражения передаточных функций Wi(s)
Wум(s) |
Wг(s) |
Wд(s) |
WBR(s) |
Wпи(s) |
Wп(s) |
Kyм |
Kп |
Значения коэффициентов и постоянных времени ПФ Wi(s) элементов ЭП даны в таблице 4.
Таблица 4
Значение коэффициентов и постоянных времени
№ |
Kум |
Kг |
Tг |
Tд |
Kд |
KBR |
Kпи |
Tпи |
Kп |
10 |
1,5 |
2,2 |
0,12 |
1,6 |
1,8 |
00,95 |
0,06 |
6,2 |
0,8 |
Определим один из
качественных показателей переходного
процесса – время.
tпер.процесса =
секунд
5. Установка для охлаждения питьевой воды.
Рисунок 8. Установка для охлаждения питьевой воды
Установка для охлаждения питьевой воды (рисунок 8) состоит из ниша-1, водоразборный кран-2, воздушная труба-3, бак кипячёной воды-4, переливная труба-5, бак охлажденной воды-6, термостат-7, испаритель-8, сливной кран-9, автоматический регулирующий вентиль-10, фильтр-11, запорный вентиль-12, ресивер-13, электронагреватель-14, вентилятор-15, конденсатор-16, холодильный агрегат-17, компрессор-18, всасывающий вентиль-19, нагнетательный вентиль-20.
Вода охлаждается
за счет отдачи своего тепла парам хладагента
в испарителе 8. Процесс работы холодильной
установки заключается в следующем. Из
компрессора 18 газообразный хладагент
через нагнетательный вентиль 20 поступает
в конденсатор 16 и переходит в жидкое состояние.
Из конденсатора он через ресивер 13, запорный
вентиль 12, фильтр 11 и автоматический регулирующий
вентиль 10 компрессором 18 нагнетается
в испаритель 5. При прохождении через
регулирующий вентиль 10 жидкий хладагент
расширяется, давление его резко падает
и он переходит в газообразное состояние
— испаряется.
В процессе испарения
хладагент отбирает тепло от воды, а затем
его пары всасываются компрессором 18 через
всасывающий вентиль 19, и цикл повторяется.
Уровень температуры охлаждения воды
устанавливается при помощи термостата
7 и может регулироваться в пределах +(12—20)
°С. Водоохладитель размещен в шкафу, где
находятся бак 4 для кипяченой воды вместимостью
40 л, бак для охлажденной воды 6, холодильный
агрегат 17, а в нише 1 кран 2 для раздачи
воды.
6. Заключение
В данной курсовой работе изучили машины постоянного тока. На примере двигателя постоянного тока независимого возбуждения разработали систему электропривода с управлением по скорости. Проверили ее на устойчивость, для чего построили переходный процесс. Определили один из качественных показателей переходного процесса – время.
7. Список используемой литературы
Буштрук Т. Н. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электрические машины и электропривод» для студентов специальностей «Локомотивы», «Вагоны», «Электрический транспорт железных дорог» всех форм обучения [Текст] / Т. Н. Буштрук, Л. И. Брятова. – Самара: СамГАПС, 2005. – с.: ил. Библиогр. : с.– 300 экз.
Учебник для вузов ж.-д. Трансп. А.Е. Зорохович А.А. Реморов, под ред. А.Е. Зороховича.-М.:Транспорт,1982.
367 с.
Электрические машины: учебник для электротехн. средн. спец. учебных заведений / М.М. Кацман. – 4-е изд.,перераб. и доп. – М.:Высш.шк., 2002. – 469с.
Тяговые электрические машины и преобразователи. Л. «Энергия», 1977.
Винокуров В.А., Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. Учебник для вузов. – М.: Транспорт, 1986. – 511с.
Применение электрических машин в вагоне и вагонном хозяйстве