Электрические машины и электропривод

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

Диаметр якоря 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 = Фδном/2

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 = Uмd + Uмz 

Uмdz =

Полюсов,

                                   Uмm = 2hmHm

Uмm =

Спинки якоря,

                                   Uмa = LaHa

Uмa =

Спинки ярма,

                                   Uмя = LяHя

 Uмя =

Стальных частей,

                                    Uмст = Uмm + Uмa+ Uмя                          Uмст =

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.