Выбор элементов электронных преобразователей

Проектирование электрооборудования автономных объектов

(3 семестр)

Раздел 5. Проведение расчетов

Виды расчетов

При разработке электромеханических систем основными являются следующие виды расчетов:

- проектный расчет;

- электромагнитный расчет;

- тепловой расчет;

- механический расчет.

Результаты каждого из последующего вида расчета могут вызвать необходимость повторного выполнения предыдущего расчета с откорректированными исходными данными.

Проектный расчет

В данном контексте под проектным расчетом понимается:

- выбор материалов элементов магнитопровода электромеханического преобразователя (ЭМП);

- выбор геометрических и обмоточных данных ЭМП;

- выбор элементов электронных преобразователей;

- выбор элементов системы управления:

- выбор механической передачи.

Перечисленные задачи выполняются с использованием соответствующих методик проектирования, основанных на рекомендациях, полученных исходя из имеющегося опыта проектирования и эксплуатации подобных объектов. Исходными данными для проектирования являются требования технического задания.

Проектный расчет основан на ряде допущений и выполняется как предварительный. [Котова]

Выбор материала

При выборе материала магнитопровода, учитывают в основном следующие факторы:

- магнитные свойств магнитомягких материалов магнитопровода, характеризуемые: 1) кривой намагничивания В(Н); материал с высокой магнитной проницаемостью μ=В/Н и высокой индукцией насыщения позволит провести заданный магнитный поток при меньшем сечении (что будет способствовать минимальной массе и габаритным размерам); 2) шириной петли гистерезиса: узкая петля (с низким значением коэрцитивной силы будет способствовать низким потерям на гистерезис; [Метелев] 3) удельными потерями в стали [Вт/кг], низкие значения которых приведут к низким потерям в стали при фиксированной частоте перемагничивания и магнитной индукции;

- магнитные свойств магнитотвердых материалов магнитопровода, характеризуемые: 1) коэрцитивной силой Hc и остаточной индукции Вr (желательны высокие значения); 2) температурным коэффициентом намагниченности (желательны низкие значения); 3) степенью ухудшения свойств во времени; [Метелев]

- электрические свойства материала, которые для элемента магнитопровода должны быть низкими (высокое электрическое сопротивление), что будет способствовать снижению вихревых токов, снижению тепловыделения и повышению КПД;

- механические свойства (прочность материала), являющиеся особенно важными для вращающихся с высокой скоростью частей машины;

- технологические свойства: соответствие материала планируемому способу обработки детали (штампуемость, свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость резанием и пр.)

- противокоррозионная стойкость, если это обуславливают условия, в которых эксплуатируется устройство.

- стоимость и дефицитность материала; возможность его заказа в установленные сроки и в установленном объеме при изготовлении устройства.

Определение геометрических и обмоточных данных

Размеры элементов магнитопровода ЭМП определяются исходя из следующих требований:

- обеспечение требуемой мощности при заданной частоте вращения (диаметр ротора и активная длина – уравнение Арнольда);

- проведения необходимого магнитного потока Ф, соответствующего заданному выходному напряжению (для генератора) или вращающему моменту (для электродвигателя):

S=Ф/B,

где S – сечение элемента магнитопровода, поперечное протекающему магнитному потоку; B – выбранная магнитная индукция, не противоречащая свойствам материала, выбранного для этого элемента.

- технологические возможности и ограничения при изготовлении, надежность и условия механической прочности (минимальные значения ряда размеров, в частности, воздушного зазора).

Обмоточные данные включают в себя схему обмотки (число фаз, число параллельных ветвей), число витков, суммарное сечение проводников одного витка [Шестаков] и число элементарных проводников в витке.

Число витков должно соответствовать требуемой ЭДС (противЭДС) электрической машины.

Сечение выбирается исходя из заданной плотности тока, при выборе которой необходимо учитывать предполагаемую систему охлаждения.

Выбранные обмоточные данные должны соответствовать месту, выделяемому для размещения обмотки. При этом также следует учитывать толщину изоляции. [Костко]

Для проверки возможности размещения проводников в пазу на этапе проектного расчета требуется прорисовать паз с размещенными в них проводниками и изоляцией, учитывая при этом технологические возможности завода-изготовителя (реализуемый коэффициент заполнения паза, значение которого, как правило, находится в пределах 0,4-0.45 для круглого провода, 0,7-0,85 для прямоугольного). [Шестаков]

При проектном расчете число неизвестных обычно превышает число расчетных уравнений. Поэтому некоторыми неизвестными параметрами задаются, принимая во внимание опыт и рекомендации, а некоторые второстепенные параметры могут не учитывать. Такой упрощенный расчет необходим для определения тех размеров, без которых невозможна первая чертежная проработка конструкции, необходимая при проведении поверочных расчетов.

Выбор элементов электронных преобразователей

При выборе элементов электронных преобразователей учитывают в основном следующие факторы и параметры электромеханической системы [2]: [Даненков]

- номинальные действующие значения входных и выходных токов и напряжений (для переменного тока) и средние значения (для постоянного тока);

- диапазон регулирования выходного напряжения (тока);

- номинальные значения полной или активной мощности для переменного тока, а также коэффициент мощности соsϕ для основных гармоник тока и напряжения в номинальном режиме;

- номинальное значение активной мощности для постоянного тока, определяемое как произведение номинальных средних значений тока и напряжения;

- коэффициент полезного действия η_ном в номинальном режиме работы;

- отклонения основных параметров в динамических режимах при изменениях напряжения внешнего источника электропитания или нагрузки, а также установившиеся значения этих отклонений после завершения переходных процессов.

Электромагнитный расчет

Электромагнитный расчет выполняется для электромеханического преобразователя с целью проверки правильности решений, принятых на предыдущих этапах разработки ЭМС.

Расчеты выполняется с использованием программ, позволяющих проводить детальный анализ магнитного поля и учитывать реальную форму токов. Исходными данными для такого расчета являются геометрические и обмоточные данные, полученные на этапе проектного расчета.

Более детально учитывают распределение магнитного поля программы, основанные на применении метода конечных элементов. Однако, они требуют большое время для проведения расчетов, что становится сложно реализуемым на практике, например, при проведении оптимизационных расчетов. Программы, реализующие МКЭ: Ansys Maxwell, Comsol Multiphysics, CST Studio Suite, Opera, Altair Flux, MagNet, ElecNet, JMag [1]. [Сергеева], ABAQUS, NASTRAN, Siemens NX, SolidWorks Simulation. Отечественной разработкой является программа ELCUT, она существует и развивается на протяжении 20 лет. [Мешков]

Достоинства и недостатки меняются местами при применении программ, реализующих эквивалентные схемы замещения магнитной цепи.

Комбинированное использование двух методов может дать оптимальный по качеству результат.

На степень соответствия ТЗ проверяются показатели электромеханической системы в заданных режимах работы. С целью оценки работы системы во всем диапазоне изменения частот вращения и нагрузок строится комплект характеристик.

При необходимости получения оптимального значения какого-либо критерия качества системы (КПД, массы, стоимости и др.) проводятся оптимизационные расчеты, выявляющие наилучший вариант системы с точки зрения рассматриваемого критерия.

Тепловой расчет

Выполнение каждым элементом электромеханической системы своих функций возможно только в определенном интервале температур. Одной из основных задач проектирования электромеханических систем является получение минимально возможных массы и габаритных размеров элементов системы, что может быть достигнуто лишь при предельной температуре элементов.

Целью теплового расчета является расчет температур элементов во всех режимах работы системы, и проверка допустимости этих температур исходя из свойств изоляции (как самого слабого в этом отношении элемента электромеханических преобразователей) и свойств полупроводниковых элементов электронных преобразователей.

В этой же части расчета проектируются системы охлаждения элементов системы.

Тепловой расчёт, аналогично электромагнитному, может быть проведён двумя методами: [Метелев]

1) аналитическим (на основе тепловых эквивалентных схем замещения);

2) методом конечных элементов.

Тепловая схема замещения является аналогом электрической схемы. Перепад температуры (ΔT) соответствует падению напряжения (ΔU), тепловой поток (Р) соответствует току (I), а тепловые сопротивления - омическим сопротивлениям. [Лискин]

Исходными данными для расчета являются значения потерь в электромеханических и электронных преобразователях, являющиеся источниками тепла.

Значения потерь зависят от рабочей температуры Т_р, которая на первом этапе проведения электромагнитных расчетов ЭМП еще не известна и задается в первом приближении.

Например, электрические потери в трехфазной обмотке ЭМП:

ΔPэл=3*I ²*R₂₀*(1+α*(Т_р -20)),

где R₂₀– электрическое сопротивление фазы при температуре 20°С; α – температурный коэффициент сопротивления (для меди α=0,004 1/°С).

Также от температуры зависят свойства постоянных магнитов, и как следствие – величина магнитного потока (магнитной индукции) и потери в стали, зависящие от амплитуды индукции в квадрате.

Все это обуславливает проведение повторного расчета потерь в рамках электромагнитного расчета и новый тепловой расчет до тех пор, пока значения температур, задаваемых в электромагнитном расчете, и температур, получаемых в соответствующем тепловом расчете, не окажутся достаточно близки.

На основе теплового расчета оценивается тепловое состояние машины, выбираются такие тепловые и вентиляционные схемы и способы ее охлаждения, при которых превышение температуры частей электрической машины не превосходит пределов допускаемых значений. [Фроловский]

Механический расчет

Целью проведения механических расчетов является проверка элементов системы на механическую прочность и на сохранение устойчивости конструкции при воздействии внутренних и внешних факторов нагрузки механического характера. [Жердев]

Основные виды проверок:

- выбор диаметра вала; производится исходя из величины вращающего момента с учетом допускаемого напряжение на кручение, составляющее ориентировочно 100-200 МПа;

- определение допустимости прогиба вала между подшипниками (для устройств с длинными валами);

- расчет шпоночных и шлицевых соединений; механическую прочность соединений можно повысить за счет специальной термической обработки вала;

- выбор подшипников электромеханического преобразователя;

- проверка прочности элементов ротора электромеханического преобразователя, подвергающегося действию центробежных сил;

- расчет критических частот вращения вала – частот вращения, при которых происходит значительное увеличение прогиба вала (как резонанс – при совпадении с частотой собственных колебаний)), что сопровождается большими вибрациями машины и может вызвать аварию. Их не должно быть в диапазоне рабочих частот вращения, эти отметки машина должна проходить ускоренно, не работая на них длительно.

Макетный образец

При выполнении электромагнитного, теплового и механического расчета широко используются методы математического моделирования.

Наряду с этими методами также применяются методы физического моделирования, предусматривающие, в частности, изготовление макетного образца.

Под макетным образцом понимают макет - упрощенное воспроизведение в определенном масштабе изделия или его части, на котором исследуются отдельные характеристики изделия, а также оценивается правильность принятых технических и художественных решений. [Котова]

Термин «макет» применяется обычно для модели, в которой сохраняются количественные соотношения между элементами изделия и моделируются отдельные его свойства, например внешний вид (Рекомендации. Система разработки и постановки продукции на производство. Термины и определения Р 50-605-80-93) [Мешков]

Макет разрабатывается:

а) на стадии технического предложения с целью выявления и проверки вариантов основных конструктивных решений разрабатываемого изделия или его составных частей, анализа различных вариантов изделия, выявления дополнительных или уточненных требований к изделию;

б) на стадии эскизного проекта с целью проверки принципов работы изделия или его составных частей, условий размещения в отведенном пространстве, условий эргономичности использования и других свойств изделия или его составных частей;

в) на стадии технического проекта с целью проверки основных конструктивных решений разрабатываемого изделия или его составных частей по пространственно-кинематическому взаимодействию с другими изделиями и составных частей между собой, а также условий эргономичности;

г) на стадии рабочего проекта для предварительной проверки целесообразности изменения отдельных частей изготовляемого изделия до внесения этих изменений в рабочие конструкторские документы опытного образца (опытной партии).

Макеты могут выполняться в материальной форме (материальный макет) или электронной форме (электронный макет).

Макетные образцы оформляются в соответствии с ГОСТ 2.804-84 ЕСКД. Макетный метод проектирования. Техническое содержание рабочего макета. [Сергеева]

Материальные макеты следует изготавливать, как правило, по эскизным КД, в соответствии с ГОСТ 2.125-2008 Правила выполнения эскизных конструкторских документов. [Мешков]

Источники

1. Бутырин П.А., Дубицкий С.Д., Коровкин Н.В. Численное моделирование электромагнитных полей: мультифизические задачи, инструментарий и обучение// Электричество. – 2019. № 6. - С.51-58.

2. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М. : Энергоатомиздат, 1988

Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 35; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!