Савельев А.В. Проектирование электромеханических аппаратов автоматики с применением ЭВМ

Подождите немного. Документ загружается.

7. ОСОБЕННОСТИ PАСЧЕТА ЭМАА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

7.1. Особенности расчета магнитных систем

переменного тока

При расчете магнитных систем переменного тока используется

метод эквивалентных синусоид; магнитный поток и магнитная

индукция выражаются через амплитудные (максимальные) значения,

а МДС и магнитные напряжения - через эффективные значения.

Амплитудное значение магнитного потока



, создаваемого

обмоткой с числом витков N при напряжении U (действующее

значение) и частоте f , без учета активного сопротивления провода

обмотки, а также без учета потерь в магнитопроводе и в

короткозамкнутых витках (КЗВ) определяется выражением





4 44,

. (7.1)

С учетом активного сопротивления провода обмотки R

об

, но

без учета потерь в магнитопроводе и короткозамкнутых витках

об

U IR







4 44

(

)

. (7.2)

В случае необходимости учета указанных выше потерь





4 44,

, (7.3)

где E - ЭДС обмотки, определяемая выражением

IX IR

эк об

 (

)

(

)

. ~

2 2

, (7.4)

где X

эк.об

– эквивалентное индуктивное электрическое сопротивление

обмотки; R

- активное электрическое сопротивление обмотки,

определяемое потерями в магнитопроводе и КЗВ.

Закон Ома для участка магнитной цепи (МЦ) переменного тока

при записи входящих в него величин в комплексной форме имеет вид





. (7.5)

Здесь

- магнитное напряжение (действующее значение);



магнитный поток (амплитудное значение);

- магнитное

сопротивление участка магнитной цепи.

Комплексное магнитное сопротивление участка

магнитопровода МЦ переменного тока

 

М М

МR

МX

 

 

, (7.6)

где l и S - соответственно длина и площадь поперечного сечения

участка магнитопровода;

МR



- удельные активное и

реактивное магнитные сопротивления. Зависимости

МR



от

амплитудного значения магнитной индукции для стали 1511

приведены в приложении 3 (рис. П3.8) [2].

Для контура МЦ переменного тока

U F

. .







, (7.7)

где

- магнитное напряжение (действующее значение);

МДС (действующее значение).

Суммарное комплексное магнитное сопротивление МЦ

переменного тока

Z R



 

, (7.8)

где



активная и реактивная составляющие суммарного

магнитного сопротивления МЦ.

Угол потерь (угол фазового сдвига между потоком обмотки и

ее МДС)

















arctg



. (7.9)

Активное эквивалентное электрическое сопротивление обмотки

переменного тока с учетом потерь в магнитопроводе и КЗВ

эк об об об

R R R R

. ~

sin    2

 



, (7.10)

где R

об

- электрическое сопротивление провода обмотки,



модуль комплексного магнитного сопротивления



Индуктивное эквивалентное электрическое сопротивление

обмотки переменного тока

эк об

cos2

 



. (7.11)

Фазовый сдвиг между током и напряжением

















arctg

эк об

. (7.12)

Для однофазной магнитной системы (МС) переменного тока с

КЗВ, экранирующим часть полюса МС, магнитное реактивное

сопротивление короткозамкнутого витка при пренебрежении его

реактивным электрическим сопротивлением

м в

э в





, (7.13)

где

э в

- активное электрическое сопротивление витка.

Фазовый сдвиг между магнитными потоками экранированной и

неэкранированной частей полюса

arctg

м в

м э



















, (7.14)

где

м э



- магнитное сопротивление зазора



для

экранированной части полюса.

7.2. Особенности расчета обмотки переменного тока

В проектном расчете для определения числа витков обмотки

переменного тока используют формулу [6]

K K

E U



4 44,



, (7.15)

где

0 97,

- коэффициент, учитывающий уменьшение

напряжения по сравнению с ЭДС;

0 85,

- коэффициент,

учитывающий возможное снижение напряжения.

После нахождения числа витков исходя из соотношения

 2 6

определяют длину и толщину обмотки и находят диаметр провода.

В тепловом расчете электромагнита переменного тока исходят

из мощности, потребляемой обмоткой. Потери в электромагните

переменного тока складываются из потерь в меди, потерь в стали,

потерь в экранирующем витке. При комплексном методе расчета

магнитной цепи переменного тока потери находят на основе

активного эквивалентного сопротивления обмотки (см. раздел 7.1).

Отдельно потери в меди

P I R



, (7.16)

где R - активное сопротивление обмотки, I - ток в обмотке.

Потери в стали

СТ

CT уд

p Q



. (7.17)

Здесь Q - масса стали магнитопровода;

уд

- удельные потери в

стали (приложение 3 (рис. П3.9)) [2,4].

Для горячекатанной электротехнической стали [4]

CT уд

Г В

m m

 













 



100 100

, (7.18)

где



- опытные коэффициенты потерь на гистерезис и

вихревые токи, приведенные в [4];  при B

= (0,1-1,0) Тл; 

при B

= (1,0-1,9) Тл.

В тепловом расчете обмотки переменного тока можно

учитывать в качестве поверхности охлаждения только наружную

боковую поверхность ввиду того, что внутренняя поверхность

практически не участвует в теплопередаче.

После проверки выполнения условия теплового режима можно

провести корректировку размеров обмотки.

8. ВОПРОСЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭМАА

8.1. Критерии оптимальности

В процессе проектирования ЭМАА происходит поиск

наилучшего варианта, т.е. рассматриваются вопросы оптимизации.

Оптимальным можно считать ЭМАА, который отвечает

требованиям технического задания и удовлетворяет выбранному

критерию оптимальности по размерам, массе, объему, стоимости и

другим параметрам.

Различают два подхода к выбору критерия оптимизации. В

первом подходе определяется главный частный критерий в

зависимости от назначения аппарата, а остальные требования

удовлетворяются по мере возможности. Во втором подходе

выбирается обобщенный критерий в виде суммы частных

показателей с весовыми коэффициентами.

Выбираемые критерии оптимальности должны выражаться

через оптимизируемые параметры: размеры, технические

характеристики материалов. В обобщенном критерии составные

части должны взаимодействовать между собой.

Перечень некоторых критериев оптимальности для ЭМАА

включает[11]:

1. Минимум массы, минимум габаритного объема, максимум

эксплуатационной надежности (применяют при

проектировании реле для встраиваемого

электрооборудования).

2. Минимум стоимости, минимум потребляемой мощности

(применяют для аппаратов общепромышленного

применения).

3. Минимум времени срабатывания.

4. Максимум эксплуатационной надежности (используют в

авиации, шахтных и нефтегазовых установках, аппаратах

защиты).

5. Минимум постоянной времени обмотки, максимум

отношения подъемного усилия к весу или к потребляемой

мощности (применяют в системах электромагнитного

подвеса).

6. Минимум обобщенного критерия

кр



М +



N +



C ,

где М - масса; N - потребляемая мощность; C - стоимость;



- весовые коэффициенты, определяющие долю каждого па-

раметра в выражении обобщенного критерия, минимизация которого

связана с нахождением компромиссного решения при приближении

М, N, C к своим наименьшим значениям.

Также могут использоваться такие критерии как минимум

конструктивности, максимум динамической эффективности,

минимум экономичности, максимум технического уровня, максимум

статической эффективности, минимум согласования

характеристик[11].

8.2. Использование баз данных

При проектировании ЭМАА накапливаются наборы

параметров для разных вариантов проектируемого аппарата. Для

анализа, хранения и выбора наиболее подходящих по заданным

критериям вариантов данных (числовых, символьных, дат) удобно

пользоваться компьютерными базами данных. При создании и

ведении компьютерных баз данных используют системы управления

базами данных (СУБД). Среди современных СУБД отметим

FOXPRO и ACCESS.

К основным этапам создания баз данных относятся:

- описание структуры;

- ввод данных;

- модификация структуры.

Ведение баз данных включает:

- дополнение баз данных новыми сведениями;

- удаление сведений;

- изменение данных в отдельных записях.

К основным понятиям баз данных относятся: файл базы

данных, запись файла, поле записи, тип поля.

Файл базы данных состоит из отдельных записей, т.е. файл как

бы состоит из отдельных строк таблицы.

Запись состоит из отдельных полей, количество которых

соответствует числу граф таблицы.

Поле записи содержит данные разных типов.

Типы полей: символьные, числовые, даты, примечания,

логические.

Структура базы данных проектируемого ЭМАА может

включать следующие поля:

- вид аппарата (тип поля “символьный”);

- дата внесения данных(тип поля “дата”);

- марка материала магнитопровода (тип поля “символьный”);

- магнитная индукция в зазоре (тип поля “числовой”);

- рабочая МДС (тип поля “числовой”);

- превышение температуры (тип поля “числовой”);

- длина (тип поля “числовой”);

- ширина (тип поля “числовой”);

- высота (тип поля “числовой”).

Заполнив базу данных результатами расчетов аппарата и задав

условия выбора, т.е. выбрав критерии, можно находить варианты

наборов расчетных данных проектируемого аппарата,

удовлетворяющие поставленным условиям.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Содержание технического задания на

опытно-конструкторскую работу “Разработка реле”

1. Наименование темы.

2. Основания для выполнения ОКР.

3. Предприятие-исполнитель.

4. Предприятие-изготовитель.

5. Назначение реле и краткая характеристика области применения.

6. Характеристика технического уровня разрабатываемого реле.

7. Технические требования.

7.1. Требования к конструкции.

7.1.1. Герметичное исполнение.

7.1.2. Масса реле.

7.1.3. Условия среды (давление, скорость утечки газа).

7.1.4. Конструкция деталей (по ОСТам).

7.2. Требования к электрическим параметрам.

7.2.1. Нормы на рабочее напряжение, ток срабатывания, ток

отпускания, сопротивление обмотки, время срабатывания,

время отпускания, сопротивление контактов.

7.2.2. Нормы на сопротивление изоляции (не менее).

7.2.3. Нормы на напряжение (испытательное) для электрической

изоляции.

7.2.4. Нормы на напряжение срабатывания, ток отпускания,

сопротивление контактов, рабочее напряжение в пределах

времени минимальной наработки (минимальных сроков

хранения).

7.2.5. Нормы на напряжение срабатывания, ток отпускания,

сопротивление контактов при хранении в условиях ТЗ в

течение минимального срока.

7.3. Требования по стойкости к внешним воздействиям.

7.3.1. Нормы на: механические факторы (вибрация, частота,

амплитуда ускорения); акустический шум (частоты, уровень

звукового давления); механический удар (одиночного

действия, длительного действия, многократного действия);

линейное ускорение; климатические факторы (атмосферное

давление, температура, влажность, соляной морской туман,

статическая пыль, иней и роса); биологические факторы

(плесень, грибок).

7.3.2. Нормы на воздействия специальных факторов.

7.3.3. Нормы по газовой среде (ск. часов в какой среде).

7.4. Требования по надежности.

7.4.1. Нормы на минимальную наработку реле в зависимости от

температуры окружающей среды, давления и колебаний

рабочего напряжения, коммутационных характеристик.

7.4.2. Нормы на минимальный срок хранения.

7.4.3. Нормы на минимальный срок службы.

7.4.4. Нормы на 90% ресурса реле.

7.4.5. Нормы на для оценки соответствия реле требованиям по

минимальной наработке (на безотказность).

7.4.5.1. Нормы на испытания на безотказность.

7.4.5.2. Нормы на испытания на долговечность.

7.4.5.3. Нормы на параметры-критерии годности на безотказность и

долговечность.

7.4.5.4. Список параметров, контролируемых при испытаниях на

безотказность и долговечность (напряжение срабатывания,

ток отпускания, сопротивление контактов, сопротивление

изоляции).

7.4.6. Указания по оценке соответствия реле п.7.4.2.

7.4.7. Указания по оценке соответствия реле п.7.4.4.

8. Требования по стандартизации и унификации.

8.1. Количественные показатели по унификации (коэффициент

применяемости составных частей, коэффициент повторяемости

составных частей).

8.2. Качественные требования по стандартизации и унификации.

8.2.1. Требования к базовой конструкции.

8.2.2. Требования к использованию типовых технологических

процессов.

8.2.3. Требования по учету типовых и стандартных методов

испытаний.

9. Требования к маркировке реле.

10. Требования к упаковке.

11. Технико-экономические показатели.

11.1. Оценка ориентировочной потребности в реле: на первый год

после окончания разработки и на третий год.

11.2. Оценка лимитной цены (при определенном объеме годового

выпуска).

11.3. Оценка выхода годных реле ( в процентах).

11.4. Оценка трудоемкости (нормо/час).

12. Требования к порядку проведения и приемки ОКР.

12.1. Форма проведения ОКР.

12.2. Этапы работы (и их сроки).

13. Материалы, предъявляемые по окончании этапов и ОКР в целом.

14. Дополнительные требования по обеспечению разработки,

испытаний, производства и эксплуатации реле.