Введение

Успешное изучение студентом курса электромеханика зависит не только от усвоения им теоретической части материала, но и от практических навыков расчета различных видов машин. Это помогает более быстрому и прочному усвоению изучаемого курса.

На сегодня методы выполнения расчетных заданий по дисциплине «Электромеханика» представлены в АлтГТУ в методических указаниях /1/, /12/. Эти книги используются более 20-и лет, морально устарели, формулы не всегда читаемы, в них использованы старые ГОСТы. В книге /1/ в разделах «машины постоянного тока» и «синхронные машины» нет подробной методики расчета. Не отражены вопросы расчета по разделам «Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением», «Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением», «Синхронные машины». В них не хватает примеров для выполнения расчетных заданий, совершенно не используются современные программные пакеты для выполнения и проверки расчетных заданий.

В связи с чем, нами была поставлена задача устранить перечисленные недостатки в методическом обеспечении дисциплины, чему и посвящены данные учебно-методические указания.

1 Обзор методов и средств организации самостоятельной работы студентов по дисциплине «Электромеханика»

1.1 Аналитический обзор современных методов и средств выполнения расчетных заданий по дисциплине « Электромеханика»

При выполнении расчетных заданий по дисциплине «Электромеханика» используются программные высокотехнологичные продукты, краткое описание возможностей которых приведено ниже.

Программа MATLAB

Программа MATLAB представляет собой высокоуровневый технический вычислительный язык и интерактивную среду для обработки алгоритмов, визуализации и анализа данных, числовых результатов. Используя программу MATLAB, решать технические вычислительные задачи гораздо быстрее, чем с помощью традиционных языков программирования, таких как С, С++ или Fortran.

Программа содержит сотни команд для работы в области математики. Программа MATLAB может использоваться для построения графиков функций, решения уравнений, выполнения статистических тестов, создания звука и анимационной графики. Программа MATLAB позволяет производить симуляцию и моделирование при наличии дополнительной программы Simulink, например: составить имитационную модель или систему автоматического управления, создать динамические модели с полным анализом их работы. Используя Simulink, инженер имеет большую возможность создавать прототипы различных моделей, делая тем самым проект быстрее и эффективнее. Кроме того программа MATLAB позволяет объединять математические вычисления с текстом и графикой с целью создания совершенных интерактивных документов.

Справочная документация к программе MATLAB содержит тысячи записей, сотни таблиц с описанием большого числа команд, параметров и функций.

Программа MATLAB является не просто необычным калькулятором; эта программа является в высшей степени полезным и универсальным инструментов, в чем можно легко убедиться, решая те или иные инженерные вычислительные задачи.

Отличительной особенностью MATLAB по сравнению с обычными языками программирования является матричное представление данных и большие возможности матричных операций над данными. Используя пакет MATLAB можно как бы из кубиков построить довольно сложную математическую модель или написать свою собственную программу. Сегодня MATLAB используется во многих областях науки и техники, среди которых обработка сигналов и изображений, проектирование систем управления, финансовые расчеты и медицинские исследования.

Программа MATHCAD

Другая сторона развития программного обеспечения — ориентация на “непрограммирующего пользователя”. В этом случае пользователь такой программы получает возможность сосредоточиться на сущности самой задачи, а не способах ее программной реализации. В свою очередь пользователь должен ясно представлять возможности используемой программы и заложенных в ней методов, а также уметь выбрать необходимую программу, соответствующую решаемой задаче.

MATHCAD – универсальный математический пакет, предназначенный для выполнения инженерных и научных расчетов. Математическое обеспечение программы позволяет решать многие задачи в объеме инженерной работы.

Основное преимущество программы перед типичными языками программирования — естественный математический язык, на котором формулируется решаемая задача.

Программа объединяет в себе: редактор математических формул, интерпретатор для вычислений, библиотеку математических функций, процессор символьных преобразований, текстовый редактор, графические средства представления результатов. Программа MATHCAD относится к интегрированным пакетам, т.е. позволяет не только произвести вычисления, но и получить документ - итоговый отчет с комментариями, формулами, таблицами и графиками. В отличие от издательских систем формулы в MATHCAD работают!

К положительным качествам MATHCAD следует отнести открытость - все приведенное в документе может быть воспроизведено, а интеграция в одном документе исходных данных, метода решения и результатов позволяет сохранить настройки для решения подобных задач.

Программа OrCad

В марте 2000 г. отделение Cadence PCB System Division фирмы Cadence Design Systems, в которое преобразована компания OrCAD, выпустило очередную версию OrCAD 9.2. 

Представление о версии OrCAD 9.2 дает перечень некоторых входящих в ее состав программных модулей:

OrCAD Capture CIS (Component Information System) — графический редактор схем, дополненный средством ведения баз данных компонентов; при этом зарегистрированные пользователи получают через Интернет (с помощью службы ICA, Internet Component Assistant) доступ к каталогу компонентов, содержащему более 200 тыс. наименований;

OrCAD PSpice A/D — программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, данные в которую передаются как из PSpice Schematics, так и из OrCAD Capture;

OrCAD PSpice Optimizer — программа параметрической оптимизации;

OrCAD Layout — графический редактор печатных плат;

Выбор использования той или иной программы зависит в первую очередь от уровня подготовки пользователей, так как все эти программы позволяют решать одну и ту же задачу.

Теория и практика проектирования силовых трансфор­маторов позволили установить, что выбор исходных дан­ных расчета оказывает существенное влияние на результа­ты расчета масс основных материалов трансформатора, параметров холостого хода и короткого замыкания и стои­мости. Поэтому выбор исходных данных должен произво­диться с учетом тех параметров, которые необходимо полу­чить или которые являются оптимальными для рассчиты­ваемого трансформатора /9/.

Помимо тех данных, которые обычно включаются в за­дание на расчет трансформатора, необходимо выбрать и ряд других, относящихся к магнитной системе, обмоткам и изоляции трансформатора.

После выбора исходных данных может быть произведен полный расчет трансформатора с подробным расчетом маг­нитной системы и обмоток, с точным определением пара­метров холостого хода и короткого замыкания. Поскольку для выбора оптимального варианта надо рассмотреть их большое число, эта работа является чрезвычайно трудоем­кой даже при условии использования ЭВМ. Поэтому возни­кает мысль, в целях экономии расчетной работы и уско­рения проектирования, разделить расчет на два этапа - предварительного и окончательного расчета, что облегчило бы решение этой задачи.

Для этапа предварительного проектирования желатель­но иметь такой метод, который позволил бы вести предвари­тельный расчет в обобщенном виде без углубления в мел­кие детали, был достаточно простым и быстрым, обладал приемлемой точностью и позволял оценивать результаты с разных точек зрения, в том числе и с экономической.

Та­кой метод должен давать не одно решение, а полную кар­тину изменения масс активных материалов, эксплуатацион­ных и экономических параметров трансформатора при из­менении любых исходных данных и допускать выбор оптимального решения путем экономической оценки рас­считанных вариантов с учетом таких факторов, как прин­ципиальная конструкция магнитной системы и обмоток, марка электротехнической стали, материал обмоток (мед­ные или алюминиевые), требования стандартов и др.

Обобщенный метод расчета мыслится как метод опре­деления основных данных трансформатора - основных размеров магнитной системы и обмоток, масс активных материалов, стоимости трансформатора, параметров холо­стого хода и короткого замыкания и некоторых других по­казателей на предварительной стадии расчета. В резуль­тате применения этого метода должна быть получена воз­можность выбора оптимального варианта, иногда несколь­ких вариантов, для дальнейшей детальной расчетной и конструктивной разработки. Для того чтобы обобщенный метод расчета силовых трансформаторов давал достаточ­но точные результаты, он должен быть основан на положе­ниях общей теории трансформаторов и теории проектиро­вания трансформаторов.

В любом таком методе неизбежно использование некото­рых допущений и некоторых величин, определяемых или оцениваемых приближенно. Число таких величин должно быть минимальным.

Метод должен быть достаточно универсальным для обобщенного расчета силовых трансформаторов в широком диапазоне мощностей — масляных и сухих, трехфазных и однофазных, двухобмоточных и трехобмоточных, с плоски­ми и пространственными магнитными системами из холод­нокатаной и горячекатаной электротехнической стали лю­бой марки, с обмотками из медного или алюминиевого про­вода.

Следует иметь в виду, что любой обобщенный метод расчета является приближенным и что при полном расчете магнитной системы и обмоток неизбежны некоторые откло­нения от первоначально намеченных данных, связанные с необходимостью выбирать диаметр стержня из нормализо­ванного ряда, округлять число витков до ближайшего цело­го числа, считаться с существующим сортаментом обмоточ­ных проводов, наличием стандартных деталей и т. д. При­менение обобщенного метода всегда позволяет найти оптимальное решение задачи при минимальном числе рас­сматриваемых вариантов и времени, необходимом на их исследование.

При практическом использовании метод должен допус­кать возможность учета требуемых параметров трансфор­матора путем включения их в прямом или скрытом виде в исходные данные или в основные расчетные формулы так, чтобы в результате расчета был получен трансформатор с теми именно свойствами или параметрами, которые требу­ются по заданию. Метод должен давать возможность ис­следования влияния тех или иных исходных данных или параметров на массы активных материалов, параметры хо­лостого хода и короткого замыкания, размеры трансфор­матора и другие его данные.

После выбора оптимального варианта по обобщенному методу для этого варианта, а иногда и двух-трех ближай­ших проводится полный расчет с установлением всех раз­меров магнитной системы, обмоток и основных данных си­стемы охлаждения, полным расчетом параметров коротко­го замыкания и холостого хода и разработкой конструк­ции.

В большинстве случаев при проектировании новых се­рий выбор активных материалов и конструктивных форм магнитной системы, обмоток и изоляции производится по соображениям, независимым от расчетных данных транс­форматоров серии, чем существенно упрощается задача расчета. В некоторых случаях при расчете серии произво­дится сравнение двух и более различных решений, напри­мер плоской и пространственной магнитных систем, мед­ных и алюминиевых обмоток и т. д. Существенно упроща­ется задача при расчете отдельного трансформатора изве­стной серии с заданными параметрами холостого хода и короткого замыкания.

Выполнение схем-разверток обмоток производится аналогично примерам, приведенным в учебниках. /2/

Схемы обмоток якорей машин постоянного изображают на чертежах в виде торцевых (вид со стороны коллектора) или развернутых схем. Наибольшее распространение получили развернутые схемы. Их изображение имеет ряд особенностей, связанных с тем, что каждая катушка обмотки якоря состоит из нескольких секций и имеет столько пар выходных концов, сколько секций содержится в ней. Выводные концы секций соединены с пластинами коллектора. Поэтому на схеме обмотки якоря нужно либо каждую секцию изображать отдельным многоугольником, либо показывать пазовые части катушки одной линией, а лобовые части каждой секции – отрезками, соединенными с концами пазовой части и с пластинами коллектора.

Схемы обмоток якорей, как правило, состоят из ряда повторяющихся одинаковых элементов, поэтому полное представление об обмотке могут дать и сокращенные, так называемые практические схемы. В практических схемах вычерчивают секции только одной из катушек: показывают расположение обеих сторон секции в элементарных и действительных пазах и их соединение с пластинами коллектора. Пластины нумеруют так, чтобы их номера совпадали с номерами элементарных пазов, в которых располагают стороны секций, соединенных с данными пластинами./15/

Изучая устройство синхронных машин, следует ознакомиться с процессом совершенствования их конструкций и достижениями советского электромашиностроения в этой области.

Одним из важнейших вопросов теории синхронной машины является реакция якоря. Расположение поля реакции якоря относительно главного поля машины зависит от характера нагрузки и определяется углом сдвига вектора тока статора относительно вектора ЭДС Различие магнитных сопротивлений по продольной и поперечной оси у явнополюсных и неявнополюсных машин определяет различные значения параметров .

Изучая раздел реакции якоря, следует помимо общих соотношений пересмотреть численные значения параметров для различных типов машин. Порядок величин необходимо знать. Эти данные приведены в учебниках. Должны быть усвоены методы определения всех параметров машин как аналитическим, так и экспериментальным путем. Весьма важным параметром является отношение короткого замыкания (о.КЗ) Величина о.КЗ определяет устойчивость работы машин в энергосистеме. Необходимо уяснить себе сущность этого параметра.

Основным методом анализа работы синхронных машин является метод векторных диаграмм. По векторным диаграммам строятся характеристики машин. Контрольные задания содержат задачи на построение векторных диаграмм.

Исследование несимметричной нагрузки синхронной машины производится с помощью метода симметричных составляющих. У синхронных машин в отличие от трансформаторов сопротивление обратной последовательности отличается от сопротивления прямой последовательности и зависит от степени насыщения машины. /15/