3212
.pdfМИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ, ЭНЕРГЕТИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ
Труды Всероссийской студенческой научно-технической конференции
(г. Воронеж, 25-26 октября 2021 г.)
Воронеж 2021
УДК 621.3:621.38(06) ББК 31.2.22я4
П759 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: |
|||||||||
|
труды Всероссийской |
студенческой научно-технической |
конференции |
|||||||
|
[Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые |
и граф. |
данные (3,2Мб)/ |
|||||||
П759 |
отв. ред. |
В. П. |
Шелякин. |
- |
Воронеж: |
ФГБОУ ВО «Воронежский |
||||
|
государственный |
технический |
университет», |
2021. – 1 электрон. опт. |
||||||
|
диск (CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; |
|||||||||
|
Windows |
XP; |
SVGA |
с |
разрешением 1024x768; |
Adobe Acrobat; |
||||
|
CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана. |
|
|
|
|
|||||
|
ISBN 978-5-7731-0989-1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
В трудах конференции рассмотрены вопросы оптимального проектирования, |
|||||||||
управления, эксплуатации |
устройств |
электромеханики, |
|
энергетики, |
электроники |
|||||
с использованием математических и физических моделей. |
|
|
|
|
||||||
|
Материалы |
сборника |
соответствуют |
научному |
|
направлению |
||||
«Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии, комплексы и системы управления» и перечню критических технологий Российской Федерации, утвержденному Президентом РФ.
Сборник |
предназначен для |
научных |
работников, |
инженеров |
|
и обучающихся по электроэнергетическим направлениям. |
|
|
|||
|
|
|
|
УДК 621.3:621.38(06) |
|
|
|
|
|
|
ББК 31.2.22я4 |
|
|
Редакционная коллегия: |
|
||
Шелякин В. П. |
|
− канд. техн. наук, доц. − ответственный редактор, |
|||
|
|
Воронежский государственный технический университет; |
|||
Тикунов А. В. |
|
− канд. техн. наук, доц., |
|
|
|
|
|
Воронежский государственный технический университет; |
|||
Ситников Н. В. |
|
− канд. техн. наук, доц., |
|
|
|
|
|
Воронежский государственный технический университет; |
|||
Горемыкин С. А. |
− канд. техн. наук, доц. − ответственный секретарь, |
||||
|
|
Воронежский государственный технический университет |
|||
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
ISBN 978-5-7731-0989-1 |
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный |
|
технический университет», 2021 |
ВВЕДЕНИЕ
Слово к читателю
У каждого молодого человека, стоящего на пороге взрослой жизни, есть своя мечта. Один мечтает о славе, другой – о достатке, третий – о впечатляющих приключениях…
Однако опыт, накопленный многими поколениями, свидетельствует, что наиболее содержательная жизнь всегда связана с творчеством, с созидательной деятельностью, поиском решений задач, которых еще никто не решил. Это – тропа первопроходцев. Умение сформулировать задачу и найти оптимальное ее решение – это надежный старт для содержательной интересной жизни.
Авторы сборника делают попытку стать на эту стезю. Хочется пожелать им твердости поступи и уверенности в успехе. Пусть выступление в этом сборнике и станет началом содержательной жизни, насыщенной захватывающими приключениями, созидательным трудом, научным поиском. Нужно только помнить, что успехи всегда окрыляют, придают уверенность, раздвигают горизонты поиска. Но не следует пренебрегать неудачами и огорчаться из-за них. Они должны закалять характер, воспитывать настойчивость и все то, что неизбежно приводит к новым успехам. Знание и опыт – главное богатство каждого человека. Это богатство следует приумножать постоянно.
Все мы ценим наследие предыдущих поколений первооткрывателей. Только благодаря их достижениям мы сегодня совершаем новые открытия, создаем изобретения. Наша задача – своими результатами еще выше поднять вершины знаний и умений. И здесь – наша ответственность перед потомками.
Хочется от всей души пожелать всем молодым авторам сборника уверенности в поиске и успехов в созидании.
В издании использованы авторские рисунки и иллюстрации, взятые из открытых источников Интернета.
Председатель орг. комитета |
Шелякин В. П. |
заведующий кафедрой ЭМСЭС |
|
3
УДК 621.313
А.А. Агапов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МИНИМИЗАЦИИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ БДПТ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ
Рассматривается проблематика использования бесконтактных электродвигателей постоянного тока в комплексе с редукторным механизмом для обеспечения требуемых характеристик привода при условии обеспечения минимальных массогабаритных показателей как электродвигателя отдельно, так и системы в целом.
Ключевые слова: БДПТ, редуктор, минимизация, привод.
Вусловиях современной рыночной экономики бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) охватывают практически все возможные сферы народного хозяйства от электроинструмента до приводов высокоточных систем стратегического назначения. Стоит также отметить, что двигатель постоянного тока, в том или ином исполнении, довольно часто используется в качестве системы обеспечения непрерывного движения ввиду возможности регулирования частоты вращения, что является неотъемлемым требованием, предъявляемым к современным приводам.
Вусловия рыночной экономики достаточно остро стоит вопрос применения определенного типа двигателя в качестве исполнительного органа с четко заданными характеристиками. В этом случая особый интерес представляет обеспечение оптимальных массогабаритных показателей не только электрической машины (ЭМ), но и комплекса «система управления – исполнительный двигатель – редуктор» в целом.
Выбор исполнительного электродвигателя, в частности БДПТ, обусловлен целым рядом фактором, среди которых одним из самых главных является обеспечение работы в рамках поля допустимых частот
имоментов, так называемый «закон движения». Данный закон описывает работу ЭМ с учетом параметров всей системы привода, что позволят наилучшим образом сформировать область исполнительных характеристик машины в рамках конкретного применения.
Вобщем виде, пренебрегая такими параметрами, как КПД и инерциальность редукторного механизма поле допустимых частот и моментов можно представить посредствам указанных ниже уравнений
(1) и (2):
4
|
|
|
|
(t) q C (t) |
|
|
(1) |
|||||
M (t) |
1 |
(J |
|
q2 |
J |
|
) |
|
(t) M |
|
(t) |
(2) |
|
Д |
H |
C |
нагр |
||||||||
|
q |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где Ω(t) и M(t) – требуемая характеристика работы двигателя (скорость и момент) в рамках общей системы привода;
ΩС(t) и εС(t) – условия изменения скорости и ускорения работы двигателя с учетом конкретной технической реализации системы привода;
Мнагр(t) – момент, обеспечивающий нагрузку двигателя; JД – момент инерции ротора двигателя
JH – момент инерции нагрузки на валу двигателя; q – передаточное число редукторного механизма.
Принимая во внимание вышеизложенное, с точки зрения создания ЭМ в рамках общей системы исполнительного органа задача проектирования новых БДПТ в большей степени сводится к формированию наиболее приемлемого конструктивного облика с учетом более сложного взаимодействия БДПТ и исполнительного органа и получения оптимальных характеристик всего комплекса, а не отдельных его элементов.
Однако, в рамках комплексной оптимизации всего исполнительного органа встает вопрос о возможности локальной минимизации массогабаритных показателей БДПТ с учетом требований, полученных на этапе формирования характеристик привода.
Минимизация исполнительного БДПТ возможна как за счет увеличения частоты вращения при сохранении выходной мощности, так и за счет применения многополюсной конструкции при изменении выходной мощности.
Минимизация БДПТ путем применения многополюсной конструкции неминуемо повлечет снижение частоты вращения, согласно соотношения (3), что характерно для данного класса ЭМ.
Ω |
U f |
|
(3) |
|
|
||
|
K p |
Ф |
|
где Uf – фазное напряжение;
5
К – поправочный коэффициент; р – число пар полюсов индуктора;
Ф – магнитный поток с полюса индуктора
Однако минимальные частоты вращения позволяют снизить передаточное число редуктора, что в конечном итоге повлечет снижение массы всего электромеханического узла.
Учитывая современные возможности систем управления с обеспечением регулирования частоты вращения в широких пределах довольно интересно представляется минимизация ЭМ с увеличением частоты вращения.
Главные размеры любой ЭМ определяются развиваемым
электромагнитным |
моментом |
(МЭМ, |
Н м) |
и |
допустимой |
электромагнитной |
силой (fk, |
Н/м2), |
действующей |
на единицу |
|
поверхности ротора. Необходимо отметить, что касательная сила fk создаёт электромагнитный момент вращения машины МЭМ, как видно из соотношения ниже:
М |
|
f |
|
D L |
D |
|
|
f |
|
D2 |
L |
(4) |
ЭМ |
k |
|
|
k |
||||||||
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где D – диаметр ротора, м;
L – активная длина ротора, м.
Следовательно, для вращающейся ЭМ справедливо равенство:
D 2 L |
2 М ЭМ |
(5) |
|
fk |
|||
|
|
Произведение D2·L, стоящее в левой части этого равенства, характеризует главные размеры ротора, которое можно представить следующим образом
|
|
L |
(6) |
|
|||
1 |
|
D |
|
|
|
|
Тогда уравнение (5) с учетом всех преобразований предстает в следующем виде:
6
D 2 D |
D3 |
|
2 М ЭМ |
(7) |
|
||||
1 |
1 |
|
fk |
|
|
|
|
|
На основе указанных соотношений был проведен анализ изменения объема исполнительного электродвигателя ДБ32 (рисунок 1) при варьировании частоты вращения, который в номинальном режиме развивает момент 0,1 Н м при скорости 12000 об/мин.
Рис.1. Конструкция электродвигателя ДБ32
Данные, полученные в результате анализа указанного метода минимизации, отражены в таблице .
|
|
|
Таблица |
|
Данные по результатам анализа метода минимизации |
|
|
||
Наименование параметра |
Вар. 1 |
ДБ32 |
Вар.2 |
|
Частота вращения, об/мин |
6 000 |
12 000 |
24 000 |
|
Масса, кг |
0,21 |
0,115 |
0,051 |
|
Объем, м3 |
33,4·10-6 |
19,2·10-6 |
8,6·10-6 |
|
В результате отчетливо прослеживается характер изменения объема ЭМ при варьировании частоты вращения ротора (рисунок 2).
7
Рис. 2. Зависимость объема ЭМ от частоты вращения
Анализируя полученные данные справедливо будет отметить, что увеличение частоты вращения БДПТ при сохранении выходной мощности с точки зрения комплексной оптимизации исполнительного органа позволяет в достаточно широких пределах изменять объем машины. При этом с точки зрения обеспечения требуемого закона движения вала применение многополюсной конструкции также довольно перспективно.
Указанные методы позволяют обеспечить снижение габаритов БДПТ разными путями, однако использование того или иного подхода зависит от ряда ограничений, накладываемых как на весь исполнительный орган, так и на электродвигатель, в частности.
Литература 1. Рабинович Л. В. Проектирование следящих систем. / Л. В.
Рабинович, Б. И. Петров, В. Г. Терсков, С. А. Сушков, Л. Д. Панкратов. Под редакцией д-ра техн. наук, проф. Л.В. Рабиновича. – М.: «Машиностроение», 1969. – 420 с.
Воронежский государственный технический университет
8
УДК 621.313
В.В. Котовчихина, С.А. Белозоров
ПОСТРОИТЕЛЬ СХЕМ ТРЁХФАЗНЫХ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Рассматривается вопрос построения развёрнутых схем трёхфазных двухслойных обмоток электрических машин. При этом учитывается распределение, укорочение и дробность обмотки. Представлено средство для автоматизации построения схем обмоток.
Ключевые слова: трёхфазные обмотки, машины переменного тока, БДПТ
В настоящее время невозможно представить жизнь без электрических машин. Их широкое применение обусловлено в первую очередь доступностью источников энергии, высокими КПД по сравнению с другими типами вращающих машин, габаритными размерами, относительной простотой конструкции, минимальными затратами на обслуживание и другими причинами.
Проектирование этих устройств имеет важную роль в промышленности страны. Улучшение характеристик ранее спроектированных электрических машин, создание машин с уникальными характеристиками (в том числе и для космической отрасли) — это задачи, решаемые инженерами. Любые решения, направленные на снижение временных затрат, ими высоко оцениваются.
При проектировании и ремонте электрических машин часто необходимо составить схему обмотки. Это рутинная задача, которую можно автоматизировать, что снизит временные затраты инженера.
Построение схем трёхфазных двухслойных статорных обмоток электрических машин, выполняют по одним и тем же правилам, которые освящены в ряде изданий [1,2]. Однотипность действий позволяет автоматизировать процесс и создать программный продукт для персонального компьютера, позволяющий визуализировать схему обмотки проектируемой электрической машины.
Следует отметить, что составление схем обмоток с дробным числом q, представляет некую сложность. При которой процесс построения затягивается в связи с необходимостью совершить дополнительные действия. В этом случае рекомендуется использовать векторные диаграммы ЭДС [1] или составлять таблицы размещения сторон катушечных групп [2].
На рис.1 представлен пример составления векторной диаграммы ЭДС, а в таблице пример формирования катушечных групп для
9
дробной трёхфазной обмотки со следующими параметрами: Z=12; 2p=10; m=3; y=1; q=0.4.
Таблица
Рис.1. Векторная диаграмма ЭДС
Подготовительные работы для дробных обмоток могут быть достаточно времязатратными, особенно если необходимо проанализировать несколько вариантов схем и определить более оптимальную.
На основании проанализированных методик [1][2] на языке программирования высокого уровня Python был создан программный продукт, предназначенный для автоматического построения развёрнутых схем обмоток с дробным и целым числом q. При этом программа позволяет переносить схему полученной обмотки в САПР систему Компас-График для дальнейшей обработки.
Интерфейс программы показан на рис.2, результат экспорта полученной схемы приведён на рис.3.
Рис.2. Главное окно построителя схем обмоток машин переменного тока
10