Проектирование электромеханической системы, используемой для привода управления ориентацией панелями солнечных батарей

F_цепи=F_д+F_zs+F_zr+F_as+F_ar=69,714 А.

Общий коэффициент насыщения

K_нас=F_цепи/F_д=1,095.

Намагничивающий ток

I_м=p•F_цепи/(0,9•m•W_s•K_ws)=0,38 А.

Индуктивное сопротивление, соответствующее потоку в воздушном зазоре

x_m=(U_ф-I_м•x_s)/I_м=57,517 Ом.

3.7 Потери в стали, механические и добавочные потери

Потери в стали статора

Масса ярма статора: G_as=7800•h_as•l•K_c•р•D_a-h_as=0,139 кг.

Удельные потери в стали 1521 при B=1 Тл и f=400 Гц: P_1,400=12,5 Вт/кг.

Потери в ярме: P_cas=1,6•P_1,400•B_as²•G_as•(f/400)^1,3=0,484 Вт.

Масса зубцов статора: G_zs=7800•z_s•h_zs•b_zs•l•K_c=0,047 кг.

Коэффициент обработки для изолированных необработанных листов K_обр=0,9.

Потери в зубцах статора: P_czs=1,8•P_1,400•B_zs²•G_zs•(f/400)^1,3•K_обр=0,198 Вт.

Потери в стали статора: P_cs=P_cas+P_czs=0,682 Вт.

Потери в стали ротора

Потери в стали ротора рассчитываем для максимального скольжения s=1.

Масса ярма ротора: G_as=7800•h_ar•l•K_c•р•(d_вала+h_ar)=0,09 кг.

Так как потери в стали ротора зависят от скольжения, запишем потери в ярме как функцию скольжения:

P_car(s)=1,6•P_1,400•B_ar²•G_ar•(f•s/400)^1,3

Масса зубцов ротора: G_zr=7800•Z_r•h_zr•b_zr•l•K_c=0,02 кг.

Потери в зубцах ротора:

P_czr(s)=1,8•P_1,400•B_zr²•G_zr•(f•s/400)^1,3•K_обр

Потери в стали ротора: P_cr(s)=P_car(s)+P_czr(s).

Механические потери

Так как двигатель работает в условиях космического вакуума, потери на вентиляцию отсутствуют. Потери в подшипниках малы, так как для передачи момента от двигателя к нагрузке применяется планетарный редуктор и двигатель работает в условиях невесомости. Учитывая изложенные выше факторы, механические потери в двигателе по сравнению с другими видами потерь можно принять равными нулю: P_мех=0.

Добавочные потери

Добавочные потери обусловлены высшими гармониками МДС, пульсациями главного магнитного потока, наличием массивных деталей в конструкции и др. Добавочные потери принимаются равными 0,5% от номинальной мощности:

P_доб=0,005·P_н=0,033 Вт.

3.8 Схема замещения

Рис. 3.3. Схема замещения фазы асинхронного двигателя

Полное сопротивление разветвления: Z_r'(s) = r_r'(s) + j*x_r'(s).

Полное сопротивление обмотки статора: Z_s = r_s + j*x_s = 4,188+j*0,094 (Ом)

Полное сопротивление фазы: Z₁(s) = Z_s + Z_r'(s).

3.9 Расчёт рабочих характеристик

Выражения для рабочих характеристик будут записаны как функции скольжения и графически построены с помощью программного комплекса Mathcad.

Фазный ток статора: I_a(s)=Uн/Z₁(s)

Сопротивление ротора: Z_ra(s) = r_r/s + j*x_r.

Ток ротора:

E(s) =I_a(s)·Z_r'(s)

Добавочный ток, учитывающий потери в стали статора:

I_ac(s)=P_cs/(m·E(s)).

Потери в меди статора: P_ms(s)=m·(I_a(s)+I_ac(s))²·r_s.

Активная мощность: P₁(s)=Re(3·U_н·I_a(s)).

Электромагнитная мощность: P_em(s)=P₁(s)-P_cs-P_ms(s).

Потери в обмотке ротора: P_mr(s)=P_em(s)·s.

Мощность на валу двигателя:

P₂(s)=P_em(s)-P_mr(s)-P_cr(s)-P_мех-P_доб.

КПД:

h(s)=P₂(s)/P₁(s).

Коэффициент мощности: cosf(s)=P₁(s)/|3·U_н·I_a(s)|.

Синхронная частота вращения: W₀=2·p·f/p=471,239 @04/A.

3.10 Проверка возможности работы двигателя под нагрузкой

Для проверки правильности расчёта двигателя необходимо сравнить полученные момент и скорость вращения с требуемыми по техническому заданию. Требуемая скорость вращения выходного вала W_2KE = (8,7±0,87)·10^_2 рад/с; момент на выходном валу блока: M_вых = 11,7..90 Н·м.

Передаточное число редуктора: i = W₀*(1-s_н)/W_2KE = 454,74/0,087 = 5227.

Момент на валу двигателя: M = M_вых/i = (2,3..17,2)·10^-3 Н·м.

Полученные значения обозначены пунктиром на рис.

Максимальное отклонение выходной скорости вращения от заданной:

DW_max = (470,8-454,74)/i = 3,1·10^-3 (рад/с),

то есть лежит в пределах заданного диапазона.

В данной главе был произведён расчёт трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Результатом расчёта двигателя стало построение следующих характеристик: P₂(s), cosj(P₂), h(P₂), I₁(P₂), M(P₂), W(P₂), W(M) (см. Приложение 3). Проанализировав данные характеристики можно сделать вывод, что спроектированный двигатель удовлетворяет всем требованиям, как по энергетическим показателям, так и по пусковым характеристикам. Для применения в рассматриваемой системе электропривода рекомендуется трёхступенчатый планетарный редуктор, который позволяет реализовать передаточное отношение одного звена i_зв=15..20 при минимальных габаритах и массе.

Необходимо отметить, что при проектировании были учтены конструктивные особенности, обусловленные спецификой применения данного электропривода.

Заключение

В данной работе была рассмотрена и спроектирована система электропривода солнечной батареи по крену для малого космического аппарата, включающая в себя трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и питающий его трёхфазный мостовой инвертор.

В первой главе была рассмотрена ЭМС в целом, показана целесообразность применения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в системе ориентации солнечной батареи.

Во второй главе в результате анализа существующих схем была выбрана и рассчитана схема статического преобразователя электрической энергии для питания асинхронного двигателя на базе трехфазного мостового инвертора с несимметричным 120-градусным управлением, подобрана для неё элементная база. Разработанный преобразователь имеет следующие характеристики:

• Первичный источник энергии -- бортовая сеть постоянного тока 27В;

• На выходе преобразователя трехфазное напряжение 22В, частотой 150Гц;

• Максимальная выходная мощность 100Вт;

• КПД - 0,928;

• возможность безотказной работы при затруднённом пуске асинхронного двигателя;

• минимально возможные масса и габариты за счёт отказа от радиатора и использования вместо него медных площадок печатной платы.

В третьей главе был произведён расчёт трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Полученные в ходе расчёта параметры асинхронного электродвигателя и системы в целом отвечают требованиям, предъявленным в техническом задании, что свидетельствует о возможности успешного применения рассмотренной системы электропривода солнечной батареи по крену на борту малого космического аппарата.

Список литературы

1. Беспалов В.Я., Котеленец Н.Ф. Электрические машины. М.: Издательский центр «Академия», 2006г. - 320 с.

2. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986г. - 376 с.

3. Остриров В.Н. Проектирование электронных преобразователей для регулируемых электроприводов. Издательский дом МЭИ, 2008г. - 72 с.

4. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В. Силовая электроника. М.: Издательский дом МЭИ, 2007г. - 632 с.

5. Описание транзистора IRLR2905, PD-9.1334C. International Rectifier

6. Описание высоковольтного драйвера IR2130, PD60019. International Rectifier

7. Сомихина Г.С., Лопухина Е.М. Формуляр расчёта асинхронных микродвигателей. На правах рукописи.

8. Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин: учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2005. - 767с.

9. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: учеб. пособие для студентов вузов. - М.: Высш. школа, 1982. - 272 с.

10. Грузков С.А., Останин С.Ю., Сугробов А.М. и др. Магнитные материалы, обмоточные, монтажные и бортовые провода для систем электрооборудования летательных аппаратов: учебн. пособие. М.: Издательство МЭИ, 2005. - 182 с.

Приложения

Приложение 1

Схема компьютерной модели инвертора с системой управления

Приложение 2

Фазные токи инвертора при различном порядке чередования фаз

Приложение 3

Характеристики спроектированного асинхронного двигателя

Механическая характеристика асинхронного двигателя

Точкой на характеристике обозначен номинальный режим работы.

Зависимость выходной мощности двигателя от скольжения

Зависимость фазного тока от выходной мощности двигателя

Зависимость момента от выходной мощности двигателя

Зависимость КПД и коэффициента мощности от выходной мощности двигателя

Размещено на Allbest.ru