Проект электромеханической системы управления ориентацией панелями солнечных батарей по крену для малых космических аппаратов
Анализ электромеханической системы электропривода солнечной батареи по крену: функциональные задачи, схема, принцип действия. Выбор инвертора электропривода СБ. Расчёт статического преобразователя электрической энергии. Разработка систем ориентации СБ.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.02.2017 |
| Размер файла | 1,9 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
hшr - высота прорези, принимаем hшr = 0,2 мм;
bшr - ширина прорези, принимаем bшr = 0,2 мм.
Диаметр паза:
(мм).
Высота паза:
hпr = dr+hшr = 2,92 (мм).
Площадь паза:
Sпr = p·dr2/4 = 5,81 (мм2).
Скос паза ротора принимаем равным одному зубцовому делению статора.
Диаметр ротора:
Dr = D-2д = 29,7 (мм).
Скос пазов по дуге окружности ротора:
bск = pDr/zs = 3,89 мм.
Центральный угол скоса пазов в электрических радианах:
aск = 2p·bск/Dr = 0,524.
Коэффициент скоса пазов:
Kск = 2sin(aск/2)/ aск = 0,989
Зубцовое деление ротора:
tr = p·Dr/zr = 5,83 (мм).
Скос пазов в долях зубцового деления ротора:
bск = bск/tr = 0,667
Обмоточный коэффициент обмотки ротора:
Kwr = Kск = 0,989.
3.5.2 Активное сопротивление ротора
В расчётах будем использовать удельное сопротивление алюминия при температуре T = 70°C сAl = 0,044•10-6Ом•м.
Перегрузочную способность принимаем mm = 2. По рис. 10 [7] находим номинальное скольжение Sн = 0,035 и критическое скольжение Sк = 0,15. Также принимаем предварительно xk = 2xs.
Длина пакета ротора: lr = l = 27 мм
Активное сопротивление стержня ротора:
rст = сAl•lr/Sпr = 0,1964 мОм.
Размеры замыкающего кольца: осевой ar = 5 мм; радиальный br = 10 мм.
Диаметр кольца:
Dк = Dr-br = 20 мм.
Активное сопротивление замыкающего кольца между стержнями:
Ом.
Активное сопротивление обмотки ротора, приведённое к обмотке статора:
Ом.
3.5.3 Приведённое индуктивное сопротивление ротора
Коэффициент демпфирования принимаем Kn = 1.
Коэффициент магнитной проводимости паза:
лпr = (0,785-bшr/2dr)•Kn+hшr/bшr = 1,748.
Коэффициент магнитной проводимости воздушного зазора:
лдr = tr/(11,9•д•Kд) = 2,771.
Коэффициент магнитной проводимости лобовых частей:
.
Коэффициент магнитной проводимости:
.
Коэффициент магнитной проводимости, приведённый к обмотке статора:
.
Приведённое индуктивное сопротивление ротора:
Ом.
Полное приведённое сопротивление ротора:
Zr = rr+j*xr = 2,919+j*0,205 Ом.
3.5.4 Проверка индукции в зубце и ярме ротора
Диаметр окружности центров пазов:
Dср = Dr-dr = 27 мм.
мм.
Расчётная ширина зубца:
bzr1 = t13-0,94·dr = 2,92 мм.
Индукция в зубце ротора:
Bzs = Bд•tr/(bzr1•Kc) = 0,966 Тл.
Расчётная высота зубца:
hzr = hпr-0,1·dr = 2,647 мм.
Диаметр вала электродвигателя принимаем равным: dвала = 4 мм.
Высота ярма ротора:
har = (Dr-5/6•dвала)/2-hzr = 11 мм.
Индукция в ярме ротора:
Bar = Фд/(2•har•l•Kc) = 0,395 Тл.
3.6 Намагничивающий ток
3.6.1 Магнитное напряжение воздушного зазора:
Fд = 0,8•106•Kд•Bд•д = 63,66 А
3.6.2 Магнитное напряжение зубцов статора
Выбираем электротехническую сталь марки 1521 с толщиной листа 0,2 мм.
По найденному ранее значению индукции в зубце статора Bzs = 0,864 Тл, по кривой намагничивания находим соответствующую напряжённость поля Hzs = 147 А/м.
Магнитное напряжение зубцов статора:
Fzs = Hzs·2·hzs = 1,388 А.
3.6.3 Магнитное напряжение зубцов ротора
Bzr = 0,966 Тл, по кривой намагничивания табл. П1.9 [10] Hzr = 164 А/м.
Магнитное напряжение зубцов ротора:
Fzr = Hzr·2·hzr = 0,868 А.
3.6.4 Коэффициент насыщения
Kz = (Fд+Fzs+Fzr)/Fд = 1,035.
3.6.5 Магнитное напряжение ярма статора
Bas = 0,788 Тл, по кривой намагничивания Has = 134 А/м. Коэффициент, учитывающий неравномерность распределения индукции оs = 0,6.
Магнитное напряжение ярма статора:
Fas = оs•Has•р(Da-has)/2p = 2,824 А
3.6.6 Магнитное напряжение ярма ротора
Bar = 0,395 Тл, по кривой намагничивания Har = 67А/м. Коэффициент, учитывающий неравномерность распределения индукции оs = 0,64.
Магнитное напряжение ярма ротора:
Far = оr•Har•р(dвала+har)/2p = 0,979 А
3.6.7 МДС магнитной цепи на пару полюсов
Fцепи = Fд+Fzs+Fzr+Fas+Far = 69,714 А
3.6.8 Общий коэффициент насыщения
Kнас = Fцепи/Fд = 1,095.
3.6.9 Намагничивающий ток
Iм = p•Fцепи/(0,9•m•Ws•Kws) = 0,38 А.
3.6.10 Индуктивное сопротивление, соответствующее потоку в воздушном зазоре
xm = (Uф-Iм•xs)/Iм = 57,517 Ом.
3.7 Потери в стали, механические и добавочные потери
3.7.1 Потери в стали статора
Масса ярма статора:
Gas = 7800•has•l•Kc•р•Da-has = 0,139 кг.
Удельные потери в стали 1521 при B = 1 Тл и f = 400 Гц: P1,400 = 12,5 Вт/кг.
Потери в ярме:
Pcas = 1,6•P1,400•Bas2•Gas•(f/400)1,3 = 0,484 Вт.
Масса зубцов статора:
Gzs = 7800•zs•hzs•bzs•l•Kc = 0,047 кг.
Коэффициент обработки для изолированных необработанных листов Kобр = 0,9.
Потери в зубцах статора:
Pczs = 1,8•P1,400•Bzs2•Gzs•(f/400)1,3•Kобр = 0,198 Вт.
Потери в стали статора:
Pcs = Pcas+Pczs = 0,682 Вт.
3.7.2 Потери в стали ротора
Потери в стали ротора рассчитываем для максимального скольжения s = 1.
Масса ярма ротора:
Gas = 7800•har•l•Kc•р•(dвала+har) = 0,09 кг
Так как потери в стали ротора зависят от скольжения, запишем потери в ярме как функцию скольжения:
Pcar(s) = 1,6•P1,400•Bar2•Gar•(f•s/400)1,3
Масса зубцов ротора:
Gzr = 7800•Zr•hzr•bzr•l•Kc = 0,02 кг.
Потери в зубцах ротора:
Pczr(s) = 1,8•P1,400•Bzr2•Gzr•(f•s/400)1,3•Kобр
Потери в стали ротора:
Pcr(s) = Pcar(s)+Pczr(s).
3.7.3 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: Pмех = 0.
3.7.4 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: Pдоб = 0,005·Pн = 0,033 Вт.
3.8 Схема замещения
Рис. 3.3 Схема замещения фазы асинхронного двигателя
Запишем активное сопротивление разветвления (xm, xr, rr) как функцию скольжения:
Индуктивное сопротивление разветвления:
Полное сопротивление разветвления:
Zr'(s) = rr'(s) + j*xr'(s).
Полное сопротивление обмотки статора:
Zs = rs + j*xs = 4,188+j*0,094 (Ом).
Полное сопротивление фазы:
Z1(s) = Zs + Zr'(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:
Ia(s) = Uн/Z1(s)
Сопротивление ротора:
Zra(s) = rr/s + j*xr.
Ток ротора:
E(s) = Ia(s)·Zr'(s)
Добавочный ток, учитывающий потери в стали статора:
Iac(s) = Pcs/(m·E(s)).
Потери в меди статора:
Pms(s) = m·(Ia(s)+Iac(s))2·rs.
Активная мощность:
P1(s) = Re(3·Uн·Ia(s)).
Электромагнитная мощность:
Pem(s) = P1(s)-Pcs-Pms(s).
Потери в обмотке ротора:
Pmr(s) = Pem(s)·s.
Мощность на валу двигателя:
P2(s) = Pem(s)-Pmr(s)-Pcr(s)-Pмех-Pдоб.
КПД:h(s) = P2(s)/P1(s).
Коэффициент мощности:
cosf(s) = P1(s)/|3·Uн·Ia(s)|.
Синхронная частота вращения:
W0 = 2·p·f/p = 471,239 рад/с.
Критическое скольжение:
,
где xk = xr+xs.
Критический момент:
Н·м.
Момент на валу двигателя:
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 вых = (8,7-0,87)·10_2 рад/с; момент на выходном валу блока: Mвых = 11,7..90 Н·м.
Передаточное число редуктора:
i = 0*(1-sн)/вых = 454,74/0,087 = 5227.
Момент на валу двигателя:
M = Mвых/i = (2,3..17,2)·10-3 Н·м
Полученные значения обозначены пунктиром на рис. П3.1.
Максимальное отклонение выходной скорости вращения от заданной:
max = (470,8-454,74)/i = 3,1·10-3 (рад/с)
то есть лежит в пределах заданного диапазона.
Выводы
В данной главе был произведён расчёт трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Результатом расчёта двигателя стало построение следующих характеристик: P2(s), cos(P2), (P2), I1(P2), M(P2), (P2), (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 iзв = 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», 2006 г. - 320 с.
2. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986 г. - 376 с.
3. Остриров В.Н. Проектирование электронных преобразователей для регулируемых электроприводов. Издательский дом МЭИ, 2008 г. - 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.
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
Рис. П 3.1 Механическая характеристика асинхронного двигателя
Точкой на характеристике обозначен номинальный режим работы
Рис. П 3.2 Зависимость выходной мощности двигателя от скольжения
Рис. П 3.3 Зависимость фазного тока от выходной мощности двигателя
Рис. П 3.4 Зависимость момента от выходной мощности двигателя
Рис. П 3.5 Зависимость КПД и коэффициента мощности от выходной мощности двигателя
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Расчет и выбор источника питания для электропривода на базе комплектного тиристорного преобразователя. Особенности построения электромеханической характеристики РЭП в замкнутой системе. Проектирование средств сопряжения СЭП и системы управления.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 31.05.2010Исследование электромеханической системы с наблюдателем. Реализация цифрового модального регулятора. Электромеханическая система управления руки робота. Структурная схема электромеханической следящей системы с свернутой структурной схемой двигателя.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 20.11.2013Принцип действия и функциональная схема электромеханической позиционной следящей системы. Выбор основных элементов, определение их математических моделей. Расчет параметров схемной реализации корректирующего устройства. Определение коэффициента усиления.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 01.12.2016Разработка силовой схемы преобразователя. Расчет параметров и выбор силового трансформатора, тиристоров, сглаживающего дросселя. Проектирование функциональной схемы АЭП и электрической схемы блока системы импульсно-фазного управления электропривода.
курсовая работа [575,2 K], добавлен 17.05.2014Применение средств автоматики для замены труда человека в рабочих операциях и функциях управления. Работа линейного элемента электромеханической системы автоматики, определение передаточных функций системы для управляющего и возмущающего воздействий.
курсовая работа [214,4 K], добавлен 09.11.2014Выбор системы электропривода и типоразмера электродвигателя. Выбор силового оборудования и расчет параметров электропривода. Синтез системы автоматического управления. Анализ статических показателей, динамики электропривода. Расчет узлов ограничений.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 13.01.2016Рассмотрение особенностей солнечных элементов и выбор типа солнечной панели. Анализ типовых схемотехнических и конструкторских решений контроллеров заряда аккумуляторной батареи. Разработка структурной и электрической схемы, конструкции устройства.
дипломная работа [4,7 M], добавлен 10.10.2015Разработка алгоритма управления и расчёт параметров устройств управления: моделирование процессов управления, определение и оценка показателей качества, разработка принципиальной электрической схемы и выбор датчиков управления элементами электропривода.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 05.01.2010Исследование бустерной схемы DC – DC преобразователя, используемой в подвижных и стационарных автономных объектах различного назначения, снабжённых автономными первичными источниками электрической энергии типа аккумуляторных или солнечных батарей.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 03.01.2009Функциональная и структурная схемы электропривода. Переход к относительным единицам. Определение параметров силового электрооборудования. Построение статических характеристик замкнутой системы электропривода. Выбор типа регуляторов и расчет их параметров.
курсовая работа [90,9 K], добавлен 17.04.2010
