Дипломная работа: Моделирование нагрева асинхронного двигателя
Поэтому
известные попытки использования устройств защиты асинхронных двигателей,
реализованных с помощью тепловых моделей [9,11,12], по мнению автора, не
способны обеспечить срабатывание защиты именно в тот момент времени, когда
фактическая температура обмотки достигает значения уставки. В публикациях,
посвященных этим устройствам защиты, отсутствует оценка погрешности их
срабатывания.
Однако для
решения задачи выбора двигателя по мощности тепловую модель использовать можно,
так как при проектировании электропривода мощность двигателя выбирается с
небольшим запасом, который компенсирует погрешность модели.
5.
Экономический расчет
Затраты на
разработку и реализацию лабораторной работы определяются по формуле:
, (5.1)
где Сосн,зп
– основная заработная плата персонала, руб.;
Сдоп,зп
– дополнительная заработная плата персонала, руб.;
Сн,з
– налоги на заработную плату, руб.;
Спо
– затраты на приобретение программного обеспечения, руб.;
Свт
– затраты на содержание и эксплуатацию вычислительной техники, руб.;
Сн
– накладные расходы, руб.
Основная
заработная плата рассчитывается как:
, (5.2)
где Тразраб
– время необходимое для разработки лабораторной работы, ч;
З – основная
заработная плата персонала за один час, руб./ч.
Для
разработки лабораторной работы необходимо Тразраб=150 ч. Исполнителем
является инженер-программист. Оклад инженера-программиста третьей категории
составляет 800 руб. в месяц. При условии, что продолжительность рабочего дня
равна 8 ч, а в месяце 22 рабочих дня, основная заработная плата за 1 ч
составит:
руб./ч.
Основная
заработная плата инженера-программиста за весь период разработки в соответствии
с выражением (5.2) составит:
руб.
Дополнительная
заработная плата рассчитывается в процентах от основной заработной платы и
составляет 12%. Дополнительная заработная плата инженера-программиста за весь
период разработки составит:
руб.
Налоги на
заработную плату берутся в размере 36,6% от суммы основной и дополнительной
заработной платы. Налоги на заработную плату за весь период разработки и реализации
лабораторной работы составят:
руб.
Затраты на
приобретение программного обеспечения берутся как стоимость программного
обеспечения. Стоимость полного пакета MatLab 6.1, в которой реализуется лабораторная работа,
52500 руб. Следовательно затраты на приобретение программного обеспечения
составят:
Спо=52500
руб.
Затраты на
содержание и эксплуатацию вычислительного комплекса определяются следующим
образом:
, (5.3)
где см-ч
– стоимость машино-часа, руб./ч.
Стоимость
машино-часа:
, (5.4)
где Сэл,эн
– стоимость потребляемой в год электроэнергии, руб.;
А –
амортизация в год, руб.;
Срем
– затраты на ремонт в год, руб.;
Твт
– действительный фонд времени работы вычислительной техники, ч.
Стоимость
потребляемой в год электроэнергии:
, (5.5)
где р –
мощность, потребляемая из сети одной ЭВМ, кВт;
Тном
– номинальный фонд времени работы ЭВМ в год, ч;
сэ
– стоимость 1 кВт/ч электрической энергии, руб./(кВт∙ч).
Мощность, потребляемая
из сети одной ЭВМ, р=0,25 кВт. Стоимость 1 кВт∙ч электрической энергии сэ=1,2
руб./(кВт∙ч). При условии, что продолжительность рабочего дня равна 8 ч,
а в месяце 22 рабочих дня, номинальный фонд времени работы ЭВМ равен:
Tном=8∙22∙12=2112 ч.
За год
отчисления на электрическую энергию составят:
руб.
Амортизация
вычислительной техники считается как 25% от ее балансовой стоимости. Стоимость
ЭВМ, необходимой для работы – 15000 руб. Амортизация вычислительной техники за
год составит:
руб.
Затраты на
ремонт в год считаются как 4% от стоимости ЭВМ и составляют:
руб.
Действительный
фонд времени работы ЭВМ в год рассчитывается как:
, (5.6)
где Тном
– номинальный годовой фонд времени работы ЭВМ, ч;
Тпроф
– годовые затраты времени на профилактические работы (принимаются 10% от Тном),
ч.
Действительный
фонд времени работы ЭВМ по выражению (5.6):
ч.
Стоимость
машино-часа по выражению (12.4):
руб./ч.
Затраты на
содержание и эксплуатацию ЭВМ по выражению (5.3):
руб.
Накладные
расходы рассчитываются как 30% от основной заработной платы и составляют:
руб.
Смета затрат
на разработку и реализацию лабораторной работы приведена в таблице 5.1.
Таблица 5.1 –
Смета затрат на разработку и реализацию лабораторной работы
№ п/п |
Наименование статьи
расхода |
Цена за единицу, руб. |
Кол-во |
Стоимость, руб. |
1 |
Основная заработная
плата персонала. |
– |
– |
681 |
2 |
Дополнительная
заработная плата персонала. |
– |
12% |
81,72 |
3 |
Налоги на заработную
плату |
– |
36,6% |
279,16 |
4 |
Программное обеспечение. |
52500 |
1 |
52500 |
5 |
Содержание и
эксплуатация вычислительной техники. |
393 |
1 |
393 |
6 |
Накладные расходы. |
– |
30% |
204,3 |
ИТОГО: |
54139,18 |
Заключение
В процессе
дипломирования была решена задача определения параметров тепловой модели
асинхронного двигателя. В основе последней лежит представление двигателя двумя
коаксиальными цилиндрами. Внешний цилиндр представляет сталь сердечника
статора, внутренний – медь обмоток статора. Процессы нагрева и охлаждения в
двигателе в этом случае описываются системой дифференциальных уравнений второго
порядка. Коэффициенты теплоотдачи входящие в эту систему были определены путем
преобразования эквивалентной тепловой схемы асинхронного двигателя закрытого
исполнения, содержащей шесть узлов, в схему с двумя узлами. Преобразование
тепловой схемы выполнялось для стационарного режима, так как коэффициенты
теплоотдачи в переходном и стационарном режимах одинаковы.
Полученные
результаты используются в компьютерной лабораторной работе «Моделирование
нагрева асинхронного двигателя в различных режимах работы». Лабораторная работа
выполнена в программной среде MatLab 6.1, и в ее приложении Simulink 4. Данная работа
позволяет моделировать процессы нагрева и охлаждения асинхронного двигателя
практически в любых режимах его работы. Изначально для моделирования
предлагаются три основных режима работы асинхронного двигателя – S1, S2, S3, но так же имеется
возможность задания произвольного режима работы средствами приложения Simulink.
Список
использованных источников
1.
Алекссев А.Е. Конструкция
электрических машин. – М.: ГЭИ, 1949. – 562 с.
2.
Борисенко А.И.,
Костиков А.И., Яковлев А.И. Охлаждение промышленных электрических
машин. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 296 с.
3.
Исаченко В.П.,
Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергоатомиздат,
1981. – 346 с.
4.
Сипайлов Г.А.,
Санников Д.И., Жадан В.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические
расчеты в электрических машинах. – М.: Высш. шк., 1989. – 239 с.
5.
Филиппов И.Ф. Теплообмен
в электрических машинах. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 256 с.
6.
Ковалев В.З. Моделирование
электротехнических комплексов и систем как совокупности взаимодействующих
подсистем различной физической природы: Дисс. д-ра техн. наук: 05.09.03/ОмГТУ.
– Омск, 2000. – 338 с.
7.
Ключев В.И. Теория
электропривода. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 560 с.
8.
Михайлов О.П. Автоматизированный
электропривод станков и промышленных роботов. – М.: Машиностроение, 1990. – 238 с.
9.
Беспалов В.Я.,
Мощинский Ю.А., Цуканов В.И. Упрощенная математическая модель
нестационарного нагрева и охлаждения обмотки статора асинхронного двигателя. //
Электричество. – 2003. – №4. – С. 20–26.
10. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное
моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0. – СПб.: Корона
принт, 2001. – 320 с.
11. Синчук О.Н., Чумак В.В.,
Михайлов С.Л. Тепловая модель кранового АД для диагностирования и
настройки цифровой защиты от перегрузок. // Электротехника. – 2003. – №3.
– С. 61–65.
12. Бугаев Г.А., Леонтьев А.Н.,
Ерохин Е.Ю., Павлова Д.А. Математические модели нагрева и
охлаждения асинхронных двигателей для микропроцессорного реле тепловой защиты. //
Электротехника. – 2001. – №2. – С. 31–36.
13. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С.,
Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. – М.: Высш. шк.,
1984. – 431 с.
14. Копылов И.П. Электрические
машины. – М.: Высш. шк., 2000. – 607 с.
15. Домбровский В.В., Зайчик В.М. Асинхронные
машины: Теория, расчет, элементы проектирования. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. –
368 с.
16. Дьяконов В.П. MatLab
6/6.1/6.5+Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. – М.:
СОЛОН-Пресс, 2002. – 768 с.
17. Асинхронные двигатели
серии 4А: Справочник/А.Э. Кравчик и др. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 504 с.
Приложение
А
Текст m-файла, рассчитывающего
параметры тепловой модели
%–1. Исходные
данные–%
% Основные
параметры
P2=11000;%Номинальная
мощность на валу двигателя
KPD=[eps 0.8 0.87 0.88 0.88
0.87];%Коэффициент полезного действия
cosf=[eps 0.65 0.82 0.87 0.9 0.9];%Коэффициент
мощности
U1_lin=380;%Номинальное
линейное напряжение
n1=3000;%Синхронная
частота вращения
m=3;%Количество фаз
статора
h=132;%Высота оси
вращения, мм
p=1;%Число пар полюсов
% Параметры
станины
Dc=0.245;%Диаметр станины у
основания ребер
l_svp=0.15;%Длина свисающей
части станины со стороны привода
l_svv=0.15;% Длина свисающей
части станины со стороны вентилятора
d_dsh=0;%Зазор между
диффузором и щитом в месте крепления
Z_rs=12;%Количество ребер
станины
h_rs=23*10^(-3);%Высота ребра
станины
d_rs=0.002;%Толщина ребра
станины
% Параметры
вентилятора
D_v=0.214;%Внешний диаметр
вентилятора
% Параметры
статора
Da=0.225;%Внешний диаметр
сердечника
D=0.13;%Внутренний диаметр
сердечника
l_p=0.13;%Длина паза
Z1=24;%Число пазов статора
kc=0.97;%Коэффициент
шихтовки
%Параметры
паза статора
b1=0.0134;%Ширина паза
статора у основания
b2=0.0102;%Ширина паза
статора в вершине
h_p=0.0165;%Высота паза
k_zp=0.75;% Коэффициент
заполнения паза
h_sh=0.0009;%Высота шлица
b_sh=0.004;%Ширина шлица
b_z=0.00656;%Ширина зубца
h_z=0.0165;%Высота зубца
%Параметры
ротора
D_rot=0.129;%Внешний диаметр
ротора
Z2=19;%Число пазов ротора
b_k=0.025;%Ширина
короткозамыкающего кольца
a_k=0.023;%Высота
короткозамыкающего кольца
b_l=0.041;%Ширина лопатки
ротора
a_l=0.022;%Высота лопатки
ротора
n_l=12;%Количество лопаток
ротора
KPD_lr=0.6;%Коэффициент
качества лопатки, рассматриваемой как ребро
d=0.6*10^(-3);%Толщина
воздушного зазора между ротором и статором
%Параметры
паза ротора
b1_rot=10.8*10^(-3);%Ширина
паза ротора в вершине
b2_rot=7.1*10^(-3);%Ширина паза
ротора у основания
h_p_rot=20.2*10^(-3);%Высота
паза ротора
% Параметры
обмотки статора
w_1=84;%Число витков в
фазе обмотки
a=1;%Число параллельных
ветвей в фазе обмотки статора
n=3;%Число элементарных
проводников в эффективном
l_sr=0.772;%Средняя длина
витка обмотки статора
l_lob=0.256;%Развернутая длина
лобовой части с одной стороны
l_lobv=0.07;%Длина вылета
лобовой части
d_i=1.28;%Диаметр
изолированного элементарного проводника обмотки
k_p=0.9;%Коэффициент
пропитки обмотки статора
k_obm=0.958;%Обмоточный
коэффициент обмотки статора
d_okr=0;%Толщина окраски
обмотки в лобовой части
T_sr=100;%Средняя температура
обмотки, град
% Параметры
изоляции
d_ip=0.25*10^(-3);%Толщина
пазовой изоляции
%
Коэффициенты, характеризующие физические свойства материалов
v=15.8*10^(-6);%Кинематическая
вязкость воздуха
lam_v=0.03;%Коэффициент
теплопроводности воздуха
lam_m=384;%Коэффициент
теплопроводности меди
lam_a=189;%Коэффициент
теплопроводности алюминия клетки
lam_st=47;% Коэффициент
теплопроводности материала станины
lam_s=34;% Коэффициент
теплопроводности стали пакета статора
lam_p=0.28;% Коэффициент
теплопроводности пропиточного состава
lam_i=0.26;% Коэффициент
теплопроводности изоляции проводов
lam_okr=0.2;%Коэффициент
теплопроводности окраски обмотки в лобовой части
lam_p_iz=0.41;% Коэффициент
теплопроводности пазовой изоляции
gamma_m=8.89*(10^3);%Плотность
меди обмотки статора
gamma_st=7.65*(10^3);%Плотность
стали пакета статора
c_m=386;%Удельная
теплоемкость меди обмотки статора
c_st=500;%Удельная
теплоемкость стали пакета статора
r_m=(1/57)*(10^(-6));%Удельное
сопротивление меди обмотки статора
r_al=(1/22)*(10^(-6));%Удельное
сопротивление алюминия клетки ротора
%–2.
Промежуточные вычисления–%
%Окружная
скорость ротора
u=(pi*n1*D_rot)/60;
% Окружная
скорость вентилятора
u_vent=(pi*n1*D_v)/60;
%Эффективная
(по меди) ширина паза
b_p_ef=((b1+b2)/2) – 2*d_ip;
%Эффективная
(по меди) высота паза
h_p_ef=h_p-2*d_ip-h_sh – ((b2-b_sh)/2);
%Средняя
ширина паза
b_p=(b1+b2)/2;
%Внутренний
диаметр лобовой части
D_l_vt=D+h_sh+d_ip+(b2-b_sh)/2;
%Внешний
диаметр лобовой части
D_l_vsh=D_l_vt+1.4*h_p_ef;
%Диаметр
окружности касательной к дну пазов
D_dp=D+2*h_p;
%Эквивалентный
коэффициент теплопроводности обмотки
lam_ekv=exp
(-4*k_zp)*(4.65*(k_zp^1.5) – 0.7053)*(1+0.81*(d_i^2)-…
0.32*d_i*(1–9.2*k_p+5.2*(k_p^2)))*…
(1+(0.0428*k_zp0.0253)*T_sr)*((lam_p/0.162)^0.33)*((lam_i/0.143)^0.25);
%Эквивалентный
коэффициент теплопроводности воздушных прослоек в пазу
lam_v_ekv=2*lam_v*lam_p*(lam_p*k_p+lam_v*(1
– k_p))/(lam_v*lam_p+…
(lam_p*k_p+lam_v*(1-k_p))*(lam_v*k_p+lam_p*(1-k_p)));
%Термическое
сопротивление зубца
R_z=h_z/(3*lam_s*b_z*l_p*Z1*kc);
%Площадь меди
в пазу статора
F_m=(3*a*w_1*pi*(d_i^2)/(2*Z1))*10^(-6);
%Площадь
алюминия в пазу ротора
F_a=(pi/8)*((b1_rot^2)+(b2_rot^2))+(h_p_rot/2)*(b1_rot+b2_rot);
%Выбор
толщины воздушных прослоек
if 50<=h<=132
d_vp=0.05*(10^(-3));
elseif
160<=h<=250
d_vp=0.1*(10^(-3));
else
d_vp=0.15*(10^(-3));
end
%–3. Расчет
тепловых сопротивлений–%
%–3.1
Сопротивление аксиальное меди статора–%
R_a=(l_p+l_lob)/(12*lam_m*F_m*Z1);
disp ('Сопротивление
аксиальное меди статора'); disp (R_a);
%–3.2
Сопротивление между внутренним воздухом и корпусом–%
%Площадь
внутренней поверхности свесов станины
F_st_pr=(Da*pi*l_svp)/2;
F_st_v=(Da*pi*l_svv)/2;
%Площадь
поверхности подшипникового щита
F_sch=(Da^2)*pi/4;
%Коэффициент
теплопередачи внутренней поверхности свесов станины
RE_s=(u*Da)/(2*v);
if
h<160
NU_s=43.78*(RE_s^0.17)*((Da-D_l_vsh)/D)^0.25;
else
if
d_dsh==0
NU_s=11.64*(RE_s^0.395);
else
NU_s=3*(RE_s^0.495)/ln
(1.3*D/(Da-D));
end
end
a_s=NU_s*lam_v/Da;
%Сопротивление
между внутренним воздухом и открытыми частями станины
R_st_pr=1/(F_st_pr*a_s);
R_st_v=1/(F_st_v*a_s);
%Коэффициент
теплоотдачи внутренней поверхности подшипникового щита
RE_sch=u*(Da+D)/(4*v);
if
h<160
NU_sch=8.34*(RE_sch^0.26)*((Da-D)/D)^(-0.5);
else
if
d_dsh==0
NU_shs=5.12*(RE_sch^0.48)*(2*Da/(Da+D))^(-0.52);
else
NU_sch=1.01*(RE_sch^0.63)*ln
(D/(5.25*d_dsh))*(2*Da/(Da+D))^(-0.52);
end
end
a_sch=(2*NU_sch*lam_v)/(Da+D);
%Сопротивление
между внутренним воздухом и подшипниковым щитом
R_sch=1/(F_sch*a_sch);
%Сопротивление
между внутренним воздухом и корпусом
R_vk=1/((1/R_st_pr)+(1/R_st_v)+(2/R_sch));
disp ('Сопротивление
между внутренним воздухом и корпусом'); disp (R_vk);
%–3.3
Сопротивление между внешним воздухом и корпусом–%
%Расходная
скорость на входе в каналы
w_vh=0.45*u_vent;
%Эффективная
скорость
w_ef=sqrt((w_vh^2)+0.25*(u_vent^2));
%Шаг ребер
t_r=2*Dc*pi/(2*Z_rs);
%Гидравлический
диаметр межреберного канала
d_g=4*h_rs*t_r/(2*h_rs+t_r);
%Коэффициент
теплопроводности на входе в канал
RE_ef=w_ef*d_g/v;
NU_vh=0.627*(RE_ef^0.52);
a_vh=NU_vh*lam_v/d_g;
%Коэффициент
уменьшения КТО
gamma=0.055*(1-tanh (0.062*((Dc/d_g) – 12.5)));
%Коэффициент
теплоотдачи станины над пакетом
a_sp=a_vh*d_g*(1-exp (-gamma*l_p/d_g))/(gamma*l_p);
%Коэффициент
теплоотдачи свисающей части станины со стороны привода
a_spr=a_vh*d_g*(1-exp
(-gamma*l_svp/d_g))/(gamma*l_svp);
%Коэффициент
теплоотдачи свисающей части станины со стороны вентилятора
a_sv=a_vh*d_g*(1-exp
(-gamma*l_svv/d_g))/(gamma*l_svv);
%Коэффициент качества ребер станины
mh=h_rs*sqrt
(2*a_sp/(d_rs*lam_st));
KPD_r=tanh(mh)/mh;
%Сопротивление
между станиной над пакетом и внешним воздухом
R7=1/(a_sp*l_p*(pi*Dc-Z_rs*d_rs+2*h_rs*Z_rs*KPD_r));
%Сопротивление
между свисающей частью станины со стороны привода и внешним воздухом
R6=1/(a_spr*l_svp*(pi*Dc-Z_rs*d_rs+2*h_rs*Z_rs*KPD_r));
%Сопротивление
между свисающей частью станины со стороны вентилятора и внешним воздухом
R8=1/(a_sv*l_svv*(pi*Dc-Z_rs*d_rs+2*h_rs*Z_rs*KPD_r));
%Коэффициент
теплоотдачи внешней поверхности подшипникового щита со стороны привода
a_sch_pr=20+1.6*(u_vent^0.7);
%Коэффициент
теплоотдачи внешней поверхности подшипникового щита со стороны вентилятора
if
h<160
a_sch_v=20+8.2*(u_vent^0.8);
else
a_sch_v=20+9.4*(u_vent^0.6);
end;
%Площадь
поверхности подшипникового щита
F_sch=(Da^2)*pi/4;
%Сопротивление
подшипникового щита со стороны привода
R26=1/(a_sch_pr*F_sch);
%Сопротивление
подшипникового щита со стороны вентилятора
R11=1/(a_sch_v*F_sch);
%Сопротивление
между внешним воздухом и корпусом
R_k=1/((1/R6)+(1/R7)+(1/R8)+(1/R11)+(1/R26));
disp ('Сопротивление
между внешним воздухом и корпусом'); disp (R_k);
%–3.4
Сопротивление между медью статора и внутренним воздухом–%
%Продуваемая
длина лобовой части обмотки с одной стороны
l_lobp=l_lobv-1.4*b_p;
%Коэффициенты
теплоотдачи лобовых частей обмоток статора
RE_vsh=u*D_l_vsh/(2*v);
RE_vt=u*D_l_vt/(2*v);
NU_vsh=0.103*(RE_vsh^0.67);
NU_vt=0.456*(RE_vt^0.6);
a_l_vsh=NU_vsh*lam_v/D_l_vsh;
a_l_vt=NU_vt*lam_v/D_l_vt;
%Сопротивление
внешней продуваемой лобовой части обмотки
R1_l_vsh=(0.104*b_p*h_p_ef/(lam_ekv*l_lobp*Z1*((b_p^2)+0.25*…
(h_p_ef^2))))+(0.75*((d_okr/lam_okr)+(1/a_l_vsh))/(l_lobp*Z1*(b_p+…
0.5*h_p_ef)));
%Сопротивление
внешней непродуваемой лобовой части обмотки
R2_l_vsh=((h_p_ef/(3*lam_ekv))+(d_okr/lam_okr)+(1/a_l_vsh))/…
(pi*D_l_vsh*(l_lobv-l_lobp));
%Сопротивление
внутренней продуваемой лобовой части обмотки
R1_l_vt=(0.104*b_p*h_p_ef/(lam_ekv*l_lobp*Z1*((b_p^2)+0.25*…
(h_p_ef^2))))+(0.75*((d_okr/lam_okr)+(1/a_l_vt))/(l_lobp*Z1*(b_p+…
0.5*h_p_ef)));
%Сопротивление
внутренней непродуваемой лобовой части обмотки
R2_l_vt=((h_p_ef/(3*lam_ekv))+(d_okr/lam_okr)+(1/a_l_vt))/…
(pi*D_l_vt*(l_lobv-l_lobp));
%Сопротивление
между медью и внутренним воздухом
R_m_v=1/((1/R1_l_vsh)+(1/R2_l_vsh)+(1/R1_l_vt)+(1/R2_l_vt));
disp ('Сопротивление
между медью статора и внутренним
воздухом'); disp
(R_m_v);
%–3.5
Сопротивление между медью и сердечником статора–%
%Сопротивление
отводу теплоты через дно паза
R20=((h_p_ef/(3*lam_ekv))+(d_ip/lam_p_iz)+(d_vp/lam_v_ekv))/…
(b_p_ef*l_p*Z1);
%Внутреннее
сопротивление обмотки
R_vn=b_p_ef/(12*lam_ekv*h_p_ef*l_p*Z1);
%Сопротивление пазовой изоляции
R_ip=(d_ip/lam_p_iz)/(2*h_p_ef*l_p*Z1);
%Сопротивление
воздушных прослоек
R_vp=d_vp/(2*lam_v_ekv*h_p_ef*l_p*Z1);
%Сопротивление
между пазовой частью обмотки и зубцами
R17=R_vn+R_ip+R_vp;
%Сопротивление,
учитывающее разное сопротивление спинки серднчника собственному и внешнему
тепловым потокам
|