Электрические машины с электронным управлением

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ИнЭО
______________ С.И. Качин
«___» ____________ 2015 г.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Рабочая программа и методические указания
по выполнению курсовой работы для студентов ИнЭО,
обучающихся по специальности 140601 «Электромеханика»
Составитель А.Б. ЦУКУБЛИН
Семестр
Лекции, часов
Практические занятия, часов
Лабораторные занятия, часов
Консультации по выполнению
курсового проекта, часов
Самостоятельная работа, часов
Формы контроля
10
2
11
4
2
6
4
182
экзамен
диф. зачет
Издательство
Томского политехнического университета
2015
УДК 621.313
Электрические машины с электронным управлением: раб. программа
и метод. указ. по выполнению курсовой работы для студентов ИнЭО,
обучающихся по спец. 040601 «Электромеханика» / сост. А.Б. Цукублин;
Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского
политехнического университета, 2015. – 14 с.
Рабочая программа и методические указания рассмотрены
и рекомендованы к изданию методическим семинаром
электротехнических комплексов и материалов 04.09.14 г.
протокол № 1.
Зав. каф. ЭКМ
профессор, д.т.н. ____________________________________ А.Г. Гарганеев
Аннотация
Рабочая программа по дисциплине «Электрические машины
с электронным управлением»» предназначена для студентов ИнЭО
специальности 140601 «Электромеханика». Данная дисциплина
изучается в одном семестре.
Приведен перечень основных тем дисциплины, указаны темы
практических занятий, даны методические указания по выполнению
курсового проекта, рекомендован список учебно-методической
литературы.
Составитель: доцент, к.т.н. Цукублин Анатолий Борисович
Тел. (3822) 653453, e-mail: [email protected].
2
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Цели преподавания дисциплины
Целью преподавания дисциплины «Электрические машины с
электронным управлением» является знакомство студентов с обширной
группой специальных электрических машин, работающих совместно с
силовыми полупроводниковыми преобразовательными устройствами в
двигательном и генераторном режимах. Такие синтезированные
электромеханические устройства обладают свойствами отличными от
традиционных электрических машин. Большое внимание в курсе уделяется
особенностям физических процессов протекающих в электромеханических
преобразователях энергии при работе их на преобразователи рода тока,
частоты, а также схемному и конструктивному решению.
Целью преподавания дисциплины также является знакомство
студентов
с
особенностями
работы
электромеханических
преобразователей энергии (электрических машин) на силовых
полупроводниковых преобразователях. Большое внимание в курсе
уделяется схемному и конструктивному исполнению электрических
машин с электронным управлением специального назначения и
автономных энергетических систем. Анализируются физические процессы
как в генераторах, так и в полупроводниковых преобразователях,
работающих в управляемых и неуправляемых режимах, исследуются
переходные процессы в вентильных электрических машинах при работе в
двигательных режимах при различных законах их управления. Знание
подобных проблем электромашиностроения необходимо специалистам по
электрическим машинам.
Цель обучения дисциплине «Электрические машины с электронным
управлением» – сформировать профессиональные знания в области
электромеханического преобразования энергии для решения практических
задач управления электрическими машинами, ознакомить будущих
специалистов с основами теории и принципами действия основных видов
вентильных электрических машин, с машинно-вентильными комплексами,
с их эксплуатационными характеристиками.
В результате изучения дисциплины будущие специалисты
приобретают знания, умения и определенный опыт, необходимые для
3
дальнейшей инженерной деятельности. После изучения дисциплины
студенты должны
иметь представление:
 о связи дисциплины с другими дисциплинами учебного плана;
 о месте и роли электрических машин с электронным управлением
в системах генерирования и потребления электрической энергии, о
возможности их применения в нетрадиционных источниках энергии
(ветростанциях, микрогэс, транспортных объектах и т.д.);
 о современной элементной базе и схемотехнике силовых
преобразователей;
знать:
 принципы действия и устройство различных вентильных
электрических машин, применяющихся в автономных энергосистемах в
качестве генераторов и двигателей постоянного и переменного тока;
 физические явления, протекающие в электрических машинах,
работающих на электронные преобразователи, основные рабочие
характеристики и особенности;
уметь:
 выбирать электрические машины и преобразователи, для
обеспечения потребителя, по их функциональным возможностям;
 выбирать и рассчитывать электромеханическое устройство,
работающее в системе, проводить выбор и обоснование применения
полупроводникового преобразователя этих систем;
 анализировать и описывать математически стационарные и
переходные процессы в вентильных электрических машинах.
иметь опыт (владеть):
 проектирования и конструирования электрических машин с
электронным управлением;
 выполнения расчетов электромеханических приводов;
 выполнения чертежей специальных электрических машин;
 работы со справочной литературой, стандартами и другими
нормативными материалами.
Изучение дисциплины базируется на знаниях физики, высшей
математики, теоретических основ электротехники, общей теории
4
электрических машин и преобразовательной техники.
Дисциплина «Электрические машины с электронным управлением»
объединяет ранее полученные знания из дисциплин «Электрические
машины»,
«Теоретические
основы
электротехники»,
«Силовые
электромеханические преобразователи энергии» в единое целое,
необходимое для понимания электромеханического преобразования
энергии в электрических машинах, работающих с преобразовательными
устройствами.
1.2. Задачи изложения и изучения дисциплины
Для достижения целей при аудиторной и самостоятельной работе
студентов используется полный набор методического материала: лекции,
методические разработки и контрольные задания для проверки знаний
студентов, методические разработки по лабораторным работам.
Особую значимость в достижении цели обучения приобретает
лабораторный практикум, где студентами приобретаются навыки
самостоятельной работы со сложными системами, практически изучаются
возможные способы управления и контроля электрических машин.
Для закрепления теоретических знаний, полученных на лекциях,
в курсе предусмотрено выполнение самостоятельно курсового проекта.
Содержание дисциплины: устройства и принципы работы
электрических машин с электронным управлением переменного и
постоянного тока, определение их параметров, режимов работы, основных
характеристик.
5
2. СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА
ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Введение
Цели и задачи курса. Современное состояние. Общие вопросы
электрических машин с электронным управлением Классификация.
Основные типы и их схемные решения вентильные электрические машины
(ВЭМ). Классификация ВЭМ и их физическая структура.
2.2. Вентильные генераторы постоянного тока
Общие вопросы теории работы синхронных генераторов на
неуправляемый выпрямитель при соединении фаз генератора в
многолучевую звезду. Системы уравнений токов и напряжений. Основные
расчетные соотношения в вентильных генераторах постоянного тока,
особенности реакции якоря при различных схемах выпрямления.
Векторные диаграммы. Рабочие характеристики генераторов постоянного
тока с различными схемными решениями. Выбор схемы выпрямления для
вентильного генератора постоянного тока. Вентильные генераторы
постоянного тока с обмотками, замкнутыми в многоугольник.
Особенности функционирования, реакция якоря и особенности ее
проявления. Особенности работы синхронного генератора на управляемый
выпрямитель. Коэффициент использования. Пульсации выходного
напряжения, коэффициент пульсаций. Основные способы уменьшения
пульсаций.
2.3. Бесконтактные возбудители с электронным управлением
Бесконтактные возбудители с вращающимися преобразователями.
Основные схемные и конструктивные решения. Возбудители с
несинусоидальной формой кривой эдс. Использование генератора.
Быстродействующие бесконтактные возбудители.
2.4. Вентильные генераторы переменного тока
Машина двойного питания с электронным управлением как генератор
переменного тока. Основные законы управления, энергетические
соотношения. Применение.
6
Вентильный генератор переменного тока типа СГ-В-И. Инвертор
напряжения. Типовые схемы. Однофазный, трехфазный, полумостовой.
Схемотехника, элементная база Основные характеристики, соотношения
токов и напряжений трехфазно-однофазного генератора переменного тока.
Соотношения токов и напряжений трехфазно-трехфазного генератора
переменного тока. Достоинства и недостатки, применение.
Вентильный
генератор
типа
СГ-НПЧ.
Непосредственные
преобразователи частоты, Виды преобразователей. Особенности работы
генератора на НПЧ с естественной коммутацией вентилей. Схемные
решения однофазных и трехфазных генераторов. Реакция якоря и ее
особенности.
Вентильные генераторы с НПЧ с искусственной коммутацией
вентилей. Эффекты подмагничивания и их использование в целях
формирования характеристик генератора.
2.5. Вентильные двигатели
Принципы действия, схемные и конструктивные решения.
Вентильные двигатели постоянного тока. Инвертирование тока в
вентильных двигателях постоянного тока (ВДПТ), угол нагрузки. Рабочие
процессы и основные характеристики. Способы электронного управления
вентильными двигателями постоянного тока. Датчики положения ротора.
Силовые ключи и схемы коммутаторов. Формирование характеристик,
регулирование частоты вращения.
Вентильные двигатели переменного тока. Замкнутые и разомкнутые
системы управления. Электронное управление шаговым электродвигателем.
2.6. Электронное управление асинхронной машиной
Преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения
и широтно-импульсной модуляцией. Двигательный и тормозной режимы
асинхронного двигателя при питании от преобразователя частоты со
звеном постоянного тока. Принципы и основные законы регулирования
частоты вращения асинхронных двигателей изменением частоты
напряжения на статоре. Особенности параметров асинхронного двигателя
для
работы
в
режиме
широкого частотного регулирования. Особенности
проектирования.
7
8
3. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ
3.1. Тематика практических занятий
1. Схемы выпрямления на неуправляемых вентилях.
2. Схемные решения, эпюры токов и напряжений.
3. Методы расчета вентильных генераторов постоянного тока с
обмотками, замкнутыми в звезду.
На каждое практическое занятие отводится по 2 часа. Темы занятий
указывает преподаватель.
3.2. Перечень лабораторных работ [5]
1. Исследование бесконтактного двигателя постоянного тока.
2. Исследование вентильного генератора постоянного тока с
неуправляемым выпрямителем.
3. Исследование вентильного генератора постоянного тока с
управляемым выпрямителем.
На каждое занятие отводится по 2 часа.
К выполнению лабораторной работы студент может приступить
только после того, как получит у преподавателя допуск к выполнению
лабораторной работы. Допуск к выполнению лабораторной работы студент
получает по результатам устного ответа на контрольные вопросы, с
которыми он должен ознакомиться при изучении методических указаний
по данной лабораторной работе. Если лабораторные работы не сделаны, то
студент
не допускается до сдачи экзамена.
Лабораторные работы проводятся после распределения студентов
учебных групп по бригадам (не более 3–4 человек). Выполнение
лабораторной работы оценивается баллами (не более 40% полной оценки
лабораторной работы). При этом принимается во внимание уровень
знаний,
к проведению исследований, а также практические умения, качество
исследований и организованность при работе.
Подготовка к лабораторным занятиям предусматривает проработку
теоретического материала по теме предстоящей лабораторной работы,
изучение конструкции, принципа действия и основных характеристик
9
исследуемой электрической машины, программы испытаний, осмысление
практических действий при выполнении лабораторной работы на
основании методических указаний к ней. Контроль качества подготовки к
лабораторной работе осуществляется путём опроса студента и проверки
рабочей тетради или заготовки отчета перед допуском его к
испытательному стенду. После предоставления отчёта студент обязан
защитить результаты и выводы по выполненной работе.
10
4. КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Методические указания по выполнению курсового проекта
Основной целью курсового проекта, который выполняется в 11-ом
семестре, является закрепление теоретических знаний по дисциплинам
«Электрические машины с электронным управлением», а также
«Проектирование электрических машин» в части проектирования
синхронных явнополюсных генераторов.
Тема курсового проекта: «Вентильный генератор постоянного тока».
Подобный генератор представляет собой устройство, состоящее
из синхронного генератора, вся вырабатываемая энергия которого
превращается выпрямителем в энергию постоянного тока. Поэтому проект
содержит две расчетные части: расчет и проектирование выпрямительного
устройства, эквивалентирование его нагрузки в расчетную нагрузку
переменного тока, и проектирование синхронного генератора заданного
типа на эту нагрузку переменного тока.
Основной литературой для проектирования являются [3, 4].
Объем проекта:
Графический материал:
 1 лист формата А4-сборочный чертеж генератора с необходимыми
сечениями и вырезами;
 1 лист формата А4-рабочие чертежи выпрямителя.
Расчетно-пояснительная
записка,
содержащая
следующие
обязательные разделы:
 Введение.
 Выбор схемы выпрямления и расчет основных электрических
величин.
 Расчет основных размеров генератора.
 Электромагнитные расчеты.
 Расчеты внешних характеристик базового и вентильного генераторов.
 Расчет системы охлаждения генератора и тепловой расчет.
 Заключение.
 Список использованной литературы
Бланк задания и необходимая литература в электронном виде
вручаются каждому студенту в 10-ом семестре при проведении
установочных занятий. Защита курсового проекта проводится
индивидуально каждым студентом по ответам на вопросы.
11
5. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОНТРОЛЬ
5.1. Требования для сдачи экзамена
После завершения изучения дисциплины студенты сдают экзамен.
К экзамену допускаются только те студенты, у которых зачтен
курсовой проект и лабораторные работы.
При определении результата экзамена учитываются результаты
выполненного курсового проекта.
5.2. Вопросы для подготовки к экзамену
1. Вентильные генераторы постоянного тока. Основные типы,
принцип действия.
2. Основные элементы вентильного двигателя постоянного тока, их
назначение и взаимодействие.
3. Вентильные генераторы постоянного тока с нулевым
выпрямителем. Основные соотношения.
4. Вентильные генераторы переменного тока. Основные типы,
особенности, сферы применения.
5. Вентильные генераторы постоянного тока с мостовым
выпрямителем. Особенности работы базового генератора.
6. Вентильные генераторы переменного тока на базе машины
двойного питания. Принцип работы.
7. Особенности реакции якоря генератора работающего на
выпрямитель.
8. Вентильный генератор переменного тока типа СГ-В-И. Принцип
работы, основные составляющие и их взаимодействие. Проблема
получения синусоидального выходного напряжения и пути ее разрешения.
9. Вентильный генератор постоянного тока с обмотками замкнутыми
в многоугольник. Особенности функционирования, использование
генератора.
10. Вентильный генератор переменного тока типа синхронный
генератор-НПЧ с естественной коммутацией вентилей. Особенности
работы генератора, использование.
11. Выбор схемы выпрямления в вентильном генераторе постоянного
тока для различной по величине нагрузки.
12. Сравнение нулевой и мостовой схем выпрямления.
12
13. Вентильный генератор переменного тока типа синхронный
генератор-НПЧ с искусственной коммутацией вентилей. Принцип работы,
основные соотношения.
14. Вентильный
генератор
постоянного
тока
с
нулевым
выпрямителем. Коммутационные процессы, угол коммутации.
15. Пульсации выходного напряжения вентильных генераторов
постоянного тока, методы их уменьшения.
16. Особенности коммутационных процессов в вентильных
генераторах постоянного тока с обмотками замкнутыми в многоугольник.
17. Особенности работы синхронного генератора на управляемый
выпрямитель.
18. Особенности процессов в вентильных генераторах постоянного
тока с обмотками замкнутыми в многоугольник.
19. Особенности работы синхронного генератора на управляемый
выпрямитель.
20. Вентильный генератор постоянного тока с мостовым
выпрямителем. Коммутационные процессы, угол коммутации.
5.3. Образец экзаменационного билета
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Специальность: Электромеханика
Дисциплина «Электрические машины с электронным управлением»
Экзаменационный билет № _1_
1. Вентильные генераторы постоянного тока. Основные типы,
принцип действия.
2. Основные элементы вентильного двигателя постоянного тока, их
назначение и взаимодействие.
Составил:__________________ / Цукублин А.Б./
13
6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
6.1. Литература обязательная
1. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. – М.: Высшая
школа.1990. – 418 с.
2. Цукублин А.Б., Лукутин Б.В. Вентильные электрические машины:
учебное пособие. Томск, изд. ТПИ, 1984. – 94 с.
3. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических
машин переменного тока. – М.: Высшая школа, 2006. – 272 с.
4. О.Д. Гольдберг, И.С. Свириденко Проектирование электрических
машин. – М.: Высшая школа,1982. – 430 с.
5. Цукублин
А.Б.
Специальные
электрические
машины:
Лабораторный практикум. – Томск: Изд-во ТПУ ИДО, 2006. – 124 с.
6. Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод
на их основе (малая и средняя мощность). Курс лекций. – СПб.: КОРОНАВек, 2006. – 336 с.: ил.
7. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным
регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений. – М.:
Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.
8. Частотно-регулируемое управление электродвигателями на основе
оборудования компании «Danfoss» / Под редакцией О.Л. Рапопорта. –
Томск: Изд-во ТПУ, 2006. – 159 с.
6.2. Литература дополнительная
9. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов
переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты: –
Екатеринбург: УРОРАН, 2000. – 654 с.
10. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы
в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. – Чебоксары:
Изд-во Чуваш.ун-та, 1998.
6.3. Internet-ресурсы
11. СТО ТПУ 2.5.01–2006. Система образовательных стандартов.
Работы выпускные, квалификационные, проекты и работы курсовые.
Структура и правила оформления / ТПУ [Электронный ресурс]. – Томск,
2006. – Режим доступа http://standard.tpu.ru/standart.html, свободный.
12. Конструктивное исполнение и технические данные отдельных
преобразователей на сайтах www.danfoss.ru, www.moeller.ru .
14
Учебное издание
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Рабочая программа и методические указания
Составитель
ЦУКУБЛИН Анатолий Борисович
Рецензент
кандидат технических наук,
доцент кафедры ЭКМ
В.И. Попов
Компьютерная верстка М.А. Зацепина
Подписано к печати
Формат 60×84/16.
Бумага «Снегурочка». Печать Xerox.
Усл. печ. л.
. Уч.-изд.л.
Заказ
. Тираж экз.
Национальный исследовательский
Томский политехнический университет
Система менеджмента качества
Томского политехнического университета сертифицирована
NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2000
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru
15