МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ РФ
МОСКОВСКИЙЭНЕРГИТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ)
Кафедраэлектрических и электронных аппаратов
Электроприводмикроволновой печи
Москва –2006.
Содержание
1. Функциональныезадачи, решаемые ЭМС, условия ее работы
2. Морфологическоеописание системы на основе обобщенной схемы ЭМС.Описание элементов принцип действия. Статические характеристики
3. Математическое описание и схемареализации МЭД
4. Критерииоценки ЭМС
5. Заключение о техническом уровнерассматриваемой системы
6. Рекомендациипо улучшению системы
Выводы
Списокиспользованной литературы
Приложения
1. Функциональные задачи, решаемые ЭМС, условия ее работы
Микроволновая печь служитдля разогрева пищи и разморозки продуктов. Микроволновые печи используют восновном в домашних условиях и в офисах. Основные требования, предъявляемые кмикроволновым печам это обеспечение бесшумности работы, большое рабочеепространство и потребление минимальной мощности. От привода же микроволновойпечи требуется невысокая скорость вращения вращающегося столика, который такжеработает в режиме реверса. Также необходимо чтобы привод микроволновой печиимел небольшие габариты, например большой радиус и малую высоту. Плюс ко всемуэтому в некоторых моделях микроволновых печей предусмотрен ручной остановвращающего столика. Такой режим используется для использования посуды, котораязаполняет все внутреннее пространство печи. Эта возможность используется толькодля ручного приготовления пищи.
Циклограмма работымикроволновой печи представлена на рис. 1.
2. Морфологическоеописание системы на основе обобщенной схемы ЭМС. Описание элементов принципдействия. Статические характеристики
ЭМС микроволновой печисостоит из следующих элементов:
1). В, В2 –выпрямитель.
2). Ф, Ф2 –фильтр.
3). И – инвертор.
4). ТрВч – трансформаторвысокой частоты.
5). К – коммутатор.
6). МЭД –магнитоэлектрический двигатель.
7). РО – рабочий орган.
8). ДПР – датчикположения ротора.
9). МК – микроконтроллер.
Функциональная схема ЭМСпредставлена на рис. 2.
Докажем необходимость идостаточность всех элементов. Прежде всего, стоит отметить, что я выбралвентильный двигатель (ВД). Это обусловлено следующим:
1). Масса ВД меньше массыАД.
2). Надежность ВД такаяже, или почт такая же, как и у АД.
3). КПД ВД выше, чем КПДАД.
4). Стоимость ВД меньшестоимости АД.
Этими критериямиподтверждается обоснованность выбора в качестве привода микроволновой печи — ВД.
От привода микроволновойпечи требуется обеспечение низкой скорости вращения.
Исходя из этого, сделаемдвигатель таким, чтобы он работал в зоне близкой к зоне пуска (зона I на статической характеристике).Статическая (механическая) характеристика ВД представлена на рис. 3.
Условно, функциональнуюсхему ЭМС можно поделить на 2 части (см. соответствующее обозначение на рис.2):
А). Преобразователь.
В). Сам вентильным двигатель (ВД), представляющийиз себя синхронный двигатель с электронным коммутатором напряжения, к которомуподключена обмотка статора СД. Микроконтроллер обеспечивает управлениекоммутатором. А датчиком положения ротора, установленный на валу двигателя иуправляющий работой коммутатора в зависимости от положения ротора. ДПРгенерирует периодические сигналы, по которым открываются и закрываются ключикоммутатора, подключающего к сети соответствующие обмотки статора. В результатеэтого магнитное поле статора вращается с той же средней скоростью, что и ротор.
При такой классификациине стоить забывать о рабочем органе.
Что касается пункта А)нашей классификации, то важно отметить, что можно было бы использовать одинфильтр и один выпрямитель, но тогда конструкция получилась бы громоздкая. Асогласно нашей схеме мы имеем следующее: на вход выпрямителя поступаетпеременное напряжение 220 В, выпрямитель делает из него постоянное 310В. Фильтрустраняет помехи, уменьшая пульсации выходного напряжения. Инвертор же, сноваделает напряжение переменным. Далее стоит трансформатор высокой частоты свыводом нулевой точки. Далее процесс повторяется и уже с выхода фильтра Ф2сигнал поступает на коммутатор. Согласно нашей схеме, эта ее часть имеетхорошую эффективность и компактность, т.к. ее габариты соизмеримы с габаритамиаккумулятора сотового телефона. А ведь для нашей ЭМС малые габариты оченьважны.
Принцип работы ВД.
Принцип работы ВД,основан на использовании датчика положения ротора (ДПР), преобразователякоординат и силового полупроводникового преобразователя. Они совместноформируют на обмотках статора машины фазные напряжения таким образом, чтобырезультирующий вектор напряжения всегда был сдвинут на угол 90° и неподвиженотносительно оси магнитного поля ротора.
Коммутация производитсятак, что поток возбуждения ротора – Ф поддерживается постоянным относительнопотока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаетсявращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоряи возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходитпереключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.
В этом случае ирезультирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потокаротора, что и создает момент на валу двигателя.
В двигательном режимеработы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается спомощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстает от МДС ротора, угол 90° также поддерживается с помощью ДПР.
Коммутатор.
Источник питания вырабатывает постоянное напряжение.Следовательно, для преобразования постоянного напряжения источникаэлектроэнергии в переменное для питания обмотки якоря двигателя необходимкоммутатор, управляемый по частоте, построенный на ключевых элементах, которыепериодически подключают постоянное напряжение к нагрузке.
В качестве ключевых элементов в преобразовательныхустройствах используют, как правило, силовые транзисторы, работающие в режимепереключения из области насыщения в область отсечки.
Датчик положения ротора.
Существуетмножество конструкций датчиков положения ротора, принцип работы которых состоитв следующем: фиксируются определенные положения ротора относительно статора, ив соответствующие моменты времени датчик формирует сигналы, воспринимаемыесистемой управления (микроконтроллером).
Наибольшую популярность приобрели датчики Холла ифотоэлектрические, так как они практически безинерционны и позволяют избавитьсяот запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.
Конструктивно он должен быть прост и технологичен визготовлении, надежен в работе. Схема коммутатора будет проще и надежней, еслинаряду с максимальной отдачей мощности, ДПР будет формировать сигналы заданнойформы. В большинстве случаев этот сигнал должен иметь форму прямоугольныхимпульсов с высокой кратностью максимального и минимального уровней, а также сбольшой крутизной нарастания и спада фронтов. ДПР состоит из двух элементов.Один из них управляющий — связан с ротором двигателя и при достижении имзаданного углового положения входит во взаимодействие с другим элементом — чувствительным, связанным со статором.
Микроконтроллер.
Микроконтроллер — микросхема, предназначенная для управленияэлектронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функциипроцессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, этооднокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использованиеодной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров,применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры,энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.
Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемыхсистем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны,стиральные машины и т. п. Бо́льшая часть выпускаемых в мире процессоров —микроконтроллеры.
Электрическая схема рассматриваемой ЭМС представлена на рис. 6.
электроприводмикроволновая печь коммутатор
3. Математическоеописание и схема реализации МЭД
Будем использовать МЭД торцевой конструкции, т.к. этопозволят выполнить машину многополюсной и такая конструкция проста итехнологична в исполнении. Основным критериями в выборе количества полюсовявляются увеличение МДС возбуждения машины и рост потерь в стали. В случаеиспользования вентильного двигателя такой конструкции МДС обеспечиваетсяпостоянными магнитами, а потери в стали сравнительно невелики (почтиотсутствуют). Конструкция МЭД цилиндрического исполнения представлена на рис.2. Рисунок имеет следующие обозначения:
1 – постоянный магнит.
2 – статор.
3 – обмотка статора.
4 – упорный подшипник.
5 – ротор.
Статор выполнен в виде плоского диска, расположенного взазоре между 2 дисками ротора. Статор имеет обмотки фазной катушки якоря. Числокатушек в каждой фазе равно числу постоянных магнитов 1 на роторе.
Диск ротора выполнен из немагнитного неэлектропрочногоматериала, в отверстие которого закреплены цилиндрические постоянные магниты.
Для удобства статор обычно выполняют двухфазным. Каждаясекция имеет форму катушки с концентрическими витками. Это делается дляуменьшения расходуемого проводника при одной той же ЭДС секции.
Такая конструкция определяет особенности расчета.
Итак, для расчета примем следующие допущения:
1). Индуктивное сопротивление якоря много меньше активного.
2). Пренебрежем полем реакции якоря, т.к. его МДС многоменьше МДС постоянного магнита.
3). Отсутствуют потери в стали.
Учитывая принятые допущения, запишем основное уравнениединамик:
/>(1)
Т.к. в теории электрических машин значение />, то уравнение (1)перепишется в виде:
/> (2)
Где />
/>
Ввиду принятого допущения 1), индуктивное сопротивление z заменяем активным.
/> (3)
На основании полученных уравнений построим основные временныезависимости параметров нашего МЭД (см. рис. 5).
4. Критерииоценки ЭМС
В качестве аналогов для сравнения выберем привод сасинхронным двигателем переменного тока.
В качестве показателей качества выберем:
1 – энергетическая эффективность.
2 – надежность.
3 – технические параметры.
4 – масса и габариты.
5 – цена.
Необходимо также определить, какой показатель качестваявляется наиболее важным, а какой наименее. В нашем случае приоритет будеттаким: 1, 2, 3, 4, 5, где 1 — энергетическая эффективность и т.д.Соответственно будем иметь: самый важный показатель – энергетическая эффективность,самый наименее важный – цена. Конечно, с этим можно поспорить, т.к. цена – этодалеко не последний по важности показатель, но так для нашего задания неустановлены ценовые ограничения, то будем считать, что мы располагаемнеограниченным капиталом. Поэтому цену я и сделал наименее важным показателем.Согласно такой классификации: энергетическая эффективность будет иметь весовойкоэффициент 5, надежность – 4, технические параметры – 3, масса и габариты – 2,и цена – 1.
Также необходимо отметить, что каждый показатель качествабудет оценен по пятибалльной системе, где оценка 5 будет соответствовать самомулучшему балу.Показатель качества Весовой коэффициент МЭД АД 1. Энергетическая эффективность 5 5 3 2. Надежность 4 4 3 3. Технические параметры 3 5 3 4. Масса и габариты 2 4 2 5. Цена 1 3 4
Определим комплексные показатели качества для каждого типаЭМС.
/>
/>
Для наглядности оценки построим диаграмму важностипоказателей качества (рис. 7)
Таким образом, выбор ВД в качестве привода микроволновой печиявляется обоснованным с точки зрения оценки технико-экономического уровня.
5. Заключениео техническом уровне рассматриваемой системы
Рассматриваемая система находится на высоком техническомуровне, ввиду всего вышеизложенного. Использование вентильного двигателяпозволило достичь снижение массы, простоты конструкции соответственногабаритов. Что очень важно, ввиду того, что сама по себе микроволновая печьпредполагает наличие маленького привода из-за малости отведенного под негопространства. Кроме того, наш привод является бесконтактным, что сильноповышает его надежность.
К недостаткам нашего привода я бы мог отнести только егоцену, т.к мы используем постоянные магниты.
6. Рекомендациипо улучшению системы
Итак, для улучшения системы можно предложить следующее:
· Для уменьшениямассы механической части привода необходимо в качестве постоянных магнитовиспользовать редкоземельные магниты, однако это увеличит стоимость привода.
· Для уменьшениястоимости системы необходимо рассмотреть возможность применения двигателей безпостоянных магнитов.
· Для уменьшенияразмеров коммутатора и потерь в нем рекомендуется использовать модули; возможноизготовление коммутатора в по интегральной технологии, однако это вызоветнеизбежное серьезное увеличение стоимости привода.
Выводы
В результате проведеннойработы сделано следующее:
· Обоснован выбор вентильногомагнитоэлектрического двигателя в качестве привода микроволновой печи;
· Даны рекомендации о целесообразностииспользования модулей и применения интегральной технологии для изготовлениякоммутатора;
· Сделан вывод о высоком техническомуровне рассматриваемой системы и определены основные направления улучшения еехарактеристик.
Список использованной литературы
1. ТыричевП. А., Лозенко В. К. Раздаточный материал. Учебно-методическое пособие по курсу«Электромеханические системы». М.: Издательство МЭИ, 1998г.
2. ТыричевП. А., Маслов С. И. Введение в теорию и практику электромеханических систем М.:Издательство МЭИ, 1999г.
3.Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат., 1986.
Приложение
/>
Рис. 1. Типоваяциклограмма работы привода./> /> /> /> /> /> /> /> /> />
B /> /> /> />
/>
Рис. 2. Функциональнаясхема ЭМС.
/>
Рис. 3. Механическаяхарактеристика ВД.
/>
Рис. 4. Конструкция МЭД.
/>
Рис. 5. Основныевременные зависимости рассматриваемого МЭД.
/>
Рис. 6. Электрическаясхема ЭМС.
/>
Рис. 7. Диаграммаважности показателей качества.