Дипломная работа: Расчет параметров асинхронного энергосберегающего электродвигателя

Дипломная работа: Расчет параметров асинхронного энергосберегающего электродвигателя

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«

Факультет Автоматики и вычислительной техники

Кафедра Вычислительной техники и прикладной математики

Специальность 2204 Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем управления

Допустить к защите

Заведующий кафедрой

. / /

«»мая2005г.

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

На тему: Расчет параметров асинхронного энергосберегающего

электродвигателя

Студента

(фамилия, имя, отчество)

Руководитель/ Леднов Анатолий Викторович/

(подпись, дата)

Задание получил/ Ремизов Юрий Павлович/

(подпись, дата)

2005

РЕФЕРАТ

Тема дипломного проекта: «Расчет параметров асинхронного энергосберегающего электродвигателя».

Ключевые слова: параметр, зависимость, формула, сценарий, путь решения, база данных.

Объект исследования – расчет параметров электродвигателя.

Цель работы – создание компьютерной программы для расчета и исследования энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальными номинальными данными.

В результате в среде разработки Borland C++ Builder была создана компьютерная программа «Электродвигатель». С помощью инструментальных средств, этой программы проведен расчет параметров асинхронного электродвигателя.

Для работы приложения необходимо наличие интерфейса «Microsoft ActiveX Data Objects» (ADO). Минимальные системные требования Pentium II 300 с 64 мегабайтами оперативной памяти, оперативной памяти операционная система Microsoft Windows.

Разработанный программный продукт рекомендуется для специалистов в области электромашиностроения, электропривода и ремонта электрических машин.

Объем отчета 87 страниц. Отчет содержит 30 таблиц, 22 иллюстрации и одно приложение. В работе использовалось 6 литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

1.1.1 Устройство асинхронных двигателей

1.1.2 Степени защиты асинхронных двигателей

1.1.3 Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

1.3 Реляционные базы данных

1.3.1 Проектирование реляционных баз данных

1.3.2 Язык реляционных баз данных SQL

1.3.3 СУБД dBase и Visual dBase

1.3.4 СУБД Access 

1.3.5 Технологии ADO и ODBC

1.4 Интерполяция функций. Приближение Лагранжа

2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ

2.1 Структура базы данных

2.1.1 Параметры электродвигателя

2.1.2 Зависимости

2.2 Редактор таблиц базы данных

2.3 Ввод формул в программе

2.4 Поиск пути решения

2.5 Работа в программе «Электродвигатель»

2.5.1 Соединение с базой данных

2.5.2 Справочники

2.5.3 Работа с параметрами

2.5.4 Работа с зависимостями

2.5.5 Выполнение расчета параметров

2.5.6 Сценарии расчета

3. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

3.1 Анализ опасных и вредных факторов на рабочем месте пользователя ПЭВМ

3.2 Мероприятия по улучшению условий труда и техники безопасности на рабочем месте пользователя ЭВМ

3.3 Чрезвычайные ситуации

3.3.1 Общая характеристика пожарной безопасности вычислительного центра

3.3.2 Противопожарные мероприятия. Установки обнаружения и тушения пожаров

4. Анализ технико-экономических показателей и обоснованиие экономической (социально-экономической, социальной) целесообразности принятых в проекте решений

4.1 Обзор рынка

4.2 Выбор организационно-правовой формы предприятия

4.3 Расчет затрат на регистрацию программного продукта

4.4 Расчет затрат на организацию производства

4.5 Расчет заработной платы

4.6 Расчет постоянных и переменных расходов. Цена программного продукта

4.7 Движение денежных средств

4.8 Расчет экономического эффекта

ЗАКЛЮЧЕНИЕСПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Сравнение результатов расчета

Проблема сбережения энергии и ее эффективного использования в технологиях, рабочих машинах и их электроприводах стала актуальна для российских товаропроизводителей. Доля энергозатрат на единицу продукции превышает 20% себестоимости, вследствие этого при нерациональном использовании энергии наша продукция становится неконкурентоспособной.

С целью решения проблемы энергосбережения разработано достаточно большое число вариантов энергосберегающих асинхронных двигателей.

При проектировании электропривода существует проблема выбора одного из вариантов исполнения. Кроме того, исследования показывают, что в условиях широкого внедрения частотно-регулируемых асинхронных приводов целесообразно применение ЭАД индивидуально изготовленного для конкретного электропривода.

В расчетах электродвигателей может участвовать от 200 и более различных параметров. В зависимости от особенностей конструкции энергосберегающего электродвигателя набор рассчитываемых параметров, а также алгоритмы их определения могут сильно изменяться.

В данном проекте была поставлена задача, разработать программу, с помощью средств которой пользователь смог бы описать алгоритм расчета параметров асинхронного электродвигателя и произвести вычисления по этому алгоритму. На основе информации о взаимозависимостях между параметрами, полученной от пользователя, программа должна подобрать такую очередность вычислений, которая позволила бы определить запрашиваемый параметр, используя известные значения параметров, в том случае, когда это возможно. Для организации ветвлений и циклов в вычислениях параметров в программе должен присутствовать микроязык описания алгоритмов.

1.1      Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Современные трехфазные асинхронные электродвигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства машин и механизмов, работающих во всех отраслях народного хозяйства.

Об их роли в электроприводе говорит хотя бы то, что из всех выпускаемых в мире двигателей 90% являются трехфазными асинхронными. Эти электрические машины потребляют до 70% всей вырабатываемой электроэнергии, на их изготовление расходуется значительное количество дефицитных материалов, обмоточной меди, изоляции, электротехнической стали и др. В затратах на обслуживание и ремонт всего установленного в стране оборудования более 5% приходится на асинхронные двигатели. Поэтому правильный выбор двигателей, их грамотная эксплуатация и высококачественный ремонт играют важнейшую роль в деле экономии электрической энергии, материальных и трудовых ресурсов.

1.1.1        Устройство асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части — статора и вращающейся – ротора.

Статор представляет собой стальной сердечник в виде пустотелого цилиндра, набираемого из отдельных листов электротехнической стали, изолированных между собой лаком. Внутри цилиндра выштампованы пазы, куда укладывают обмотку статора. По устройству статор асинхронного двигателя почти ничем не отличается от статора синхронной машины. Обмотки статоров асинхронной и синхронной машин рассчитывают и выполняют аналогично (рисунок 1.1).

Внутри статора помещается ротор, представляющий собой стальной цилиндр, который набирают из отдельных листов электротехнической стали, покрытых изоляционным лаком.

Рисунок 1.1 – Асинхронные двигатели

Роторы бывают двух типов: короткозамкнутые и фазные.

Рисунок 1.2 – Короткозамкнутый ротор

В пазы короткозамкнутого ротора укладывают обмотку в виде беличьей клетки, выполняемую из медных стержней, которую с торцовых сторон замыкают кольцами, как показано на рисунке 1.2. В двигателях небольшой мощности, до 100 квт, беличью клетку изготовляют путем заливки пазов ротора алюминием под давлением.

Рисунок 1.3 – Короткозамкнутый ротор с алюминиевой литой обмоткой

Беличью клетку от стали ротора не изолируют, так как проводимость проводников обмотки в десятки раз больше проводимости стали. При отливке беличьей клетки из алюминия одновременно отливают и боковые кольца вместе с вентиляционными крыльями (рисунок 1.3).

В пазы фазного ротора укладывают трехфазную обмотку, выполняемую по типу обмотки статора.

Как правило, фазную обмотку ротора соединяют в звезду. При этом концы обмотки соединяют вместе, а начала присоединяют к контактным кольцам, на которые устанавливают щетки, соединенные с пусковым реостатом.

Схемы двигателей приведены на рисунке 1.4. Обмотки двигателя могут быть соединены в звезду или в треугольник.

Рисунок 1.4 Схемы асинхронных двигателей

1.1.2        Степени защиты асинхронных двигателей

Характеристики степеней защиты электрических машин обозначают двумя латинскими буквами IP (International Protection) и двумя цифрами.

Первая цифра (от 0 до 6) характеризует степень защиты персонала от соприкосновения с движущимися или находящимися под напряжением частями, а также от попадания внутрь машины твердых посторонних предметов; вторая (от 0 до 8) – степень защиты от проникновения внутрь машины влаги. Таким образом, открытые машины в которых не предусмотрено никаких мер защиты, обозначаются IP00.

Наиболее распространенными исполнениями машин по степени защиты являются IP22, IP23, IP44, и IP57.

Исполнения IP22 и IP23 соответствуют защите от возможности соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями машины пальцев человека и твердых предметов диаметром более 12,5 мм, а также защите от проникновения внутрь машины капель воды, попадающих под углом не более  к вертикали (IP22) или не более  (IP23) и продувом воздуха через машину. При этом вентилятор располагается на валу машины, а воздух, проходя внутри корпуса, охлаждает обмотки и сердечники. Двигатели этих исполнений назвали каплезащищенными. Они выполняются с самовентиляцией.

Машины исполнения IP44 защищены от возможности соприкосновения инструментов, проволоки или других предметов, толщина которых не превышает 1мм, с токоведущими частями, а также от попадания внутрь двигателя предметов диаметром более 1 мм.

Вторая цифра 4 обозначает, что машина защищена от попадания внутрь корпуса брызг любого направления. Такие машины называют закрытыми. В большинстве случаев они имеют наружный обдув. Охлаждающий воздух при этом прогоняется вдоль наружной поверхности оребренного корпуса с помощью вентилятора, установленного вне корпуса на выступающем конце вала, но закрытого кожухом.

Для специальных целей выпускаются электродвигатели с более высокой степенью защиты, например IP57. В этом исполнении машина защищена от попадания пыли внутрь корпуса и может работать будучи погруженной в воду.

1.1.3        Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

При подаче трехфазного напряжения на зажимы статорной обмотки в магнитной системе двигателя возникает вращающееся магнитное поле с полюсами , эквивалентное полю постоянного магнита.

Для рассмотрения принципа действия двигателя условно заменим вращающееся магнитное поле статора полем постоянного магнита, который будем вращать по часовой стрелке, а короткозамкнутую обмотку ротора – одним короткозамкнутым витком, закрепленным на осях с возможностью вращения. Это изображено на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Принцип действия асинхронного двигателя

В момент запуска двигателя, когда ротор неподвижен, а внешнее магнитное поле начало вращаться, силовые линии этого поля пересекают обмотки ротора и наводят в ней ЭДС, направление которой можно определить, используя правило правой руки.

Так как ЭДС возникает в замкнутом витке, то под ее действием пойдет электрический ток, практически совпадающий по фазе с ЭДС.

Проводник же с током, находящийся в магнитном поле, будет из него выталкиваться в направлении, определенном правилом левой руки.

Если применить это правило, то окажется, что верхний проводник выталкивается из поля вправо, а нижний – влево, т.е. электромагнитные силы, приложенные к неподвижному ротору, создают пусковой момент, стремящийся повернуть ротор в направлении движения магнитного поля.

Когда электромагнитный момент, действующий на неподвижный ротор, превышает тормозной момент на валу, ротор получает ускоренное движение в направлении вращения магнитного поля двигателя.

По мере возрастания частоты вращения  ротора относительная разность частот  сокращается, вследствие чего уменьшаются величины ЭДС и тока в проводниках ротора, что влечет за собой соответствующее уменьшение вращающего момента.

Процессы изменения ЭДС, тока, момента и частоты вращения ротора прекратятся, как только наступит устойчивое равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора, и тормозным моментом (моментом сопротивления), создаваемым производственным механизмом, который приводится в движение электродвигателем. При этом ротор машины будет вращаться с постоянной частотой , а в короткозамкнутых контурах его обмотки установятся токи, обеспечивающие создание вращающегося момента, равного моменту тормозному.

Таким образом, принцип работы асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, которые наводятся этим полем в проводнике ротора. Очевидно, что возникновение токов в роторе и создание вращающегося момента возможны лишь при движении проводников ротора относительно магнитного поля машины, т.е. при наличии разности частот вращения магнитного поля статора и ротора .

Магнитное поле статора и ротора асинхронного двигателя вращаются в пространстве с разной частотой: частота оси вращения ротора двигателя  всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора. С этим связано название машины: асинхронный двигатель.

При анализе работы асинхронной машины часто пользуются безразмерным параметром , называемым скольжением и определяемым разностью частот вращения магнитного поля статора и ротора , выраженной в относительных единицах (отнесенной к ):

(1.1)

Скольжение — основная переменная величина асинхронной машины, от которой зависит режим ее работы. Величина скольжения асинхронных двигателей составляет примерно . Скольжение может быть определено также в процентах.

1.2      Расчет параметров асинхронного электродвигателя

Алгоритм расчета традиционного асинхронного двигателя представлен на рисунке 1.6. В блоках 1,2,3 вводятся исходные данные, предварительно определяются размеры магнитопровода, вычисляются параметры обмотки статора, проверяется магнитная индукция в воздушном зазоре . Если  больше допустимой , уменьшают предварительную длину сердечника статора . Определяют уровень линейных нагрузок . Если уровень линейных нагрузок  превышает допустимый уровень (блок 4), то переходят в блок 3 для перерасчета магнитного потока. В блоке 5 определяются геометрические размеры пазов статора, тепловая нагрузка статора. Если полученное значение тепловой нагрузки  превышает допустимое значение более чем на 10%, выбирается проводник большего диаметра с учетом соответствующего уменьшения плотности тока . В Блоках 7,8,9,10 осуществляется расчет параметров короткозамкнутого или фазного ротора, электрических параметров обмоток, намагничивающего тока.

Если магнитная индукция в спинке ротора  превышает допустимые значения, то уменьшается высота паза ротора . В блоках 11 и 12 проверяются на допустимые значения коэффициент насыщения магнитной цепи  и коэффициент рассеяния статора . Если  и при этом , то определяют э. д. с. холостого хода , где  – коэффициент сопротивления статора. При отличии  от значения э. д. с.  более чем на 3% повторяют расчет намагничивающего тока при магнитных индукциях , , , , , измененных пропорционально отношению . В блоке 13 происходит расчет рабочих и пусковых характеристик, тепловой расчет, расчет массы двигателя.

1.3      Реляционные базы данных

Реляционная модель данных была предложена Е.Ф.Коддом (Dr. E.F.Codd), известным исследователем в области баз данных, в 1969 году, когда он был сотрудником фирмы IBM. Впервые основные концепции этой модели были опубликованы в 1970 г.

Реляционная база данных представляет собой хранилище данных, содержащее набор двухмерных таблиц. Набор средств для управления подобным хранилищем называется реляционной системой управления базами данных (РСУБД). РСУБД может содержать утилиты, приложения, сервисы, библиотеки, средства создания приложений и другие компоненты.

Любая таблица реляционной базы данных состоит из строк (называемых также записями) и столбцов (называемых также полями).

Строки таблицы содержат сведения о представленных в ней фактах (или документах, или людях, одним словом, — об однотипных объектах). На пересечении столбца и строки находятся конкретные значения содержащихся в таблице данных.

Данные в таблицах удовлетворяют следующим принципам:

·          Каждое значение, содержащееся на пересечении строки и колонки, должно быть атомарным (то есть не расчленяемым на несколько значений).

·          Значения данных в одной и той же колонке должны принадлежать к одному и тому же типу, доступному для использования в данной СУБД.

·          Каждая запись в таблице уникальна, то есть в таблице не существует двух записей с полностью совпадающим набором значений ее полей.

·          Каждое поле имеет уникальное имя.

·          Последовательность полей в таблице несущественна.

·          Последовательность записей также несущественна.

Несмотря на то, что строки таблиц считаются неупорядоченными, любая система управления базами данных позволяет сортировать строки и колонки в выборках из нее нужным пользователю способом.

Поскольку последовательность колонок в таблице несущественна, обращение к ним производится по имени, и эти имена для данной таблицы уникальны (но не обязаны быть уникальными для всей базы данных).

1.3.1   Проектирование реляционных баз данных

При проектировании базы данных решаются две основных проблемы:

·          Каким образом отобразить объекты предметной области в абстрактные объекты модели данных, чтобы это отображение не противоречило семантике предметной области и было по возможности лучшим (эффективным, удобным и т.д.)? Часто эту проблему называют проблемой логического проектирования баз данных.

·          Как обеспечить эффективность выполнения запросов к базе данных, т.е. каким образом, имея в виду особенности конкретной СУБД, расположить данные во внешней памяти, создание каких дополнительных структур (например, индексов) потребовать и т.д.? Эту проблему называют проблемой физического проектирования баз данных.

В случае реляционных баз данных трудно представить какие-либо общие рецепты по части физического проектирования. Здесь слишком много зависит от используемой СУБД.

Классический подход, предполагает, что процесс проектирования производится в терминах реляционной модели данных методом последовательных приближений к удовлетворительному набору схем отношений. Исходной точкой является представление предметной области в виде одного или нескольких отношений, и на каждом шаге проектирования производится некоторый набор схем отношений, обладающих лучшими свойствами. Процесс проектирования представляет собой процесс нормализации схем отношений, причем каждая следующая нормальная форма обладает свойствами лучшими, чем предыдущая.

Каждой нормальной форме соответствует некоторый определенный набор ограничений, и отношение находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений. Примером набора ограничений является ограничение первой нормальной формы - значения всех атрибутов отношения атомарны.

В теории реляционных баз данных обычно выделяется следующая последовательность нормальных форм:

·        первая нормальная форма (1NF);

·        вторая нормальная форма (2NF);

·        третья нормальная форма (3NF);

·        нормальная форма Бойса-Кодда (BCNF);

·        четвертая нормальная форма (4NF);

·        пятая нормальная форма, или нормальная форма проекции-соединения (5NF или PJ/NF).

Основные свойства нормальных форм:

·        каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;

·        при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных свойств сохраняются.

В основе процесса проектирования лежит метод нормализации, декомпозиция отношения, находящегося в предыдущей нормальной форме, в два или более отношения, удовлетворяющих требованиям следующей нормальной формы.

Наиболее важные на практике нормальные формы отношений основываются на фундаментальном в теории реляционных баз данных понятии функциональной зависимости.

В отношении R атрибут Y функционально зависит от атрибута X (X и Y могут быть составными) в том и только в том случае, если каждому значению X соответствует в точности одно значение Y: R.X (r) R.Y.

Функциональная зависимость R.X (r) R.Y называется полной, если атрибут Y не зависит функционально от любого точного подмножества X.

Функциональная зависимость R.X  R.Y называется транзитивной, если существует такой атрибут Z, что имеются функциональные зависимости R.X  R.Z и R.Z  R.Y и отсутствует функциональная зависимость R.Z --> R.X. (При отсутствии последнего требования мы имели бы "неинтересные" транзитивные зависимости в любом отношении, обладающем несколькими ключами.)

Неключевым атрибутом называется любой атрибут отношения, не входящий в состав первичного ключа (в частности, первичного).

Два или более атрибута взаимно независимы, если ни один из этих атрибутов не является функционально зависимым от других.

Отношение R находится во второй нормальной форме (2NF) в том и только в том случае, когда находится в 1NF, и каждый неключевой атрибут полностью зависит от первичного ключа.

Отношение R находится в третьей нормальной форме (3NF) в том и только в том случае, если находится в 2NF и каждый неключевой атрибут нетранзитивно зависит от первичного ключа.

На практике третья нормальная форма схем отношений достаточна в большинстве случаев, и приведением к третьей нормальной форме процесс проектирования реляционной базы данных обычно заканчивается. Однако иногда полезно продолжить процесс нормализации.

1.3.2   Язык реляционных баз данных SQL

Structured Query Language представляет собой непроцедурный язык, используемый для управления данными реляционных СУБД. Термин «непроцедурный» означает, что на данном языке можно сформулировать, что нужно сделать с данными, но нельзя проинструктировать, как именно это следует сделать. Иными словами, в этом языке отсутствуют алгоритмические конструкции, такие как метки, операторы цикла, условные переходы и др.

Язык SQL был создан в начале 70-х годов в результате исследовательского проекта IBM, целью которого было создание языка манипуляции реляционными данными. Первоначально он назывался SEQUEL (Structured English Query Language), затем — SEQUEL/2, а затем — просто SQL. Официальный стандарт SQL был опубликован ANSI (American National Standards Institute — Национальный институт стандартизации, США) в 1986 году (это наиболее часто используемая ныне реализация SQL). Данный стандарт был расширен в 1989 и 1992 годах. В настоящее время ведется работа над стандартом SQL3, содержащим некоторые объектно-ориентированные расширения.

Существует три уровня соответствия стандарту ANSI — начальный, промежуточный и полный. Многие производители серверных СУБД, такие как IBM, Informix, Microsoft, Oracle и Sybase, применяют собственные реализации SQL, основанные на стандарте ANSI (отвечающие как минимум начальному уровню соответствия стандарту) и содержащие некоторые расширения, специфические для данной СУБД.

Предположим, что имеется база данных, управляемая с помощью какой-либо СУБД. Для извлечения из нее данных используется запрос, сформулированный на языке SQL. СУБД обрабатывает этот запрос, извлекает запрашиваемые данные и возвращает их. Этот процесс схематически изображен на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Извлечение данных с использованием SQL запроса.

SQL позволяет не только извлекать данные, но и определять структуру данных, добавлять и удалять данные, ограничивать или предоставлять доступ к данным, поддерживать ссылочную целостность.

SQL сам по себе не является ни СУБД, ни отдельным продуктом. Это язык, применяемый для взаимодействия с СУБД и являющийся в определенном смысле ее неотъемлемой частью.

SQL содержит примерно 40 операторов для выполнения различных действий внутри СУБД. Ниже приводится краткое описание категорий этих операторов.

Data Definition Language содержит операторы, позволяющие создавать, изменять и уничтожать базы данных и объекты внутри них (таблицы, представления и др.).

Data Manipulation Language содержит операторы, позволяющие выбирать, добавлять, удалять и модифицировать данные. Эти операторы не обязаны завершать транзакцию, внутри которой они вызваны.

Операторы Transaction Control Language применяются для управления изменениями, выполненными группой операторов DML.

Операторы Data Control Language, иногда называемые операторами Access Control Language, применяются для осуществления административных функций, присваивающих или отменяющих право (привилегию) использовать базу данных, таблицы в базе данных, а также выполнять те или иные операторы SQL.

Операторы Cursor Control Language используются для определения курсора, подготовки SQL-предложений для выполнения, а также для некоторых других операторов.

Каждый оператор SQL начинается с глагола, представляющего собой ключевое слово, определяющее, что именно делает этот оператор (SELECT, INSERT, DELETE...). В операторе содержатся также предложения, содержащие сведения о том, над какими данными производятся операции. Каждое предложение начинается с ключевого слова, такого как FROM, WHERE и др. Структура предложения зависит от его типа — ряд предложений содержит имена таблиц или полей, некоторые могут содержать дополнительные ключевые слова, константы или выражения.

Все операторы SQL имеют вид, показанный на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Общий вид операторов SQL