Расчет электрического двигателя. Подбор асинхронного двигателя

Курсовой проект.doc

Асинхронные двигатели в системах электропривода
1 Параметры задания и выбор варианта задания
2 Расчет эквивалентной мощности и выбор АД
3 Проверка выбранного двигателя по нагреву
4 Проверка на перегрузку при снижении напряжения
6 Расчет механических характеристик
7 Расчет резисторов пускового реостата
8 Расчет электрических потерь при пуске двигателя
Управление пуском асинхронных двигателей
1. Управление пуском АД с фазным ротором в функции времени
2. Схема управления приводом передвижения тележки
Библиографический список
Асинхронные двигатели широко используются в промышленности благодаря простоте их конструкции надежности в эксплуатации и сравнительно низкой себестоимости.
Наиболее простыми в отношении устройства и управления надежными в эксплуатации имеющими наименьшую массу габариты и стоимость при определенной мощности являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Их масса на единицу мощности в 15-20 раза ниже чем у машин постоянного тока. Чаще всего асинхронные двигатели применяются при невысокой частоте включений когда не регулируют частоту вращения или возможно ступенчатое её регулирование.
В установках где требуется регулирование частоты вращения в относительно небольших пределах необходимы плавный пуск хорошие тормозные качества ограничение токов в переходных процессах и т.д. находят широкое применение асинхронные двигатели с фазным ротором. Характерной особенностью этих двигателей является возможность уменьшения с помощью реостатов их пусковых токов при одновременном увеличении пускового момента.
При выборе двигателя по мощности следует исходить из необходимости его полного использования в процессе работы. В случае завышения номинальной мощности двигателя снижаются технико-экономические показатели электропривода т.е. КПД и коэффициент мощности. Если же нагрузка на валу двигателя превышает номинальную то это приводит к росту токов в его обмотках а значит и потерь мощности выше соответствующих номинальных значений.
Для обоснованного выбора асинхронного двигателя необходимо знать как изменяется нагрузка на валу двигателя во времени что в свою очередь позволяет судить о характере изменения потерь мощности. С целью определения нагрузки двигателя большинства производственных механизмов строятся так называемые нагрузочные диаграммы под которыми понимаются зависимости развиваемых двигателем момента и мощности от времени т.е. M=f(t) и P=f(t).
Различают следующие режимы работы двигателя: продолжительный при постоянной нагрузке на валу двигателя; кратковременный; повторно-кратковременный; ударный (момент статистической нагрузки резко увеличивается по различным законам а затем снижается до момента холостого хода).
При расчете принять что в период паузы (t5) двигатель работает в режиме холостого хода без отключения от сети.
Напряжение питающей (цеховой) сети принять в зависимости от мощности двигателя:
от 22 до 75 кВт – 380 В
от 45 до 110 кВт – 660 В
от 45 до 75 кВт – 380 либо 660 В (выбрать по желанию).
Снижение напряжения в питающей сети для проверки выбранного АД на перегрузочную способность принять 10 % от номинального для всех вариантов.
Число ступеней пускового реостата для всех вариантов z=2.
в соответствии с вариантом 2-7 следует:
мощности на ступенях нагрузки кВт
Р1=13 Р2=6 Р3=10 Р4=5
длительность каждой ступени нагрузки мин
t1=16 t2=6 t3=13 t4=9 t5=6.
Синхронная частота вращения АД–1000обмин. Требуемое снижение частоты вращения на реостатной характеристике Δn=48%.
2 Расчет эквивалентной мощности и выбор АД
Многоступенчатый график нагрузки характеризующий длительный переменный режим работы электропривода (рисунок 1) можно привести к равномерному воспользовавшись понятием эквивалентной (среднеквадратичной) мощности кВт
где Pi – мощность кВт
ti – продолжительность нагрузки каждой i-й ступени графика включая паузу мин
По каталогу выбираем двигатель 4АК160М6У3 имеющий следующие параметры:
номинальная мощностьРн=10 кВт
номинальное скольжение Sн=45%
КПД в номинальном режиме hн=845%
кратность номинального момента Km=38;
напряжение ротора Uр=310 В
постоянная времени нагрева Тн=30 мин
суммарный момент инерции
приведенный к валу двигателя J=076×10-2 кг×м2.
Характеристика двигателя 4АК160М6У3: двигатель серии 4А с фазным ротором; исполнение по способу защиты – IP44 – защита от проникновения внутрь оболочки предметов длиной до 60 мм и твердых тел размером свыше 12 мм; степень защиты от проникновения внутрь машины воды 3; станина алюминиевая щиты чугунные; высота оси вращения – 225мм; установочный размер по длине станины средний; число полюсов–6; климатическое исполнение – УЗ т.е. возможность эксплуатации электрической машины в зоне умеренного климата в закрытых помещениях.
Выбор АД гарантирует что данный двигатель при заданном графике нагрузки удовлетворяет требованиям по нагреву однако проведем проверку.
Проверка по нагреву производится по методу средних потерь. Для этого вначале определяются потери в номинальном режиме по данным каталога:
Потери в номинальном режиме кВт
гдеРн – номинальная мощность выбранного АД кВт
н – КПД в номинальном режиме по каталогу.
Найденные потери являются суммой потерь в меди обмоток статора и ротора в стали и механических. Будем считать что механические потери остаются постоянными тогда сумму потерь разделим на две группы:
-постоянные потери или потери х.х. включающие в себя потери в стали механические и дополнительные
-переменные потери в обмотках изменяющиеся с изменением нагрузки.
В большинстве случаев соблюдаются следующие соотношения:
где Pм – потери в меди обмоток при номинальной нагрузке кВт
P0 – потери х.х. (постоянные потери) кВт.
Потери в обмотках являются переменными они пропорциональны квадрату тока или квадрату коэффициента нагрузки. Исходя из этого:
Коэффициенты нагрузки по ступеням графика
где Pi – мощность i-й ступени нагрузки
Кнi – коэффициент нагрузки i-й ступени.
Потери на каждой ступени графика нагрузки кВт
Средние потери за цикл кВт
Проверка выбранного двигателя по нагреву заключается в проверке условия:
В нашем случае условие выполняется.
В заводских силовых электрических цепях допускается снижение напряжения на 10%. Естественно что при таком снижении напряжения оборудование не должно терять работоспособность. В то же время известно что момент на валу асинхронных двигателей снижается пропорционально квадрату напряжения. Поэтому выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузочную способность при понижении напряжения. Иногда может быть и большее понижение напряжения.
Проверка сводится к проверке условия что максимальный момент двигателя при снижении напряжения будет не меньше момента сопротивления на валу.
Должно выполняться условие
гдеPmax – максимальная мощность по нагрузочной диаграмме кВт
ΔU – снижение напряжения % ΔU =10%
Kmax – кратность максимального момента по каталогу.
или – верно. Следовательно двигатель сохраняет работоспособность при понижении напряжения в цеховой сети.
Таким образом выбранный двигатель удовлетворяет всем поставленным условиям.
Механическими характеристиками АД называют зависимости М=f(s) и n=f(M).
Аналитические выражения данных характеристик достаточно сложны требуют знания многих параметров АД и для практических целей используются редко. Более удобной является так называемая формула Клосса вполне удовлетворительно описывающая реальную характеристику в пределах изменения скольжения от 0 до критического Sк. Вторая часть характеристики рассчитанная по формуле Клосса существенно отличается от реальной. Однако в этой части асинхронные двигатели не работают и практического значения для анализа задач электропривода она не представляет.
Для расчета естественной механической характеристики находим:
номинальную частоту вращения обмин
где n1 – синхронная частота вращения обмин
Sн – номинальное скольжение по каталогу о.е.
номинальный момент Нм
где Рн – номинальная мощность
критическое скольжение соответствующее максимальному моменту
где Sн – номинальное скольжение
Км – кратность номинального момента.
максимальный момент Нм
Задавшись величиной S от 0 до 12 можно рассчитать зависимость М=f(s) которую затем легко перевести в координаты n=f(M) по формуле:
Расчет механической характеристики производим по упрощенной формуле Клосса Нм
гдеКм – коэффициент перегрузочной способности
S – текущее значение скольжения
Sк – критическое скольжение
Мн – номинальный момент на валу двигателя Н·м.
При отсутствии резисторов в цепи ротора имеем естественные характеристики.
Результаты расчета приведены в таблице 1.3 характеристики показаны на рисунках 2 3 4.
Таблица 1.3 – Механические характеристики выбранного АД
Исследуемые параметры машины S
Частота вращения ротора n обмин
естественная характеристика
реостатная характеристика
Рисунок 2- Механическая характеристика M=f(s)
Рисунок 3- Механическая характеристика n=f(Me)
Введение добавочного сопротивления в цепь ротора приводит к увеличению критического скольжения величина максимального момента при этом не изменяется. Иными словами механическая характеристика смещается вниз а М=f(s) – вправо. Тем самым при постоянном моменте сопротивления Мс частота вращения несколько снижается.
При реостатной характеристике частота вращения ротора при заданном Δn=5% обмин
скольжение соответствующее данной частоте вращения
Сопротивление ротора выбранного двигателя Ом
тогда необходимое добавочное сопротивление Ом
Критическое скольжение на реостатной характеристике
Пусковые диаграммы строим по моментам М1 и М2.
По заданию пуск двигателя производится при Мс=0. Выбираем пиковый момент Нм
По условию задания число пусковых ступеней z=2 тогда переключающий момент Нм
или М2=036Мн что вполне допустимо при пуске в режиме х.х.
Рисунок 4- Пусковая диаграмма
По найденным моментам построена пусковая диаграмма (рисунок 4) из которой получаем соотношение отрезков: abcd и bccd.
Следовательно сопротивление секций пускового реостата Ом
Электрические потери при пуске асинхронных двигателей состоят из потерь в роторной цепи определяемых запасом кинетической энергии которую приобретает привод к концу пуска и потерь в статорной цепи зависящих от соотношения активных сопротивлений статорной и роторной цепей.
Незначительными постоянными потерями в процессе пуска и влиянием намагничивающего тока можно пренебречь.
Для расчета электрических потерь необходимо предварительно определить скольжения при переходе с одной характеристики на другую. По пусковой диаграмме (рисунок 5) находим что первое переключение должно быть при частоте вращения 958 обмин второе – 1304 обмин следовательно по уравнениям 1.28 скольжение соответствующее ей частоте-
Угловая синхронная частота вращения радс
В выражениях (1.30) – (1.32) присутствует соотношение сопротивлений и если принять то оно остается тем же в результате замены этого равенства на R1 = rр. В дальнейшем расчеты ведутся по реальным значениям сопротивлений ротора.
Потери электрической энергии Дж при реостатном пуске принимая
на первой реостатной характеристике
на второй реостатной характеристике
на естественной характеристике
Суммарные электрические потери при реостатном пуске Дж
в практических единицах кВтч
Для сравнения потери в случае прямого пуска Дж
Как видно потери в случае прямого пуска больше нежели при реостатном. Иначе говоря при реостатном пуске экономится 775 кВтч.
Управление пуском асинхронных двигателей.
1. Управление пуском АД с фазным ротором в функции времени.
При замыкании рубильника Q напряжение сразу подается на катушки реле времени KT1 и KT2 через замкнутые контакты KM1 и KM2. Тем самым контакты реле KT1 и KT2 оказываются разомкнутыми. После нажатия кнопки пуска SB1 получает питание катушка контактора KM1 в результате чего подается напряжение на статор двигателя блокируется кнопка SB1 и теряет питание катушка реле времени KT1. Начинается отсчет времени пуска со всеми пусковыми резисторами. После выдержки времени замыкается контакт KT1 получает питание силовой контактор KM2 что приводит к выводу из цепи ротора резистора RД1 и к потере питания реле времени KT2. По окончании времени установки катушки реле KT2 замыкается контакт реле KT2 получает питание силовой контактор KM3 шунтируется оставшийся резистор RД2 двигатель переходит на естественную характеристику. Все время автоматического пуска складывается из двух установок реле времени KT1 и KT2 и времени разгона двигателя по естественной характеристике.
Рисунок 7 – Принципиальная схема пуском АД с фазным ротором
Защита АД предусмотрена такая же как в схеме приведенной на рис.7 Нажатием кнопки остановки SB2 двигатель отключается от сетью при этом катушка контактора КМ1 теряет питание и замыкающие контакторы его КМ1 размыкают цепь статора.
2. Схема управления приводом передвижения тележки.
-Включаем 3-х фазный выключатель Q5. Подается питание на KM6.
-Включаем S2 пакетный переключатель в режим работы через его контакты и контакты включившегося KM6 подается питание на катушку KV1 которая включает цепь управления M3 (двигатель).
-Включаем SA3 (кулачковый переключатель) цепь собрана.
-При переключении SA3 в положение «вперед 1» замыкается контакт 5 который включает цепь тормоза тормоз размыкается и освобождает вал двигателя. Одновременно с этим включается KM4 на контакте 6 замыкая своими контактами фазы двигателя и KM1 который подключает статор двигателя в направлении вперед. Двигатель начинает движение с полностью включенными пусковыми резисторами в цепь ротора.
-При переключении SA3 в положение «вперед 2» срабатывает контактор KM7 который шунтирует часть пускового резистора тем самым происходит плавный разгон двигателя по ступенчатому закону.
-Реле времени KT1 и KT2 обеспечивают переход на последующие механические характеристики (скорости) двигателя с некоторой временной задержкой.
-При необходимости остановки движения двигателя производится постепенное возвращение кулачкового переключателя SA3 в положение «0» тем самым включая в цепь пусковые резисторы для уменьшения скорости вращения двигателя. При достижении на кулачковом переключателе SA3 положения «0» двигатель останавливается за счет прекращения подачи на него тока в направлении вперед и выключения тормозного электромагнита тормоз замыкается останавливая вал двигателя.
-При достижения тележки одного из крайних положений своего пути она замыкает один из концевых выключателей SQ3 или SQ4 при замыкании которых исчезает сигнал с контактора KV1 и размыкаются контакты идущие перед системой направления движения вращения двигателя и системой включения тормозного электромагнита тем самым он выключится и двигатель останавливается.
Определили сопротивление добавочного резистора который необходимо включить в цепь ротора выбранного двигателя для снижения частоты вращения на заданную величину при номинальном моменте сопротивления. Построили естественную и реостатную механические характеристики двигателя.
Рассчитали сопротивления секций пускового резистора и потери электрической энергии при реостатном и прямом пуске. Пришли к выводу что при прямом пуске расходуется в 15-2 раза больше энергии.
Начертили и изучили схемы управления пуском и реверсом асинхронных двигателей.
Справочник по Электрические машинам Под Ред. И.П. Копылова Б. К. Клокова М.: Энергоатомиздат 1998.
Чиликин М.Г. Общий курс электропривода М.Г. Чиликин А. С. Сандлер М.: Энергоатомиздат 1984.
Вольдек А.И. Электрические машины А.И. Вольдек Л.: Энергия 1978.
Касаткин А.С. Электротехника А.С. Касаткин М. В. Немцов М.: Высшая школа 2000.
Москаленко В. В. Электрический привод В. В. Москаленко М.: Высшая школа 1991.
Асинхронные двигатели в системах электропривода: методические указания к выполнению курсовой работы Авилов В. Г. Беляев В. П. Савельева Е. Н. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск 2005. 44с.

Электричческая схема.cdw

Время задержки включения контактора
Схема электрическая принципиальная
соответствует маркировке блока временной задержки и блоков BR1 и BR2.
Скорость передвижения на 2-ой позиции командоконтроллера регулируется положением хомута 50 резистора
Скорость передвижения на 3-ей позиции командоконтроллера регулируется положением хомута 46 резистора
При переводе командоконтроллера на 1-ую тормозную позицию реле KV должно включаться
при скорости передвижения
близкой к нулевой. Регулировка производится с помощью
резистора R2 блока BR1.
Схема допускает работу привода без блоков обратной связи BR1 и BR2. Для этого
необходимо закоротить клеммы 1Р16
Р18 в пускорегулирующем резисторе R4 и клеммы
Р18 в пускорегулирующем резисторе R5.
Блокконтакт КМ8 с маркировкой "31-32" включается в цепь подхвата линейного контакто-
ра КМ1 шкафа ввода блока БОК8901.
В обозначениях цепей дополнительные буквы
соответствуют их функциональному
В-подъём вспомогательный; Т-тележка
Буквы в позиционных обозначениях клеммных блоков
соответствуют размещению этих
Подключение кулачков 1
командоконтроллера SA4
Механические характеристики
Блок временной задержки
Регулировка реле (при холодных катушках)
(см. 5043-800.0-9589Э3)