Омск 2015. Задание на курсовой проект. Тема: Асинхронные двигатели в системах электропривода. Использованное ПО: MS World, АСКОН КОМПАС, Mathcad.


Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Электрические машины и общая электротехника»
К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ
Преподаватель кафедры ЭМиОЭ Д.А. АхуновАСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Расчетно – пояснительная записка к курсовому проекту
По дисциплине «Электрические машины»
Студент группы 22 Б
________В.Е. Соколов
Руководитель
Преподаватель кафедры ЭМиОЭ Д.А. Ахунов«___» ______________ 2015 г.
Омск 2015
Задание на курсовой проект
Тема: Асинхронные двигатели в системах электропривода.
Задание: По заданной нагрузочной диаграмме электропривода определить эквивалентную мощность и выбрать асинхронный двигатель с фазным ротором. Произвести проверку выбранного двигателя на нагрев по методу средних потерь, на перегрузочную способность при снижении напряжения в сети, а так же расчет теплового режима выбранного двигателя по заданной нагрузочной диаграмме.
Определить сопротивление добавочного резистора, который необходимо включить в цепь ротора выбранного двигателя для снижения частоты вращения на заданную величину при нормальном моменте сопротивления. Построить естественную и реостативную механические характеристики выбранного двигателя.
Рассчитать сопротивление секции пускового резистора и потери электрической энергии при реостатном и прямом пуске.
Начертить и изучить схемы управления пуском и реверсом асинхронных двигателей.
Номер варианта 78.
Реферат
УДК 621.313.33(075.8)
Курсовая работа содержит 23 страниц, 7 рисунков, 35 формул,
1 таблицу, использован 1 источник.
В данном курсовом проекте на базе теории электротехники и электроники, электрических машин и электропривода производится выбор мощности, пуска, регулирование частоты вращения и расчет теплового состояния асинхронного двигателя.
Использованное ПО: MS World, АСКОН КОМПАС, MathcadСодержание
1. Исходные данные………………………………………………………………5
2. Расчет эквивалентной мощности и выбор АД………………………………..5 3. Проверка выбранного двигателя по нагреву…………………………...…….6
4. Проверка на перегрузку при снижении напряжения………………………...8
5. Расчет теплового состояния АД……………………………………………….9
6. Расчет механических характеристик………………………………………...13
7. Расчет пускового реостата……………………………………………………16
8. Расчет электрических потерь при пуске двигателя…………………………17
9. Управление пуском АД с короткозамкнутым ротором…………………….18
10. Управление пуском АД с фазным ротором………………………………..19
11. Управление реверсом АД с короткозамкнутым ротором…………………20
12. Заключение…………………………………………………………………...22
13. Список литературы…………………………………………………………..23
Исходные данные:
Мощности на ступенях нагрузки, кВт,
Р1=25, Р2=35, Р3=45, Р4=12,
Длительность каждой ступени нагрузки, мин,
t1=10, t2=12, t3=15, t4=6, t5=7.
Синхронная частота вращения АД–1500 об/мин. Требуемое снижение частоты вращения на реостатной характеристике Δn=5,7%.
2. Расчет эквивалентной мощности и выбор АДМногоступенчатый график нагрузки, характеризующий длительный переменный режим работы электропривода (рисунок 1), можно привести к равномерному, воспользовавшись понятием эквивалентной (среднеквадратичной) мощности, кВт,
, (2.1)
где Pi – мощность, кВт,
ti – продолжительность нагрузки каждой i-й ступени графика, включая паузу, мин,
кВт.
По каталогу выбираем двигатель 4АНК200M4УЗ, имеющий следующие параметры:
номинальная мощность Рн=37 кВт,
номинальное скольжение Sн=3 %,
КПД в номинальном режиме н=90,
кратность номинального момента Km=3 ;напряжение ротора Uр=360 В,
ток ротора Iр=62А,
постоянная времени нагрева Тн=27 мин,
суммарный момент инерции,
приведенный к валу двигателя J=40 *10^-2 кгм2.
3. Проверка выбранного двигателя по нагревуВыбор 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,
, (3.1)
гдеРн – номинальная мощность выбранного АД, кВт,
ηн – КПД в номинальном режиме по каталогу.
кВт.
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:
, (3.2)
, (3.3)
где Pм – потери в меди обмоток при номинальной нагрузке, кВт,
P0 – потери х.х. (постоянные потери), кВт.
кВт,
кВт.
Потери в обмотках являются переменными, они пропорциональны квадрату тока или квадрату коэффициента нагрузки. Исходя из этого:
Коэффициенты нагрузки по ступеням графика, (3.4)
где Pi – мощность i-й ступени нагрузки,
Кнi – коэффициент нагрузки i-й ступени.
кВт,
кВт,
кВт,
кВт,
кВт.
Потери на каждой ступени графика нагрузки, кВт,
, (3.5)
кВт,
кВт,
кВт,
кВт,
кВт.
Средние потери за цикл, кВт,
, (3.6)
кВт .Проверка выбранного двигателя по нагреву заключается в проверке условия:
(3.7)
3,476 кВт < 4,111 кВт.
В нашем случае условие выполняется.
4. Проверка на перегрузку при снижении напряженияВ 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
, (4.1)
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.
5. Расчет теплового состояния АДНепосредственный расчет теплового режима электрической машины представляет собой сложную многофакторную задачу, решить которую возможно лишь при детальном конструктивном расчете. В данной работе рассмотрим этот процесс с качественной стороны, введя ряд допущений.
Одним из таких допущений будет представление АД однородным телом с равномерно распределенными внутри его объема источниками тепла, которыми являются потери. Процесс нагревания такого тела описывается уравнением:
, (5.1)
где τнач – начальное превышение температуры (в начале расчета τнач =0), °C,
Тн – постоянная времени нагревания,
τуст – установившееся превышение температуры.
Если принять установившееся превышение температуры в оминальном режиме равным допустимому для данного класса термостойкости изоляции, то для любого иного режима
, (5.2)
гдеτдоп – допустимое превышение температуры, в данном случае
τдоп =80°C,
ΔРi – потери на i-й ступени нагрузки, кВт.




°С.
За начальное превышение температуры каждой ступени, включая паузу, принимаем конечное превышение, рассчитанное в конце предыдущей ступени.
Реальные превышения температуры, °С:
в течение первого цикла -
°С,
°С,
°С,
°С , °С,
в течение второго цикла –
°С,
°С,
°С,
°С,
°С,
в течение третьего цикла -
°С,
°С,
°С,
°С,
°С,
в течение четвертого цикла -
°С,
°С,
°С,
°С,
°С,
Как видно, превышения температуры после третьего цикла остаются практически неизменными, т.е. тепловой режим двигателя достиг установившегося состояния.
, (5.3)
˚С;
, (5.4)

Где t – текущее время
Расчет ведется до t>3Th

Рисунок 1 - Диаграмма потерь и кривые нагрева
6. Расчет механических характеристик.
Для расчета естественной механической характеристики находим номинальную частоту вращения:
; (6.1)
номинальный момент:
; (6.2)
критическое скольжение:
; (6.3)
максимальный момент:
. (6.4)
Расчет механической характеристики производим по упрощенной формуле Клосса:
. (6.5)
Для расчета реостатной характеристики необходимо прежде всего определить частоту вращения ротора при заданном Δn:
; (6.6)
и скольжение, соответствующее данной частоте вращения:
. (6.7)
Сопротивление ротора выбранного двигателя:
; (6.8)
тогда необходимое добавочное сопротивление:
. (6.9)
Критическое скольжение на реостатной характеристике:
. (6.10)
Расчет механической характеристики производим по упрощенной формуле Клосса:
. (6.11)
Таблица 1 – Механические характеристики выбранного АД
S 0 =0.03 =0.175 0,2 =0.331 0,4 0,6 0,8 1 1,2
n, об/мин 1500 1455 1238 1200 1004 900 600 300 0 -300
Естественная М, Н·м 0 243 729 722 602 535 392 304 247 208
Реостатная М, Н·м 0 131 602 645 728 716 616 515 435 373

Рисунок 2 – Механические характеристики

Рисунок 3 – Механические характеристики
7. Расчет пускового реостата
По заданию пуск двигателя производится при MC = 0. Выбираем пиковый момент:
. (7.1)
В этом случае при z = 2 переключающий момент:
; (7.2)
По найденным моментам построена пусковая диаграмма:

Рисунок 4 – Пусковая диаграмма
Из диаграммы получаем отношения отрезков:
; .
Сопротивления секций пускового реостата:
; (7.3)
. (7.4)
8. Расчет электрических потерь при пуске двигателя
По пусковой диаграмме находим, что первое переключение должно быть при частоте вращения 1111 об/мин, второе – 1400 об/мин, следовательно:
; . (8.1)
Угловая синхронная частота вращения:
. (8.2)
Потери электрической энергии на первой реостатной характеристике:
(8.3)
на второй реостатной характеристике:
(8.4)
на естественной характеристике:
. (8.5)
Суммарные электрические потери при реостатном пуске:
; (8.6)
в практических единицах:
.
Для сравнения определим потери в случае прямого пуска:
; (8.7)
в практических единицах:
.
Как видно, потери в случае прямого пуска в 1.3 раза больше, чем при реостатном.
9 Управление пуском АД с короткозамкнутым ротором

Рисунок 5 - Принципиальная схема управления пуском
АД с короткозамкнутым ротором
Обычно двигатели с короткозамкнутым ротором управляются при помощи магнитного пускателя.
После включения рубильника Q (см.рис.5) ни один из аппаратов в схеме не срабатывает . Для пуска двигателя необходимо нажать кнопку S2 «Пуск». При этом включиться катушка контактора К3, которая главными контактами К3 подключает двигатель к сети, а блок-контактором К3 блокирует кнопку «Пуск». При отпускании кнопки двигатель остается включенным. Отключение двигателя происходит при нажатии на кнопку S1 «Стоп». При этом цепь катушки К3 размыкается и его главные контакты отключают статор двигателя от сети.
Защита от короткого замыкания осуществляется плавкими предохранителями F, а от длительной перегрузки двигателя – при помощи тепловых реле (К1,К2) Нагревательные элементы реле включены в две фазы двигателя и предохраняют двигатель от перегрева во всех случаях, в том числе и при перегорании в одной из фаз.
В случае перегрева двигателя тепловое реле размыкает цепь катушки контактора и отключает двигатель. Для повторного его включения необходимо через некоторое время, достаточное для охлаждения нагревательных элементов, нажать кнопку возврата.
Предусмотрена так называемая нулевая защита. При значительном снижении напряжения в сети переменного тока втягивающее усилие в контакторе уменьшается, его контакты размыкаются и двигатель автоматически отключается от сети. Когда напряжение сети восстановится самопроизвольного пуска двигателя не происходит, так как цепи катушек контакторов будут разомкнуты соответствующими контактами.
10. Управление пуском АД с фазным ротором
Упрощенная схема управления пуском АД с фазным ротором в функции времени в две пусковые ступени приведена на рис.6. В исходном состоянии контакты К2, К3 замкнуты. При замыкании рубильника Q через размыкающие контакты К1 и К4 получают питание катушки реле К2 и К3, которые без выдержки времени отключают катушки контакторов К4 и К5. Затем после нажатия кнопки S2 «Пуск» включается катушка контактора К1, которая своими главными контактами К1 подключает статор двигателя к сети и блок-контактором К1 блокирует кнопку S2 «Пуск».

Рисунок 6 - Принципиальная схема управления пуском АД с фазным ротором.
Двигатель запускается с полностью включенными резисторами, что должным образом ограничивает пусковой ток и обеспечивает необходимый пусковой момент. После отключения размыкающим контактом К4 реле времени К2 оно начинает отсчитывать выдержку времени припуске на первой пусковой ступени. Отсчитав выдержку, реле К2 своим контактом включает катушку контактора К4 (контакт К1 замкнут) и шунтирует часть пускового резистора. Размыкающий контакт К4 в цепи реле К3 размыкается, и реле К3 начинает отсчитывать выдержку времени, по окончании которой размыкающий контакт К3 замыкается, подключая к источнику питания катушку К5, в результате чего шунтируется вторая ступень пускового резистора, и двигатель выводится на естественную характеристику.
Защита предусмотрена такая же , как и в схеме на рис.5. Нажатием кнопки S1 «Стоп» двигатель отключается от сети, при этом катушка контактора К1 теряет питание и замыкающие контакты его К1 размыкают цепь статора.
11 Управление реверсом АД с короткозамкнутым ротором
Для управления реверсом АД использованы двухцепные кнопки и реверсивный магнитный пускатель с механическим блокировочным устройством, исключающим одновременное включение обоих контактов (рис.7)

Рисунок 7 - Принципиальная схема управления реверсом АД с короткозамкнутым ротором.
После включения рубильника Q ни один из аппаратов не срабатывает. При нажатии кнопки S3 «Вперед» ее замыкающий контакт обеспечивает подачу напряжения на катушку контактора К3, а размыкающий разрывает цепь катушки контактора К4. Контактор К3 срабатывает , при этом его главные контакты К3 подключают обмотки статора двигателя к сети.
Замыкающий блок-контакт К3 блокирует кнопку S3 «Вперед», а размыкающий контакт К3 размыкает еще в одном месте цепь катушки контактора К4. После этого кнопка может быть отпущена, а контактор К3 и двигатель остаются включенными. Размыкающий контакт контактора К3 дополняет действие механической блокировки, надежно, исключая явления одновременного включения контакторов. При замыкании обоих контакторов в цепи создается режим 3-фазного короткого замыкания.
Для изменения направления вращения двигателя следует нажать на кнопку S2 «Назад», при этом ее размыкающий контакт разомкнет цепь катушки контактора К3, возникнет еще один разрыв, который сохраняется после отпускания кнопки S2 «Назад». Одновременно включается размыкающий контакт катушки К3, который замыкает цепь катушки контактора К4. Последний включается, его главные контакты К4 замыкаются и двигатель начинает вращаться в обратном направлении, так как две фазы на статоре переключаются.
Одновременно замыкающий блок-контакт контактора К4 блокирует замыкающую цепь кнопки S2 «назад», и его размыкающий контакт К4 создает еще один разрыв цепи катушки К3. После отпускания кнопки S2 «Назад» автоматически поддерживается заданный режим работы двигателя.
Если надо остановить двигатель нажимают кнопку S1 «Стоп». Ее размыкающий контакт разрывает цепь катушки любого из ранее включенных контакторов. Так же, как и в схеме, приведенной на рисунке 5, здесь предусмотрены защита предохранителями от коротких замыканий, защита двигателя от перегревания при помощи реле, нулевая защита и защита от самозапуска.
Если по технологическому процессу требуется (или допустимо) реверсирование двигателя только после его остановки, то в этом случае следует в схеме Рис.7 вместо двухцепных кнопок применить одноцепные с замыкающими контактами. При этом для осуществления реверса двигателя с направления «Вперед» необходимо вначале нажать кнопку «Стоп», а затем нажать на кнопку реверса двигателя. В такой схеме при нажатии на кнопку «Назад» без предварительного нажатия на кнопку «Стоп» режим работы двигателя не изменится, так как цепь катушки контактора «Назад» разомкнута размыкающим контактом контактора «Вперед».
Заключение
В данной работе проведен расчет асинхронного двигателя. Определена эквивалентная мощность по исходным данным и выбран АД. Проверка по нагреву показала, что выбранный двигатель соответствует температурному режиму. Проверка на снижение напряжения, показала, что двигатель будет работать нормально. Расчет теплового состояния АД велся для того,
чтобы мы могли судить об общем времени нагрева двигателя до установившегося теплового состояния. В расчете механических характеристик используются упрошенная формула Класса.
В этом же пункте рассчитывается номинальная частота вращения, критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту, сопротивление ротора АД, частота вращения ротора при работе АД на реостатной характеристике и соответствующее ей скольжение, а также рассчитывается величина добавочного сопротивления.
В работе определены электрические потери на первой и второй реостатной характеристики и на естественной характеристики. Определены полные потери при реостатном пуске, а также потерн в случае прямого пуска.
Список литературы.
1. Асинхронные двигатели в системе электропривода. Методические указания
к выполнению курсовой работы для студентов дневной и заочной формы обучения по специальностям:
150700 - "Локомотивы", 150800 - "Вагоны": 100700 - "Промышленная энергетика"
В.Д. Авилов. В.П. Беляев. Е.А. Савельева
Омский гос. Университет путей сообщения. Омск. 1998. 32с.

Приложенные файлы

  • docx 11137522
    Размер файла: 743 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий