Электроснабжение предприятий и электропривод

Реферат

Расчетно-пояснительная записка содержит 29 листов машинописного текста, 4 таблиц, использовано 4 литературных источника.

Ключевые  слова и выражения: пусковой момент, избыточный момент, момент двигателя, тепловые потери, коэффициенты механической и тепловой перегрузок, номинальные потери мощности, средние потери мощности, превышение температуры электродвигателя.

Цель  работы:

Часть 1.  Научиться рассчитывать и строить механические характеристики для электромеханической системы электропривода  трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, механической передачи и рабочей машины.

Часть  2.   На основании исходных данных построить нагрузочную диаграмму электродвигателя привода, рассчитать потери электрического двигателя, рассчитать и построить кривую изменения превышения температуры электродвигателя при работе и после отключения, совместив ее с нагрузочной диаграммой.

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение

 

В соответствии с решениями правительства  осуществляется Энергетическая программа, которая признана крупнейшим документом перспективного значения. Реализация Энергетической программы России является одним из необходимых условий для ускорения перевода экономики страны на интенсивный путь развития, позволит существенно увеличить энерговооруженность отраслей народного хозяйства. Она предполагает дальнейшее совершенствование размещения производительных сил страны в направлении приближения их к основным топливно-энергетическим базам России. Создание ЕЭС России экономически продиктовано тем, что в восточной части страны находится около 80% топливных и гидроресурсов, тогда как в европейской части России размещается около 80% потребителей энергии. Установлено, что передача больших мощностей из восточных районов страны в ее европейскую часть экономически целесообразна с уникально высоким напряжением 1150 кВ переменного или 1500 кВ постоянного тока.

Основными потребителями электрической  энергии являются промышленность, транспорт, сельское хозяйство, коммунальное хозяйство  городов, причем на промышленность приходится более 70% потребления электроэнергии, которая должна расходоваться рационально и экономно на каждом предприятии, участке и установке.

 

 

 

 

 

1 Расчет электромеханической системы электропривода

1.1 Расчёт и построение механической характеристики электродвигателя

Механическую характеристику асинхронного электродвигателя строят на основании  расчета его вращающихся моментов для частот вращения, соответствующих скольжениям: 0; s = s_н; 0,1 s = s_к; 0,3; 0,4; 0,8 и 1,0.

Вращающий пусковой момент электродвигателя при s = 1,0 ( = 0) и минимальный момент при s = 0,8 определяется, используя кратности пускового и минимального моментов по выражению:

,     (1.1)

где - номинальный вращающий момент электродвигателя, Нм;

      - номинальная мощность электродвигателя, Вт;

,            (1.2)

.    (1.3)

где - номинальная частота вращения, рад/сек.

,

,

,

.

Остальные вращающие моменты электродвигателя для скольжений от 0 до 0,4 рассчитываются на основании уточненной формулы Клосса, приняв в ней с достаточной степенью точности отношение активного сопротивления обмотки фазы статора  к приведенному активному сопротивлению обмотки фазы ротора равным 1:

    (1.4)

     где  - максимальный вращающий момент, Нм.

,     (1.5)

,

.   (1.6)

где s_к – критическое скольжение электродвигателя, соответствующее максимальному вращающему моменту;

- номинальное скольжение электродвигателя, соответствующее номинальному моменту;

- синхронная угловая скорость  магнитного поля статора, об/мин;

- число пар полюсов электродвигателя (ближайшее меньшее число);

- частота промышленного тока  в электрической сети.

,

,

,

.

Данные расчёта механической характеристики оформим в соответствии с таблицей 1.1

Переход от скольжения s_к к частоте вращения произведём по формуле:

.            (1.7)

где – синхронная частота вращения вала электродвигателя (магнитного поля):

,     (1.8)

.

Для примера, рассчитаем момент двигателя  при скольжении s = 0,1.

Частота вращения вала двигателя в этом случае по формуле (1.7):

Тогда момент на валу электродвигателя по формуле (1.4) равен:

Затем проводим вычисления моментов при пониженном напряжении:

,     (1.9)

.

    (1.10)

.

Расчеты остальных моментов производятся аналогично. Данные расчетов сведем в таблицу 1.1.

 

Таблица 1.1 – Данные к построению механической характеристики асинхронного электродвигателя.

s	0	0,03	0,08	0,1	0,3	0,4	0,8	1,0
	104,6	101,85	96,2	94,1	73,2	62,7	20,9	0
	0	73,6	132,5	129,5	68,6	53,4	73,6	95,7
	0	36,0	64,9	63,5	33,6	26,2	36,0	46,9

По данным таблицы 1.1 строится характеристика .

1.2 Расчёт и построение механической характеристики рабочей машины Ω = f(M)

Рассчитаем момент статического сопротивления  на валу электродвигателя по формуле:

  (1.11)

где - передаточное отношение передачи от электродвигателя к рабочей машине;

        η_пер – КПД передачи от электродвигателя к рабочей машине.

Давая значения

от 0 до , рассчитывают зависимость .

Для примера рассчитаем один момент сопротивления для  .

Остальные моменты сопротивления  рассчитываются аналогично. Результаты расчетов сведем в таблицу 1.2

 

Таблица 1.2 – Данные к построению механической характеристики рабочей машины относительно вала электродвигателя

	104,6	101,85	96,2	94,1	73,2	62,7	20,9	0
	67,5	67,5	67,5	67,5	67,5	67,5	67,5	67,5

 

На основании расчетных данных строится кривая на том же графике, что и механическая характеристика электродвигателя .

1.3 Расчет продолжительности пуска и торможения

Переведём маховый момент рабочей машины и электродвигателя, выраженный в в систему единиц измерения СИ по соотношению:

     (1.12)

где J – момент инерции массы

,

.

Тогда приведенный момент инерции  системы электродвигатель – рабочая машина относительно вала электродвигателя можно выразить в виде:

     (1.13)

где k – коэффициент, учитывающий момент инерции механической передачи от электродвигателя к рабочей машине. Принимаем k = 1,2.

Теперь, используя построенные механические характеристики электродвигателя и рабочей машины , находим их разность – кривую избыточного момента: . Эту кривую заменяем ступенчатой с участками, на которых избыточный момент постоянен и равен его средней величине.

,

,

,

,

,

.

Продолжительность разгона электропривода на каждом участке скоростей вращения рассчитывают по выражению:

      (1.14)

где – интервал скорости вращения на i – ом участке, с^-1;

       – средний избыточный момент на  i – ом участке, принимаемый постоянным.

Полная продолжительность пуска  равна сумме частичных продолжительностей .

,

,

,

,

,

,

.

Результаты расчетов сведем в соответствии с таблицей 1.4

 

 

 

 

 

Таблица 1.3 – Данные расчета продолжительности пуска электропривода

Номера участков по направлению  разгона	1	2	3	4	5	6	7
	20,9	62,7	73,2	94,1	96,2	101,85	104,6
	0	20,9	62,7	73,2	94,1	96,2	101,85
	20,9	41,8	10,5	20,9	2,1	5,65	2,72
	28,2	6,1	-14,1	1,2	62,0	65,0	6,1
	0,21	1,98	-0,21	5,05	0,009	0,02	0,13

 

При

,

,

,

,

,

,

.

Т.к. получается отрицательным следовательно двигатель не запустится при пониженном напряжении.

 

1.4 Расчет потерь энергии  в двигателе

Потери энергии при пуске асинхронного двигателя практически полностью определяются электрическими потерями энергии в его обмотках, которые прямо пропорциональны квадрату силы тока. При прямом пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором можно принять, что в период пуска токи статора и ротора равны.

Обобщенная расчетная формула для определения потерь энергии в джоулях при пуске асинхронного двигателя будет:

     (1.15)

где - коэффициент, равный отношению постоянных потерь мощности двигателя к переменным. Принять .

       - кратность пускового тока асинхронного двигателя   по   отношению к номинальному при = 0. Принять .

Потери энергии в асинхронном  двигателе в джоулях при пуске  системы без нагрузки можно рассчитать и не прибегая к предварительному определению продолжительности пуска:

    (1.16)

С учетом, что  .

.      (1.17)

.

 

1.5 Расчет допустимой  частоты включений

При нагрузке асинхронного двигателя  в периоды работы близкой к  номинальной, предельно допустимая частота его включения в течение одного часа, исходя из условия допустимого нагрева электродвигателя, рассчитывается по формуле.

 

     (1.18)

где   - номинальные потери мощности в электродвигателе, Вт;

- коэффициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи двигателя в отключенном состоянии и равный отношению теплоотдачи отключенного двигателя к теплоотдаче при его работе. Для самовентилируемых двигателей = 0,25—0,55. Принимаем = 0,5.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Построение нагрузочных диаграмм, диаграмм тепловых потерь и кривых изменения превышения температур электродвигателя

2.1 Определение необходимой мощности приводного электродвигателя

Эквивалентная по нагреву постоянная мощность на валу электродвигателя рассчитывается по выражению:

     (2.1)

где Р_i – мощность на валу электродвигателя в i – ый период работы, кВт;

       t_i – продолжительность i – го периода работы, мин.;

       m – количество периодов нагрузки.

2.2 Выбор приводного электродвигателя

Мощность электродвигателя из условия  обеспечения его допустимого  нагрева при работе:

      (2.2)

где – номинальная мощность электродвигателя, кВт;

      – коэффициент механической перегрузки.

Коэффициент механической перегрузки определяется через коэффициент  тепловой перегрузки:

      (2.3)

       (2.4)

где – коэффициент тепловой перегрузки;

       - отношение постоянных потерь электродвигателя к переменным. Принимаем ;

       - продолжительность работы электродвигателя с нагрузкой, мин.;

        t₀ – продолжительность отключения двигателя, мин.;

        b₀ =0,5;

        – постоянная времени нагрева, принимаем равной 20 мин.

,

,

.

По каталогу выбираем двигатель с 4А160S с номинальной мощностью 15 кВт; КПД - 89 %; масса – 130 кг, .

2.3 Уточнение правильности выбора электродвигателя

Применительно к асинхронному двигателю  электропривода, для обеспечения  пуска привода должно выполняться  соотношение:

    (2.5)

где - кратность пускового момента асинхронного двигателя, находится по справочным данным;

        - относительный уровень питающего напряжения при пуске асинхронного двигателя в долях от номинального ;

          - момент статического сопротивления на валу двигателя при трогании, Нм;

          - минимальный избыточный момент, необходимый для пуска двигателя, Нм.

Так же справедливо выражение:

,    (2.6)

где – пусковая мощность нагрузки на валу двигателя, кВт. По условию ;

        – кратность пускового момента. .

;

,

.

Для обеспечения статической устойчивости электропривода, мощность двигателя должна быть достаточной, чтобы выполнялось соотношение:

     (2.7)

где - максимальный момент статической нагрузки на валу электродвигателя, с учетом возможного снижения напряжения  .

      - максимальный момент статической нагрузки на валу двигателя при его работе с максимальной нагрузкой согласно нагрузочной диаграмме.

               (2.8)

Найдём синхронную частоту вращения вала электродвигателя по формуле (2.2):

Найдём номинальную частоту  вращения электродвигателя, формула (2.2):

Найдём номинальный вращающий  момент, формула (2.2):

.

Найдём максимальный вращающий  момент, формула (2.5):

.

Применительно к асинхронному электроприводу формула (2.7) примет вид:

,     (2.9)

или преобразовав, получим:

   (2.10)

.

Мощность асинхронного двигателя  из условия обеспечения статической  устойчивости привода:

    (2.11)

Все условия выполняются следовательно. Двигатель выбран верно.

Для правильно выбранного электродвигателя должно обеспечиваться условие:

     (2.12)

где - номинальные потери мощности в электродвигателе, кВт.

       - средние потери мощности в электродвигателе, кВт;

       - уточненное значение коэффициента тепловой перегрузки.

Необходимое значение постоянной времени нагрева , в минутах определяется по формуле:

    (2.13)

где  m – масса выбранного электродвигателя, кг;

        h_Н – номинальный КПД двигателя;

        Р_Н – номинальная (паспортная) мощность двигателя;

        n_Н – номинальное превышение температуры обмотки статора электродвигателя при измерении методом сопротивления, ⁰С. Принимаем равной 100 ⁰С.

Используя формулу (2.4) найдем уточненное значение коэффициента тепловой перегрузки:

Номинальные потери в электродвигателе:

    (2.14)

Средние потери мощности в электродвигателе определяются по выражению:

    (2.15)

где DР_i – потери мощности за период, кВт.

,    (2.16)

где Р_i – нагрузка на валу электродвигателя для i – го периода нагрузки, кВт;

       h_i – КПД электродвигателя при Р_i нагрузки.

КПД электродвигателя находим по следующему выражению:

     (2.17)

где - загрузка двигателя.

Определяем загрузку двигателя:

,

,

,

.

Определяем КПД двигателя по периодам:

,

,

,

.

Потери мощности в электродвигателе определяются по формуле:

    (2.18)

Определяем потери мощности электродвигателя по периодам:

,

,

,

.

Определяем  средние потери в электродвигателе:

Общие потери в электродвигателе равны:

.

Так как соотношение (2.12) выполняется, значит двигатель выбран верно.

При холостом ходе электродвигателя потери мощности в нем определяются постоянными потерями и равны:

    (2.19)

Результаты расчёта потерь мощности на участках нагрузочной диаграммы  заносим в таблицу (2.1)

2.4 Расчёт превышения температур электродвигателем

Расчет превышения температуры  электродвигателя на каждом участке нагрузочной диаграммы производится на основании уравнения:

.   (2.20)

где - начальное превышение температуры двигателя на i-ом участке, ⁰С;

       - установившееся превышение температуры двигателя, которое бы наступило  при неограниченно длительной работе его работе с нагрузкой i-го участка.

Установившееся превышение температуры  электродвигателя на каждом участке  рассчитывают по формуле:

,     (3.21)

где А – теплоотдача электродвигателя, Вт/град.

Значение А определяем на основании каталожных данных выбранного электродвигателя по выражению:

,                                                (3.22)

Находим установившееся превышение температуры по периодам работы:

,

,

,

.

Нагрев в первом периоде работы:

,

,

Нагрев во втором периоде работы:

,

Нагрев в третьем периоде  работы:

Нагрев в четвертом периоде работы:

,

Результаты вычислений превышения температуры по периодам оформим в соответствии с таблицей (2.1). По этим данным строится кривая превышения температуры.

После отключения, двигатель начинает охлаждаться, т.е. в нем прекратятся потери мощности. Тогда уравнение (2.20) примет вид:

,     (2.23)

где - постоянная времени охлаждения отключенного двигателя.

.     (3.24)

где β – коэффициент, учитывающий ухудшение охлаждения самовентилируемых двигателей в неподвижном состоянии. Примем β = 0,5.

Давая “t” значения t = 0; T₀; 2T₀; 3T₀; 4T₀, рассчитаем кривую охлаждения двигателя после отключения.

Таблица 2.1 – Данные к построению кривой превышения температуры

электродвигателя

Периоды	1 (nу1 = 193,8)			2 (nу2 = 72,1)			3 (nу3 = 53,4)
Потери  мощности, кВт	DР1 = 3586,2			DР2 = 1333,3			DР3 = 988,8
t, мин	0	4	8	0	6	12	0	7,5	15
n, 0C	0	17,6	48,1	48,1	51,3	56,5	56,5	56,0	55,2

 

Продолжение таблицы 3.1

Периоды	4 (nу4 = 44,2)			Отключение  электродвигателя (nу1 = 0)
Потери  мощности, кВт	DР4 = 818,2			DР = 0
t, мин	0	5	10	0	t =Т0	t =2·Т0	t =3·Т0	t =3·Т0
n, 0C	55,2	54,0	52,0	52,0	19,1	7,0	2,6	0,95

 

 

 

 

 

Заключение

 

Произвели расчёт механической характеристики электродвигателя и рабочей машины, продолжительности пуска и торможения.

Определили необходимую мощность приводного электродвигателя, выбрали  приводной электродвигатель. Рассчитали температуры электродвигателя над окружающей средой.

 

Список используемой литературы

1. Князевский Б.А., Липкин Б.Ю. «Электроснабжение промышленных предприятий». – М.: Высшая школа, 1986.
2. Блок В.М. «Электрические сети и системы». – М.: Высшая школа, 1986.
3. Справочник по расчету электрических сетей. Под редакцией И.Ф. Шаповалова. – Киев.: Будивельник, 1974.
4. А.Д. Смирнов, К.М. Антипов «Справочная книжка энергетика», М.: Энергоатомиздат, 1984.

					КР 2069965 – 140106 – 01 – 12	Лист
Изм	Лист	№ докум	Подп	Дата