Асинхронные двигатели в системах электропривода. 2
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Омский Государственный Университет Путей Сообщения
(ОмГУПС)
Кафедра «Электромашины и общая электротехника»
по теме:
«Асинхронные двигатели в системах электропривода»
Вариант 33
Омск 2007
УДК 621.313.33(075.8)
РЕФЕРАТ
Курсовая работа содержит 37 страниц, 7 рисунков, 5 источников.
Асинхронный двигатель, мощность, нагрузка, электродвигатель, фазный ротор, короткозамкнутый ротор, скольжение, КПД, обмотка, статор, напряжение, механические характеристики, пусковой реостат, пусковая диаграмма, ток ротора.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение………………………………………………………… |
4 |
1. Задания…………………………………………………… |
6 |
2. Параметры задания……………………………………………………… 3. Расчет эквивалентной |
6 7 |
4. Проверка выбранного |
8 |
5. Проверка на перегрузку при |
10 |
6. Расчет теплового состояния |
11 |
7. Расчет механических |
16 |
8. Расчет резисторов 9. Расчет электрических потерь при пуске двигателя…………………… |
23 25 |
10. Управление пуском АД с |
28 |
11. Управление пуском АД с |
30 |
12. Управление реверсом АД с короткозамкнутым ротором…………… Заключение…………………………………………………… |
32 35 |
Библиографический список…………………………………………………... |
37 |
ВВЕДЕНИЕ
Асинхронные двигатели (АД) 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 являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, имеющие наименьшую массу, габариты и стоимость при определенной мощности. Их масса на единицу мощности в 1,5 – 2,0 раза ниже, чем у машин постоянного тока. Чаще всего асинхронные двигатели применяются при невысокой частоте включений, когда не регулируют частоту вращения или возможно ступенчатое его 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 пусковых моментов.
Управление электроприводом заключается в осуществлении пуска, регулировании скорости, торможения, реверсирования, а также в поддержании режима работы привода в соответствии с требованиями к технологическому процессу.
Современные регулируемые электроприводы для автоматических линий и механизмов обычно строятся с применением релейно-контакторной аппаратуры, на которую возлагаются функции включения питания (подсоединения к сети) силовых блоков и блоков управления, защиты и ввода первоначальных и конечных команд в систему управления приводом, однако наряду с электроприводами, выполняющими сложные функции, в ряде случаев содержащими микропроцессоры или программные устройства управления, существует большое количество электроприводов, на которые возлагаются относительно простые функции. Это обычно нерегулируемые или регулируемые ступенчато в небольшом диапазоне электроприводы с невысоким быстродействием. В задачу систем управления такими электроприводами чаще всего входит организация пуска, торможения, перехода с одной ступени скорости на другую, реверса и осуществление этих операций в определенной последовательности во времени или по командам от рабочей машины, завершившей очередную технологическую операцию. Причем необязательно, чтобы система управления выполняла все эти функции (набор функций зависит от требований к приводу).
Автоматизация упрощает обслуживание механизмов, дает возможность осуществлять дистанционное управление электроприводами там, где нельзя непосредственно управлять двигателями по условиям территориального расположения машин или в связи с особенностями технологического процесса.
Для автоматического управления электроприводами применяются различные аппараты: контакторы, автоматы, регуляторы, реле, кнопочные станции, путевые выключатели, бесконтактные логические элементы, а также разного рода вспомогательные электрические аппараты и машины.
1. 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 также 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 номинальном моменте сопротивления. Построить естественную и реостатную механические характеристики выбранного двигателя.
Рассчитать сопротивление секций пускового резистора и потери электрической энергии при реостатном и прямом пуске.
Начертить и изучить схемы управления пуском и реверсом асинхронных двигателей.
2. Параметры задания
Мощности на ступенях нагрузки, кВт,
Р1 = 13; Р2 = 6; Р3 = 10; Р4 = 5;
длительность каждой ступени нагрузки, мин,
t1 = 13; t2 = 8; t3 = 9; t4 = 11; t5 = 4;
синхронная частота вращения АД – 1000 об/мин. Требуемое снижение частоты вращения на реостатной характеристике ∆n = 4,8 %.
Рисунок 2.1 - Нагрузочная диаграмма.
Pi, ti – соответственно мощность и продолжительность нагрузки каждой i-й ступени графика, включая паузу.
Эквивалентная мощность по формуле (3.1), кВт,
По каталогу выбираем двигатель 4АНК180М6УЗ, имеющий следующие параметры:
– номинальная мощность |
Рн = 10 кВт; |
– номинальное скольжение |
sн = 4,5 %; |
– КПД в номинальном режиме |
ηн = 84,5 %; |
– кратность максимального момента |
Kм = 3,8; |
– напряжение ротора |
Uр = 310 В; |
– ток ротора |
Iр = 20 А; |
– постоянная времени нагрева |
Tн = 12 мин; |
– суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, |
Jq = 24 кг·м2 |
Характеристика двигателя 4АК160М6УЗ: двигатель серии 4А с фазным ротором; исполнение по способу защиты – IP23; станины и щиты – чугунные; высота оси вращения – 160 мм; число полюсов – 6; климатическое исполнение – УЗ.
4. Проверка выбранного двигателя по нагреву
Потери в номинальном режиме определяем по формуле (4.1), кВт,
(4.1)
Потери х.х. рассчитываем по соотношению (4.2), кВт,
(4.2)
Потери в обмотках при номинальной нагрузке (4.3), кВт,
Pм = 0,65 · 1,8 = 1,17.
Коэффициенты нагрузки по ступеням графика вычисляем по формуле (4.4)
(4.4)
Потери на каждой ступени графика нагрузки определяем по формуле (4.5), кВт,
(4.5)
Средние потери за цикл рассчитываем по формуле (4.6), кВт,
(4.6)
Проверка выбранного двигателя по нагреву заключается в проверке условия:
∆Pср ≤ ∆Pн.
Условие (4.7) выполняется: 1,581 кВт < 3 кВт.
5. Проверка на перегрузку при снижении напряжения
В заводских силовых электрических цепях допускается снижение напряжения на 10 %. Естественно, что при таком снижении напряжения оборудование не должно терять работоспособности. 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 (это должно быть оговорено в задании).
Проверка сводится к проверке условия, что максимальный момент двигателя при снижении напряжения будет не меньше момента сопротивления на валу. Это условие может быть записано в виде:
где: Pmax – максимальная мощность по нагрузочной диаграмме, кВт;
∆U – заданное снижение напряжения, %;
Kм – кратность максимального момента (коэффициент перегрузочной способности) по каталогу,
Условие (5.1) при снижении напряжения на 10 % выполняется:
;
1,3 < 3,078.
следовательно, двигатель сохраняет работоспособность при понижении напряжения в цеховой сети.
Таким образом, выбранный двигатель удовлетворяет всем принятым условиям.
6. Расчет теплового состояния АД
Для выполнения данного раздела необходимо, прежде всего найти установившееся превышение температуры по формуле (6.1), соответствующее нагрузке на каждой ступени графика, °С:
где: τнач – начальное превышение температуры машины;
τу – установившееся превышение температуры;
Tн – постоянная времени нагревания.
Если принять установившееся превышение температуры в номинальном режиме равным допустимому для данного класса термостойкости изоляции, то для любого иного режима
(6.2)
где: ∆Pi – потери на i-й ступени нагрузки (4.5)
τдоп – допустимое превышение температуры, в данном случае τдоп = 80°С.
Реальное превышение температуры, °С, определяем по уравнению (6.3):
в течение первого цикла:
где: τнач – начальное превышение температуры машины;
τу – установившееся превышение температуры;
Tн – постоянная времени нагревания.
второго:
третьего:
четвёртого:
Как видно, превышение температуры после третьего цикла остается практически неизменным, т. е. тепловой режим двигателя достиг установившегося состояния. Кривая нагрева показана на рис. 6.1, где пунктиром нанесена обобщенная кривая нагрева, рассчитанная по средним потерям при τнач = 0 °С, в данном примере – по формуле (6.4), °С:
(6.4)
где: t – текущее время, мин.
Кривые изменения температурного режима показаны на рис. 6.1, где пунктиром нанесена обобщенная кривая нагревания, рассчитанная по средним потерям для нескольких значений t:
Рисунок 6.1 - Диаграмма потерь и кривые нагрева.
7. Расчет механических характеристик
Для расчета естественной механической характеристики находим:
номинальную частоту вращения – по формуле (7.1), об/мин:
nн = 1000(1 – 0,045) = 950;
номинальный момент – по выражению (7.2), Н·м:
(7.2)
критическое скольжение – по уравнению (7.3):
(7.3)
Определив критическое скольжение по уравнению (7.3) и задавшись величиной s от 0 до 1,2, по формуле (7.6) можно рассчитать зависимость
M = f(s), которую затем легко перевести в координаты n = f(M) по выражению:
n = n1(1 – s). (7.4)
при s = 0:
при s = 0,045:
при s = 0,1:
при s = 0,2:
при s = 0,336:
при s = 0,5:
при s = 0,678:
при s = 0,8:
при s = 0,9:
при s = 1,0:
при s = 1,2:
Максимальный момент рассчитываем по уравнению (7.5), Н·м:
Мmax = Kм Мн ;
М max = 3,8∙100 = 380.
Расчет механической характеристики производим по упрощенной формуле Клосса (7.6), Н·м:
(7.6)
Расчёт естественной характеристики:
при s = 0:
при s = 0,045:
при s = 0,1:
при s = 0,2:
при s = 0,336:
при s = 0,5:
при s = 0,678:
при s = 0,8:
при s = 0,9:
при s = 1,0:
при s = 1,2:
Расчетные данные естественной характеристики приведены в табл. 7.1, характеристики показаны на рис. 7.1.
Для расчета реостатной характеристики необходимо, прежде всего определить по формуле (7.7) частоту вращения ротора при заданном ∆n, об/мин:
(7.7)
и по уравнению (7.8) – скольжение, соответствующее данной частоте вращения:
(7.8)
= 0,091.
Сопротивление ротора выбранного двигателя определяем по формуле (7.9), Ом:
(7.9)
тогда необходимое добавочное сопротивление рассчитываем по уравнению (7.10), Ом:
(7.10)
Критическое скольжение на реостатной характеристике вычисляем по формуле (7.11):
Рассчитать и построить реостатную характеристику можно также по формуле Клосса (7.6), заменив sк на sр.к в соответствии с соотношением (7.11).
Расчёт реостатной характеристики:
при s = 0:
при s = 0,045:
при s = 0,1:
при s = 0,2:
при s = 0,336:
при s = 0,5:
при s = 0,678:
при s = 0,8:
при s = 0,9:
при s = 1,0:
при s = 1,2:
Расчетные данные реостатной характеристики приведены в табл. 7.1, характеристики показаны на рис. 7.1.
Результаты расчета приведены в табл. 7.1, характеристики показаны на рис. 7.1.
Т а б л и ц а 7.1 - Механические характеристики выбранного АД
Исследуемые параметры машины |
Скольжение s | ||||||||||||||||||
0 |
sн = 0,045 |
0,1 |
0,2 |
sк = 0,336 |
0,5 |
sр.к = 0,678 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
1,2 | |||||||||
Частота вращения ротора n, об/мин |
1000 |
950 |
900 |
800 |
664 |
500 |
322 |
200 |
100 |
0 |
–200 | ||||||||
Моменты М, Н·м: | |||||||||||||||||||
естественная характеристика |
0 |
100 |
208 |
334 |
380 |
352 |
302 |
271 |
249 |
229 |
197 | ||||||||
реостатная характеристика |
0 |
50 |
110 |
206 |
302 |
363 |
380 |
375 |
365 |
353 |
326 | ||||||||
а
Рисунок 7.1 - Механические характеристики
8. Расчет резисторов пускового реостата
По заданию пуск двигателя производится при Mс = 0. Выбираем пиковый момент, Н·м:
М1 = 0,75Мmax; М1 = 0,75 · 380 = 285.
В этом случае при z = 2 переключающий момент определяем по формуле (8.1), Н·м,
(8.1)
Рисунок 8.1 - Пусковая диаграмма.
По найденным моментам построена пусковая диаграмма (рис. 8.1), из которой получаем отношения отрезков по формуле (8.2):
(8.2)
Следовательно, рассчитываем сопротивление секций пускового реостата:
9. Расчет
электрических потерь при
Для расчета электрических потерь необходимо предварительно определить скольжение при переходе с одной характеристики на другую. В соответствии с пусковой диаграммой (см. рис. 8.1) первое переключение должно быть при частоте вращения 650 об/мин, второе – 875 об/мин, следовательно, по уравнению (9.1)
(9.1)
Угловую синхронную частоту
(9.2)
(9.3)
из которого
(9.4)
где: ω0 – синхронная угловая частота вращения, рад/с;
sнач, sкон – начальное и конечное скольжение на каждой конкретной пусковой характеристике соответственно;
R1 – активное сопротивление цепи статора, Ом;
J – момент инерции двигателя и рабочей машины, приведенный к валу двигателя, кг∙м2;
– приведенные сопротивления, Ом.
В нашем случае при пуске в две ступени, включая разгон на естественной характеристике, потери при работе на первой реостатной характеристике определяются по формуле:
(9.5)
на второй реостатной характеристике –
(9.6)
на естественной характеристике –
где: sп1, sп2 – скольжение переключения.
В выражениях (9.3), (9.5) – (9.7) 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
R1 = rр,
на первой реостатной характеристике определяем по формуле (9.5):
на второй реостатной характеристике – по формуле (9.6):
на естественной характеристике – по формуле (9.7):
Суммарные электрические потери при реостатном пуске рассчитываем по уравнению (9.8), Дж,
Ап.р = Ап1 + Ап2 + Ап3. (9.8)
Ап.р = 1320 + 193,342 + 41,123 = 1554;
в практических единицах, кВт·ч,
Для сравнения определяем электрические потери в случае прямого пуска по формуле (9.10), Дж:
в практических единицах, кВт·ч,
кВт·ч
Как видно, электрические потери при прямом пуске почти вдвое больше, чем при реостатном. Иначе говоря, на каждом пуске экономится 299,397 кВт·ч.
10. Управление пуском АД с короткозамкнутым ротором
Схема управления асинхронным двигателем с использованием магнитного пускателя (рис. 10.1) включает в себя магнитный пускатель, состоящий из контактора KM и двух встроенных в него тепловых реле защиты KK. Такая схема обеспечивает прямой (без ограничения тока и момента) пуск АД, отключение его от сети, а также защиту от коротких замыканий (предохранители FA) и перегрузки (тепловые реле KK).
Для пуска двигателя замыкается выключатель QF и нажимается кнопка пуска SB1. При этом получает питание катушка контактора KM, который, включившись, своими главными силовыми контактами в цепи статора подключает двигатель к источнику питания, а вспомогательным контактом шунтирует кнопку SB1. Происходит разбег асинхронного двигателя по его естественной характеристике. При нажатии кнопки остановки SB2 контактор KM теряет питание и отключает АД от сети. Начинается процесс торможения асинхронного двигателя выбегом под действием момента нагрузки на его валу.
Рисунок 10.1 - Принципиальная схема управления пуском АД
с короткозамкнутым ротором
где: QF – выключатель автоматический;
FA – дискретный элемент защиты по току мгновенного действия;
KM – контактор, магнитный пускатель;
KK – реле электротепловое;
SB – выключатель кнопочный;
M – двигатель.
11. Управление пуском АД с фазным ротором в функции времени
Упрощенная схема управления пуском АД с фазным ротором в функции времени в две пусковые ступени приведена на рис. 11.1. В данную схему включены реле времени KT1 и KT2, имеющие свои контакты KT1 и KT2 в цепях силовых контакторов KM2 и KM3. Контакты KT1 и KT2 работают на замыкание после потери питания катушек реле KT1 и KT2 с задержкой по времени.
При замыкании рубильника Q напряжение подается на катушки реле времени KT1 и KT2 через замкнутые контакты KM1 и KM2 и 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 срабатывания катушки реле KT2 замыкается контакт реле KT2, получает питание силовой контактор KM3, шунтируется оставшийся резистор Rд2, двигатель переходит на естественную характеристику. Продолжительность автоматического пуска складывается из значений времени срабатывания реле KT1 и KT2 и времени разгона двигателя по естественной характеристике.
Защита АД предусмотрена такая же, как и в схеме, приведенной на рис. 10.1. Нажатием кнопки остановки SB2 двигатель отключается от сети, при этом катушка контактора KM1 теряет питание, и замыкающие контакты его KM1 размыкают цепь статора.
Рисунок 11.1 - Принципиальная схема управления
пуском АД с фазным
где: Q – разъединитель в силовых цепях;
FU – предохранитель плавкий;
KM – контактор, магнитный пускатель;
KT – реле времени;
SB – выключатель кнопочный;
M – двигатель;
Rд – резистор.
12. Управление реверсом АД с короткозамкнутым ротором.
Основным элементом в схеме управления реверсом (рис. 12.1) является реверсивный магнитный пускатель, который включает в себя два линейных контактора (KM1 и KM2) и два тепловых реле защиты (KK). Такая схема обеспечивает прямой пуск и реверс асинхронного двигателя, а также торможение АД противовключением при ручном (неавтоматическом) управлении.
Рисунок 12.1 - Принципиальная схема управления реверсом АД
с короткозамкнутым ротором
где: QF – выключатель автоматический;
FA – дискретный элемент защиты по току мгновенного действия;
- Асинхронные двигатели в системах электропривода
- Асинхронные двигатели серии 4А
- Асинхронные двигатели с фазным ротором
- Асинхронные двигатели с фазным ротором и схемы управления
- Асинхронные исполнительные двигатели
- Асинхронный двигатель
- Асинхронный двигатель
- Асимметрия информации на инвестиционном рынке
- Асимметрия слухового и зрительного внимания у детей с расстройством развития учебных навыков
- Асимптотика в курсе алгебры
- Асинхронды қозғалтқыш
- Асинхронды қозғалтқыштар.
- Асинхронды қозғалтқышты есептеу
- Асинхронды қозғалтқышты есептеу
