Двигатели постоянного тока в системах электропривода

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Методические указания

Омск

Издательство ОмГТУ

2010

Составители: Мирошник Анатолий Иванович, канд. техн. наук, доцент;

                   Лысенко Олег Александрович, старший преподаватель

Данные методические указания содержат краткие теоретические сведения и методику выполнения студентами расчетно-графической работы по дисциплине «Электрический привод». Предназначены для студентов специальности 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» и по направлению подготовки бакалавриата 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» дневной и дистанционной форм обучения, а также для студентов специальности 080801Э «Прикладная информатика в электрооборудовании и электрохозяйстве предприятий, организаций и учреждений» дневной формы обучения.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета

© ГОУ ВПО «Омский государственный

технический университет», 2010

Введение

При изучении дисциплины «Электрический привод» студент должен выполнить расчетно-графическую работу, состоящую из двух частей. В заданиях указаны темы и изложена методика по выполнению минимально необходимых расчетов, а также сведения применительно к электродвигателям постоянного и переменного тока в системах электропривода.

Основное назначение методических указаний – закрепление теоретического материала и выработка навыков его практического применения.

В методических указаниях изложен теоретический материал, необходимый для выполнения данной расчетно-графической работы, он не может быть достаточным для глубокого изучения дисциплины «Электрический привод». Для этой цели следует воспользоваться рекомендованной литературой.

Расчетно-графическая работа содержит 50 вариантов. Номер выполнения задания каждому студенту выдает преподаватель, при необходимости содержание заданий может быть видоизменено без сокращения общего объема работы.

Расчетно-графическая работа выполняется студентом самостоятельно с использованием консультаций преподавателя.

Пояснительная записка к расчетно-графической работе должна содержать все нужные записи, расчеты, схемы, таблицы, графики и выводы.

Авторы выражают благодарность инженеру Н.И. Скарбич за техническую помощь в подготовке рукописи к печати.

Определение мощности и типа асинхронного электродвигателя

С фазным ротором

Определение мощности и типа электродвигателя для работы в системах электропривода представляет собой важную и сложную задачу. От того, насколько правильно она будет решена, зависят технико-экономические показатели работы системы: исполнительный орган рабочей машины – электропривод.

Выбор серийных электродвигателей производится с учетом следующих основных показателей: рода тока, значения скорости, конструктивного исполнения, способа вентиляции и защиты от действия окружающей среды, величины нагрузки. Основным требованием при выборе электродвигателя является соответствие его мощности условиям технологического процесса рабочей машины.

Установка электродвигателя завышенной мощности нецелесообразна. При этом неоправданно возрастают габариты электродвигателя, его вес и первоначальная стоимость, увеличиваются непроизводительные потери энергии за счет снижения его КПД и коэффициента мощности, удорожается эксплуатация установки.

Применение электродвигателя недостаточной мощности может привести к нарушению заданного технологического цикла работы, снижению производительности рабочей машины. При недостаточной мощности электродвигателя будут иметь место повышенный нагрев, ускорение старения изоляции и выход электродвигателя из строя, что вызывает прекращение работы производственной машины (или исполнительного органа) и экономические потери.

Правильно выбранный электродвигатель при его работе не должен перегреваться сверх допустимых пределов. Кроме этого его перегрузочная способность и пусковой момент должны обеспечить преодоление кратковременных перегрузок и требуемые условия пуска.

Электроприводы могут работать в длительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах. Большинство электроприводов работают в длительном режиме с переменной нагрузкой. В этом случае основой для расчета мощности предварительно выбираемого электродвигателя может служить нагрузочная диаграмма  электропривода, представленная в качестве примера на рис. 2.1 при условии, что динамические усилия в электроприводе относительно малы.

Рис. 2.1. Нагрузочная диаграмма электропривода

Тогда этот многоступенчатый график нагрузки можно привести к равномерному, воспользовавшись понятием эквивалентной (среднеквадратичной) мощности:

,                               (2.1)

где n – число ступеней нагрузки;

– соответственно мощность (кВт) и продолжительность нагрузки (мин) каждой ступени графика, включая паузу ;

= tц – время технологического цикла, мин.

По найденной эквивалентной мощности определяется номинальная мощность предварительно выбираемого электродвигателя при условии

,                                                      (2.2)

При этом необходимо учитывать заданную  синхронную скорость двигателя. В настоящее время наиболее массовой серией асинхронных двигателей является серия 4А. Для выполнения данной работы можно воспользоваться любыми каталогами на АД с фазным ротором или техническими данными приложения № 2.

2.2. Проверка предварительно выбранного электродвигателя
по нагреву

Выбор АД по условию (2.2) гарантирует, что данный двигатель при заданной нагрузочной диаграмме удовлетворяет требованиям по нагреву. Тем не менее такую проверку целесообразно провести.

Проверка производится по методу средних потерь мощности . Для этого вначале определяются потери в номинальном режиме по данным каталога:

,                                         (2.3)

где – номинальная мощность предварительно выбранного АД, кВт;

– КПД АД в номинальном режиме.

Потери мощности являются суммой потерь в меди обмоток статора, потерь в стали, механических и дополнительных потерь. Будем считать в первом приближении, что механические и дополнительные потери остаются постоянными при незначительном изменении скорости вращения. В этом случае сумму потерь можно разделить на две группы: постоянные потери или потери , включающие в себя потери в стали, механические и дополнительные; переменные потери в обмотках, изменяющиеся с изменением нагрузки.

В большинстве случаев соблюдаются следующие условия при работе АД в номинальном режиме

                                                    (2.4)

,                               (2.5)

где – потери мощности в меди обмоток, кВт;

– потери мощности  (постоянные потери), кВт;

– потери мощности в стали, кВт;

– механические потери, кВт;

– дополнительные потери мощности, кВт;

Потери  пропорциональны квадрату коэффициента нагрузки . Исходя из этого потери мощности в электродвигателе для каждой ступени графика нагрузок (нагрузочной диаграммы) можно определить по выражению

,                                              (2.6)

где - коэффициент  ступени нагрузки, о.е;

– мощность  ступени нагрузки, кВт;

– номинальная мощность электродвигателя, кВт;

тогда            ;    ;   ;   ;    .

Проверка предварительно выбранного электродвигателя по нагреву заключается в проверке условия

,                                                  (2.7)

где – средние потери мощности в электродвигателе за технологический цикл его работы, кВт;

– потери мощности в электродвигателе, работающем в номинальном ре­жи­ме, кВт.

При расчете средних потерь мощности нужно учитывать, что в течение паузы электродвигатель работает в режиме , не отключаясь от сети.

Тогда средние потери мощности за технологический цикл работы электродвигателя можно определить по формуле

,                      (2.8)

где  – число ступеней нагрузки;

– потери мощности в электродвигателе для каждой ступени графика нагрузок, кВт;

– время работы электродвигателя на каждой ступени графика нагрузок, мин.

Если условие (2.7) выполняется, то предварительно выбранный АД проходит по нагреву. В противном случае электродвигатель в процессе эксплуатации будет перегреваться. В этом случае следует выбрать другой электродвигатель большей мощности и повторить расчет.

Средние потери не должны быть и значительно меньше номинальных потерь, так как электродвигатель будет недоиспользован по мощности, что приведет к понижению экономической эффективности электропривода.

2.3. Проверка предварительно выбранного двигателя на перегрузочную способность по моменту при снижении напряжения

При пуске электродвигателя в заводских электрических сетях допускается снижение напряжения на 10 % по отношению к номинальному. Тогда максимальный пусковой момент электродвигателя можно определить по выражению

,                                         (2.9)

где – критический момент электродвигателя по каталогу, н.м.

Во время пуска, вследствие появления динамического момента (), на валу электродвигателя появляется увеличенный момент сопротивления. Для его продления должно соблюдаться условие

.                                                 (2.10)

В данном задании динамический момент (с целью упрощения расчетов) не учитывается, тогда можно принять, что номинальный момент сопротивления равен номинальному моменту электродвигателя (), и проверить условие:

                                               (2.11)

Номинальный момент электродвигателя можно определить по выражению:

,                                             (2.12)

где – номинальная мощность АД, кВт:

  – номинальная скорость АД, рад/с;

– номинальная (каталожная) скорость АД, об/мин.

Если условие (2.11) выполняется, то электродвигатель проходит на перегрузочную способность и не теряет работоспособность.

Для выбора типа и мощности электродвигателя следует построить нагрузочную диаграмму (см. рис.2.1).

Для этого повариантно в таблице 2.1 заданы длительности ступеней нагрузки, а в таблице 2.2 – мощности на ступенях нагрузки и синхронная скорость вращения АД.

При выполнении данного задания напряжение питающей сети принять в зависимости от мощности электродвигателя:

от 22 до 75 квт – 380В;

от 22 до 110 квт – 660В;

Постоянного тока серии 2П

Тип 2ПН 160 МУХЛ 4