Выбор и Проверка электродвигателя

УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Е. ‏‏ ‪‫ В. Бычков, С. В. Полетаев

 

КУРСОВОЕ ПРЕКТИРОВАНИЕ

ПО ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Учебное пособие

 

 

 

Ухта 2010

УДК 621.3 (075.8)

Б 95

 

Бычков, Е. В. Теория электропривода [Текст]: учебное пособие / Е. В. Бычков, С. В. Полетаев. – Ухта: УГТУ, 2010. – 59 с.: ил.

 

 

Учебное пособие предназначено для оказания методической помощи при выполнении курсового проекта по дисциплине “Теория электропривода” и представляет собой методические указания для проведения расчетной и графической части проекта и варианты индивидуального задания для его выполнения.

Материал учебного пособия ориентирован на студентов всех форм обучения специальности 140604 “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов”, а также на магистров направления 140600 “Электротехника, электромеханика и электротехнологии” и 140612 “Автоматизированные электромеханические комплексы и системы”.

Кроме этого, теоретический материал, изложенный в пособии, может быть полезен студентам-выпускникам при выполнении дипломных проектов по выше указанным специальностям.

Содержание учебного пособия соответствует рабочей учебной программе.

 

Учебное пособие рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом Ухтинского Государственного технического университета.

 

Рецензенты: Чукреев Ю. Я., д.т.н. профессор, Заведующий лабораторией энергетических систем ИСЭиЭПС Коми НЦ УрО РАН;

Коротков Ю. В., главный технолог ООО “ЛУКОЙЛ-Коми” “ПечоНИПинефть.

©Ухтинский государственный технический университет, 2010

© Бычков Е. В., 2010

 

ISBN

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 3

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.. 5

1 ВЫБОР И ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.. 7

1.1 Выбор электродвигателя. 7

1.2 Расчет и построение тахограммы и нагрузочной диаграммы.. 8

1.3 Режим работы электропривода. 10

1.4 Проверка выбранного двигателя. 10

2 ПОСТРОЕНИЕ ПУСКОВОЙ И ТОРМОЗНОЙ ДИАГРАММ................ 10

2.1 Построение естественной характеристики. 14

2.2 Определение установившегося значения скорости двигателя. 15

2.3 Построение пусковой диаграммы и расчет пусковых сопротивлений. 16

2.4 Построение тормозной диаграммы и расчет тормозных сопротивлений. 22

2.5 Выбор предварительной ступени. 34

3 ВЫБОР РЕОСТАТА.................................................................................. 32

3.1 Схемы соединений пускового (тормозного) реостата. 35

3.2 Определение расчетных сопротивлений секций реостата. 35

3.3. Время работы ступеней реостата. 36

3.4. Определение рабочих токов ступеней реостата. 39

3.5. Расчет эквивалентных токов секций реостатов двигателей. 39

3.6. Выбор типового ящика сопротивлений. 41

3.7 Построение полной диаграммы работы электропривода. 41

3.8 Построение характеристик режима динамического торможения. 43

4 РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ КРИВЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ. 48

5 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА......................................... 50

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ПРОЕКТА.......................................... 51

Приложение А.1. 54

Приложение А.2. 60

Приложение А.3............................................................................................ 62

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................... 64

 

 

v v v

ВВЕДЕНИЕ

 

Для привода различного вида механизмов, применяемых в нефтяной и газовой промышленности применяется тепловой, гидравлический, пневматический и электрический привод.

Преимуществом электрической энергии, перед другими видами энергии (тепловая, гидравлическая, пневматическая) является простата её переработки и распределения, лёгкость преобразования её в другие виды энергии, что обусловило широчайшее распространение электрического привода. Более 90% привода, применяемого промышленности является электрическим.

Электропривод является неотъемлемой частью многих агрегатов и комплексов, используемых в различных отраслях народного хозяйства, науки и техники.

Применение электрического привода имеет ряд особенностей: возможностью применения электродвигателей различных мощностей (от десятых долей ватта до десятков мегаватт) и различных скоростей движения; возможностью использования электродвигателей в самых разнообразных условиях; возможностью реализовать при помощи достаточно простых средств различные виды движения для приводимых механизмов; лёгкостью автоматизации механизмов на основе электропривода; простой интеграции электрического привода в системы автоматического управления; высоким КПД электропривода; надёжностью в эксплуатации; благоприятными условиями для обслуживающего персонала; отсутствием загрязнения окружающей среды. Эти факторы оцениваются как основные, позволившие утроить объем мирового производства за последние два десятилетия.

Электрический привод – это электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для передачи движения исполнительному органу и управления им в соответствии с заданными условиями движения.

В электроприводе в качестве электродвигателя могут использоваться: двигатели постоянного тока с различными видами возбуждения, асинхронные и синхронные двигатели и т. д.

Для управления координатами электропривода (скорость, ток и момент) применяются различные способы, такие как изменение питающего напряжения по величине; введение регулирующих сопротивлений в силовой цепи электродвигателей; изменение магнитного потока, создаваемого в магнитной цепи электродвигателей и т. п.

Одним из самых распространённых и легко реализуемых способов регулирования скорости, тока и момента является введение добавочных сопротивлений в якорную цепь для двигателей постоянного тока и в цепь обмотки ротора для асинхронных электродвигателей с фазным ротором.

Двигатели постоянного тока мощностью до 250 кВт обычно выполняются с принудительной вентиляцией, что обуславливает хороший отвод тепла во всём диапазоне скоростей. Кроме того, электропривод постоянного тока обеспечивает высокую жёсткость скоростных характеристик и постоянный момент во всём диапазоне скоростей. Поэтому основным применением двигателей постоянного тока является применение электропривода в транспорте, волочильных станов, поршневых компрессорах, подъёмных механизмов и т. д.

Асинхронные электродвигатели мощностью до 250 кВт выполняются с самовентиляцией, что обуславливает плохой отвод тепла от ротора на низких скоростях. Максимальный момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, уменьшается обратно пропорционально квадрату скорости. Основным недостатком асинхронного двигателя является зависимость его момента на валу от приложенного напряжения: момент прямо пропорционален квадрату напряжения. Даже незначительное уменьшение напряжения 15-20% приводит к заметному уменьшению перегрузочной способности двигателя. Типичной областью применения привода с асинхронным двигателем являются случаи с квадратичной зависимостью момента сопротивления механизмов от частоты. Как правило, это насосы, вентиляторы, турбовинтовые компрессоры и т. д.

 

 

v v v

 

 

 

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Целью курсового проекта является расширение, углубление и закрепление знаний, полученных студентами на лекциях и лабораторных занятиях, а также приобретение навыков самостоятельной работы.

Содержание проекта включает следующие основные этапы проектирования: построение нагрузочной диаграммы механизма; выбор двигателя, проверка выбранного двигателя, расчет его естественных и искусственных характеристик, сопротивлений; выбор пусковых и тормозных реостатов; расчет и построение кривых переходных процессов; составление описания работы электропривода.

В учебном пособии даются практические рекомендации по выполнению задания на проектирование и формулируются требования к оформлению проекта. Это должно помочь студенту в его самостоятельной работе и позволит унифицировать требования к содержанию, объему и оформлению проекта.

Темы заданий по курсовому проекту:

· Расчет и выбор электропривода с асинхронным двигателем с фазным ротором (буква А в шифре задания).

· Расчет и выбор электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения (буква Ш в шифре задания).

Шифр состоит из букв А или I и цифр перед и после букв.

Например: 6А08 или 2Ш10.

Первые цифры и буква в шифре обозначают тему и вариант задания, а последние цифры – вариант диаграммы скоростей и ускорений.

Например: 16А – Расчет и выбор электропривода с асинхронным двигателем с фазным ротором; кинематическая схема В.

2Ш – Расчет и выбор электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения; кинематическая схема А.

Тип кинематической схемы и таблицу диаграмм скоростей и ускорений определяют по таблице вариантов заданий (приложение А.1).

В таблице вариантов нагрузок для исходных данных для расчета приняты следующие обозначения:

− масса всех поступательно движущихся частей системы, кг;

− маховый момент рабочих механизмов I и II, Т∙м;

− маховый момент барабана, Т∙м;

, − статические усилия в начале и конце рабочего цикла, Н;

, − моменты сопротивления в начале и конце рабочего цикла, Н∙м;

− передаточное отношение механической передачи;

− диаметр барабана, м;

− количество приводных двигателей;

− установившаяся скорость рабочих механизмов, с^-1;

− установившаяся скорость подъема груза, м/с.

В таблице диаграммы скоростей и ускорений приняты следующие обозначения:

− скорость равномерного движения с пониженной скоростью при разгоне;

− скорость дотяжки при торможении;

− линейные ускорения (замедления) на соответствующих частях нагрузочной диаграммы;

− угловые ускорения (замедления) на соответствующих частях нагрузочной диаграммы;

− время равномерного движения;

− время паузы.

Часть данных принимают в следующих пределах:

; ; .

В курсовом проекте студент решает вопросы выбора электродвигателя, построения нагрузочных диаграмм, расчета и выбора пусковых и тормозных реостатов, построения кривых переходных процессов, описания работы электропривода.

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графического материала.

Графический материал курсового проекта состоит из 4-х листов:

лист 1 – Кинематическая схема рабочего механизма. Электрическая схема двигателя;

лист 2 – Тахограмма и нагрузочная диаграмма электродвигателя;

лист 3 – Пусковая и тормозная диаграммы электропривода;

лист 4 – Кривые переходных процессов при пуске и торможении электропривода.

 

v v v

 

Выбор электродвигателя

 

Полное время цикла

 

Полное время работы будет складываться из суммарного времени работы и времени паузы:

.

Момент инерции системы

 

Момент инерции системы, приведенный к валу электродвигателя, определится как:

для кинематической схемы А:

 

;

 

для кинематической схемы В:

 

.

 

Построение диаграммы токов

 

В приводе с двигателем независимого возбуждения, а также (при некотором допущении) с асинхронным двигателем с фазным ротором, ток якоря (ротора) определяется по формуле:

 

.

 

Пример диаграммы токов представлен на рисунке 1.

 

Режим работы электропривода

 

Построенные нагрузочные диаграммы позволяют обосновать и выбрать режим работы двигателя на каждом участке.

Если в период замедления момент положительный, то применяют торможение в двигательном режиме, если отрицательный – динамическое торможение.

 

Продолжительность включения

 

Перед проверкой правильности выбора электродвигателя необходимо определить тепловой режим его работы:

 

.

 

Если %, то двигатель проверяют как для длительного режима. Если %, то двигатель выбирают и проверяют как для повторно-кратковременного режима. Если % - двигатель выбирают для кратковременного режима.

 

Независимого возбуждения

 

По заданным значениям , , , , , , , и угловой скорости строят требуемую диаграмму, как показано на рисунке 4.

Если и больше нуля, тогда диаграмма проходит через точки .

Если и меньше нуля, тогда диаграмма проходит через точки .

 

2.4.1.1 Построение характеристик при торможении от до

на участке

 

Если требуемый тормозной момент положительный на данном участке торможения,то при относительно малых значениях тормозного момента в двигательном режиме достаточно одной ступени торможения.

Для обеспечения заданного замедления на участке диаграммы через точку и середину отрезка проводят прямую, соответствующую характеристике с сопротивлением цепи якоря :

 

,

 

где − относительный перепад скорости при номи-

нальном моменте на искусственной характе-

ристике с сопротивлением цепи якоря ;

− момент короткого замыкания на характеристике .

Если требуемый тормозной момент отрицательный, т.е. и меньше нуля, то строят характеристики (обычно достаточно одной) в режиме динамического торможения.

Для этого через начало координат и середину отрезка проводят прямую, соответствующую характеристике (рисунок 4):

 

.

 

Сопротивление желательно принять равным одному из ближайших по значению сопротивлений пусковой или тормозной ступени.

При этом ошибка во времени торможения должна быть небольшой.

Если полученное значение больше максимального сопротивления, уже определенного при пуске и торможении, то для динамического торможения следует включать дополнительную секцию реостата.

Если значение требуемого тормозного момента большое, то торможение необходимо осуществлять по двум-трем характеристикам.

Построение тормозных характеристик проводится аналогично построению пусковых искусственных характеристик (см. п. 2.3.2.3).

2.4.1.2 Построение искусственной характеристики при работе с

 

Характеристику строят аналогично п. 2.3.1.2, т. е. через точку и точку пересечения значения момента и скорости проводим прямую – искусственную характеристику, соответствующую сопротивлению цепи якоря (см. рисунок 2):

.

 

С фазным ротором

 

Построение тормозной диаграммы осуществляется аналогично п. 2.4.1 (см. рисунок 5).

 

Для аснихронного двигателя

 

Приближенным методом

 

Считая поток двигателя при динамическом торможении постоянным, характеристики рассчитывают в следующем порядке [2].

Определяют критическое скольжение динамического торможения для ранее рассчитанной ступени с сопротивлением, например :

 

,

 

где − коэффициент трансформации двигателя;

− номинальное напряжение статора, В;

− номинальное напряжение ротора, В;

− приведенное индуктивное сопротивление

ротора, Ом;

− индуктивное сопротивление намагничивающего

контура при динамическом торможении, Ом;

− коэффициент, учитывающий насыщение двигателя;

− индуктивное сопротивление фазы статора току

намагничивания на холостом ходу, Ом;

− ток намагничивания, примерно

равный току холостого хода, А;

− коэффициент.

Если значение намного больше единицы, то для торможения принимают другую ступень реостата с меньшим сопротивлением и определяют для этой ступени.

Если значение при динамическом торможении на ступени с максимальным сопротивлением меньше единицы, то для обеспечения заданного режима торможения необходимо ввести дополнительную ступень. В этом случае задаются значением и по нему определяют необходимое сопротивление ступени:

 

.

 

Во втором варианте откладывают требуемые тормозные моменты

и при соответствующих скоростях.

Если тормозной момент сравнительно небольшой, то процесс торможения можно выполнять в одну ступень.

Требуемый максимальный тормозной критический момент принимают равным:

,

 

где − требуемый максимальный тормозной момент из диаграммы

на рисунке 1.

Задаваясь значениями при известных и , строят характеристики динамического торможения по данным, полученных расчетом с помощью формул:

 

,

 

 

Ток статора:

 

.

 

 

Необходимый ток подмагничивания обмоток статора:

 

,

 

где − коэффициент, зависящий от схемы соединения обмоток

статора:

· − при включении обмоток двигателя в «звезду»;

· − при включении обмоток двигателя в «треугольник».

Если требуемый тормозной момент большой, то для торможения используют несколько ступеней, при этом необходимо максимально использовать ступени пускового реостата.

Первую характеристику строят аналогично изложенному, за исключением того, что для определения проводят прямую через точку и точку пересечения линии максимального тормозного момента с линией, проходящей через точку рабочего режима и параллельной оси абсцисс.

Максимальный тормозной момент переключения:

 

.

 

Затем строят характеристики динамического торможения для всех последующих ступеней пускового реостата методом пересчета – при одном и том же моменте, скорости пропорциональны сопротивлениям:

 

.

 

По полученным характеристикам строят тормозную диаграмму, соблюдая условие:

,

 

где − требуемый средний тормозной момент на данной ступени торможения, Н м.

В некоторых случаях соблюдение этих условий требует введения дополнительной промежуточной ступени.

 

 

 

Рисунок 5 – Построение тормозной диаграммы асинхронного двигателя

 

Изменения потока

 

Исходя из экспериментальной или универсальной кривой намагничивания для данного типа двигателя, определяют зависимость , задавая значениями (см. рисунок 6) [2]:

 

.

 

Фазовую ЭДС статора определяют из универсальной кривой (см. рисунок 6):

 

.

 

При заданном значении находят:

 

.

 

Индуктивное сопротивление определяется по формуле

 

.

 

Задаются значениями тока , подаваемого в статор, и при принятой схеме соединения обмоток статора определяют по формуле:

 

.

 

Значение принимают равным .

 

 

Рисунок 6 – Универсальные кривые асинхронного двигателя

 

 

Чем больше сопротивление и меньше требуемый момент , тем меньше выбирают значение тока .

Определяют и приведенный ток ротора при заданных , и переменных , :

 

;

 

.

 

По вычисленным данным и находят:

 

.

 

По этим точкам строят механическую характеристику. Учитывая, что при одном и том же значении момента и постоянного тока сопротивления пропорциональны скольжению, методом пересчета строят желаемую характеристику при , отлично от принятого :

 

.

 

Если полученные характеристики отличаются от требуемых, обеспечивающих желаемый режим динамического торможения, то задаются другим значением тока и производят повторный расчет.

 

2.5 Выбор предварительной ступени для пуск электродвигателя

 

Для обеспечения пуска двигателя без динамического удара необходимо осуществить предварительное натяжение системы привода, которое заключается в выборе зазоров между зубьями шестерен редуктора и натяжении троса подъемного механизма.

С этой целью принимают предварительную ступень реостата для плавного пуска.

Механическая характеристика предварительной ступени должна пройти через точку с координатами и .

Сопротивление цепи якоря характеристики предварительной ступени определяют по формуле:

 

 

Если сопротивление цепи якоря на предварительной ступени меньше сопротивления цепи якоря при торможени,то в качестве предварительной ступени реостата желательно принять ступень торможения.

Механическая характеристика предварительной ступени показана на рисунке 2 для двигателя постоянного тока и на рисунке 3 для асинхронного двигателя.

 

v v v

ВЫБОР РЕОСТАТА

 

Электропривода

 

Ступени реостат работают при различных средних значениях тока в период пуска и торможения, при этом время работы каждой ступени разное. При пуске до скорости ω₁ (период ), в период разгона до скорости ω_уст (период ), в период торможения до ω = 0 (период ), в период равномерного движении с угловой частотой вращения и (периоды и ), а также при торможении со скорости ω_уст (период ) двигатель работает на соответствующих ступенях реостата. Поэтому время работы каждой ступени принимают равным времени соответствующего периода диаграммы скорости.

При реостатном разгоне двигателя от до время работы ступеней реостата определяют по выражению:

 

,

 

где − приращение угловой скорости при пуске на -ой ступени (берут из пусковых диаграмм на рисунках 2 или 3).

При торможении двигателя от до в несколько − ступеней время работы ступеней реостата определяют по выражению:

 

,

 

где ∆ω_т − убывание угловой скорости при торможении на − ой ступени (берут из тормозных диаграмм на рисунках 4 или 5).

Время работ в предварительной ступени принимают равным 0,5 с.

 

 

Рисунок 7 – Схема соединений секций пускового и тормозного реостата двигателя постоянного тока

 

Рисунок 8 – Схема соединений секций пускового и тормозного

реостата асинхронного двигателя

Независимого возбуждения

Реостатные характеристики двигателей независимого возбуждения строят по двум точкам:

1. ; ;

2. ; .

 

С фазным ротором

Реостатные характеристики асинхронного двигателя строят по формуле Клосса:

,

где − критическое скольжение реостатной характеристики.

На графике в первом квадрате строят все рассчитанные механические характеристики (ступени) двигательного и тормозного режимов, включая предварительную ступень.

По построенным характеристикам в двигательном и тормозном режимах (рисунок 9 и рисунок 10) строят пусковую и тормозную диаграммы.

Полная диаграмма работы электропривода с двигателем постоянного тока показана на рисунке 9.

Полная диаграмма работы электропривода с асинхронным двигателем показана на рисунке 10.

Пусковая диаграмма, соответствующая семипериодной диаграмме скорости, для асинхронного двигателя с фазным ротором построена по точкам 1 − 14.

Диаграмма торможения построена по точкам 15 − 19.

 

Электропривода

 

Для асинхронного двигателя

 

Для асинхронного двигателя определяют критическое скольжение характеристик динамического торможения:

 

,

 

Характеристики динамического торможения рассчитывают и строят по формуле:

.

 

Скольжение при динамическом торможение определяется как:

 

.

 

Для построения механической характеристики определяют скорость двигателя при динамическом торможении:

 

 

Для асинхронного двигателя

 

Если механические характеристики нелинейные, как у асинхронных двигателей, и момент – величина переменная,то кривые и рассчитывают и строят графоаналитическим методом [1].

Для построения кривые при пуске и торможении графоаналитическим методом ординату скорости разбивают на и (рисунок 11).

Из графика для каждого участка определяют эквивалентные динамические моменты при пуске и торможении М_{п.дин i} и М_{т.дин i}.

Время пуска и торможения:

 

t_n = = ;

 

t_т = = ,

 

где – берут из графика снизу вверх;

− берут из графика сверху вниз;

M_динi − эквивалентное значение динамического момента на участке

приращения скорости , определяемое методом

графического интегрирования;

 

Если М_с = const,то динамический момент на участке определяют как:

 

M_дипi = M_экi − M_c,

 

где М_с – момент сопротивления;

М_экi – эквивалентное значение момента двигателя на участке

приращения скорости , определяемое методом

графического интегрирования.

Кроме этого, по графикам определяют моменты в начале и конце каждого участка приращения скорости при пуске и торможении M_пj и M_mj.

 

Рисунок 11 – Графоаналитический метод расчета кривых переходных процессов

 

 

 

 

По расчетным данным составляют таблицу построения кривых переходных процессов (таблица 2).

 

Таблица 2 – Расчёт кривых переходных процессов

пуск	торможение
расчет	построение	расчет	построение
∆ωni	Mn дин i	∆tni	ωnj	Mпj	tnj	∆ωmi	Mm дин i	∆tтi	ωmj	Mmj	tтj

 

По данным таблицы строят кривые и при пуске и торможении.

 

v v v

ТР