Институт судостроения и морской арктической техники

Институт судостроения и морской арктической техники

 

Чурносов А.И.

 

 

Автоматизированный электропривод

 

 

Пособие и методические указания к выполнению контрольной работы

для студентов очной формы обучения специальности 220201

 

 

Северодвинск

2013 г.
Оглавление

Введение. 3

1.Классификация автоматизированного электропривода. 4

2.Определение моментов инерции. 6

3.Силы и моменты, действующие. 12

в системе электропривода. 12

4.Электромеханические свойства. 15

двигателей постоянного тока. 15

5.Электромеханические свойства. 20

двигателей переменного тока. 20

6. Режимы работы электродвигателей. 24

6.1 Длительный режим. 24

6.2 Кратковременный режим. 24

6.3 Повторно-кратковременный режим. 24

7. Нагрев и охлаждение электродвигателей. 25

7.1 Нагрев двигателя. 25

7.2 Охлаждение двигателя. 26

8. Выбор электродвигателя. 27

9. Порядок выбора электроприводов. 30

10. Расчет электропривода судового механизма. 31

11. Выбор кабеля от распределительного щита (РЩ). 41

до электродвигателя. 41

12. Выбор коммутационной аппаратуры.. 43

13. Управление режимами электропривода. 44

Литература. 46

Приложение А.. 47

Приложение Б.. 48

Приложение В.. 49

Приложение Г.. 50

Приложение Д.. 51

Приложение Е.. 52

Приложение Ж... 53

Приложение И.. 54

 

 

Введение

 

Данное пособие по судовому электроприводу предназначено для закрепления теоретического материала студентами специальности «Системы электроэнергетики и автоматизации судов».

Для лучшего усвоения материала и приобретения инженерных навыков приведены примеры задач и их решения. Кроме того, дано развернутое описание выбора электропривода для грузоподъемного механизма, по заданному режиму работы, произведена проверка на тепловой режим, выбор кабеля, коммутационной аппаратуры, принципиальная схема режимов работы электропривода.

 

Основные единицы измерения.

L –длина (м)

M – масса (кг)

t – время (сек)

F – сила (H)

U – скорость поступательного движения (м/с)

w – ускорение (м/с²)

E – угловое ускорение (рад/сек²)

M – момент (H/м)

A – работа, энергия (Дж)

P – Мощность (Вт)

J – момент инерции (кг м²)

GD² – маховый момент (кг м²)

Силы и моменты, действующие

В системе электропривода.

 

С оотношение статических моментов, преодолеваемых двигателем лебедки при подъеме и спуске одного и того же груза (рис.3.1а).

 

Решение:

Рисунок 3.1(а) – Взаимодействие моментов, действующих на вал.

 

Рисунок 3.1(б) – Абсолютное значение статического момента:

при подъеме груза

М_под = М_гр + М_тр;

при спуске груза

М_сп = М_гр - М_тр.

 

Вычтя из первого уравнения второе, получим (рисунке 3.1.б)

 

М_под-М_сп=2М_тр; М_сп=М_под-2М_тр.

 

Это соотношение моментов справедливо при расчете грузоподъемных механизмов электроприводов.

Задача 3.2. Определить статические моменты на валу двигателя грузовой трехтонной лебедки при подъеме и спуске номинального груза и холостого гака, если масса холостого гака m₀=60кг; диаметр грузового барабана D_б=400мм; передаточное отношение редуктора i=23,3; КПД механизма при подъеме номинального груза η=0,8.

Решение:

1.Загрузка механизма при подъеме холостого гака F_x/F_н=m₀/m_н=60/3000=0,02 соответствует КПД (рисунок 3.2) η₀=0,15.

2. Статические моменты (на валу двигателя):

при подъеме номинального груза

 

при спуске номинального груза

при подъеме холостого гака

при спуске холостого гака

Рисунок 3.2. – Зависимость КПД зубчатых передач η от загрузки механизма

 

Задача 3.3. Определить время, за которое двигатель лебедки (данные смотри в задаче 3.1.) под действием неизменного пускового момента М_п=450 Н∙м разгонится при подъеме и спуске номинального груза до скорости ω_ст=97 рад/с и остановится после отключения от сети и наложения тормоза с М_т=2М_ст2. Момент инерции двигателя J_дв=1,9 кг∙м². Инерционность передачи и грузового барабана учитываем введением коэффициента k=1,2. Скорость подъема и спуска груза υ=50 м/мин. (В реальных условиях эти скорости определяют из механической характеристики двигателя в соответствии с М_ст.).

 

Решение: Приведенный момент инерции электромеханической системы

 

Время пуска двигателя на подъем груза

 

Время торможения при подъеме груза

 

Время пуска двигателя на спуск груза

 

Время торможения при спуске груза

 

Электромеханические свойства

Электромеханические свойства

Длительный режим.

Это режим, при котором двигатель работает под нагрузкой в течение времени, достаточного для нагрева его до установившейся температуры (рис.1а). Установившаяся температура определяется нагрузкой двигателя. Двигатель используется полностью, если установившаяся температура равна максимально допустимой для класса изоляции двигателя . В длительном режиме на судах работают электроприводы вентиляторов, насосов и других механизмов.

Кратковременный режим.

В этом режиме двигатель, работая под нагрузкой не успевает нагреться до установившейся температуры, а в период остановки остывает до температуры окружающей среды (рис.1б). Работать двигатель всегда начинает в холодном состоянии . В таком режиме на судах работают электроприводы якорно-швартовых устройств. Завод-изготовитель двигателей указывает номинальные мощности двигателя для стандартных длительностей работы – 10, 30 и 60 мин.

 

Нагрев двигателя.

 

Работая с некоторой постоянной мощностью на валу , двигатель потребляет из сети мощность , превышающую мощность на значение потерь , которые выражают через к.п.д. двигателя :

 

Потери мощности в двигателе превращаются в теплоту, вызывая нагрев до некоторой температуры, определяемую его нагрузкой. Количество теплоты , выделяемое в двигателе:

При расчёте тепловых процессов принимают следующие допущения:

- двигатель представляют в виде однородного твёрдого тела, равномерно нагревающегося по всему объёму;

- считают, что двигатель охлаждается только благодаря теплопроводности и конвекции.

При этих условиях количество теплоты, выделяемой двигателем в окружающую среду, пропорционально повышению его температуры над температурой окружающей среды .

Введём обозначения: С – теплоёмкость двигателя – количество теплоты, необходимое для нагревания двигателя на 1^oС, ; А – теплоотдача двигателя – количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду в течение 1с при разности температур двигателя и среды 1^oС, ^oС. Уравнение теплового баланса имеет вид [1]:

,

где - количество теплоты, выделяющейся в двигателе за время dt;

- количество теплоты, идущей на нагрев двигателя;

- количество теплоты, отдаваемой двигателем в окружающую среду за время dt.

Решив дифференциальное уравнение относительно , можно определить температуру двигателя в любой момент времени его работы (при условии, что температура двигателя в момент пуска равна температуре окружающей среды).

[1]

где - постоянная времени нагрева, ;

- установившееся превышение температуры, которое будет достигнуто за время . В реальных условиях через двигатель достигает температуры .

Исходя из реальных условий нагрева двигателя, постоянную нагрева Т определяют как время, в течение которого нагревается до . Действительно:

Для двигателей малой и средней мощности постоянная времени нагрева находится в пределах 10-20 мин.

 

Охлаждение двигателя.

После отключения двигателя от сети выделение теплоты в нём сокращается: . Тогда , т.е. двигатель охлаждается до температуры окружающей среды . При этом двигатель останавливается, и теплоотдача в большинстве случаев ухудшается , а постоянная времени охлаждения становится больше . Для самовентилируемых двигателей ; для двигателей с независимым охлаждением можно принять .

 

 

Используя уравнение нагрева двигателя [1], получим уравнение охлаждение двигателя:

,

где - превышение температуры двигателя в момент отключения его от сети.

Если за время работы двигатель нагрелся до , т.е. , то после отключения то сети он будет охлаждаться по экспоненциальной кривой.

За время двигатель охлаждается до температуры, соответствующей превышению:

На практике можно считать полностью остывшим, если его температура не более чем на отличается от температуры окружающей среды. Такого состояния двигатель достигает за время .

Выбор электродвигателя

Длительный режим работы.

Двигатели, работающие в длительном режиме, могут иметь неизменную или циклически меняющуюся во времени нагрузку, что определяет тепловые процессы в двигателе и методику выбора его мощности.

При неизменной нагрузке выбор двигателя довольно прост и заключается в определении потребляемой исполнительным механизмом мощности , по которой находят расчётную мощность электродвигателя:

,

где - к.п.д. передачи от двигателя к рабочему органу механизма.

Далее, по каталогу выбирают двигатель нужных параметров (скорость, напряжение и др.) и конструктивного исполнения с номинальной мощностью . Выбранный таким образом двигатель будет удовлетворять всем требованиям со стороны исполнительного механизма и в дополнительной проверке не нуждается.

При циклически меняющейся нагрузке, с какой работает большинство электрифицированных механизмов, мощность электродвигателя рассчитывают на основе нагрузочной диаграммы исполнительного механизма по среднему статическому моменту.

Зная среднее значение статического момента, определяют расчётный момент выбираемого двигателя:

,

где - коэффициент, учитывающий необходимость преодоления двигателем динамических нагрузок: увеличивается с увеличением колебаний нагрузки и числа включений двигателя в час.

Проверка мощности на нагрев производится по методу эквивалентного момента:

или по методу эквивалентной мощности:

Выбранный двигатель не будет перегреваться, если или .

 

Предварительный выбор двигателя.

 

Момент на валу электродвигателя при подъёме номинального груза:

 

Момент на валу электродвигателя при опускании номинального груза в режиме тормозного спуска:

 

 

Скорость электродвигателя (на быстроходной обмотке), необходимая для обеспечения заданной скорости подъёма номинального груза:

или частота вращения:

Скорость электродвигателя, необходимая для обеспечения опускания груза:

или частота вращения:

Мощность электродвигателя при подъёме номинального груза на быстроходной обмотке:

Мощность электродвигателя при опускании груза на обмотке средней скорости:

В качестве электродвигателя выбираем судовой трёх скоростной асинхронный электродвигатель для якорно-швартовных механизмов серии МАП 622-4/8/16 ОМ1 с параметрами:

Число полюсов
Мощность
Частота вращения
Угловая скорость	151,24	72,2
Номинальный ток
Пусковой ток
Максимальный момент
Пусковой момент
Коэффициент мощности	0,86	0,68
Момент инерции	без тормоза	1,375
с тормозом	1,625
Напряжение

 

Определяем номинальный момент двигателя на быстроходной обмотке:

 

Определяем номинальный момент двигателя на тихоходной обмотке:

Таким образом, работая с и двигатель не перегружается.

Б.) Для тихоходной обмотки.

· точка идеального холостого хода для тихоходной обмотки:

,

где - частота сети, - число пар полюсов;

· точка номинального режима ;

· точка, соответствующая критическому моменту ;

где - кратность максимального момента, , причём критическое скольжение определяется по выражению:

· точка пуска - кратность пускового момента.

Дополнительные точки определяются по формуле Клосса:

промежуточные точки при скольжении, равном и :

характерные точки режима для тихоходной обмотки:

точка холостого хода

точка номинального режима

точка критического момента

точка пускового момента

промежуточная точка1

промежуточная точка2

 

На рисунке приведены характеристики двигателя МАП-622-4/8/12 ОМ1

 

До электродвигателя

 

При выборе питающего кабеля исходят из расчёта величины эквивалентного тока, вида прокладки, температуры окружающей среды и т.д.

Величина расчётного тока кабеля определяется по формуле:

где - эквивалентный ток, определённый в п.5; - коэффициент, учитывающий уменьшение допустимой нагрузки кабеля находящегося в пучке; для однорядных пучков - , - коэффициент, учитывающий число часов работы в сутки, к₂ =1,41.

Коэффициент определяется из соотношения:

где - суммарное время работы кабеля под нагрузкой за сутки.

Если , то принимают и выбор кабеля производят по таблицам.

Ниже приведена таблица загрузки некоторых судовых кабелей.

 

Таблица 1

Сечение жилы, мм^2	Допустимый ток, А
1-жильный	2-жильный	3-жильный
1,5
2,5

 

Выбираем 3-х жильный кабель сечением жилы 25 мм², на ток 79 А.

 

В трёхфазной системе для вычисления потери напряжения определяют:

где - коэффициент мощности выбранного двигателя.

 

Ниже приведены величины активных и реактивных сопротивлений одной жилы кабеля при температуре 65^оС и частоте сети 50 Гц, для 1000 метров кабеля.

 

Таблица 2

Сечение жилы, мм^2		1,5	2,5
Активное сопротивление	21,6	14,4	8,65	5,4	2,16	0,865	0,432	0,144
Индуктивное сопротивление	0,147	0,139	0,134	0,126	1,115	0,106	0,093	0,092

 

Обычно потеря напряжения выражается в процентах от номинального напряжения:

Допустимые потери для сетей освещения – 5%, сетевых потребителей кратковременного режима работы – 16%.

Литература

 

1. Чекунов К.А. Судовые электроприводы и электродвижение судов. - Л., Судостроение, 1986.

2. Есаков В.П., Торопов В.И. Сборник задач по теории электропривода. /Под редакцией Миллера Е.В./.- М., Высшая школа, 1969.

3. Зимин Е.Н., Яковлев В.И. Автоматическое управление электроприводами. – М., Высшая школа, 1979.

 

Приложение А

№№ ПП	m			H		i	η			L
кг	м/мин	м/мин	м	М	-	-	с	с	М
					0,55		0,8
					0,5		0,85
					0,4		0,8
					0,5		0,8
					0,5		0,8
					0,7		0,8
					0,55		0,85
					0,5		0,9
					0,4		0,85
					0,5		0,8
					0,4		0,85
					0,5		0,9
					0,65		0,8
					0,7		0,85
					0,6		0,8
					0,65		0,8
					0,4		0,8
					0,5		0,85
					0,4		0,85
					0,5		0,85
					0,45		0,85
					0,45		0,9
					0,45		0,9
					0,65		0,9
					0,45		0,9
					0,5		0,8
					0,5		0,85
					0,82		0,8
					0,5		0,8
					0,5		0,8

 

 

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Институт судостроения и морской арктической техники

 

Чурносов А.И.

 

 

Автоматизированный электропривод

 

 

Пособие и методические указания к выполнению контрольной работы

для студентов очной формы обучения специальности 220201

 

 

Северодвинск

2013 г.
Оглавление

Введение. 3

1.Классификация автоматизированного электропривода. 4

2.Определение моментов инерции. 6

3.Силы и моменты, действующие. 12

в системе электропривода. 12

4.Электромеханические свойства. 15

двигателей постоянного тока. 15

5.Электромеханические свойства. 20

двигателей переменного тока. 20

6. Режимы работы электродвигателей. 24

6.1 Длительный режим. 24

6.2 Кратковременный режим. 24

6.3 Повторно-кратковременный режим. 24

7. Нагрев и охлаждение электродвигателей. 25

7.1 Нагрев двигателя. 25

7.2 Охлаждение двигателя. 26

8. Выбор электродвигателя. 27

9. Порядок выбора электроприводов. 30

10. Расчет электропривода судового механизма. 31

11. Выбор кабеля от распределительного щита (РЩ). 41

до электродвигателя. 41

12. Выбор коммутационной аппаратуры.. 43

13. Управление режимами электропривода. 44

Литература. 46

Приложение А.. 47

Приложение Б.. 48

Приложение В.. 49

Приложение Г.. 50

Приложение Д.. 51

Приложение Е.. 52

Приложение Ж... 53

Приложение И.. 54

 

 

Введение

 

Данное пособие по судовому электроприводу предназначено для закрепления теоретического материала студентами специальности «Системы электроэнергетики и автоматизации судов».

Для лучшего усвоения материала и приобретения инженерных навыков приведены примеры задач и их решения. Кроме того, дано развернутое описание выбора электропривода для грузоподъемного механизма, по заданному режиму работы, произведена проверка на тепловой режим, выбор кабеля, коммутационной аппаратуры, принципиальная схема режимов работы электропривода.

 

Основные единицы измерения.

L –длина (м)

M – масса (кг)

t – время (сек)

F – сила (H)

U – скорость поступательного движения (м/с)

w – ускорение (м/с²)

E – угловое ускорение (рад/сек²)

M – момент (H/м)

A – работа, энергия (Дж)

P – Мощность (Вт)

J – момент инерции (кг м²)

GD² – маховый момент (кг м²)