Механическая характеристика трехфазного асинхронного электродвигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сибирский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электротехника, диагностика и сертификация»

Расчетно графическая работа

По дисциплине «Электротехника, электроника и электропривод»

Пономарев П.Т

Нечаев Н.С.

Новосибирск 2015

Исходные данные к заданию

Характеристика рабочей машины: (частота вращения nнм = 35 об/мин; передаточное отношение iпм = 14; момент расчётный Мсм = 19540 Н·м; коэффициент полезного действия зм = 80% ; момент инерции Jм = 2200 кг·м2 ;механическая характеристика Мсм(n) = 11200 + 16,8n напряжение источника питания Uл = 660 В.

Расчёт мощности и выбор трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Момент сопротивления рабочей машины, приведённый к валу двигателя:

Mc = Mcм·(1/ iпм)·(1/ зм) = 19540·(1/14)·(1/0,8) = 1744,6 Н·м

Расчётная частота вращения двигателя:

nр = nнм· iпм =35·14=490 об/мин

Расчётная мощность двигателя:

Pр = Mc·nр /9550=1744,6·490/9550=89,5 кВт

По рассчитанным значениям мощности Pр, частоты вращения nр и заданному напряжению сети Uл выбираем по каталогу трёхфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором 4А355М12У3. Технические данные выбранного двигателя записываем в таблицу 1:

Таблица 1

Pн , кВт	При номинальной нагрузке	Uн,В	Mmax / Mн	Mп / Mн	Iп / Iн	J, кг·м2
	nн,об/мин	зн , %	cosцн
90	490	91,5	0,77	380/660	1,8	1	5,5	9,68

Определение параметров электродвигателя, необходимых для расчёта и построения механической характеристики:

- число пар полюсов двигателя p;

- частоту вращения магнитного поля n0;

- номинальное скольжение двигателя sн;

- критическое скольжение двигателя sкр;

- момент номинальный двигателя Mн;

- момент критический (максимальный) двигателя Mкр(max);

- момент пусковой двигателя Mп.

Для определения числа пар полюсов электродвигателя воспользуемся выражением, описывающим связь частоты вращения магнитного поля n0, об/мин (синхронной частоты вращения) с частотой питающей сети f, Гц и числом пар полюсов p:

n0=60f /p, об/мин,

откуда p=60f /n0. Поскольку синхронная частота вращения n0 нам неизвестна, можно с малой погрешностью определить число пар полюсов p, заменив n0 паспортным значением номинальной частоты вращения двигателя nн (так как значение nн отличается от n0 на 2% - 5%), следовательно:

p?60f /nн=60·50/490=6,122

Число пар полюсов не может быть дробным, поэтому округляем полученное значение p до целого числа. Получаем p=6.

Частота вращения магнитного поля (синхронная частота вращения двигателя):

n0=60f /p=60·50/6=500 об/мин

Номинальное скольжение двигателя:

sн = (n0 - nн)/n0 =(500 -490)/500=0,02

Критическое скольжение двигателя

sкр= sн (л+)=0,02(1,8+) =0,066

Момент номинальный двигателя определяем через номинальные (паспортные) значения мощности Pн=90 кВт, и частоты вращения nн=490 об/мин

Mн=9550 Pн /nн =9550·90/490=1754,082 Н·м

Момент пусковой определяем через номинальный момент Mн и взятое из каталога значение коэффициента пускового момента кп= Mп / Mн=1

Mп= кп· Mн=1·1754,082=1754,082 Н·м

Момент критический (максимальный) двигателя определяем через номинальный момент Mн и взятое из каталога значение коэффициента перегрузочной способности двигателя

л = Mmax / Mн =1,8

Mкр(max)= л·Mн=1,8•1754,082=3157,348 Н·м

Для трёхфазного асинхронного электродвигателя 4А355М12У3 (выбранного в п.1) построить механическую характеристику, используя найденные в задании 2 значения величин.

Для построения рабочего участка механической характеристики значения моментов, развиваемых двигателем при значениях скольжения s < sкр, вычислим по выражению M=2Mmax /(s /sкр+ sкр /s).

Принимая последовательно значения s=0; sн=0,02; sкр=0,066, определим значения моментов M, соответствующие этим скольжениям (каждому моменту присвоим индекс значения скольжения):

M0=2·3157,348/(0/0,066+0,066/0)=0;

Мн=2·3157,348/(0,02/0,066+0,066/0,02)=1752,607 Н·м;

М01=2·3157,348/(0,1/0,066+0,066/0,1)=2903,106 Н•м

Мкр=2·3157,348/(0,066/0,066+0,066/0,066)=3157,348 Н·м.

Результаты расчётов заносим в таблицу 3.

Находим поправочный коэффициент b для расчёта значений моментов на участке характеристики с большими значениями скольжения (s > sкр):

b=Mп - 2Mmax/((1/sкр)+sкр)= 1754,082 - 2·3157,348/((1/0,066)+0,066)=1339,12 Н·м.

3.3 Для участка разгона двигателя (при s > sкр) значения моментов, развиваемых двигателем, определяем по выражению М=(2Mmax /(s /sкр+ sкр /s))+b·s. Задаваясь значениями скольжения s=0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0, рассчитаем значения моментов:

М02=2·3157,348/(0,2/0,066+0,066/0,2)+ 1339,12 ·0,2=2147,028 Н·м;

М03=2·3157,348/(0,3/0,066+0,066/0,3)+ 1339,12 ·0,3=1726,834 Н·м;

М04=2·3157,348/(0,4/0,066+0,066/0,4)+ 1339,12 ·0,4=1549,958 Н·м;

М05=2·3157,348/(0,5/0,066+0,066/0,5)+ 1339,12 ·0,5=1488,825 Н·м;

М06=2·3157,348/(0,6/0,066+0,066/0,6)+ 1339,12 ·0,6=1489,784 Н·м;

М07=2·3157,348/(0,7/0,066+0,066/0,7)+ 1339,12 ·0,7=1527,523 Н·м;

М08=2·3157,348/(0,8/0,066+0,066/0,8)+ 1339,12 ·0,8=1588,737 Н·м;

М09=2·3157,348/(0,9/0, 0,066+0,066/0,9)+ 1339,12 ·0,9=1665,809 Н·м;

М1=2·3157,348/(1,0/0,066+0,066/1,0)+ 1339,12 ·1.0=1754,082 Н·м.

Результаты расчётов заносим в таблицу 3.

Пользуясь выражением n =n0 (1-s), для каждого значения скольжения s вычисляем частоту вращения вала двигателя n:

n0=500 (1 - 0)= 500 об/мин;

nн=500 (1 - 0,02)=490 об/мин;

nкр=500 (1-0,066)=467 об/мин;

n01=500 (1 - 0,1)= 450 об/мин;

n02=500 (1 - 0,2)= 400 об/мин;

n03=500 (1 - 0,3)= 350 об/мин;

n04=500 (1 - 0,4)= 300 об/мин;

n05=500 (1 - 0,5)= 250об/мин;

n06=500 (1 - 0,6)= 200 об/мин;

n07=500 (1 - 0,7)= 150 об/мин;

n08=500 (1 - 0,8)= 100 об/мин;

n09=500 (1 - 0,9)=50 об/мин;

n1=500 (1 - 1)= 0 об/мин.

Результаты расчётов заносим в таблицу 3.

По результатам вычислений строим в масштабе график механической характеристики n(M):

4. Обосновать способ подключения фазных обмоток ранее выбранного двигателя 4А355М12У3 с номинальным напряжением Uн=380/660 В к электрической сети с напряжением Uл=660ы В. Определить пусковой, фазные и линейные номинальные токи двигателя при выбранном способе подключения его обмоток. Рассчитать пусковой, фазные и линейные токи, моменты пусковой и критический, мощность двигателя, соответствующие номинальному скольжению, при ошибочном выборе способа подключения фазных обмоток.

Обмотки трехфазного двигателя могут подключаться к питающей сети звездой или треугольником в зависимости от номинального напряжения фазной обмотки Uн и линейного напряжения сети Uл. В паспорте двигателя обычно указано 2 напряжения, на которые можно подключать двигатель. При подключении необходимо учитывать, что фазные обмотки рассчитаны на меньшее из двух напряжений (в нашем случае 380 В). Наш двигатель следует подключать в сеть соединением звезда, т.к Uф = Uл / (Uф =660В / = 380В). асинхронный электродвигатель ротор вал

Линейный номинальный ток двигателя определим из выражения мощности трёхфазной цепи:

P1н=Uл Iл cosцн , где Uл=660 В - линейное (номинальное) напряжение электрической сети; P1н, Вт, - номинальная активная электрическая мощность двигателя, которую

определяем через номинальную паспортную мощность на валу двигателя Pн с учётом потерь в двигателе:

P1н= Pн/ зн=90·10 3/0,915=98,361·10 3 Вт.

Ток линейный номинальный двигателя:

Iл(н)=P1н /(Uл cosцн)=98,361·10 3 /·660·0,77=111,745 А.

Токи фазный номинальный при соединении звездой равен линейному:

Iф= Iл=111,745 А.

Пусковой ток двигателя определяем через номинальный линейный ток Iн =66,254 А и коэффициент пускового тока кI=Iп/Iн =5,5:

Iп= Iн·кI =111,745·5,5=614,598 А.

Определяем основные характеристики двигателя при ошибочном выборе способа подключения двигателя, т.е при соединении фазных обмоток треугольником (?). Обозначим характеристики двигателя при ошибочном способе подключения двигателя X!(I!, U!, М! ,Р!). При соединении треугольником фазные напряжения Uф равны линейным Uл=660 В. Следовательно напряжение на фазных обмотках станет равным U!ф = Uл=660В, что в раз превышает номинальное напряжение и может привести к пробою изоляции обмоток двигателя.

Фазные токи, в соответствии с законом Ома, прямо пропорциональны фазному напряжению Uф и обратно пропорциональны полному сопротивлению фазных обмоток zф: Iф = Uф/zф. Следовательно, фактические значения фазных токов, как и фазные напряжения, враз превысят номинальные значения, т.е.

I!ф =· Iф=·111,745=193,548 А.

Линейные токи при соединении треугольником Iн =· Iф . Следовательно, фактические значения линейных токов станут равны:

I!н=·I!ф =··Iф=3·111,745= 335,235 A, что в три раза превышает номинальные значения линейных токов.

Пусковые токи определим через фактические значения линейных токов I!н и коэффициент пусковых токов кI=Iп/Iн =5,5

I!п = I!н · кI =335,235·5.5=1843,793 А,

раза превышает значение пусковых токов при подключении звездой.

Моменты, развиваемые двигателем (пусковой Мп , максимальный Ммах ) изменяются пропорционально квадрату напряжения на фазных обмотках, т.е. М = км U2ф , где км - коэффициент, учитывающий основные параметры двигателя, связывающие момент, развиваемый двигателем, с напряжением. Так как напряжение на фазных обмотках при ошибочном способе подключения двигателя (треугольником) увеличилось в раз, моменты двигателя увеличатся в ()2 раз, т.е. в 3 раза.

При соединении фазных обмоток двигателя звездой:

М = км U2ф = км·3802 , откуда км =М/3802 .

При соединении обмоток двигателя треугольником:

М! = км (U!ф)2 =М·6602 /3802 =3М.

Пусковой момент при подключении двигателя треугольником (ошибочном способе):

М!п =3Мп =3·1754,082 =5262,246 Н·м.

Критический момент при подключении двигателя звездой:

М!кр =Мкр ·3=3·3157,348=9472,044 Н·м.

Мощность на валу двигателя выражается Pн=Uл Iн зн cosцн . Из величин, входящих в это выражение, при ошибочном выборе способа подключения двигателя изменяется только линейный ток Iл (напряжение сети Uл =660 В не изменяется). Согласно результату расчёта п. 4.5.2. при ошибочном подключении двигателя звездой токи линейные увеличиваются в 3 раза, следовательно, и мощность двигателя при номинальном скольжении увеличится в 3 раза и составит:

P!н =3Pн =3·90=270 кВт.

5. Определить время пуска tпуск и построить кривую разгона электропривода с электродвигателем 4А355М12У3 и рабочей машиной с моментом инерции Jм=9,68 кг·м2 и механической характеристикой

Мс=11200+16,8n , Н·м.

Время разгона электропривода определяем из уравнения движения привода

М - Мс =(1/9,55)J·dn/dt,

заменив бесконечно малые значения dn и dt на конечные значения ?n и ?t:

?t=(1/9,55) J·?n /(М - Мс)

Полученное выражение справедливо при условии, что моменты статические М и Мс , и момент инерции не зависят от скорости, т.е (М - Мс)=const и J= const. Поэтому воспользуемся приближенным графо-аналитическим методом расчёта, для чего совместные механические характеристики двигателя n(M) и рабочей машины Мс(n) разбиваем на периоды разгона, на каждом из которых принимаем (М - Мс)=const.

Приводим уравнение момента статического сопротивления рабочей машины к валу двигателя:

Mc=Mcм·(1/i)·(1/зп)=(11200+16,8n)/(14·0,915); Мс =874,317+1,312·n, Н·м.

Определяем значения момента статического сопротивления рабочей машины Мс для различных значений частоты вращения n, приведенных в таблице 3. Дополняя таблицу 3 результатами расчёта значений Мс , получим таблицу 4.

Mc=874,317+1,312·500=1530,317 Н·м

Mc=874,317+1,312·490=1517,197 Н·м

Mc=874,317+1,312·467=1487,021 Н·м

Mc=874,317+1,312·450 =1464,717 Н·м

Mc=874,317+1,312·400=1399,117 Н·м

Mc=874,317+1,312·350=1333,517 Н·м

Mc=874,317+1,312·300=1267,917 Н·м

Mc=874,317+1,312·250=1202,317 Н·м

Mc=874,317+1,312·200=1136,717 Н·м

Mc=874,317+1,312·150=1071,117 Н·м

Mc=874,317+1,312·100=1005,517 Н·м

Mc=874,317+1,312·50=939,917 Н·м

Mc=874,317+1,312·0=874,317 Н·м

По результатам расчётов, приведенным в таблице 4 строим совместные механические характеристики n(M) и n(Mс).

Определяем момент инерции системы, приведенный к валу двигателя:

J=Jд + Jм(nм/ nд)2=9,58+2200(35/490)2=20,805 кг·м2

Совместные механические характеристики двигателя n(M) и рабочей машины Мс(n) разбиваем на 10 периодов разгона таким образом, чтобы на каждом периоде легче и возможно точнее определялись средние за период значения моментов Мк ,развиваемых двигателем, и Мск -статического сопротивления на валу двигателя со стороны рабочей машины. Считаем, что на каждом периоде частота вращения получает приращение ?nк при неизменном динамическом моменте (М - Мс), равном среднему за период, и по выражению ?t=(1/9,55) J·?n /(М - Мс) определяем время разгона ?tк для каждого периода. Результаты расчётов заносим в таблицу 5.

?tк=(1/9,55)· 20,805·50/802,829=0,136

?tк=(1/9,55)· 20,805·50/654,556=0,166

?tк=(1/9,55)· 20,805·50/519,813=0,21

?tк=(1/9,55)· 20,805·50/408,737=0,268

?tк=(1/9,55)· 20,805·50/410,788=0,265

?tк=(1/9,55)· 20,805·50/289,275=0,377

?tк=(1/9,55)· 20,805·50/342,679=0,318

?tк=(1/9,55)· 20,805·50/570,614=0,191

?tк=(1/9,5520,805·50/1093,15=0,1

?tк=(1/9,55)· 20,805·45/836,895=0,13

Определяем время разгона электропривода, суммируя продолжительности разгона на каждом периоде:

tпуск =0,136+0,166+0,21+0,268+0,265+0,377+0,318+0,191+0,1+0,13=2,161сек

Список использованной литературы

1. Электротехника, электроника и электропривод : метод. указания к выполнению расчет.-граф. работы / П. Т. Пономарев ; ред. Е. В. Лесных ; Сиб. гос. ун-т путей сообщ. - Новосибирск : СГУПС, 2014. - [24] с.

2. Общая электротехника : учебник / ред. В. С. Пантюшин. - М. : Высш. шк., 1970. - 568 с.

3. Электротехника и электроника : учеб. для неэлектротехн. спец. вузов / В.Г. Герасимов, Э.В. Кузнецов, О.В. Николаева [и др.]; под ред. В.Г. Герасимова. - М. : Энергоатомиздат. Электрические и магнитные цепи. - 1996. - 288 с.

Размещено на Allbest.ru

...