Электропривод в сельском хозяйстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО "Государственный аграрный университет Северного Зауралья"

Институт дистанционного образования

Кафедра "Механизация переработки и хранения

Сельскохозяйственной продукции"

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: Электропривод

Электропривод в сельском хозяйстве

Выполнил: Бекташев Ю.А.

Специальность

"Элекрооборудование

и электротехнологии с/х"

Тюмень

2015



Содержание

Данные варианта

1. Предварительный выбор электродвигателя

2. Проверка предварительно выбранного электродвигателя

2.1 На перегрузочную способность

2.2 Проверка на нагрев методом средних потерь

2.3 Проверка на нагрев методом расчета температуры

2.4 Проверка выбранного двигателя на нагрев методом эквивалентных величин

3. Выбор автоматического выключателя

4. Электрическая схема управления

Литература



Данные варианта

Таблица №1 - Исходные данные

№ варианта (предпоследняя цифра номера зачётной книжки)	Нагрузка на валу электродвигателя по периодам работы, кВт	№ варианта (последняя цифра номера зачётной книжки)	Продолжительность работы по периодам, мин
	Р1	Р2	Р3	Р4		t1	t2	t3	t4
10	14	8	12	10	1	10	6	8	15

Таблица № 2 - Исходные данные

№ варианта	Электрическая схема управления электродвигателем
1	Схема пуска АД с КЗР с помощью магнитного пускателя



1. Предварительный выбор электродвигателя

По исходным данным строим нагрузочную диаграмму двигателя Р = f(t).

Рис. 1 - Нагрузочная диаграмма рабочей машины

1 Эквивалентная мощность двигателя за время работы:

(1)

В задании предполагается, что после отключения двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. Время работы не превышает 90 мин, за которое двигатель не достигнет установившейся температуры. Следовательно, в задании имеет место кратковременный режим работы электродвигателя S2.

Расчетная мощность электродвигателя:

, (2)

где К_м - коэффициент механической перегрузки двигателя, определяемый

, (3)

где б =0,6 - коэффициент, равный отношению постоянных потерь мощности двигателя к переменным;

t_р = t₁ + t₂ + t₃ + t₄ - время работы двигателя, мин;

Т_н - постоянная времени нагрева двигателя, мин. На предварительном этапе расчётов принять Т_н = 20 мин.

Обратите внимание, что бы t_р и Т_н имели одну и ту же единицу измерения (мин., с и т.д), а К_М ? 1.

Выбираем электродвигатель из условия Р_2ном ? Р_расч и синхронной скоростью n₀ = 1500 об/мин (приложение 1)

Выписываем технические данные электродвигателя в таблицу 1.

Таблица 1 - технические данные электродвигателя.

Р2ном	n0	зН	cosцН	mП	mМ	mК	SН	SК	kiДВ	JДВ	M
кВт	об/мин	%	-	-	-	-	%	%	-	кг•м2	Кг
11	1500	87,5	0,86	2	1,6	2,2	2,8	19,5	7,5	0.04	90



2. Проверка предварительно выбранного электродвигателя

2.1 На перегрузочную способность

Номинальный момент двигателя:

(4)

где щ₀ = 2рn₀/60 - синхронная угловая скорость электродвигателя, рад/с.

Критический момент:

, (5)

Максимальный рабочий момент:

, (6)

Проверка на перегрузочную способность:

, (7)

где ДU = 10 %, в расчётах ДU = 0,1.

,

Если условие перегрузки (7) выполняется, то приступают к проверке на нагрев.



2.2 Проверка на нагрев методом средних потерь

Температура нагрева двигателя не превышает допустимую величину при условии:

, (9)

где ДР_НОМ = Р_2НОМ (1-з_НОМ)/ з_НОМ, ДР_СР - номинальные и средние потери

электродвигателя, Вт.

Коэффициент тепловой перегрузки К_Т определяется по формуле:

, (10)

где Т_н - постоянная времени нагрева проверяемого двигателя, мин;

, (11)

где m - масса двигателя, кг; ф_доп - предельно-допустимое превышение температуры нагрева обмоток двигателя, ^?С.

Для двигателей с высотой оси вращения 50…132 мм применяется класс В (ф_доп=80^?С), 160…355 мм - класс F (ф_доп=100^?С). Высота оси вращения указывается в типоразмере двигателя. Например, 4А100S4У3 имеет высоту оси 100 мм.

Определим потери мощности двигателя на каждом периоде нагрузки:

(12)

Значение

Р_i берутся из нагрузочной диаграммы (Р₁ - Р₄). Коэффициент полезного действия з_i при любой нагрузке определяется:

(13)

где х_i показатель загрузки двигателя на i-ом интервале нагрузочной диаграммы.

(14)

Определим потери мощности двигателя на каждом периоде нагрузки:

Расчёт упрощается, если воспользоваться данными (приложение 2) и построить график изменения КПД и cos ц двигателя от нагрузки на валу (рис. 2). В этом случае по оси ординат откладывается показатель х_i.

Рис. 2. - График изменения КПД и cos ц двигателей серии 4А от нагрузки на валу

Величина средних потерь в двигателе за время работы:

, (15)

Проверка условий перегрева:

При заданной нагрузке температура двигателя не превысит допустимую величину.

2.3 Проверка на нагрев методом расчета температуры

В расчётах температуры нагрева двигателя ф определяют не действительное её значение, а превышение над температурой окружающей среды.

Значение температуры превышения ф в любой момент времени определяется по выражению:

, (16)

где ф_устi - установившееся значение температуры превышения на участке диаграммы, град.

Установившееся значение температуры превышения на каждом интервале нагрузки:

. (17)

Теплоотдача А, Вт/град:

, (18)

ф_уст2 = 1090/15,7 = 69,42, ^?С., ф_уст3 = 1360/15,7 = 86,62 ^?С.

ф_уст4 = 1630/15,7 = 103,82 ^?С.

Начальное значение температуры превышения принимается равным 0, а далее конечное значение температуры превышения на первом интервале равное начальному на втором и т.д.

Расчет температуры превышения на первом участке (0…t₁) через t₁/2 и t₁ минут:

, (19)

, (20)

На втором участке: ф_2нач= ф_1кон=21,97

, (21)

ф_2ср = 69,42(1-2,7^-6/(2*34,36)) + 21,97*2,7^-6/(2*34,36) = 69,42(1-0,92) + 21,97·0,92 = 25,76 ^?С.

, (22)

ф_2кон = 69,42(1-2,7^-6/34,36) + 21,97*2,7^-6/34,36= 69,42(1-0,84) + 21,97·0,84 = 29,56 ^?С.

На третьем участке: ф_3нач= ф_2кон = 29,56 ^?С.

ф_3ср = 86,62(1-2,7^-8/(2*34,36)) + 29,56*2,7^-8/(2*34,36) = 86,62(1-0,87) + 29,56·0,87 = 36,97 ^?С.

ф_3кон = 86,62(1-2,7^-8/34,36) + 29,56*2,7^-8/34,36 = 86,62(1-0,79) + 29,56·0,79 = 41,54^?С.

На четвертом участке: ф_4нач= ф_3кон = 41,54 ^?С.

ф_4ср = 103,82(1-2,7^{-15/(2*34,36)}) + 41,54*2,7^{-15/(2*34,36)} = 103,82(1-0,8) + 41,54·0,8 = 53,99 , ^?С.

ф_4кон = 103,82(1-2,7^-15/34,36) + 41,54*2,7^-15/34,36 = 103,82(1-0,64) + 41,54·0,64 = 63,95 , ^?С.

Кривая охлаждения двигателя:

, (23)

где Т₀ - постоянная времени охлаждения двигателя, мин;

ф_нач - начальная температура охлаждения двигателя после его отключения, принимается равной ф_4кон, ^?С.

Т₀=2• Т_н.

Принимаем t= Т₀, 2Т₀, 3Т₀, 4Т₀, 5Т₀.

ф_нач = 63,95 , ^?С.

Т₀ = 2·34,36 = 68,72 , мин.

2Т₀ = 2·68,72 = 137,44 , мин.

3Т₀ = 3·68,72 = 206,16 , мин.

4Т₀ = 4·68,72 = 274,88 , мин.

5Т₀ = 5·68,72 = 343,6 , мин.

ф_1охл = 63,95· = 23,69 , ^?С.

ф_2охл = 63,95· = 7,87 , ^?С.

ф_3охл = 63,95· = 2,91 , ^?С.

ф_4охл = 63,95· = 1,28 , ^?С.

ф_5охл = 63,95· = 0,45 , ^?С.

Результаты расчетов сводим в таблицу № 2 и 3.

Таблица №2 - Данные расчетов нагрева двигателя

Нагрев	Р1	Р2	Р3	Р4
Расчетная точка	0	0,5t1	t1	0,5t2	t2	0,5t3	t3	0,5t4	t4
Время, мин	0	5	10	3	6	4	8	7,5	15
Темп-ра, ?С	0	0	21,97	21,97	29,56	29,56	41,54	41,54	63,95

Таблица №3 - Данные расчетов охлаждения двигателя

Расчетная точка	0	Т0	2Т0	3Т0	4Т0	5Т0
Время, мин	0	68.72	137,44	206,16	274,88	343,6
Темп-ра, ?С	63,95	23,69	7,87	2,91	1,28	0,45

По результатам расчета нагрева и охлаждения двигателя строим график рис. 3.

Рис. 3 - График изменения температуры электродвигателя

Анализируя график на рис. 3, делаем вывод, что электродвигатель не превышает допустимой величины температуры (ф_доп = 100^?С) в процессе работы, следовательно, двигатель проходит допуск по нагреву.

2.4 Проверка выбранного двигателя на нагрев методом эквивалентных величин

По паспортным данным двигателя строим нагрузочную диаграмму при пуске.

По заданию пуск осуществляют с постоянным моментом сопротивления, равным 0,3М_Н. Момент инерции рабочей машины равен 2J_д.

Каждая точка механической характеристики имеет две координаты: угловая скорость щ и момент, развиваемый электродвигателем, М.

Точка 1: координаты - щ_о, М₀=0.

, (24)

где щ_о - угловая синхронная скорость, рад/с;

n₀ - синхронная скорость, об/мин (таблица №1).

Точка 2: координаты - щ_Н, М_Н.

, (25)

, (26)

где щ_Н - угловая номинальная скорость, рад/с;

S_Н = (n₀ - n)/n₀ - номинальное скольжение;

М_Н - номинальный момент, Н•м;

Р_Н - номинальная мощность двигателя, Вт (таблица №1).

Точка 3: координаты - щ_К, М_К.

, (27)

, (28)

где щ_К - угловая скорость, соответствующая критическому моменту, рад/с;

S_К - критическое скольжение (таблица 1);

М_К - критический момент, Н•м;

m_К - кратность критического момента (таблица №1).

М_К=2,2*72,08=158,58 Н•м

щ_К=157*(1-0,195)=126,38 рад/с

Точка 4: координаты - щ_М, М_М.

, (29)

, (30)

где щ_М - угловая скорость, соответствующая минимальному моменту, рад/с;

S_М - минимальное скольжение, S_М =0,85…0,87=0,86;

М_М - минимальный момент, Н•м;

m_М - кратность минимального момента (таблица №1).

М_М=1,6*72,08=115,33

щ_М=157*(1-0,86)=22 рад/c

Точка 5: координаты - щ_П=0, М_П.

, (31)

где М_П - пусковой момент, Н•м; m_П - кратность пускового момента (таблица №1). Электромеханическая характеристика.

Точка 1: имеет координаты - щ₀, I₀.

, (32)

, (33)

, (34)

Где

I_о - ток на холостом ходу, А;

I_Н - номинальный ток, А;

U_Н = 380 - номинальное напряжение, В;

з_Н - КПД при номинальной скорости (таблица №1);

cosц_Н - коэффициент мощности при номинальной скорости (таблица №1).

Значение скоростей щ₀, щ_Н, щ_К берём из предыдущих расчётов механической характеристики электродвигателя по пяти точкам.

.

3. Точка 2: имеет координаты - щ_Н, I_Н (формула 33).

щ_Н = 152,6 рад/с.

I_Н = 22,21, А.

Точка 3: имеет координаты - щ_К, I_К.

, (35)

, (36)

где I_П - пусковой ток, А; I_К -ток при критическом моменте, А;

i_П - кратность пускового тока (таблица №1).

Точка 4: имеет координаты - щ_П=0, I_П=44,42 (формула 36).

По этим данным во втором квадранте системы координат, строим механическую М(щ), электромеханическую I(щ) характеристики электродвигателя и механическую характеристику рабочей машины М_C(щ) и определить установившуюся скорость щ_у (точку пересечения механических характеристик электродвигателя и рабочей машины) (рис. 4).

Отрезок оси от 0 до щ_у делим на 6 отрезков 0-1; 1-2; 2-3 и т.д. Через точки 1, 2, 3 и т.д. проводим прямые, параллельные оси моментов и времени. Для каждой скорости щ₁, щ₂, щ₃ … по графикам М(щ) определяем значения моментов двигателя М_П, M₁₁, М₁₂... и вносим их в таблицу 4.

Рассчитаем динамический момент системы М_ДИНi = М_i - М_С для каждого i значения скорости. Допустим для щ₂: М₄₂ = М₁₂ - М_С = М₁₂ - 0,3М_Н. По данным расчетов построим график М_ДИНi(щ). Операция определения М_ДИН часто выполняется графическим способом. Так, на рисунке для каждого значения скорости, допустим щ₃ замеряется отрезок 3-13, равный моменту двигателя М₁₃ из него вычитается отрезок 3-23 момента М_C. Динамический момент на скорости щ₃ равен М₄₃. Отрезки 3-23 и 43-13 равны.

Обратим внимание. При определении динамического момента очень часто в расчеты могут не попасть M_М и М_K, поэтому необходимо специально проверить и достроить динамические моменты при щ_K и щ_М графическим способом.

Меняющийся динамический момент системы на каждом участке скорости заменяем постоянным - средним. Например, на участке 4-5 переменный динамически момент между точками 44 и 45 заменяем постоянным МДИН.СР4. Правило замены - косоугольная трапеция, образованная точками 4-44-45-5 заменяется равной ей по площади прямоугольной. Обычно площади этих четырехугольников не определяют, а сравнивают между собой площади отсекаемых треугольников или других сложных фигур (заштрихованных в данном случае). Если рассматриваемый участок близок к прямой линии, как например 42-43, то МДИН.СР = 0,5(М43+ М42). Результаты расчетов заносим в таблицу.

Некоторые пояснения к этой таблице. Значения приращения скорости во второй строке определяем, как разность между двумя соседними участками скорости щi и щi-1. Например, если i = 2, то ? щ2 =щ2 - щ1.

Время изменения скорости двигателя на Дщ:

Суммарный момент инерции

JУ = JДВ + JРМ = JДВ + 2 JДВ = 3 JДВ.(37)

JУ = 3*0,04 = 0,12, кг*м^2.

Дt1= 0,12*25/211 = 0,014, с.

Дt2= 0,12*26/224 = 0,014, с.

Дt3= 0,12*25/275 = 0,011, с.

Дt4= 0,12*25/334 = 0,009, с.

Дt5= 0,12*26/392 = 0,008, с.

Дt6= 0,12*29/295 = 0,012, с.

Суммарное время разгона электродвигателя определяем по формуле:

tП = 0,014+0,014+0,011+0,009+0,008+0,012 = 0,068, с.

В результате расчетов и заполнения таблицы 4 получаем все необходимые данные для построения нагрузочных диаграмм в первом квадранте.

Кривая зависимостей скорости от времени щ(t) строится по данным 1 и 9 строчек, I(t) - по данным 8 и 9 строчек.

Таблица 4 - Результаты расчетов нагрузочных диаграмм при пуске двигателя и рабочей машины

Точка i	0	1	2	3	4	5	6
1	скорость щi	рад/с	0	щ1=25	щ2=51	щ3=76	щ4=101	щ5=127	щ6=156
2	? щi	рад/с	0	? щ1=25	? щ2=26	? щ3=25	? щ4=25	? щ5=26	? щ6=29
3	Мi	Нм	MП=292,5 п	М11=260,5	М12=304	М13=363	М14=423	М15=480,5	М16=58,5
4	МCi	Нм	МТР=58,5 тр	М21=58,5	М22=58,5	М23=58,5	М24=58,5	М25=58,5	М26=58,5
5	МДИН.i	Нм	МНО=234 но	М41=55,12	М42=202	М43=245,5	М44=304,5	М45=364,5	М46=0
6	МДИН.СР	Нм	0	М90=211	М91=224	М92=275	М93=334	М94=392	М95=295
7	?ti	с	0	? t1=0,014	? t2=0,014	? t3=0,011	? t4=0,009	? t5=0,008	? t6=0,012
8	IiI	А	IП=366 п	I31=345	I32=334	I33=320	I34=304	I35=283	I36=30
9	ti	с	0	t1=0,082	t2=0,162	t3=0,225	t4=0,277	t5=0,323	t6=0,391

Эквивалентный ток за время пуска:

, (39)

I_СР - среднее значение тока двигателя на интервалах времени

Дt₁…Дt₆.

I_СР1 = 0,5(366+345) = 356, А.

I_СР2 = 0,5(345+334) = 340, А.

I_СР3 = 0,5(334+320) = 327, А.

I_СР4 = 0,5(320+304) = 312, А.

I_СР5 = 0,5(304+283) = 294, А.

I_СР6 = 0,5(283+30) = 157, А.

Нагрузочная диаграмма двигателя за время работы.

Ток двигателя по интервалам:

,

Величины з и cosц определяем из пункта 3.2.

I₁ = 27,18, А.

I₂ = 16,06, А. электродвигатель эквивалентный схема расцепитель

I₃ = 24,09 А.

I₄ = 20,07 А.

Рис. 5 Нагрузочная диаграмма электродвигателя

Эквивалентный ток двигателя за время работы:

, (41)

Переведем все значения времени t в секунды:

t₁ = 10·60 = 600, с.

t₂ = 8·60 = 480, с.

t₃ = 12·60 = 720, с.

t₄ = 2·60 = 120, с.

I_ЭР = = 56, А.

Коэффициент механической перегрузки:

, (42)

К_М = = 1,48.

Проверяем на нагрев:

, (43)

1,48·56,3 ? 56

83,3 ? 56 - ВЕРНО!

Так как условие (43) выполняется, то расчёт выполнен верно. В противном случае мощность двигателя увеличивается на ступень и расчёт повторяется.



4. Электрическая схема управления

Автоматический выключатель выбирается по условиям:

1)U_НОМ ? U_{СЕТИ НОМ}

2) I_НОМ ? I_{Н ДВ}

Пользуемся приложением В.

Так как по условию необходимо выбрать автоматический выключатель с электромагнитной, тепловой отсечками и с номинальным током максимальных расцепителей тепловой защиты и электромагнитной отсечки I_НР (выбираются наименьшими близкими к номинальному току двигателя)

I_НР ? I_{Н ДВ} (44)

63 ? 56,3 , то нам подходит автоматический выключатель АЕ 20 Х₁Х₂Х_зХ₄Х₅Х₆ , где Х₁ - номинальный ток(4 - 63,а); Х₂ - число полюсов в комбинации с расцепителем тока(6 - 3 полюса с электромагнитным и тепловым расцепителем); Х₃ - наличие буквы М - выключатели модернизированные; Х₄ - наличие буквы П - с повышенной коммутационной способностью; Х₅ - наличие свободных контактов: 1 - 0, 2 - один замыкающий, 3 - один размыкающий, 4 - замыкающий + размыкающий; Х₆ - дополнительные расцепители: О - без дополнительных расцепителей, 2- независимый расцепитель, то есть АЕ2046М и АЕ2046МП.

Проверка установки тепловой защиты. Ток срабатывания защиты двигателя от перегрузки

I_СР = К_Т I_НР, А, (45)

где К_Т - кратность срабатывания теплового расцепителя тока.

I_СР = 1,25·63 = 79, А.

Проверка электромагнитной отсечки. Ток установки электромагнитного расцепителя

I_ЭМ ? К I_НР, А, (46)

где К - коэффициент кратности тока установки электромагнитного расцепителя.

I_ЭМ ? 12·63, I_ЭМ ? 756, А.

Выбранные токи установки необходимо проверить.

Электромагнитный расцепитель не должен срабатывать во время пуска двигателя:

I_ЭМ (1 - ДI) ? I_{Н ДВ} i_П К_ОТКЛ, (47)

где ДI = 0,15 - относительная погрешность тока срабатывания электромагнитного расцепителя;

i_П - кратность пускового тока;

К_ОТКЛ = 1,1…1,2 = 1,2 - коэффициент учитывающий колебания тока двигателя.

756(1 - 0,15) ? 56,3·6,5·1,2

643 ? 439 - ВЕРНО!

Расход электроэнергии за время выполнения работы:

, (48)

А = =

= = 1015/60 кВт =17 кВт.



Литература

1. Кондратенков Н.И., Грачёв Г.М., Антони В.И. Курсовое проектирование по электроприводу в сельском хозяйстве. Учебное пособие. - Челябинск: ЧГАУ, 2002, 236 с.

2. Епифанов А.П., Гущинский А.Г., Малайчук Л.М. Электропривод в сельском хозяйстве. М.: Лань, 2010, 224 с.

3. Шичков Л.П. Электрический привод. М.: Колос, 2006, 279 с.

4. Фролов Ю.М., Шелякин В.П. Основы электрического привода. М.: Колос, 2007, 252 с.

5. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981, 576 с.

6. Кацман М.М. Электрический привод. М.: Издательский центр "Академия", 2005, 384 с.

Размещено на Allbest.ru

...