Розрахунок асинхронного двигуна

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Вступ

В промисловості електродвигуни, в т. ч. і асинхронні, входять до складу різноманітних механізмів, пристроїв, машин, агрегатів. В будь-якому пристрої можна виділити елементарний механізм - самостійний виріб або вузол складного виробу, що складається з електродвигуна і одного робочого органу. Елементарні механізми можуть бути загального та спеціального призначення.

До елеметнарних механізмів загального призначення відносять вентилятори, повітродувки, насоси, змішувачі, задвижки, дробилки, млини, вібратори, пили, ножі, дозатори, барабани і т. і. Елементарні механізми спецального призначення - це, як правило, головні приводи різноманітних станків, швацьких машин, ковальсько-пресових машин, прокатних станів.

Асинхронні двигуни (АД) - найбільш поширені споживачі електроенергії, які використовуються для приводу різноманітних промислових механізмів та установок, що зумовлено їх відносною дешевизною при виготовленні та експлуатації, простотою конструкції, високою надійністю та ремонтопридатністю, екологічністю та легкістю обслуговування.



1.Мета, завдання та вихідні дані до розрахунково-графічної роботи

Мета РГР: ознайомитися з конструктивними особливостями асинхронних двигунів та методиками вибору асинхронного двигуна за номінальною потужністю, за варіантом вибрати АД для головного приводу металообробного верстата для токарної обробки вказаного матеріалу, який при швидкості різання v і ККД повинен знімати стружку перерізом q, розрахувати параметри схеми заміщення, втрат і характеристик АД з короткозамкненим ротором.

Відповідно до мети розрахунково-графічної роботи її основними завданнями є:

Здійснити вибір асинхронного двигуна для заданого виробничого механізму за критерієм необхідної потужності.

Використовуючи каталожні дані обраного АД, розрахувати:

значення активних і індуктивних опорів схеми заміщення;

значення всіх видів втрат в обраному АД при його роботі на номінальне навантаження.

За розрахованими в п. 2 значеннями побудувати:

механічну характеристику АД M = f(s);

електромеханічну характеристику АДІ1 = f(s);

енергетичну діаграму АД.

Використовуючи значення основних розмірів обраного АД з каталожних даних, накреслити загальний вигляд обраного двигуна.

Вихідними даними до РГР є:

Вибрати АД для головного приводу металообробного верстата для токарної обробки вказаного матеріалу, який при швидкості різання v=5 м/с і ККД =64%, повинен знімати стружку перерізом q=1,5Ч 10 - 4 м2, при цьому питомий опір різання Fc=900Ч 106 Н/м2, а швидкість обертання n=2950 об/хв



2.Особливості асинхронних двигунів та специфіка умов їх роботи

2.1 Каталожні дані асинхронних двигунів

В каталогах асинхронних двигунів вказуються наступні дані: типорозмір, номінальна потужність для тривалого режиму роботи, частота обертання при номінальній потужності, коефіцієнт потужності при номінальному навантаженні, струм статора при номінальному навантаженні, коефіцієнт корисної дії (ККД), кратність початкового пускового струму (відношення початкового пускового струму до номінального), перевантажувальну здатність (відношення максимального моменту до номінального), кратність початкового пускового моменту, кратність мінімального моменту та динамічний момент інерції ротора. Також каталоги містять детальну інформацію про зміну ККД і коефіцієнта потужності при зміні навантаження на валу, що дає змогу розрахувати струм статора та ковзання при різних значеннях навантаження. Для можливості вибору оптимального варіанта АД для приводу виробничого механізму, каталоги містять інформацію про встановлювальні та під'єднувальні розміри.

Типорозмір двигуна. Для більшості етапів дослідження АД (створення, монтаж, ремонт і т. і.) достатній рівень точності опису конкретного двигуна досягається шляхом вказання його типорозміру, яке містить ознаки, що максимально позначаються 24 символами (табл. 2.1).

Наприклад, позначення 4А112МА8/4У3 вказує на те, що даний асинхронний двигун належить до серії 4А із ступенем захисту ІР44, має висоту обертання 112 мм, виконаний в статнині середнього розміру з коротким осердям, є двошвидкісним (досягається шляхом перемикання числа полюсів обмотки з 8 на 4), призначений для експлуатації в помірному кліматі.

Номінальною потужністю двигуна називають механічну потужність на валу в режимі роботи, на яку він розрахований за умовою допустимого нагріву. Ряд номінальних потужностей має вигляд: 0,06; 0,06; 0,12; 0,18; 0,25; 0,37; 0,55; 0,75; 1,1; 1,5; 2,2; 3,7; 5,5; 7,5; 11; 15; 18,5; 90; 160; 200; 250; 315; 400 кВт [3].

Конструктивне виконання та способи монтажу АД

Різновиди конструктивного виконання асинхронних двигунів (на лапах або з фланцем, з вертикальним чи горизонтальним валом, за кількістю та різновидами вихідних кінців валу та ін.) загальнопромислового призначення та їх умовні позначення наведені в [3, 4].

Установочні розміри. Для електричних двигунів, кріплення яких на об'єкті здійснюється за домопогою лап, встановлено чотири головних встановлювальних розміри (рис. 2.1):

відстань від осі вала до опорної поверхні лап (h);

відстань між осями отворів для кріплення (b10);

відстань між осям отворів для кріплення в аксіальному напрямку (l10);

відстань від опорного торця вільного кінця валу до осі найближчих отворів для кріплення в лапах (l31).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 1. - Встановлювальні розміри електричних машин на лапах

Електричні машини з фланцями мають наступні чотири головних встановлювальних розміри (рис. 2.2):

діаметр окружності центрів отворів для кріплення (d20);

діаметр центруючої заточки (d25);

зовнішній діаметр фланця (d24);

відстань від опорної поверхні фланця до опорної поверхні вільного кінця вала (l30).

Значення встановлювальних розмірів АД з фланцями, діаметрів отворів для кріплення (d22), болта для кріплення, кількості отворів і максимальної глибини центруючої заточки (l30), що відповідають різним висотам осі обертання наведено в табл. 2.3.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 2. - Встановлювальні розміри електричних машин з фланцями

Режим роботи асинхронних двигунів

Довготривалий режим роботи S1 - робота машини при незмінному навантаженні впродовж тривалого часу для досягнення незмінної температури всіх її частин.

Короткочасний режим роботи S2 - робота машини при незмінному навантаженні впродовж часу, недостатнього для досягнення всіма частинами машини сталої температури, після чого відбувається зупинка машини на час, достатній для охолодження її до температури, що перевищує температуру оточуючого середовища не більше, ніж 2С.

Повторно-короткочасний періодичний режим роботи S3 - послідовність ідентичних циклів роботи, кожен з яких містить час роботи при незмінному навантаженні, за який машина не нагрівається до сталої температури та час виключення, за який машина не охолоджується до температури оточуючого середовища.

Повторно-короткочасний періодичний режим роботи з впливом пускових процесів S4 - послідовність ідентичних циклів роботи, кожен з яких містить період пуску, достатній для того, щоб пускові втрати впливали на температуру машини, час роботи при незмінному навантаженні, за який машина не нагрівається до сталої температури та час виключення, за який машина не охолоджується до температури оточуючого середовища.

Повторно-короткочасний періодичний режим роботи з впливом пускових процесів та електричним гальмуванням S5 - послідовність ідентичних циклів роботи, кожен з яких містить період пуску, достатній для того, щоб пускові втрати впивали на температуру машини, час роботи при незмінному навантаженні, за який машина не нагрівається до сталої температури, час швидкого електричного гальмування та час виключення, за який машина не охолоджується до температури оточуючого середовища.

Переміжний режим роботиS6 - послідовність ідентичних циклів роботи, кожен з яких містить час роботи з постійним навантаженням і час роботи на холостому ході, причому тривалість цих періодів така, що температура машини не досягає сталого значення.

Переміжний режим роботиз впливом пускових процесів та електричним гальмуванням S7 - послідовність ідентичних циклів роботи, кожен з яких містить достатньо тривалий пуск, час роботи з постійним навантаженням, час роботи на холостому ході і час швидкого електричного гальмування, причому тривалість цих періодів така, що температура машини не досягає сталого значення.

Переміжний режим роботиз періодичною зміною частоти обертання S8 - послідовність ідентичних циклів роботи, кожен з яких містить час роботи з постійним навантаженням і незмінною частотою обертання, час роботи при інших постійних навантаженнях, кожному з яких відповідає власна частота обертання, причому тривалість цих періодів така, що температура машини не досягає сталого значення.

2.2 Загальні відомості про асинхронні машини

Асинхронні машини переважно застосовують як двигуни. За оцінками експертів із загальної кількості електричних двигунів, що перебувають в експлуатації, на асинхронні двигуни припадає 90-95%. Простота, висока надійність у роботі, малі габаритні розміри і низька вартість трифазних АД потужністю більше 0,5 кВт обумовили їхнє широке застосування в електроприводах металорізальних верстатів, підйомно-транспортних механізмів, ковальсько-пресових машин, насосів, вентиляторів, компресорів та ін.На рис.3 показана будова АД. Його основними конструктивними елементами є нерухомий статор і обертовий ротор. Статор складається із станини 1 (рис.3), що є одночасно корпусом двигуна, і закріплених у ній магнітопроводу 2 і обмотки 3. Магнітопровід статора, який являє собою основну частину магнітного кола машини, виконаний з шихтованої електротехнічної сталі. На його внутрішній циліндричній поверхні є пази, в які укладають провідники обмотки статора. До станини кріплять два бічних щити 4 з наскрізними центральними отворами для підшипників вала ротора. Ротор АД 5 (рис. 3) складається з пакета магніто-проводу і обмотки. Насаджений на вал 6 пакет магнітопроводу має форму циліндра, на зовнішній поверхні якого виконані пази, де розмішується обмотка.Залежно від типу обмотки ротор АД може бути короткозамкненим або фазним. У пази короткозамкнених роторів вкладені мідні стрижні, що з'єднуються з торців короткозамкненими кільцями; така обмотка має вигляд «білячої клітки»

Принцип роботи асинхронної машини заснований на використанні обертового магнітного поля. При підключенні до мережі трифазної обмотки статора створюється обертове магнітне поле, кутова швидкість якого визначається частотою мережіfі числом пар полюсів обмотки р.

Перетинаючи провідники обмотки статора і ротора, це поле відповідно до закону електромагнітної індукції наводить в обмотках ЕРС. При замкнутій обмотці ротора в її колі протікає струм, взаємодія якого з результуючим магнітним полем створює електромагнітний момент на валу асинхронної машини.

Якщо цей момент перевищує момент опору на валу двигуна, вал починає обертатися і обертає робочий механізм. Кутову швидкість магнітного поля щ1 називають синхронною. Звичайно кутова швидкість ротора щ2 не дорівнює кутовій швидкості магнітного поля щ1. Звідси і назва двигуна асинхронний, тобто несинхронний.

1-обмотка статора;2 - станина;3-сердечник статора;4-сердечник ротора; 5 - обмотка ротора(біляча клітка);6 - підшипники;

Рисунок 3. - Будова асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором

асинхронний двигун ротор

Робота асинхронної машини характеризується ковзанням s,що являє собою відносну різницю кутових швидкостей поля 1 і ротора щ2. Значення і знак ковзання залежать від кутової швидкості ротора відносно магнітного поля і визначають режим роботи асинхронної машини. Так, у режимі ідеального холостого ходу ротор і магнітне поле обертаються з однаковою частотою в одному напрямку, тобто ротор нерухомий відносно обертового магнітного поля, і ковзання sдорівнює нулю. ЕРС в обмотці ротора не індуктується, струм ротора й електромагнітний момент машини дорівнюють нулю. При пуску АД в перший момент часу ротор нерухомий: щ2= 0, s = 1. Таким чином, ковзання в режимі двигуна змінюється від s= 1 в початковий момент пуску до s = 0 у режимі ідеального холостого ходу. При обертанні ротора із швидкістю щ2>щ1 у напрямку обертання магнітного поля ковзання стає від'ємним.

Машина переходить у генераторний режим і розвиває гальмовий момент. При обертанні ротора в напрямку, протилежному напрямку обертання магнітного поля (s> 1), асинхронна машина переходить у режим противключення і також розвиває гальмовий момент. Таким чином, залежно від ковзання розрізняють режими двигуна(s= 1ч0),генераторний (s = 1ч0) іпротивключення(s=1ч+8). Режими генераторний і противключення використовують для гальмування асинхронних двигунів.У сучасних АД, залежно від їхнього типу, при номінальному навантаженні ковзання становить sном= 0,015 ч 0,07.



3.Методика розрахунку

3.1 Вибір асинхронного двигуна за номінальною потужністю

Асинхронний двигун, необхідний для приводу заданого виробничого механізму обирають, перш за все, за необхідним значенням потужності [1]. Попередній розрахунок потужності електродвигунів залежить від типу виробничого механізму і його характеристик. Відповідно до варіанту необхідно вибрати АД для головного приводу металообробного верстата для токарної обробки.

Потужність двигуна для токарних, токарно-гвинторізних, карусельних та стругальних верстатів може бути розрахована таким чином:

Р =,

де: Fc - питомий опір різання, Н/м2; Vр - лінійна швидкість різання, м/с; зс - ККД приводного механізму (при повному завантаженні приймають рівним 0,6 - 0,7); qc - переріз стружки, м2.

Отримані значення потужності збільшують до найближчого більшого значення номінальної потужності АД.

Оскільки необхідна частота обертання насосу 2950 об/хв, з табл. 1.1 вибираємо двигунАИР80В2.

Таблиця 1

Каталожні дані асинхронного двигуна АИР80В2 (Uн = 380/220 В)

Тип двигуна	Потуж-ність, кВт	При номінальному навантаженні
		Ковзання, %	ККД, %	cos ц
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Синхронна частота обертання 3000 об/хв
АИР80В2	2,2	5	83	0,87	2	2,2	1,6	7

При цьому необхідно врахувати, в якому режимі працюватиме АД, оскільки в залежності від цього буде змінюватись його температурний стан, а отже, двигун може допускати більшу потужність, наприклад, в повторно-короткочасному режимі, ніж в тривалому.

3.2 Розрахунок активних і індуктивних опорів схеми заміщення АД за каталожними даними

В найбільш повних довідниках асинхронних двигунів [6], крім паспортних даних, наведені фізичні величини, необхідні для визначення параметрів схеми заміщення (рис. 4): (активний опір обмотки статора, в.о.), (індуктивний опір розсіювання обмотки статора, в.о.), (активний опір обмотки ротора, приведений до обмотки статора, в.о), (індуктивний опір обмотки ротора,приведений до обмотки статора, в.о.) та (індуктивний опір контура намагнічування, в.о.). В такому випадку розрахунок параметрів схеми заміщення не становить труднощів і може бути здійснений за методикою [5].

Рисунок 4. - Т-подібна схема заміщення асинхронного двигуна

У випадку, коли наявні лише каталожні дані, наведені в табл.1, параметри схеми заміщення розраховуються з врахуванням таких припущень:

магнітні і механічні втрати в двигуні складають 0,02ЧРн;

вважають, що активні опори статорної і роторної обмоток не залежать від режиму роботи двигуна (тобто не враховуються ефекти витіснення струму).

Двигун АИР80В2 має технічні дані:

номінальна потужність Рн= 2,2 кВт;

номінальна фазна напруга U1н = 220 В;

синхронна частота обертання n0 = 2950 об/хв;

номінальне ковзання sн = 0,05;

ККД при номінальному (100 %) навантаженні зн = 83%;

коефіцієнт потужності при номінальному (100 %) навантаженні cosцн= 0,87;

кратність пускового моменту kП = 2;

кратність максимального моменту kmax = 2,2;

кратність мінімального моменту kinx = 1,6;

кратність пускового cтрумуkі = 7.

Номінальний струм обмотки статора двигуна

А;

Визначимо струм холостого ходу асинхронного двигуна:

,

де: номінальний струм обмотки статора двигуна, А;

номінальне ковзання, в.о.;

номінальна фазна напруга, В;

І11 - струм статора двигуна при частковому навантаженні, А;

коефіцієнт потужності при частковому навантаженні;

ККД двигуна при частковому навантаженні, в.о.;

коефіцієнт завантаження двигуна, в.о.;

Р потужність двигуна при частковому завантаженні, кВт.

Коефіцієнти потужності та ККД при частковому завантаженні в технічній літературі наводять рідко, а для цілої низки серій такі дані відсутні взагалі. Тому ці параметри необхідно визначити самостійно, керуючись такими положеннями:

Сучасні АД проектуються таким чином, що найбільший ККД досягається при навантаженні, що становить 90 ч 85 % від номінального [5]. Двигуни розраховують таким чином з тієї причини, що більшість з них працюють з деяким недовантаженням (з причини дискретності шкали потужності). Тому ККД при номінальному навантаженні і навантаженні р* практично рівні між собою:

;

Коефіцієнти потужності при тому ж навантаженні відрізняються від коефіцієнта потужності при номінальному навантаженні значною мірою, причому вказана залежність значною мірою визначається потужністю двигуна (рис.5).



Рисунок 4. - Залежність від потужності асинхронного двигуна

Коефіцієнт потужності при частковому завантаженні (відповідно до графіку співвідношення рис. 4)

;

ККД при частковому завантаженні

;

коефіцієнт завантаження двигуна

;

Струм статора АД при частковому завантаженні

А;

Cтрум холостого ходу асинхронного двигуна

Критичне ковзання:

де прийнято в = 1,5[4].

Визначимо коефіцієнти:

;

Активний опір обмотки ротора, приведеної до обмотки статора АД:

Ом.

Активний опір обмотки статора

Ом.

Визначимо параметр г, який дозволить знайти індуктивний опір короткого замикання

,

тоді Ом.

Індуктивні опори розсіювання фази обмотки ротора і статора відповідно

Ом

Ом.

ЕРС гілки намагнічування Еm, наведена потоком повітряного проміжку в обмотці статора в номінальному режимі, визначається:

тоді індуктивний опір контуру намагнічування

Ом.



3.3.Розрахунок втрат в АД при роботі на номінальне навантаження

Асинхронний двигун споживає з мережі активну потужність

Вт,

частина якої витрачається у вигляді електричних втрат в обмотці статора

Вт,

а частина ? у вигляді магнітних втрат в сталі частини магнітопроводу, розташованої на статорі

Вт, де

Вт.

Потужність, що залишилася, являє собою електромагнітну потужність, що передається через повітряний проміжок на ротор

Вт.

Частина цієї потужності втрачається у вигляді електричних втрат в активному опорі вторинної обмотки

Вт,

де , А.

Оскільки частота струму в обмотці ротора невелика, то втратами в сталі частини магнітопроводу, розташованої на роторі нехтують .

Частина потужності, що залишилась, перетворюється в механічну потужність на роторі

Вт.

З цієї потужності частина витрачається на механічні і додаткові втрати і залишається корисна потужність на валу

Вт,

де Вт.

Рисунок 5. - Енергетична діаграма асинхронного двигуна



3.4 Розрахунок природніх механічної і електромеханічної характеристик АД

Для короткозамкненого асинхронного двигуна типу АИР80В2 розрахувати і побудувати природні механічну і електромеханічну статичні характеристики.

Основні параметри АД і його схеми заміщення:

номінальна потужність Рн= 2,2 кВт;

номінальна фазна напруга U1н = 220 В;

синхронна частота обертання n0 = 2950 об/хв;

номінальне ковзання sн = 0,05 %;

ККД при номінальному (100 %) навантаженні зн = 83 %;

коефіцієнт потужності при номінальному (100 %) навантаженні cosцн= 0,83;

кратність пускового моменту kП = 2;

кратність максимального моменту kmax = 2,2;

кратність мінімального моменту kinx = 1,6;

кратність пускового cтрумуkі = 7.

номінальний струм обмотки статора І1н=4,616 А;

активний опір фази обмотки статораR1=3,82 Ом;

індуктивний опір розсіювання фази обмотки статораОм;

активний опір ротора, приведений до обмотки статораR'2=2,457Ом;

індуктивний опір розсіювання фази обмотки ротора, приведений до обмотки статораОм.

Визначаємо синхронну кутову швидкість двигуна

рад/с.



Розрахунок природньої механічної характеристики здійснюємо за виразом:

Змінюючи значення ковзання в межах від -1 до +1, розрахуємо механічну характеристику (в системі MathCAD) і побудуємо її (рис.6).

Рисунок 6. - Природна механічна характеристика двигуна АИР80В2

Визначимо додаткові параметри двигуна:

критичний момент в режимі двигуна

НЧм;

критичне ковзання

в.о;

номінальна швидкість двигуна

рад/с;

номінальний момент

НЧм;

максимальний момент

НЧм;

мінімальний момент

НЧм.

Як видно з графіку (рис.6) розраховані за каталожними даними контрольні точки співпадають з розрахованою механічною характеристикою.

Залежність приведеного струму обмотки ротора від ковзання визначимо за формулою для значень ковзання від -1 до +1, розрахуємо електромеханічну характеристику (в системі MathCAD) і побудуємо її (рис.7)

Електромеханічну характеристику розрахуємо за формулою з врахуванням знайденого приведеного струму в обмотці ротора та зміною ковзання від -1 до +1 (рис.8)

,

де

Рисунок 7. - Електромеханічна характеристика

Рисунок 8. - Природня електромеханічна характеристика



Висновки

В процесі виконання Розрахунково-графічної роботи ми виконали наступне:

Провели розрахунок активних і індуктивних опорів схеми заміщення АД за каталожними даними і отримали наступні результати:

струм статора АД при частковому завантаженніА;

струм холостого ходу асинхронного двигуна

Критичне ковзання:

активний опір обмотки ротора, приведеної до обмотки статора:Ом.

активний опір обмотки статора: Ом.

індуктивні опори розсіювання фази обмотки ротора і статора відповідноОм, Ом.

ЕРС гілки намагнічування

індуктивний опір контуру намагнічуванняОм.

Розрахунок втрат в АД при роботі на номінальне навантаження

Асинхронний двигун споживає з мережі активну потужністьВт,

Електричні втрати в обмотці статораВт,

Магнітні втрати в сталі частини магнітопроводу, розташованої на статоріВт

Електромагнітна потужність, що передається через повітряний проміжок на роторВт.

Електричні втрати в активному опорі вторинної обмоткиВт

Оскільки частота струму в обмотці ротора невелика, то втратами в сталі частини магнітопроводу, розташованої на роторі нехтують .

Корисна потужність на валуВт

Розрахували природну механічну і електромеханічну характеристику АД.

синхронна кутова швидкість двигуна: рад/с

Критичний момент в режимі двигунаНЧм;

Критичне ковзанняв.о;

Номінальна швидкість двигуна рад/с;

Номінальний моментНЧм;

Максимальний моментНЧм;

Мінімальний моментНЧм.

Побудували природну механічну і електромеханічну характеристику АД:



Перелік посилань

Бельский И. Р. Электрооборудование лесозаготовительных предприятий / И. Р. Бельский. - Гослесбумиздат, 1953. - 379 с.: ил.

Архипцев Ю. Ф. Асинхронные электродвигатели: 2-е изд., перераб и доп. / Ю. Ф. Архипцев, Н. Ф. Котеленец. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 104 с.: ил.

Кравчик А. Э. Выбор и применение электродвигателей / А. Э. Кравчик, Э. К. Стрельбицкий, М. М. Шлаф. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 96 с.

Кузнецов Б. В. выборэлектродвигателей к производственным механизмам / Б. В. Кузнецов. - Мн.: Беларусь, 1984. - 80 с.: ил.

Качин С. И. Электрический привод / С. И. Качин, А. Ю Чернышев, О. С. Качин. - Томск: Изд. ТПУ, 2009. - 156 с.

Размещено на Allbest.ru

...