Выбор двигателя постоянного тока независимого возбуждения для привода производственного механизма

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Курсовой проект

По дисциплине «Электромеханика»

Содержание

Введение

1. Коммутация в машинах постоянного тока

1.1 Причины, вызывающие искрение на коллекторе

1.2 Прямолинейная коммутация

1.3 Круговой огонь по коллектору

2. Применение элементов теории асинхронного двигателя к решению практических задач

2.1 Асинхронный трёхфазный двигатель с короткозамкнутым ротором

2.2 Трёхфазный шестиполюсный асинхронный двигатель с фазным ротором

3. Некоторые вопросы теории и расчета двигателей постоянного тока

3.1 Выбор двигателей постоянного тока для привода производственного механизма

3.2 Расчет сопротивления пускового реостата

3.3 Регулирование скорости двигателей постоянного тока при Uя=Uvar

3.4 Компоновка схемы управления двигателей постоянного тока и выбор ее элементов

3.5 Построение развернутой схемы простой петлевой обмотки якоря

Заключение

Список литературы

Введение

Двигатели постоянного тока один из наиболее распространенных электрических машин. Особенно широко они используются в качестве электроприводов производственных механизмов и являются основными преобразованиями электрической энергии в механическую. В настоящее время двигатели постоянного тока потребляют значительную часть всей вырабатываемой в мире электроэнергии. Это объясняется рядом преимуществ двигателей постоянного тока, по сравнению с асинхронными машинами, хотя последние так же широко применяются на промышленных предприятиях.

Курсовой проект по дисциплине «Электромеханика» включает в себя выбор двигателя постоянного тока независимого возбуждения для привода производственного механизма.

Целью курсового проекта является систематизация и закрепления полученных теоретических знаний по конструкции ДПТ, видам коммутации в МПТ, а также по расчёту связанному с АД.

Задачи, решаемые в процессе работы: расчёт сопротивления пускового реостата, применение элементов теории АД к решению практических задач, регулирование скорости ДПТ при Uя = Uvar, построение развёрнутой схемы простой петлевой обмотки якоря, построение механических характеристик, компоновка схемы управления ДПТ и выбор её элементов (тип автотрансформатора, диодов и конденсатора), виды коммутации в МПТ, а также способы её улучшения и многие другие вопросы.

1. Коммутация в машинах постоянного тока

1.1 Причины, вызывающие искрение на коллекторе

При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. Площадь контакта щетки выбирают по значению рабочего тока машины, приходящегося на одну щетку, в соответствии с допустимой плотностью тока для выбранной марки щеток. Если по какой-то причине щетка прилегает к коллектору не всей поверхностью, то возникают чрезмерные местные плотности тока, приводящие к искрению на коллекторе.

Причины, вызывающие искрение на коллекторе, разделяют на механические, потенциальные и коммутационные.

Механические причины искрения -- слабое давление щеток на коллектор, биение коллектора, его эллиптичность или негладкая поверхность, загрязнение поверхности коллектора, выступание миканитовой изоляции над медными пластинами, неплотное закрепление траверсы, пальцев или щеткодержателей, а также другие причины, вызывающие нарушение электрического контакта между щеткой и коллектором.

Потенциальные причины искрения появляются при возникновении напряжения между смежными коллекторными пластинами, превышающего допустимое значение в этом случае искрение наиболее опасно, так как оно обычно сопровождается появлением на коллекторе электрических дуг.

Коммутационные причины искрения создаются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.

Иногда искрение вызывается целым комплексом причин. Выяснение причин искрения следует начинать с механических, так как их обнаруживают осмотром коллектора и щеточного устройства. Труднее обнаружить и устранить коммутационные причины искрения.

При выпуске готовой машины с завода в ней настраивают темную коммутацию, исключающую какое-либо искрение. Однако в процессе эксплуатации машины, по мере износа коллектора и щеток, возможно появление искрения. В некоторых случаях оно может быть значительным и опасным, тогда машину необходимо остановить для выяснения и устранения причин искрения. Однако небольшое искрение в машинах общего назначения обычно допустимо.

Согласно ГОСТу, искрение на коллекторе оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки.

Степень 1 -- искрения нет (темная коммутация).

Степень 1 ј --слабое искрение под небольшой частью щетки, не вызывающее почернения коллектора и появления нагара на щетках.

Степень 1 Ѕ -- слабое искрение под большей частью щетки, приводящее к появлению следов почернения на коллекторе, легко устраняемого протиранием поверхности коллектора бензином, и следов нагара на щетках.

Степень 2 -- искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и при перегрузке. Приводит к появлению следов почернения на коллекторе, не устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках.

Степень 3 -- значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных вылетающих искр, приводящее к значительному почернению коллектора, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также к подгару и разрушению щеток. Допускается только для моментов прямого (безреостатного) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы.

Если допустимая степень искрения в паспорте электрической машины не указана, то при номинальной нагрузке она не должна превышать 1Ѕ .

При вращении якоря машины постоянного тока коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины (сбегающей) на другую (набегающую) сопровождается переключением секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменением, как значения, так и направления тока в этой секции. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую и сопровождающие его явления называются коммутацией.

Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей, а продолжительность процесса коммутации -- периодом коммутации:

Т_к=[60/(Кп)](b_щ / b_к),

где b_щ -- ширина щетки; К -- число коллекторных пластин; n -- частота вращения якоря, об/мин; b_к -- расстояние между серединами соседних коллекторных пластин (коллекторное деление).

Сложность процессов коммутации не позволяет рассмотреть коммутацию в общем виде. Поэтому для получения аналитических и графических зависимостей, поясняющих коммутацию, допускают, что ширина щетки равна коллекторному делению; щетки расположены на геометрической нейтрали; электрическое сопротивление коммутирующей секции и мест ее присоединения к коллектору по сравнению с сопротивлением переходного контакта «щетка-- коллектор» пренебрежимо мало (обычно такое соотношение указанных сопротивлений соответствует действительности).

Направление

а) б) Вращения в)

Переход коммутирующей секции из одной параллельной ветви в другую.

В начальный момент коммутации (рис. 9, а) контактная поверхность щетки касается только пластины 1, а коммутирующая секция относится к левой параллельной ветви обмотки и ток в ней равен ia. Затем пластина 1 постепенно сбегает со щетки и на смену ей набегает пластина 2. В результате коммутирующая секция оказывается замкнутой щеткой, и ток в ней постепенно уменьшается. В середине процесса коммутации (t = 0,5Tк) контактная поверхность щетки равномерно перекрывает обе коллекторные пластины (рис. 9, б). В конце коммутации (t = Т_к) щетка полностью переходит на пластину 2 и теряет контакт с пластиной 1 (рис. 9, в), а ток в коммутирующей секции становится равным -- i_а, т. е. по значению таким же, что и в начале коммутации, а по направлению -- противоположным. При этом коммутирующая секция оказалась в правой параллельной ветви обмотки.

1.2 Прямолинейная коммутация

Этот вид коммутации имеет место в машине, если в процессе коммутации в коммутирующей секции ЭДС не наводится или, что более реально, сумма ЭДС в коммутирующей секции равна нулю. В этом случае для коммутирующей секции, замкнутой щеткой (рис. 9, б), в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать

и -- переходные сопротивления между щеткой и сбегающей 1 и набегающей 2 пластинами;и -- токи, переходящие в обмотку якоря через пластины 1 и 2:

; ,

здесь i-- ток в коммутирующей секции.

Используя (2), получим

= 0,

откуда ток в коммутирующей секции

.

Закон изменения тока коммутирующей секции в функции времени определяется уравнением

.

Это уравнение является линейным, а поэтому график представляет собой прямую линию, пересекающую ось абсцисс в точке t = 0,5T_К (рис. 10). Коммутация, при которой ток в коммутирующей секции изменяется по прямолинейному закону, называют прямолинейной (идеальной) коммутацией. искрение коммутация асинхронный двигатель

Весьма важным фактором, определяющим качество коммутации, является плотность тока в переходном контакте «щетка-- пластина»: -- плотность тока под сбегающим краем щетки; -- плотность тока под набегающим краем щетки.

График тока прямолинейной коммутации

Плотность тока под щеткой прямо пропорциональна тангенсу угла между осью абсцисс и графиком коммутации, т. е. = , и =. График прямолинейной (идеальной) коммутации имеет вид прямой линии. При этом , а следовательно, плотность тока в переходном контакте «щетка--коллектор» в течение всего периода коммутации остается неизменной (== const). Физически это объясняется тем, что при прямолинейной коммутации убывание тока, проходящего через сбегающую пластину коллектора, пропорционально уменьшению площади контакта щетки с этой пластиной, а нарастание тока через набегающую пластину пропорционально увеличению площади контакта щетки с этой пластиной..

Из построений, сделанных на рис. 10, следует, что к моменту времени, когда щетка теряет контакт со сбегающей пластиной, ток через эту пластину уменьшается до нуля. Таким образом, при прямолинейной коммутации пластина коллектора выходит из-под щетки без разрыва тока.

Изложенные свойства прямолинейной (идеальной) коммутации -- постоянство плотности тока под щеткой и выход пластины из-под щетки без разрыва тока -- являются основными, и благодаря им этот вид коммутации не сопровождается искрением на коллекторе.

1.3 Круговой огонь по коллектору

При значительных перегрузках или внезапном коротком замыкании машины постоянного тока коммутация приобретает резко замедленный характер. В этом случае между сбегающей коллекторной пластиной и сбегающим краем щетки возникает электрическая дуга. Так как коллектор вращается, то дуга механически растягивается.

Растяжение электрической дуги вращающемся коллекторе (а) и расположение барьеров между щетками (б)

Наряду с этим перегрузка машины сопровождается усилением реакции якоря, под действием которой распределение индукции в воздушном зазоре машины становится не равномерным. В результате напряжение между соседними коллекторными пластинами увеличивается, превышая допустимые пределы. Это, с одной стороны, может привести к возникновению электрических дуг между смежными пластинами, а с другой стороны, появление высокого потенциала на некоторых пластинах вызывает резкое повышение напряжения между щеткой и коллекторными пластинами по мере их удаления от сбегающего края щетки. Все это создает условия для возникновения электрической дуги между щеткой и коллекторными пластинами.

Таким образом, в условиях значительной перегрузки в машине постоянного тока появляются коммутационные и потенциальные причины для возникновения электрической дуги на коллекторе. При этом электрические дуги, вызванные коммутационными причинами, сливаются с дугами, вызванными потенциальными причинами, образуя вокруг коллектора мощную электрическую дугу, которая может перекинуться также и на корпус машины. Описанное явление называется круговым огнем по коллектору. Круговой огонь очень опасен, так как может привести к тяжелой аварии машины, включая возникновение в машине пожара.

Добавочные полюсы и компенсационная обмотка хотя и ослабляют опасность возникновения кругового огня, но полностью ее не устраняют. Поэтому для защиты обмотки якоря от повреждения электрической дугой в случае возникновения кругового огня в электрических машинах, работающих в условиях частых перегрузок, между коллектором и обмоткой на якоре устанавливают изолирующий экран. В некоторых машинах применяют воздушное дутье, сдувающее дугу в сторону подшипника, защищенного теплостойкой изоляционной перегородкой. Для создания препятствия на пути распространения дуги между щетками разной полярности устанавливают барьеры из изоляционного материала.

2. Применение элементов теории асинхронного двигателя к решению практических задач

2.1 Асинхронный трёхфазный двигатель с короткозамкнутым ротором

Дано: Асинхронный трёхфазный двигатель с короткозамкнутым ротором, имеющий паспортные данные: Напряжение (В),номинальная мощность(кВт), частота вращения(об/мин), КПД (%), коэффициент мощности(cos), кратность пускового тока(К1), кратность пускового момента(КМ), перегрузочная способность двигателя.

Определить: число пар полюсов, номинальное скольжение, номинальные максимальный и пусковой вращающий моменты, номинальный и пусковой токи двигателя при соединении обмоток статора в «треугольник» и «звезду». Возможен ли пуск нагруженного двигателя, если подводимое напряжение на % ниже номинального и пуск производится переключением обмоток статора со «звезды» на «треугольник» от сети напряжением U=220В.

Таблица - Данные двигателя с короткозамкнутым ротором

U,B	P2, кВт	n2, об/мин	, %	cos	К1	КМ		%
220/380	55	740	90,2	0,72	4,1	1,5	2,5	18

Решение. Определяем частоту вращения магнитного поля. Число пар полюсов двигателя указано в обозначении типа двигателя (p = 3); для единой серии А2 частота тока f =50 Гц, тогда

= 1000 об/мин.

Вращающие моменты:

номинальный

;

максимальный

;

пусковой

Мощность, потребляемая двигателем из сети,

Вт.

Из формулы мощности определяем номинальный фазный ток в обмотках статора при соединении в «треугольник»:

А.

Линейный номинальный ток

А.

2.2 Трёхфазный шестиполюсный асинхронный двигатель с фазным ротором

Дано: Трёхфазный шестиполюсный асинхронный двигатель с фазным ротором, имеющий паспортные данные: номинальная мощность(кВт), номинальное напряжение (В), номинальная частота вращения(об/мин), номинальное КПД (%), номинальный коэффициент мощности(cos ).

Определить: мощность подводимую к двигателю, токи двигателя при соединении обмоток статора в «треугольник» и «звезду», вращающий момент и скольжение (s_ном, М_ном), если частота тока в статоре f=50Гц.

Рассчитать: сопротивление регулировочного реостата, включаемого в цепь ротора для снижения частоты вращения вала двигателя до n (об/мин), при номинальном моменте валу и соединении в «звезду».

U,B	P2, кВт	n2, об/мин	, %	cos	p	F, Гц	n, об/мин
220/380	9,5	970	90,1	0,94	3	50	710

Решение: Мощность, подводимую к двигателю из сети, определим из формулы

;

откуда

Вт.

Токи двигателя при соединении обмоток статора:

в «звезду»

А.

в «треугольник»

А.

Вращающий момент двигателя при номинальной нагрузке

.

3. Некоторые вопросы теории и расчета двигателей постоянного тока

3.1 Выбор двигателей постоянного тока для привода производственного механизма

Выбрать двигатель постоянного тока независимого возбуждения для привода производственного механизма. Воспользоваться методом эквивалентной мощности. Нагрузочная диаграмма задана (начертить в масштабе для своего варианта).

Таблица - Расчетные данные

, кВт	, кВт	, кВт	, кВт	, час	, час	, час	, час
7	5	8	7	0,6	0,7	0,8	1,0

Для выбора двигателя постоянного тока строим нагрузочную диаграмму:

Нагрузочная диаграмма

, кВт.

Р_н>Р_эк

Выбираем двигатель марки [Л4]: 2ПН132МУХЛ4

Таблица 2

Рн, кВт	Uн, В	nн, об/мин	nmax, об/мин	з %	Rя, Ом	Rд, Ом	Rв, Ом
7	220	2240	4000	83	0,226	0,166	111

Таблица 3

Ограничение пускового тока до величины	ЭДС якоря в процентах от номинального напряжения	Число секций обмоток	Число полюсов,2р
2,7 IН	85	28	2

3.2 Расчет сопротивления пускового реостата

Ограничение пускового тока до величины 2,7 Iном (задано по условию)

ЭДС якоря в процентах от номинального напряжения 0,85Uном (задано по условию).

Решение:

Определяем величину пускового тока:

Iп=2,7 Iном,

Где Iп- величина пускового тока,

Iном - величина номинального тока.

Определяем номинальный ток якоря.

А.

Iп=2,7•38=102,6А.

Определяем величину ЭДС якоря в процентах от номинального напряжения:

Е=0,85•Uном=0,85•220=187В.

Где Е - величина ЭДС якоря,

Uном- номинальное напряжение.

Определяем сопротивление обмотки якоря:

Rя=(Uном-Е)/Iп=(220-187)/102,6=0,32 Ом.

Определяем сопротивление пускового реостата:

Rп=Uном/Iп-Rя=220/102,6-0,32=1,82 Ом.

3.3 Регулирование скорости двигателей постоянного тока при Uя=Uvar

Таблица - Исходные данные:

Рн, кВт	nн об/мин.	Uн, В	Ф, Вб
7	2240	220	575·10??

1.Определяем номинальный момент двигателя

Мном=9750 Рн / nн =9750·7000/2240=30469 кН·м

С'е= Uн/ Ф·nн =220 ·10?/575·2240=17,08

Се=0,965· С'е=0,965·17,08=16,48.

2.Определяем скорость идеального холостого хода в номинальном решении.

nон = Uн/ Се· Ф=220 ·10?/16,48·575=2321 об/мин.

Естественная механическая характеристика.

3.Определяем перепад скоростей в номинальном режиме.

?n= nон - nн = 2321 -2240 = 81 об/мин.

4. Определяем напряжение U' при котором двигатель будет работать со скоростью n'=0,5 nн. В дальнейшим все величины относящиеся к данному режиму обозначается с одним штрихом.

n'=n'о - ?n = U'/ Се· Ф - ?n;

n'о= n'+?n;

U'= Се(n'+?n)=16,48·575(0,5·2240+81)/ 10?=114 В;

n'о= n'+?n=0,5·2240+81=1201 об/мин;

n'=0,5 nн=1120 об/мин.

Строим график механической характеристики для данного режима:

Механическая характеристика для данного режима.

4. Определяем скорость вращения при U''=0,75 Uн. В дальнейшим все величины относящиеся к данному режиму обозначается двумя штрихами.

n''=n''о - ?n = U''/ Се· Ф - ?n;

n''о= n'+?n;

U''= Се(n''+?n)=16,48·575(0,75·2240+81)/ 10?=166 В;

n''о= n''+?n=0,75·2240+81=1761 об/мин;

n''=0,75 nн=1680 об/мин.

3.4 Компоновка схемы управления двигателей постоянного тока и выбор ее элементов

Схема двигателя постоянного тока с независимым возбуждением и регулированием напряжения с помощью автотрансформатора и двухполупериодного выпрямителя с фильтром.

Схема двигателя постоянного тока с независимым возбуждением и двухполупериодного выпрямителя с фильтром

Питание двигателя с независимым возбуждением осуществляется через (АТТ), который позволяет плавно регулировать в широких пределах U от 220В до нуля. Переменное напряжение от АТТ выпрямляется через двухполупериодный выпрямитель, а полученный постоянный ток подается через пусковой реостат в обмотку якоря двигателя постоянного тока. Для уменьшения пульсации напряжения включают конденсатор «С».

Чтобы возбудить машину в обмотку возбуждения подают постоянный ток через регулировочный реостат «Rрег».

Выбирается тип диода согласно [Л8] стр.44 и условию, что:

Iдиода?Iном.

Таблица - Тип диода

Тип	Iп,А	Uо,В	Iо,мА	Н, Вт	F,кГц	Т, ?С.
Д104-50	50(260)	100(175)	8	1,5	1,3	-50…+175

Выбирается тип конденсатора согласно [Л8] стр.471 и условию, что:

Uконденсатора?Uном

Таблица - Тип конденсатора

Тип	С, пФ	Uном,В	d, %	Т, ?С.
КТП-2	4700…6800	220	+-10:+-20	-60…+85

Выбираем тип автотрансформатора по условию Р_АТТ?Р_двиг.

АТ 15 Б2 (исполнение) Рном=10кВА.

3.5 Построение развернутой схемы простой петлевой обмотки якоря

Z=К=S=28, а=р=1, 2р=2,

Первый частичный шаг по якорю:

Второй частичный шаг по якорю:

у₂=у₁-у =14-1=13 пазов.

Секция простой петлевой обмотки якоря

Монтажная таблица

№ ком. пластины	№ пазов	№ пазов ком.	Коллектор. пласт. кол.
1	1	14	2
2	2	15	3
3	3	16	4
4	4	17	5
5	5	18	6
6	6	19	7
7	7	20	8
8	8	21	9
9	9	22	10
10	10	23	11
11	11	24	12
12	12	25	13
13	13	26	14
14	14	27	15
15	15	28	16
16	16	1	17
17	17	2	18
18	18	3	19
19	19	4	20
20	20	5	21
21	21	6	22
22	22	7	23
23	23	8	24
24	24	9	25
25	25	10	26
26	26	11	27
27	27	12	28

Заключение

Большую роль в обучение по направлению электроэнергетика является курс электромеханики. В нем основные законы ТОЭ приложены к действующим аппаратам, двигателям, генераторам и трансформаторам. Чтобы выбрать это оборудование, необходимо знать принцип работы, задать мощность, режимы и произвести верные расчеты. То есть это сложная работа от которой зависит экономичность и надежность агрегатов.

В данном курсовом проекте необходимо произвести выбор электродвигателя для производственного механизма с возможностью регулирования скорости вращения. Рассчитаны сопротивления пускового реостата и начерчена простая петлевая обмотка двигателя.

Рассмотрены два случая регулирования скорости вращения якоря:

1. С помощью изменения добавочного сопротивления;

2. С помощью изменения напряжения на якоре двигателя.

Список используемой литературы

Л-1 Кацман М.М. «Электрические машины.» М., 1990-463с.

Л-2 Березкина Т.Ф. «Задачник по общей электротехнике с основами

электроники.» М., Высшая школа, 2014-380с.

Л-3 Кацман М.М. «Электрические машины и электропривод автоматических

устройств.» М., 2014-344с.

Л-4 Петров Г.Н. «Электрические машины. Ч.II. Асинхронные и синхронные

машины. 1963-416с.

Л-5 «Обмотки электрических машин.» В.И. Зимин, А.М. Палей, М.Я. Каплан

и др., М., 1975-288с.

Л-6 «Справочник по электрическим машинам в 2т: том первый / под общей

ред. И.П. Копылова. М., 2008-455с.

Л-7 ПУЭ, 6-е издания, Энергоатомиздат, 2011г.

Л-8 «Справочник радиокомпоненты и материалы.» О.И. Партала.

М.,1990-416с.

Л-9 И.И.Мартыненко, Л.П.Тищенко «Курсовое и дипломное

проектирование по комплексной электрификации и автоматизации». М.,1978-223с.

Размещено на Allbest.ru

...