Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный университет путей сообщения» (ОмГУПС (ОмИИТ))

Кафедра «Электрические машины и общая электротехника»

Пояснительная записка к курсовой работе

По дисциплине: «Электрические машины»

На тему: «Расчет трехфазного трансформатора, асинхронного двигателя в системе электропривода, двигателя постоянного тока»

Автор: студентка гр. 22 Е

Д.В. Пятак

Руководитель: доцент кафедры ЭМОЭ

Р.В. Сергеев

Омск, 2015



Задание к курсовой работе

студенту гр. 22 Е Пятак Д.В.

на курсовую работу по теме: «Расчет трехфазного трансформатора, асинхронного двигателя в системе электропривода, двигателя постоянного тока»

В данной курсовой работе необходимо выполнить следующие задания:

1. Рассчитать трехфазный трансформатор.

2. Произвести выбор и расчет асинхронного двигателя в системе электропривода.

3. Рассчитать двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением.

Вариант для выполнения заданий -06.

Для выполнения заданий №1 и №3 необходимо воспользоваться методическим указанием с шифром 25/28. Исходные данные и пункты задания, подлежащие выполнению, выбираются из таблиц, приведенные в соответствующих заданиях.

Для выполнения задания №2 необходимо воспользоваться методическим указанием с шифром 25/52. Задание выбирается по первой и второй цифре варианта.

Курсовая работа выполняется согласно календарному плану.

Перечень графического материала (выполняется с использованием специализированного программного обеспечения или на листах миллиметровки формата А4 с соблюдением соответствующих стандартов):

задание №1 - схема соединения обмоток трехфазного трансформатора, остальной материал согласно заданиям по варианту;

задание №2 - нагрузочная диаграмма, диаграмма потерь и кривые нагрева, механические характеристики, пусковая диаграмма, принципиальные схему управлением пуском асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором, принципиальная схема управления реверсом асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;

задание №3 - схема двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, остальной материал согласно заданиям по варианту.

Срок выдачи задания с 16.02.2015 по 22.02.2015.

Доцент каф. ЭМОЭР. В. Сергеев



Реферат

Трехфазный трансформатор, асинхронный двигатель в системах электропривода, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, асинхронный двигатель с фазным ротором в функции времени, реверс асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, двигатель постоянного тока.

Объектами исследования являются: трехфазный трансформатор, асинхронный двигатель в системах электропривода, двигатель постоянного тока.

Цель работы - рассчитать трехфазный трансформатор, а именно: начертить схему трансформатора; построить Т-образную схему замещения трансформатора и определить ее параметры; определить характер нагрузки и построить график зависимости з=f(в); для асинхронного двигателя необходимо: рассчитать мощность и правильно выбрать АД; проверить выбранный двигатель по нагреву и на перегрузку при снижении напряжения; рассчитать тепловое состояние, механические характеристики, резисторы пускового реостата АД и электрические потери при пуске двигателя; разобраться с принципом управления пуска АД с короткозамкнутым ротором, с фазным ротором в функции времени и с принципом управления реверсом АД с короткозамкнутым ротором; рассчитать двигатель постоянного тока, а именно: начертить схему двигателя; определить номинальный вращающий момент; рассчитать КПД двигателя при номинальной нагрузке; построить графики естественной и искусственной механических характеристик.

Методы исследования - графические и аналитические.



Содержание

Задание к курсовой работе

Реферат

Введение

1. Расчет трехфазного трансформатора

1.1 Схема соединения обмоток трёхфазного трансформатора

1.2 Определение параметров Т-образной схемы замещения трансформатора

1.3 Определение характера нагрузки и построение графика зависимости з=f(в)

2. Расчет асинхронного двигателя (АД) в системе электропривода

2.1 Расчет эквивалентной мощности и выбор асинхронного двигателя

2.2 Проверка выбранного двигателя по нагреву

2.3 Проверка АД на перегрузку при снижении напряжения

2.4 Расчет теплового состояния АД

2.5 Расчет механических характеристик АД

2.6 Расчет резисторов пускового реостата

2.7 Расчет электрических потерь при пуске двигателя

2.8 Управление пуском АД

2.8.1 Общие положения

2.8.2 Управление пуском АД с короткозамкнутым ротором

2.8.3 Управление пуском АД с фазным ротором в функции времени

2.8.4 Управление реверсом АД с короткозамкнутым ротором

3. Расчет двигателя постоянного тока

3.1 Схема двигателя

3.2 Определение номинального вращающегося момента

3.3 Расчет КПД двигателя при номинальной нагрузке

3.4 Механические характеристики двигателя

Заключение

Библиографический список

Введение

Трансформатор (от лат. transformo -- преобразовывать) -- это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую другие характеристики, без изменения частоты. Трансформатор состоит из обмоток, намотанных на общий сердечник (магнитопровод). Принцип его действия основан на законе электромагнитной индукции, суть которого заключается в следующем: если внутри замкнутого проводникового контура изменяется во времени магнитный поток, то в самом контуре индуцируется ЭДС и возникает индукционный ток.

Асинхронный двигатель -- это электрический двигатель переменного тока, частота вращения ротора которого не равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. В своём составе имеет две основные детали: статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Статор - неподвижная часть электрической машины, выполняющая функции магнитопровода и несущей конструкции; взаимодействует с подвижной частью-ротором. Принцип действия АД заключается в следующем: при включении обмотки статора АД в трёхфазную сеть создается вращающееся магнитное поле, индуктирующее в обмотке ротора ЭДС, под ее действием в замкнутом контуре обмотки ротора протекает ток, который, взаимодействуя с тем же магнитным полем, создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение вслед за вращением поля.

Машина постоянного тока предназначена для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима. Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой). Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.



1. Расчет трехфазного трансформатора

Таблица 1.1. Исходные данные к заданиям раздела

Пункты задания, подлежащие выполнению: 1, 8, 19
Вариант	, кВ·А						,%	Схема соединения
06	30	6,3	0,4	0,250	0,850	5,5	8,0	Y/Д

1.1 Схема соединения обмоток трёхфазного трансформатора

По заданию обмотка высокого напряжения трансформатора соединена «звездой», низкого - «треугольником». Схема соединения обмоток трёхфазного трансформатора представлена на рисунке 1.1 (стр. 12).

1.2 Определение параметров Т-образной схемы замещения трансформатора

На рисунке 1.2 (стр.12) представлена Т-образная схема замещения трансформатора.

Для определения параметров представленной схемы рассчитаем номинальные токи и напряжения в обмотках трансформатора. Для этого воспользуемся формулой для нахождения номинальной мощности трансформатора (1.1), В·А:

=·· (1.1)

Выразив из формулы (1.1) , найдем линейные токи в обмотках высокого и низкого напряжения, А:



Поскольку обмотка высокого напряжения соединена «звездой», то фазный ток равняется линейному, А:

Так как обмотка низкого напряжения соединена «треугольником», то фазный ток находится из соотношения (1.2), А:

(1.2)

Из формулы (1.1) выразим и найдем линейные напряжения обмоток, В:

Фазное напряжение в обмотке, соединенной «звездой», определяется по формуле (1.3), В:



(1.3)

Фазное напряжение в обмотке, соединенной «треугольником», равняется линейному напряжению, В, то есть:

По формуле (1.4) рассчитаем активную составляющую сопротивления короткого замыкания, Ом:

(1.4)

где - мощность потерь короткого замыкания, Вт.

Так как трансформатор является трёхфазным, величину потерь короткого замыкания следует уменьшить в 3 раза:

Сопротивления рабочих ветвей схемы замещения с достаточной степенью точности можно рассчитать по формулам (1.5) и (1.6), Ом:

(1.5)

(1.6)



Полное сопротивление короткого замыкания рассчитаем по формуле (1.7), Ом:

(1.7)

Напряжение короткого замыкания рассчитаем по формуле (1.8), В:

(1.8)

Подставляя полученное напряжение в расчетную формулу (1.7), получим:

Реактивная часть сопротивления короткого замыкания рассчитывается по формуле (1.9), Ом:

(1.9)

Подставляя полученное значение в формулу (1.6), найдем реактивные сопротивления рабочих ветвей схемы замещения:

Сопротивления намагничивающей цепи схемы замещения могут быть определены по параметрам холостого хода. Чтобы определить сопротивления намагничивающей цепи сначала рассчитаем по формуле (1.10) ток холостого хода, А:

(1.10)

Активная составляющая сопротивления намагничивающей цепи рассчитывается по формуле (1.11), Ом:

(1.11)

Чтобы вычислить реактивную составляющую сопротивления намагничивающей цепи схемы замещения, нужно по формуле (1.12) рассчитать полное сопротивление, Ом:

(1.12)

Сама же реактивная составляющая определяется по формуле (1.13), Ом:



(1.13)

1.3 Определение характера нагрузки и построение графика зависимости з=f(в)

Определение характера нагрузки (), при котором на зажимах вторичной обмотки не зависит от коэффициента нагрузки в, и построение для этого случая графика зависимости з=f(в) при изменении в от 0 до 1 через 0,25.

Поскольку по условию напряжение на зажимах вторичной обмотки остается постоянным при различных значениях в, следовательно, изменение вторичного напряжения при работе трансформатора под нагрузкой равняется нулю, а именно:

Д=0;

Умножив левую и правую часть выражения на , получим:

Откуда:



(1.14)

Формула (1.14) - расчетная формула для определения характера нагрузки, в которой - активная составляющая напряжения короткого замыкания, а - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания.

По формуле (1.15) найдем активную составляющую напряжения короткого замыкания, %:

(1.15)

Реактивную составляющую рассчитаем по формуле (1.16), %:

(1.16)

Подставляя в формулу (1.14) полученные составляющие напряжения короткого замыкания, определим характер нагрузки:



Поскольку искомый угол <0, значит, характер нагрузки является активно-емкостным (RC).

Для того чтобы рассчитать КПД трансформатора, сначала необходимо вычислить суммарные потери трансформатора ?P, Вт; а также мощность, отдаваемую трансформатором , Вт; которые находятся по формулам (1.17) и (1.18) соответственно:

(1.17)

где - мощность потерь холостого хода, Вт;

- мощность потерь короткого замыкания, Вт;

в - коэффициент нагрузки.

(1.18)

где - номинальная мощность трансформатора, В·А.

КПД трансформатора рассчитаем по формуле (1.19), %:



(1.19)

На рисунке 1.3 (стр. 12) представлен график зависимости з=f(в) при изменении в от 0 до 1.



2. Расчет асинхронного двигателя (АД) в системе электропривода

Таблица 2.1. Параметры нагрузки

Мощность на ступенях нагрузки, кВт	Синхронная частота вращения, об/мин	Дn,%
8	15	5	18	1000	4,2

Таблица 2.2. Длительность ступеней нагрузки

, мин	, мин	, мин	, мин	, мин
10	5	15	8	7

На рисунке 2.1 представлен многоступенчатый график нагрузки, характеризующий длительный переменный режим работы электропривода.

Рисунок 2.1. Нагрузочная диаграмма

2.1 Расчет эквивалентной мощности и выбор асинхронного двигателя

По формуле (2.1) многоступенчатый график нагрузки можно привести к равномерному, воспользовавшись понятием эквивалентной (среднеквадратичной) мощности, кВт:

(2.1)

где n - число ступеней нагрузки;

, - соответственно мощность, Вт, и продолжительность нагрузки, мин, каждой i-й ступени графика, включая паузу.

По условию (2.2) по найденной эквивалентной мощности выбирается необходимый двигатель:

(2.2)

По техническим характеристикам наиболее подходящим является асинхронный двигатель с типоразмером двигателя 4АК180М6УЗ, параметры которого: двигатель серии 4А с фазным ротором; исполнение по способу защиты - исполнение IP44; станины и щиты - чугунные; высота оси вращения - 180 мм; установочный размер по длине станины - меньший; число полюсов - 6; климатическое исполнение - УЗ.

Таблица 2.3. Данные для расчета асинхронного двигателя

,кВт	,%	,%		,В		,, кг·	,мин
13	4,5	85,5	4,0	325	25	14	25



2.2 Проверка выбранного двигателя по нагреву

Выбранный двигатель при заданном графике нагрузки должен удовлетворять требованиям по нагреву, поэтому целесообразно выполнить проверку.

Проверка по нагреву производится по методу средних потерь. Для этого по формуле (2.3) определяются потери мощности в номинальном режиме по данным каталога, кВт:

(2.3)

где - номинальная мощность выбранного АД, кВт;

- КПД в номинальном режиме по каталогу в относительных единицах (о.е.).

Найденные по уравнению (2.3) потери мощности являются суммой потерь в меди обмоток статора и ротора, в стали и механических. Будем считать, что механические потери остаются постоянными, тогда сумму потерь разделим на две группы:

· постоянные потери, или потери холостого хода, включающие в себя потери в стали, механические и дополнительные;

· переменные потери в обмотках, зависящие от нагрузки.

В большинстве случаев соблюдаются следующие соотношения:

(2.4)



где - потери в меди обмоток, кВт;

- потери х.х. (постоянные потери), кВт.

Потери в обмотках являются переменными, они пропорциональны квадрату тока или квадрату коэффициента нагрузки. Исходя из этого по формуле (2.5) можно найти потери для каждой ступени графика нагрузок, кВт:

(2.5)

где - мощность i-й ступени нагрузки, кВт;

- коэффициент нагрузки i-й ступени.

Коэффициент нагрузки i-й ступени рассчитывается по формуле (2.6):

(2.6)

Средние потери за цикл определяются по формуле (2.7), кВт:

(2.7)

где n - число ступеней нагрузки.

При расчете средних потерь учитывается, что в течение паузы двигатель работает в режиме холостого хода, не отключаясь от сети.

Проверка выбранного двигателя по нагреву заключается в проверке условия (2.8):

(2.8)

Поскольку 1,664<2,205, условие (2.8) выполняется, а значит, двигатель в процессе эксплуатации перегреваться не будет.

2.3 Проверка АД на перегрузку при снижении напряжения

В заводских силовых электрических цепях допускается снижение напряжения на 10%. При таком снижении напряжения оборудование не должно терять работоспособности. В то же время известно, что момент на валу асинхронных двигателей снижается пропорционально квадрату напряжения, поэтому выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузочную способность при понижении напряжения.

Проверка сводится к проверке условия, что максимальный момент двигателя при снижении напряжения будет не меньше момента сопротивления на валу. Это условие может быть записано в виде неравенства (2.9):

(2.9)

где - максимальная мощность по нагрузочной диаграмме, кВт;

Дu - заданное снижение напряжения,%;

- кратность максимального момента (коэффициент перегрузочной способности) по каталогу, =.

Условие (2.9) при снижении напряжения на 10% выполняется, а значит, двигатель сохраняет работоспособность при понижении напряжения в цеховой сети.

2.4 Расчет теплового состояния АД

Непосредственный расчет теплового режима электрической машины представляет собой сложную многофакторную задачу, решить которую можно лишь при детальном конструктивном расчете. В данной работе рассматривается этот вопрос с качественной стороны, вводится ряд допущений.

Одним из таких допущений будет представление АД однородным телом с равномерно распределенными внутри его объёма источниками тепла, которыми являются потери. Процесс нагревания такого тела описывается уравнение (2.10):

(2.10)

где - начальное превышение температуры машины, °С;

- установившееся превышение температуры, °С;

- постоянная времени нагревания, мин.

Если принять установившееся превышение температуры в номинальном режиме равным допустимому для данного класса термостойкости изоляции, то для любого иного режима справедливо равенство (2.11):

(2.11)

где Д - потери на i-й ступени нагрузки (2.5);

- допустимое превышение температуры, в данном случае =80°С.

асинхронный двигатель электропривод ротор



Реальное превышение температуры определяется по формуле (2.10). За начальное превышение температуры каждой ступени, включая паузу, следует принимать конечное превышение, рассчитанное в конце предыдущей ступени. В начале расчета =0°С.

Реальное превышение температуры:

в течение первого цикла -

в течение второго цикла -

в течение третьего цикла -

в течение четвертого цикла -

Полученные данные сведены в таблицу 2.4.

Таблица 2.4. Реальное превышение температуры в течение четырёх циклов

Номер цикла	Номер интервала	Реальное превышение температуры, °С
1	1	15,717
	2	30,493
	3	32,843
	4	58,832
	5	51,305
2	1	50,107
	2	58,65
	3	48,296
	4	70,053
	5	59,785
3	1	55,792
	2	63,304
	3	50,85
	4	71,908
	5	61,187
4	1	56,732
	2	64,074
	3	51,272
	4	72,215
	5	61,419

Из приведенных расчетов видно, что превышение температуры после третьего цикла остается практически неизменным, то есть тепловой режим двигателя достиг установившегося состояния. Кривая нагрева показана на рисунке 2.2, где пунктиром нанесена обобщенная кривая нагрева, рассчитанная по средним потерям при =0°С, по формуле (2.12):

(2.12)

где t - текущее время, мин.

Рисунок 2.2. Диаграмма потерь и кривые нагрева



2.5 Расчет механических характеристик АД

Механическими характеристиками АД называют зависимости М=f(s) и n=f(M). В некоторых источниках зависимость M=f(s) называют также характеристикой электромагнитного момента.

Для расчета естественной механической характеристики находим:

· номинальную частоту вращения - по формуле (2.13), об/мин:

(2.13)

где - синхронная частота вращения, об/мин;

- номинальное скольжение по каталогу, о. е.

· номинальный момент - по выражению (2.14), Н·м:

(2.14)

· критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту, - по уравнению (2.15):

(2.15)

где - кратность максимального момента (коэффициент перегрузочной способности);

- номинальное скольжение.

· максимальный момент рассчитаем из равенства (2.16), Н·м:

(2.16)

Аналитические выражения механических характеристик достаточно сложны, требуют знания многих параметров АД и для практических целей используются редко. Более простой является формула Клосса, описывающая реальную характеристику в пределах изменения скольжения от 0 до критического. Вторая часть характеристики, рассчитанная по формуле Клосса, существенно отличается от реальной, однако на этой части характеристики асинхронные двигатели не работают, и практического значения для анализа задач электропривода она не представляет.

При расчетах в данном разделе курсовой работы можно воспользоваться упрощенной формулой Клосса (2.17):

(2.17)

где s - текущее значение скольжения;

- номинальный момент на валу двигателя, Н·м.

Определив критическое скольжение по уравнению (2.15) и задавшись величиной s от 0 до 1,2 по формуле (2.17) можно рассчитать зависимость M=f(s), которую затем легко перевести в координаты n=f(M) по выражению (2.18):

(2.18)



Характеристики, рассчитанные таким образом при отсутствии резисторов в цепи ротора, называются естественными.

Для расчета реостатной характеристики необходимо прежде всего определить по формуле (2.19) частоту вращения ротора при заданном Дn, об/мин:

(2.19)

Далее по уравнению (2.20) определяется скольжение, соответствующее данной частоте вращения:

(2.20)

Сопротивление ротора выбранного двигателя определяем по формуле (2.21), Ом:

(2.21)

где , - напряжение и ток ротора по каталогу;

Введение добавочного сопротивления в цепь ротора приводит к увеличению критического скольжения, максимальный момент при этом не изменяется. Иными словами, механическая характеристика n=f(M) смещается вниз, а M=f(s) - вправо. Тем самым при постоянном моменте сопротивления частота вращения несколько снижается. При этом соблюдается соотношение (2.22):

(2.22)

где s, - скольжение на естественной и реостатной характеристиках соответственно;

, - критическое скольжение на тех же характеристиках;

- сопротивление ротора АД при работе на естественной характеристике;

- добавочный резистор в цепи ротора.

Добавочное сопротивление, которое необходимо включить в цепь ротора для достижения заданного снижения частоты вращения, легко найти по формуле (2.23) на основании соотношения (2.22), Ом:

(2.23)

Критическое скольжение на реостатной характеристике вычисляем по формуле (2.24):

(2.24)



Для построения естественной характеристики при значениях, заданных по условию, формула Клосса (2.17) принимает следующий вид:

Рассчитать и построить реостатную характеристику можно также по формуле Клосса (2.17), заменив на в соответствии с соотношением (2.22). Формула Клосса принимает следующий вид:

Зависимости M=f(s) можно легко перевести в координаты n=f(M) по выражению (2.25):



(2.25)

Полученные данные сведены в таблицу 2.5

Таблица 2.5. Механические характеристики выбранного АД

Исследуемые параметры машины	Скольжение s
	0	=0,045	=0,085	0,2	=0,354	0,4	0,6	=0,669	0,8	0,9	1,0	1,2
Частота вращения ротора n, об/мин	1000	955	915	800	646	600	400	331	200	100	0	-200
Моменты М, Н·м:
естественная хар-ка	0	130,1	236,1	445,4	520	516,1	455,2	429,9	384,9	354,3	327,2	282,2
реостатная хар-ка	0	69,6	130,04	285,4	429,9	450,1	516,9	520	511,8	497,9	480,6	442,3

Механические характеристики АД представлены на рисунках 2.3 и 2.4.

Рисунок 2.3. Зависимость M=f(s)

Рисунок 2.4. Зависимость n=f(M)

2.6 Расчет резисторов пускового реостата

Выбор максимального и переключающего моментов определяется условиями (2.26):

<=·; =(1,1-1,25). (2.26)



Эти моменты связаны соотношениями (2.27):

(2.27)

Если момент ?0,75·, то механические характеристики АД можно считать линейными. Такой подход возможен при пуске АД в режиме х.х. (=0), принятом в данной работе. Величина момента переключения в этом случае не ограничена нижним пределом.

По условию задания число пусковых ступеней z=2.

По формуле (2.28) выбираем пиковый момент, Н·м:

=0,65·; (2.28)

=0,65·520=338

В этом случае при z=2 переключающий момент определяем по формуле (2.27), Н·м:

?0,889·, что вполне допустимо при пуске в режиме х.х.

По найденным моментам построена пусковая диаграмма, приведенная на рисунке 2.5.



Рисунок 2.5. Пусковая диаграмма

Если принять, что отрезок dc пропорционален , то сопротивление секций пускового реостата может быть найдено по соотношениям (2.29), Ом:

(2.29)

2.7 Расчет электрических потерь при пуске двигателя

Электрические потери при пуске АД состоят из потерь в роторной цепи, определяемых запасом кинетической энергии, которую приобретает привод к концу пуска, и потерь в статорной цепи, зависящих от соотношения активных сопротивлений статорной и роторной цепи.

Незначительными постоянными потерями в процессе пуска и влиянием намагничивающего тока можно пренебречь.

При данных допущениях полные потери определяются по выражению (2.30):

(2.30)

из которого получаем выражение (2.31):

(2.31)

где - синхронная угловая частота вращения, рад/с;

, - начальное и конечное скольжение на каждой конкретной пусковой характеристике соответственно;

- активное сопротивление цепи статора, Ом;

J - момент инерции двигателя и рабочей машины, приведенный к валу двигателя, кг·;

, - приведенные сопротивления, Ом.

Для расчета электрических потерь необходимо предварительно определить скольжение при переходе с одной характеристики на другую. В соответствии с пусковой диаграммой (см. рисунок 2.5) первое переключение должно быть при частоте вращения 670 об/мин, второе - 880 об/мин, следовательно, по уравнению (2.20) получаем:



Угловую синхронную частоту вращения определяем по уравнению (2.32), рад/с:

(2.32)

В нашем случае при пуске в две ступени, включая разгон на естественной характеристике, потери при работе на первой реостатной характеристике определяются по формуле, Дж:

(2.33)

на второй реостатной характеристике, Дж -

(2.34)

на естественной характеристике, Дж -

(2.35)



где , - скольжение переключения.

Полные потери при реостатном пуске вычисляются по формуле (2.36), Дж:

(2.36)

В случае прямого пуска, приняв =1; =0 и =0, по выражению (2.30) можно вычислить потери, Дж:

(2.37)

В выражениях (2.30) - (2.35) присутствует соотношение сопротивлений , и если принять =, то оно остается тем же в результате замены этого равенства на =. В дальнейшем расчеты ведутся по реальным значениям сопротивлений ротора.

Потери электрической энергии при реостатном пуске, принимая =,

на первой реостатной характеристике определяем по формуле (2.33):

на второй реостатной характеристике - по формуле (2.34):

на естественной характеристике - по формуле (2.35):

Суммарные электрические потери при реостатном пуске рассчитываем по уравнению (2.36):

в практических единицах, :

Для сравнения определяем электрические потери в случае прямого пуска по формуле (2.37):

в практических единицах, :

Как видно, электрические потери при прямом пуске почти вдвое больше, чем при реостатном. Иначе говоря, на каждом пуске экономится 182,748 кВт·ч.

2.8 Управление пуском АД

2.8.1 Общие положения

Управление электроприводом заключается в осуществлении пуска, регулировании скорости, торможения, реверсирования, а также в поддержании режима работы привода в соответствии с требованиями к технологическому процессу.

Современные регулируемые электроприводы для автоматических линий и механизмов обычно строятся с применением релейно-контакторной аппаратуры, на которую возлагаются функции включения питания (подсоединения к сети) силовых блоков управления, защиты и ввода первоначальных и конечных команд в систему управления приводом, однако наряду с электроприводами, выполняющими сложные функции, в ряде случаев содержащими микропроцессоры или программные устройства управления, существует большое количество электроприводов, на которые возлагаются относительно простые функции. Это обычно нерегулируемые или регулируемые ступенчато в небольшом диапазоне электроприводы с невысоким быстродействием. В задачу систем управления такими электроприводами чаще всего входит организация пуска, торможения, перехода с одной ступени скорости на другую, реверса и осуществление этих операций в определенной последовательности во времени или по командам от рабочей машины, завершившей очередную технологическую операцию. Причем необязательно, чтобы система управления выполняла все эти функции (набор функций зависит от требований к приводу).

Авторизация упрощает обслуживание механизмов, дает возможность осуществлять дистанционное управление электроприводами там, где нельзя непосредственно управлять двигателями по условиями территориального расположения машин или в связи с особенностями технологического процесса.

Для автоматического управления электроприводами применяются различные аппараты: контакторы, автоматы, регуляторы, реле, кнопочные станции, путевые выключатели, бесконтактные логические элементы, а также разного рода вспомогательные электрические аппараты и машины. Каждый из этих аппаратов состоит из ряда элементов: электромагнитной системы, создающей необходимое тяговое усилие; главных и вспомогательных контактов и т.д. С помощью проводов отдельные аппараты и их элементы электрически соединяются в общую систему, привозную осуществлять заданные операции в определенной последовательности.

В системах цепи делятся на две категории: главного тока и вспомогательные. К первым относятся силовые цепи двигателей и генераторов.

Вспомогательные цепи включают в себя цепи управления, где присоединяются катушки контакторов и реле, контактные реле, вспомогательные контакты контактов и другие элементы аппаратов. Кроме того, к вспомогательным относятся цепи защиты, сигнализации и цепи, связанные со специальными блокировками между отдельными электроприводами.

Принципиальная схема электроприводов содержит условные графические изображения элементов всех аппаратов и машин (таблица 2.6), которые располагают на схеме так, чтобы удобно было ее читать, а не по действительному пространственному расположению элементов, т.е отдельные токоведущие элементы аппаратов и машин и показаны на схеме в электрической цепи вне зависимости от кинематической или конструктивной связи этих элементов. Каждому аппарату в схеме присваивается буквенное обозначение, соответствующее функции данного аппарата.

Условные обозначения элементов схем электропривода :Q - разъединитель в силовых цепях; QF - выключатель автоматический; FA - дискретный элемент защиты по току мгновенного действия; FU - предохранитель плавкий; KM - контактор, магнитный пускатель; KK - реле электротепловое; KT - реле времени; SB - выключатель кнопочный; M - двигатель.

Некоторые типовые схемы нашли практическое применение для управления пуском асинхронных двигателей с короткозамкнутым (рис. 2.6) и фазным (рис. 2.7) роторами. Схема реверсивного управления асинхронными двигателями представлена на рисунке 2.8. Реверс - это изменение направления вращения, которое осуществляется изменением направления вращения магнитного поля статора, для чего изменяется чередование фаз.

В схемах предусмотрены различные способы защиты двигателей от перегрузки и короткого замыкания, от резкого снижения питающего напряжения и др.

Таблица 2.6. Условные обозначения элементов и машин в схемах электроприводов

Обозначение элемента	Название элемента	Обозначение элемента	Название элемента
	Обмотка компенсационная		Электротепловое реле
	Обмотка параллельного возбуждения МПТ, обмотка независимого возбуждения		Контакт замыкающий дугогасительный для коммутации сильноточной цепи
	Резистор постоянный		Катушка электромеханического устройства
	Предохранитель плавкий		Выключатель трёхполюсный
	Контакт с автоматическим возвратом при перегрузке		Контакт замыкающий с механической связью
	Контакт замыкающий		Выключатель кнопочный без самовозврата, нажимной с возвратом посредством вторичного нажатия кнопки
	Контакт размыкающий
	Контакт замыкающий с замедлителем, действующим при срабатывании		Выключатель кнопочный нажимной, с замыкающим контактом
	Контакт замыкающий с замедлителем, действующим при возврате		Выключатель кнопочный нажимной, с размыкающим контактом
	Контакт замыкающий, разрывающийся под током, для коммутации сильноточной цепи		Двигатель асинхронный трёхфазный, соединённый в треугольник, с короткозамкнутым ротором
	Контакт размыкающий с замедлителем, действующим при срабатывании		Машина асинхронная трёхфазная с фазным ротором, обмотка которого соединена в звезду; обмотка статора соединена в треугольник

2.8.2 Управление пуском АД с короткозамкнутым ротором

Схема управления асинхронным двигателем с использованием магнитного пускателя (рис. 2.6) включает в себя магнитный пускатель, состоящий из контактора КМ и двух встроенных в него тепловых реле защиты КК. Такая схема обеспечивает прямой( без ограничения тока и момента) пуск АД, отключение его от сети, а также защиту от коротких замыканий (предохранители FA) и перегрузки (тепловые реле KK).

Для пуска двигателя замыкается выключатель QF и нажимается кнопка пуска SB1. При этом получает питание катушка контактора КМ, который, включившись, своими главными силовыми контактами в цепи статора подключает двигатель к источнику питания, а вспомогательным контактом шунтирует кнопку SB1. Происходит разбег асинхронного двигателя по его естественной характеристике. При нажатии кнопки остановки SB2 контактор КМ теряет питание и отключат АД от сети. Начинается процесс торможения асинхронного двигателя выбегом под действием момента нагрузки на его валу.

Рисунок 2.6. Принципиальная схема управления пуском АД с короткозамкнутым ротором



2.8.3 Управление пуском АД с фазным ротором в функции времени

Упрощенная схема управления пуском АД с фазным ротором в функции времени в две пусковые ступени приведена на рис. 2.7. В данную схему включены реле времени КТ1 и КТ2, имеющие свои контакты КТ1 и КТ2 в цепях силовых контакторов КМ2 и КМ3. Контакты КТ1 и КТ2 работают на замыкание после потери питания катушек реле КТ1 и КТ2 с задержкой по времени.

При замыкании рубильника Q напряжение подается на катушки реле времени КТ1 и КТ2 через замкнутые контакты КM1 и КМ2 и контакты реле КТ1 и КТ2 оказываются разомкнутыми. После нажатия кнопки пуска SB1 получает питание катушка контактора КМ1, в результате чего подается напряжение на статор двигателя, блокируется кнопка SB1 и теряет питание катушка реле времени КТ1. Начинается отсчет времени пуска со всеми пусковыми резисторами. После выдержки времени замыкается контакт КТ1, получает питание силовой контактор КМ2, что приводит к выходу из цепи ротора резистора и к потере питания реле времени КТ2. По окончании времени срабатывания катушки реле КТ2 замыкается контакт реле КТ2, получает питание силовой контактор КМ3, шунтируется оставшийся резистор , двигатель переходит на естественную характеристику. Продолжительность автоматического пуска складывается из значений времени срабатывания реле КТ1 и КТ2 и времени разгона двигателя по естественной характеристике.

Защита АД предусмотрена такая же, как и в схеме, приведенной на рисунке 2.6. Нажатием кнопки остановки SB2 двигатель отключается от сети, при этом катушка контактора КМ1 теряет питание и замыкающие контакты его КМ1 размыкают цепь статора.



Рисунок 2.7. Принципиальная схема управления пуском АД с фазным ротором

2.8.4 Управление реверсом АД с короткозамкнутым ротором

Основным элементом в схеме управления реверсом (рис. 2.8) является реверсивный магнитный пускатель, который включает в себя два линейных контактора (КМ1 и КМ2) и два тепловых реле защиты (КК). Такая схема обеспечивает прямой пуск и реверс асинхронного двигателя, а также торможение АД противовключением при ручном (неавтоматическом) управлении.



Рисунок 2.8. Принципиальная схема управления реверсом АД с короткозамкнутым ротором

В схеме (см. рис. 2.8) предусмотрена также защита от перегрузок АД (реле КК) и коротких замыканий в цепях статора (автоматический выключатель QF) и управления (предохранители FA). Кроме того, в ней обеспечивается и нулевая защита от исчезновения (снижения) напряжения сети (контакторы КМ1 и КМ2).

Пуск двигателя в условном направлении «Вперед» или «Назад» осуществляется нажатием соответственно кнопки SB1 или SB2, что приводит к срабатыванию контактора КМ1 и КМ2 и подключению АД к сети (при включенном автоматическом выключателе QF).

Для обеспечения реверса или торможения двигателя сначала нажимается кнопка SB3, что приводит к отключению включенного до тех пор контактора(например, КМ1), а затем - кнопка SB2, что приводит к включению контактора КМ2 и подаче на АД напряжения питания с другими чередованиями фаз. После этого магнитное поле двигателя изменяет свое направление вращения и начинает процесс реверса, состоящий из двух этапов - торможения противовключения и разбега в противоположенную сторону.

В случае необходимости только затормозить двигатель при достижении им нулевой скорости следует вновь нажать кнопку SB3, что приведет к отключению его от сети и возвращению схемы в исходное положение. Если кнопку SB3 не нажимать, последует разбег АД в другую сторону, т.е. его реверс.

Во избежание короткого замыкания в цепи статора, которое может возникнуть в результате одновременного ошибочного нажатия кнопок SB1и SB2, в реверсивных магнитных пускателях иногда предусматривается специальная механическая блокировка - рычажная система, которая предотвращает одновременное включение двух контакторов. В дополнение к механической в такой схеме используется типовая электрическая блокировка, применяемая в реверсивных схемах управления, которая заключается в перекрестном включении размыкающих контактов аппарата КМ1 в цепь катушки аппарата КМ2, и наоборот.

Отметим, что повышению надежности работы электропривода и удобства его в эксплуатации способствует использование в схеме управления воздушного автоматического выключателя QF, который исключает возможность работы при обрыве одной фазы и однофазном коротком замыкании, как это может иметь место при использовании предохранителей.



3. Расчет двигателя постоянного тока

Таблица 3.1. Исходные данные к заданиям раздела

Пункты задания, подлежащие выполнению: 1, 2, 3, 4
Вариант	, кВт	об/мин		А	Ом	Ом
06	11	500	220	60,0	0,2895	44,0

3.1 Схема двигателя

Схема двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением и пусковым реостатом представлена на рисунке 3.1 (стр. 45).

3.2 Определение номинального вращающегося момента

Номинальный вращающийся момент, Н·м, можно выразить из формулы (3.1) нахождения номинальной мощности двигателя:

(3.1)

(3.2)

3.3 Расчет КПД двигателя при номинальной нагрузке

Коэффициент полезного действия двигателя при номинальной нагрузке рассчитывается по формуле (3.3), %:



(3.3)

где - мощность, потребляемая двигателем из сети, Вт.

Ток обмотки возбуждения находится по формуле (3.4), А:

(3.4)

где - сопротивление обмотки возбуждения, Ом.

Номинальный ток рассчитаем по формуле (3.5), А:

(3.5)

где - ток якоря, А.

Подставив полученное значение номинального тока в выражение (3.3), найдем КПД двигателя при номинальной нагрузке:

3.4 Механические характеристики двигателя

Нахождение частоты вращения двигателя при статическом моменте сопротивления нагрузки =0,8· и токе возбуждения =0,6·. Построение графика естественной и искусственной механических характеристик.

Условия для построения естественной характеристики:

По формуле (3.6) рассчитаем ток якоря на холостом ходу, А:

(3.6)

Частота вращения на холостом ходу определяется по формуле (3.7), об/мин:

(3.7)

Первая точка естественной характеристики имеет координаты (0;539,478).

Вторая точка имеет координаты: (; n=). Номинальный вращающий момент был посчитан по формуле (3.2). То есть вторая точка естественной характеристики имеет координаты (210,1;500).

Условия для построения искусственной характеристики:



Поскольку по условию =0,6, тогда по рисунку 5 методического указания видно, что ?0,875, а значит, ?1,143.

По формуле (3.8) рассчитаем ток якоря на холостом ходу искусственной характеристики, А:

(3.8)

Частота вращения для искусственной характеристики на холостом ходу можно найти по формуле (3.9), об/мин:

(3.9)

Первая точка искусственной характеристики имеет координаты (0;616,07).

Для вычисления частоты вращения двигателя при статическом моменте сопротивления нагрузки, не равном номинальному, необходимо предварительно по формуле (3.10) определить значение тока якоря, А:

(3.10)

Тогда частоту вращения найдем по формуле (3.11), об/мин:

(3.11)

Статический момент сопротивления нагрузки найдем по формуле (3.12), Н·м:

(3.12)

Вторая точка искусственной характеристики имеет координаты (168,08; 575,694).

На рисунке 3.2 представлены механические характеристики.

Рисунок 3.2. Механические характеристики двигателя



Заключение

В процессе выполнения курсового проекта при расчёте трёхфазного трансформатора было установлено, что КПД трансформатора достигает своего максимума при коэффициенте нагрузки равном 0,5. Также в разделе расчета трансформатора мы повторили соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами при различных видах соединения обмоток трансформатора.

В разделе АД данной курсовой работы мною был выбран следующий АД: 4АК180М6УЗ. Данный АД был проверен на различные условия. Было определено сопротивление добавочного резистора, который необходимо включить в цепь ротора выбранного двигателя для снижения частоты; были построены механические характеристики двигателя; был произведен расчет сопротивления секций пускового резистора и потери электрической энергии при реостатном и прямом пуске. Можно сделать следующий вывод: при прямом пуске расходуется примерно в 2 раза больше энергии. А также были изучены способы управления пуском и реверсом асинхронных двигателей.

При расчёте двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением была изучена схема включения двигателя, построены графики естественной и искусственной механических характеристик, из которых видно, частота вращения искусственной механической характеристики с увеличением момента сопротивления нагрузки уменьшается более резко, чем частота вращения естественной механической характеристики.



Библиографический список

1. Вольдек А. И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974.

2. Справочник по электрическим машинам / Под ред. И. П. Копылова. М.: Энергоатомиздат, 1988.

3. Электротехника / Под ред. В. С. Пантюшина. М.: Высшая школа, 1976.

4. Электротехника / Под ред. В. Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1985.

5. Чиликин М. Г. Общий курс электропривода. 6-е изд./ М. Г. Чиликин, А. С. Сандлер. М.: Энергоатомиздат, 1984.

6. Москаленко В. В. Электрический привод/ В. В. Москаленко. М.: Мастерство, 2006.

7. Вольдек А. И. Электрические машины/ А. И. Вольдек. Л.: Энергия, 1990.

8. Касаткин А. С. Электротехника/ А. С. Касаткин, М. В. Немцов. М.: Высшая школа, 2000.

9. Справочник по электрическим машинам/ Под общ. ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1998.

10. Авилов В. Д. Основы электропривода технологических установок: Конспект лекций / В. Д. Авилов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008.

Размещено на Allbest.ru

...