Курсовая работа: Вибір двигуна постійного та змінного струму для роботи в системі електроприводу

Курсова робота

На тему: «Вибір двигуна постійного та змінного струму, для роботи в системі електроприводу»

Дніпропетровськ 2010

ЗМІСТ

1. ВХІДНІ ДАНІ

2. ПОПЕРЕДНІЙ ВИБІР ПОТУЖНОСТІ ДВИГУНА

3. ВИБІР ДВИГУНІВ

3.1 Двигун постійного струму

3.2 Двигун змінного струму

4. ЗВЕДЕННЯ СТАТИЧНИХ МОМЕНТІВ ТА МОМЕНТІВ ІНЕРЦІЇ ДО ВАЛУ ДВИГУНА

5. РОЗРАХУНКИ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДПС

6. РОЗРАХУНОК ЕЛЕКТРОПРИВОДУ З АСИНХРОННИМ ДВИГУНОМ

6.1 Розрахунки параметрів двигуна

6.2 Побудова механічної характеристики АД

7. РОЗРАХУНОК ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ ТА ПОБУДОВА НАВАНТАЖУВАЛЬНОЇ ДІАГРАМИ ДВИГУНА

7.1 Розрахунок перехідних процесів асинхронного двигуна без урахування пружних механічних зв’язків

8. ПЕРЕВІРКА ДВИГУНІВ ЗА НАГРІВАННЯМ

8.1 Перевірка двигуна постійного струму за нагріванням

8.2 Електрична схема двигуна

8.3 Розрахунки додаткових опорів

8.4 Схема з'єднання додаткових опорів

8.5 Перевірка асинхронного двигуна за нагріванням

ЛІТЕРАТУРА

1. ВХІДНІ ДАНІ

Задані: розрахункова схема (рис.1.1.) та діаграма роботи привода (рис.1.2).

Рис. 1.1. Розрахункова схема електропривода

Д – електричний двигун; ПП – передавальний механічний пристрій (редуктор); і – передавальне число редуктора; h — ККД редуктора; РО – робочий орган технологічного механізму; ЗМ1, ЗМ2 – з’єднувальні муфти; с1, с2 – коефіцієнти жорсткості пружних елементів механічного зв’язку; J – моменти інерції двигуна (індекс ‘д’), з’єднувальних муфт (індекси ‘м1, м2’) та робочої машини (індекс ‘р’).

Рис.1.2. Цикл роботи механізму

Параметри циклу: – тривалість циклу; – тривалості роботи у першій та другій частинах циклу; – тривалості пауз у першій та другій частинах циклу; – навантаження у першій та другій частині циклу; – максимальна частота обертання валу механізму.

Задано:

Моменти навантаження: ; ;

Частота обертання валу РО: ;

Тривалість циклу: ;

Відносна тривалість включення двигуна: ;

Моменти інерції РО: ;

Жорсткості механічних з’єднань: ; ;

Номінальний ККД редуктора: ;

Умови: ; .

2. ПОПЕРЕДНІЙ ВИБІР ПОТУЖНОСТИ ДВИГУНІВ

Тривалість включення двигуна в одній частині циклу за умови

(2.1)

Еквівалентний момент на валу РО для повторно-короткочасного режиму роботи (невраховується тривалість пауз):

. (2.2)

Еквівалентна потужність на валу РО:

. (2.3)

Еквівалентна потужність на валу електродвигуна з урахуванням втрат потужності в передавальному пристрої:

. (2.4)

Розрахункова потужність із коефіцієнтом запасу

. (2.5)

Потужність для вибору по каталогу (передбачається каталог з ):

(2.6)

За умовою (2.6) потрібно вибрати два електродвигуна. Один постійного струму незалежного збудження, а другий – асинхронний з короткозамкненим ротором. Потужності та номінальні частоти обертання двигунів повинні бути близькими по значенню. Тому вибираються наступні:

3. ВИБІР ДВИГУНІВ

3.1 Двигун постійного струму

Тип . Номінальні параметри:

Потужність: ;

Напруга: ;

Частота обертання валу: ;

Струм якірної обмотки: ;

Магнітний потік головних полюсів: ;

Кількість активних стрижнів якірної обмотки: ;

Кількість паралельних гілок якірної обмотки: ;

Кількість пар полюсів: ;

Момент інерції ротора: ;

Номінальна відносна тривалість роботи: .

3.2 Двигун змінного струму

Тип . Номінальні параметри:

Потужність: ;

Частота обертання валу: ;

Напруга живлення: ;2

Перевантажувальна здатність: ;

Струм статору в номінальному режимі: ;

Струм статора в режимі холостого ходу: ;

Активний опір фазної обмотки статора: ;

Реактивний опір фазної обмотки статора: ;

Кратність пускового моменту: ;

Кратність пускового струму: ;

Коефіцієнти потужності

Під час пуску: ;

В номінальному режимі: ;

В режимі холостого ходу: .

4. ЗВЕДЕННЯ СТАТИЧНИХ МОМЕНТІВ ТА МОМЕНТІВ ІНЕРЦІЇ ДО ВАЛУ ДВИГУНА

Передавальне число редуктора:

. (4.1)

Зведений момент опору залежить від ККД, який у свою чергу є функцією співвідношення реального та номінального рівнів навантаження. Припускаємо, що навантаження в першій половині циклу для редуктора номінальне. За таких умов

У режимі підйому:

. (4.1)

Для опускання:

(4.2)

У другій половині циклу навантаження значно менше:

. (4.3)

За графіками рис.4.1 .

Рис.4.1. Залежність ККД редуктора від навантаження

Моменти навантаження у другій половині циклу:

У режимі підйому:

. (4.4)

Для опускання:

. (4.5)

Для розрахунків зведених моментів інерції необхідно визначити моменти інерції з’єднувальних муфт та елементів редуктора.

У першій половині циклу

Перша муфта

; (4.6)

Друга муфта

; (4.7)

Коефіцієнт інерції редуктора ;

Момент інерції привода

. (4.8)

У другій половині циклу

Перша муфта

; (4.9)

Друга муфта

; (4.10)

Коефіцієнт інерції редуктора;

Момент інерції привода

. (4.11)

5. РОЗРАХУНКИ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДПС

Параметри двигуна:

Конструктивний коефіцієнт:

(5.1)

Коефіцієнт ЕРС:

. (5.2)

Частота обертання у режимі ідеального холостого ходу:

. (5.3)

Опір якірних обмоток з рівняння:

(5.4)

. (5.5)

Коефіцієнт моменту:

. (5.6)

Номінальний момент:

. (5.7)

Параметри пускової діаграми:

Рекомендоване відносне значення пускового моменту: . (5.8)

Пусковий момент:

. (5.9)

Для лінійної природної характеристики зменшення частоти обертання в залежності від навантаження пропорційна моменту

. (5.10)

Зменшення частоти обертання при постійному прямо пропорційна сумарному опору у якірному колі:

. (5.11)

Якщо – це кількість штучних пускових характеристик, то бажана пускова діаграма відповідає умовам

; (5.12)

, (5.13)

де – кратність зміни якірного опору від характеристики до характеристики.

З рівнянь (5.11 5.12 та 5.13)

, (5.14)

Або

. (5.15)

Якщо , то

. (5.16)

Для подальших розрахунків доцільно увести номери характеристик :

– природна;

– перша штучна (третя пускова);

– друга штучна (друга пускова);

– третя штучна (перша пускова);

– штучна проти вмикання.

Механічні характеристики електричного двигуна з незалежним збудженням з різними опорами у якірному колі є лінійними. Графік такої характеристики можна побудувати по даним двох режимів:

(5.17)

та . (5.18)

В загальному випадку частота обертання валу визначається як різниця між та її зменшенням під впливом навантаження :

. (5.19)

На цій підставі за допомогою формул (5.11) та (5.13) визначається:

(5.20)

За формулою (5.20) маємо:

Для зворотного вмикання електродвигуна частоти обертання на моменти змінять знаки.

В межах графіка для першої половини циклу позначено: – відносний пусковий момент за формулою (5.8);

– відносний момент переключення; (5.23)

Рис. 5.1 Графіки механічних характеристик двигуна постійного струму

– відносний момент навантаження для підйому; (5.24)

– відносний момент навантаження для опускання: (5.25)

Момент переключення з характеристики на характеристикубільший за . Тому пуск привода буде забезпечено навіть з максимальним моментом навантаження без збільшення кількості пускових характеристик.

6. РОЗРАХУНКИ ЕЛЕКТРОПРИВОДА З АСИНХРОННИМ ДВИГУНОМ

6.1.Розрахунки параметрів електродвигуна

Для розрахунку природної механічної характеристики в рушійному режимі та в режимах електричного гальмування (рекуперативне та проти вмикання ) використовуемо рівняння:

де М − обертовий момент двигуна, Нм; Мк=λдв Мн − максимальний (критичний ) момент двигуна, Нм; λдв− перевантажувальна здатність двигуна; – номінальний момент двигуна, Нм; S=(n0 − n)/n0 − ковзання ротора двигуна; n0=60f/p синхронна частота обертання двигуна, об/хв; n – частота обертання двигуна, об/хв; w0 =2πfc/p синхронна кутова швидкість двигуна, рад/с; w – кутова швидкість двигуна, рад/с; fc – частота мережі, Гц; р – число пар полюсів; α= r с / rр − відношення активного опору статора до опору ротора, приведеного до обмотки статора;− критичне ковзання.

Задаемось значенням s для:

рекуперативного режиму s = -0.2-0; рушійного режиму s = 0-1; противовмикання s > 1.

Кутова швидкість двигуна: w = w0(1- ) (6.1)

Критичне ковзання:

де S н =(n0 − n)/n0 — номінальне ковзання. (6.3)

Частота обертання у режимі ідеального холостого ходу:

. (6.4)

Номінальне ковзання:

. (6.5)

Номінальний ККД:

(6.6)

Повний активний опір фази:

. (6.7)

Активний опір фази ротора, зведений до статора:

. (6.8)

Коефіцієнт відносного опору статора:

(6.9)

Критичне ковзання:

(6.10)

Номінальний момент:

. (6.11)

Максимальний момент:

. (6.12)

6. 2 Побудова механічної характеристики АД

Таблиця.6.1 Розраховані дані для побудови графіка

Режим роботи двигуна	s	M	w
рекуперативне	-0,2	-1357,61	94,248
торможение	-0,1	-665,15	86,394
78,54
0,1	506,64	70,686
0,2	828,54	62,832
0,3	1003,14	54,978
рухомий	0,4	1079,92	47,124
0,5	1097,95	39,27
0,6	1082,93	31,416
0,7	1050,46	23,562
0,8	1009,64	15,708
0,9	965,66	7,854
1	921,39
1,1	878,40	-7,854
1,2	837,45	-15,708
1,3	798,91	-23,562
1,4	762,87	-31,416
1,5	729,29	-39,27
противключення	1,6	698,06	-47,124
1,7	669,03	-54,978
1,8	642,03	-62,832
1,9	616,91	-70,686
2	593,51	-78,54
2,1	571,68	-86,394
2,2	551,29	-94,248

Рис.6.1. Графік механічної характеристики АД

7. РОЗРАХУНОК ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ ТА ПОБУДОВА НАВАНТАЖУВАЛЬНОЇ ДІАГРАМИ ДВИГУНА

Пуск двигуна при Мс=Мс1

Для першої пускової характеристики при Мс1 межовими умовами будуть: wпочі=0; Mпочі = M1; wсі =w1; Mсі = Mс1;

При цьому вираз для швидкості та моменту приймае вигляд:

(7.1)

де − TM1=J1R Я3/

TM1 − Електромеханічна стала часу для першої ступені.

Час перехідного процесу на відповідному ступені при зміні моменту від М1 до М2 за формулою:

t1=

Час перехідного процесу на природній характеристиці набуває нескінченності приймають:

te =(3-4)TM

Результати розрахунків зведені до таблиці.

Гальмування противовмиканням при підйомі та гальмівний спуск вантажу Мс=Мс1.

Вирази для швидкості та моменту мають вигляд:

Електромеханічна стала часу для характеристики противовмикання:

Tм.т=JR яп/

Час гальмування:

tт=

Аналогічним чином розраховуються перехідні процеси при розгоні двигуна в зворотньому напрямку при цьому сталі часу TM1 на відповідних характеристиках при підйомі та спуску вантажу будуть однакові при розгоні двигуна у зворотному напрямку

wпочі=0; Mпочі = -M1; wсі =-wп1; Mсі = M’с1;

Час розгону на відповідному ступені при активному моменті опору знаходиться з виразу:

ti=(7.9)

за аналогією розраховуються перехідні процеси для гальмування противовмиканням при гальмівному спуску вантажу Mсі = M’с1; пуск двигуна при Mс = Мс2; гальмування противовмиканням при підйомі та силовий спуск вантажу при Mс = М’с2

Електромеханічна стала часу при Mс = Мс2 визначаеться як:

T’мi=J2R яi/(7.10)

Для кожного режиму роботи розрахунок перехідних процесів зводиться до таблиці 7.1

Таблиця 7.1

Графік перехідних процесів в приводі з двигуном постійного струму:

Навантажувальна діаграма та діаграма швидкості більш детально продемонстрована в графічній частині.

Графік 7.1 Навантажувальна діаграма та діаграма швидкості

7.1 Розрахунок перехідних процесів асинхронного двигуна без урахування пружних механічних зв’язків.

Розрахунок перехідних процесів зводиться до приблизного інтегрування рівняння руху:

(7.11)

Рівняння руху розв’язане відносно часу має вигляд:

Для використання рівняння механічна характеристика двигуна поділяється на ряд проміжків, на яких момент двигуна прийметься постійним рис 7.2. Для кожного і-го проміжка швидкостівизначається середнє значення динамічного моменту, а потім за розраховують . Для зручності розрахунків складаємо таблицю 7.2.

∆wi	wi = wi-1 +∆wi	Mi	Mдин.i	∆ti	ti = ti-1 +∆ti
1	2	3	4	5	6
∆w1=9	w1 = ∆w1 = 9	960	417	∆t1 =0,098	t1 = ∆ti = 0,098
∆w2=23	w2 = w1+∆w2 = 32	1030	487	∆t2 =0,282	t2 = t1 +∆t2 = 0,38
∆w3=37	w3 = w2+∆w3 = 69	1030	557	∆t3 =0,532	t3 = t2 +∆t3 = 0,912
∆w4=50	w4 = w3+∆w4 = 119	930	487	∆t4 =1,05	t4 = t3 +∆t4 = 1,962
∆w5=59	W5 = w4+∆w5 = 178	800	257	∆t5 =2,97	t5 = t4 +∆t5 = 4,932
Таблиця 7.2

Результати розрахунків

Криві перехідних процесів при пуску асинхронного двигуна

Значення w збільшено в 5 разі для кращого відображення графіку

Графік 7.3

8. ПЕРЕВІРКА ДВИГУНІВ ЗА НАГРІВАННЯМ

8.1 Перевірка двигуна постійного струму за нагріванням

Використовуючи діаграму 7.1 можна визначити еквівалентний момент двигуна та зробити перевірку обраного двигуна за нагріванням, з метою спрощення розрахунків навантажувальна діаграма двигуна замінюється спрощеною, для якої еквівалентний момент визначаеться таким чином:

= (8.1)

122Нм (8.1)

Еквівалентний момент двигуна:

При правильно вибраному двигуні його номінальний момент при стандартному ТВн повинен бути більшим або рівним розрахунковому еквівалентному моменту, тобто:

Перевірка на виконання умови:

8.2 Електрична схема двигуна

Електрична схема вмикання двигуна до джерела напруги з чотирма додатковими резисторами в якірному колі може мати варіант за рис.8.2.

Рис.8.2. Електрична схема двигуна.

– обмотка збудження; – додаткові резистори у якірному колі; – контакт для підключення якірного кола до мережі живлення; – контакти для закорочування додаткових опорів.

Опори використовуються у режимах пуску, а у режимі противмикання.

8.3. Розрахунки додаткових опорів

Розрахований у формулі (5.16) параметр у відповідності із співвідношеннями (5.11) та (5.13) визначає кратність зміни повного опору якірного кола при змінах характеристик:

(8.4)

З цих формул розраховується:

;

. (8.5)

8.4 Схема з’єднань додаткових опорів

Для реалізації додаткових опорів доцільно вибрати ящик ЯС-100 Н №40, який складається з 20 елементів по 0,04Ома продовженим струмом 75А.

Схема з’єднань елементів показана на рис.8.2. Схема реалізує такі опори:

Треба, Ом	Фактично, Ом
	0,065	0,06
	0,13	0,133
	0,26	0,26
	0,52	0,52

Рис. 8.3. Схема з’єднань додаткових резисторів

8.5 Перевірка асинхронного двигуна за умовами нагрівання

Перевірка двигуна за нагріванням зводиться до визначення так званого допущення кількості вмикань за годину, при якій середне значення перевищення температури після великої кількості робочих циклів буде дорівнювати допущеному, та двигун буде повністю використаним за нагріванням.

Допущена кількість вмикань за годину може бути знайдена з виразу:

де — номінальні втратив двигуні при тривалому режимі роботи, кВт;

— втрати в усталеному режимі, кВт; ξ – відносна тривалість вмикання;

– коефіцієнт, котрий ураховує погіршення умов вентиляції двигунів у період пуску та гальмування; — втрати енергії у двигуні відповідно за час пуску та гальмування, кДж.

(8.7)

де P н – номінальна потужність двигуна при тривалому режимі роботи кВт, ŋ н – номінальний ККД при тривалому режимі роботи.

Приймаємо Р н =0,5∙Р0,25; ŋ н =ŋ0,25.

Втрати в усталеному режимі роботи :

∆Р== (8.8)

Витрати на окремих ділянках:

∆Р2==

∆P6=M’c1w0 (1-ŋ’1)= 162.9∙78.5(1-0.8) = 2545 Вт

∆Р10==

∆Р13==

де — ŋ1, ŋ’1, ŋ2, ŋ’2 – ККД двигуна відповідно при моментах навантаження Мc1 М’c1 Мc2 М’c1.

Орієнтовано приймаємо ŋ1 = ŋ0,25; ŋ’1 = ŋ0,25; ŋ2 =0,95 ŋ0,25; ŋ’2=0,95 ŋ0,25.