Асинхронные двигатели в системах электропривода

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Омский государственный университет  путей сообщения

(ОмГУПС)

 

 

 

Кафедра: «Электрические машины и общая электротехника»

 

 

 

 

Асинхронные двигатели в системах электропривода

 

Курсовая работа по дисциплине

«Электрические машины и  электропривод»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск 2012

 

ЗАДАНИЕ

По заданной нагрузочной диаграмме  электропривода определить эквивалентную  мощность и выбрать асинхронный  двигатель с фазным ротором. Произвести проверку выбранного двигателя на нагрев по методу средних потерь, на перегрузочную  способность при снижении напряжения в сети, а также расчет теплового  режима выбранного двигателя по заданной нагрузочной диаграмме.

Определить сопротивление добавочного  резистора, который необходимо включить в цепь ротора выбранного двигателя  для снижения частоты вращения на заданную величину при номинальном  моменте сопротивления. Построить  естественную и реостатную механические характеристики выбранного двигателя.

Рассчитать сопротивление секций пускового резистора и потери электрической энергии при реостатном и прямом пуске.

Начертить и изучить схемы управления пуском и реверсом асинхронных двигателей.

Параметры задания и выбор варианта задания

Вариант задания выбирается по двузначному  шифру, присвоенному студенту преподавателем; для студентов заочной формы  обучения – по двум последним цифрам шифра зачетной книжки.

При расчете принять, что в период паузы (t₅) двигатель работает в режиме холостого хода без отключения от сети.

Напряжение питающей (цеховой) сети принять в зависимости от мощности двигателя:

от 22 до 75 кВт – 380 В,

от 45 до 110 кВт – 660 В,

от 45 до 75 кВт – 380  либо 660 В (выбрать  по желанию).

Снижение напряжения в питающей сети для проверки выбранного АД на перегрузочную способность принять 10 % от номинального для всех вариантов.

Число ступеней пускового реостата для всех вариантов z = 2.

В соответствии с вариантом 99 следует:

мощности на ступенях нагрузки, кВт,

Р₁=45, Р₂=27, Р₃=40, Р₄=50,

длительность  каждой ступени нагрузки, мин,

t₁=7, t₂=14, t₃=10, t₄=13, t₅=6.

Синхронная  частота вращения АД–1500об/мин. Требуемое снижение частоты вращения на реостатной характеристике Δn=6,0%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 –  Нагрузочная диаграмма

 

 

РЕФЕРАТ

 

УДК 621.313.33(075.8)                          

 

Курсовая  работа содержит 31 страницу, 8 рисунков, 3 таблицы,  5  источников.

Асинхронный двигатель, короткозамкнутый ротор, фазный ротор, пусковой реостат, электрические  потери, тепловое состояние, эквивалентная  мощность, номинальный момент.

Объектом  исследования является асинхронный двигатель с фазным ротором.

Цель работы - расчет основных параметров и характеристик АД, изучение пусковых схем. 

В курсовой работе определена по заданной нагрузочной диаграмме электропривода,  эквивалентная мощность и выбран асинхронный двигатель с фазным ротором. Произведена проверка асинхронного двигателя с фазным ротором, на нагрев  по методу средних потерь, а так же проверка на перегрузочную способность при снижении напряжения в сети, расчет теплового режима выбранного двигателя по заданной нагрузочной диаграмме.

  Определено сопротивление добавочного  резистора, который необходимо включить в цепь ротора выбранного двигателя для снижения частоты вращения на заданную величину при номинальном моменте сопротивления. Построены естественная и реостатная характеристики выбранного двигателя.

  Рассчитаны сопротивления секций  пускового резистора и потери  электрической энергии при реостатном и прямом пуске, изучены схемы управления пуском и реверсом асинхронных двигателей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………………..6

1 Асинхронные двигатели в системах электропривода……………………………..7

1.1 Расчет эквивалентной  мощности и выбор АД ……………………………….7

1.2 Проверка выбранного  двигателя по нагреве……………………………….....8

1.3 Проверка на  перегрузку при снижении напряжения………………………..10

1.4 Расчет теплового  состояния АД………………………………………………10

1.5 Расчет механических  характеристик…………………………………..……..15

1.6 Расчет резисторов  пускового реостата…………………………………..…...20

1.7 Расчет электрических  потерь при пуске двигателя……………………..…...22

2 Управление пуском  асинхронных двигателей………………………..…...............24

2.1 Общие положения……………………………………………………………..24

2.2 Управление  пуском АД с короткозамкнутым  ротором………………….….25

2.3 Управление пуском  АД с фазным ротором в функции  времени….….…….26

3 Управление реверсом АД с  короткозамкнутым ротором ………………….….....28

Заключение……………………………………………………………………….……30

Библиографический список……………………………………………………..…....31

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Асинхронные двигатели широко используются в промышленности благодаря простоте их конструкции, надежности в эксплуатации и сравнительно низкой себестоимости.

Наиболее  простыми в отношении устройства и управления, надежными в эксплуатации, имеющими наименьшую массу, габариты и  стоимость при определенной мощности, являются асинхронные двигатели  с короткозамкнутым ротором. Их масса  на единицу мощности в 1,5-2,0 раза ниже, чем у машин постоянного тока. Чаще всего асинхронные двигатели  применяются при невысокой частоте  включений, когда не регулируют частоту  вращения или возможно ступенчатое  её регулирование.

В установках, где требуется регулирование  частоты вращения в относительно небольших пределах, необходимы плавный  пуск, хорошие тормозные качества, ограничение токов в переходных процессах и т.д., находят широкое  применение асинхронные двигатели  с фазным ротором. Характерной особенностью этих двигателей является возможность  уменьшения с помощью реостатов  их пусковых токов при одновременном  увеличении пускового момента.

При выборе двигателя по мощности следует  исходить из необходимости его полного  использования в процессе работы. В случае завышения номинальной  мощности двигателя снижаются технико-экономические  показатели электропривода, т.е. КПД  и коэффициент мощности. Если же нагрузка на валу двигателя превышает  номинальную, то это приводит к росту  токов в его обмотках, а значит и потерь мощности выше соответствующих  номинальных значений.

Для обоснованного выбора асинхронного двигателя необходимо знать, как  изменяется нагрузка на валу двигателя  во времени, что в свою очередь  позволяет судить о характере  изменения потерь мощности. С целью  определения нагрузки двигателя  большинства производственных механизмов, строятся так называемые нагрузочные  диаграммы, под которыми понимаются зависимости развиваемых двигателем момента и мощности от времени, т.е. M=f(t) и P=f(t).

Различают следующие режимы работы двигателя: продолжительный при постоянной нагрузке на валу двигателя; кратковременный; повторно-кратковременный; ударный (момент статистической нагрузки резко увеличивается  по различным законам, а затем  снижается до момента холостого  хода). 

 

1. Асинхронные двигатели в системах электропривода

1.1. Расчет эквивалентной мощности и выбор АД

 

Многоступенчатый график нагрузки, характеризующий длительный переменный режим работы электропривода (рисунок 1), можно привести к равномерному, воспользовавшись понятием эквивалентной (среднеквадратичной) мощности, кВт:

,     (1.1)

где P_i – мощность, кВт,

t_i – продолжительность нагрузки каждой   i-й ступени графика, включая паузу, мин,

 

кВт.

 

По каталогу выбираем двигатель 4АHК200L4У3, имеющий следующие параметры:

номинальная мощность        Р_н=45 кВт,

номинальное скольжение       s_н=3,5%,

КПД в номинальном режиме       h_н=90%,

кратность номинального момента               K_m=3,0;

напряжение ротора        U_р=375 В,

ток ротора           I_р=75 А,

постоянная времени нагрева       Т_н=28 мин,

суммарный момент инерции,

приведенный к валу двигателя      J=45×10^-2 кг×м².

Характеристика  двигателя 4АHК200L4У3: двигатель серии 4АК с фазным ротором; исполнение по способу защиты – IP23 – защита от проникновения внутрь оболочки предметов длинной до 80 мм и твердых тел размером свыше 12 мм; зашита от дождя; станина и щиты стальные; высота оси вращения – 200 мм; установочный размер по длине станины большой; выпускается только одна длина; число полюсов–4; климатическое    исполнение – У3, т.е. возможность эксплуатации электрической машины в зоне умеренного климата, в закрытых помещениях.

 

1.2. Проверка выбранного двигателя по нагреву

 

Выбор АД гарантирует, что  данный двигатель при заданном графике  нагрузки удовлетворяет требованиям  по нагреву, дополнительно проведем проверку.

Проверка  по нагреву производится по методу средних потерь. Для этого вначале  определяются потери в номинальном  режиме по данным каталога:

Потери в номинальном режиме, кВт:

 

,     (1.2)

 

где Р_н – номинальная мощность выбранного АД, кВт,

η_н – КПД в номинальном режиме по каталогу.

 

кВт.

 

Найденные потери 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 х.х., включающие  в себя потери в стали, механические  и дополнительные,

-переменные  потери в обмотках, изменяющиеся  с изменением нагрузки.

В большинстве случаев соблюдаются  следующие соотношения:

 

,    (1.3)

 

                                 ,     (1.4)

 

где P_м – потери в меди обмоток при номинальной нагрузке, кВт,

P₀ – потери х.х. (постоянные потери), кВт.

 

кВт,

   

   кВт.

 

Потери в обмотках являются переменными, они пропорциональны  квадрату тока или квадрату коэффициента нагрузки.

Коэффициенты  нагрузки по ступеням графика:

 

,                     (1.5)

где P_i – мощность i-й ступени нагрузки,

К_нi – коэффициент нагрузки i-й ступени.

 

 кВт,

кВт,

 кВт,

  кВт,

 кВт.

 

Потери  на каждой ступени графика нагрузки, кВт:

 

,                 (1.6)

кВт,

кВт,

кВт,

кВт,

кВт.

 

 

Средние потери за цикл, кВт: 

                                   ,                                                 (1.7)

 

 

кВт.

 

                          

Проверка  выбранного двигателя по нагреву  заключается в проверке условия:

 ,      (1.8)

     4,09 кВт < 5 кВт.

В нашем случае условие выполняется, в результате чего двигатель не будет перегреваться.

1.3. Проверка на перегрузку при снижении напряжения

 

В заводских силовых электрических  цепях допускается снижение напряжения на 10%. Естественно, что при таком  снижении напряжения оборудование не должно терять работоспособность. 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. Иногда может быть и большее понижение  напряжения.