Построение и расчет статических характеристик электропривода системы генератор-двигатель системы Г-Д

Министерство образования и Науки Украины

Тема проекта:

«Построение и расчет статических характеристик электропривода системы генератор-двигатель системы Г-Д»

1. Исходные данные

2. Описание работы электропривода системы генератор-двигатель

3. Выбор генератора

4. Расчет и построение статических характеристик электропривода

5. Определение динамических параметров для электродвигателя

6. Определение коэффициента форсировки

7. Расчет резисторов в цепи обмотки возбуждения генератора

7.1 Определение сопротивления разрядного резистора R4

7.2 Определение сопротивления резисторов R1, R2, R3

Заключение

1. Исходные данные (вариант № 5)

Тип электродвигателя Д-32

Номинальная мощность Р_ном 12 к Вт

Номинальная скорость n_ном 770 об/мин.

Номинальный ток I_ном 65 А

Суммарное сопротивление электродвигателя R_я.д.+R_дп.д. 0,28 Оm

Число активных проводников W_я.д. 558

Число параллельных ветвей якоря 2а 2

Число полюсов 2р 4

Момент инерции якоря J_д 0,425 кг· м²

Коэффициент инерции привода К_j 1,6

Коэффициент нагрузки привода К_з 1

2. Описание работы электропривода системы генератор-двигатель

Схема управления силовой частью системы Г-Д (рисунок 2.1) обеспечивает две рабочие скорости вращения двигателя М1: основную (номинальную) _дном и половинную, равную 0,5_дном. Управление системой осуществляется с помощью командоаппарата S5, имеющего пять положений. Когда S5 находится в положении 1, двигатель М1 работает на основной характеристике, переключение в положение 2 обеспечивает вращение двигателя с половинной скоростью. В положении 3 обмотка возбуждения генератора LG1.2 отключена. В положениях 4 и 5 двигатель М1 вращается в противоположном направлении (реверс) соответственно с половинной и основной скоростью. При номинальной скорости вращения электродвигателя М1 в цепь возбуждения генератора LG1.2 включены резисторы R1 и R2, при половинной скорости — R1, R2, R3. Пуск электродвигателя осуществляется с форсировкой возбуждения генератора, выполняемой закорачиванием на время переходного процесса резисторов R2 и R3 контактами контактора К5. Отключение форсировки выполняется с помощью реле напряжения К6 и К7, включенных на шины генератора G1 и настроенных на напряжения срабатывания, соответствующие значениям выбранной скорости двигателя. Останов электродвигателя происходит при переводе командоаппарата в положение 3, при этом гашение энергии магнитного поля возбуждения генератора осуществляется в разрядном контуре «обмотка возбуждения LG1.2 — разрядное сопротивление R4».

Схема обеспечивает ряд защит электропривода:

— от снижения тока возбуждения двигателя ниже допустимого — с помощью реле обрыва поля К9;

— от превышения напряжения генератора выше допустимого — реле К8;

— максимальную токовую защиту — реле К11;

— нулевую защиту (от самозапуска ЭП после кратковременного исчезновения напряжения в сети переменного тока) — реле К1.

Все реле защиты воздействуют на реле нулевой защиты К1, отключающее обмотку возбуждения генератора.

Рисунок 2.1 — Схема электрическая принципиальная системы Г-Д

3. Выбор генератора Выбор генератора производится по номинальным данным двигателя, при этом номинальное напряжение генератора должно быть приблизительно на 5% больше напряжения двигателя, а

I_н.г. ???I_н.д. (3.1)

где I_н.г., I_н.Д. — номинальный ток соответственно генератора и двигателя, А.

В соответствии с выше переведенными рекомендациями я выбрала такой генератор:

Тип генератора П71

Номинальный ток генератора I_н.г. 69.5 А Число витков обмотки якоря W_я.г. 297

Сопротивление якоря R_я.г. 0,224 Ом Число витков обмотки последовательного возбуждения W_{О, В.г.} 14

Сопротивление ОПВ R_о.вз.г 0,0115 Ом Число витков обмотки возбуждения W_в.г. 950

Сопротивление обмотки возбуждения R_в.г. 43 Ом Номинальное напряжение U_н.г. 230 В Номинальная скорость n_н.г. 1450 об/мин Число пар полюсов 2р 4

Число параллельных ветвей 2а 4

Таблица 3.1- Кривая намагничивания генератора

Рисунок 3.1 — График зависимости Ф_г. н.=f (I_в.г.н.)

Построим характеристику ЭДС холостого хода генератора при номинальной скорости вращения генератора. ЭДС холостого хода генератора определяем по соотношению:

(3.2)

где E_г. -ЭДС генератора, В;

К_г. — конструктивный коэффициент генератора;

Ф_г. — поток возбуждения, Вб;

_г. н. — номинальная угловая скорость вращения якоря генератора, рад/с.

(3.3)

где n — номинальная скорость генератора, об/мин.

Конструктивный коэффициент генератора К_г определяется по формуле:

(3.4)

где W_я — число витков обмотки якоря генератора;

р — число пар полюсов обмотки возбуждения генератора;

а — число параллельных ветвей обмотки якоря генератора.

Ток возбуждения генератора I_в.г, А:

(3.5)

где F — магнитодвижущая сила, А;

W_ов.г. — число витков обмотки возбуждения генератора.

Результаты расчетов для построения зависимости свести в табл. 3.2

Таблица 3.2- Расчет характеристики холостого хода генератора

Рисунок 3.2 — Характеристика ЭДС холостого хода генератора

4. Расчет и построение статических характеристик электропривода Статические характеристик (электромеханическая ??f (I_Я) и механическая?? f (М)) рассчитываются по известным соотношениям для двигателя постоянного тока независимого возбуждения:

(4.1)

(4.2)

где К_Д. — конструктивный коэффициент двигателя;

Ф_Н..Д. — номинальный поток его возбуждения, Вб;

— суммарное сопротивление якорной цепи, Оm.

Суммарное сопротивление якорной цепи R_я определяется суммой всех сопротивлений элементов силовой цепи, включенных последовательно с якорем генератора:

= К_Т· (R_ЯД + R_ДПД+ R_ЯГ+ R_ПР+ R_ДПГ) + 4R_Щ, (4.3)

=К_Т· (R_ЯД + R_ДПД) + 2R_Щ, (4.4)

где К_Т — температурный коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления при нагреве, К_Т — 1,24;

R_ЯД, R_ЯГ — сопротивление якорной цепи двигателя и генератора, Оm;

R_ДПГ, R_ДПД — сопротивление дополнительных полюсов генератора и двигателя, Оm;

R_Щ — сопротивление щеточных контактов, Оm;

R_ПР — сопротивление соединительных проводов, Оm.

(4.5)

где U_Щ — падение напряжения в щеточных контактах, считаем неизменным 1 В.

При определении R_пр длину соединительных проводов принять — l=25 м, провода считать медными:

(4.6)

где с — удельное сопротивление Оммм²/м (для меди = 0,017);

l — суммарная длина соединительных проводов, м;

j — допустимая плотность тока, j = 4 А/мм²

I_Н.Д. — ток якорной цепи системы Г-Д, А

; Оm;

Окончательное суммарное сопротивление якорной цепи будет иметь вид:

=1,24(0,805+0,655+0,77+0,309)+4_*0,145=0,902 Оm;

=1,24· 0,28+2·0,0153=0,0129 Оm;

Произведение (К_Д.· Ф_Н.Д.) определяем по паспортным данным двигателя:

(4.7)

— номинальная угловая скорость вращения двигателя

(4.8)

Статический момент сопротивления находится из соотношения:

М_С=К_З· М_ЭМ.Н= 1· 148,88 = 148,88, (4.9)

где К_З — коэффициент нагрузки;

М_ЭМ.Н. — номинальный электромагнитный момент двигателя М1, Н· м.

_, (4.10)

Номинальный момент на валу двигателя:

(4.11)

где Р_Н.Д.- номинальная мощность, Вт Для обеспечения необходимой скорости вращения двигателя ЭДС генератора должна превышать ЭДС двигателя на величину падения напряжения в сопротивлении якорной цепи:

Е_Г=(К_Д.· Ф_Н.Д.)?· ?_Н.Д.?I_Я.·R_Я??? ??.12?

где I_Я. — ток двигателя, А.

Ток статической нагрузки, А:

I_Я.= I_Н.Д.· К_З.=65· 1=65, (4.13)

Е_Г=2,43· 80,6+65·0,724=242,723 В, Для построения статических характеристик двигателя необходимо знать всего две точки, так как они представляют собой прямую линию. В качестве таких точек удобно принять точки:

Точка идеального холостого тока (М=0, I_я=0),

Точка, в которой М=М_С со скоростью вращения ???_Н.Д.

Точка, в которой I_я.= I_Н.Д. со скоростью вращения ???_Н.Д.

Также не обходимо построить статические характеристики при ЭДС генератора работающей при половиной скорости от номинальной.

Е_Г/0,5=(К_Д.· Ф_Н.Д.)?· ?_Н.Д/2_.?I_Я.·R_Я??? В ??.15?

Е_Г/0,5=2,43· 40,3+65·0,721=144,794

Расчет естественной характеристики:

Рисунок 5.1- Электромеханические характеристики систем Д-Г и Д Рисунок 5.2- Механические характеристики систем Д-Г и Д

5. Определение динамических параметров для электродвигателя Динамическими называются параметры, определяющие характер протекания переходных процессов.

При расчете пренебрегают электромагнитной инерционностью якорной цепи, реакцией якорей генератора и двигателя, влиянием вихревых токов с учетом этих допущений к динамическим параметрам системы генератор-двигатель относятся:

Электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения генератора

(5.1)

Электромеханическая постоянная времени электропривода — Т_М

(5.2)

где J_Д — приведенный к валу двигателя эквивалентный момент инерции всей системы ЭП, кгм²

J_Д=K_J· J_Д.=2·10,25=20,5, (5.3)

где K_J — коэффициент инерции привода;

J_Д — момент инерции якоря привода, кг· м².

где L_ВСР — индуктивность обмотки возбуждения, Гн;

R_ВГ — активное сопротивление обмотки возбуждения, Оm.

Индуктивность обмотки возбуждения является переменной величиной и зависит от тока возбуждения. Пользуясь кривой намагничивания Ф_Г=f (F), найдем зависимость L_B=f (I_В.Г.) по формуле:

(5.4)

где Ф_Н.Г, I_ВГ.Н — номинальное значение потока и тока возбуждения генератора;

?_н — коэффициент рассеивания магнитного потока при номиналом режиме. ?_н = 1,1.

Расчеты по формуле (5.4) удобно свести в таблицу 5.1

Таблица 5.1- Расчет индуктивности обмотки возбуждения

По данным таблицы 5.1 строим зависимость .

(5.5)

Рисунок 5.1-Расчет L_В.СР.

L_ВСР= 7,9 Гн,

.

6. Определение коэффициента форсировки Для сокращения длительности переходного процесса в системе генератор-двигатель используется методы форсированного изменения тока возбуждения. Как правело, форсировка возбуждения осуществляется за счет приложения повышенного напряжения U_C к цепи возбуждения генератора на период разгона двигателя до основной скорости.

U_C=K_Ф· ·U_В, (6.1)

где K_Ф — коэффициент форсировки;

U_В — напряжение на обмотке возбуждения генератора в установившемся режиме, В.

U_В=I_ВГН· ·R_ВГ=4,68·43=201,24, (6.2)

Предварительное значение коэффициента форсировки определяем из условия, что K₁ во время форсировки закорочено, и максимальный ток якоря I_я мах во время пуска не превысит допустимого I_ДОП=2,25· I_Д.Н.= 146,25 А.

(6.3)

где I_КЗ — ток КЗ при ЭДС генератора, обеспечивающей номинальную скорость вращения двигателя, А.

I_КЗ=Е_Г1/R_Я?=242,7/0,721=336,615_?, (6.4)

где Е_Г1— ЭДС генератора, обеспечивающая основную скорость вращения двигателя, В.

I_С=К_З · I_НД=1 · 65=65, (6.5)

где I_С — ток статической нагрузки, А

U_C = 1,23 · 201,24=247,52 В, Принимаем ближайшее большее стандартное значение U_C. Данное условие удовлетворяет нашим условиям так как U_C =440.

7. Расчет резисторов в цепи обмотки возбуждения генератора

7.1 Определение сопротивления разрядного резистора R4

При выборе разрядного резистора R4 необходимо выполнить два условия.

Во-первых, допустимое перенапряжение на обмотке возбуждения генератора в момент ее отключения, находящейся под номинальным током, не должно превышать десятикратного номинального напряжения возбуждения, т. е.

I _н.г R4 10U_г.н. (7.1.1)

С учетом (2.32) для величины сопротивления R4 можно записать первое условие:

R4 10U_вн / I_вгн, (7.1.2)

или:

R4 10R_вг. (7.1.3)

Во-вторых, максимальное значение тока якорной цепи при этом не должен превышать допустимого по условиям коммутации:

I_яmax kI_д.н, (7.1.4)

где k — коэффициент перегрузки по току, k=2,28.

Для расчета R4 пользуются упрощенной зависимостью:

(7.1.5)

где Т_во — постоянная времени обмотки возбуждения при ее отключении,

Т_во=L_вср/(R_вг+R4), c.

С учетом условия (6.1.4) выражение (6.1.5) преобразуется к виду:

(7.1.6)

где n=R4/R_вг.

Из (7.1.6) найдем n, для этого сначала найдем левую часть равенства:

Теперь из равенства (7.1.6) найдем n, методом подбора Таблица 7.1.1- опредиленеи n:

Рисунок 7.1.1-График зависимости =f (n)

R4=n· R_в.г.=7,79·43=335 Ом

7.2 Определение сопротивления резисторов R1, R2, R3

Резистор R1 при форсированном пуске служит для гашения избытка сетевого напряжения (напряжение генератора-возбудителя) В,

U_изб = U_с — К_фU_вр. (7.2.1)

U_изб=440−1,22· 201,24=194,5

Сопротивление резистора R1 можно определить по формуле

(7.2.2)

где I_вф, А — установившееся значение тока в цепи возбуждения при форсировке;

I_вф = К_фI_вг +I_R4, (7.2.3)

где I_ВГ, A — ток возбуждения генератора при форсировке:

I_ВГ=К_Ф· I_вг=1,22· 4,68=5,709,

где I_R4, А — ток в разрядном сопротивлении R4, определяемый соотношением

I_R4=К_фU_вр/R4=247,52/335=0,732, (7.2.4)

Таким образом ток в цепи возбуждения при форсировке, A:

I_вф=5,709+0,732=6,44,

Сопротивление резистора: Ом

Уточненное значение R₁ определяют по формулам:

(7.2.5)

Где:, (7.2.6)

(7.2.7)

Таблица 7.2.1 — опредиление сопротивления R1

(7.2.8)

Учитываем то, что К `<sub>ф</sub> не должно быть больше единицы, поэтому R1=45,3 Ом (выбираем из условия при К `_ф=1). В этом случае форсировка будет реализована посредством постоянно включенного сопротивления R1, а сопротивление R2 будет отсутствовать.

Сопротивление резистора R3 находят из условия получения половинной скорости вращения двигателя:

(7.2.9)

где I_вг0,5 — ток возбуждения генератора, обеспечивающий половинную скорость вращения, А. I_вг0,5=1,98

.

Заключение

Целью данного курсового проекта было закрепление и углубление теоретических знаний по электромагнитным и электромеханическим свойствам машин постоянного тока, а также изучение физических явлений в системе генератор-двигатель (Г-Д) при переходных режимах, овладение аналитическим методом расчета переходных процессов (п.п.) в нелинейной электромеханической системе электропривода (ЭП) и исследование влияния параметров системы на характер переходных процессов.

Управление по системе «генератор — двигатель» выгодно отличается тем, что оно не требует применения силовых контакторов, реостатов и т. п. Поскольку управление двигателем осуществляется путем регулирования сравнительно небольших токов возбуждения, оно легко поддается автоматизации. Независимое возбуждение генератора обеспечивает широкое, плавное и экономичное изменение напряжения на зажимах якоря двигателя.

Недостатками данной системы являются низкое к.п.д., большая установленная мощность из-за наличия трех машин.

Список источников информации

1. Чиликин М. Г. и др. Основы автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1974. -567 с.

2. Ключев В. И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1985. -560 с.

3. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. -М.: Наука. Гл. ред. физ.мат. лит., 1981. -720 с.

4. Андреев В. П., Сабинин Ю. А. Основы электропривода. -М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. -722 с.

5. Попович М. Г., Борисюк М. Г., Гаврилюк В. А. та ін. Теорія електропривода. -К.: Вища шк. 1993. -494 с., іл.

6. Методические указания по выполнению курсового проекта по курсу «Теория автоматизированного электропривода» для студентов специальностей 7.92 203 (7.92 206, 7.90 803) /Сост. Клепиков В. Б., Горохов А. Г., Шамардина В. Н., Касторный П. М. — Харьков: НТУ «ХПИ», 2003. — с.