Расчет работы электропривода

В современном промышленном и сельскохозяйственном производстве, на транспорте и коммунальном хозяйстве, в быту применяют самые разнообразные технологические процессы, для реализации которых человеком созданы тысячи различных машин и механизмов.

Механическая энергия вырабатывается приводом, который преобразовывает другие виды энергии. В современном промышленном производстве, коммунальном хозяйстве и в быту наибольшее применение нашел электрический привод, на долю которого приходится более 60% потребляемой в стране электроэнергии.

Такое широкое применение электропривода объясняется целым рядом его преимуществ по сравнению с другими видами приводов: использование электрической энергии, распределение и преобразование которой в другие виды энергии, в том числе и в механическую, наиболее экономично; Большой диапазон мощности и скорости движения; разнообразие конструктивного исполнения, что позволяет рационально соединять привод с исполнительным органом рабочей машины и использовать ее для работы в сложных условиях.

Возможности использования современных электроприводов продолжают постоянно расширяться за счет достижений в смежных областях науки и техники.

Задание для работы

• 1.1 Для главного привода подъемного механизма, выполненного по кинематической схеме, приведенной на рис. 1, в соответствии с индивидуальным заданием выбрать асинхронный электродвигатель (АД) с фазным ротором, тип и марку редуктора. Режим работы электропривода — повторнократковременный (S3).
• 1.2. Рассчитать сопротивления ступеней пускового реостата и определить пусковой ток в роторе электродвигателя и в сети.
• 1.3. Разработать схему автоматического управления пуском электродвигателя в функции параметра (тока, времени, скорости), указанного в задании. Количество ступеней пускового реостата должно соответствовать расчету (см. п. 1.2). двигатель электропривод механический энергия

Выбрать необходимую аппаратуру защиты и управления.

• 1.4. Для главного привода подъемного механизма определить сопротивления, которые требуется ввести в цепь ротора, чтобы груз двигался на подъем и на спуск со скоростью, равной 0,5 заданного значения. Построить искусственные механические характеристики и определить ток в роторе и в сети при указанных режимах работы.
• 2.1. Для привода подъемного механизма выбрать асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором с повышенным скольжением. Режим работы электропривода — S3. Построить естественную механическую характеристику и характеристики при напряжениях 0,5; 0,7 и 0,9 номинального значения.
• 2.2. Для привода подъемного механизма выбрать асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором основного исполнения. Режим работы электропривода — S3
• 2.3. Определить время пуска электродвигателя, выбранного в п. 2.2, и построить зависимости щ = ц (t) и Mдв = ш (t).
• 2.4. Для электродвигателя, выбранного в п. 2.2, определить допустимое число включений в час.
• 3.1. Для привода подъемного механизма выбрать асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором с повышенным пусковым моментом, считая, что режим работы электропривода — кратковременный (S2) и время работы составляет 15 мин.
• 3.2. Определить превышение температуры двигателя в конце указанного времени работы.
• 4.1. Рассчитать параметры схемы замещения по каталожным данным асинхронного электродвигателя, выбранного в п. 2.2.
• 4.2. Построить механические характеристики двигателя при частотном регулировании скорости по закону

для частоты 10, 25, 50 и 100 Гц.

Дано :

1.1 С целью правильного выбора мощности электродвигателя подъемного механизма следует построить нагрузочную диаграмму, для этого необходимо определить мощность сопротивления, время работы и паузы :

где — масса груза, кг;

— скорость груза, м/с;

— ускорение свободного падения, м/с;

— КПД передачи;

(2).

где — время цикла работы ();

— продолжительность включения, %;

(3).

Выбор мощности электродвигателя производится по условию:

(4).

где — номинальная мощность двигателя, кВт;

— эквивалентная мощность по нагрузочной диаграмме, определяемая по выражению.

(5).

где — коэффициент ухудшения охлаждения двигателя в период паузы ().

Выбираем двигатель с фазным ротором 4АК180М4.

Для обеспечения надежного пуска двигателя следует сделать проверку по условию.

(6).

— действительное напряжение при пуске, о.е.;

(7).

— действительное напряжение при пуске, В;

— номинальное напряжение сети, В;

— пусковой момент электродвигателя (), который принимается равным 0,8…0,9 момента критического;

(8).

— момент трогания рабочего органа подъемного механизма (), который приближенно можно определить по выражению.

(9).

где — номинальная угловая скорость электродвигателя, с^-1.

(10).

— момент номинальный двигателя.

1.2 Расчет сопротивления ступеней пускового реостата. Построение естественной механической характеристики по полной формуле Клосса:

(11).

где — критический (максимальный) момент электродвигателя, ;

(12).

— кратность критического момента;

(13).

— активное сопротивление обмотки статора, Ом;

— приведенное активное сопротивление обмотки статора, Ом;

— текущее значение скольжения электродвигателя;

— критическое скольжение электродвигателя.

(14).

— номинальное скольжение электродвигателя.

(15).

— синхронная частота вращения, об/мин;

— номинальная частота вращения, об/мин;

Переход от скольжения S к угловой скорости щ производят, используя формулу.

(16).

где — синхронная угловая скорость электродвигателя, с^-1. Построение пусковой диаграммы ледует начинать с определения максимального и переключающего (минимального) моментов:

(17).

(18).

где — момент сопротивления подъемного механизма, ;

(19).

После построения пусковой диаграммы необходимо определить масштаб сопротивления :

(20).

где — номинальное сопротивление ротора, Ом;

(21).

— ЭДС между кольцами неподвижного разомкнутого ротора, В;

— номинальный ток ротора, А;

— отрезок на пусковой диаграмме, соответствующий номинальному сопротивлению ротора, мм.

Тогда сопротивления ступеней пускового реостата.

(22).

всего реостата:

(23).

Пусковой ток ротора :

(24).

Определение пускового тока в сети основывается на соотношении:

(25).

1.3 Для управления асинхронными двигателями широко используются релейно-контактные аппараты. При релейно-контактном управлении электродвигателем процесс его пуска обычно автоматизируется, что устраняет возможные при ручном управлении ошибки. Для пуска электродвигателя от персонала в этом случае требуется лишь нажать кнопку управления или повернуть в рабочее положение рукоятку командоконтроллера. У асинхронных электродвигателей с фазным ротором пусковые резисторы шунтируются по ступеням при помощи контакторов, управление которыми осуществляется в функции тока.

Схема управления пуском трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором в функции частоты вращения. При таких схемах управления к валу двигателя присоединено реле частоты вращения SR с контактами SR, которые замыкаются при определенной частоте вращения (рис. 4). При нажатии на кнопку SB2 ток проходит по катушке пускателя КM1, который в свою очередь при помощи двух контакторов вспомогательной цепи шунтирует кнопку. SB2 и присоединяет катушку реле блокировки КL к сети. Реле блокировки замыкает свои контакты и подготавливает схему для дальнейшей работы. При пуске двигателя в цепи обмотки ротора включено все сопротивление пускового резистора. Через некоторый промежуток времени, при достижении определенной частоты вращения, замыкаются контакты SR1, по катушке контактора ускорения КМ2 протекает ток и его контакты закорачивают часть сопротивлений, при дальнейшем увеличении частоты вращения SR2 и срабатывает контактор КМ3 и его контакты закорачивают оставшиеся пусковые сопротивления. Контакт вспомогательной цепи контактора КМ3 шунтирует контакты реле частоты вращения SR.

Для коммутации в цепи автоматического отключения электродвигателя при коротком замыкании предлагается автоматический выключатель. Выбор осуществляется по следующим условиям:

· по номинальному напряжению.

(27).

· по номинальному току выключателя.

(28).

· по номинальному току теплового расцепителя.

(29).

Предлагается автоматический выключатель ВА-57−31.

Для управления асинхронным двигателем предлагается установить магнитный пускатель, выбираемый по номинальному напряжению:

по номинальному току :

Предлагается пускатель ПМЛ 3000.

Для защиты электродвигателя от перегрузок пускатель комплектуется тепловым реле РТЛ-2055 с током несрабатывания 30…41 А.

1.4 Скольжение двигателя при работе на подъем.

(30).

где — угловая скорость при работе на естественной характеристике при; на спуске груза:

(31).

Добавочное сопротивление, введенное в цепь ротора, при работе на подъем:

(32).

где — скольжение при работе на естественной характеристике.

(33).

Добавочное сопротивление, введенное в цепь ротора, при работе на спуск:

(34).

Построение искусственной характеристики при подъеме груза:

(35).

Скольжение при номинальном моменте :

(36).

2.1 Повторность включения,. Так как продолжительность включения нестандартная, то найденное значение мощности сопротивления пересчитаем на ближайшее большее стандартное значение продолжительности включения:

(37).

где — стандартное значение относительной продолжительности включения (), о.е.;

— фактическое значение относительной продолжительности включения, о.е.;

— мощность сопротивления при значении, кВт;

— мощность сопротивления, приведенная к ближайшему большему стандартному значению, кВт; - коэффициент потерь.

По полученному значению надо выбрать двигатель так, чтобы мощность двигателя при стандартной продолжительности включения удовлетворяла условию :

(38).

Выбираем двигатель с повышенным скольжением 4АС132М4.

По условию надежного пуска:

(39).

Условие пуска выполняется, двигатель выбран верно.

Построение естественной механической характеристики по характерным точкам:

где — кратность минимального момента;

— кратность пускового момента;

— кратность критического момента;

— угловая скорость при минимальном моменте, с^-1.

Критическое скольжение :

(41).

Номинальное скольжение :

Расчет искусственных характеристик :

При.

Пересчет моментов производится по формуле :

(42).

Таким образом при.

при.

при.

2.2 Выбор асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором основного исполнения производится аналогично электродвигателю с фазным ротором.

Выбираем двигатель с повышенным скольжением RA160ML4.

По условию надежного пуска:

Условие пуска выполняется, двигатель выбран верно.

2.3 Для определения времени пуска построим механическую характеристику двигателя по характерным точкам:

Критическое скольжение :

Номинальное скольжение :

Приведенный к валу электродвигателя момент сопротивления подъемного механизма :

Приведенный к валу электродвигателя момент энергии системы «двигатель — подъемный механизм»:

(43).

где — коэффициент, учитывающий момент инерции механической передачи (к=1,2).

— момент инерции барабана подъемного механизма, ;

— момент инерции ротора электродвигателя, ;

— передаточное отношение редуктора;

(44).

— номинальная скорость барабана подъемного механизма, с^-1;

(45).

V — скорость подъема груза, м/с;

d — диаметр барабана, м;

m — масса груза, кг.

Используя построенные механические характеристики электродвигателя и подъемного механизма, строят кривую динамического момента на основе соотношения.

.

Затем кривую динамического момента заменяют ступенчатой линией с участками по скорости на которых динамический момент постоянен и равен его средней величине .

Тогда время пуска на каждом участке :

(46).

где — интервал скорости на i-м участке, с^-1;

Полное время пуска.

Запишем ряд нарастающих значений угловой скорости и соответствующие им нарастающие значения времени.

2.4 Допустимое число включений в час для электродвигателя подъемного механизма рассчитывается по формуле:

(47).

где — номинальные потери мощности, Вт;

— фактические потери мощности (при нагрузке Р_с), Вт;

— коэффициент ухудшения охлаждения;

— потери энергии в двигателе при пуске, Дж.

Номинальные потери мощности:

(48).

где — номинальный КПД электродвигателя.

Фактические потери мощности (при нагрузке Р_с):

(49).

где — постоянные потери мощности в электродвигателе, Вт;

— переменные потери мощности в электродвигателе, Вт.

Постоянные и переменные потери могут быть найдены путем решения системы уравнений :

(50).

Потери энергии при пуске :

(51).

3.1 Для полного использования электродвигателя по нагреву при работе в кратковременном режиме его следует выбирать исходя из условия :

(52).

Выбираем электродвигатель с повышенным пусковым моментом 4АР180S4 :

Для количественной оценки перегрузки используются коэффициенты термической и механической перегрузок :

(53).

(54).

где — время работы, мин;

— постоянная времени нагрева, мин;

— коэффициент потерь.

(55).

где С — теплоемкость двигателя, Дж/°С;

(56).

— удельная теплоемкость, ;

— масса электродвигателя, кг;

А — теплоотдача двигателя,.

(57).

— номинальные потери мощности в двигателе, Вт;

— допустимое значение превышения температуры, соответствующее классу нагревостойкости изоляции.

Так как двигатель загружен по нагреву, поэтому определяющим является нагрев.

По номинальной мощности и коэффициенту механической перегрузки определяем мощность, которую развить двигатель не перегреваясь:

(58).

Условие.

Проверяем двигатель по условию надежного пуска :

Условия выполняются.

3.2 Превышение температуры двигателя в конце работы :

(59).

где — установившееся значение превышения температуры электродвигателя при нагрузке, ;

(60).

— потери мощности при нагрузке, кВт;

(61).

— номинальные потери мощности, кВт.

4.1 Активное сопротивление статора определим из уравнения:

(62).

Определяем значение переменных потерь из системы:

Сумму реактивных сопротивлений статора и ротора.

(63).

где — номинальное фазное напряжение сети, В.

Потери мощности в роторе в номинальном режиме с одной стороны определяются :

(64).

С другой стороны,.

(65).

Тогда номинальный ток ротора :

(66).

Номинальный ток ротора можно определить также из упрощенной Г-образной схемы замещения :

(67).

Прировняв правые части выражений (66) и (67) получим :

(68).

4.2 С целью построения механических характеристик при частотном регулировании для каждого значения частоты достаточно определить синхронную частоту, критическое скольжение и соответствующую ему скорость, критический момент .

• 1. Чиликин М. Г., Сандлер А. С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981.
• 2. Москаленко В. В. Электрический привод. М.: ACADEMIA, 2005
• 3. Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А. С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979.