Расчет характеристик электропривода насоса Д4000-95

Министерство образования Российской Федерации Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова.

Технический институт Электротехнический факультет Кафедра: «Системы автоматического управления электроприводами»

Дисциплина: «Автоматизированный ЭП ПМ и ТК»

Курсовая работа

На тему: «Расчет характеристик электропривода насоса Д4000−95»

Выполнил студент: группы ЭТ4104

Илюшев И.В.

Принял преподаватель: профессор, к.т.н.

Ларионов В.Н.

Чебоксары 2008

Содержание работы:

1. Задание на курсовую работу

2. Построение характеристик насоса для скорости, отличной от номинальной

3. Выбор двигателя и асинхронного вентильного каскада (АВК)

3.1. Выбор двигателя

3.2. Выбор АВК

4. Определение показателя степени магистрали

5. Расчет и построение механических характеристик

6. Расчет потерь скольжения, потерь в роторе

7. Расчет мощности, потребляемой из сети приводом, при регулировании задвижкой и с помощью асинхронного вентильного каскада Список литературы.

Настоящий период жизни общества характеризуется высоким уровнем развития средств производства, транспорта, связи, бытовой техники. Для обеспечения растущих потребностей человечества созданы, продолжают разрабатываться и совершенствоваться сотни тысяч рабочих машин, производственных и бытовых механизмов, подъемно-транспортных средств и т. д. Если рассмотреть асинхронные двигатели, то они являются одним из распространенным видом электродвигателя не только в промышленности, но и в сельском хозяйстве.

Двигатели с фазным ротором используются для привода механизмов, требующих регулирования частоты вращения, а также механизмов с тяжелыми условиями пуска. Например насос Д4000−95 предназначен для перекачивания воды и жидкостей имеющих сходные с водой свойства по вязкости и химической активности. Температура перекачиваемой жидкости до 88 °C. Перекачиваемая жидкость не должна содержать твердые включения по массе более 0,05% с размерами включений до 0,2 мм и микро твердостью до 6,5 ГПа.

При данных характеристиках насоса и сети существует только одна точка, отвечающая условиям устойчивого равновесия. Величина водопотребления, как правило, изменяется со времени, в соответствии с чем должна перемещаться рабочая точка системы. С этой целью необходимо регулировать подачу насоса. В связи с тем, что рабочая точка системы определяется характеристиками, как насоса так и сети, то регулировать подачу можно за счет изменения характеристики сети (количественный метод) или за счет изменения характеристики насоса (качественный метод).

Задание на курсовую работу.

Характеристики насоса Д4000−95

Частота вращения — 980 об./мин.

Рис. 1 Характеристики насоса Д 4000−95.

2. Построение характеристик насоса для скорости, отличной от номинальной.

Характеристики строятся из следующих равенств:

Возьмем следующие соотношения:

, ,

Характеристика магистрали, подключенной к насосу, строится в соответствии с выражением:

где — статический напор магистрали;

— коэффициент сопротивления магистрали.

Имея номинальный режим работы насоса и значение статического напора, получим уравнение характеристики магистрали:

Получены следующие характеристики:

Рис. 2. Характеристики насоса для скоростей, отличных от номинальной.

3. Выбор двигателя и асинхронного вентильного каскада (АВК).

3.1. Выбор двигателя.

Точку, А примем за точку, на которой работает насос, т. е. для этой точки рассчитаем требуемую мощность двигателя по следующей формуле:

где — удельный вес жидкости [кг/м²];

— КПД насоса.

Отсюда следует, что необходимая мощность двигателя P_двиг.>1017,33 кВт.

Учтем коэффициент запаса k_зап.=1,2.

Отсюда получим P_двиг.? P_двиг.· k_зап =1017,33· 1.2=1220,796 кВт.

Выбираем асинхронный двигатель серии АК4 напряжением 6 кВ.

Параметры двигателя:

Тип двигателя АК4−1250−6-1000-у3

Номинальная мощность, P_2Н, кВт. 1250

Номинальное фазное напряжение, U_1Н, В. 6000

Синхронная скорость вращения, n_c, об./мин. 1000

Коэффициент полезного действия, 0,944

Коэффициент мощности, 0,87

Масса двигателя, m_двиг, кг. 5350

Номинальное скольжения, s_nom 0,015

Критическое скольжение, s_к 0,083

Тока статора, I_c, А. 120

Ток ротора, I_р, А. 690

Отношение M_макс /M_ном 2,1

Напряжение ротора, U_р, В. 910

Маховой момент, Н· м² 204

Рис. 3. Габаритные, установочные, присоединительные размеры.

Электродвигатели переменного тока с фазным ротором серии АК4 предназначены для привода механизмов с тяжелыми условиями пуска и требующих регулирования частоты вращения:

* для механизмов, момент которых не зависит от частоты вращения, регулирование частоты вращения допускается в диапазоне (1,0 — 0,8)· nnom

* для механизмов, момент которых изменяется по вентиляторной характеристике, регулирование частоты вращения допускается в диапазоне (1,0 — 0,5)· nnom

Двигатели предназначены для работы от сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 6000 В и 3000 В. Пуск двигателей от полного напряжения сети с включенными в цепь ротора пусковыми сопротивлениями с помощью станции управления. Соединение двигателей с приводным механизмом осуществляется посредством упругой муфты. Двигатели имеют подшипники качения с пластичной смазкой. Изоляционные материалы обмотки статора и ротора класса нагрево-стойкости «F» с температурным использованием по классу «В». Изоляция обмотки статора термореактивная типа «Монолит2». Катушки изолируют непропитанной слюдинитовой лентой и укладывают в статор. Обмотанный статор погружают в котел и пропитывают вакуумно-нагнетательным методом в эпоксидном компаунде, после чего запекают в печи. Обмотка статора имеет шесть выводных концов, закрепленных на четырех изоляторах в коробке выводов. В АД серии АК4 с фазным ротором в качестве обмоточного провода ротора используют медную шину, фазный ротор имеет полузакрытые пазы. Обмотка ротора — двухслойная стержневая волновая. Сердечник статора запрессован в станине между двумя нажимными шайбами и закреплен с помощью упорных шпонок и сварных швов. Пазы статора открытые. Соединение фаз обмоток звезда. Двигатели допускают правое и левое направление вращения. Изменение направления вращения осуществляется только из состояния покоя. Сердечник ротора запрессован между двумя нажимными шайбами и закреплен призматической и кольцевой шпонками. Сердечники роторов имеют радиальные (аналогично статору) и аксиальные вентиляционные каналы. Подшипниковые щиты выполнены литыми из чугуна. Двигатели имеют однорядные подшипники качения. Со стороны рабочего конца вала установлен роликовый подшипник, с противоположной стороны — шариковый. Смазка подшипников консистентная. Коробка выводов статора — штампованная из тонколистовой стали, разъемная и допускает как сухую разделку, так и заливку компаундной массой концов подводимого силового кабеля.

Контактные кольца в АД — подвесного типа, расположены за подшипниковым щитом и закрыты кожухом. Рекомендуется применение щеток марки МГСО. Траверсы для крепления щеткодержателей стальные. Кожух контактных колец сварной штампованный с решетками для циркуляции охлаждающего воздуха. Схема вентиляции АД согласная радиальная. Забор воздуха осуществляется через окна в торцах вентиляционного кожуха, а выброс — через боковые окна кожуха. Двигатели пускаются от полного напряжения сети, при этом в цепь ротора включается пусковой реостат.

Структура условного обозначения:

АК4-HL-XK (Пример: А4−400ХК-У3)

АК — асинхронный двигатель с фазным ротором

4 — номер серии

H (400, 450) — высота оси вращения в мм

L (Х, У. Хк, Ук) — условная длина двигателя

X (4,6,8,10,12) — число полюсов

K (У3, Т3) — климатическое исполнение и категория размещения.

Характеристики и отличительные особенности двигателей серии А4

* Имеют оптимальное соотношение энергетических показателей и удельной материалоемкости;

* Усиленная обшивка по сравнению с аналогами;

* Полная унификация по статорам с электродвигателями А4 и ДАЗО4;

* Возможна поставка в исполнении, позволяющем обеспечить подключение принудительной вентиляции;

* Обеспечиваемая комплектная поставка с пусковой аппаратурой типа УПРФ, пускорегулирующей по типу ТПРС.

3.2. Выбор АВК.

Исходя из мощности двигателя выберем АВК.

Тип АВК ККПУФ-800/1000/380/0/0/T

Номинальный ток ротора, I_nom, А. 800

Номинальной напряжение, U_nom, В. 1000

Комплектные устройства пуска асинхронных электродвигателей с фазным ротором серии ККПУФ

Рис. 4. Схема ККПУФ для управления высоковольтным электродвигателем.

Устройства ККПУФ предназначены для тяжелого пуска и регулирования скорости низковольтных и высоковольтных асинхронных электродвигателей с фазным ротором. Устройства ККПУФ выполнены по схеме асинхронного вентильного каскада (АВК). Принцип регулирования скорости основан на отдаче энергии скольжения электродвигателя в питающую сеть.

Устройства ККПУФ обеспечивают большой пусковой момент и применяются в основном для пуска и регулирования скорости механизмов с тяжелой нагрузкой. В отличии от станций реостатного пуска устройства ККПУФ обеспечивают плавный разгон и бесступенчатое регулирование скорости. При этом время разгона двигателя может быть достаточно длительным, а регулирование скорости обеспечивается без ограничения времени. При регулировании скорости энергия скольжения двигателя отдаётся в питающую сеть, что обеспечивает значительную экономию электроэнергии.

Устройства для управления высоковольтными двигателями подключаются к двигателю со стороны ротора напряжением до 1500 В. Питание электродвигателя осуществляется от сети переменного тока напряжением 6, 10 кВ.

Краткие характеристики:

· плавное уменьшение напряжения на зажимах ротора электродвигателя за время от 4 до 128 с с частотой не менее 6 циклов в час. Устройства допускают два пуска подряд;

· ограничение максимального тока двигателя в переходных режимах на уровне 1.2 номинальных токов двигателя;

· поддержание скорости электродвигателя на заданном уровне;

· включение коммутационного аппарата для шунтирования ротора электродвигателя при нарастании скорости электродвигателя выше 0,95 N н;

· возможность дистанционного управления пуском и остановом двигателя с кнопочного пульта;

· управление из АСУ верхнего уровня по последовательному каналу RS -485 c протоколом MODBUS (по заказу)

· степень защиты от внешних воздействий: IP 54, IP 33, IP 23;

· встроенное реле «готовность»;

· встроенное реле «конец разгона»;

· встроенное реле «подключение статора»;

· рабочий диапазон температур от -40 до +40 С;

· число фаз — 3;

· питание устройства осуществляется от трехфазной сети переменного тока напряжением 380, 660 В;

· номинальные токи станций управления от 100 до 630 А;

· цепи управления питаются от однофазной сети переменного тока 220В;

· колебание напряжения питающей сети в пределах от +10% до -15%;

· рабочее положение — вертикальное, допустимые отклонения — не более 10° в любую сторону

Защиты:

· от перегрузки двигателя (интегральная);

· от перегрева тиристоров;

· максимально-токовая от коротких замыканий;

· от затяжки пуска;

· от обрыва фазы двигателя,

· от перенапряжений со стороны ротора двигателя и коммутационных перенапряжений на тиристорах.

Дополнительно:

· Гарантийный срок службы 2 года.

Применение:

· Мельницы, дробилки, конвейеры, цементные печи, поршневые компрессоры и др.

Рис. 5. Структура условного обозначения.

4. Определение показателя степени магистрали.

Зависимость момента сопротивления на валу двигателя от скорости имеет вид:

где к — показатель степени магистрали (показатель степени параболы момента сопротивления).

Реальная магистраль имеет статический напор H_с, поэтому показатель степени к2. Для определения этого коэффициента необходимо взять 2 точки на магистрали, найти в этих точках мощность на валу двигателя и момент сопротивления.

Моменты будут равны:

Соотношение моментов будет:

Отсюда получим:

5. Расчет и построение механических характеристик.

Для построения механических характеристик двигателя при регулировании скорости с помощью АВК воспользуемся следующими формулами:

где:

— скольжение холостого хода

— индуктивное сопротивление рассеяния фазы двигателя, приведенной к обмотке ротора.

Пренебрегая активным сопротивлением статора, т. е. пологая, что допустимо для двигателей большой мощности получим:

где

— активное сопротивление ротора.

Найдем сопротивление ротора по формуле:

каскад скорость насос Найдем индуктивное сопротивление рассеяния фазы двигателя, приведенной к обмотке ротора из формулы:

где

Изменяя построим регулировочные характеристики при регулировании с помощью АВК:

Рис. 6. Регулировочные характеристики при регулировании с помощью АВК и статическая характеристика насоса.

6. Расчет потерь скольжения, потерь в роторе.

Потери скольжения определяются по формуле:

Где k=2,

Максимум потерь можно найти продифференцировав по скорости и найдя экстремум:

Тогда:

Потери в роторе определяются по формуле:

Ток на линейном участке механической характеристики асинхронного двигателя пря Где

Рис. 7. Потери в скольжении и потери в роторе.

7. Расчет мощности, потребляемой из сети приводом, при регулировании задвижкой и с помощью асинхронного вентильного каскада.

Для сравнения экономичности двух способов регулирования (задвижкой и с помощью АВК) посмотрим график зависимости мощности от производительности.

Мощность, потребляемая двигателем от сети, определяется по формуле:

Где A и B — точки пересечения магистрали и характеристик насоса для различных скоростей () соответственно. Для номинальной скорости мощность будет:

При регулировании скорости с помощью АВК часть энергии отдается в сеть:

Тогда мощность, потребляемая из сети будет равна:

Так как скорость двигателя прямо пропорциональна производительности, то:

Рис. 8. Зависимость мощности, потребляемой из сети приводом при регулировании задвижкой и с помощью АВК, от производительности.

Вывод: Из полученных результатов можно сделать вывод, что регулирование двигателя насоса с помощью АВК выгоднее, по сравнению с задвижкой.

1. Онищенко Г. Б., Нитиевская А. И. Основы электропривода. Москва: МГОУ, 2001. 234 с.

2. Ларионов В. Н. Аракелян А.К. Электропривод насосов: уч. пособие — Чебоксары: изд-во Чуваш. Ун-та, 2008. — 200 с.

3. Каталог ООО «ПО «Ленинградский машиностроительный завод» — РУСЭЛПРОМ (Российский электротехнический концерн) — www.lez.ru. — 2004 г. Стр. 65−79.