Режимы узла нагрузки с электромашинами различных типов

Курсовой проект

Учебная дисциплина: Электрические машины

Тема: Режимы узла нагрузки с электромашинами различных типов

Студент: Колесников И.В.

Исходные данные Для узла нагрузки, включающего два СТ (6 кВ / 380 В) и работающие от одних шин (6 кВ) питающий асинхронный и синхронный двигатели (от общих шин 380В), необходимо:

ВЫБРАТЬ

· Два СТ минимальной стоимости.

· АД, способный развивать мощность не менее 27 кВт, приводя в действие механизм, необходимый момент, для пуска которого составляет 130 Нм при пуске и возрастает пол мере разгона на 115 Нм на каждую 1000 оборотов в минуту.

· СД, мощность на валу, которого меняется произвольно от 0 до 70 кВт.

ОБОСНОВАТЬ выбор машин, обеспечивая при этом:

1. минимальную стоимость каждой из 4 машин, — цена для СТ и СД предполагается пропорциональной их номинальным мощностям, а для АД — и числом пар полюсов;

2. мощность на валу АД — не ниже указанной;

3. устойчивость работы СД во всём указанном диапазоне мощностей на его валу;

4. отсутствие перегрузок по токам у всех машин во всех режимах, — в том числе при отключенном одном из двигателей;

5. чисто активный характер нагрузки на шинах 380 вольт.

При равенстве стоимости вариантов — конкурентов, — принимать тот, который обеспечивает минимум среднего значения суммарных потерь энергии.

1 Выбор асинхронного двигателя

1.1 Предварительный выбор АД

1.2 Расчет номинальных параметров АД

1.3 Расчет параметров рабочего режима АД

2. Выбор синхронного двигателя

2.1 Предварительный выбор СД

2.2 Расчет номинальных параметров и рабочего режима СД

3 Выбор пары силовых трансформаторов

4 Расчет энергетической эффективности режимов Список литературы асинхронный двигатель трансформатор

1 Выбор асинхронного двигателя.

1.1 Предварительный выбор АД Рис. 1. Расчетная схема Исходные данные для расчета АД: Мп = 115 Н· м (постоянный момент на валу двигателя), k = 0.12 — коэффициент, определяющие характер изменения момента нагрузки на валу, и Pmin = 27 (кВт) — значение минимальной мощности на валу АД.

Для нахождения установившейся скорости АД приравниваю выражение для момента на валу двигателя и выражение для момента сопротивления:

Мдв=Рmin/?уст=Мп+k*?уст

— k*?уст2-Мп*?уст+Рmin=0

?уст = 195.07

nуст = ?уст*30/р

Отсюда n = 1863.7 об/мин.

Синхронная скорость: nc = 3000 об/мин.

Для выбора Pвn — номинальной мощности на валу АД, из 14 групп АД имеющихся на складе. Требуется чтобы Pvn>Pmin (Мс <� Мв). Из ряда предлагаемых двигателей выберем двигатель с Pвn = 55(кВт).

Мдв = Рвн/ ?уст = 281.95 Н*м Мп + k* ?уст = 138,41,

что требовалось для данных условий.

1.2 Расчет номинальных параметров АД.

Для расчета рабочего режима двигателя допускается использовать уравнения, соответствующие упрощенной схеме замещения.

Рис. 2. Упрощенная схема замещения АД.

В этой схеме все величины и параметры выражены в относительных единицах, и представляют собой

U1 — напряжение питающей цепи;

I1 — ток статора;

Iо — намагничивающий ток;

I2 — ток ротора;

G0 — эквивалент потерь мощности в стали;

B0 — эквивалент действия основного поля;

Rk — эквивалент потерь мощности в обмотках;

Xk — эквивалент действия полей рассеивания статора и ротора;

R2 — эквивалент потерь ротора;

S — скольжение.

Рассчитаем параметры схемы замещения по пятому варианту исполнения АД:

Cos5ц = 0.82 з5н = 0,845 Uн = 220 R1ое = 0,0375

Sн = 0,0315 Мпое = 0,48 Мкрое = 1,8 Uное = 1

Определим базисные значения мощности, тока, момента и сопротивления:

Определим номинальный момент на валу:

Мное5 = Мвн5/Мб5 = 0,715 ОЕ Номинальная мощность:

Рвное5 = Рвн/Sб5 = 0,693 ОЕ

Максимальный момент:

Ммаксое5 = Мное5*Мкрое5 = 1,288 ОЕ Пусковой момент:

Мпое = Мп/Мб5 = 0,356 ОЕ Мпое55 = Мпое*Мпое5 = 0,171 ОЕ Найдем значения коэффициентов нагрузки (в ОЕ):

Критическое скольжение определяем с помощью формулы Клосса:

Мное = 2*Ммаксое5*Sн5*Sкр5+Мное5*Sн52 = 0

Sкр5 = 0.10 384

Находим относительные значения сопротивлений статора и ротора:

R2ое5 = R1oe5

Rkoe5 = 2*R1oe5 = 0.075 OE

Находим сопротивление контура ротора при номинальном скольжении:

R2oe5 = Roe5+R2oe5/Sн5 = 1,228 ОЕ

Xkое5 = R2oe5/Sкр5 = 0,361 ОЕ

Z2oe =

Определяем составляющие тока ротора в номинальном режиме (в ОЕ):

I2аoe5 = R2oe5/Sн5*Z2oe5н = 0,727

I2poe5 = Xkoe5/Z2oe5н = 0,22 ОЕ

I2poe5 =

Вычислим составляющие тока статора в номинальном режиме (в ОЕ):

Находим параметры контура намагничивания:

Сетевая мощность:

Pcoeн5 = I1aoe5 = 0.82 OE

Pcн5 = Рвоен5*Sб5 = 65,09 кВт Мощность на валу:

Рвоен5 = Рсоен5*з5н = 0,693 ОЕ Рвн5 = Рвоен5*Sб5 = 55 кВт Найдём суммарные потери мощности:

ДРоен5 = Рсоен5 — Рвоен5 = 0,127 ОЕ ДРн5 = ДРоен5*Sб5 = 10,09 кВт

Потери в меди:

ДРмоен5 = I22oe5*Rkoe5 = 0.043 OE

ДPм5 = ДРмоен5*Sб5 = 3,433 кВт Потери в стали:

ДРстоен5 = G0oe5 = 0.093 OE ДPст5 = ДРстоен5*Sб5 = 7,411 кВт

1.3 Расчет рабочего режима АД Определяем значение скольжения асинхронного двигателя в рабочем режиме:

Рабочее скольжение будет равно скольжению, при котором момент сопротивления будет равен моменту на валу двигателя. Рассчитываем уравнение:

Рабочий момент на валу асинхронного двигателя равен:

;

Определяем активный и реактивный ток ротора в рабочем режиме:

Вычислим активный, реактивный, полный ток статора в рабочем режиме:

Сетевая мощность:

Рсоер5 = I1aoe5 = 0.811 OE

Pcp5 = Pсоер5*Sб5 = 64,37 кВт Потери в меди:

ДРмоер5 = I2ое52*Rkoe5 = 0.042 OE

ДPмоер5 = ДРмоер5*Sб5 = 3,338 кВт

Суммарные потери ДРмоер5 = ДРмоер5 + G0oe5 = 0.135 OE

ДРр5 = ДРоер5*Sб5 = 10,75 кВт Рабочая мощность на валу:

Рвоен5 = Рсоер5 — ДРоер5 = 0,675 ОЕ Рвр5 = Рвоер5*Sб5 = 53,62 кВт Рабочая скорость ротора:

?р5 = ?с*(1-Sp5) = 304.42 рад/с Определим коэффициент мощности в рабочем режиме:

Находим КПД двигателя в рабочем режиме, а также критерий оптимальности (выбираем тот двигатель, у которого наибольшее значение V):

Выбираю АД пятого поколения с одной парой полюсов и с номинальной мощностью на валу 55 кВт, так как двигатели прочих исполнений имеют перегрузку по току статора и мощности на валу в рабочем режиме.

2 Выбор синхронного двигателя

2.1 Предварительный выбор СД Исходными данными для выполнения этого раздела проекта является максимальная мощность на валу СД и необходимая реактивная мощность на зажимах статора, которая должна компенсировать реактивную мощность АД.

Реактивный ток статора АД: I1p = 68.094 A

Максимальная мощность на валу СД: Рвmax = 70 кВт Реактивная мощность на зажимах статора, которая должна компенсировать реактивную мощность, потребляемую АД:

Q = 3*Uян*I1р = 44,94 кВАр Рассчитываем токи статора и мощность на валу для разновидности СД 8100:

I1a1 = Pвmax/(3*Uян*зн1) = 126,263 А

I1н1 = A

Pвн1 =

Рассчитываем токи статора и мощность на валу для разновидности СД 9500:

I1a2 = Pвmax/(3*Uян*зн2) = 119,617 А

I1н2 = A

Pвн1 =

Выбираю синхронный двигатель разновидности 9500 с номинальной мощностью на валу 120 кВт, так как cosц и з у двигателя этой разновидности выше, чем у двигателя разновидности 8100.

Коэффициент запаса по мощности: Кр = Рвн/Рвн2 = 1,382

Находим базисные величины тока статора (якоря) и мощности:

Iян = Iб

2.2 Расчет номинальных параметров и рабочего режима СД Провожу расчет параметров СД разновидности 9500 пятого исполнения.

m5 = 0.042 Iвmaxoe5 = 1.7 Xp5 = 0.075 ДP05 = 0.03

Базисный и максимальный токи возбуждения:

Iвб5 = m5*Iян = 8,038 А Iвmax5 = Iвmaxое3*Iвб3 = 13,665 А Реактивный ток якоря:

Iярое = I1p/Iян = 1,356 ОЕ Мощность на валу:

Рвое = Рmax/Sб = 0,594 ОЕ

Номинальная мощность на валу:

Рвное = cosцн2*зн2 = 0,95 ОЕ Активное сопротивления обмотки СД:

Рсное5 = Рвное + ДР05 = 0,02 ОЕ

Rя5 = cosцн2 — Рвное — ДР05 = 0,02 ОЕ Определяем активную составляющую тока якоря:

Рс5 = Uяное*Iяное5 = Рвое + ДР05 + Rя5*(I2яаое5+ I2ярое5)

Rя5* I2яаое5 — Uяное*Iяное5 + ДР05 + I2ярое5*Rя5

Iяаое5 = 0,634 ОЕ Полный ток якоря:

Iяое5 =

Iя5 = Iяое5*I1н2 = 100,066 А Рабочий коэффициент мощности:

Cosц5 = Iяаое/Iяое5 = 0,872

Определим результирующую ЭДС якоря:

Е0ое5 = 0,961 ОЕ Е05 = Е0ое5*Uян = 211,527 В

Определим результирующую МДС якоря:

F0oe5 = F40ое5 = 0,855 ОЕ Угол между векторами тока якоря и напряжения сети:

ц5 = -arccos (Iяаое5/Iяое5) ц55 = ц5*180/р ц5 = -0.511 рад ц55 = -29,3 град Угол сдвига результирующей ЭДС от вектора напряжения сети:

г5 = atan г55 = г5*180/р г5 = 0.042 рад г55 = 2,41 град Коэффициент приведения МДС якоря по продольной оси: Кad = 0.9

Коэффициент приведения МДС якоря по поперечной оси: Кaq = 0.6

Угол выбега ротора (между векторами результирующей ЭДС и ЭДС возбуждения):

и55= atanград и5 = и55*р/180 = 0.534 рад Угол сдвига вектора тока якоря от оси q (ЕВ):

Продольный рабочий ток якоря:

Iяd5 =

Поперечный рабочий ток якоря:

Iяq5 =

Рабочий ток возбуждения:

iвое5=

iв5 = iвое5*Iвб5 = 11,332 А Так как рабочий ток возбуждения меньше предельного для пятого варианта исполнения, то расчет по пятому исполнению продолжаю.

ЭДС и МДС возбуждения:

Fв5 = iвое5 = 1,41 ОЕ Ев5 =

Находим величину потерь на возбуждение:

= ДРвозое5*Sб = 2,538 кВт.

Определяем потери в меди в рабочем режиме:

ДРмое5 =

Потери в стали:

ДР0ое5*Sб = 3,789 кВт Суммарные потери двигателя равны:

Потери двигателя без учета возбуждения:

— ДРвоз5 = 5,08 кВт Сетевая мощность:

Рсое5 = Iяаое5*Uяное*cosцр5 = 0,634 ОЕ Рс5 = Рсое5*Sб = 80,08 кВт Мощность на валу:

Рвое5 = Рсое5 — Дрмое5 — ДР0ое5 = 0,593 ОЕ Рв5 = Рвое5*Sб = 75 кВт.

Рабочий КПД:

зр5 = Рвое5/Рсое5 = 0,936

У двигателя первого и второго исполнения рабочий ток возбуждения превышает предельно допустимое значение.

Выбираю СД пятого исполнения разновидности 9500 с Рвн = 120 кВт, так как мощность на валу двигателей третьего и четвертого исполнений в рабочем режиме меньше требуемого значения. В сравнении с двигателями третьего и четвертого исполнений двигатель пятого исполнения имеет более высокий КПД в рабочем режиме.

3. Выбор пары силовых трансформаторов Исходными данным для выбора двух СТ, снабжающих энергией асинхронный и синхронный двигатели, являются значения сетевых мощностей этих двигателей.

Сетевые мощности АД и СД:

Рсад = 64,37 кВт Рссд = 80,08 кВт Реактивная мощность, отдаваемая СД в сеть: Q = 44.94 кВАр Рассчитываем полную мощность пары СТ:

S? = Рсад + Рссд = 144,4 кВт Суммарная мощность силовых трансформаторов, А и В больше расчетной суммарной мощности (S = 100+100= 200 кВА).

Коэффициенты трансформации:

КА = U1Axx/U2xx = 15.71 КВ = U1Bxx/U2xx = 15.72

Находим разницу коэффициентов трансформации:

Разница напряжения короткого замыкания:

ДUкз

Приведем схему замещения пары трансформаторов работающих на общую нагрузку и решим её методом узловых потенциалов:

Рис. 3. Схема замещения пары трансформаторов работающих на общую нагрузку

I2А, I2В — токи вторичных обмоток трансформаторов;

U2- напряжение на нагрузке;

Iнток нагрузки;

RkА, RkВ — приведенные ко вторичной обмотке внутренние активные сопротивления;

XkА, XkВ — приведенные ко вторичной обмотке эквиваленты полей рассеяния;

U1А, U1В — напряжения вторичных обмоток трансформаторов.

ЭДС вторичных обмоток:

Е2А = U1н/КА = 220,878 В Е2 В = Uн1/КВ = 220,738 В Номинальные вторичные токи СТ:

Базисные полные сопротивления СТ:

ZбА = Uн2/I2нА = 1,452 Ом ZбВ = Uн2/I2нВ = 1,452 Ом Внутренние сопротивления трансформаторов:

ZkА = UнкзА*ZбА/Uн1 = 0,075 Ом

ZkВ = UнкзВ*ZбВ/Uн1 = 0,076 Ом Активные составляющие потерь СТ:

RkA = ДPнмА*ZбА/SнА = 0,032 Ом RkВ = ДPнмВ*ZбВ/SнВ = 0,029 Ом Индуктивные составляющие потерь СТ:

Комплексные проводимости СТ:

Суммарная активная мощность в данном случае равна мощности, потребляемой парой СТ, так как СД компенсирует потребляемую АД реактивную мощность.

P2? = Pcaд + Рссд = 144,4 кВт Q2? = 0

Sнт = Р2? = 144,4 кВА

Угол между током и напряжением на нагрузке пары СТ:

цнт = arctg (

Пара СТ работает на активную нагрузку.

Определение параметров общей нагрузки (проводимостей):

Yнт = Gнт + iВнт = 0,995 См Вторичное напряжение СТ:

Вторичные токи СТ:

Cсуммарная мощность потерь СТ исполнения А:

?ДРА =

Суммарная мощность потерь СТ исполнения В:

?ДРВ =

КПД трансформаторов:

зА = Рсад/(Рсад+?ДРстА) = 0,973 зВ = Рсад/(Рсад+?ДРстВ) = 0,98

Суммарная мощность потерь пары СТ:

?ДР = ?ДРА + ?ДРВ = 3,421 кВт

?ДРад = 10,75 кВт? ДРсд = 5,08 кВт Результирующий КПД всей схемы:

Входная мощность трансформаторов:

РвхА = Рсад + ?ДРстА = 66,14 кВт РвхВ = Рссд + ?ДРстВ = 81,74 кВт

4. Расчет энергетической эффективности режимов

Выбранные электрические машины работают без перегрузки по токам, их мощности соответствуют требования.

1. Конспект лекций для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Электрические машины» (в четырех частях) по специальности 7.92 203 «Электромеханические системы автоматизации и электропривод» г. Кривой Рог 2002 г. Автор: проф. Корнилов.

2. Методическое пособие по выполнению курсового проекта по дисциплине «Электрические машины» по специальности «Электромеханические системы автоматизации и электропривод». г. Кривой Рог 2004 г. Автор: проф. Г. И. Корнилов.