Расчет сопротивлений пусковых резисторов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ “МАМИ”

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Электропривод» для студентов специальностей факультета ЭМиП очной и заочной формы обучения

Серпухов 2011

УДК 62.83:621.314

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Разработать и рассчитать разомкнутую систему электропривода механизма, имеющего заданную нагрузочную диаграмму P(t).При разработке необходимо предусмотреть возможность запуска двигателя в несколько ступеней и остановку электрическим торможением. Вид двигателя, число ступеней т пуска, вид торможения задаются преподавателем в задании на курсовую работу. Запуск двигателя производится под нагрузкой Р₁, затем следует работа на естественной характеристике под нагрузкой в соответствии с графиком P(t). Торможение двигателя осуществляется на холостом ходу, причем двигатель переключается на тормозной режим сразу после окончания последней ступени нагрузки. Момент инерции механизма J, приведенный к валу двигателя, принимается равным 2Jдв.

Задания на курсовую работу выдаются преподавателем. Варианты нагрузочной диаграммы приведены в приложении 1.

Курсовая работа должна включать в себя:

1) построение нагрузочной диаграммы по исходным данным;

расчет мощности и выбор двигателя по каталогу;

2) расчет и построение естественных электромеханической w=f(I) и

механической (для асинхронных двигателей только механической) w=f(M) характеристик;

3) расчет статических значений моментов сопротивления, скорости и

тока;

4) расчет сопротивлений пусковых резисторов и резисторов торможения;

5) расчет и построение статических электромеханических и механических (для асинхронного двигателя только механических) характеристик во всех режимах работы электропривода;

6) расчет и построение кривых тока, момента, скорости в функции времени в переходных режимах за весь цикл работы электропривода;

7) проверку двигателя по нагреву методом эквивалентного тока или эквивалентного момента;

8) расчет расхода и потерь электроэнергии за цикл работы электропривода;

9) разработку принципиальной схемы управления электроприводом и описание её работы;

10) заключение.

ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ. РАСЧЕТ

МОЩНОСТИ И ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Исходной информацией для расчета и выбора мощности двигателя является нагрузочная диаграмма механизма P(t), данные для которой приведены в задании. Пример нагрузочной диаграммы изображен на рис.1.1.

Рис. 1.1. Нагрузочная диаграмма

Расчет требуемой мощности двигателя производится по эквивалентной мощности за время работы электропривода по формуле:

(1.1)

где: Р_i – мощность i-й нагрузки (i=1,…, n);

– время работы при i-й нагрузке.

Двигатель, предназначенный для повторно-кратковременного режима, характеризуется относительной продолжительностью включения ПВ.

Расчетная продолжительность включения двигателя, соответствующая нагрузочной диаграмме, определяется выражением

ПВ_расч=t_p /(t_p+ t_о) 100%= t_p / t_Ц 100%, (1.2)

где t_p – время работы под нагрузкой, t_p=t₁+t₂+×××+t_n (n- номер последней ступени нагрузки;

t_о – время паузы (отключения) двигателя;

t_Ц– время рабочего цикла.

Для повторно-кратковременного режима работы выпускаются специальные серии двигателей. В каталогах на них указывается номинальная мощность Р_Н при нормативной (стандартной) продолжительности включения ПВ_СТ=15, 25, 40,60 и 100%. Длительность рабочего цикла t_Ц для них не должна превышать 10 мин, в противном случае двигатель считается работающим в продолжительном режиме. Если ПВ_расч¹ ПВ_СТ при выборе мощности двигателя по каталогу необходимо учесть его стандартную продолжительность включения ПВ_ст и пересчитать значение эквивалентной мощности по формуле

. (1.3)

Затем по приложению 2 выбирается двигатель из условия, что . В зависимости от задания выбирается двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) по табл. П2.1–П2.6 или асинхронный (АД) с фазным ротором по табл. П2.7–П2.9 и выписываются его паспортные данные с указанием наименования всех величин. В табл. П2.1–П2.6 для ДПТ НВ приведены следующие величины: ПВ – продолжительность включения двигателя в рабочем цикле; Р_Н – номинальная мощность на валу; п_Н – номинальная частота вращения ротора; I_Н – номинальный ток якорной цепи; U_Н – номинальное напряжение якорной цепи; R_Я+R_ДП – сумма сопротивлений обмоток якоря и дополнительных полюсов; R_В – сопротивление обмотки возбуждения (сопротивления всех обмоток даны при температуре 20 ⁰С); I_ВН – номинальный ток возбуждения; J_дв – момент инерции ротора двигателя. Номинальное напряжение цепи возбуждения U_НВ равно U_Н.

В табл. П2.7–П2.9 для АД приведены величины: ПВ, Р_Н, п_Н, J_дв; М_М/М_Н – кратность максимального момента; I_СН – номинальный ток обмотки статора (фазы обмотки статора соединены звездой); cosφ₀ – коэффициент мощности двигателя в режиме холостого хода; I_СХ – ток холостого хода обмотки статора при номинальном напряжении; r_c, r_p – активные сопротивления фаз статора и ротора (сопротивления обмоток даны в нагретом состоянии); x_c, x_p – индуктивные сопротивления рассеивания фаз статора и ротора; Е_РН – линейное значение ЭДС разомкнутой обмотки ротора при номинальном напряжении обмотки статора (фазы обмотки ротора соединены звездой); I_РН – номинальный ток обмотки ротора; к_е – коэффициент трансформации напряжения. Задано линейное значение напряжения обмотки статора U_1НЛ при соединении обмотки звездой и частоте изменения напряжения 50Гц.

ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Для выбранного типа двигателя следует привести каталожные данные и другие величины, указанные в задании на курсовую работу (КР), с их наименованиями.

2.1. Расчет и построение естественных электромеханической w=f(I) и механической w=f(M) характеристик

Данные зависимости описываются следующими выражениями:

(2.1)

, (2.2)

где – номинальное напряжение двигателя;

– произведение конструктивного коэффициента двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) и номинального магнитного потока;

– ток в цепи обмотки якоря;

М – электромагнитный момент, развиваемый двигателем,

М=кФ_Н*I; (2.3)

– внутреннее сопротивление двигателя.

2.1.1. Произведение определяется по паспортным данным двигателя из уравнения (2.1) при I=I_Н и w=w_Н

, (2.4)

где w_Н – номинальное значение угловой скорости вращения двигателя, связанное с номинальной частотой вращения соотношением

. (2.5)

2.1.2. Внутреннее сопротивление цепи якоря ДПТ НВ, приведенное к расчетной температуре, определяется по формуле

, (2.6)

где – сопротивление обмотки якоря при температуре t_З;

– сопротивление обмотки дополнительных полюсов при температуре t_З;

– расчетная рабочая температура (в данном случае );

– температура, при которой задаются сопротивления ( или ); значения обычно указаны в примечаниях к таблице с каталожными данными двигателя;

– сопротивление щеточных контактов ( - падение напряжения на щетках, значение которого принимают равным 2 В).

2.1.3. Поскольку все статические характеристики без учета реакции якоря представляют собой прямые линии (рис.2.1), то они могут быть построены по двум точкам, одна из которых соответствует режиму идеального холостого хода ( I=0 или М=0 и w=w₀), а другая для естественной механической характеристики – номинальному режиму работы (I=I_H или M=M_H и w=w_H).

2. 1.4. Скорость в режиме идеального холостого хода

w₀=U_Н/кФ_Н.

2.1.5. Номинальное значение электромагнитного момента

М_н=кФ_н×I_н.

2.2. Определение значений статических моментов сопротивления М_ci на валу двигателя

Мощность нагрузки P связана с моментом на валу двигателя соотношением P=Мw, пользуясь которым можно определить значение M_ci для каждой нагрузки. Для этого на координатной плоскости, где построена естественная механическая характеристика w=f(M),нужно построить i-ое количество вспомогательных кривых по уравнению

M=P_i /w, (2.7)

где Р_i – i-ое значение мощности нагрузки (i=1,…, n);

w – скорость вращения двигателя, которая задается в пределах примерно (0,8…1,2) w_Н.

Точка пересечения i-ой вспомогательной кривой с естественной механической характеристикой дает значения M_ci и угловой скорости w_ci в установившихся режимах работы. На рис. 2.1 показано, как определяются значения M_C₁ и w_С1. Значения w_ci следует уточнить по формуле (2.2) при М=M_ci и проверить соблюдение равенства Р_i= M_ci w_ci.

Необходимо отметить, что в (2.7) входит момент на валу двигателя, а при построении механической характеристики используются значения электромагнитного момента. Но определение M_ci описанным выше способом допустимо ввиду небольшой разницы между значениями электромагнитного момента и момента на валу двигателя.

Ток в установившихся режимах работы двигателя можно определить по формуле = M_ci/кФ_Н . Полученные значения , M_c_i и w_ci следует привести в табличной форме.

Расчет сопротивлений пусковых резисторов

Схема реостатного пуска ДПТ НВ в две ступени приведена на рис. 2.2, а. На схеме – сопротивления ступеней пускового реостата, а , – полные сопротивления якорной цепи на каждой ступени пуска. Значения всех сопротивлений можно определить графическим или аналитическим методами.

2.3.1. Графический метод. Расчет начинается с построения механических характеристик, на которых двигатель должен работать в процессе пуска, т.е. пусковой диаграммы. Первоначально строят естественную механическую характеристику (рис. 2.2, б) и на оси момента наносят точки, соответствующие моменту статической нагрузки , при котором осуществляется пуск, наибольшему моменту при пуске (точка а) и минимальному моменту , при достижении которого производится отключение первой и последующих ступеней пускового реостата.

Значения наибольшего и наименьшего моментов выбираются в соответствии с условиями

, .

Соединяя точки а и (рис. 2.2,а) прямой, получим искусственную механическую характеристику двигателя при работе с полным пусковым сопротивлением . Момент М₁ двигателя при неподвижном якоре будет больше момента сопротивления М_С1 и двигатель начнет ускоряться. По мере разгона двигателя его момент, уменьшаясь, стремится достигнуть значения М_С1. Если бы это произошло, то разгон двигателя прекратился, а скорость была бы наибольшей, соответствующей точке . Во избежание этого при значении момента М₂ (точка ) пусковое сопротивление уменьшают так, чтобы ток возрос снова до значения = М₁ / кФ_Н, соответствующего моменту М₁ (точка ), и двигатель перешел на новую искусственную характеристику . На данной характеристике двигатель будет разгоняться до точки , где выключится вторая, последняя, ступень пускового сопротивления R_П2, и двигатель перейдет на естественную характеристику e. При правильно подобранных сопротивлениях пускового реостата выход на естественную характеристику будет иметь место при моменте М₁ (точка f).

Если это не получается, то нужно сделать новое графическое построение, изменив значение момента М₂ (в случае необходимости можно изменять также момент М₁) таким образом, чтобы переход с последней пусковой характеристики на естественную произошел именно при моменте М₁. В общем случае число пусковых характеристик будет не две, как в рассмотренном примере, а , в соответствии с заданием.

Отрезки на линии соответствуют величинам пусковых и полных сопротивлений в определенном масштабе. Для определения этого масштаба находят полное сопротивление якорной цепи на первой ступени пуска , а затем определяют и сам масштаб . Пусковые сопротивления на каждой ступени определяют по величинам отрезков ac, cf

, . (2.8)

Полные сопротивления якорной цепи на каждой ступени пуска можно рассчитать по следующим соотношениям

, с. (2.9)

2.3.2. Аналитический метод. Полагая режим пуска форсированным, задаемся пусковым моментом =(2,…,2,5) и определяем отношение пускового момента М₁ к моменту переключения М₂ по формуле