Cравнение двух двигателей серии 4А

Лысьвенский филиал

Кафедра Естественнонаучных дисциплин  

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ»

основной образовательной программы подготовки бакалавров

по направлению 13.03.02 (140400.62) «Электроэнергетика и электротехника»

профиль Электропривод и автоматика

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

По выполнению курсового проекта

Расчет рабочих и пусковых характеристик

асинхронного двигателя с фазным ротором.

2016

Разработчик-составитель доц. кафедры естественнонаучных дисциплин  С.Ю. Вотинова  

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры

естественнонаучных дисциплин ЛФ ПНИПУ «14» cентября 2016 г.,

протокол № 02 

СОДЕРЖАНИЕ

Общие положения

Цель выполнения курсового проекта –

систематизация и закрепление теоретических знаний по дисциплине Электрические машины.

Задачи:

- освоение расчета рабочих и пусковых характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором,

- получение навыков самостоятельной работы со справочной литературой,

- приобретение умения анализировать полученные результаты.

Работа над курсовым проектом способствует приобретению компонентов следующей профессиональной компетенции -

способность применять соответствующий физико-математический аппарат, методы анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования при решении профессиональных задач (ОПК-2).

В методических указаниях описан алгоритм расчета рабочих и пусковых характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором. В качестве исходных данных использованы справочные данные серийно выпускаемых асинхронных электродвигателей серии 4А (вариант задается преподавателем и указывается в бланке задания). Все расчеты ведутся на основании Г- образной схемы замещения.

Расчет потребует твердых знаний по дисциплине Теоретические основы электротехники, усвоения теоретической части курса Электрические машины и прочтения специальной литературы по методам расчета и по эксплуатации асинхронных двигателей.

Курсовой проект должен содействовать развитию навыков самостоятельной работы и способности студентов к инженерной деятельности.

Требования к результатам работы

Курсовой проект является завершающим этапом изучения дисциплины Электрические машины и в результате обучающийся должен:

Знать:

- о современных направлениях развития электрических машин;

- о новых сериях электрических машин, выпускаемых промышленностью;

- принцип действия современных типов электрических машин;

- особенности конструкции электрических машин и трансформаторов, их уравнения, схемы замещения и характеристики;

Уметь:

- выполнять необходимые расчеты;

- использовать полученные знания при решении практических задач по проектированию, испытаниям и эксплуатации электрических машин.

Владеть:

- навыками расчетов и построения характеристик электрических машин;

- навыками выполнения чертежей, используя компьютерные программы Компас и др.

- навыками работы с учебной и справочной литературой.

Этапы курсового проектирования

1 этап: получение задания, работа со справочной литературой,

заполнение листа с исходными данными;                          

2 этап:выполнение подготовительных расчетов;         

3 этап:расчет и построение рабочих характеристик;       

4 этап:  расчет и построение пусковых характеристик;     

5 этап:  оформление чертежа и пояснительной записки;

6 этап:  предоставление проекта на проверку руководителю, устранение замечаний, подготовка к защите;

защита проекта(представление работы – краткий доклад, ответы на вопросы).

Методика расчетов рабочих и пусковых характеристик двигателя

Исходные данные

Прежде, чем приступить к расчетам, необходимо «расшифровать» название заданного в варианте асинхронного двигателя и с помощью справочных таблиц [1, 2] или Приложения настоящих Методических указаний заполнить таблицу1 –Данные двигателя 4А….

4АНК200L4У3 (пример)

порядковый номер серии

тип двигателя (асинхронный)

степень защиты (IP23; отсутствие символа «Н» - IP44)

обозначение фазного ротора (контактные кольца)

высота оси вращения вала машины, мм

обозначение длины сердечника L (или М, S…)

число полюсов

климатическое исполнение согласно ГОСТ 15150-69

категория размещения, согласно ГОСТ 15150-69

Технические данные и параметры схемы замещения берут из таблиц 2.7 и  2.8 [1], обмоточные данные статора и ротора даны в таблицах 6.15 и 6.16 [1].

Рисунок 1 Г - образная схема замещения асинхронного двигателя

ДАННЫЕ ДВИГАТЕЛЯ 4АНК200L4У3 , Вариант № 11

№ п/п	Обозна- чение	Единицы  измерения	Значение	Примечание
1	f1	Гц	50	частота сети
2	U1H	В	220	номинальное напряжение фазы статора
3	n0	об/мин	1500	синхронная частота вращения
4	Р2Н	Вт	45	номинальная мощность на валу
5	н		0,9	номинальный КПД
6	cos		0,88	номинальный коэффициент мощности
7	I2H	А	75	номинальный ток ротора
8	U2	В	375	напряжение на кольцах неподвижного ротора
9	mk		3	перегрузочная способность двигателя (отношение максимального момента к номинальному)
10	sH	о.е.	0,035	номинальное скольжение
11	sк	о.е.	0,025	критическое скольжение
12		о.е.	3,4	индуктивное сопротивление цепи намагничивания
13		о.е.	0,029	приведённое активное сопротивление фазы статора
14		о.е	0,067	приведённое индуктивное сопротивление фазы статора
15		о.е	0,036	приведённое индуктивное сопротивление фазы ротора
16		о.е	0,1	приведённое индуктивное сопротивление фазы ротора
17	Z1		48	число пазов статора
18	Sn1		26	число эффективных проводников в пазу статора
19	a1		4	число параллельных ветвей в обмотке статора
20	kоб1		0,925	обмоточный коэффициент статора
21	R1(20)	Ом	0,0599	активное сопротивление фазы статора при 20оС
22	Z2		36	число пазов ротора
23	Sn2		10	число эффективных проводников в пазу ротора
24	a2		1	число параллельных ветвей в обмотке ротора
25	kоб2		0,903	обмоточный коэффициент ротора
26	R2(20	Ом	0,143	активное сопротивление фазы ротора при  20°С
27	¢РС	о.е	450	потери в стали
28		о.е	540	механические потери
29		о.е	225	добавочные потери
30	αс	о.е	0,8	отношение момента сопротивления Мс к номинальному моменту Мэмн
31	Uп	В	220	фазное напряжение, подводимое к двигателю при пуске

Подготовительные расчёты

1 Потери в стали, Вт             

.

2 Потери механические, Вт   

.

3 Потери добавочные, Вт      

.

4 При номинальной нагрузке полное сопротивление фазы двигателя, Ом

.

5 Пересчёт сопротивлений схемы замещения из относительных единиц в Омы

 ,

,

,

,

.

6 Активное и индуктивное сопротивление фазы обмотки статор, Ом

,

.  

7 Активное сопротивление цепи намагничивания, обусловленное потерями в стали, Ом

 ,

где  Ом,

 Ом.

8 Коэффициент приведения к Г-образной схеме замещения

.

9 Электромагнитная мощность двигателя при номинальной нагрузке, Вт

.   

10 Число пар полюсов двигателя

.

11 Угловая скорость вращения магнитного поля, рад/с

.

12 Электромагнитный момент двигателя при номинальной нагрузке, Н×м

 .

13 Номинальный момент на валу двигателя, Н×м

 .

14 При номинальной нагрузке потери в обмотке ротора, Вт

.

15 Ток холостого хода, А

,

.

16  Ток главной ветви схемы замещения при номинальной нагрузке, А

, 

.

17 Номинальный ток фазы статора, А

,

.

18 Потери в обмотке статора при номинальной нагрузке, Вт

.

19 Приведённая эдс фазы неподвижного ротора, В

.

20 Реальная эдс фазы неподвижного ротора, В

.

21 Коэффициент трансформации двигателя

.

22 Мощность холостого хода, Вт

.

23 Номинальная мощность, потребляемая из сети, Вт

.

24 Номинальный ток ротора, А

.

25 Сопротивление ротора при рабочей температуре, Ом

.

26 Номинальный кпд

.

27  Номинальный коэффициент мощности        

.

28 Коэффициент мощности при холостом ходе

 .

29 Критическое скольжение

.

30 Критический момент, Н×м

.

31 Отношение критического момента к моменту номинальному (перегрузочная способность двигателя)

.

32 Число витков на фазу статора

.

33 Число витков на фазу ротора

.

34 Коэффициент трансформации по обмоточным данным

.

3.3 Расчёт и построение рабочих характеристик

3.3.1 Расчет рабочих характеристик

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя являются зависимости Р₁, I₁, I₂, cosφ, η, S, M от полезной мощности на валу Р₂. Эти характеристики рассчитываются с использованием Г- образной схемы замещения (рисунок 1). Данные берутся из предыдущих разделов. Алгоритм расчетов приведен ниже.

Вычислить пять значений скольжений:

; ; ; ;

и при каждом из этих скольжений выполнить расчёты:

 1 Сопротивления главной цепи Г- образной схемы замещения, Ом

,

,

;

2  Приведённый ток ротора и его активная и реактивная составляющие,

 А,

 А,

 А;

3  Реальный ток ротора, А

.

  4 Ток фазы статора и его активная и реактивная составляющие, А

,

,

.

5 Потери в обмотке статора, Вт

;

6 Потери в обмотке ротора, Вт

;

7  Электромагнитная мощность, Вт

;

8 Активная мощность, потребляемая двигателем из сети, Вт

;

9 Мощность на валу, Вт

;

10  Коэффициент полезного действия

;

11  Коэффициент мощности

;

12  Электромагнитный момент, Н×м

.

3.3.2 Построение рабочих характеристик

1 Результаты расчётов занести в таблицу 2. В первом столбце этой таблицы указываются значения параметров при холостом ходе (s = 0)

Таблица 2

2 По данным таблицы построить рабочие характеристики двигателя:

P₁; I₁; I₂ = f(P₂) – рисунок 2;

s; h; cosφ = f(P₂) – рисунок 3.

ПРИМЕР:

P₁, Вт; I₁, А; I₂, А

P₂, кВт

Рисунок 2 Рабочие характеристики двигателя I₁, I₂, Р₁ = f(P₂)

     Рисунок 3 Рабочие характеристики двигателя; h, cos j = f(P₂)

Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором осуществляется по схеме, представленной на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема включения двигателя

(R₂ – внутреннее активное сопротивление ротора;  R_П – пусковое сопротивление ротора)

1 Момент сопротивления, Н×м

.

2 Максимальный пусковой момент, Н×м

.

3 Скольжение, соответствующее моменту М₁, на естественной механической характеристике двигателя

,

где ,

.

Значение S₁ должно соответствовать условию

Рисунок 5 -  Схема включения пускового реостата (а)

 построение графика пускового момента (б) асинхронного двигателя

4 Число ступеней пускового реостата Z выбираем по скольжению:

если

S₁<0,07, то Z=4;

S₁=0,07, то Z=3;

S₁>0,07, то Z=2.

5 Коэффициент изменения активного сопротивления роторной цепи

Если пуск двигателя осуществляется без нагрузки на валу или при малых нагрузках, то полученные значения Z и l  не корректируются.

Если же пуск осуществляется при нагрузках, близких к номинальной, то должно выполняться условие  l< m_к. При невыполнении этого условия необходимо увеличить число пусковых ступеней и пересчитать значение l.

6 Сопротивление пускового реостата (добавочных сопротивлений) на различных ступенях пуска, Ом

,

где m – целое число от 1 до Z

,

.

7 Сопротивление пускового реостата, Ом

,

где m – целое число от 1 до Z

3.5  Расчёт и построение пусковых характеристик

Алгоритм расчёта пусковых характеристик (показаны на рисунках 5, 6) базируется на Г-образной схеме замещения. Расчёт ведётся поочерёдно для всех ступеней пуска.

1 Номер пусковой ступени обозначим m. Поочерёдно задаёмся значениями m от 0 до Z и находим приведённое активное сопротивление фазы роторной цепи из данной ступени пуска, Ом

,

,

,

.

2 Рабочие участки пусковых характеристик почти прямолинейны, поэтому для их построения достаточно на каждой ступени пуска рассчитать по три точки. Скольжение, соответствующее этим точкам, определим по формуле

,

где К – поочерёдно принимает значения 1, 2, 3 при всех значениях m.

   Полученные значения скольжений записываем в таблицу 3. При m = 0 дополнительно записываем в таблицу скольжения 0; S_к и 1.

3 Выполним расчёт пусковых характеристик при m = 0, т.е. без добавочных сопротивлений в цепи ротора. Расчёт ведём при значениях скольжений S₀₁; S₀₂; S_03; S_к и 1:

-  активное, реактивное и полное сопротивление главной ветви Г-образной схемы замещения, Ом

,

,

;

-  приведённый ток ротора

;

- активная и реактивная составляющая приведённого тока ротора, А

,

;

 - реальный ток ротора, А                                              

;

- ток статора и его составляющие, А

,

,

;

- электромагнитная мощность, Вт

;

- электромагнитный момент, Н×м

.

3 Результаты расчётов занести в таблицу 3.

Расчёт токов и моментов при m = 1, 2 можно не выполнять, т.к. отношение R²_m / S_mk не зависит от m. Следовательно, значения I₁, I₂, M_ЭМ будут те же самые, что и при m = 0.

Таблица 3

4       По данным таблицы 3 построить пусковые характеристики двигателя             М_ЭМ = f(S) (рисунок 6), I ₁ = f(S) (рисунок 7); I₂ = f(S).

ПРИМЕР:

       М_эм,Н×м       

   S, о.е

Рисунок 6 Пусковая характеристика двигателя M_эм = f(S)

ПРИМЕР:   

              I₁. А

S, о.е

Рисунок 7 Пусковая характеристика двигателя I₁= f(S)

После построения пусковых характеристик определить момент переключения М₂ и проверить условие М₂ >1,1М_С. Если это условие не выполняется, то следует увеличить число пусковых ступеней

Cравнение двух двигателей серии 4А

По заданию сравнить два двигателя разных марок серии 4А: отметить как габариты, число полюсов или исполнение двигателей влияют на их мощность (габариты, эксплуатационные свойства).