Описание лабораторного стенда

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Исследование электропривода молочного сепаратора

Цель работы: 1. Изучить особенности электропривода молочного сепаратора.

2. Изучить технологическую, кинематическую, инерционную и нагрузочную характеристики сепаратора.

3. Освоить методику снятия нагрузочных диаграмм двигателя при пуске сепаратора.

Описание лабораторного стенда

Особенности электропривода сепаратора определяются приводными характеристиками машины.

Технологический процесс очистки молока состоит в том, что молоко , поступая в барабан сепаратора, вращающийся с большой скоростью, проходит между тарелками (и направляется к напорному диску. Примеси, находящиеся в молоке, под действием центробежной силы отбрасываются к стенке грязевой камеры, образуя на ней плотный осадок. Последний удаляют вручную из грязевой камеры после остановки сепаратора-молокоочистителя (рис.2.1). По кинематической схеме сепаратор относятся к машинам с вращательным движением.

В сепараторе-молокоочистителе ОМА-ЗМ, который входит в состав лабораторного стенда содержателя три вращающиеся системы (рис.2.2). Ведущая вращающаяся система состоит из вала 9 электродвигателя с насаженным на нем ротором 8, ведущей центробежной полумуфты 7. В состав этой вращающейся системы входят шпонки и штифты, а также внутренние кольца шарикоподшипников.

Соединительная вращающаяся система содержит горизонтальный вал 5, ведомую центробежную полумуфту 6 и ведущее колесо винтового мультипликатора 4. Ведомая вращающаяся система состоит из веретена 2 с укрепленным на его верхнем конце барабаном 1. Привод барабана осуществляется следующим образом, вращение от вала электродвигателя передается ведущей центробежной полумуфте, коладки которой с помощью центробежной силы прижимается к ведомой центробежной полумуфте. За счет передачи от электрического двигателя крутящего момента посредством ведущей центробежной полумуфты начинают вращаться горизонтальный вал и насаженное на ведущее колесо винтового мультипликатора, то колесо находит в зацепление с ведомым колесом мультипликатора, нарезанным или отремонтированным на веретене, и приводит в движение веретено, вместе с ним барабан. Угловая скорость барабана w_бар= 680 рад/с двигателя w_ав =149,6 рад/с. Передаточное отношение редуктора i =0,22.

По нагрузочной характеристике электропривод сепаратора относятся к машинам с длительным режимом работы при постоянной мощности.

При этом мощность, потребляемая при нагрузке, незначительно отличается от мощности холостого хода.

Для сепаратора характерно относительно большое значение момента инерции барабана (приведенный момент инерции рабочей машины J^¢_м =46 кг·м²). Поэтому пуск двигателя сепаратора длительный (2-3 мин).

Устанавливать более мощный двигатель для уменьшения времени разбега недопустимо, так как это может привести к поломке черячной тары.

Чтобы уменьшить нагрев двигателя пусковыми токами в кинематической схеме сепаратора предусмотрены центробежные фрикционные муфты. В этом случае двигатель разгоняется по существу в холостую, а разгон барабана сепаратора происходит медленно из-за проскальзывания муфты сцепления. Лабораторная работа поставлена на базе сепаратора ОМА-3М с двигателем серии 4А100l4УЗ мощностью 4кВт. На стенде лабораторной работы установлены комплект регистрирующими и измерительных приборов и пускозащитная аппаратура.Стенд подключается к сети напряжением 380В автоматом серии АЕ2046М установленным на стенде. Двигатель сепаратора ОМА-ЗМ запускается кнопкой “Пуск-Стоп” ПКЕ112-2УЗ. Для снятия нагрузочных в частности зависимости потребляемой мощности от времени Р=f₁(t) необходимо использовать самопишущий ваттметр установленный на стенде. Характер изменения тока двигателя I=f₂(t) также записывается на бумажную ленту самопишущего прибора. Изменение напряжения U=f₃(t) тахогенератора, который установлен на вал двигателя сепаратора, записывается самопишущим милливольтметром. Чтобы найти зависимость n=f₄(t) необходимо использовать тарировочный график тахогенератора (рис.1.4) Для расширения диапазона измерения милливольтметра последовательности включается добавочные сопротивления. Тахометром установленным на станине сепаратора изменения скорости вращения барабана во времени n_бар=f(t).

Указанную величину рекомендуется измерять, с интервалом времени 5 сек до полного разбега электропривода.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройствами, работой и назначением молочного сепаратора и составить кинематическую схему электропривода.

2. Собрать схему (рис. 2.3) для пуска сепаратора с включением соответствующих приборов.

3. Убедиться в исправности самопишущих приборов.

4. Включить самописцы и несколько секунд спустя нажатием кнопки “Пуск” запустить электродвигатель сепаратора. Снять зависимость угловой скорости, мощности и тока электродвигателя от времени, а также зависимость угловой скорости барабана от времени.

Таблица 2.1.

№ по порядку	Замерено	Рассчитано
t, сек	wдв, рад/с	Р, Вт	wбар, рад/с	I, А	Рв, Вт	Мв, Н·м

5. После окончания разгона выключить электродвигатель и приборы. Далее открыть крышки самопишущих приборов и снять бумагу, на которой нанесена нагрузочная диаграмма двигателя. Результаты измерений обработать и представить в виде таблицы 2.1.

Пользуясь зависимостью к.п.д. двигателя от нагрузки n_дв=j(Р/Р_н) (рис 2.5) определить мощность на виду двигателя.

Чтобы найти зависимость w_дв=f(t) необходимо использовать тарировочный график тахогенератора (рис. 2.4).

По данным таблицы 1.1 вычислить мощность на валу двигателя в установившемся режиме и сравнить с мощностью вычисленным по формуле (2.1):

Р = k М_сw_{бир. н}, (2.1)

где k=1,5 – опытный коэффициент, учитывающий мощность, которая нужна для сообщения кинематической энергии, поступающей в барабан жидкости, преодоления гидродинамических потерь трения в подшипниках и передаточном механизме.

М=2,6 на момент сопротивлений сепаратора при w_бар..н = 680 рад/с. По мощности вычисленным по формуле (2.1) выбрать двигатель для привода сепаратора. Выбранную двигатель проверить по продолжительности пуска. Для чего рассчитать продолжительность пуска двигателя по формуле (2.2):

T_п = t_п.о·F_i/k_m, (2.2)

где F=(J_дв+J^¢_м)/J_дв - коэффициент инерции; k_m – коэффициент, определяющий зависимостью статического момента сопротивления от частоты вращения двигателя m_с=M_с/M_ном – отношения статического момента сопротивления к номинальному вращающему моменту.

Коэффициент k _m для двигателей серии 4А диапазоном высоты оси вращения, 50-132мм равен 0,9 при m_c=(n/n_c )²

t_n0 – длительность пуска двигателя при отсутствие статического и динамического моментов сопротивления на валу двигателя.

В случае t_n>3мин выбрать двигатель следующей мощности повторить расчет.

Произвести расчет нагрузочной диаграммы при пуске двигателя сепаратора путем графо-аналитического решения уравнения движения электропривода, который основан на том, что на небольшом участке приращения скорости Dw момент и момент сопротивлений принимаются постоянными, равными средним значениям на рассматриваемым участке, т.е.:

M_д.ср–M_с.ср=JDw/Dt (2.3)

Откуда

М_д.ср-М_с.ср/J=Dw/Dt (2.4)

Эта же пропорция, выраженная в отрезках, будет иметь вид:

М_д.ср-М_с.ср/m_м/j/m_j=Dw/m_w/Dt/m_t, (2.5)

где m_м, m_j ,m_w, m_t – масштабные коэффициенты соответственно моментов, момента инерции, скорости и времени.

Сравнение выражений (2.4) и (2.5) позволяет сделать вывод о том, то формула (1.5) будет справедлива только при следующем соотношении масштабных коэффициентов:

m_о/m_м =m_t/m_w (2.6)

В практических расчетах обычно задаются масштабами момента m_м [Н·м/мм] скорости m_w [рад/с/мм], времени m_t [c/мм] и определяют четвертый масштабный коэффицциент m_j = [кг/м² /мм]

m_j=m_мm_t/m_w (2.7)

Механическую характеристику асинхронного двигателя строят по его каталожным данным: номинальной мощности Р_н , номинальной частоте вращения n_n кратности пускового момента l_n=М_п/М_н.

Каталожные данные двигателя установленного в сепараторе ОМА-ЗМ: Р_н=4кВт; n_н =1430об/мин; h=84%; соsj=0,84; l_м=2,4; l_п=20; l_min=1,6; I_п/I_н=6,0; J=1,13·10^-2кг·м²; t_п.о=0,04сек.

Для построения характеристики необходимо определить следующие характерные точки:

1) М=0; n=n_о – синхронная частота вращения двигателя;

2) М=М_н; n=n_н – точка номинально режима работы;

3) М_max=М_н·l_м; n=n_к – точка номинального момента;

4) М_пуск=М_н·l_п; n=0 – точка пускового момента двигателя.

Скольжения двигателя, соответствующее максимальному моменту М_max, определяют по формуле:

s_к =s_н[l_м+Öl_м²+2·s_н(l_м-1)–1]/1-2·s_н(l_м-1), (2.8)

где s_н=n_о–n_н/n_н - номинальное скольжение двигателя.

Частота вращения, соответствующая критическому скольжению s_k,

n_k=n_o (1-s _k) (2.9)

Остальные точки механической характеристики двигателя строят по уравнению

М=2М_max(i+x)/s/s_к+s_к/s+2x, (2.10)

где x»s_к

x, М – текущие значения скольжения и момента.

Расчет механического характенистики двигателя следует выполнить с интервалом скольжения 0,1 и результаты записать в таблицу 2.2.

Таблица 2.2.

s	1-s	n=n0(1-s) об/мин	s/sк	s/s	si/sк+sк/s+2x	М, Н·м

Механическая характеристика муфты может быть выражена формулой:

М_м=М₀+В_м w², (2.11)

где М_о=0,57 на момент, создаваемый силой трения при угловой скорости ведущей части w=0;

В_м =М_сц–М_о/w²_сц - коэффициент пропорциональности;

М_сц, w_сц – момент и угловая скорость, которые соответствуетполному сцеплению муфты определяется опытным путем внимательно изучив полученные нагрузочные диаграммы.

Механическая характеристика сепаратора представляет собой квадратичную зависимость моментов сопротивления от угловой скорости:

М_с=М₀+вw², (2.12)

где М₀ =0,5Н·м – начальный момент на валу электродвигателя;

В=4,5 10^-6 Н·м – коэффициент пропорциональности, зависящий от качества обработки элементов кинематической схемы привода, массы барабана, шероховатости поверхности барабана сепаратора w - угловая скорость барабана, рад/с.

Для приведения момента сопротивления сепаратора и валу электродвинателя пользуются формулой:

М_с=М_с/I (2.13)

При сочетании механических характеристик двигателя, муфты и сепаратора, доказанных на рис.2.6. и приведенном моменте машины, значительно большем момента инерции двигателя (J^¢_м>>J_дв), разгон привода будет происходить в несколько ступеней:

1) под действием избыточного момента М_изб1=М_дв–М_м скорость двигателя становится близкой к номинальной, когда М_дв=М_м=М_сц и w_дв=w_сц за время (рис.2.7).

t₁ =J_двò_с ^{w щd}w/М_дв –М_м (2.14)

2) избыточный момент М_изб2=М_сц-М_с разгоняет рабочую машину за время

t₂=J_мò_о^wсцdw/М_сц-М_с (2.15)

3) в периоды времени t₁ и t₂ муфта работает со скольжением. Мощность скольжения

Р_ск=М(w_дв-w_м) (2.16)

Расходуется на нагрев муфты.

4) под действием избыточного момента М_изб3=М_дв–М_с агрегат разгоняется до рабочего за время:

t₃=(J_дв+J_м^¢)ò_wсц ^wрdw/М_дв–М_с (2.17)

Общее время разгона:

t_расч=t₁+t₂+t₃ (2.18)

Продолжительность периодов t₁…t₃ составляет 10…15% общей продолжительности разгона. Поэтому продолжитеьность разгона агрегата с центробежной муфтой определяется в основном временем t₂ и в значительной степени зависит от скорости w_сц

Из сказанного выше можно сделать следующий вывод:

-нагрузочную диаграмму электропривода следует строить отдельным графиком для каждого ступени разгона привода;

-затем воссоединением этих графиков получить общую нагрузочную диаграмму.

Порядок графических построений первой ступени разгона привода такой. В левой части графика (рис.2.8) строятся механические характеристики двигателя М=¦(w). Вычитая из графика момента двигателя график момента муфты, получают кривую динамического момента М=¦(w) и разбивают на ряд участков, для которого динамический момент можно принять постоянным, т.е. не зависящим от скорости.

При этом нужно стремиться к тому, чтобы площадки лежащие в не кривой динамического момента, были примерно равны площадкам, лежащим внутри кривой.

Далее по оси моментов откладывают в масштабе величину момента инерции двигателя J_дв (отрезок ОА).

Значение динамического момента на первом участке (ОЕ) переносим на ось скорости и получаем точку В (ОВ=ОЕ). Соединяем точку В с точкой А и из начала координат до конца первого участка проводим прямую ОС, паралельную АВ.

Отрезок ОД в принятом масштабе представляет собой приращение времени на первом участке (ОД-Dt₁ ), а отрезок СД приращение скорости (СД=Dw₁).

Для определения приращения времени на втором и последующих участках делают аналогичные построения: перенося на ось скорости значения динамического момента на втором участке , полученную точку соединяют с точкой А, паралелльно этой линии из конца первого участка (точка С) проводят линию, точка пересечения которой с линией конца второго участка и дает приращение времени Dt₂, и т.д. Соединив расчетные точки, получают кривую изменения скорости двигателя во времени w=¦(t).

Чтобы построить нагрузочную диаграмму двигателя М_дв=¦(t), нужно воспользоваться взаимной связью во времени кривых М_дв=¦(w) и w=¦(t). В начале процесса когда t=0 и w=0, М_дв=М_{дв.пуск.} Отложив по оси координат М_{дв.пуск.} при t=0, получают начальную точку нагрузочной диаграммы двигателя. Когда же время будет равно Dt₁=ОД, момент двигателя примет значение М_{п1 .} Подобным образом находят и другие точки нагрузочной диаграммы двигателя М=¦₂ (t).

Если нужно представить нагрузочную диаграмму двигателя как зависимость тока во времени I=¦(t), то в левой части чертежа строят электромеханическую характеристику двигателя I=¦(w).

Перестроение в нагрузочную диаграмму делают так же, как и механической характеристики, используя зависимость.

Порядок графических построений для расчета второй ступени разгона привода следующий: в левой части графика (рис.2.9) строят график момента сцепления М_сц=¦(w) график момента сопротивлений, получают кривую динамического момента М_дин2=¦(w). Дальнейшее построение делают аналогично первой ступени разбега привода. Только вместо момента инерции двигателя по оси моментов откладывают приведенный момент инерции рабочей машины.

Порядок графических построений для расчета третьей ступени разбега привода. В левой части графика (рис.2.10) строят механические характеристики двигателя М_дв=¦(w) и рабочей машины М_с =¦(w). Так же как в предыдущей ступени по оси координат находят точку w_сц и по этой точке проводят прямую паралелльную оси абцисс. Далее от верхней части механической характеристики двигателя отнимают верхнюю часть графика момента сопротивлений рабочей машины и разбивают на участки.

Дальнейшее построение делают также как и впервой ступени разбега привода. При этом вместо момента инерции двигателя по оси моментов откладывают приведенный момент инерции системы (J^¢_м+J_дв). Во всех ступенях разгона мощность на валу двигателя находят переумножением момента двигателя на угловую скорость двигателя.

На рис.2.11 показана общая нагрузочная диаграмма, полученная воссоединением графиков трех ступеней.

На результаты графического расчета нагрузочной диаграммы двигателя необходимо нанести полученные при опыте пуска сепаратора точки нагрузочной диаграммы и объяснить причины расхождения опыта и расчетом.

Контрольные вопросы

1) В чем заключаются особенности электропривода молочных сепараторов?

2) Почему нельзя значительно увеличивать мощность двигателя для привода сепараторов без муфты?

3) Какую роль в приводе сепаратора играет центробежная муфта?

4) Из каких условий определяется приведенный к валу двигателя момент инерции привода сепаратора?