Кафедра энергетики и автоматизации производственных процессов

Кафедра энергетики и автоматизации производственных процессов

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

к практическим занятиям и

выполнению расчетно-графической работы №3

РАСЧЕТ И ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ,

ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ ЕГО МЕХА­НИЧЕСКОЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

(с использованием ПЭВМ)

для студентов механико-технологического,

строительного и инженерно-экологического

факультетов

Брянск 2004

Министерство образования РФ

Брянская государственная инженерно-технологическая академия

Кафедра энергетики и автоматизации производственных процессов

Утверждено научно - методическим

Советом БГИТА

Протокол № ___от _________ 2004г.

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

к практическим занятиям и выполнению

расчетно-графической работы №3

РАСЧЕТ И ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ,

ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ ЕГО МЕХА­НИЧЕСКОЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

(с использованием ПЭВМ)

для студентов механико-технологического,

строительного и инженерно-экологического

факультетов

Брянск 2004

Составители: Ушев Н.И. – доцент кафедры энергетики и автоматизации производствен- ных процессов Брянской государственной инженерно- техноло- гической академии

Жданова Л.С. – старший преподаватель кафедры энергетики и автоматизации производственных процессов Брянской государственной нженерно-технологической академии

Рецензент: Симутин В.З. – доцент кафедры промышленной электроники и электро- техники Брянского государственного технического универ- ситета

Рекомендовано учебно-методической комиссией

механико-технологического факультета

Протокол № ____от_____________2004г.

СОДЕРЖАНИЕ. Стр.

Предисловие........................................................................................................................5

1 Назначение и состав электрического привода .............................................................6

2 Важность правильного выбора мощности двигателя......................................................6

3 Классификация номинальных режимов работы электродвигателей

Нагрузочные диаграммы……………………..…………………………..…............… 7

4 Общие рекомендации по выбору двигателей для электропривода……...…... …. … 8

4.1 Выбор типа электродвигателя……… ……………..….……….……....…..… .….. ... 8

4.2 Выбор номинального напряжения электродвигателя... ............................ ......... 9

4.3 Выбор номинальной частоты вращения двигателя............................... ............ 9

4.4 Выбор конструктивного исполнения двигателя................................... ............ 10

5 Выбор мощности двигателя для продолжительного режима

работы с постоянной нагрузкой (Режим S1) .............................……........ ......... ..… ... 10

6 Выбор мощности двигателя для продолжительного режима

работы с переменной нагрузкой (Режим S1) ........................................ .................... .... . 11

7 Проверка двигателя на перегрузочную способность ......................... .......................... 11

8 Проверка двигателя на пусковые условия .......................................... ......................... .. 12

9 Выбор мощности двигателя при повторно – кратковременном режиме

работы (режим S3) ................................................................................................................ 12

10 Определение потребляемой мощности, потребляемого и пускового токов,

номинального и пускового моментов по паспортным данным двигателя....................... 14

11 Расчет и построение механической характеристики двигателя................................... 14

12. Задание на выполнение РГР ........................................................................................... 16

13 Оформление расчетно-графической работы.................................................................. 16

14 Рекомендуемая литература.............................................................................................. 17

Приложение 1 Схема диалога оператора с компьютером .................................... ..........18

Приложение 2 Варианты РГР .................................................................................. ..........19

Приложение 3 Краткая характеристика асинхронных двигателей ..... .......26

Предисловие

Для ряда специальностей академии при изучении курса электротехники рабочими программами предусмотрены расчетно-графические работы и практические занятия. Учитывая, что на лесопромышленных, деревообрабатывающих и строительных предприятиях для приведения в движение исполнительных органов рабочих машин и механизмов широко используется электродвигательный привод, часть таких занятий посвящена рассмотрению вопросов, связанных с расчетом мощности на валу двигателя, выбором типа и мощности двигателя, построением и анализом механических характеристик двигателей и производственных механизмов.

Учебное пособие предназначено для аудиторной работы студентов на практических занятиях и самос­тоятельной работы при выполнении РГР на тему «расчет и выбор мощности двигателя, построение и анализ его меха­нической характеристики».

В пособии дано понятие о нагрузочных диаграммах, рассмотрены номинальные режимы работы электропривода, приведены общие рекомендации по выбору двигателя (выбор типа, напряжения, частоты вращения, конструктивного исполнения), методика расчёта мощности и выбора дви­гателя для различных режимов работы, расчёта и построения механической характеристики.

Учебное пособие содержит достаточное количество вариантов индивидуальных заданий по РГР. Учитывая факт ограниченного количества справочной литературы в библиотеке академии по данному разделу курса электротехники, в пособии приведены технические характеристики трехфазных асинхронных двигателей, необходимые при выполнении расчетно-графической работы и проведении практических занятий.

Рисунок 1 Зависимость КПД двигателя

От коэффициента загрузки

Поэтому необходимо стремиться заменять недогруженные двигатели двигателями меньшей мощности и исключать длительную работу двигателей вхолостую.

Для асинхронных двигателей недогрузка вызывает не только уменьшение КПД, но и снижение коэффициента мощности двигателя (Cosφ). При этом ухудшаются условия работы питающей сети, увеличиваются потери электрической энергии в ней и снижается эффективность использования источника энергии.

Таким образом, правильный выбор двигателей по мощности обеспечивает не только высокую надежность работы электроприводов механизмов, но и наиболее экономичное потребление электрической энергии, что имеет для предприятий большое значение.

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Для привода той или иной производственной машины должен быть выбран такой двигатель, который наиболее полно удовлетворял бы технико-экономическим требованиям. Это значит, что необходимо выбрать двигатель наиболее простой по управлению, надежный в эксплуатации, имеющий наименьшие стоимость, вес, габариты, а также высокие энергетич6еские показатели. При выборе двигателя требуется выбрать:

тип двигателя;

величину напряжения;

номинальную частоту вращения;

конструктивное исполнение.

Выбор типа электродвигателя

В большинстве случаев выбор двигателя по роду тока, напряжению, частоте питающей сети предопределен схемой электроснабжения предприятия.

При выборе типа электродвигателя можно ограничиться сравнением особенностей следующих двигателей: трехфазных асинхронных с фазным и короткозамкнутым роторами, синхронных и двигателей постоянного тока.

Из них самыми распространенными, простыми, надежными и экономичными являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии 4А, используемые на предприятиях, как правило, при мощностях до 100 кВт. Их недостатком является большой пусковой ток и малый пусковой момент. Если пусковой момент такого двигателя окажется недостаточным для обеспечения требуемого режима пуска, то выбирают асинхронные короткозамкнутые двигатели с двойной беличьей клеткой или с глубокими пазами на роторе.

Для привода механизмов, имеющих большие статические и инерционные нагрузки в момент пуска (например, конвейеры лесоматериалов или строительных материалов), целесообразно использовать асинхронные короткозамкнутые двигатели с повышенным пусковым моментом серии 4АР. Для механизмов, работающих в повторно-кратковременных режимах (например, лебедки), предназначены двигатели с повышенным скольжением серии 4АС. Номинальным режимом для двигателей с повышенным скольжением является режим с ПВ=40%.

Для привода механизмов, допускающих ступенчатое регулирование частоты вращения, используют многоскоростные асинхронные короткозамкнутые двигатели серии 4А, имеющие две, три и четыре частоты вращения. Для привода механизмов, работающих обычно с перегрузками, что особенно характерно для механизмов первичной обработки заготовленного леса (хлыстов, деревьев), а также частыми пусками, целесообразно применять двигатели серии 4А с встроенной температурной защитой.

Для электроприводов с тяжелыми условиями пуска, требующих плавного регулирования частоты вращения, а также приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме с большим числом пусков в час (подъемные машины), предназначены асинхронные двигатели с фазным ротором, двигатели специализированных исполнений (крановые).

Для нерегулируемых электроприводов средней и большой мощности, работающих в продолжительном режиме с редкими пуками (воздуходувки, мощные центробежные насосы, компрессоры), рекомендуется применять синхронные двигатели, т.к. их КПД более высокий по сравнению с асинхронными. Кроме того, они способствуют повышению коэффициента мощности электроустановок. При малых мощностях они не рекомендуются, т.к. капитальные затраты не окупаются эксплуатационными преимуществами.

Для механизмов, требующих непрерывного и плавного регулирования частоты вращения в широких пределах, приходится применять двигатели постоянного тока, несмотря на относительную сложность их устройства и высокие эксплуатационные расходы

Рисунок 3 Нагрузочная диаграмма.

θ – температура двигателя

Далее из каталога для двигателей повторно-кратковремен­ного режима работы по полученному значению мощности Р_ст выбирается двигатель нужного типа, исполнения ичастоты вращения для принятого стандартного значения ПВ% по условию

Р_ном ≥ Р_ст

Выбранный двигатель проверяется по перегрузочной способности и по кратности пускового момента по методике, рассмотренной в параграфах 7, 8.

Для выбранного двигателя необходимо выписать из справочника все технические данные.

В общем случае для выбора двигателя при повторно-кратковременном режиме работы можно рекомендовать следующую последовательность действий:

выбор частоты вращения двигателя ® выбор исполнения двигателя с учетом окружающей среды ® расчет эквивалентной мощности за цикл работы® определение ПВ% за цикл ® определение режима работы двигателя по полученному значению ПВ% ® приведение эквивалентной мощности к стандартному значению ПВ, если расчетное ПВ не равно одному из стандартных (15, 25, 40 или 60%) ® выбор типа двигателя из справочника по значению полученной мощности для стандартного ПВ% ® проверка выбранного двигателя на перегрузочную способность ® проверка двигателя на пусковые условия ® выписка технических данных выбранного двигателя.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

Под механической характеристикой двигателя понимается гра­фическая зависимость частоты вращения ротора от момента нагрузки на валу (вращающего момента), т.е. n = f(M) при неизменном напряжении сети. От характера механической характеристики зависит пригодность асинхронного двигателя для привода различных производственных механизмов.

Получить зависимости n = f(M) в явном виде нельзя. Известно, что вращающий момент связан со скольжением так называемой формулой Клосса, которая в упрощенном варианте имеет вид:

где М_k = кМ_ном, - критический (максимальный) вращающий момент, Н·м;

- коэффициент допустимой перегрузки (из справочника);

S_k - критическое скольжение, определяется как ;

S_ном - номинальное скольжение,

Зная значения Мк и Sк и, задаваясь значениями скольжения S в пределах его теоретических границ (от 0 до 1), определяем текущие значения вращающего момента М по формуле (2) и частоты вращения n двигателя по формуле n = n₀ (1 – S).

Расчетные данные сводятся в таблицу:

S	0.001	0.01	. . .	Sном	. . .	Sk	0.3	0.5	0.7
M
n

По результатам расчета строятся графические зависимости M= f (S, n) (рисунок 4) и механическая характеристика n=f(M) (рисунок 5). При этом на графики следует нанести значение начального пускового момента М^/_{нач. пуск.,} рассчитанного в параграфе 10 по паспортным данным выбранного двигателя.

Рисунок 4 Графическая зависимость M = f (S, n)

В заключение дается подробный анализ механической характеристики (описываются точки 1, 2, 3, 4, 5, а также участки характеристики 5-3, 3-1, 3-2).

Рисунок 5 Механическая характеристика двигателя n = f(M)

ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ РГР

Дано:

Производственный механизм приводится в движение асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Режим работы задан в Приложении 2 (таблица 1) в соответствии с Вашим вариантом.

Характеристика окружающей среды:

для четных вариантов - нормальная,

для нечетных - с повышенной влажностью, запыленная, загазованная.

Требуется:

Построить нагрузочную диаграмму;

Обосновать выбор частоты вращения двигателя;

Выбрать исполнение двигателя с учетом окружающей среды;

Рассчитать мощность и выбрать тип двигателя для режима работы, соответствующего нагрузочной диаграмме;

Проверить выбранный двигатель на перегрузку и пусковые условия;

Выписать из справочника таблицу технических данных двигателя;

Определить потребляемую двигателем мощность, потребляемый и пусковой токи, номинальный, максимальный и пусковой моменты по паспортным данным выбранного двигателя;

Рассчитать и построить механическую характеристику двигателя;

Сделать подробный анализ механической характеристики (описать характерные точки и участки);

Определить энергию, потребляемую выбранным двигателем за сутки непрерывной работы.

ОФОРМЛЕНИЕ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

При оформлении РГР необходимо соблюдать следующие правила: текст расчётно-графической работы пишется на одной стороне листа бумаги формата А4, имеющего рамку с полями: слева - 25-30 мм, справа, сверху и снизу - 5 мм;

на титульном листе указываются наименование академии, ка­федры, номер РГР, её название, вариант задания, номер учебной группы, фамилия студента, фамилия преподавателя и дата;

достаточно подробно поясняются все расчёты, выполненные с помощью или без помощи ЭВМ; указываются единицы измерения всех вычисленных величин;

механическая характеристика строится на миллиметровой бу­маге.

все исправления и уточнения согласно замечаниям преподавателя производятся на чистой обратной (левой) стороне листа.

Пояснительная записка к РГР должна содержать:

12.1 Титульный лист с полным наименованием РГР и указанием № варианта;

12.2 Задание;

12.3 Краткое введение (1 стр. Применение электродвигателей для привода машин и механизмов, значение правильного выбора мощности двигателя);

12.4 Нагрузочную диаграмму;

12.5 Расчёт мощности и выбор двигателя (подробно приводится порядок расчёта с формулами, цифровымиданными и пояснениями с использованием рубрикаций – пунктов и подпунктов. Дается обоснование выбора частоты вращения и исполнения дви­гателя);

12.6 Тип выбранного двигателя и таблицу его технических данных;

12.7 Проверку двигателя на перегрузочную способность;

12.8 Проверку двигателя на пусковые условия;

12.9 Определение параметров двигателя согласно § 10 данного пособия;

12.10 Расчёт механической характеристики (подробно приводится порядок расчёта с формулами, цифровыми данными и необходимыми пояснения­ми с использованием рубрикаций – пунктов и подпунктов);

12.11 Графическую зависимость M = f (S, n);

12.12 График механической характеристики n = f (M);

12.13 Анализ механической характеристики (описание характерных точек механической характеристики - М_пуск, М^/_пуск, М_к, М_ном , М = 0 и участков характеристики 5-3, 3-1, 3-2)

;

12.14 Распечатку с ЭВМ;

12.15 Список использованной литературы.

Рекомендуемая литература

1. Воробьев А.В. Электротехника и оборудование строительных процессов. - М.: Ассоциация строительных вузов, 1995.

2. Волынский Б.А., Зейн Б.Н., Шатыренков В.В., Электротехника, - М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Справочник энергетика деревообрабатывающего предприятия. /Под ред. А.А. Пижурина и А.Б. Левина.- М.: Лесная пром-ть, 1982.

4. Иванченко Г.Е. Электрооборудование в строительстве. – М.: Высшая школа, 1986.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ОПЕРАТОР Э В М

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Многоскоростные двигатели

Эти двигатели предназначены для привода механизмов, требующих ступенчатого регулирования частоты вращения: 1500/3000 об/мин; 750/1500 об/мин; 1000/1500/3000 об/мин; 750/1000/1500/3000 об/мин; 500/750/1000/1500 об/мин. Двигатели имеют степень защиты IP44.

В обозначении многоскоростных двигателей приводят все числа полюсов, на которые переключаются обмотки. Например, четырёхскоростной двигатель с числами полюсов 12/8/6/4 обозначается 4А200М12/8/6/4У3.

Двигатели с фазным ротором

Эти двигатели предназначены для привода механизмов, требующих плавного регулирования частоты вращения в сторону уменьшения от номинальной (например, лебёдки, волочильные станы), а также механизмов с особо тяжелыми условиями пуска (центрифуги, сепараторы). Двигатели с фазным ротором имеют степень защиты IP44 (4АК). Узел контактных колец у них расположен под оболочкой двигателя. А у двигателей 4АМК степень защиты IP23 и узел контактных колец расположен вне оболочки и защищён кожухом. В обозначении двигатели с фазным ротором имеют букву "К", после условного обозначения степени защиты, например, 4АНК280МУ3.

Малошумные двигатели

Эти двигатели предназначены для работы в помещениях с пониженным уровнем шума (например, жилые здания, метрополитены, студии звукозаписи). Двигатели имеют степень защиты IP44 с частотами вращения 1500, 1000 и 750 об/мин. Малошумные двигатели имеют в обозначении после числа полюсов букву "Н", например, 4А100М6НУ3.

Таблица 4 Технические характеристики асинхронных

Таблица 8 Наибольшая допустимая мощность двигателей 4АС

Ушев Николай Иванович

Жданова Людмила Сергеевна

Заказ Бесплатно

Брянская государственная

инженерно-технологическая академия

Кафедра энергетики и автоматизации производственных процессов