1. На основании исходных данных, выбираемых далее по шифру зачетной книжки студента, построить нагрузочную диаграмму электродвигателя привода, рассчитать на ее основании эквивалентную (среднеквадратическую) нагрузку и нанести ее на нагрузочную диаграмму.
2. Используя нагрузочную диаграмму электропривода, определить необходимую мощность двигателя из условий обеспечения:
а) допустимого нагрева двигателя при работе;
б) пуска с мощностью при пуске, составляющей 25% эквивалентной за период работы и снижением напряжения при пуске на DU%;
в) статической устойчивости электропривода при возможном снижении напряжения питания при максимальной нагрузке на DU%/ 2.
3. Выбрать в качестве приводного двигателя асинхронный с короткозамкнутым ротором общего назначения с синхронной частотой вращения 1500 об/мин и проверить правильность выбора мощности по нагреву методом средних потерь.
4. Для первого цикла нагрузочной диаграммы рассчитать и построить кривую изменения превышения температуры двигателя при работе и после отключения, совместив ее с нагрузочной диаграммой. Температуру двигателя до его включения принять равной температуре окружающей среды.
|
|
5. Вычертить согласно заданию принципиальную электрическую схему автоматического управления электроприводом. Предусмотреть автоматическую защиту электродвигателя привода от токов короткого замыкания и перегрузки, а цепей управления - от токов короткого замыкания. Выбрать соответствующую аппаратуру и кратко изложить ее назначение и работу схемы управления.
Исходные данные к выполнению контрольной работы представлены в таблицах 2.1 - 2.2.
По СУММЕ ДВУХ ПОСЛЕДНИХ ЦИФР шифра зачетной книжки студента принимаются данные из Таблицы 2.1, а по ПОСЛЕДНЕЙ ЦИФРЕ - исходные данные из Таблицы 2.2.
МЕТОДИЧЕСКИЕ СОВЕТЫ
К п у н к т у 1.
Нагрузочную диаграмму электропривода строят на отдельном листе бумаги размером 210 х 297 мм (формат А4) с указанием по осям числовые значения соответствующих величин и единиц их измерения. На её основании эквивалентная постоянная мощность нагрузки в течение продолжительности работы электропривода рассчитывается как среднеквадратическая по формуле:
(2.1)
где P1, P2,..., Pm - мощности по периодам работы, кВт; t1, t2,..., tm - продолжительности периодов работы с постоянной мощностью; m - количество периодов работы с постоянной мощностью (по заданию m = 4).
К п у н к т у 2.
а). Номинальная мощность Pн электродвигателя привода из условия обеспечения его допустимого нагрева при работе определяется по формуле:
Pн / Pэ / pМ, (2.2)
|
|
где pМ - коэффициент допускаемой механической перегрузки двигателя.
Коэффициент механической перегрузки pМ определяется через коэффициент тепловой перегрузки двигателя рТ. С учетом неоднозначности исходных данных, несовершенства общей теории нагрева и необходимости, в связи с этим, принятия в расчет некоторого теплового запаса, целесообразно считать все потери в двигателе зависящими от нагрузки. В этом случае имеем:
(2.3)
где
, (2.4)
tр - продолжительность работы двигателя с нагрузкой, мин; tо - продолжительность отключения двигателя до следующего включения, мин;
Таблица 2.1
Данные по нагрузке на валу двигателя электропривода
Сумма двух послед. цифр | Нагрузка на валу двигателя по периодам, кВт | Продолжительность работы по периодам, мин | |||||||||||||||||
1-й | 2-й | 3-й | 4-й | 1-й | 2-й | 3-й | 4-й | ||||||||||||
0 | 10 | 16 | 8 | 4 | 12 | 8 | 6 | 14 | |||||||||||
1 | 2 | 8 | 6 | 2 | 22 | 12 | 8 | 10 | |||||||||||
2 | 1 | 5 | 0 | 3 | 20 | 10 | 2 | 12 | |||||||||||
3 | 8 | 4 | 12 | 6 | 24 | 22 | 14 | 16 | |||||||||||
4 | 4 | 3 | 10 | 2 | 14 | 16 | 24 | 18 | |||||||||||
5 | 5 | 2 | 0 | 4 | 16 | 24 | 2 | 26 | |||||||||||
6 | 12 | 18 | 24 | 14 | 14 | 28 | 8 | 32 | |||||||||||
7 | 8 | 10 | 6 | 3 | 18 | 16 | 24 | 8 | |||||||||||
8 | 6 | 8 | 10 | 2 | 26 | 8 | 14 | 12 | |||||||||||
9 | 4 | 12 | 8 | 4 | 12 | 22 | 6 | 16 | |||||||||||
10 | 7 | 14 | 16 | 8 | 10 | 6 | 28 | 8 | |||||||||||
11 | 5 | 0 | 3 | 6 | 8 | 4 | 24 | 20 | |||||||||||
12 | 3 | 9 | 17 | 11 | 6 | 16 | 18 | 22 | |||||||||||
13 | 20 | 28 | 18 | 14 | 12 | 8 | 26 | 16 | |||||||||||
14 | 18 | 24 | 16 | 4 | 14 | 12 | 8 | 24 | |||||||||||
15 | 12 | 16 | 0 | 7 | 18 | 10 | 2 | 26 | |||||||||||
16 | 8 | 12 | 4 | 3 | 20 | 12 | 6 | 28 | |||||||||||
17 | 6 | 10 | 7 | 2 | 32 | 6 | 10 | 8 | |||||||||||
18 | 4 | 0 | 11 | 7 | 34 | 2 | 8 | 10 | |||||||||||
Таблица 2.2 | |||||||||||||||||||
Данные по продолжительности отключения электропривода до следующего включения (to, мин.), по снижению напряжения при пуске (DU%) и по особенностям автоматизации электропривода (ЭП) | |||||||||||||||||||
Последняя цифра | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||
to, мин | 100 | 90 | 80 | 70 | 60 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | |||||||||
DU%, % | 12 | 10 | 8 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | |||||||||
Принципиальная электрическая схема ЭП. | Нереверсивный ЭП с динамическим торможением. | Реверсивный ЭП с торможением противовключением. | Реверсивный ЭП с управлением из двух мест. | ||||||||||||||||
bО - коэффициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи двигателя закрытого исполнения с самовентиляцией в отключенном состоянии. Принять на уровне среднего значения, равного bО = 0.5; Тн - постоянная времени нагрева электродвигателя. Принять на первоначальном этапе расчета на уровне среднего значения, равного Тн = 20 мин; е = 2,718 – основание натуральных логарифмов.
б). Необходимая мощность асинхронного двигателя привода для обеспечения пуска рассчитывается по формуле:
(2.5)
где РП = (МТ +MИ)×ωн - мощность нагрузки на валу двигателя при пуске, равная произведению суммы моментов трогания МТ и избыточного МИ на номинальную угловую скорость вращения двигателя ωН= 0,105×nН. По заданию мощность при пуске принимается равной PП = 0.3×PЭ; UП* = 1 - D U% / 100% - относительный уровень напряжения при пуске двигателя в долях от номинального значения; МП* = МП / МН - кратность пускового момента двигателя по отношению к номинальному. Находится по справочным данным асинхронных двигателей для PН ³ PЭ / pМ, (Приложение 1).
в). Требуемая мощность асинхронного двигателя привода для обеспечения его устойчивой работы при максимальной нагрузке на валу PСМ и возможном при этом снижении напряжения питания рассчитывается по формуле:
, (2.6)
где UР* = 1 –0,5× D U% / 100% - относительный уровень напряжения на зажимах двигателя при работе в долях от номинального значения. По заданию D UР% = 0.5× D U%; МК* = МК / МН - кратность максимального момента двигателя по отношению к номинальному. Находится по справочным данным асинхронных двигателей для номинальной мощности PН ³ PЭ / pМ, (Приложение 1).
К п у н к т у 3.
Номинальная мощность выбираемого согласно заданию асинхронного двигателя с короткозамкнутым. ротором с синхронной частотой вращения 1500 об/мин должна быть достаточной, чтобы обеспечивалось выполнение условий (2.2), (2.5) и (2.6). То есть, принимается по каталогу двигатель с номинальной мощностью равной или ближайшей большей к полученной максимальной расчетной мощности (См., например, Приложение 1).
|
|
Окончательно правильность выбора мощности электродвигателя привода проверяется методом средних потерь. Для правильно выбранного двигателя должно обеспечиваться выполнение условия:
D PН ³ D PСР / p[Т], (2.7)
где D PН = PН ×(1/ηН - 1) - номинальные потери мощности выбранного асинхронного двигателя, Вт; D PСР - средние потери мощности в двигателе за период работы, Вт; p[T] - уточненное значение коэффициента тепловой перегрузки, рассчитанное по (2.4) с использованием уточненного значения постоянной времени нагрева Т[H], которое рассчитывается на основании паспортных данных выбранного двигателя по формуле:
, (2.8)
где m - масса выбранного двигателя, кг; ηн - номинальный КПД двигателя; uН - номинальное (нормативное) превышение температуры обмотки статора двигателя при измерении методом сопротивления, град. Для двигателей с изоляцией класса нагревостойкости "А" uН = 60, "Е" uН = 75, "B" uН = 80, "F" uН = 100 и с "H" uН = 125 град.
Средние потери мощности в двигателе при работе равны:
, (2.9)
где D P1, D P2,..., D Pm - потери мощности в двигателе при работе на соответствующих участках нагрузочной диаграммы, Вт; t1, t2,..., tm - длительность нагрузки на каждом из m -участков нагрузочной диаграммы, мин. По заданию m =4.
Потери мощности ∆Pi в двигателе для любой частичной нагрузки Pi и значение его частичного КПД ηi определяются формулами:
∆Pi = Pi×(1/ηi - 1), (2.10)
, (2.11)
где а - отношение постоянных потерь мощности в двигателе к переменным. Для асинхронных двигателей общего назначения принять а = 0.6; х = Pi / Pн - относительная загрузка двигателя по мощности на валу.
|
|
Значения частичных КПД более точно могут быть определены по рабочей характеристике двигателя ηi=f(Pi/Pн), если она имеется.
При холостом ходе двигателя (Pi=0) потери мощности в нём определяются только постоянными потерями, которые равны:
D Pхх = D Pн[ а /(а+1) ]. (2.12)
Результаты расчета частичных КПД и потерь мощности по участкам нагрузочной диаграммы электродвигателя представить таблицей.
К п у н к т у 4.
Расчет превышения температуры u I двигателя над температурой окружающей среды для каждого участка, начиная с первого, производится на основании уравнения:
, (2.13)
где для каждого отдельно взятого i -го участка: vоi - начальное превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды, град; vуi - установившееся (принужденное) превышение его температуры, которое наступило бы при неограниченно длительной работе двигателя с нагрузкой i -го участка, град:
vуi = D Pi / Aн, (2.14)
Необходимое значение теплоотдачи Ан двигателя при работе рассчитывается на основании его номинальных данных:
Ан = D Pн / vн, (2.15)
При расчете по (2.13) кривой v = f(t), расчет начинают с первого участка нагрузочной диаграммы, для которого v01 = 0. Значения текущего времени t следует принимать каждый раз независимо в начале (t = 0), в середине (t = tу/2) и в конце (t = tу) каждого участка и по трем расчетным точкам вычертить на данном участке кривую v = f(t). Причем, при переходе от первого участка к последующим следует помнить, что конечное превышение температуры vк(i) на данном участке является начальным vо(i+1) для расчета на последующем. То есть, имеем vк(i) = vо(i+1).
При отключении двигателя потери мощности в нем прекратятся. Тогда согласно (2.14) vу откл = 0 и уравнение (2.13) примет вид:
, (2.16)
где То = Т[н] / βо - постоянная времени охлаждения двигателя в отключенном состоянии, мин. Для самовентилируемых двигателей закрытого исполнения принять по среднему значению βо = Ао / Ан = 0,5.
Результаты расчета кривой v = f(t) представить в табличной форме, а при построении совместить с нагрузочной диаграммой электропривода с отдельной шкалой vi по оси ординат.
К п у н к т у 5.
Принципиальная электрическая схема автоматического управления электроприводом рассчитанной номинальной мощности вначале разрабатывается, а затем вычерчивается с учетом требований действующих стандартов ЕСКД на отдельном листе бумаги формата А4 с размерами 210 х 297 мм.
При выборе аппаратуры защиты и управления принять, что сеть, к которой подключается асинхронный электропривод, переменного тока, трехфазная, напряжением 380/220 В и частотой 50 Гц.
При этом необходимо руководствоваться следующим:
- номинальное напряжение используемой аппаратуры должно быть не ниже номинального напряжения сети: Uан ³ Uсн;
- номинальный ток аппарата должен быть не менее максимально возможного рабочего тока электрической цепи: Iан ³ Iр max;
- отключающая способность аппарата должна превышать максимально-возможное значение аварийного тока короткого замыкания: Iа ТК ³ Iкз max;
- автоматические выключатели с тепловыми или комбинированными расцепителями и тепловые реле выбираются по номинальному току нагрузки:
Iтр н ³ (1,01-1,03)Iн. (2.17)
- номинальный ток плавкой вставки предохранителя определяется током включения (пуска), а также его длительностью и в общем случае рассчитывается по соотношению:
Iвн => Iп / α, (2.18)
где коэффициент α = 2,5 – 1,6 учитывает кратность пускового тока силовой цепи по отношению к номинальному и его продолжительность.
Осуществлять защиту силовых цепей трёхфазных электродвигателей плавкими предохранителями не рекомендуется из-за опасности возникновения однофазного режима электропитания, который в большинстве случаев для асинхронных электроприводов является аварийным. Вместе с тем, при расчёте номинальных токов плавких вставок предохранителей в силовых цепях питания асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором следует принимать значение α = 2,5 – 1,6, а для цепей управления - а = 1,6 – 1,1.
Приложение 1
Технические данные трехфазных асинхронных двигателей серии 4А основного исполнения (УЗ) с синхронной частотой вращения nO=1500 об/мин и напряжением питания 380/220 В
№пп | Тип двигателя | Рн, кВт | nН, об/мин | cos wH | hH, % | Iп/Iн | Мп/Мн | Мк/Мн | Мм/Мн | Jд, кг.м2 | Масса, кг |
0 | 4А71А4 | 0,55 | 1390 | 0,7 | 70,5 | 4,5 | 2,0 | 2,2 | 1,8 | 0,0013 | 15,1 |
1 | 4А71В4 | 0,75 | 1390 | 0,73 | 72 | 4,5 | 2,0 | 2,2 | 1,8 | 0,0014 | 16,1 |
2 | 4А80А4 | 1,1 | 1420 | 0,81 | 75 | 5 | 2,0 | 2,2 | 1,6 | 0,0032 | 17,4 |
3 | 4А80В4 | 1,5 | 1415 | 0,83 | 77 | 5 | 2,0 | 2,2 | 1,6 | 0,0033 | 20,4 |
4 | 4А90L4 | 2,2 | 1425 | 0,83 | 80 | 6 | 2,1 | 2,4 | 1,6 | 0,0056 | 28,7 |
5 | 4А100S4 | 3,0 | 1435 | 0,83 | 82 | 6 | 2,0 | 2,4 | 1,6 | 0,0087 | 36,0 |
6 | 4А100L4 | 4,0 | 1430 | 0,84 | 84 | 6 | 2,0 | 2,4 | 1,6 | 0,011 | 42,0 |
7 | 4А112М4 | 5,5 | 1445 | 0,85 | 84,5 | 7 | 2,0 | 2,2 | 1,6 | 0,017 | 56,0 |
8 | 4А132S4 | 7,5 | 1455 | 0,86 | 87,5 | 7,5 | 2,2 | 3,0 | 1,7 | 0,028 | 77,0 |
9 | 4А132М4 | 11,0 | 1460 | 0,87 | 87,5 | 7,5 | 2,2 | 3,0 | 1,7 | 0,04 | 93,0 |
10 | 4А160S4 | 15,0 | 1465 | 0,88 | 89 | 7 | 1,4 | 2,3 | 1,0 | 0,1 | 135,0 |
11 | 4А160М4 | 18,5 | 1465 | 0,88 | 90 | 7 | 1,4 | 2,3 | 1,0 | 0,13 | 160,0 |
12 | 4А180S4 | 22,0 | 1470 | 0,9 | 90 | 6,5 | 1,4 | 2,3 | 1,0 | 0,19 | 175,0 |
13 | 4А180М4 | 30,0 | 1470 | 0,89 | 91 | 6,5 | 1,4 | 2,3 | 1,0 | 0,23 | 196,0 |
14 | 4А200М4 | 37,0 | 1475 | 0,9 | 91 | 7 | 1,4 | 2,5 | 1,0 | 0,37 | 270,0 |
15 | 4А200L4 | 45,0 | 1475 | 0,9 | 92 | 7 | 1,4 | 2,5 | 1,0 | 0,45 | 310,0 |
16 | 4А225М4 | 55,0 | 1480 | 0,9 | 92,5 | 7 | 1,3 | 2,5 | 1,0 | 0,64 | 375,0 |
17 | 4А250S4 | 75,0 | 1480 | 0,9 | 93 | 7 | 1,2 | 2,3 | 1,0 | 1,0 | 490,0 |
18 | 4А250М4 | 90,0 | 1480 | 0,91 | 93 | 7 | 1,2 | 2,3 | 1,0 | 1,2 | 535,0 |
Примечание. Класс нагревостойкости изоляции для электродвигателей с высотами оси вращения (число после марки 4А) 50...132мм — «В », а 160...250 мм — «F».
СОДЕРЖАНИЕ
1. Раздел 1. Общие методические указания…………………………….. 3
2. Раздел 2. Содержание учебных модулей дисциплины и методические указания по их изучению………………………………………… ……6
3. Раздел 3. Задание для контрольной работы и методические указания по её выполнению……………………………………………….………… 9