1. Раздел №1. Практическое задание . 3

Содержание

1. Раздел №1. Практическое задание……………………………………….……3

2. Раздел №2. Теоретическое задание. Описать режим рекуперативного

торможения МП……………………………………………………………….....6

3. Поясните понятие «потери в стали» для электродвигателя……………….11

4. Общие понятия показателей работы электроприводов

в установившемся режиме……………………………………….……………14

5. Список используемой литературы…………………………………………..18

Раздел №1. Практическое задание

1. Выбрать тип электропривода: по роду напряжения, исполнению защиты корпуса, роду сочленения с редуктором

2. Предварительно выбрать двигатель, определить режим работы (S1, S2, S3).

3. Проверить двигатель в пусковом режиме по перегрузке, по нагреву.

Таблица 1

№ варианта	Время, t, мин	Скорость двигателя, , рад/сек	Момент сопротивления, Н*м	Приведенный момент инерции механизма, ,
										1,5

Рис. 1 Нагрузочная диаграмма

Решение

Выполним расчет мощности по формуле

Из максимальной скорости двигателя находим скорость вращения ротора двигателя по формуле

По полученным данным выбираем двигатель постоянного тока типа 4ПФ160МБ04, мощность Р = 20 кВт, , , , = 236 Н*м, U = 440 В, КПД = 80 %

Электродвигатель 4ПФ160МБ04 – электродвигатель постоянного тока с тахогенератором и датчиками тепловой защиты. Исполнение по степени защиты IP 23:

- должно быть исключено приближение (или прикосновение) пальцами или предметами длиной не более 80 мм к токоведущим (или движущимся) частям внутри оболочки.

- зашита от капель дождя, падающих под углом до 60° к вертикали

по способу охлаждения — ICO6 (с независимой вентиляцией); климатическое исполнение и категория размещения — УХЛ4 или О4.

Высота оси вращения 160 мм, эксплуатируется в умеренном климате, 4-ой категории размещения.

Проверим выбора двигателя по нагреву методом эквивалентного момента. Должно выполнятся условие .

Н*м

Проверим условие правильности выбора двигателя .

Двигатель по нагреву выбран верно.

По нагрузочной диаграмме (рис.1) видно, что выбранный двигатель должен работать в повторно-кратковременном режиме (S3).

Определим продолжительность включения

Приведем реальное значение мощности к стандартной величине

=22 кВт

Условиям задачи удовлетворяет двигатель типа 4ПФ132М, имеющий номинальную мощность 22 кВт при .

Технические данные электродвигателя: Р=22кВт, , , , = 118 Н*м, U = 440 В, КПД = 80 %

Раздел №2. Теоретическое задание

Описать режим рекуперативного торможения МП

Любая электрическая машина, как электромеханический преобразователь энергии (ЭМС), может работать в двух режимах: двигательном, преобразуя подводимую электрическую энергию в механическую, или в тормозном (генераторном) режиме, преобразуя подводимую механическую энергию в электрическую.

В режиме рекуперативного торможения (рисунок 1) кинетическая энергия, запасенная в движущихся элементах механической системы, или потенциальная энергия, отбираемая от рабочего органа (режим спуска груза), поступает на вал электродвигателя и преобразуется им, как генератором, в электрическую энергию, которая за вычетом потерь в электрической машине и преобразователе отдается в питающую сеть; в этом режиме электродвигатель работает как генератор параллельно с питающей сетью.

Рисунок 1 Энергетическая диаграмма работы электропривода

в рекуперативном режиме

Такой режим торможения энергетически является наиболее выгодным, так как энергия торможения используется полезно. Режим рекуперативного торможения является одним из трех тормозных режимов асинхронного электродвигателя. Рекуперативное генераторное торможение возможно, когда скорость ротора выше скорости вращения электромагнитного поля статора, чему соответствует отрицательное значение скольжения ; . т.е. если ротор вращается быстрее магнитного поля. Этот режим может наступить при регулировании скорости вращения увеличением числа пар полюсов или уменьшением частоты источника питания, а также в подъемно-транспортных машинах при опускании груза, когда под действием силы тяжести груза ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля.

В режиме генератора изменяется направление электромагнитного момента, т.е. он становится тормозным, под действием чего происходит быстрое снижение скорости вращения. Одновременно изменяется фаза тока в обмотке статора, что приводит к изменению направления передачи электрической энергии. В режиме генератора происходит возврат энергии в сеть.

Полная механическая характеристика асинхронного двигателя показана на рисунке 2. Для того чтобы ротор двигателя перешел синхронную скорость и разогнался до скорости выше синхронной, к его валу должен быть приложен внешний совпадающий со знаком скорости вращающий момент. Это может быть, например, на приводе подъемной лебедки в режиме спуска груза или генераторное торможение за счет опускания груза (рисунок 2,а)

Рисунок 2 механические характеристики при генераторном торможении за счет опускания груза (а) и понижении частоты источника питания (б).

Пусть двигатель с заданной нагрузкой на валу работал в точке A (рис. 2.а). Если под действием опускаемого груза ротор начнет вращаться быстрее магнитного поля и рабочая точка попадает в точку B, то n _в> n ₀, машина будет развивать тормозной момент и частота вращения снизится до величины меньшей n ₀. Одно из достоинств генераторного торможения у асинхронных машин заключается в том, что переход в режим генератора происходит автоматически, как только ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля. Это защищает асинхронные двигатели от аварийной ситуации, которая может наступить у двигателей постоянного тока. Асинхронные двигатели не могут пойти в разнос. Максимальная частота вращения ротора ограничивается частотой вращения магнитного поля.

Пусть двигатель работает с заданной нагрузкой на валу в точке A характеристики 1 (рис. 2.б). При снижении частоты источника питания рабочая точка должна перейти в точку C характеристики 2. Но если n _А окажется больше новой пониженной частоты вращения магнитного поля n ₀₂, то машина из точки A переходит в точку B, работая на участке B – n ₀₂ в режиме генератора. За счет этого происходит быстрое снижение частоты вращения. На участке n ₀₂ – C машина работает в режиме двигателя, но происходит дальнейшее уменьшение частоты вращения ротора, пока вращающий момент не станет равным моменту нагрузки (т. C). Новое состояние равновесия с заданной нагрузкой наступает в точке C. Генераторное торможение является самым экономичным режимом, т.к. происходит преобразование механической энергии в электрическую и возврат энергии в сеть. Одним из достоинств этого тормозного режима является его самопроизвольное появление, т.е. не требуется никакая контролирующая аппаратура.

Механическая характеристика асинхронного двигателя в режиме рекуперативного торможения идентична (с учетом угловой симметрии) характеристике двигателя в двигательном режиме. Расчет характеристик может производиться по формуле Клосса

Максимальный момент в режиме рекуперативного торможения несколько выше, чем максимальный момент в двигательном режиме. Для рекуперативного режима

Насколько большая величина максимального момента в генераторном режиме объясняется тем, что потери в статоре (на сопротивлении ) в двигательном режиме уменьшают момент на валу, а в генераторном режиме момент на валу должен быть больше, чтобы покрыть потери в статоре. Энергетический баланс в режиме рекуперативного торможения определяется следующим (рисунок 3).

Рисунок 3 Полная механическая характеристика АД

Механическая мощность, поступающая на вал двигателя, преобразуется в электромагнитную мощность вращающегося поля и электрическую мощность, трансформируемую в роторную цепь двигателя. Получим

Электромагнитная мощность, за исключением потерь в статоре, отдается в питающую сеть, а мощность скольжения рассеивается в роторной цепи. Отметим, что в режиме рекуперативного торможения асинхронный двигатель генерирует и отдает в сеть активную мощность, а для создания электромагнитного поля асинхронный двигатель и в режиме генератора должен обмениваться с сетью реактивной мощностью. Поэтому асинхронная машина не может работать автономным генератором при отключении от сети.

Рисунок 4 Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

в режиме рекуперативного торможения

Более подробная характеристика асинхронного двигателя показана на рисунке 5

Рисунок 5 Механическая характеристика асинхронной машины: а — режим рекуперации энергии в сеть (генераторный режим), б — двигательный режим,

в — режим противовключения (режим электромагнитного тормоза).

Поясните понятие «потери в стали» для электродвигателя

В электрическом двигателе при преобразовании одного вида энергии в другой часть энергии теряется в виде теплоты, рассеиваемой в различных частях двигателя. В электрических двигателях имеются потери энергии трех видов: потери в обмотках(потери в меди), потери в магнитопроводе (потери в стали) и потери в трущихся частях (механические потери). Кроме того, имеются незначительные добавочные потери.

В связи с этим мощность, потребляемая электродвигателем, всегда выше отдаваемой мощности, а КПД – меньше 100%. Несмотря на это электродвигатели в сравнении с тепловыми и другими видами машин, считаются вполне совершенными преобразователями энергии с достаточно высокими КПД. Например, в самых мощных электродвигателях КПД достигает 98-99,5%, а в электродвигателях мощностью 10 вт. КПД принимает значения 20-40%. Такие высокие показатели КПД при столь низких мощностях недостижимы в других видах машин.

Энергия, теряемая в электродвигателях, приводит к нагреванию отдельных их частей. Для того чтобы электродвигатель прослужил как можно дольше, нагревание должно быть ограничено. Наиболее подвержены нагреванию электроизоляционные материалы, и в зависимости от их качества – задаются допустимые уровни нагревания электродвигателей. Также необходимо позаботиться о создании хороших условий отвода тепла и охлаждения электродвигателей.

Полезная мощность двигателя, измеряемая на шкиве, на конце вала всегда меньше потребляемой мощности. Разность между потребляемой и полезной мощностью теряется внутри двигателя. Отношение полезной мощности к потребляемой мощности называется коэффициентом полезного действия (КПД) и обозначается греческой буквой ῃ (эта). Посмотрим, в каких же частях двигателя происходят потери энергии.

Если по проводнику протекает ток, то происходит затрата энергии, и проводник нагревается. По закону Джоуля - Ленца мощность, теряемая в обмотках двигателя, определяется по формуле

Эти потери называются электрическими потерями или потерями в меди двигателя. Как видно из формулы, они пропорциональны квадрату тока и сопротивлению обмотки. Очевидно, что при холостом ходе двигателя эти потери малы и быстро растут при увеличении нагрузки.

Рис.6 Вихревые токи в якоре. а - в массивном якоре,

б - в расслоенном якоре

При вращении якоря в магнитном поле будут наводиться ЭДС не только в проводниках обмотки, но и в стальном сердечнике якоря, так как якорь пересекает линии магнитного поля. На рис. 6,а показано, что под северным полюсом ЭДС направлена в одну сторону, а под южным – в другую. Поэтому внутри якоря появятся токи, которые называются вихревыми токами. Ввиду того, что якорь имеет малое сопротивление, вихревые токи могут достигнуть большой величины. Они будут бесполезно нагревать якорь. Для уменьшения потерь энергии от вихревых токов сердечник якоря собирается из тонких листов, изолированных один от другого слоем лака. На рис. 6, б показано, что при разделении длины якоря на тонкие слои вихревые токи значительно снижаются, так как ЭДС теперь наводятся на коротких участках. Другим средством снижения потерь от вихревых токов является увеличение сопротивления листов, из которых собирается якорь. Для этого в состав стали вводят добавку кремния от 1 до 3%.

Выделим на якоре продольную полоску и проследим ее путь при вращении якоря электродвигателя постоянного тока. Она будет пробегать то под северным, то под южным полюсом и каждый раз будет перемагничиваться. Как известно из физики, при перемагничивании имеют место потери энергии, называемые потерями от гистерезиса. Их можно уменьшить, применяя для якоря мягкую сталь с малым остаточным магнетизмом. Потери от вихревых токов и от гистерезиса называются потерями в стали якоря.

В сердечниках полюсов и в корпусе электродвигателя постоянного тока нет вихревых токов и не происходит перемагничивание, так как магнитное поле в неподвижных частях машины постоянного тока не меняется. Поэтому корпус можно сделать не из тонких листов, а из трубы.

При прохождении тока через контакт между щетками и коллектором происходит падение напряжения около 2 вольт. Если умножить падение напряжения на ток якоря, то получим потери в контакте между щетками и коллектором.

Механические потери затрачиваются на трение в подшипниках, трение щеток о коллектор и трение якоря о воздух. В микродвигателях при большой скорости вращения механические потери могут быть значительными.

Общие понятия показателей работы электроприводов в установившемся режиме

Все режимы в электроприводе делятся на установившиеся(номинальный режим работы)и переходные(пуск, реверс, торможение ).

Установившийся режимработы электропривода определяется из условия равенства нулю динамического момента. Этот режим характеризуется работой двигателя с неизменной угловой скоростью, постоянными во времени и равными по величине моментом двигателя и моментом сопротивления. Так как момент, развиваемый двигателем в установившемся режиме, есть функция скорости, то равенство М= М_С возможно только при условии, что момент сопротивления — постоянная величина или функция скорости. Если М_С есть функция, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной угловой скорости момент сопротивления изменяется во времени и установившийся режим невозможен.

Установившийся режим описывается статическими характеристиками (электромеханическая и механическая характеристика)

Механическая характеристика асинхронного двигателя определяется зависимостью момента сопротивления на валу двигателя от скорости вращения вала при условии, что в каждой точке механической характеристики двигатель работает в установившемся режиме.

Различают механические характеристики электродвигателей естественные и искусственные. Естественная характеристика соответствует номинальным значениям определяющих ее величин (напряжение, частота, магнитный поток и т.п.). Все другие характеристики, создаваемые в целях регулирования параметров электропривода: скорости момента, тока якоря, формирования различных режимов его работы путем изменения параметров питающего напряжения(по модулю, полярности, частоте) и (или) схемы включения привода, называются искусственными.

При совпадении направлений электромагнитного момента и вращения вала для электрических машин (первый квадрант) механические характеристики соответствуют двигательному режиму работы привода, а при несовпадении – тормозным режимам (второй и четвертый квадранты). Механические характеристики принято оценивать их жесткостью .

Они бывают (рис. 7) абсолютно жесткими (1), абсолютно мягкими (2) могут иметь отрицательную <0(3) или положительную (4) жесткость.

Рис. 7. Механические характеристики с различной жесткостью

Механические характеристики будут служить очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

Механические характеристики двигателя и нагрузки, рассматриваемые совместно, позволяют очень просто определить координаты - скорость и моменты - в установившемся (статическом) режиме w_уст и М_уст.

Моменты М (электромагнитный момент) и М_с (момент сопротивления) могут зависеть от времени, от положения, от скорости. Наиболее интересна и важна связь моментов М и М_с со скоростью . Зависимости и называют механическими характеристиками соответственно двигателя и нагрузки (механизма).

Рис. 8. Пример механических характеристик

Наряду с механической характеристикой различают электромеханические характеристики, которые представляют собой зависимости токов статора и ротора. Практический интерес представляет электромеханическая характеристика тока статора. На рис. 9 показаны типичные механическая и электромеханические характеристики асинхронного двигателя общепромышленного назначения. Видно, что как величины моментов в характерных точках, так и форма механической характеристики зависят от параметров двигателя. В частности, повышение величины активного сопротивления ротора, приводит к увеличению критического скольжения и повышению величины пускового момента.

Рисунок 9 механическая и электромеханические

характеристики асинхронного двигателя

По данным графиков можно по точкам рассмотреть работу электропривода. Точка а (рис. 9). Точка идеального холостого хода. Ротор двигателя вращается с синхронной скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. ЭДС в электрических цепях ротора не наводится. Ток ротора равен нулю. Ток статора равен намагничивающему току, создающему магнитное поле. Режим работы идеального холостого хода соответствует схеме замещения с R2=0.

Точка b. Точка номинального режима. Режим работы при котором обеспечиваются нормальные условия охлаждения, и следовательно, длительная безаварийная работа двигателя, при номинальном напряжении и частоте

Участок характеристики b-c. На данном участке двигатель работает устойчиво. При нагрузке меньшей номинальной ток ротора и ток статора меньше номинальных значений. Двигатель по мощности не догружен, но именно здесь достигаются максимальные КПД и коэффициент мощности. Увеличение нагрузки выше номинальной приводит к перегрузке двигателя и допустимо только в ограниченном диапазоне.

Точка c. Точка критического момента. Характерной точкой на механической характеристике является точка максимального (критического) момента и соответствующее ей критическое скольжение.

Участок характеристики c-d. На данном участке устойчивая работа двигателя невозможна. На этом участке происходят динамические процессы при пуске асинхронного двигателя. С точки зрения статической механической характеристики не устойчивость работы двигателя на данном участке объясняется тем, что при увеличении момента сопротивления нагрузки электромагнитный момент уменьшается и наоборот. То есть двигатель на этом участке или разгоняется или останавливается.

Точка d. Точка начала пускового режима. Момент, развиваемый ротором и величины токов в режиме пуска, являются одними из важнейших характеристик двигателя, и должны соответствовать требованиям пуска всего привода в целом.

Величины токов при пуске стандартного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в 5÷7 раз превышают номинальные значения. Поскольку этот ток, для двигателей, предназначенных для работы в продолжительном режиме (S1), протекает по обмоткам незначительное время, то он не приводит к какому либо значительному превышению температуры двигателя. Поэтому двигатели для работы в продолжительном режиме работы выбираются с учетом только статических нагрузок.

Список используемой литературы

1. Онищенко Г.Б. “Электрический привод”; М,

2. Ильинский Н.Ф. “Электропривод”; М.

3. Филиппов Б.А., Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: МЭИ, 1977.

4.Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1992.

5. Кацман М. М. «Справочник по электрическим машинам»; М.

Дата добавления: 2015-09-28