Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Техническое задание

Введение

1. Определение параметров схемы замещения АД

1.1 Определение дополнительных параметров АД

1.2 Расчет параметров схемы замещения

2. Построение механических и электромеханических характеристик АД

2.1 Механическая характеристика

2.2 Электромеханическая характеристика тока обмотки ротора

2.3 Электромеханическая характеристика тока обмотки статора

3. Имитационное моделирование в программной среде MatLab Simulink

3.1 Подтверждение адекватности модели

3.2 Определение характеристик двигателя при различных вариантах нагрузки

Заключение

Список литературы

Техническое задание

Двигатель асинхронный 4А250S6У3 предназначен для привода различных механизмов в стационарных установках.[2]

Структура условного обозначения 4А250S6У3:

4 - порядковый номер серии;

А - асинхронный;

250 - высота оси вращения, мм;

S - установочный размер по длине статора (L, LК, MА, S);

6 - число полюсов (2; 4; 6);

У3 - климатическое исполнение и категория размещения (умеренный климат, закрытое помещение)

Статор электродвигателя состоит из алюминиевой станины, сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и всыпной обмотки из медного эмалированного провода. Коробка выводов расположена сверху двигателя. Ротор состоит из сердечника, насаженного на вал, и короткозамкнутой литой алюминиевой обмотки. Двигатели выполнены на подшипниках качения с заложенной на весь срок службы смазкой. Для заземления двигателя предусмотрены два болта: в коробке выводов и на корпусе двигателя.

Таблица 1 - Паспортные данные двигателя 4А250S6У3

Заданные величины	Условное обозначение	Единица измерения	Численное значение
Фазное напряжение		В	220
Линейное напряжение		В	380
Мощность двигателя		Вт	45000
КПД		%	91,5
Синхронная частота вращения		об/мин	1000
Коэффициент мощности		о.е.	0,89
Номинальное скольжение		%	1,4
Кратность пускового тока		о.е.	6,5
Кратность пускового момента		о.е.	1,2
Кратность максимального момента		о.е.	2,1
Кратность минимального момента		о.е.	1
Коэффициент загрузки двигателя		о.е.	0,75
Число пар полюсов	Р	-	3
Частота питающей сети	f	Гц	50
Число фаз двигателя	m	-	3

Введение

Асинхронная машина - это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор, которой вращается асинхронно, т. е. со скоростью, отличной от скорости поля.

Предложена русским изобретателем М.О. Доливо-Добровольским в 1888 г. 95% приводов производственных механизмов имеют в своем составе асинхронный двигатель (подъемно-транспортные системы; устройства электропривода станков; медицинское оборудование и бытовые приборы).

Достоинства:

* простота конструкции;

* надежность

* низкая себестоимость

* высокий срок службы

* высокий пусковой момент и перегрузочная способность

Асинхронный двигатель может работать с длительной перегрузкой, допускает частые пуски и реверсы. Основной недостаток - сложность регулирования частоты вращения.

Мощность асинхронных двигателей составляет от десятков мегаватт до долей ватт. Выпускаются в виде серий, охватывающих определенный набор мощностей, частот вращения и напряжений. Машины одной серии имеют общее конструктивное решение, технологию изготовления и однотипность материалов (4А от 0,06 до 400 кВт)

Асинхронная машина состоит из статора и вращающегося ротора. Сердечник статора - полый цилиндр, собранный из колец (электротехническая сталь - 0,5 мм). Кольца изолированы друг от друга слоями лака (уменьшение магнитных потерь). Пакет колец запрессован в станину, которая крепится к основанию. В пазах статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка состоит из нескольких последовательно включенных катушек. Ротор - цилиндрический сердечник, собранный из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах расположены витки обмотки ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор (дешевле, обслуживание проще, надежен, т. к. нет подвижных контактов)^[9^]

Целью данного курсового проекта является расчет основных параметров трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, изучение поведения двигателя при различных режимах работы.

Для подтверждения правильности выполненных расчетов будет проведено имитационное моделирование двигателя на основе полученных данных в программной среде MatLab Simulink.

1. Определение параметров схемы замещения АД

1.1 Определение дополнительных параметров АД

Синхронная угловая скорость вращения двигателя:

Номинальная частота вращения двигателя:

Номинальная угловая скорость:

Номинальный момент двигателя:

Тогда номинальный фазный ток:

Для расчетов статических и динамических характеристик асинхронного двигателя найдем параметры схемы замещения. Т - образная схема замещения асинхронного двигателя для одной фазы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема замещения асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели проектируются таким образом, что наибольший КПД достигается при загрузке на 10 - 15 % меньше номинальной. Коэффициент мощности при нагрузке равной значительно отличается от мощности при номинальной нагрузке, причем это отличие сильно зависит от мощности двигателя и для известных серий асинхронных двигателей с достаточной для практики точностью подчиняется зависимости, приведённой на рис. 2

Коэффициент мощности при частичной загрузке:

Рисунок 2 - Зависимость от мощности асинхронных двигателей

Коэффициент загрузки двигателя принимаем из-за указанных выше особенностей проектирования асинхронных двигателей.

Тогда ток статора двигателя при частичной загрузке равен:

Ток холостого хода асинхронного двигателя:

Из формулы Клосса следует соотношение для расчета критического скольжения:

где в первом приближении коэффициент

1.2 Расчет параметров схемы замещения

Предварительно для расчёта активных и индуктивных сопротивлений (параметров схемы замещения) обмоток статора и ротора определяются следующие коэффициенты:



Активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора асинхронного двигателя:

Активное сопротивление обмотки статора определяется по следующему выражению:

Параметр , для определения сопротивления короткого замыкания:

Тогда, индуктивное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора, приближённо может быть рассчитано:

Индуктивное сопротивление обмотки статора:

Индуктивное сопротивление цепи намагничивания определяется через значение ЭДС обмотки статора

Индуктивное сопротивление намагничивания:

Индуктивность обмотки статора, обусловленная потоками рассеяния:

Приведенная индуктивность обмотки ротора, обусловленная потоками рассеяния:

Результирующая индуктивность, обусловленная магнитным потоком в воздушном зазоре, создаваемым суммарным действием полюсов статора (индуктивность контура намагничивания):



Найденные параметры схемы замещения электродвигателя сведены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры схемы замещения электродвигателя 4А250S6У3

,Ом	,Ом	,Гн		,Гн	,Ом	,Ом	,Гн
0,04	0,295	9,385*10-4	11,049	0,035	0,039	0,4	1,272*10-4	0,702

2. Построение механических и электромеханических характеристик АД

2.1 Механическая характеристика

Рассчитываем механическую характеристику асинхронного электродвигателя по формуле:

Механическая характеристика асинхронного электродвигателя изображена на рисунке 3. Она справедлива в области номинальных скоростей.

Рисунок 3 - Механическая характеристика асинхронного электродвигателя

2.2 Электромеханическая характеристика тока обмотки ротора

Момент критический двигательного режима:

Критическое скольжение:

Максимальный момент двигателя:

Минимальный момент двигателя:

Найденные координаты точек с номинальным, максимальным и минимальным моментом нанесены на рассчитанный график естественной механической характеристики асинхронного двигателя.

Определим зависимость тока ротора , приведенного к обмотке статора, от скольжения S.



График электромеханической характеристики приведен на рис. 4.

Рисунок 4 - График электромеханической характеристики тока обмотки ротора

2.3 Электромеханическая характеристика тока обмотки статора

Для построения электромеханической характеристики тока обмотки статора воспользуемся следующим выражением:

где

Электромеханические характеристики двигателя приведены на рис. 5

Рисунок 5 - График естественной электромеханической характеристики асинхронного двигателя

Определим номинальный ток статора асинхронного двигателя при номинальном скольжении в соответствии с электромеханической характеристикой.

Номинальный ток ротора определяется при номинальном скольжении:



Номинальный ток статора двигателя:

ротор статор электромеханический

3. Имитационное моделирование в программной среде MatLab Simulink

3.1 Подтверждение адекватности модели

Рисунок 6 - Модель в программной среде MatLab для получения основных характеристик АД

Для подтверждения адекватности имитационной модели проведен опыт, из которого получена механическая характеристика АД.

Таблица 3 - Данные полученные в ходе эксперимента

Данная характеристика в большей своей части соответствует устойчивой работе асинхронного двигателя в двигательном режиме. Номинальная частота вращения ротора для имитационной модели равна , что примерно соответствует, паспортное значение составляет , при этом погрешность измерений составляет менее 1%. Погрешность обусловлена тем, что опыт проводится на модели, которая не учитывает множество факторов, таких как: трение подшипников, трение воздуха, наличие дополнительной нагрузке на валу в виде вентилятора охлаждения и пр. Вследствие этого частота вращения ротора имитационной модели меньше паспортной частоты вращения двигателя.

Рисунок 7 - Механическая характеристика АД полученная с помощью имитационной модели

Рисунок 8 - Ток статора АД (Осциллограф 2)

На рисунке 8 представлен переходный процесс тока статора с последующим установлением значения тока. Установившееся значение тока статора соответствует расчетному значению. Погрешность:

Погрешность тока статора обусловлена несовершенством имитационной модели, которая не учитывает, тепловые потери, потери на трение, так же погрешность может присутствовать из-за того, что зачастую заявленные параметры двигателя и параметры, получаемые на практике, немного отличаются.

Рисунок 9 - Номинальная частота вращения ротора АД полученная с помощью имитационного моделирования (Осциллограф 3)



Рисунок 10 - Момент, развиваемый на валу ротора АД (Осциллограф 4)

Рисунок 11 - Напряжение статора АД (Осциллограф 1)

Полученное амплитудное значение напряжения статора находится в пределах нормы.



3.2 Определение характеристик двигателя при различных вариантах нагрузки

Из математического блока 5 (Рисунок 12) получены значения мощностей, энергии и других параметров при различной нагрузке на вал двигателя таблица 4. В блоке 5 с помощью арифметических блоков библиотеки Simulink реализованы операции по автоматическому подсчету следующих параметров двигателя, выводные сигналы под номерами[5]:

1. Полная мощность потребляемая двигателем:

,

где - проекции напряжений статора на оси q и d, - проекции токов статора на оси q и d.

2. Активная мощность:

В данном случае активная мощность двигателя примерно равна механической, так как активная мощность это мощность, которая расходуется на непосредственное совершение работы.^[4^]

3. Реактивная мощность:



4. Коэффициент мощности:

5. КПД:

6. Энергия, потребляемая из сети:

7. Потери энергии в статоре:

8. Потери энергии в роторе:

9. Общие потери:

Порядок проведения эксперимента

Предварительно задается значение нагрузки с помощью блока 7 (Step) и выставляется значение времени подачи сигнала после окончания переходного процесса возникающего при запуске АД.

При запуске моделирования сигнал с АД подается на блок 6 (Bus Selector), где предварительно выбраны значения выводных параметров, в случае данного опыта:

- проекции напряжений статора на оси q и d,

- проекции токов статора на оси q и d,

- электромагнитный момент,

- скорость вращения ротора.

Далее данные параметры проходят ряд арифметических преобразований и выводятся на дисплей. Данную операцию нужно проделать для всех значений нагрузки.

Время моделирования берется равным 10 секунд, дабы минимизировать погрешности, вызванные переходными процессами при пуске АД.

Таблица 4 - Данные полученные в ходе эксперимента

Нагрузка	X.X.	75%	100%	120%
Полная мощность, кВА	0,05	37,67	50,42	60,72
Активная мощность, кВт	0,002	33,88	45	53,8
Реактивная мощность, кВАр	0,05	16,46	22,74	28,14
	0,0525	0,89	0,89	0,88
КПД, о.е	0,21	0,872	0,905	0,8612
Энергия, потребляемая из сети,
Энергия потерь в статоре,
Энергия потерь в роторе,
Общие потери энергии,

Рисунок 12 - Состав математического блока 5

Заключение

При выполнении курсовой работы были рассчитаны параметры схемы замещения асинхронного двигателя 4А250S6У3 по каталожным данным, двигатель был выбран в соответствии с техническим заданием, по числу пар полюсов и мощности.

Были рассчитаны дополнительные параметры, построены механическая и электромеханическая характеристики двигателя в программной среде Mathcad.

В программной среде MatLab получена имитационная модель двигателя для проведения опытов, схема включает в себя источник питания, двигатель, нагрузочный блок и измерительные приборы. Параметры схемы замещения и каталожные данные двигателя внесены в модель двигателя.

Первый опыт включает в себя подтверждение адекватности имитационной модели по построенной механической характеристике и дополнительным графикам, полученным с помощью осциллографов. Имитационная модель адекватна, так как полученная механическая характеристика для области номинальных скоростей, совпадает с характеристикой полученной при расчёте в программной среде Mathcad. Погрешность измерений составляет для неё и для характерных точек менее 5%. Ток статора полученный при номинальной нагрузке имеет погрешность всего лишь 2%. Помимо этого получены графики момента нагрузки, скорости ротора и напряжения статора, которые так же удовлетворяют рассчитанным параметрам.

Во втором опыте измерялись энергетические показания двигателя при различных режимах работы. Как и предполагалось наиболее эффективным режимом работы двигателя является режим при номинальной нагрузке на вал. Самым не эффективным является режим холостого хода. Наблюдаются малые значения активной мощности и большие по сравнению с ней значения реактивной, соответственно маленький КПД. Поэтому на производственных предприятиях стараются компенсировать реактивную мощность, то есть ограничить работу двигателей в режиме холостого хода, либо загрузить его до номинальной нагрузки. Активная мощность на холостом ходу получена в результате совершения работы по вращению массивного вала двигателя, преодолевая при этом некоторое трение.

При увеличении нагрузки больше номинальной происходит спад КПД и коэффициента мощности, за счет того что потери в обмотках двигателя начинают возрастать быстрее нежели чем совершаемая полезная работа. При увеличении нагрузки много больше критической нагрузке КПД будет стремиться к нулю, так как вал двигателя застопориться.

Список литературы

1. Опыт холостого хода асинхронной машины

2. Двигатели асинхронные серии 4А90: "Баранчинский электромеханический завод"

3. Как рассчитать электрическую мощность оборудования // Синтезгаз.

4. Что такое номинальная мощность

5. Система численно-математического моделирования MatLab // И.В. Черных.

6. Как оформлять ссылки из интернета в списке литературы // OOO "РелевантМедиа".

7. Асинхронная машина // Материал из Википедии -- свободной энциклопедии.

8. Коэффициент мощности и рабочие характеристики асинхронного двигателя

9. Асинхронная машина

Размещено на Allbest.ru