Розрахунок експлуатаційних характеристик електричних машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Вінницький державний технічний університет

Інститут електроенергетики та електромеханіки

Кафедра ЕМСАПТ

Розрахунок експлуатаційних характеристик електричних машин

Пояснювальна записка

з дисципліни «Електричні машини» до курсового проекту за спеціальністю «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод» 08-19.ЕМ.016.00.000 ПЗ

Керівник проекту: М.П. Розводюк

Розробив: Д. Й. Тютюнник

Вінниця ВНТУ 2010

ІНДИВІДУАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

на курсовий проект з дисципліни «Електричні машини» студента Тютюнника Д.Й. факультету ЕМЕЕМ, групи ЕПА-07 з/в

1. Тема проекту Розрахунок експлуатаційних характеристик електричних машин

2. Термін здачі студентом закінченого проекту.

3. Вихідні дані до проекту Варіант 16

Таблиця 1 - Дані трансформатора

Sн, кВA	U1н, кВ	U2н, кВ	uк, %	І0, %	Р0, кВт	Рк, кВт	Схема і група	cos2	Тип навантаж.
1000	35	0,69	6,5	1,5	2,75	12,2	Y/Yн. - 0	0,92	емн.

Таблиця 2 - Величина відпайки, напруги короткого замикання трансформатора (для режиму паралельної роботи) та схема випрямлення

Величина відпайки ?UІ%, %	Напруга короткого замикання ?Uкз, %	Схема випрямлення
-5	16	ОС

Таблиця 3 - Дані асинхронного двигуна

Рн, кВт	U1н, кВ	І1н, А	Схема обм. статора	nн, об/хв	R1, Ом	Х1, Ом	, Ом	, Ом	І0ф, А	cos0	Рмех, кВт
500	3	115	Д	980	0,56	6,303	0,868	6,3	18	0,05	1,2

Таблиця 4 - Дані машини постійного струму

Рн, кВт	Uн, В	nн, об/хв	2р	Z	N	2a	Rя, Ом	Rд, Ом	Rз, Ом	Uщ, В	Рмех, кВт	Рм, кВт
7,2	230	2810	4	26	1080	2	0,266	0,125	180	4	0,042	0,05

Таблиця 5 - Характеристика ХХ машини постійного струму

Із*=Із/Із0, под/од	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5
Ео*=Ео/Uн, под/од	0,05	0,75	1,00	1,12	1,20	1,26	1,30	1,33

Тип збудження двигуна постійного струму - _серієсне__

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити)

Розрахунок експлуатаційних характеристик трансформатора

Розрахунок параметрів схеми заміщення трансформатора, напруги короткого замикання, зміни вторинної напруги та побудова векторної діаграми

Дослідження паралельної роботи двох трансформаторів однакової потужності:

- з різними коефіцієнтами трансформації і однаковими напругами короткого замикання, причому перший трансформатор включений на відпайку ?UІ%;

- з однаковими коефіцієнтами трансформації і різними напругами короткого замикання, причому напруга КЗ другого трансформатора на ?Uкз більша, ніж першого.

Розрахувати ударні струми короткого замикання обмоток і їх кратності по відношенню до номінальних

Розрахунок потужності та вибір силового трансформатора для системи ТП-ДПС трансформатор напруга потужність замикання

Розрахунок експлуатаційних характеристик асинхронного двигуна

Розрахунок параметрів схеми заміщення асинхронного двигуна

Розрахунок параметрів двигуна при номінальному навантаженні

Розрахунок пускового та максимальних моментів

Розрахунок та побудова природної механічної й робочих характеристик

Розрахунок та побудова механічних характеристик при частотному регулюванні, зміні напруги живлення, зміні опору в колі ротора

Розрахунок експлуатаційних характеристик машини постійного струму

Режим генератора:

- розрахунок номінальних величин для генератора незалежного збудження;

- побудова характеристичного трикутника для генератора незалежного збудження;

- розрахунок струму збудження, необхідного для компенсації розмагнічувальної дії поперечної реакції якоря;

- розрахунок втрат та ККД для генератора паралельного збудження

- Режим двигуна (відповідного типу збудження):

- розрахунок номінальних параметрів двигуна;

- розрахунок і побудова природної механічної характеристики;

- розрахунок та побудова механічних характеристик при зміні: напруги живлення, магнітного потоку, опору якірного кола.

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов'язкових креслень)

Трансформатор: векторна діаграма

Асинхронний двигун: природна механічна характеристика, робочі характеристики; механічні характеристики при всіх способах регулювання частоти обертання вала двигуна

Машина постійного струму: характеристичний трикутник; природна механічна характеристика; механічні характеристики при всіх способах регулювання частоти обертання вала двигуна

Всі побудови виконати на одному листі формату А1.

6. Дата видачі завдання ______________.

Студент _______________ ______Тютюнник Д.Й._______

(підпис) (прізвище, ім'я, по батькові)

Керівник ________________ Розводюк М.П. ___

(підпис) (прізвище, ім'я, по батькові)

“ __ ” __________ 2010 р.

ЗМІСТ

Вступ

1. Розрахунок експлуатаційних характеристик трансформатора

1.1 Розрахунок параметрів схеми заміщення трансформатора, напруги короткого замикання, зміни вторинної напруги та побудова векторної діаграми

1.1.1 Розрахунок номінальних струмів та напруг обмоток

1.1.2 Розрахунок параметрів схеми заміщення трансформатора

1.1.3 Розрахунок напруги короткого замикання та зміни вторинної напруги

1.1.4 Побудова векторної діаграми

1.2 Дослідження паралельної роботи трансформаторів

1.2.1 Трансформатори з різними коефіцієнтами трансформації і однаковими напругами короткого замикання

1.2.2 Трансформатори з однаковими коефіцієнтами трансформації і різними напругами короткого замикання

1.3 Розрахунок ударних струмів

1.4 Розрахунок і вибір силового трансформатора для системи ТП-ДПС

2. Розрахунок експлуатаційних характеристик асинхронного двигуна

2.1 Розрахунок параметрів схеми заміщення асинхронного двигуна

2.2 Розрахунок параметрів двигуна при номінальному навантаженні

2.3 Розрахунок пускового та максимальних моментів

2.4 Розрахунок та побудова природної механічної й робочих характеристик

2.5 Розрахунок та побудова механічних характеристик при заданому способі регулювання частоти обертання вала двигуна

2.5.1 Частотне регулювання швидкості

2.5.2 Регулювання частоти обертання зміненням первинної напруги

2.5.3 Регулювання частоти обертання зміненням опору в колі ротора

3. Розрахунок експлуатаційних характеристик машини постійного струму

3.1 Режим генератора

3.1.1 Розрахунок номінальних величин для генератора незалежного збудження

3.1.2 Побудова характеристичного трикутника для генератора незалежного збудження

3.1.3 Розрахунок струму збудження, необхідного для компенсації розмагнічувальної дії поперечної реакції якоря

3.1.4 Розрахунок втрат та ККД для генератора паралельного збудження

3.2 Режим двигуна

3.2.1 Розрахунок номінальних параметрів двигуна

3.2.2 Розрахунок і побудова природної механічної характеристики

3.2.2.2 Двигун послідовного збудження

3.2.3 Розрахунок та побудова механічних характеристик при різних способах регулювання частоти обертання вала двигуна

Висновки

Література

Додаток А Технічне завдання

Анотація

Курсовий проект за спеціальністю 7.092203 "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод". - Вінницький національний технічний університет, В., 2010.

Курсовий проект присвячений розрахунку експлуатаційних характеристик електричних машин зокрема трансформатора, асинхронного двигуна та машини постійного струму. Розраховано основні експлуатаційні параметри при яких забезпечується стабільна робота електричних машин. Порівняно обчислені параметри електричних машин з аналогічними параметрами серійного виробництва. Побудовано графіки і діаграми які довели правильність виконаних обчислень.

Результати розрахунків можуть бути застосовані при плануванні і проектуванні виробничих механізмів на різного роду підприємствах.

Annotation

Course project 7.092203 specialty of electrical and automation systems and electric. - National Technical University Vinnytsia, V., 2010.

Course project devoted to calculating the performance of electrical machines including transformers, asynchronous motor and direct current machines. Calculated main operating parameters under which ensured stable operation of electric machines. Compared to the calculated parameters of electric machines with the same parameters mass production. Construct graphs and charts have proved the correctness of calculations performed.

The calculation results can be applied in planning and designing industrial mechanisms of various enterprises.

Вступ

В сучасній техніці при виробництві та використанні електричної енергії виникає необхідність в використанні електричних машин для перетворення механічної енергії в електричну (електричні генератори), електричної енергії в механічну (електричні двигуни), а також в перетворенні частоти та кількості фаз змінного струму, виду струму, наприклад постійного в змінний струм, постійного струму однієї напруги в постійний струм іншої напруги (електромашинні перетворювачі).

Електрична машина як перетворювач енергії є одним з основних елементів кожної енергетичної установки. Вона має широке застосування на електричних станціях, в промислових установках, на транспорті в авіації, в системах автоматичного керування й регулювання, в інших випадках.

В залежності від виду струму електричної установки електричні машини (генератори, двигуни, перетворювачі) можуть бути розраховані для роботи на змінному чи постійному струмі. В відповідності з цим вони поділяються на машини змінного та машини постійного струмів. В свою чергу, в залежності від принципу дії, машини змінного струму поділяються на асинхронні та синхронні. Асинхронні машини використовуються головним чином в якості електродвигунів. Асинхронний двигун є найбільш розповсюдженим типом двигуна не тільки змінного струму, а й взагалі електричного двигуна. Синхронні машини використовуються переважно як генератори електричної енергії. Синхронний генератор є основним типом генератора змінного струму. Обмежене, але все більш поширене застосування знаходять і синхронні двигуни.

Серед машин постійного струму найбільш поширене має основна серія машин загально промислового призначення єдина серія П, яка охоплює машини всього необхідного діапазону потужностей і частот обертання. Випускаються також інші серії машин, головним чином спеціалізованого призначення: тягові, краново-металургійні, судові і т.д.

1. Розрахунок експлуатаційних характеристик трансформатора

1.1 Розрахунок параметрів схеми заміщення трансформатора, напруги короткого замикання, зміни вторинної напруги та побудова векторної діаграми

1.1.1 Розрахунок номінальних струмів та напруг обмоток

Співвідношення номінальних лінійних Uлн та фазних Uфн напруг трифазного трансформатора при з'єднанні його обмоток в:

«зірку»

, (1.1)

.

(1.2)

(В),

(В).

Визначаються номінальні лінійна U1лн і фазна U1фн напруги первинної обмотки та номінальні лінійна U2лн і фазна U2фн напруги вторинної обмотки в залежності від їх схем з'єднання. Номінальні лінійні струми (rated linear currents) первинної І1лн та вторинної І2лн обмоток трансформатора незалежно від їх схем з'єднання визначаються через номінальну потужність Sн:

, (1.3)

(А),

, (1.4)

(А).

Співвідношення номінального фазного струму (rated phase currents) І1фн і номінального лінійного Ілн струму трансформатора при з'єднанні обмоток в:

«зірку»

, (1.5)

.

Визначаються номінальні фазні струми первинної І1фн та вторинної І2фн обмоток в залежності від їх схем з'єднання.

1.1.2 Розрахунок параметрів схеми заміщення трансформатора

Схема заміщення (replacement scheme) для однієї фази трансформатора подана на рисунку 1.1



Рисунок 1.1 - Схема заміщення однієї фази трансформатора

Потужність короткого замикання (capacity of short circuit) на одну фазу

трифазного трансформатора визначається через втрати короткого замикання Рк:

, (1.6)

(Вт).

Фазна напруга короткого замикання (voltage of short circuit) визначається через напругу короткого замикання Uк%:

, (1.7)

(В).

Опори трансформатора при короткому замиканні:

Повний

(1.8)

(Ом);

Активний

(1.9)

(Ом);

Реактивний

(1.10)

(Ом).

Коефіцієнт потужності (power factor) при короткому замиканні:

, (1.11)

.

Визначається аргумент цк коефіцієнта потужності при короткому замиканні:

, (1.12)

.

Опори обмоток трансформатора:

повний

 (1.13)

(Ом);

Активний

(1.14)

(Ом);

Реактивний

(1.15)

(Ом).

Потужність втрат холостого ходу (capacity of idle movement losses) на одну фазу визначається через втрати холостого ходу Р0:

(1.16)

(Вт).

Фазний струм холостого ходу І0ф визначається через струм холостого ходу І0%, взятий у відсотках від номінального струму:

(1.17)

 (А).

Опори кола намагнічування (magnetize circuit):

Повний

(1.18)

(Ом);

Активний

(1.19)

(Ом);

Реактивний

(1.20)

(Ом).

Кут магнітних втрат:

(1.21)

.

Коефіцієнт трансформації (transformer factor):

(1.22)

.

1.1.3 Розрахунок напруги короткого замикання та зміни вторинної

напруги

Складові напруг короткого замикання:

активна

(1.23)

(В);

Реактивна

(1.24)

(В).

Відсоткова зміна вторинної напруги (change of secondary voltage) при

номінальному навантаженні:

(1.25)

(В).

де cosц2 - коефіцієнт потужності, для якого аргумент ц2 визначається як

, (1.26)

.

При ємнісному характері навантаження - приймаємо кут ц2 від'ємним.

Приведені значення вторинних струму та напруги при номінальному

навантаженні:

(1.27)

(А),

(1.28)

(В).

1.1.4 Побудова векторної діаграми

Величини спаду напруг на опорах обмоток:

Активні

(1.29)

реактивні

(1.30)

Векторна діаграма (vector plot) будується на основі рівнянь напруг і струмів обмоток трансформатора:

 (1.31)

Побудову діаграми здійснюємо в такій послідовності:

1) вибираємо зручний масштаб струмів та напруг;

2) відкладаємо напрям вектора магнітного потоку по дійсній осі (рисунок 1.2);

3) під кутом б, розрахованим за (1.21), від вектора магнітного потоку в масштабі струму відкладаємо від початку координат (від точки 0) вектор струму холостого ходу ;

4) в масштабі напруги від початку координат відкладаємо вектор приведеної вторинної напруги ;

5) в масштабі струму під кутом ц2 до вектора від початку координат

відкладаємо вектор приведеного струму вторинної обмотки ;

6) з кінця вектора паралельно вектору будуємо в масштабі напруги вектор спаду напруги ;

7) з кінця вектора спаду напруги під кутом в масштабі напруги будуємо вектор спаду напруги (Оскільки навантаження від'ємне, то вектор відкладаємо проти годинникової стрілки);

8) згрупувавши вектор струму та вектори напруги й спадів напруг , , розташовуємо їх на комплексній площині таким чином, щоб початки їх векторів та знаходилися в точці 0, а кінець вектора - на уявній осі -j;

Рисунок 1.2 - Векторна діаграма трансформатора при активно-ємнісному навантаженні

9) з'єднавши початок координат з кінцем вектора , утворюється вектор приведеної фазної ЕРС вторинної обмотки , рівний ЕДС первинної обмотки ;

10) від початку координат відкладаємо вектор ? ;

11) за правилом паралелограма додаємо вектори струмів - та . Результатом побудов є вектор струму первинної обмотки ;

12) з початку координат відкладаємо вектор ? ;

13) з кінця вектора ? в масштабі напруг паралельно вектору відкладаємо вектор спаду напруги ;

14) з кінця вектора спаду напруги під кутом в масштабі напруги в сторону випередження відкладаємо вектор спаду напруги ;

15) сполучивши початок координат з кінцем вектора , отримуємо вектор первинної напруги ;

1.2 Дослідження паралельної роботи трансформаторів

1.2.1 Трансформатори з різними коефіцієнтами трансформації і однаковими напругами короткого замикання

Розглядаються два трансформатори з однаковими потужностями SнІ = SнІІ = Sн, різними коефіцієнтами трансформації kІ ? kІІ і однаковими напругами короткого замикання UкІ% = UкІІ%, причому перший трансформатор включений на відпайку ?UІ%.

Обидва трансформатори живляться від однієї мережі, тому номінальні фазні напруги обох трансформаторів однакові, тобто U1фнІ = U1фнІІ = U1фн. Вторинна напруга другого трансформатора U2фнІІ = U2фн.

Оскільки перший трансформатор увімкнений на відпайку ?UІ%, то при цьому зменшується (при -?UІ%) на ?UІ% число витків обмотки високої напруги, а вторинна напруга на ?UІ% підвищується (при -?UІ%), тобто

(1.32)

(В).

Коефіцієнти трансформації:

 (1.33)

,

(1.34)

.

Різниця коефіцієнтів трансформації:

(1.35)

.

Середній коефіцієнт трансформації:

(1.36)

.

Різниця коефіцієнтів трансформації у відсотках від kср:

(1.37)

.

Струм зрівноваження (equilibrating current), який протікає по вторинним обмоткам:

(1.38)

(А).

При kI < kII, то при номінальному навантаженні перший трансформатор буде перевантаженим за рахунок струму зрівноваження.

Оскільки перевантажувати трансформатори неможна, то потрібно при визначенні результуючих струмів, які протікають по вторинних обмотках трансформаторів, виходити з того, що результуючий вторинний струм перевантаженого трансформатора не повинен перевищувати його номінального значення, тобто потрібно прийняти при

kI < kІІІ2І = І2фн.

Струм Інав ( ІнавІІ при kI < kII ), який перевантажений трансформатор віддає в навантаження, визначається з рівняння

(1.39)

Оскільки струм, який віддається в навантаження, повинен бути меншим результуючого струму, то в виразі (1.40) вибирається знак «+» або «-» виходячи з виконання умови:

Iнав ? І2фн (1.40)

Напруга на шинах навантаження за рахунок дії струму зрівноваження рівна середньому значенню, тобто

(1.41)

(В).

Струми, що віддаються обома трансформаторами навантаженню однакові за значенням, тобто ІнавІ = ІнавІІ.

Результуючий струм вторинної обмотки недовантаженого трансформатора (І2ІІ при kI < kII) становить:

(1.42)

(А).

У формулі (1.42) вибирається знак «-» оскільки в даному випадку ємнісне навантаження.

Ступінь завантаження трансформаторів результуючими струмами:

(1.43)

,

 (1.44)

.

Установлена потужність:

(1.45)

(В*А).

Сумарна потужність, що віддається трансформаторами навантаженню:

(1.46)

(В*А).

Недовикористана потужність:

(1.47)

(В*А).

а у відсотках -

(1.48)

.

1.2.2 Трансформатори з однаковими коефіцієнтами трансформації і різними напругами короткого замикання

Розглядаються два трансформатори з однаковими потужностями SнІ = SнІІ = Sн, однаковими коефіцієнтами трансформації kІ = kІІ і різними напругами короткого замикання UкІІ% ? UкІ%, причому напруга короткого замикання другого трансформатора на ?Uкз% більша, ніж першого:

(1.49)

(В).

При паралельній роботі (parallel work) трансформаторів з різними напругами короткого замикання їхні струми навантаження розподіляються обернено пропорційно напругам короткого замикання і прямо пропорційні їх номінальним потужностям.

При UкІ% < UкІІ% перший трансформатор віддає в навантаження струм в 1 + (ДUкз%/100) разів більший ніж другий трансформатор.

Для запобігання перевантаження, потрібно прийняти струм навантаження перевантаженого трансформатора, рівним номінальному струму вторинної обмотки:

при UкІ% < UкІІ% ІІ = І2фн;

Тоді недовантажений трансформатор буде віддавати в навантаження струм ІІІ (ІІІ при UкІ% < UкІІ%;)

(1.50)

А.

Ступінь завантаження трансформаторів:

(1.51)

,

(1.52)

.

Сумарна потужність, що віддається трансформаторами навантаженню:

(1.53)

(В*А).

Недовикористана потужність ДS розраховується за (1.47) та (1.48) з врахуванням усталеної потужності Sуст, розрахованої за (1.45), та сумарної потужності SУ, розрахованої за (1.53).

(В*А),

.

1.3 Розрахунок ударних струмів

Ударний струм короткого замикання (short circuit percussive current):

(1.54)

де Куд - ударний коефіцієнт:

(1.55)

.

Ік.m - амплітуда усталеного струму короткого замикання:

(1.56)

де Ін - номінальний струм в обмотці.

Амплітуда усталеного струму короткого замикання:

для первинної обмотки

(1.57)

(А);

для вторинної обмотки

(1.58)

(А).

Ударні струми короткого замикання:

для первинної обмотки

(1.59)

(А);

для вторинної обмотки

(1.60)

(А).

1.4 Розрахунок і вибір потужності силового трансформатора для системи ТП-ДПС

Для розрахунків попередньо приймається, що значення випрямленої

напруги Ud дорівнює номінальній напрузі Uн двигуна постійного струму, значення випрямленого струму Іd - номінальному струму Ін двигуна постійного струму, а значення випрямленої потужності Рd - Рн, тобто

Ud = Uн, Id = Iн, Рd = Рн. (1.61)

Типова (габаритна ) потужність трансформатора:

(1.62)

(Вт).

де kS - коефіцієнт схеми випрямлення за потужністю (таблиця 1.1).

Таблиця 1.1 - Коефіцієнти схем та їх параметри

Коефіцієнт	Схема випрямлення
	однофазна	трифазна
	із середньою точкою трансформатора	мостова	нульова (схема Міткевича)	зигзаг з нулем	мостова (схема) Ларіонова
kS	1.34	1.11	1.35	1.46	1.045

Трансформатор вибирається за типовою потужністю Sт, первинною U1н та вторинною U2н напругами, орієнтуючись на випрямлену напругу Ud (напругу двигуна Uн). Параметри вибраного трансформатора подаються у вигляді таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 - Технічні дані вибраного трансформатора

Тип	Sн, кВА	U1н, кВ	U2н, кВ	Uк%, %	I0%, %	Р0, кВт	Pк, кВт	Схема і група з'єднань
ТСЗ-10/0,66-УХЛ4	10	0,38	0,23	3	7	0,075	0,28	Ун/У-0

2. Розрахунок експлуатаційних характеристик асинхронного двигуна

2.1 Розрахунок параметрів схеми заміщення асинхронного двигуна

Номінальна фазна напруга U1фн обмотки статора залежить від номінальної лінійної напруги U1лн. Вона визначається при з'єднанні обмотки в:

«трикутник»

, (2.1)

.

Номінальний фазний струм І1фн обмотки статора також залежить від номінального лінійного струму І1лн. Він визначається при її з'єднанні обмотки в:

«трикутник»

(2.2)

(А).

Розраховуємо Г-подібну схему заміщення (рисунок 2.1).

Активна потужність, що споживається двигуном на холостому ході, визначається через фазний струм холостого ходу І0ф і коефіцієнт потужності холостого ходу cosц0:

(2.3)

(Вт).

Рисунок 2.1 - Г - подібна схема заміщення асинхронного двигуна

Електричні втрати (electrical losses) в обмотці статора на холостому ході:

(2.4)

(Вт).

де R1 - активний опір обмотки статора.

Втрати потужності в сталі статора (магнітні втрати):

(2.5)

(Вт).

де Дрмех - механічні втрати.

Повний опір обмотки статора:

(2.6)

(Ом).

де Х1 - реактивний опір обмотки статора.

Повний опір двигуна в режимі холостого ходу:

(2.7)

(Ом).

Опори кола намагнічування схеми заміщення:

Повний

(2.8)

(Ом);

Активний

(2.9)

(Ом);

Реактивний

(2.10)

(Ом).

Коефіцієнт схеми заміщення:

 (2.11)

.

Далі визначаються параметри головної вітки схеми заміщення С1R1, C1X1, а також і через приведені активний R?2 та реактивний X?2 опори обмотки ротора.

2.2 Розрахунок параметрів двигуна при номінальному навантаженні

Номінальне ковзання (rated slipping):

(2.12)

,

де n1 - синхронна частота обертання магнітного поля;

nн - номінальна частота обертання.

Повний опір головної вітки схеми заміщення:

(2.13)

(Ом).

Приведений струм ротора:

 (2.14)

(А).

Косинус і синус кута між векторами U1фн і I?2ф:

(2.15)

,

(2.16)

.

Активна і реактивна складові струму головної вітки:

(2.17)

А,

(2.18)

А.

Активна і реактивна складові струму холостого ходу:

(2.19)

(А),

(2.20)

(А).

Активна і реактивна складові повного струму статора:

(2.21)

(А),

(2.22)

(А).

Номінальний фазний струм, що споживається двигуном із мережі:

(2.23)

(А).

Коефіцієнт потужності двигуна:

 (2.24)

.

Номінальна активна потужність, що споживається двигуном із мережі:

(2.25)

(Вт).

Втрати потужності в двигуні:

в обмотці статора

(2.26)

(Вт);

в обмотці ротора

(2.27)

(Вт);

Додаткові

(2.28)

(Вт).

Сумарні втрати (total capacity losses) потужності в двигуні:

 (2.29)

(Вт).

Корисна потужність (efficient capacity) на валу:

(2.30)

(Вт).

Відхилення розрахованої величини Р2н корисної потужності від заданої Рн

(2.31)

%.

не повинно перевищувати 5%.

Номінальний ККД:

(2.32)

%.

Кількість пар полюсів обмотки статора:

(2.33)

.

Номінальний електромагнітний обертовий момент (electromagnetic rotating moment) двигуна:

(2.34)

(Н*м).

2.3 Розрахунок пускового та максимальних моментів

Пусковий момент (starting moment) двигуна (при ковзанні s = 1):

(2.35)

(Н*м).

Критичне ковзання (critical slidding):

(2.36)

.

Критична частота обертання (critical frequency of ration) ротора:

(2.37)

(об/хв).

Максимальний момент (maximal moment):

(2.38)

(Н*м).

2.4 Розрахунок та побудова природної механічної й робочих характеристик

Механічна характеристика(mechanical characteristics) s = f(M) будується

за формулою (2.34) при зміні ковзання від 0,0001 до 1 (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Механічна характеристика асинхронного двигуна

Для побудови робочих характеристик (working characteristics) двигуна (І1, Р1, з, cosц1, n, s, M) = f (P2) потрібно задатися зміною ковзання від близького до нуля (наприклад, 0,0001) до 1,2sн та перевести вісі характеристик у відносні одиниці для наочності (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Робочі характеристики асинхронного двигуна

2.5 Розрахунок та побудова механічних характеристик при заданому способі регулювання частоти обертання вала двигуна

2.5.1 Частотне регулювання швидкості

При частотному регулюванні швидкості обертання (regulating of rotating speed) асинхронного двигуна потрібно в формулі (2.34) замість номінального ковзання sн поставити

(2.39)

тобто

 (2.40)

Графіки М(n) побудувати для частот f1 = (50; 40; 30; 20;10) Гц при 0 ? n ? n1. При цьому слід пам'ятати, що змінивши частоту f1, автоматично змінюється і значення синхронної частоти n1:

(2.41)

тобто кожній частоті f1 буде відповідати своє значення n1.

Зовнішній вигляд характеристик, отриманих за (2.40) буде мати вигляд на рисунку 2.4.

При М = const справедливим є співвідношення

(2.42)

Визначивши числове значення цього співвідношення при номінальних значеннях напруги U1фн і частоті f1, змінюючи частоту f1відповідно до значень, вказаних вище, отримують відповідні значення напруги U1ф, яке і використовують при розрахунку частотних характеристик.



Рисунок 2.4 - Механічні характеристики асинхронного двигуна, побудовані за виразом (2.40)

Зовнішній вигляд характеристик частотного регулювання асинхронного двигуна за умови (2.42), показаний на рисунку 2.5.

Рисунок 2.5 - Механічні характеристики асинхронного двигуна за умови (2.42)

2.5.2 Регулювання частоти обертання зміненням первинної напруги

Регулювання частоти обертання асинхронного двигуна зміненням первинної напруги здійснюється при 0 ? U1ф ? U1фн.

Графіки М(n) побудуємо при напругах U1ф = (1; 0,8; 0,6; 0,4) U1фн за

формулою

(2.43)

Зовнішній вигляд механічних характеристик при U1ф = var показаний на рисунку 2.6.

Рисунок 2.6 - Механічні характеристики асинхронного двигуна при U1ф = var

2.5.3 Регулювання частоти обертання зміненням опору в колі ротора

Регулювання частоти обертання асинхронного двигуна зміненням опору в колі ротора здійснюється при зміні сумарного опору в колі ротора за умови, що останній є фазного типу виконання.

Графіки М(n) побудувати з використанням формули (2.43) при значеннях опору R?2= (0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1) Rд, де Rд - значення додаткового опору, при вмиканні якого в коло ротора при пуску можна отримати максимальний момент:

 (2.44)

(Ом).

Зовнішній вигляд механічних характеристик при R?2 = var показаний на рисунку 2.7.

Рисунок 2.7 - Механічні характеристики асинхронного двигуна при R?2 = var

3. Розрахунок експлуатаційних характеристик машини постійного струму

3.1 Режим генератора

3.1.1 Розрахунок номінальних величин для генератора незалежного збудження

Схема електрична принципова генератора незалежного збудження подана на рисунку 3.1, на якій прийняті такі позначення: Rнав - опір навантаження; QF - автоматичний вимикач; PV - вольтметр; РА - амперметр; G - генератор; ОДП - обмотка додаткових полюсів; Rз - опір реостата кола збудження; НОЗ - незалежна обмотка збудження.

Рисунок 3.1 - Схема електрична принципова генератора незалежного збудження

Номінальний струм навантаження генератора:

 (3.1)

(А).

Rа75 - сумарний опір обмоток якоря і додаткових полюсів при робочій температурі 75° С:

(3.2)

(Ом).

ДUя* - спад напруги в колі якоря у відносних одиницях:

(3.3)

(В).

де ДUщ - падіння напруги на щітках (ДUщ = 2 В на одну пару полюсів);

ДЕ* - зменшення ЕРС за рахунок розмагнічувальної дії поперечної реакції якоря:

(3.4)

(В).

ЕРС генератора незалежного збудження на холостому ході у відносних одиницях:

 (3.5)

(В).

За вихідними даними будуємо характеристика холостого ходу Е0* = f(Із*) машини постійного струму (рисунок 3.2).

Опір обмотки збудження при робочій температурі:

(3.6)

(Ом).

Номінальний струм збудження:

(3.7)

(А).

3.1.2 Побудова характеристичного трикутника для генератора незалежного збудження

Графічні побудови для отримання характеристичного трикутника та розрахунок номінальних величин генератора здійснюємо в такій послідовності:

1) будуємо характеристику холостого ходу генератора у відносних одиницях Е0* = f(Із*) (рисунок 3.2);

2) на вісі ординат ЕРС відкладаємо значення Е01*, розраховане за (3.2), що відповідає ЕРС генератора незалежного збудження;

3) провівши пряму з точки, що відповідає Е01*, паралельну вісі абсцисс І3* до перетину з характеристикою холостого ходу, отримуємо точку К;

4) опустивши перпендикуляр з точки К до вісі І3*, отримуємо відносне значення відносного номінального струму збудження Ізн*;

5) розраховуємо базове значення струму збудження генератора:

(3.8)

(А).

6) на вісі ординат відкладаємо відносне значення номінальної напруги Uн* = 1;

7) провівши пряму з точки, що відповідає Uн*,паралельну вісі абсцис І3* до перетину з перпендикуляром, що відповідає Ізн*, отримуємо точку С;

8) з точки С відкладаємо відрізок СВ = ДUя*, розраховане за (3.3);

9) з точки В паралельно осі абсцис проводимо відрізок ВА до перетину з характеристикою холостого ходу;

10) з'єднавши точки А, В та С, отримуємо характеристичний трикутник АВС.

Рисунок 3.2 - Характеристики холостого ходу та кола збудження

3.1.3 Розрахунок струму збудження, необхідного для компенсації розмагнічувальної дії поперечної реакції якоря

Катет АВ характеристичного трикутника АВС (рисунок 3.2) характеризує струм збудження у відносних одиницях, необхідний для компенсації розмагнічувальної дії поперечної реакції якоря:

(3.9)

звідки реальне значення струму збудження, необхідного для компенсації

розмагнічувальної дії поперечної реакції якоря:

(3.10)

(А).

Провівши пряму з початку координат через точку С, отримуємо характеристику кола збудження U* = f(Із*). З точки Б, точки перетину характеристики холостого ходу Е0* = f(Із*) з характеристикою кола збудження U* = f(Із*), проводимо пряму до перетину з віссю ординат, в результаті чого отримуємо ЕРС генератора параллельного збудження Е02, схема електрична принципова якого подана на рисунок 3.3, на якому ШОЗ - шунтова обмотка збудження.

Номінальні зміни напруг генераторів незалежного ДUн.нез і паралельного ДUн.пар збудження:

(3.11)

(В),

(3.12)

(В).

ЕРС генератора при номінальному навантаженні:

(3.13)

(В).

Рисунок 3.3 - Схема електрична принципова генератора паралельного збудження

3.1.4 Розрахунок втрат та ККД для генератора паралельного збудження

Втрати на збудження (excitation losses):

(3.14)

(Вт).

Постійні втрати (constant losses):

(3.15)

(Вт),

де Дрмех - механічні втрати;

Дрм - магнітні втрати.

Номінальний струм якоря:

(3.16)

(А).

Втрати в колі якоря в номінальному режимі:

(3.17)

(Вт).

Додаткові втрати (additional losses) в номінальному режимі:

(3.18)

(Вт).

Змінні втрати (variable losses) в машині в номінальному режимі:

(3.19)

(Вт).

Сумарні втрати в машині в номінальному режимі:

(3.20)

(Вт).

Номінальна підведена до генератора потужність:

(3.21)

(Вт).

Номінальний ККД:

(3.22)

.

Коефіцієнт навантаження (load factor), при якому з = зmax:

(3.23)

.

а корисна потужність при цьому

(3.24)

(Вт).

Максимальний ККД:

(3.25)

.

3.2 Режим двигуна

3.2.1 Розрахунок номінальних параметрів двигуна

Схема електричного двигуна постійного струму послідовного типу збудження подана на рисунку 3.4, на якому СОЗ - серієсна обмотка збудження, М - двигун.

Рисунок 3.4 - Схема двигуна постійного струму послідовного збудження

Конструктивні сталі машини:

 (3.26)

,

(3.27)

,

де р - кількість пар головних полюсів;

N - кількість активних провідників обмотки якоря;

а - кількість паралельних віток обмотки якоря.

Номінальний струм Ін, що споживається двигуном з мережі:

(3.28)

(А).

Номінальний струм збудження двигуна послідовного збудження:

(3.29)

(А).

Номінальний струм якоря для двигуна послідовного збудження:

(3.30)

(А).

Rщ20 - перехідний опір щіткових контактів при 20° С:

(3.32)

(Ом),

де Іян - номінальний струм якоря.

Повний опір кола якоря при 20° С:

(3.31)

(Ом).

Повний опір якірного кола при робочій температурі 75° С:

(3.33)

(Ом).

ЕРС двигуна в номінальному режимі:

(3.34)

(В).

Номінальна частота обертання двигуна:

(3.35)

(об/хв).

Номінальний магнітний потік:

(3.36)

(Вб).

Номінальний обертовий момент:

(3.37)

(Н*м).

3.2.2 Розрахунок і побудова природної механічної характеристики

3.2.2.2 Двигун послідовного збудження

Природна механічна характеристика двигуна послідовного збудження:

(3.38)

(об/хв).

де kф - коефіцієнт пропорційності магнітного потоку:

(3.39)

.

де для двигуна послідовного збудження Ізн=Іян.

Зовнішній вигляд природної механічної характеристики двигуна послідовного збудження подано на рисунку 3.6.

Рисунок 3.6 - Природна механічна характеристика двигуна послідовного збудження

3.2.3 Розрахунок та побудова механічних характеристик при різних способах регулювання частоти обертання вала двигуна

Для розрахунку й побудови механічних характеристик двигуна при:

регулюванні напруги живлення потрібно у виразі природної механічної характеристики для двигуна послідовного збудження - (3.38) замість Uн взятии напруги: 0,2Uн; 0,4Uн; 0,6Uн; 0,8Uн; Uн. Зовнішній вигляд характеристики показаний на рисунку 3.7;



Рисунок 3.7 - Механічні характеристики двигуна послідовного збудження при регулюванні напруги живлення

регулюванні магнітного потоку потрібно у виразі природної механічної характеристики: для двигуна послідовного збудження (3.38) замість kф взяти коефіцієнти магнітного потоку kф; 0,8kф; 0,6kф; 0,4kф. Зовнішній вигляд характеристики показаний на рисунку 3.8;

Рисунок 3.8 - Механічні характеристики двигуна послідовного збудження при регулюванні магнітного потоку

регулюванні опору в колі якоря потрібно у виразі природної механічної характеристики для двигуна послідовного збудження (3.38) замість Rа75 взяти опори якірного кола Rа75; 3Rа75; 6Rа75; 9Rа75; 12Rа75; 15Rа75; Зовнішній вигляд характеристики показаний на рисунку 3.9.

Рисунок 3.9 - Механічні характеристики двигуна послідовного збудження при регулюванні опору кола якоря

Висновки

Під час виконання курсової роботи був виконаний розрахунок експлуатаційних характеристик електричних машин, зокрема: трансформатора, асинхронного двигуна з фазним ротором, і машини постійного струму серієсного збудження. Здійснено побудову обов'язкових графічних зображень, які допомогли підтвердити правильність виконаних розрахунків.

Для виконання розрахунків і побудови необхідних графічних зображень було використано програмний пакет Mathcad v. 14.0, який володіє всіма необхідними інструментами і функціями для виконання різного роду математичних операцій і побудови різних видів графіків. Також для побудови векторної діаграми та характеристичного трикутника було використано програмний пакет для побудови діаграм і блок-схем Microsoft Visiо 2003.

Література

1. Павлов И.Ф,. Нагул В.И. Электрические машины. Типовая программа, методические указания к контрольным заданиям для студентов заочной формы обучения. - Винница: ВПИ, 1988. - 70 с.

2. Павлов И.Ф,. Головин В.П. Методические указания к контрольным работам по курсу «Электрические машины» с применением ЭВМ для студентов заочной формы обучения. - Винница: ВПИ, 1983. - 51 с.

3. Грабко В.В., Розводюк М.П., Грабенко І.В. Експериментальні дослідження електричних машин. Частина І. Машини постійного струму: Навчальний посібник. - Вінниця: ВНТУ, 2005. - 86 с.

4. Грабко В.В., Розводюк М.П., Левицький С.М., Казак М.О. Експериментальні дослідження електричних машин. Частина ІІІ. Асинхронні машини. Навчальний посібник. - Вінниця: ВНТУ, 2007. - 197 с.

5. Грабко В. В., Розводюк М. П., Левицький С. М. Експериментальні дослідження електричних машин. Частина ІV. Трансформатори. Навчальний посібник. - Вінниця: ВНТУ, 2008. - 219 с.

6. Вольдек А.И. Электрические машины - М.: Энергия,1 978. - 832 с.

7. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 624 с.

8. Электрические машины: В 2-х ч. Ч.1: Учеб. для электотехн. спец. вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. - М.: Высш. шк., 1987. - 319 с.

9. Электрические машины: В 2-х ч. Ч.2: Учеб. для электотехн. спец. вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. - М.: Высш. шк., 1987. - 335 с.

10. http://www.yse-electro.ru/rus/catalog/category54/category60/product19046.shtml.

Додаток А

Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Інститут енергетики та електромеханіки

ЗАТВЕРДЖУЮ

Керівник, к.т.н., доцент

_____________ М.П. Розводюк

"____"_______________ 2010 р.

Технічне завдання

на розрахунок експлуатаційних характеристик електричних машин

1 Область застосування - електротехніка, електромеханіка.

2 Основа для розробки - робочий навчальний план ДМ.

3 Мета та експлуатаційне призначення:

а) мета - отримання практичних навичок розрахунків електричних машин;

б) призначення розробки - навчальний курсовий проект з дисципліни “Електричні машини”.

4 Джерела розробки - індивідуальне завдання на курсовий проект з дисципліни, матеріали до розрахунків.

5 Технічні вимоги - характеристики електричних машин повинні бути побудовані у масштабі, прийнятному для розрізнення їх суті.

6 Кліматичні умови

Забезпечити стабільну роботу електричних машин за умов їх експлуатації в температурному діапазоні - 35С… +45С і відносній вологості повітря не більше 90% та тиску - 720-740 мм. рт.ст.

7 Графічна та текстова документація повинна відповідати всім діючим стандартам України.

8 Стадії та етапи розробки включають елементи технічної пропозиції, ескізного та технічних проектів.

Крайні терміни виконання КП ”_____”_______________2010 р.

Початок розробки ”_____”_______________2010 р.

9 Порядок контролю та прийняття

Виконання етапів графічної та розрахункової документації курсового проекту контролюється викладачем згідно з графіком виконання проекту.

Прийняття проекту здійснюється комісією затвердженою зав. кафедрою згідно з графіком захисту.

Коректування технічного завдання допускається з дозволу керівника проекту.

Розробив студент групи ЕПА-07 з/в ________ Тютюнник Д. Й.

Размещено на Allbest.ru