Проектування генератора-двигуна

Вихідні дані

Таблиця 1. Основні параметри двигуна

1.Попередні розрахунки Обираємо відповідний генератор:

Умова для обирання генератора для системи Г-Д:

Приймемо генератор П 131 — 4К. Наведемо його характеристики Таблиця 2

Побудуємо магнітні характеристики двигуна і генератора Рис. 1. Початкові магнітні характеристики двигуна і генератора Приведемо опори обмоток електричних машин, що входять до системи, до робочої температури .

Опори обмоток двигуна:

;

;

;

.

Опори обмоток генератора:

;

;

;

.

Визначаємо сталі якорів:

Двигуна

;

Генератора

.

Визначаємо номінальні кутові швидкості :

Двигун

;

Генератор

.

Визначаємо номінальні ЕРС і магнітні потоки машин:

Двигуна

;

.

Генератора

;

.

За магнітними характеристиками (див. рис. 1.) визначимо номінальні значення результуючих МРС

;

.

Приймемо значення МРС:

Для двигуна ;

Для генератора .

Розрахуємо номінальний струм та напругу обмоток незалежного збудження електричних машин.

;

;

;

.

За отриманими значеннями величин напруги збудження робимо висновок про необхідність виконання корекції магнітних характеристик.

Для двигуна приймаємо напругу живлення обмотки збудження, тоді:

;

.

Для генератора приймаємо напругу живлення обмотки збудження, тоді:

;

.

Наведемо скоректовані магнітні характеристики електричних машин на рис. 2.

Рис. 2. Коректовані магнітні характеристики двигуна і генератора Розрахуємо номінальне значення ЕРС системи Г-Д.

;

Тоді

;

;

Визначимо індуктивність розсіювання. Для цього приймаємо коефіцієнт розсіювання обмотки збудження генератора .

.

Сталу приймемо рівною

.

Розрахуємо індуктивність обмотки збудження генератора та побудуємо залежність. Розрахунок величини наведемо у вигляді таблиці 3.

Таблиця 3

Побудуємо графік залежності

Рис. 3. Графік залежності .

Визначимо середнє значення індуктивності обмотки збудження

.

Електромагніта стала часу обмотки збудження генератора для періоду пуску

с.

Електромагнітна часу обмотки збудження генератора в період реверсування та інші періоди пуску с.

Гальмування двигуна гасінням поля генератора робиться з використанням розрядного резистора, який визначимо за формулою:

Стала часу при цьому

.

У разі гальмування двигуна при само гасінні поля генератора.

.

Стала часу в цьому режимі

.

Максимально допустимий струм приймаємо:

.

Номінальний момент двигуна

.

Статичний момент опору приймаємо:

.

Визначаємо струм статичного навантаження

.

Повний опір якірного кола системи Г-Д з урахуванням опору з'єднуючих проводів Електромеханічна стала часу усього електроприводу Визначимо індуктивності якорів електричних машин:

Індуктивність якоря двигуна:

Індуктивність якоря генератора:

.

Визначимо електромагнітну сталу часу якірного кола системи Г-Д

.

Приймемо значення максимально допустимого струму при реверсі двигуна вхолосту приймаємо

.

Струм короткого замикання системи Г-Д

.

Коефіцієнт форсування збудження генератора

.

Знайдемо максимальний струм гальмування Струм гальмування відповідає умовам .

Резистор форсування () необхідний для забезпечення пуску двигуна з коефіцієнтом () і забезпеченням номінального струму збудження у момент відсічки форсування збудження.

Ідеальна кутова швидкість холостого ходу двигуна

;

Усталене значення кутової швидкості

Визначимо усталений перепад швидкостей:

Визначимо усталене значення частоти обертання:

2.ГРАФО-АНАЛІТИЧНИЙ РОЗРАХУНОК ПЕРЕХІДНОГО ПРОЦЕСУ ПРИ ФОРСУВАННІ ЗБУДЖЕННЯ ГЕНЕРАТОРА І БЕЗ НЬОГО Розрахунок наведемо у вигляді таблиці 4

Таблиця 4

За даними таблиці 4 побудуємо залежність

Рис. 4. Графік залежності .

Розрахунок перехідного процесу при наведемо у вигляді таблиці 5.

Таблиця 5

Розрахунок перехідного процесу при наведемо у вигляді таблиці 6.

Таблиця 6

Побудуємо залежності

Рис. 5. Графіки залежності

Як бачимо із графіків при застосуванні прийомів форсування збудження генератора час досягання струмом збудження номінального значення зменшується до 0,63с, на відміну від режиму роботи системи, коли застосоване повне збудження, там час досягання струмом номінального значення складає 2,42 с. З огляду на це можемо сказати, що процес форсування збудження генератора в системі Г-Д в цілому має позитивні результати. Такі дії дозволяють підвищити швидкодію, та зменшити інерційність системи. Однак, нераціональне збільшення коефіцієнту форсування збудження призводить до того, що в коло обмотки збудження буде введено резистор із значним опором. Саме через втрати потужності на цьому резисторі форсування із великими коефіцієнтами не застосовується. Розрахуємо та побудуємо зовнішню характеристику генератора за номінальним магнітним потоком.

Результати розрахунку зовнішньої характеристики наведемо у таблиці 7.

Таблиця 7

Побудуємо зовнішню характеристику генератора Рис. 6. Зовнішня характеристика генератора за номінальним магнітним потоком Побудуємо природну електромеханічну і механічну характеристики двигуна.

Рис. 7. Механічна характеристика двигуна Рис. 8. Електромеханічна характеристика двигуна двигун генератор діаграма

3.ЗРАХУНОК ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ ПРИ ПУСКУ ДВИГУНА З НАВАНТАЖЕННЯМ І ВХОЛОСТУ

Виконаємо розрахунки під навантаженням при форсуванні збудження

І етап.

Визначимо час запізнення при пускові двигуна під час форсування збудження

.

ІІ етап.

Час відсічки при форсуванні збудження становить

.

Початкове значення струму у момент часу

Початкове значення перепаду кутової швидкості у момент часу :

Початкове значення усталеного перепаду швидкостей у момент часу :

.

Струм якоря на другому етапі пуску:

Кутова швидкість валу двигуна на другому етапі визначається наступним чином

.

Час, коли струм має максимальне значення:

ІІІ етап.

Початкове значення струму у момент часу

Початкове значення перепаду кутової швидкості у момент часу :

Струм якоря на цьому етапі:

.

Кутова швидкість обертання валу двигуна

.

Перехідний процес досягає усталених параметрів при наступних значеннях струму та швидкості:

Побудуємо графіки залежностей та двигуна

Рис. 9 а)

Рис. 9 б) Рис. 9. Графіки залежностей між величинами для режиму форсування збудження генератора:

а) — залежність; б) — залежність .

Виконаємо розрахунки під навантаженням без форсування збудження

І етап.

Визначимо час запізнення двигуна при його пускові без форсування збудження генератора Час відсічки приймається таким, що дорівнює нулю.

ІІ етап.

Початкове значення струму у момент часу

Початкове значення перепаду кутової швидкості у момент часу :

Початкове значення усталеного перепаду швидкостей у момент часу :

.

Струм якоря на другому етапі пуску:

а швидкість валу двигуна на другому етапі визначається наступним чином

.

Час, коли струм має максимальне значення:

Перехідний процес досягає усталених параметрів при наступних значеннях часу та швидкості:

Побудуємо графіки залежностей та двигуна

Рис. 10 а) Рис. б) Рис. 10. Графіки залежностей між величинами для режиму без форсування збудження генератора:

а) — залежність; б) — залежність .

Максимальний пусковий струм:

Із побудованих графіків без форсуванні збудження під навантаженням видно, що струм при такому перехідному процесі припускає пуск системи Г-Д.

Виконаємо розрахунки без навантаженням при форсуванні збудження

І етап.

Визначимо час запізнення при пускові двигуна під час форсування збудження

.

ІІ етап.

Час відсічки при форсуванні збудження становить

.

Початкове значення струму у момент часу

Початкове значення перепаду кутової швидкості у момент часу :

Початкове значення усталеного перепаду швидкостей у момент часу :

.

Струм якоря на другому етапі пуску:

Кутова швидкість валу двигуна на другому етапі визначається наступним чином

.

Час, коли струм має максимальне значення:

ІІІ етап.

Початкове значення струму у момент часу

Початкове значення перепаду кутової швидкості у момент часу :

Струм якоря на цьому етапі:

.

Кутова швидкість обертання валу двигуна Перехідний процес досягає усталених параметрів при наступних значеннях часу та швидкості:

Побудуємо графіки залежностей та двигуна

Рис. 11 а) Рис. 11 б) Рис. 11. Графіки залежностей між величинами для режиму без навантаженням при форсуванні збудження а) — залежність; б) — залежність .

Максимальний пусковий струм:

Із побудованих графіків при форсуванні збудження без навантаженням видно, що струм при такому перехідному процесі припускає пуск системи Г-Д.

4. РАХУНОК ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ ПРИ НАКИДАННІ ТА СКИДАННІ НАВАНТАЖЕННЯ При розрахунку перехідних процесів маємо на увазі, що обидва процеси — електромагнітний та електромеханічний — протікають сумісно, складаючи єдиний процес, котрий описується системою диференційних рівнянь другого порядку.

Для розв’язання даної системи диференційних рівнянь складемо характеристичне рівняння:

Розв’язання якого залежить від індивідуальних параметрів електропривода.

тобто корені характеристичного рівняння будуть комплексними числами:

Виконаємо розрахунки перехідних процесів при накиданні навантаження:

Початкове значення струму при накиданні навантаження:

Початкове значення кутової швидкості при накиданні навантаження:

Початкове значення моменту при накиданні навантаження:

Значення струму холостого ходу:

Значення кутової швидкості холостого ходу:

Значення моменту холостого ходу:

Усталене значення струму при накиданні навантаження Усталене значення кутової швидкості при накиданні навантаження Усталене значення моменту при накиданні навантаження Початкове значення перепаду кутової швидкості при накиданні навантаження:

Усталене значення перепаду кутової швидкості при накиданні навантаження:

Жорсткість характеристики:

Характеристичне рівняння для кутової швидкості при накиданні навантаження:

Характеристичне рівняння для моменту при накиданні навантаження:

Характеристичне рівняння для струму при накиданні навантаження:

Результати обчислень для часу від до наведемо у вигляді

таблиці 13 .

Таблиця 13

Виконаємо розрахунки перехідних процесів при скиданні навантаження:

Початкове значення струму при накиданні свантаження:

Початкове значення кутової швидкості при скиданні навантаження:

Початкове значення моменту при скиданні навантаження:

Усталене значення струму при скиданні навантаження Усталене значення кутової швидкості при скиданні навантаження Усталене значення моменту при скиданні навантаження Початкове значення перепаду кутової швидкості при накиданні навантаження:

Усталене значення перепаду кутової швидкості при накиданні навантаження:

Визначимо сталі інтегрування характеристичного рівняння для кутової швидкості:

Визначимо сталі інтегрування характеристичного рівняння для моменту:

Визначимо сталі інтегрування характеристичного рівняння для струму:

Жорсткість характеристики:

Характеристичне рівняння для кутової швидкості при скиданні навантаження:

Характеристичне рівняння для моменту при накиданні навантаження:

Характеристичне рівняння для струму при накиданні навантаження:

Результати обчислень для часу від до наведемо у вигляді

таблиці 13 .

Таблиця 13

За даними розрахунків побудуємо залежності:

Рис. 11. Залежність ,

Рис. 12. Залежність ,

Рис. 13. Залежність ,

Як видно із графіків, при накиданні та скиданні навантаження на електропривод коливання відсутні. Перехідні процеси у всіх випадках визначаються експоненціальним законом.

5.ПОБУДОВА НАВАНТАЖУВАЛЬНОЇ ДІАГРАМИ Під навантажувальною діаграмою розуміють характеристику залежності струму якоря електродвигуна в функції часу. За діаграмами навантаження механізми поділяють на механізми циклічної і безперервної дії. При роботі електродвигуна із змінним навантаженням з послідовною зміною робочих циклів і пауз навантажувальна діаграма будується разом із тахограмою — графіком зміни швидкості руху в функції часу. Момент на валу двигуна в такому випадку визначається статичною і динамічною складовою і при абсолютно жорстких зв’язках у механічній частині електропривода знаходиться за основним рівнянням руху електропривода. Наведемо навантажувальну діаграму для даної системи Г-Д Рис. 17. Навантажувальна діаграма для електропривода в системі Г-Д.

6.ПЕРЕВІРКА ДВИГУНА ЗА НАГРІВОМ Через те що навантажувальна діаграма для даного випадку електроприводу побудована як величина струму якоря двигуна у функції часу перевірку двигуна за нагрівом проведемо методом еквівалентного струму.

Визначимо відносну тривалість увімкнення електродвигуна

.

Коефіцієнт, що враховує погіршення умов охолодження:

Коефіцієнт, що враховує поліпшення умов охолодження:

Еквівалентний струм на етапі

Еквівалентний струм на етапі

Еквівалентний струм на етапі

Еквівалентний струм на етапі

Еквівалентний струм на етапі

Еквівалентний струм на етапі

Еквівалентний струм на етапі

Еквівалентний струм на етапі

Еквівалентний струм на етапі

Еквівалентний струм на етапі

Еквівалентний струм за весь цикл:

Двигун перевірку на нагрів пройшов успішно, бо .

Визначимо коефіцієнт втрат Двигун придатний для роботи в режимі S6. В такому випадку обмотки двигуна не перегріваються вище значень допустимої температури.

7.РОЗРАХУНОК ДОПУЩЕНОЇ КІЛЬКОСТІ ВМИКАНЬ ДВИГУНА ЗА ГОДИНУ Кількість допущених вмикань за годину

.

Визначимо відносну тривалість пусків двигуна, при яких він працює з максимально допущеним перегрівом Значення приймаємо

.

З урахуванням всього кількість допущених вмикань за годину

.

З огляду на повноту використання двигуна за нагрівом допускається виконувати 246 вмикання за годину. Для даного двигуна, який працює в режимі повторного вмикання, приймаємо стандартну кількість вмикань на годину 240 вмикань.

8.РОЗРАХУНОК ПОТУЖНОСТЕЙ ПРИВІДНОГО ДВИГУНА ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА, ЗБУДЖУВАЧІВ ГОЛОВНОГО ДВИГУНА І ГЕНЕРАТОРА ТА ВИБІР ЇХ ТИПІВ Потужність привідного двигуна для генератора складає

Обираємо привідний асинхронний двигун серії 4А типорозміру 4АН355М6УЗ. Наведемо його паспортні характеристики.

Таблиця 15

Наведемо габаритні і установочні розміри двигуна.

Рис. 18. Установочні та габаритні розміри асинхронного двигуна.

Таблиця 16

Потужність збуджувача генератора складає

Обираємо в якості збуджувача генератора генератор постійного струму типорозміру 2ПН200МУХЛ4. Наведемо його паспортні характеристики.

Таблиця 17

Рис. 19. Установочні та габаритні розміри генераторів серії 2ПН, генераторів серії 2П Наведемо габаритні та установочні розміри генератора Таблиця 18

Потужність збуджувача двигуна

Обираємо в якості збуджувача двигуна генератор постійного струму серії П типорозміру П — 41У4. Наведемо його паспортні дані.

Таблиця 19

Рис. 20. Установочні та габаритні розміри генератора серії П Наведемо габаритні, установочні та під'єднувальні розміри генератора.

Таблиця 20

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ В ході виконання курсового проекту був проведений розрахунок керованого електроприводу постійного струму, виконаного у вигляді системи Г-Д.

Як видно з навантажувальної діаграми, при тривалості робочого циклу двигуна в 18,738 сек він працює з середнім навантаженням по струму 593 А. При цьому не відбувається перегрівання робочих поверхонь обмоток двигуна, отже виключені передчасне старіння і руйнування їх ізоляції.

В перехідних режимах роботи даного електроприводу при накиданні або скиданні навантаження на двигуні відсутні коливальні процеси.

Електропривод, побудований на базі даного двигуна, придатний для роботи із заданою номінальною тривалою потужністю у режимі повторного вмикання при кількості 240 вмикань на годину.

Головним недоліком при застосуванні в якості головного двигуна асинхронної машини є нестабільність кутової швидкості обертання її валу при зростанні моменту навантаження. Це пояснюється формою механічної характеристики асинхронного двигуна. Аби компенсувати зниження частоти обертання головного двигуна, використовують різні прийоми по збільшенню струму збудження генератора в пропорційній залежності від зменшення частоти обертання головного валу.

Даний електромашинний перетворювач побудований із використанням збуджувачів, що забезпечують живлення обмоток збудження як генератора так і виконавчого двигуна. Збуджувачі обрані так, аби забезпечити режими пуску електропривода з використанням режиму форсування збудження. Встановлюються збуджувачі на головному груповому валу. Клиноремінні або зубчаті передачі не застосовуються.

ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Методичні вказівки до курсового проекту з курсу «Теорія електроприводу» «Проектування системи Г-Д» / Дніпропетр. держ. техн. ун-т залізнич. трансп.; Укл: В. М. Безрученко, В. В. Чумак. Дніпропетровськ, 2001, 28с.;

2. Чиликин М. Г., Сандлер А. С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. — 6-е изд., доп. и перераб. — М.: Энергоиздат, 1981. — 576с.;

3. Теорія електропривода: Підручник / М. Г. Попович, М. Г. Борисюк, В. А. Гаврилюк та ін.; За ред. М. Г. Поповича. — К.: «Вища школа», 1993 — 494с.;

4. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. Т.1. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 456с.

5. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. Т.2. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 688с.