Расчёт рабочих и пусковых характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Лысьвенский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Кафедра Общенаучных дисциплин

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «ЭЛЕКТРИЧЕСКИE МАШИНЫ»

основной профессиональной образовательной программы подготовки бакалавров по направлению 13.03.02. «Электроэнергетика и электротехника»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению курсового проекта

Расчѐт рабочих и пусковых характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором.

Лысьва 2020

Разработчик-составитель

ст. преподаватель кафедры Общенаучных дисциплин С.Ю. Вотинова

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры Общенаучных дисциплин от 31 августа 2020 г., протокол №1.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие положения — 4
2. Этапы курсового проектирования — 6
3. Методика расчѐтов рабочих и пусковых характеристик электродвигателя — 7
   • 3.1 Исходные данные — 7
   • 3.2 Подготовительные расчѐты — 9
   • 3.3 Расчѐт рабочих характеристик — 13
   • 3.4 Расчѐт пусковых сопротивлений — 17
   • 3.5 Расчѐт и построение пусковых характеристик — 19
   • 3.6 Сравнение двух разных двигателей типа 4А — 23
4. Состав курсового проекта и содержание пояснительной записки — 24
5. Требования к оформлению курсового проекта — 26
6. Список рекомендуемой литературы — 31
7. Приложение А – Образец титульного листа — 32
8. Справочные таблицы — 33

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Курсовой проект представляет собой самостоятельную и углубленную разработку одной из конкретных тем или проблем учебной дисциплины. Цель выполнения курсового проекта – систематизация и закрепление теоретических знаний по дисциплине Электрические машины.

При выполнении курсового проекта по дисциплине Электрические машины предполагается решить следующие задачи:

• освоение расчѐта рабочих и пусковых характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором,
• получение навыков самостоятельной работы со справочной литературой,
• приобретение умения анализировать полученные результаты.

Работа над курсовым проектом способствует приобретению компонентов следующей профессиональной компетенции — способен использовать методы анализа и моделирования электрических цепей и электрических машин. (ОПК-3).

В методических указаниях описан алгоритм расчѐта рабочих и пусковых характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором. В качестве исходных данных использованы справочные данные серийно выпускаемых асинхронных электродвигателей серии 4А (вариант задается преподавателем и указывается в бланке задания). Все расчѐты ведутся на основании Г- образной схемы замещения.

Расчѐт потребует твердых знаний по дисциплине Теоретические основы электротехники, усвоения теоретической части курса Электрические машины и прочтения специальной литературы по методам расчѐта и по эксплуатации асинхронных двигателей.

Курсовой проект должен содействовать развитию навыков самостоятельной работы и способности студентов к инженерной деятельности.

Требования к результатам работы

Курсовой проект является завершающим этапом изучения дисциплины Электрические машины и в результате обучающийся должен:

Знать:

• современные направления развития электрических машин;
• новые серии электрических машин, выпускаемых промышленностью;
• принцип действия современных типов электрических машин;
• проблемы, возникающие при эксплуатации машин;
• ключевые понятия в области электромашиностроения;
• особенности конструкции электрических машин и трансформаторов, их уравнения, схемы замещения и характеристики;

Уметь:

• выполнять расчѐты и построения характеристик электрических машин;
• определять основные параметры электрических машин;
• анализировать результаты расчѐтов;
• использовать полученные знания при решении практических задач по проектированию, испытаниям и эксплуатации электрических машин.

Владеть:

• приѐмами дефектации и ремонта электрических машин;
• навыками выполнения чертежей в графических пакетах Компас и др.
• методиками проектирования электрических машин.

2 Этапы курсового проектирования

1. 1 этап: получение задания, работа со справочной литературой, заполнение листа с исходными данными;
2. 2 этап: выполнение подготовительных расчѐтов;
3. 3 этап: расчѐт и построение рабочих характеристик;
4. 4 этап: расчѐт и построение пусковых характеристик;
5. 5 этап: оформление чертежа и пояснительной записки;
6. 6 этап: предоставление проекта на проверку руководителю, устранение замечаний, подготовка к защите;
7. защита курсового проекта (представление работы – краткий доклад, ответы на вопросы).

3 Методические рекомендации по выполнению курсовой работы (проекта)

3.1 Исходные данные

Прежде, чем приступить к расчѐтам, необходимо «расшифровать» название заданного в варианте асинхронного двигателя и с помощью справочных таблиц [1, 2] или Приложения настоящих Методических указаний заполнить таблицу 1 – Данные двигателя 4А….

4АНК200L4У3 (пример)

• порядковый номер серии
• тип двигателя (асинхронный)
• степень защиты (IP23; отсутствие символа «Н» — IP44)
• обозначение фазного ротора (контактные кольца)
• высота оси вращения вала машины, мм
• обозначение длины сердечника L (или М, S…)
• число полюсов
• климатическое исполнение согласно ГОСТ 15150-69
• категория размещения, согласно ГОСТ 15150-69 (расшифровать — 3 – для помещений….)

Технические данные и параметры схемы замещения берут из таблиц 2.7 и 2.8 [1], обмоточные данные статора и ротора даны в таблицах 6.15 и 6.16 [1].

Рисунок 1 Г — образная схема замещения асинхронного двигателя

Таблица 1 Исходные данные двигателя 4А……… , Вариант № ______

№ п/п	Обозначение	Единицы измерения	Значение	Примечание
1	f1	Гц		частота сети
2	U1H	В		номинальное напряжение фазы статора
3	n0	об/мин		синхронная частота вращения (поля статора)
4	Р2Н	Вт		номинальная мощность на валу
5	ηн			номинальный КПД
6	cosφн			номинальный коэффициент мощности
7	I2H	А		номинальный ток ротора
8	U2	В		напряжение на кольцах неподвижного ротора
9	mk			перегрузочная способность двигателя
10	sH	о.е.		номинальное скольжение
11	sк	о.е.		критическое скольжение
12	Xμ	о.е.		индуктивное сопротивление цепи намагничивания
13	R’1	о.е.		приведѐнное активное сопротивление фазы статора
14	X’1	о.е		приведѐнное индуктивное сопротивление фазы статора
15	R»2	о.е		приведѐнное индуктивное сопротивление фазы ротора
16	X»2	о.е		приведѐнное индуктивное сопротивление фазы ротора
17	Z1			число пазов статора
18	Sn1			число эффективных проводников в пазу статора
19	a1			число параллельных ветвей в обмотке статора
20	kоб1			обмоточный коэффициент статора
21	R1(20)	Ом		активное сопротивление фазы статора при 20оС
22	Z2			число пазов ротора
23	Sn2			число эффективных проводников в пазу ротора
24	a2			число параллельных ветвей в обмотке ротора
25	kоб2			обмоточный коэффициент ротора
26	R2(20)	Ом		активное сопротивление фазы ротора при 20 С
27	РС	о.е		потери в стали
28	Рмех	о.е		механические потери
29	РД	о.е		добавочные потери
30	αс	о.е		отношение момента сопротивления Мс к номинальному моменту Мэмн
31	Uп	В		фазное напряжение, подводимое к двигателю при пуске

3.2 Подготовительные расчѐты

1. Потери в стали, Вт: Рс = Рс.о.е * Р2Н
2. Потери механические, Вт: Рмех = Рмех.о.е * Р2Н
3. Потери добавочные, Вт: РД = РД.о.е * Р2Н
4. При номинальной нагрузке полное сопротивление фазы двигателя, Ом: ZН = U1H / I1H (рассчитывается через схему замещения)
5. Пересчѐт сопротивлений схемы замещения из относительных единиц в Омы: Xμ = Xμ.о.е * ZН, X’1 = X’1.о.е * ZН, X»2 = X»2.о.е * ZН, R’1 = R’1.о.е * ZН, R»2 = R»2.о.е * ZН.
6. Активное и индуктивное сопротивление фазы обмотки статор, Ом: X1 = X’1 + X1, R1 = R’1 + R1.
7. Активное сопротивление цепи намагничивания, обусловленное потерями в стали, Ом: Rd = U1H^2 / Рс, Xd = (U1H^2) / Xμ.
8. Коэффициент приведения к Г-образной схеме замещения: С1 = 1 + X1/Xμ.
9. Электромагнитная мощность двигателя при номинальной нагрузке, Вт: Рэмн = 3 * (U1H^2 * R»2 / sH) / ((R’1 + R»2/sH)^2 + (X’1 + X»2)^2).
10. Число пар полюсов двигателя: р = 60 * f1 / n0.
11. Угловая скорость вращения магнитного поля, рад/с: ω0 = 2 * π * f1 / р.
12. Электромагнитный момент двигателя при номинальной нагрузке, Н м: Мэмн = Рэмн / ω0.
13. Номинальный момент на валу двигателя, Н м: МН = 9,55 * Р2Н / (n0 * (1 — sH)).
14. При номинальной нагрузке потери в обмотке ротора, Вт: РМ2 = Мэмн * sH.
15. Ток холостого хода, А: I0 = U1H / sqrt((R1 + Rd)^2 + (X1 + Xd)^2).
16. Ток главной ветви схемы замещения при номинальной нагрузке, А: I’2 = U1H / sqrt((R’1 + R»2/sH)^2 + (X’1 + X»2)^2).
17. Номинальный ток фазы статора, А: I1 = I0 + I’2.
18. Потери в обмотке статора при номинальной нагрузке, Вт: РМ1 = 3 * I1^2 * R1.
19. Приведѐнная эдс фазы неподвижного ротора, В: Е’2 = I’2 * X»2.
20. Реальная эдс фазы неподвижного ротора, В: Е2 = U2 / 3.
21. Коэффициент трансформации двигателя: Ке = Е’2 / Е2.
22. Мощность холостого хода, Вт: Р0 = 3 * I0^2 * R1.
23. Номинальная мощность, потребляемая из сети, Вт: Р1 = Р2Н + РМ1 + РМ2 + Рс + Рмех + РД.
24. Номинальный ток ротора, А: I2Н = I’2 * Ке.
25. Сопротивление ротора при рабочей температуре, Ом: R2 = R»2 * Ке^2.
26. Номинальный кпд: η = Р2Н / Р1.
27. Номинальный коэффициент мощности: cosφ = Р1 / (3 * U1H * I1).
28. Коэффициент мощности при холостом ходе: cosφ0 = Р0 / (3 * U1H * I0).
29. Критическое скольжение: sk = R»2 / sqrt(R’1^2 + (X’1 + X»2)^2).
30. Критический момент, Н м: Мк = 3 * U1H^2 / (2 * ω0 * (R’1 + sqrt(R’1^2 + (X’1 + X»2)^2))).
31. Отношение критического момента к моменту номинальному: mk = Мк / МН.
32. Число витков на фазу статора: W1 = Z1 * Sn1 / (6 * a1).
33. Число витков на фазу ротора: W2 = Z2 * Sn2 / (6 * a2).
34. Коэффициент трансформации по обмоточным данным: Ke = (W1 * kоб1) / (W2 * kоб2).

3.3 Расчѐт и построение рабочих характеристик

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя являются зависимости Р1, I1, I2, cosφ, η, S, M от полезной мощности на валу Р2. Эти характеристики рассчитываются с использованием Г-образной схемы замещения.

Вычислить пять значений скольжений: 0,1*sH; 0,2*sH; 0,4*sH; sH; 1,5*sH.

Для каждого скольжения рассчитываются: сопротивления главной цепи, токи ротора и статора, потери, мощности, КПД, коэффициент мощности и электромагнитный момент.

Таблица 2 Результаты расчѐтов для построения рабочих характеристик

S, о.е	0	0,1 Sн	0,2 Sн	0,4 Sн	Sн	1,5Sн
I2,А	0
I1,А	I0
P1, Вт	P0
P2, Вт	0
η	0
cosφ	сosφ0
Мэмн, Н м	0

Рисунок 2 Рабочие характеристики двигателя I1, I2, Р1 = f(P2)

Рисунок 3 Рабочие характеристики двигателя; η, cosφ = f(P2)