Построение и расчет статических характеристик электропривода системы генератор-двигатель системы Г-Д
Министерство образования и Науки Украины
Тема проекта:
«Построение и расчет статических характеристик электропривода системы генератор-двигатель системы Г-Д»
Содержание
Исходные данные
Описание работы электропривода системы генератор-двигатель
Выбор генератора
Расчет и построение статических характеристик электропривода
Определение динамических параметров для электродвигателя
Определение коэффициента форсировки
Расчет резисторов в цепи обмотки возбуждения генератора
7.1 Определение сопротивления разрядного резистора R4
7.2 Определение сопротивления резисторов R1, R2, R3
Заключение
Список использованной литературы
1. Исходные данные (вариант №5)
Тип электродвигателя Д-32
Номинальная мощность Р>ном> 12 к Вт
Номинальная скорость n>ном> 770 об/мин.
Номинальный ток I>ном> 65 А
Суммарное сопротивление электродвигателя R>я.д.>+R>дп.д.> 0,28 Оm
Число активных проводников W>я.д.> 558
Число параллельных ветвей якоря 2а 2
Число полюсов 2р 4
Момент инерции якоря J>д> 0,425 кг·м2
Коэффициент инерции привода К>j> 1,6
Коэффициент нагрузки привода К>з> 1
2. Описание работы электропривода системы генератор-двигатель
Схема управления силовой частью системы Г-Д (рисунок 2.1) обеспечивает две рабочие скорости вращения двигателя М1: основную (номинальную) >дном> и половинную, равную 0,5>дном>. Управление системой осуществляется с помощью командоаппарата S5, имеющего пять положений. Когда S5 находится в положении 1, двигатель М1 работает на основной характеристике, переключение в положение 2 обеспечивает вращение двигателя с половинной скоростью. В положении 3 обмотка возбуждения генератора LG1.2 отключена. В положениях 4 и 5 двигатель М1 вращается в противоположном направлении (реверс) соответственно с половинной и основной скоростью. При номинальной скорости вращения электродвигателя М1 в цепь возбуждения генератора LG1.2 включены резисторы R1 и R2, при половинной скорости – R1, R2, R3. Пуск электродвигателя осуществляется с форсировкой возбуждения генератора, выполняемой закорачиванием на время переходного процесса резисторов R2 и R3 контактами контактора К5. Отключение форсировки выполняется с помощью реле напряжения К6 и К7, включенных на шины генератора G1 и настроенных на напряжения срабатывания, соответствующие значениям выбранной скорости двигателя. Останов электродвигателя происходит при переводе командоаппарата в положение 3, при этом гашение энергии магнитного поля возбуждения генератора осуществляется в разрядном контуре «обмотка возбуждения LG1.2 – разрядное сопротивление R4».
Схема обеспечивает ряд защит электропривода:
от снижения тока возбуждения двигателя ниже допустимого – с помощью реле обрыва поля К9;
от превышения напряжения генератора выше допустимого – реле К8;
максимальную токовую защиту – реле К11;
нулевую защиту (от самозапуска ЭП после кратковременного исчезновения напряжения в сети переменного тока) – реле К1.
Все реле защиты воздействуют на реле нулевой защиты К1, отключающее обмотку возбуждения генератора.
Рисунок 2.1 – Схема электрическая принципиальная системы Г-Д
3. Выбор генератора
Выбор генератора производится по номинальным данным двигателя, при этом номинальное напряжение генератора должно быть приблизительно на 5% больше напряжения двигателя, а
I>н.г. >I>н.д.> (3.1)
где I>н.г.,> I>н.>>Д>>.> – номинальный ток соответственно генератора и двигателя, А.
В соответствии с выше переведенными рекомендациями я выбрала такой генератор:
Тип генератора П71
Номинальный ток генератора I>н.г.> 69.5 А
Число витков обмотки якоря W>я.г.> 297
Сопротивление якоря R>я.г.> 0,224 Ом
Число витков обмотки последовательного возбуждения W>О,В.г>>. >14
Сопротивление ОПВ R>о.вз..г> 0,0115 Ом
Число витков обмотки возбуждения W>в.г.> 950
Сопротивление обмотки возбуждения R>в.г. >43 Ом
Номинальное напряжение U>н.г.> 230 В
Номинальная скорость n>н.г.> 1450 об/мин
Число пар полюсов 2р 4
Число параллельных ветвей 2а 4
Таблица 3.1- Кривая намагничивания генератора
|
F, A |
0 |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
5000 |
6000 |
8000 |
|
Ф,Вб |
0 |
0,0031 |
0,0053 |
0,00687 |
0,0081 |
0,0088 |
0,0094 |
0,0103 |
Рисунок 3.1 – График зависимости Ф>г.н.>=f(I>в.г.н.>)
Построим характеристику ЭДС
холостого хода генератора
при номинальной скорости вращения
генератора
.
ЭДС холостого хода генератора определяем
по соотношению:
,
(3.2)
где E>г.> –ЭДС генератора, В;
К>г.> – конструктивный коэффициент генератора;
Ф>г.> – поток возбуждения, Вб;
>г.н.> – номинальная угловая скорость вращения якоря генератора, рад/с.
(3.3)
где n – номинальная скорость генератора, об/мин.
Конструктивный коэффициент генератора К>г> определяется по формуле:
,
(3.4)
где W>я> – число витков обмотки якоря генератора;
р – число пар полюсов обмотки возбуждения генератора;
а – число параллельных ветвей обмотки якоря генератора.
Ток возбуждения генератора I>в.г>, А:
, (3.5)
где F – магнитодвижущая сила, А;
W>ов.г.> – число витков обмотки возбуждения генератора.
Результаты расчетов для построения
зависимости
свести в табл. 3.2
Таблица 3.2– Расчет характеристики холостого хода генератора
|
I>в.г.>,A |
1,052 |
1,95 |
2,105 |
3,157 |
4,21 |
4,68 |
5,263 |
6,315 |
8,421 |
12,631 |
|
E>г.>, A |
89 |
144,79 |
151,16 |
197,23 |
232,54 |
242,72 |
252,64 |
269,87 |
295,71 |
321,54 |
Рисунок 3.2 – Характеристика ЭДС холостого хода генератора
4. Расчет и построение статических характеристик электропривода
Статические характеристик (электромеханическая f(I>Я>) и механическая f(М) ) рассчитываются по известным соотношениям для двигателя постоянного тока независимого возбуждения:
(4.1)
(4.2)
где К>Д.> – конструктивный коэффициент двигателя;
Ф>Н..Д>>.> – номинальный поток его возбуждения, Вб;
- суммарное сопротивление якорной
цепи, Оm.
Суммарное сопротивление якорной цепи R>я>>> определяется суммой всех сопротивлений элементов силовой цепи, включенных последовательно с якорем генератора:
=
К>Т>>·>(R>ЯД>
+ R>ДПД>+ R>ЯГ>+
R>ПР>+ R>ДПГ>)
+ 4R>Щ>>,>
(4.3)
=К>Т>>·>(R>ЯД>
+ R>ДПД>) +
2R>Щ>, (4.4)
где К>Т> – температурный коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления при нагреве, К>Т> – 1,24;
R>ЯД>, R>ЯГ>> >– сопротивление якорной цепи двигателя и генератора, Оm;
R>ДПГ>,R>ДПД> – сопротивление дополнительных полюсов генератора и двигателя, Оm;
R>Щ> – сопротивление щеточных контактов, Оm;
R>ПР> – сопротивление соединительных проводов, Оm.
(4.5)
где U>Щ> – падение напряжения в щеточных контактах,считаем неизменным 1В.
При определении R>пр> длину соединительных проводов принять – l=25 м, провода считать медными:
(4.6)
где ρ - удельное сопротивление Оммм2/м (для меди = 0,017);
l – суммарная длина соединительных проводов, м;
j – допустимая плотность тока, j = 4 А/мм2
I>Н.Д.> – ток якорной цепи системы Г-Д, А
;
Оm;
Окончательное суммарное сопротивление якорной цепи будет иметь вид:
=1,24(0,00805+0,00655+0,00077+0,00309)+4>*>0,00145=0,902
Оm;
=1,24·0,28+2·0,0153=0,0129
Оm;
Произведение (К>Д>>.>·Ф>Н.Д>>.>) определяем по паспортным данным двигателя:
,
(4.7)
- номинальная угловая скорость
вращения двигателя
,
(4.8)
,
Статический момент сопротивления находится из соотношения:
М>С>=К>З>·> >М>ЭМ.Н>= 1·148,88 = 148,88, (4.9)
где К>З> – коэффициент нагрузки;
М>ЭМ.Н>>.> – номинальный электромагнитный момент двигателя М1, Н·м.
>,> (4.10)
Номинальный момент на валу двигателя:
,
(4.11)
где Р>Н.Д>.– номинальная мощность, Вт
Для обеспечения необходимой скорости вращения двигателя ЭДС генератора должна превышать ЭДС двигателя на величину падения напряжения в сопротивлении якорной цепи:
Е>Г>=(К>Д>>.>· Ф>Н.Д>>.>)·>Н.Д>>.>I>Я>>.·>R>Я> .12
где I>Я.> – ток двигателя, А.
Ток статической нагрузки, А:
I>Я.>= I>Н.Д>>.>·> >К>З>>.>=65·1=65, (4.13)
Е>Г>=2,43·80,6+65·0,724=242,723 В,
Для построения статических характеристик двигателя необходимо знать всего две точки, так как они представляют собой прямую линию. В качестве таких точек удобно принять точки:
Точка идеального холостого тока (М=0, I>я>=0),
Точка, в которой М=М>С >со скоростью вращения >Н.Д.>
Точка, в которой I>я.>= I>Н.Д.> со скоростью вращения >Н.Д.>
,
,
,
Также не обходимо построить статические характеристики при ЭДС генератора работающей при половиной скорости от номинальной.
Е>Г/0,5>=( К>Д.>· Ф>Н.Д>>.>)·>Н.Д>/2>.>I>Я>>.·>R>Я> В .15
Е>Г/0,5>=2,43·40,3+65·0,721=144,794
,
,
,
Расчет естественной характеристики:
,
,
Рисунок 5.1- Электромеханические характеристики систем Д-Г и Д
Рисунок
5.2- Механические характеристики систем
Д-Г и Д
5. Определение динамических параметров для электродвигателя
Динамическими называются параметры, определяющие характер протекания переходных процессов.
При расчете пренебрегают электромагнитной инерционностью якорной цепи, реакцией якорей генератора и двигателя, влиянием вихревых токов с учетом этих допущений к динамическим параметрам системы генератор-двигатель относятся:
Электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения генератора
(5.1)
Электромеханическая постоянная времени электропривода - Т>М>
,
(5.2)
где J>Д> – приведенный к валу двигателя эквивалентный момент инерции всей системы ЭП, кгм2
J>Д>=K>J>·J>Д.>=2·10,25=20,5, (5.3)
где K>J> – коэффициент инерции привода;
J>Д> – момент инерции якоря привода, кг·м2.
,
где L>ВСР> – индуктивность обмотки возбуждения, Гн;
R>ВГ >- активное сопротивление обмотки возбуждения, Оm.
Индуктивность обмотки возбуждения является переменной величиной и зависит от тока возбуждения. Пользуясь кривой намагничивания Ф>Г>=f(F), найдем зависимость L>B>=f(I>В.Г.>) по формуле:
,
(5.4)
где Ф>Н.Г>,I>ВГ.Н> – номинальное значение потока и тока возбуждения генератора;
>н> – коэффициент рассеивания магнитного потока при номиналом режиме. >н> = 1,1.
Расчеты по формуле (5.4) удобно свести в таблицу 5.1
Таблица 5.1- Расчет индуктивности обмотки возбуждения
|
ΔI>ВГ> |
ΔФ>Н.Г> |
ΔФ>Н.Г>/ΔI>ВГ> |
|
(3)+(4) |
(5)2рW>ов.г.> |
I>ВСРj> |
|
1,052 |
0,0031 |
0,00208 |
0,00027 |
0,0023 |
12,22 |
0,526 |
|
1,053 |
0,0022 |
0,00149 |
0,0017 |
8,74 |
1,57 |
|
|
1,052 |
0,00157 |
0,00168 |
0,00195 |
6,46 |
2,631 |
|
|
1,053 |
0,00123 |
0,000647 |
0,00091 |
7,41 |
3,68 |
|
|
1,053 |
0,0007 |
0,000855 |
0,0011 |
3,45 |
4,73 |
|
|
1,052 |
0,0009 |
0,000427 |
0,00069 |
4,18 |
5,78 |
|
|
2,106 |
0,0009 |
0,000213 |
0,0004 |
2,62 |
7,36 |
|
|
4,21 |
0,0009 |
0,00294 |
0,0032 |
1,52 |
10,52 |
По данным таблицы 5.1 строим
зависимость
.
(5.5)
Рисунок 5.1-Расчет L>В.СР.>
L>ВСР>= 7,9 Гн,
.
6. Определение коэффициента форсировки
Для сокращения длительности переходного процесса в системе генератор-двигатель используется методы форсированного изменения тока возбуждения. Как правело, форсировка возбуждения осуществляется за счет приложения повышенного напряжения U>C> к цепи возбуждения генератора на период разгона двигателя до основной скорости.
U>C>=K>Ф>>·>·U>В>, (6.1)
где K>Ф> – коэффициент форсировки;
U>В> – напряжение на обмотке возбуждения генератора в установившемся
режиме, В.
U>В>=I>ВГН>··R>ВГ>=4,68·43=201,24, (6.2)
Предварительное значение коэффициента форсировки определяем из условия, что K>1> во время форсировки закорочено, и максимальный ток якоря I>я мах> во время пуска не превысит допустимого I>ДОП>=2,25·I>Д.Н>>.>= 146,25 А.
(6.3)
где I>КЗ> – ток КЗ при ЭДС генератора, обеспечивающей номинальную скорость вращения двигателя, А.
I>КЗ>=Е>Г1>/R>Я>=242,7/0,721=336,615>>, (6.4)
где Е>Г1>- ЭДС генератора, обеспечивающая основную скорость вращения двигателя, В.
I>С>=К>З> ·I>НД>=1> >·65=65, (6.5)
где I>С> – ток статической нагрузки,А
,
U>C> = 1,23> >·201,24=247,52 В,
Принимаем ближайшее большее стандартное значение U>C>. Данное условие удовлетворяет нашим условиям так как U>C> =440.
7. Расчет резисторов в цепи обмотки возбуждения генератора
7.1 Определение сопротивления разрядного резистора R4
При выборе разрядного резистора R4 необходимо выполнить два условия.
Во-первых, допустимое перенапряжение на обмотке возбуждения генератора в момент ее отключения, находящейся под номинальным током, не должно превышать десятикратного номинального напряжения возбуждения, т.е.
I >н.г> R4 10U>г.н.> (7.1.1)
С учетом (2.32) для величины сопротивления R4 можно записать первое условие:
R4 10U>вн> / I>вгн>, (7.1.2)
или:
R4 10R>вг>. (7.1.3)
Во-вторых, максимальное значение тока якорной цепи при этом не должен превышать допустимого по условиям коммутации:
I>я>>max> kI>д.н>, (7.1.4)
где k – коэффициент перегрузки по току, k=2,28.
Для расчета R4 пользуются упрощенной зависимостью:
, (7.1.5)
где Т>во> – постоянная времени обмотки возбуждения при ее отключении,
Т>во>=L>вср>/(R>вг>+R4), c.
С учетом условия (6.1.4) выражение (6.1.5) преобразуется к виду:
, (7.1.6)
где n=R4/R>вг>.
Из (7.1.6) найдем n, для этого сначала найдем левую часть равенства:
Теперь из равенства (7.1.6) найдем n, методом подбора
Таблица 7.1.1- опредиленеи n:
|
n |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
0,42 |
0,486 |
0,524 |
0,559 |
0,588 |
0,612 |
0,184 |
0,652 |
0,668 |
Рисунок 7.1.1-График зависимости
=f(n)
R4=n·R>в.г.>=7,79·43=335 Ом
7.2 Определение сопротивления резисторов R1, R2, R3
Резистор R1 при форсированном пуске служит для гашения избытка сетевого напряжения (напряжение генератора-возбудителя) В,
U>изб> = U>с> – К>ф>U>вр>. (7.2.1)
U>изб>=440-1,22·201,24=194,5
Сопротивление резистора R1 можно определить по формуле
, (7.2.2)
где I>вф>,А – установившееся значение тока в цепи возбуждения при форсировке;
I>вф> = К>ф>I>вг> +I>R>>4>, (7.2.3)
где I>ВГ>,A – ток возбуждения генератора при форсировке:
I>ВГ>=К>Ф>· I>вг>=1,22·4,68=5,709,
где I>R>>4>,А – ток в разрядном сопротивлении R4, определяемый соотношением
I>R>>4>=К>ф>U>вр>/R4=247,52/335=0,732, (7.2.4)
Таким образом ток в цепи возбуждения при форсировке, A:
I>вф>=5,709+0,732=6,44,
Сопротивление резистора: Ом
,
Уточненное значение R>1> определяют по формулам:
(7.2.5)
Где:
, (7.2.6)
, (7.2.7)
Таблица 7.2.1 – опредиление сопротивления R1
|
R1 |
Kф’ |
Iя max |
|
30,19 |
1,22 |
178 |
|
40 |
1,067 |
163 |
|
44 |
1,015 |
160 |
|
45,3 |
0,999 |
158 |
, (7.2.8)
Учитываем то, что К ‘>ф >не должно быть больше единицы, поэтому R1=45,3 Ом (выбираем из условия при К ‘>ф>=1). В этом случае форсировка будет реализована посредством постоянно включенного сопротивления R1, а сопротивление R2 будет отсутствовать.
Сопротивление резистора R3 находят из условия получения половинной скорости вращения двигателя:
, (7.2.9)
где I>вг0,5> – ток возбуждения генератора, обеспечивающий половинную скорость вращения, А. I>вг0,5>=1,98
.
Заключение
Целью данного курсового проекта было закрепление и углубление теоретических знаний по электромагнитным и электромеханическим свойствам машин постоянного тока, а также изучение физических явлений в системе генератор-двигатель (Г-Д) при переходных режимах, овладение аналитическим методом расчета переходных процессов (п.п.) в нелинейной электромеханической системе электропривода (ЭП) и исследование влияния параметров системы на характер переходных процессов.
Управление по системе «генератор – двигатель» выгодно отличается тем, что оно не требует применения силовых контакторов, реостатов и т. п. Поскольку управление двигателем осуществляется путем регулирования сравнительно небольших токов возбуждения, оно легко поддается автоматизации. Независимое возбуждение генератора обеспечивает широкое, плавное и экономичное изменение напряжения на зажимах якоря двигателя.
Недостатками данной системы являются низкое к.п.д., большая установленная мощность из-за наличия трех машин.
Список источников информации
1. Чиликин М.Г. и др. Основы автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1974. –567 с.
2. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. –М.: Энергоатомиздат, 1985. –560 с.
3. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. –М.: Наука. Гл. ред. физ.мат. лит., 1981. –720 с.
4. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. –М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. –722 с.
5. Попович М.Г., Борисюк М.Г., Гаврилюк В.А. та ін. Теорія електропривода. –К.: Вища шк.. 1993. –494 с., іл.
6. Методические указания по выполнению курсового проекта по курсу «Теория автоматизированного электропривода» для студентов специальностей 7.092203 (7.092206, 7.090803) /Сост. Клепиков В.Б., Горохов А.Г., Шамардина В.Н., Касторный П.М. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2003. - с.