Лабораторная работа: Построение и расчет статических характеристик электропривода системы генератор-двигатель системы Г-Д

Тема проекта:

«Построение и расчет статических характеристик электропривода системы генератор-двигатель системы Г-Д»

Содержание

1.  Исходные данные

2.  Описание работы электропривода системы генератор-двигатель

3.  Выбор генератора

4.  Расчет и построение статических характеристик электропривода

5.  Определение динамических параметров для электродвигателя

6.  Определение коэффициента форсировки

7.  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)

1.  Тип электродвигателя                                                           Д-32

2.  Номинальная мощность Р_ном                                           12 к Вт

3.  Номинальная скорость n_ном                                            770 об/мин.

4.  Номинальный ток I_ном                                                      65 А

5.  Суммарное сопротивление электродвигателя R_я.д.+R_дп.д.       0,28 Оm

6.  Число активных проводников W_я.д.                                558

7.  Число параллельных ветвей якоря 2а                                     2

8.  Число полюсов 2р                                                          4

9.  Момент инерции якоря J_д                                                        0,425 кг·м²

10.Коэффициент инерции привода К_j                                  1,6

11.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) w_дном и половинную, равную 0,5w_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:

1.  Тип генератора П71

2.  Номинальный ток генератора I_н.г. 69.5 А

3.  Число витков обмотки якоря W_я.г. 297

4.  Сопротивление якоря R_я.г. 0,224 Ом

5.  Число витков обмотки последовательного возбуждения W_О,В.г. 14

6.  Сопротивление ОПВ R_о.вз..г 0,0115 Ом

7.  Число витков обмотки возбуждения W_в.г. 950

8.  Сопротивление обмотки возбуждения R_в.г. 43 Ом

9.  Номинальное напряжение U_н.г. 230 В

10.Номинальная скорость n_н.г. 1450 об/мин

11.Число пар полюсов 2р 4

12.Число параллельных ветвей 2а 4

Таблица 3.1- Кривая намагничивания генератора

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;

w_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

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_яS 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 Ом×мм²/м (для меди r = 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:

1  Точка идеального холостого тока (М=0, I_я=0),

2  Точка, в которой М=М_С со скоростью вращения _Н.Д.

3  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:

1  Электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения генератора

                                                                                         (5.1)

2  Электромеханическая постоянная времени электропривода - Т_М

,                                                                              (5.2)

где J_Д – приведенный к валу двигателя эквивалентный момент инерции всей системы ЭП, кг×м²

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

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 K₁ 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 £ 10×U_г.н.                                                                              (7.1.1)

С учетом (2.32) для величины сопротивления R4 можно записать первое условие:

R4 £ 10×U_вн / I_вгн,                                                                             (7.1.2)

или:

R4 £ 10×R_вг.                                                                                     (7.1.3)

Во-вторых, максимальное значение тока якорной цепи при этом не должен превышать допустимого по условиям коммутации:

I_яmax £ 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:

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_R4,                                                                                (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_R4,А – ток в разрядном сопротивлении R4, определяемый соотношением

I_R4=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 R₁ определяют по формулам:

    (7.2.5)

Где: ,                                                                                  (7.2.6)

,                                                                             (7.2.7)

Таблица 7.2.1 – опредиление сопротивления R1

,                                                                (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.