Курсовая работа: Расчет пуска двигателя постоянного тока

Оглавление

• Введение
• 1. Исходные данные
• 2. Приведение моментов к валу двигателя
• 3. Расчет основных параметров двигателя и построение естественной механической характеристики
• 4. Построение пусковой диаграммы двигателя
• 5. Расчет переходных процессов при пуске двигателя
• 6. Расчет характеристики при ослаблении магнитного потока
• 7. Расчет режима динамического торможения
• 8. Проверка двигателя по нагреву
• 9. Составление силовой электрической схемы пуска двигателя
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Двигатели постоянного тока обладают большой глубиной регулирования частоты вращения и сохраняют во всём диапазоне регулирования высокий коэффициент полезного действия. Несмотря на то, что при традиционной конструкции они в 2 - 3 раза дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором их применяют во всех тех случаях, когда их свойства имеют решающее значение. Двигатели постоянного тока широко используются в электрической тяге, например, на магистральных электровозах, в качестве рабочих двигателей на тепловозах, в метрополитенах, на трамваях, троллейбусах и т.д.

Курсовая работа включает в себя расчет основных параметров двигателя на основе паспортных данных, построение естественной механической характеристики, приведение моментов к валу двигателя, построение пусковой диаграммы двигателя, расчет переходных процессов при пуске двигателя, расчет характеристики при ослаблении магнитного потока, проверка двигателя по нагреву, составление силовой электрической схемы пуска двигателя.

1. Исходные данные

Дан двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, имеющий следующие параметры:

Таблица 1 - Паспортные данные двигателя

Таблица 2 - Параметры нагрузки и кинематической схемы

В работе требуется:

- осуществить приведение элементов кинематической цепи к валу двигателя, рассчитать приведенный момент инерции;

- определить основные параметры двигателя;

- построить пусковую диаграмму двигателя;

- рассчитать величину сопротивления пускового реостата и его ступеней;

- произвести расчет переходного процесса при пуске двигателя, построить кривые изменения момента и частоты вращения, определить время разгона двигателя;

- построить механическую характеристику для повышенной скорости и определить величину реостата в цепи возбуждения;

- определить величину сопротивления тормозного реостата для режима динамического торможения;

- построить характеристику динамического торможения;

- произвести расчет переходного процесса при торможении двигателя;

- составить силовую электрическую схему пуска двигателя и описать ее работу.

2. Приведение моментов к валу двигателя

Кинематическая схема привода представлена на рисунке 1. Здесь J_д - момент инерции двигателя и шестерни 1, J₁ - момент инерции шестерен 2 и 3, J₂ - момент инерции шестерни 4 и механизма.

Рисунок 1 Кинетическая схема привода

На рисунке 2 представлена кривая намагничивания машины в относительных единицах.

Рисунок 2 - Кривая намагничивания двигателя

Приведение момента сопротивления механизма М_см к валу двигателя осуществляют на основании энергетического баланса системы:

(1)

где i₁, i₂ - передаточные отношения;

з₁, з₂ - КПД зубчатых передач.

Приведенный момент инерции системы определяет интенсивность разгона, торможения и реверса двигателя и определяется по формуле:

(2)

где J₁ - момент инерции первого звена;

J₂ - момент инерции второго звена и рабочей машины;

J_д - момент инерции двигателя.

3. Расчет основных параметров двигателя и построение естественной механической характеристики

Мощность, потребляемая двигателем из сети при работе в номинальном режиме:

(3)

P₁= 50/0,87 кВт

Номинальный ток двигателя:

(4)

Номинальный ток якоря:

(5)

где R_в - сопротивление обмотки возбуждения.

Сопротивление якорной цепи, включающее сопротивление дополнительных полюсов, компенсационной обмотки и щеток, находится из условия, что потери мощности в якорной цепи составляют половину общих потерь в двигателе:

(6)

Противо-ЭДС якоря при номинальной частоте вращения:

(7)

Номинальный момент на валу двигателя (мощность Р_н в кВт):

(8)

Частота вращения в режиме идеального холостого хода:

(9)

Коэффициент магнитного потока С_мФ [В·мин/об]:

(10)

Здесь С_м - конструктивный коэффициент момента.

Коэффициент С_м связывает меду собой момент и ток двигателя:

(11)

Важной характеристикой двигателя является электромеханическая (она же скоростная характеристика) n = f():

, (12)

Подставив значение тока из предыдущего уравнения, получим выражение механической характеристики двигателя n = f(М):

(13)

где R_яц - общее сопротивление якорной цепи, включающее сопротивления дополнительно включенных в цепь пусковых или регулировочных реостатов.

Пусковой ток двигателя устанавливаем из условия, что он в 2,5 раза превышает номинальный ток (предельно-допустимое значение для двигателя постоянного тока):

I_я.пуск = 2,5 I_ян , (14)

I_я.пуск = 2,5*279,355=698,388А

Сопротивление пускового реостата:

(15)

4. Построение пусковой диаграммы двигателя

Максимальное значение момента при пуске ограничивается требованиями безыскровой коммутации и принимается равным М₁, а минимальное значение момента (момент переключения ступеней пускового реостата) определяется величиной статической нагрузки двигателя и принимается равным М₂:

М₁= (1,52,5)М_н,

М₂= (1,11,3)М_н.

Принимаем следующие значения:

М₁= 2,2М_н

М₂= 1,2М_н

Построение начинается с пусковой характеристики (прямая е), которая проводится через точку и точку n₀ номинального режима (М_н, n_н). Затем строится характеристика K через точку n₀ и (М₁, 0).

Дальнейшие построения характеристик указаны стрелками (рисунок 3). Критерием правильности расчетов и построений является совпадение точки с естественной характеристикой.

Рисунок 3 - Механические характеристики двигателя

Для расчета сопротивлений секций пускового реостата необходимо измерить отрезки ab, bc, cd, ad. Сопротивления секций определяются соотношениями:

R₁= R_п (ab/ad); R₂= R_п (bс/ad); R₃= R_п (cd/ad) (16)

R₁= 0,238·3260 = 0,127 Ом;

R₂= 0,238·1860 = 0,071 Ом;

R₃= 0,238·1060 = 0,04 Ом.

Проверка: сумма сопротивлений всех секций должна быть равна R_п:

R_п= R₁+R₂+R₃ = 0,127+0,071+0,04 = 0,238 Ом.

5. Расчет переходных процессов при пуске двигателя

Значение электромеханической постоянной времени двигателя на естественной (Т_м) и на реостатных характеристиках (Т_м1, Т_м2, Т_м3) при номинальном потоке определяется сопротивлением якорной цепи:

(17)

(18)

(19)

(20)

Переходные процессы скорости вращения и момента двигателя рассчитываются по следующим формулам:

, (21)

, (22)

где М_нач = М₁ и М_кон = М_н - начальное и конечное значения момента;

n_нач и n_кон - начальное и конечное значение скорости на пусковой ступени.

На первой ступени n_нач=0. Так как двигатель разгоняется при номинальном моменте сопротивления, координаты точек М_кон и n_кон находятся на ординате М_н. Конечное значение скорости на одной из ступеней соответствует начальному значению скорости на последующей ступени. Время разгона на i-й реостатной характеристике:

(23)

Эти периоды времени следует разбить на 4-5 отрезков и для каждого рассчитать соответствующие значения скоростей и моментов.

Для естественной характеристики время разгона следует принять равным t_Е = 4Т_м - при этом переходный процесс заканчивается на 98%.

Находим установившуюся частоту вращения на каждой ступени:

, (24)

Расчет первой реостатной характеристики:

При t = 0

.

При t = 1/3t₁ = 1/3·0,524 = 0,175 с;

;

.

При t = 2/3t₁ = 2/3·0,524 = 0,349 с;

;

.

При t = t₁ = 0,524 с;

;

.

Расчет второй реостатной характеристики:

При t = 0

Таблица 3 - Изменение скорости вращения и момента двигателя на первой реостатной характеристике

.

При t = 1/3t₂ = 1/3·0,292 = 0,097 с;

;

.

При t = 2/3t₂ = 2/3·0,292 = 0,194 с;

;

.

При t = t₂ = 0,292 с;

;

.

Таблица 4 - Изменение скорости вращения и момента двигателя на второй реостатной характеристике

Расчет третьей реостатной характеристики:

При t = 0

.

При t = 1/3t₃ = 1/3·0,162 = 0,054 с;

;

.

При t = 2/3t₃ = 2/3·0,162 = 0,108 с;

;

.

При t = t₃ = 0,162 с;

;

.

Таблица 5 - Изменение скорости вращения и момента двигателя на третьей реостатной характеристике

Расчет естественной реостатной характеристики:

При t = 0

.

При t = t_э == 0,196 с;

;

.

При t = 2t_э = 2·0,196 = 0,392 с;

;

.

При t =4t_э = 4·0,196 = 0,784 с;

;

.

Таблица 6 - Изменение скорости вращения и момента двигателя на естественной реостатной характеристике

На основе полученных данных строим графики зависимости тока и частоты от времени разгона

Рисунок 4 - Кривые переходных процессов n(t) и M(t)

Время разгона двигателя до номинальной скорости вращения:

t_p = t₁ + t₂+ t₃ + t_э (25)

t_p = 0,524 + 0,292 + 0,162 + 0,196 = 1,174 с

6. Расчет характеристики при ослаблении магнитного потока

Регулирование скорости двигателя изменением тока возбуждения является наиболее простым и экономичным способом, т.к. мощность, потребляемая обмоткой возбуждения составляет 2…4% от мощности двигателя. При таком регулировании возможно только увеличение скорости двигателя, т.к. машина работает в режиме насыщения и магнитный поток двигателя невозможно увеличить. Ослабление магнитного потока двигателя осуществляется, в частности, введением регулировочного реостата R_в в цепь возбуждения. В результате, согласно формуле:

(26)

возрастает скорость идеального холостого хода n₀.

Расчет ведется для одного значения магнитного потока, при котором получается повышенная скорость двигателя n_max.

Относительный магнитный поток при ослаблении поля: