Исследование асинхронного трехфазного двигателя

Исследование асинхронного трехфазного двигателя

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Курсовая работа

Дисциплина: «Основы электропривода технологических установок»

На тему: «Исследование асинхронного трехфазного двигателя»

Выполнил:

Ахтямов А.

Иркутск 2014

Содержание

Введение

. Составление технического паспорта электродвигателя

. Расчет основных электротехнических параметров электродвигателя 5АМХ112МВ

. Построение механических характеристик двигателя и машины

. Оценка условий пуска и перегрузочной способности электродвигателя при напряжении 0,8 от номинального

. Построение кривых нагревания и охлаждения электродвигателя

. Выбор преобразователя или станции управления

. Электрическая схема включения электродвигателя

. Расчет и выбор аппаратов управления и защиты

. Расчет и выбор провода или кабеля для силовой цепи

Список литературы

Введение

Современное машинное устройство или, как его называют иначе, производственный агрегат состоит из большого числа разнообразных деталей, отдельных машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенного производственного процесса.

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Для привода технологических установок на предприятиях железнодорожного транспорта используют в основном асинхронный двигатель. Электропривод с асинхронным двигателем обладает простой конструкцией, высокой надежностью и сравнительно не большой стоимостью.

Асинхронный электродвигатель, электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля, ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.

Основные конструктивные элементы асинхронных двигателей: статор - неподвижная часть и ротор - вращающаяся часть. В соответствии со способом выполнения роторной обмотки асинхронного мотора делятся на двигатели с контактными кольцами и короткозамкнутые. Воздушный зазор между статором и ротором у асинхронного электромотора делается по возможности малым (до 0,25 мм). Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя зависит от частоты вращения магнитного поля статора и определяется частотой питающего тока и числом пар полюсов двигателя.

электродвигатель машина нагревание кабель

Рисунок 1 - Схема асинхронного двигателя

1. Составление технического паспорта электродвигателя

Технический паспорт двигателя является базовым документом при проектировании, монтаже, эксплуатации и ремонте электроприводов технологических установок. На рисунке 1.1 приведен технический паспорт короткозамкнутого трехфазного асинхронного электродвигателя общепромышленного назначения, который выбран из каталога Владимирского электромоторного завода для изучения условных обозначений, вносимых в технический паспорт, получения навыков по расшифровке и расчёту основных электромеханических параметров по паспортным данным.

В приведенном паспорте трехфазного асинхронного двигателя указаны следующие данные:

1) - товарный знак завода-изготовителя (Владимирский завод);

2) 5АМХ112МВ6 - тип двигателя;

3) №00000022- заводской номер;

4) 3~50Hz - число фаз, род тока, частота питающей сети, Гц;

5) 4 - номинальная (паспортная, механическая) мощность, кВт;

) cosj= 0.81 - номинальный коэффициент мощности (cosj), отн. ед.;

7) 955 об/мин - частота вращения ротора при номинальной нагрузке;

8) D/Y 220/380 V -схемы включения и номинальное напряжение, В;

9) 15,8/9,2 - номинальный ток, А;

10) 82 - номинальный КПД, %;

11) 47 кг - масса двигателя, кг;

12) 09.2010 г - год изготовления;

13) IP 54 - исполнение двигателя;

14) ГОСТ Р5 1689, ГОСТ, в соответствии с которым изготовлен и электродвигатель;

15) S1 - режим работы;

16) F - класс нагревостойкости изоляции.

Расшифровка структурного обозначения двигателя 5АМХ112МВ6 представлена на рисунке 1.2.

АМХ112МВ6

Асинхронный двигатель серии 4АМ ;

С алюминиевой станиной;

Высота оси вращения;

Средняя длинна корпуса;

Большая длинна сердечника

Число полюсов.

. Расчет основных электротехнических параметров электродвигателя 5АМХ112МВ6

Для выбора аппаратуры управления и защиты электроизмерительных приборов необходимо определить по паспортным данным основные электротехнические параметры: номинальную мощность, активную мощность, полную мощность, реактивную мощность, номинальный ток при работе электродвигателя по схеме «Y», пусковой ток, число пар полюсов на фазу, частоту вращения магнитного поля статора, номинальную частоту вращения ротора, номинальное скольжение.

,

где,- номинальное напряжение. В;

- номинальный ток, А;

- номинальный коэффициент мощности, отн. ед;

- номинальный КПД, отн. ед.

Определяем активную мощность электродвигателя.

Ра - активная мощность, кВт, расходуется на преобразование электрической энергии в механическую и на покрытие электрических и механических потерь

,

S - полная (кажущаяся) мощность, кВА (киловольт-амперы), расходуется на преобразование электрической энергии в механическую, на покрытие потерь и создание магнитного поля

Определяем реактивную мощность электродвигателя.

Q - реактивная мощность, кВАр (киловольт-амперы реактивные), расходуется на создание магнитного поля. Пользуясь треугольником мощностей, реактивную мощность можно рассчитать по формулам

В техническом паспорте двигателя приводятся значения номинальных токов, потребляемых им при работе по схемам «D» и «Y». При отсутствии этих параметров их можно рассчитать по следующим формулам

,

Значения пускового тока асинхронного электродвигателя в 5…7 раз больше тока номинального, т.е.

,

В буквенно-цифровом обозначении типов электродвигателей указывается число пар полюсов, приходящихся на одну фазу обмотки статора данного двигателя 5АМХ112МВ6 по условию: 2р = 6.

По этому параметру можно рассчитать частоту вращения магнитного поля статора (синхронную частоту вращения)

где, f - частота сети, Гц,

р - число пар полюсов на фазу.

Поскольку число полюсов должно быть целым, то скорость вращения магнитного поля статора при частоте 50 Гц будет иметь значения, представленные в таблице 1.

Таблица №1. Скорость вращения магнитного поля статора от пар полюсов

В техническом паспорте приводится номинальная частота вращения ротора nн (асинхронная частота вращения).

Зная асинхронную и синхронную частоты вращения SH, можно рассчитать величину номинального скольжения для данного электродвигателя

.

. Построение механической характеристики двигателя и машины

Для определения статической устойчивости электродвигателя и машины необходимо иметь механическую характеристику электродвигателя.

Расчет и построение механической характеристики осуществляется исходя из паспортных данных двигателя.

По паспортным данным определяем номинальный момент электродвигателя:Н×м.

По типу электродвигателя в справочнике или каталоге можно найти кратности максимального и пускового  моментов, после чего произвести расчет максимального (критического) момента

Мк = mк×Мн,

Мк = 2,6× 40=104 Н×м,

пускового момента

Мп = mп×Мн

Мп = 2,3× 40=92 Н×м.

При расчетах механической характеристики электродвигателя используют его паспортные и каталожные данные. На практике часто применяют упрощенный расчет, основанный на определении четырех характерных точек механической характеристики электродвигателя.

Из технического паспорта выписывают следующие данные:

тип электродвигателя,

номинальную мощность Рн,

номинальную частоту вращения ротора.

Согласно типу электродвигателя, из справочника или каталога выписываем следующие данные:

кратность максимального момента ;

кратность пускового момента.

Для построения механической характеристики электродвигателя необходимо определить четыре характерные точки.

. Точка идеального холостого хода

М = 0Нм;n = n0=1000;s = 0;

;

при частоте f = 50 Гц:

Следовательно, по типу электродвигателя, в котором указывается количество полюсов на фазу 2р, можно определить частоту вращения магнитного поля статора n0.

. Точка номинального режима работы электродвигателя

М = 40Н·м;nн =955 об/мин;s = sн=4,5%;,

где, Рн - номинальная мощность, Вт;

nн - номинальная частота вращения ротора, об/мин;

.

. Точка критического (максимального) режима работы электродвигателя

М = Мк; n = nк;s = sк; Мк =104Нм;

;

.

где, sk - номинальная мощность, Вт;

nк - номинальная частота вращения ротора, об/мин;

. Точка пускового режима работы двигателя

М = 92 Нм;n = 0;s = 1;Мп = 2,3×40=92 Нм.

С помощью программы Ms Excel и «Mathcad» построим механическую характеристику электродвигателя M=f(s) (M=f(n)).

Под устойчивостью работы электродвигателя понимают способность двигателя восстанавливать установившуюся частоту вращения при кратковременных возмущениях (изменениях нагрузки, напряжения питающей сети и пр.).

Рисунок 2 - Расчет механической характеристики электродвигателя в программе «MathCad»

Для определения устойчивости необходимо на графике механической характеристики двигателя  построить механическую характеристику рабочего механизма . В курсовой работе в качестве рабочего механизма предлагается вентилятор.

Произведем расчет и построение механической характеристики вентилятора, приводом которого является электродвигатель 5АМХ112МВ6.

Данный электродвигатель по мощности (4 кВт) подходит для вентилятора ВР 12-26 №2,5, который имеет следующие параметры необходимые для расчета:

номинальная частота вращения рабочего колеса =477,5 об/мин;

номинальный момент рабочей машины = 54 Н∙м;

коэффициент полезного действия передачи = 0,91.

Так как номинальная частота вращения вала ротора электродвигателя и номинальная частота вала рабочей машины значительно различаются (955 и 3000 об/мин), следовательно присутствует редуктор.

Передаточное отношение редуктора равно

Моменты сопротивления механизма  и  должны быть приведены к частоте вращения вала ротора электродвигателя соответственно по соотношению

Приведенный момент сопротивления рабочей машины или механизма, запишется

Произведем построение механической характеристики вентилятора по шести точкам:

) s = 0; Мс = Мс.п.пр = 29,6Н∙м;

) s = 0,25, Мс.пр=5,9+(29,6 - 5,9) ∙ (1-0,25)2=19,2Н∙м;

) s = 0,5; Мс.пр=11,8Н∙м;

4) s = 0,75; Мс.пр=7,4 Н∙м;

) s = 1; Мс.пр=5,9 Н∙м.

Вывод: Асинхронный двигатель 5АМХ112МВ6 с вентилятором ВР 12 - 26 № 2,5 запустится.

. Оценка условий пуска и перегрузочной способности электродвигателя при напряжении 0,8 от номинального

Проведем перерасчет вращающихся моментов электродвигателя для значений пониженного напряжения. Номинальный момент равен:

Критический момент

Пусковой момент

Построим механическую характеристику асинхронного электродвигателя 5АМХ112МВ6 при пониженном напряжении 0,8 от номинального с учетом пересчитанных вращательных моментов. Совместим новую механическую характеристику со старой и с механической характеристикой вентилятора ВР 12 - 26 № 2,5 .

Вывод: Асинхронный электродвигатель 5АМХ112МВ6 с вентилятором ВР 12 - 26 № 2,5 при снижении напряжения до значения 0,8 от номинального запустится.

. Построение кривых нагревания и охлаждения электродвигателя

В паспорте электродвигателя указана масса электродвигателя - 47 кг. Исходя из массы выбираем следующие тепловые параметры:

теплоемкость двигателя С =14,3 Дж/град;

теплоотдача двигателя при нагреве (при вращении)

теплоотдача двигателя при охлаждении (в неподвижном состоянии) .;

В случае нагревания и охлаждения электродвигателя от температуры окружающей среды уравнения нагрева и охлаждения электропривода соответственно имеют следующий упрощенный вид

где  - превышение температуры, ;

 - постоянные времени нагрева и охлаждения двигателя, с.

В первую очередь определим количество теплоты, выделяемое двигателем в единицу времени (мощность потерь в двигателе) по формуле

Далее определим установившееся значение превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды в процессе нагрева двигателя

Аналогичным образом определим начальное значение превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды в процессе охлаждения двигателя

Определим постоянную нагрева двигателя

Определим постоянную охлаждения двигателя

6. Выбор преобразователя или станции управления

Современный частотно-регулируемый электропривод состоит из асинхронного электрического двигателя и преобразователя частоты.

Рисунок 3 - Частотно-регулируемый электропривод

В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление, из которых наиболее эффективным является векторное управление.

На сегодняшний день в России работают десятки тысяч преобразователей с фирменным знаком «Веспер», области применения которых постоянно расширяются. Данные преобразователи имеют существенные преимущества над другими в плане управления, энергопотребления и других факторов.

Выбираем преобразователь частоты типа Е3-8100, применение которого наиболее целесообразно для электродвигателя с номинальной мощностью

Для выбора модели преобразователя из паспорта двигателя необходимо выбрать номинальную мощность и номинальный ток электродвигателя (наибольшее значение)

При выборе необходимо соблюсти неравенство

Для преобразователя типа Е3-8100 выбираем модель Е3-8100-007H и проверяем необходимые условия

Вывод: преобразователь Е3-8100-007H удовлетворяет всем условиям.

. Электрическая схема включения электродвигателя

В практике управления электроприводами машин и механизмов, установок, агрегатов и поточных линий с применением асинхронных электродвигателей известно большое количество схем автоматизации пуска, остановки, реверсирования, регулирования скорости вращения и т.д.

На рисунке 4, приведена принципиальная схема прямого пуска и остановки асинхронного электродвигателя с короткозамкнуты ротором при помощи нереверсивного магнитного пускателя.

Двигатель включается линейным контактором КМ, главные контакты которого находятся в силовой цепи электродвигателя. При нажатии кнопки SB1 катушка контактора КМ получает питание, контактор срабатывает и замыкает контакты в силовой цепи, одновременно замыкается блокировочный контакт, шунтирующий кнопку SВI. Поэтому при отпускании кнопки SB1 двигатель не отключается. Кнопкой SB2 разрывается цепь питания катушки КМ и двигатель останавливается. В случае перегрузки электродвигателя разомкнутся контакты тепловых реле КК. Электродвигатель будет отключен, если напряжение в сети (а, следовательно, и на катушке КМ) снизится до значения менее 0,85 Uн. От коротких замыканий двигатель защищен предохранителями FU.

Рисунок 4 - Схема включения электродвигателя в сеть

Дадим описание назначение каждого элемента в схеме:

Автоматический выключатель ВА-12-15 (QF) - служит для автоматического отключения цепи постоянного и переменного тока при перегрузках, коротких замыканиях и других нарушениях режима работы цепи.

Плавкий предохранитель СН-15 (FU) - используется для коммутации электрических цепей, защиты электрооборудования и электрических сетей от сверхтоков, т.е. токов перегрузки, пиковых токов, токов короткого замыкания.

Кнопочный пост ПКЕ 112-2 (Пуск) - предназначен для коммутации электрических цепей.

Магнитный пускатель ПМ12П-010(КМ1) - предназначен, главным образом, для дистанционного управления трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, а именно для пуска непосредственным подключением к сети и остановки (отключения) электродвигателя (нереверсивный пускатель).

Тепловое реле ТРН-40 (Р) - это электрическое устройство, основным назначением которого является защита двигателя от избыточной нагрузки и, как следствие, перегрузки системы в целом.

Преобразователь частоты Е3-8100-007Н - применяют для плавного регулирования скорости асинхронного <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0> электродвигателя <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C> за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты.

Асинхронный трехфазный короткозамкнутый электродвигатель 5АМХ112МВ6 - предназначен для применения в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве для привода станков, насосов, компрессоров, вентиляторов т.д.

Краткое описание работы схемы

Включаем питание QF - автоматическим выключателем, нажимаем кнопку «Пуск» своим нормально разомкнутым контактом подает напряжение на катушку КМ1 - магнитного пускателя. КМ1 - магнитный пускатель срабатывает и своими нормально разомкнутыми, силовыми контактами подает напряжение на двигатель. Для того чтобы не удерживать кнопку «Пуск», чтобы двигатель работал, нужно ее зашунтировать, нормально разомкнутым блок контактом КМ1 - магнитного пускателя. При срабатывании пускателя блок контакт замыкается и можно отпустить кнопку «Пуск» ток побежит через блок контакт на КМ1 - катушку.

Отключаем двигатель, нажимаем кнопу «стоп», нормально замкнутый контакт размыкается и прекращается подача напряжение к КМ1 - катушке, сердечник пускателя под действием пружин возвращается в исходное положение, соответственно контакты возвращаются в нормальное состояние, отключая двигатель.

При срабатывании теплового реле - «Р», размыкается нормально замкнутый контакт «Р», отключение происходит аналогично.

. Расчет и выбор аппаратов управления и защиты

Аппараты управления, предназначены для пуска, реверсирования, торможения, регулирования скорости вращения, напряжения, тока электрических машин, станков, механизмов или для пуска и регулирования параметров других потребителей электроэнергии в системах электроснабжения. Основная функция этих аппаратов - это управление электроприводами и другими потребителями электрической энергии. Особенности: частое включение, отключение до 3600 раз в час, т.е. 1 раз в секунду.

К ним относятся электрические аппараты ручного управления - пакетные выключатели и переключатели, рубильники, универсальные переключатели, контролеры и командокотролеры, реостаты и др., и электрические аппараты дистанционного управления - электромагнитные реле, пускатели, контакторы и т.д.

Магнитный пускатель - это комплексный коммутационный аппарат, предназначенный для пуска, отключения, реверса и защиты электродвигателей от перегрузки, исчезновения или значительного уменьшения питающего напряжения. Его единственное отличие от контактора - наличие устройства защиты (обычно теплового реле) от тепловых перегрузок.

Выбор магнитных пускателей осуществляют исходя, главным образом, из мощности подключаемого электродвигателя.

Для двигателя 5АМХ112МВ6, мощностью 4 кВт по каталожным данным подходит магнитный пускатель типа ПМ12П-010, который имеет следующие параметры: мощность управляемого двигателя - 5,5 кВт; номинальный ток - 10А; , напряжение главной цепи - до 660 В.

Аппараты защиты, используются для коммутации электрических цепей, защиты электрооборудования и электрических сетей от сверхтоков, т. е. токов перегрузки, пиковых токов, токов короткого замыкания. К ним относятся плавкие предохранители, тепловые и токовые реле, автоматические выключатели и др.

Остановимся на терминах, относящихся к плавким предохранителям, и на выборе тока плавкой вставки для защиты электродвигателей и линий.

Номинальным током предохранителя называют ток, равный наибольшему номинальному току плавкой вставки, которая может быть установлена на данном предохранителе. Значение его указывается на щитке предохранителя.

Номинальный ток плавкой вставки - это тот ток, который вставка выдерживает неограниченно долго, не плавясь; значение его также указано на вставке.

Предельно отключаемым током или разрывной мощностью называется соответственно максимальный ток или мощность короткого замыкания, которые способен разорвать (отключить) предохранитель.

При выборе тока плавкой вставки предохранителя, применяемого для защиты асинхронного короткозамкнутого двигателя, необходимо учитывать, что пусковой ток может в 7 - 8 раз превышать номинальный ток двигателя. Если номинальный ток плавкой вставки выбрать равным номинальному току двигателя, то при пуске двигателя вставка сгорит от перегрузки пусковыми токами за доли секунды. Ток плавкой вставки выбирают по выражению:

где  - кратность пускового тока;

- коэффициент при частых пусках с продолжительностью более 20 с;

Из справочника выбираем предохранители типа СН 16 с номинальными токами плавких вставок от 2 - 48 А.

Для защиты электродвигателей от длительной перегрузки и связанного с этим недопустимого перегрева служат тепловые реле.

Двигателю мощностью 4 кВт соответствует тепловое реле ТРН-10.

Для теплового реле ТРН-10 номинальный ток составляет 10А. Так как номинальный ток реле равен номинальному току электродвигателя, то регулировка реле по току не требуется.

Убеждаются, что реле допускает пуск данного двигателя. Для этого находят отношение пускового тока к току установки

По защитным характеристикам реле находим, что при кратности тока 4,8 минимальное время срабатывания реле с учетом возможного разброса их характеристик составляет из холодного состояния 15 с, из горячего - 2 с. Время пуска двигателя 0,5 с.Следовательно, пуск двигателя возможен из холодного и горячего состояний.

Автоматические выключатели (автоматы) служат для автоматического отключения цепей постоянного и переменного тока при перегрузках, коротких замыканиях и других нарушениях режима работы цепи.

Номинальный ток автоматического выключателя с тепловым расцепителем выбирается по длительному расчетному току защищаемой линии

т.р. ³ Iн ,

т.р. ³ 9,1 А.

а регулируемого расцепителя:

т.р. ³ 1,25 × Iн

т.р. ³ 1,25 × 9,1=11,4 А.

При выборе комбинированных автоматических выключателей для защиты электродвигателей от перегрузки и коротких замыканий установка теплового расцепителя должна быть не менее:

т.р. ³ 1,25 × Iн

т.р. ³ 1,25 × 9,1=11,4.

а электромагнитного расцепителя:

эл.р. ³ 1,25 × Кi × Iн

эл.р. ³ 1,25 × 5,5 × 9,1=62,5 А.

где Кi - кратность пускового тока электродвигателя.

Предварительно выбираем автоматический выключатель типа ВА12- 15 с номинальным током теплового расцепителя на 15 А. По каталогу проверяем выбранный автомат по току срабатывания электромагнитного расцепителя. Для автоматического выключатель типа ВА12-15 ток срабатывания электромагнитного расцепителя равен:ср.эл.р = 65 А .

Проверка:

Iср.эл.р > I.эл.р

А > 62,5А

Автомат удовлетворяет условиям пуска.

Основными преимуществами автоматических выключателей являются:

исключение неполнофазных режимов при срабатывании;

возможность дистанционного управления и дополнения специальными приставками, расширяющими диапазон защитных функций.

. Расчет и выбор провода или кабеля для силовой цепи

Сечение проводов и кабелей для внутренних проводок напряжением до 1000 В определяют, исходя из двух условий:

) по условию нагревания длительным расчетным током

где - расчетный ток, определяется как

) по соответствию сечения провода предохранителям

где  - коэффициент защиты, при защите проводников с резиновой и пластмассовой изоляцией во взрыво и пожароопасных, торговых и т.п. помещениях плавкими предохранителями и автоматическими выключателями ;

По справочнику выбираем провода или кабели с сечением токопроводящей медной жилы 1,4 мм2 при токе . При отсутствии

проводов или кабелей с медными жилами их можно заменить проводами или кабелями с сечением токопроводящей алюминиевой жилы 1,4 мм2 при токе . По справочнику выбираем провода с медными жилами, с полихлорвиниловой изоляцией

Список литературы

1. Худоногов А.М., Смирнов В.П., Худоногов И.А. Асинхронный электропривод технологических установок железнодорожного транспорта: Учебное пособие. - Иркутск: ИрИИТ, 2015. - 94 с.

. Кацман М.М. Электрические машины. Учеб для студентов сред. проф. учебных заведений. - 3-е изд., испр. - М.: Высш. шк.; Издательский центр «Академия»; 2001. - 463 с.

. Е.Ю. Дульский, П.Ю. Иванов, Н.Н. Гарев. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Основы электропривода технологических установок» для студентов всех форм обучения. - Иркутск : ИрГУПС, 2015. - 35 с.