Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» (ОмГУПС (ОмИИТ))

Расчетно - пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Электрические машины»

Расчет трансформатора и электрических машин

Студентка группы 23 А

А.Г. Иванова

(подпись студента)

Руководитель -доцент кафедры «ЭМ и ОЭ»

Д.А. Ахунов

Омск 2016



Реферат

УДК 621.313.33 (075.8)

Курсовая работа содержит 27 страницы, 9 рисунков, 9 таблиц,3источника.

Трехфазный трансформатор, асинхронный двигатель в системах электропривода, двигатель постоянного тока.

Объектом исследования является трехфазный трансформатор, асинхронный двигатель в системах электропривода, двигатель постоянного тока. трансформатор асинхронный двигатель ток

Цель работы - рассчитать параметры и характеристики трехфазного трансформатора, асинхронного двигателя и двигателя постоянного тока.

Методы исследования - аналитические и графические.

Даны предварительные характеристики трехфазного трансформатора, асинхронного двигателя, двигателя постоянного тока. Произведен выбор асинхронного двигателя. Построены механические характеристики асинхронного двигателя и двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. Рассчитаны основные характеристики и параметры заданных объектов.



Введение

Электрическая машина - это электромеханический преобразователь энергии, основанный на явлениях электромагнитной индукции и силы Ампера, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле.

Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно-связанные обмотки и предназначенное для преобразования на основе явления электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока той же частоты.

Асинхронным двигателем (АД) называется ротор, который отстает от вращающегося магнитного поля машины. АД широко используются в промышленности благодаря простоте их конструкции, надежности в эксплуатации и сравнительно низкой себестоимости. Эти двигатели разделяются на АД с короткозамкнутым ротором и АД с фазным ротором.

Электрические машины постоянного тока (МПТ) могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т.е. обладают свойством обратимости. В режиме генератора они преобразуют механическую энергию, подводимую к их валу от внешнего двигателя, в электрическую энергию постоянного напряжения, а в режиме двигателя осуществляют обратное преобразование: электрическую энергию постоянного тока преобразуют в механическую энергию, снимаемую с их вала.



1. Расчет трехфазного трансформатора

- номинальной мощностью S=1600 кВ•А;

- высшим линейным напряжением U_В.Н.=35,0 кВ;

- низшим линейным напряжением U_Н.Н.=0,23 кВ;

- напряжением короткого замыкания u_к=6,5 %;

- током холостого хода i₀=1,4 %;

- сопротивление короткого замыкания r_к=9,03 Ом;

- коэффициент полезного действия =98,2 %.

Соединение: ?/?.

1.1 Схема трансформатора.

Рисунок 1.1 - Схема трехфазного трансформатора

1.2 Определить номинальные токи в обмотках трансформатора

Первичная обмотка

кВ

А

А



Вторичная обмотка

А

кВ

А

1.3 Рассчитать мощность потерь холостого хода

А

Ом

Вт

1.4 Найти мощность потерь короткого замыкания

Мощность потери на одну фазу равна

Вт

Мощность потери всего трансформатора равна

Вт

Построить графики семейства внешней характеристики трансформатора при значениях коэффициента мощности нагрузки (при и ). При каждом значении напряжение на зажимах вторичной обмотки определить для значений .

,

.

,

, :

,

,

:

,

:

,

, и т.д. для всех .

Таблица 1.1 - Внешняя характеристика трансформатора для различных значений коэффициента нагрузки в

в	U2 , В
0	241
0,25	237
0,5	234
0,75	230
1,0	226

, :

,

,

:

,

,

:

,

, и т.д. для всех .

Таблица 1.2 - Внешняя характеристика трансформатора для различных значений коэффициента нагрузки в

в	U2 , В
0	241
0,25	244
0,5	247
0,75	250
1,0	253

, :

,

,

:

,

,

:

,

, и т.д. для всех .

Таблица 1.3 - Внешняя характеристика трансформатора для различных значений коэффициента нагрузки в

в	U2 , В
0	241
0,25	238
0,5	235
0,75	232
1,0	229

, :

,

,

:

,

,

:

,

, и т.д. для всех .



Таблица 1.4 - Внешняя характеристика трансформатора для различных значений коэффициента нагрузки в

в	U2 , В
0	241
0,25	243
0,5	245
0,75	246
1,0	248

По данным таблиц построим график зависимости внешней характеристики трансформатора от различных значений коэффициента нагрузки (рисунок 1.2)

Рисунок 1.2 - Графики семейства внешней характеристики трансформатора



2. Расчет асинхронного двигателя в системе электропривода

По заданной нагрузочной диаграмме электропривода определить эквивалентную мощность и выбрать асинхронный двигатель с фазным ротором. Произвести проверку заданного двигателя на нагрев по методу средних потерь, а также проверку на перегрузочную способность при снижении напряжения в сети. Произвести расчет теплового режима выбранного двигателя по заданной нагрузочной диаграмме.

Определить сопротивление добавочного резистора, который необходимо включить в цепь ротора выбранного двигателя для снижения частоты вращения на заданную величину при номинальном моменте сопротивления. Построить естественную и реостатную механические характеристики выбранного двигателя.

Рассчитать сопротивления секций пускового реостата и потери электрической энергии при реостатном и прямом пуске.

Параметры мощности на ступенях нагрузки, синхронная частота вращения АД, требуемое снижение частоты вращения ротора в процентах от номинальной, длительность ступеней приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры нагрузки двигателя по интервалам времени

Ступень нагрузки	Мощность на ступенях нагрузки P, кВт	Длительность ступеней нагрузки, мин	Синхронная частота вращения двигателя, n1об/мин	Снижение частоты вращения Дn, %
1	7	10	750	5,5
2	13	12
3	9	15
4	18	6
5	0	7

Предполагается, что в период паузы, в пятом интервале времени двигатель работает в режиме холостого хода без отключения от сети.



2.1 Построение нагрузочной диаграммы

Нагрузочная диаграмма асинхронного двигателя строится для одного цикла работы по данным таблицы. Циклом работы называется отрезок времени, в течение которого характер нагрузки не меняется. В цикл входят не только время работы, но и время паузы. Описанная диаграмма приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Нагрузочная диаграмма асинхронного двигателя

2.2 Расчет эквивалентной мощности и выбор АД.

Рассчитаем эквивалентную мощность двигателя по формуле:

	(2.1)

По найденной эквивалентной мощности подберем необходимый двигатель при условии.

По каталогу выбираем двигатель 4АНК180М8УЗ, имеющий следующие параметры:

- синхронная частота вращения 750об/мин;

- номинальная мощность P_H=14 кВт;

- номинальное скольжение S_H=4,5%;

- КПД в номинальном режиме з=86,5 %;

- кратность максимального моментаK_M=3,5;

- рабочее напряжение ротора U_p=310 В;

- рабочий ток ротора I_p=28A;

- постоянная времени нагрева T_H=25 мин;

- суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя J_q=26 кг·м².

Характеристика двигателя 4АНК180М8УЗ: двигатель серии 4А с фазным ротором; исполнение АД по способу защиты- IP23 (защищен от проникновения внутрь оболочки предметов длиной до 80 мм и твердых тел размером свыше 12 мм, от дождя); станина и щиты- стальные или чугунные; высота оси вращения - 180 мм; установочный размер по длине станины- средний; длина сердечника- выпускается только одна длина; число полюсов АД- 8; климатическое исполнение УЗ (возможность эксплуатации электрической машины в зоне умеренного климата, в закрытых помещениях).



2.3 Проверка выбранного двигателя по нагреву

Рассчитаем потери мощности в номинальном режиме:

	(2.2)

Также рассчитаем соотношения:

	(2.3)

где - потери в меди обмоток, кВт.

	(2.4)

где - потери х.х. (постоянные потери), кВт.

Потери в обмотках являются переменными, они пропорциональны квадрату тока или квадрату коэффициента нагрузки. Исходя из этого можно найти потери для каждой ступени графика нагрузок, кВт:

	(2.5)



где - мощность i-ой ступени нагрузки;

- коэффициент нагрузки i-ой ступени,

Коэффициент нагрузки для каждой ступени рассчитаем согласно формуле (2.6):

	(2.6)

Теперь, с помощью полученных данных произведем расчет потерь мощности для каждой ступени графика нагрузок

Тогда средние потери за цикл составляют:

	(2.7)



Проверка выбранного двигателя по нагреву заключается в проверке условия:

(2.8)

Средние потери за цикл меньше допустимых потерь в номинальном режиме, двигатель перегреваться не будет.

2.4 Проверка выбранного двигателя на перегрузку при снижении напряжения

Проверка сводится к проверке условия, что максимальный момент двигателя при снижении напряжения будет не меньше момента сопротивления на валу, следовательно должно выполнятся условие:

	(2.9)

где - максимальная мощность по нагрузочной диаграмме, кВт;

- заданное снижение напряжения, равное 10%;

- кратность максимального момента.

Произведем расчет заданного выражения:

Следовательно, двигатель будет работоспособен при снижении напряжения в питающей сети на 10%.

Таким образом, выбранный двигатель удовлетворяет всем поставленным условиям.

2.5 Расчет теплового состояния АД

Найдем установившееся превышение температуры в номинальном режиме:

	(3)

где - потери на i-ой ступени нагрузки, рассчитанные по формуле (2.5);

- допустимое превышение температуры, в данном случае

На основе полученных данных, рассчитаем реальное превышение температуры:



	(3.1)

где - начальное превышение температуры машины;

- установившееся превышение температуры;

- постоянная времени нагревания.

Учтем, что начальное превышение температуры для каждой ступени, включая паузу, следует принимать конечное превышение, рассчитанное в конце предыдущей ступени. Вначале расчета

Расчет для первого интервала первого цикла

Остальные расчеты для первого, второго, третьего и четвертого циклов рассчитываем аналогично, данные занесем в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты расчета реального превышения температуры

Номер цикла	Номер ступени	Реальное превышение температуры, °С
1	1	13,5
	2	36,1
	3	42,1
	4	57,4
	5	50,22
2	1	47,18
	2	56,94
	3	53,58
	4	66,45
	5	69,76
3	1	60,28
	2	65,05
	3	58,03
	4	69,95
	5	59,7
4	1	53,54
	2	60,88
	3	55,75
	4	68,16
	5	58,35

Как видно, превышение температуры после третьего цикла остается практически неизменным, т.е. тепловой режим двигателя достиг установившегося состояния. Кривая нагрева показана на рисунке 2.2, где так же нанесена обобщенная кривая нагрева, рассчитанная по средним потерям.

	(3.2)

По формуле (3.3) рассчитаем обобщенную кривую нагревания:

	(3.3)

Расчет будем производить до . Расчет для момента приведен ниже, остальные расчеты проводим аналогично и занесем в таблицу 4.

Таблица 4 - Результаты расчета усредненной кривой нагрева

Номер цикла	Номер интервала	Реальное превышение температуры, С
1	1	21,56
	2	38,27
	3	50,51
	4	53,69
	5	56,55
2	1	59,47
	2	61,73
	3	63,39
	4	63,82
	5	64,2
3	1	64,6
	2	64,9
	3	65,13
	4	65,19
	5	65,24
4	1	65,29
	2	65,33
	3	65,36
	4	65,37
	5	65,38

Построим кривую нагрева двигателя, рассчитанную по нагрузочной диаграмме и усредненную кривую нагрева по результатам расчета средних потерь.

Рисунок 2.2 - Диаграмма потерь и кривая нагрева



2.6 Расчет механических характеристик

Механическими характеристиками АД называют зависимости M=f(s) и n=f(M).

Для получения характеристики M=f(s) воспользуемся упрощенной формулой Клосса, но сначала произведем расчет составляющих формулы. Критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту:

	(3.4)

где - номинальное скольжение по каталогу, о.е.;

- кратность максимального момента.

Номинальная частота вращения:

	(3.5)

где - синхронная частота вращения, об/мин;

- номинальное скольжение по каталогу, о.е.

Номинальный момент на валу двигателя:

	(3.6)



Рассчитаем сопротивление ротора АД при работе на естественной характеристике:

	(3.7)

где , - напряжение и ток ротора по каталогу;

Частота вращения ротора при работе АД на реостатной характеристике может быть найдена при номинальной нагрузке и заданном Дn по формуле:

	(3.8)

а соответствующее ей скольжение рассчитаем по формуле (3.9):

	(3.9)

Добавочное сопротивление, которое необходимо включить в цепь ротора для достижения заданного снижения частоты вращения, находим на основании соотношения (4):



	(4)

Критическое скольжение на реостатной характеристике:

	(4.1)

Заметим, что введение добавочного сопротивления в цепь ротора приводит к увеличению критического скольжения, максимальный момент при этом не изменяется. Иными словами, механическая характеристика n=f(M) смещается вниз, а M=f(s) - вправо. Тем самым при постоянном моменте сопротивления частота вращения несколько снижается. Следовательно, должно соблюдаться соотношение:

	(4.2)

Заданное условие выполняется, значит расчет произведен правильно.

На основе расчетов по формулам (3.4), (3.6) рассчитаем характеристику M=f(s) по упрощенной формуле Клосса:



	(4.3)

где s - текущее значение скольжения.

Данная характеристика является естественной, для получения реостатной характеристики в формуле (4.3) заменим на .

Результаты расчета занесем в таблицу 5.

Таблица 5 - Механические характеристики выбранного АД

Исследуемые параметры машины	Скольжение s
	0	sн = 0,045	0,05	0,1	sк = 0,308	0.5	Sр.к=0,66	0,7	0,9	1	1,2
Частота вращения ротора n, об/мин	750	716	713	675	519	375	255	225	75	0	-150
Моменты М, Нм: естественная характеристика	0	187	207	384	653	583	501	482	400	368	315
реостатная характеристика	0	88	97	191	497	627	653	653	625	603	555

Механическими характеристиками АД называют зависимости и , показанные на рисунках 2.3 и 2.4. В некоторых источниках зависимость называют также характеристикой электромагнитного момента.

Рисунок 2.3 - Механические характеристики M=f(s)

Рисунок 2.4 - Механические характеристики n=f(M)

2.7 Расчет резисторов пускового реостата

По заданию пуск двигателя производится при. Выбираем пиковый момент:



(4.4)

В этом случае при переключающий момент:

(4.5)

По найденным моментам построена пусковая диаграмма, представленная на рисунке 7.1, из которой получаем отношения отрезков:

Если принять, что отрезок пропорционален , то сопротивление секций пускового реостата может быть найдено по соотношениям:

(4.6)

(4.7)

Рисунок 2.5 - Пусковая диаграмма



2.8 Расчет электрических потерь при пуске двигателя

Для расчета электрических потерь необходимо предварительно определить скольжение при переходе с одной характеристики на другую. В соответствии с пусковой диаграммой первое переключение должно быть при частоте вращения 500 об/мин, второе 670об/мин, получим:

(4.8)

(4.9)

Угловая синхронная частота вращения:

(5)

Потери электрической энергии на первой реостатной характеристике:

на второй реостатной характеристике:

(5.2)

на естественной характеристике:

(5.3)



где - скольжение переключения,

- синхронная угловая частота вращения,

-момент инерции двигателя и рабочей машины, приведенный к валу двигателя

Суммарные электрические потери при реостатном пуске:

(5.4)

в практических единицах:

(5.5)

Для сравнения определим электрические потери в случае прямого пуска:

(5.6)

в практических единицах:

(5.7)

При прямом и реостатном пуске потери в роторной цепи, как это следует из их определения, остаются одинаковыми. Потери в статорной цепи при реостатном пуске значительно снижаются за счет уменьшения пускового тока.



3. Расчёт двигателя постоянного тока

Таблица 6 - Исходные данные

Вариант	Mн, Нм	nн, об/мин	Uн, В	Iн, А	rя,Ом	rв, Ом
71	9,55	1500	220	8,7	1,85	490

3.1 Начертить схему двигателя

Рисунок 3.1 - схема включения двигателя

3.2 Расчет коэффициента полезного действия

Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке:

Номинальная мощность двигателя может быть определена по значению номинального момента:



Мощность, потребляемая двигателем из сети:

Вычислить частоту вращения двигателя при увеличении сопротивления цепи возбуждения на 40% и статическом моменте сопротивления . Построить естественную и искусственную механические характеристики. Определить КПД двигателя в этом режиме.

Рассчитаем ток возбуждения при увеличении сопротивления в цепи возбуждения:

А

Номинальный ток возбуждения:

А

Отношение тока возбуждения:

Отношение магнитного потока возбуждения к номинальному найдем по графику из методички.

Номинальный ток якоря:

А



Рассчитаем значение тока якоря при номинальном моменте сопротивления и уменьшенном до 0,714 от номинального токе возбуждения:

(5.9)

А

Рассчитаем значение частоты вращения при уменьшенном до 0,714 от номинального тока возбуждения и 0,7 от номинального момента сопротивления:

об/мин

Ток холостого хода якоря не зависит от тока возбуждения и определяется только магнитными и механическими потерями, которые примем равными потерям в обмотке якоря в номинальном режиме:

А

Рассчитаем значение частоты вращения при уменьшенном до 0,714 от номинального токе возбуждения в режиме холостого хода:

об/мин

Рассчитаем значение частоты вращения при номинальном токе возбуждения в режиме холостого хода:



об/мин

Рассчитаем мощность, отдаваемую двигателем при 0,7 от номинального моменте сопротивления и уменьшенном до 0,9 от номинального токе возбуждения:

Вт

Потребляемый двигателем ток:

А

Вычислим потребляемую мощность:

Вт

КПД двигателя в этом режиме:

Механическая характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением - прямая, для ее построения достаточно пары точек на каждую характеристику. Значения рассчитаны ранее, графики приведены на рисунке 3.2.



Рисунок 3.2 - Механическая характеристика двигателя постоянного тока



Заключение

В ходе данной курсовой работы был произведен расчет задач на темы трехфазный трансформатор, асинхронный двигатель и двигатель постоянного тока.

В задаче с трехфазным трансформатором были определены номинальные токи в обмотках трансформатора, Был произведен расчет мощности потерь холостого хода и короткого замыкания. По полученным в ходе расчета данным были построены графики семейства внешней характеристики трансформатора при разных значениях коэффициента мощности нагрузки и коэффициента нагрузки.

В расчете асинхронного двигателя проведена его проверка по нагреву, на перегрузку. Исходя из полученных в ходе расчета данных, мы сделали вывод о том, что модель двигателя выбрана правильно. Далее были рассчитаны тепловые состояния АД, механические характеристики, резисторы пускового реостата, электрические потери при пуске двигателя.

В расчете двигателя постоянного тока параллельного возбуждения была начерчена схема двигателя, рассчитан коэффициент полезного действия двигателя при номинальной нагрузке, определена частота вращения двигателя при увеличении сопротивления цепи возбуждения на 40%. Было рассчитано КПД двигателя в этом режиме. Построены графики естественной и искусственной механических характеристик.

Расчёт данной курсовой работы способствовал закреплению материала по дисциплине «Электрические машины», появлению практических навыков его использования.



Библиографический список

1. Вольдек А. И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974.

2. В. В. Харламов, В. П. Беляев, Л. Е. Серкова, Е. И. Шельмук.Электрические машины: Методические указания к самостоятельным занятиям по дисциплине «Электрические машины» для студентов 3-го и 4-го курсов - Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 1999. 30 с.

3. В. Д. Авилов, В. П. Беляев , Е. Н. Савельева. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов дневной и заочной форм обучения по специальностям 150700 (190301) - “Локомотивы”, 150800 (190302) - “Вагоны”, 100700 (140104) - “Промышленная теплоэнергетика”. 3-е изд., доп. и испр. - Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. 44 с.

Размещено на Allbest.ru