Анализ асинхронных электродвигательных устройств индивидуальных приводов системы рабочих механизмов 3-го класса по каталожным данным и выбор технических средств и мероприятий для их нормальной работы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ асинхронных электродвигательных устройств индивидуальных приводов системы рабочих механизмов 3-го класса по каталожным данным и выбор технических средств и мероприятий для их нормальной работы

Цели работы - определение параметров заданного электродвигательного устройства (ЭДУ) по каталожным данным. Построение его естественной механической характеристики и выбор технических средств и мероприятий для рационального использования ЭДУ при номинальной нагрузке.

Достичь поставленных целей легче, если решить последовательно следующие задачи:

· определить исполнение ЭДУ, его пригодность для заданной системы и схему соединения обмоток статора, если цеховая сеть имеет напряжение 220/380 В промышленной частоты f = 50 Гц, а помещение цеха относится к пыльным помещениям категории П-1;

· рассчитать параметры упрощенной Г-образной схемы замещения ЭДУ при номинальном режиме работы и построить его естественную механическую характеристику;

· выбрать тип и сечение питающего кабеля, если расстояние от распределительного пункта (РП) до рабочих механизмов не превышает 50 м, тип магнитного пускателя (ПМ) и устройства тепловой защиты и защиты от коротких замыканий в ЭДУ и силовых линиях питания (рис. 10.1);

· разработать при выявленной необходимости технические мероприятия по регулированию напряжения питающей сети и компенсации реактивной энергии, если за рациональное значение коэффициента мощности считать 0,92-0,95, и оценить экономическую эффективность принятых технических мероприятий, если в системе установлено 20 одинаковых рабочих электромеханизмов, например электронасосов; выполнить принципиальную электрическую схему электроснабжения, управления и защиты ЭДУ привода от коротких замыканий, длительной перегрузки и от минимального напряжения сети;

· результаты обобщить и сделать выводы о наиболее эффективном технико-экономическом использовании системы рабочих электро механизмов.

Исходные данные:

Данные ЭДУ:

Тип
А2-71-2	30	2900	90	0,9	7	1,1	2,2	0,0117

Схема индивидуального электропривода:

коэффициент загрузки ЭДУ при номинальном режиме K3=1;

потеря напряжения в кабельной линии не более 2,5 %;

число часов работы системы в рабочие сутки 24;

число рабочих суток в году 306.

Расчет

Двигатель имеет защищенное исполнение и выполнен в чугунном корпусе с лапами, а активное сопротивление фазы его статора при температуре 20 r1 = 0,0117 Ом.

Пригодность двигателя для заданной системы и схема соединения статора (номинальное напряжение двигателя 220/380 В, а электрическая частота 50 Гц). Так как двигатель А2-71-2 имеет защищенное исполнение, а система размещена в помещении категории П-1, то устанавливать внутри помещения этот двигатель не разрешается. Здесь требуется двигатель закрытого или продуваемого исполнения. Однако если электродвигатель установить за пределами помещения и предусмотреть хорошую изоляцию от пыли и влаги, то защищенное исполнение вполне устроит.

Напряжение цеховой сети и обмоток статора заданного двигателя совпадают, поэтому обмотки статора следует соединить по схеме «звезда», а их начала - с отдельными фазами РП.

Расчет параметров и построение Г-образной схемы замещения.

Скорость вращения ротора, частота ЭДС и тока в роторе при номинальной нагрузке:

число пар полюсов р =2•2-1=1;

скорость вращения магнитного поля статора

скорость вращения ротора двигателя

частота колебаний ЭДС и тока в роторной обмотке

f2н = Sн f1 = 0,0335 •50 = 1,68 Гц.

Номинальные вращающие электромагнитный момент и момент

на валу двигателя (воспользуемся универсальными зависимостями механических потерь от нагрузки):

номинальный вращающий момент на валу двигателя



Из рисунка для двигателя А2-71-2 имеем

номинальные механические потери двигателя

Рм.н =Рн = 0,004 •30000 = 120 Вт;

номинальный вращающий момент электромагнитного происхождения

силовой кабель асинхронный двигатель

Вращающий электромагнитный момент ЭДУ Мн по величине больше вращающего момента на валу за счет механических потерь энергии внутри электрического двигателя.

Пусковой и максимальный (критический) вращающие моменты ЭДУ.

Пусковой момент

Мпуск = Мн =1,2 •99,25= 119,1 Н • м

Максимальный, критический момент

Мmax = Мн = ?maxMн = 2,2•99,25=218,35 Н • м.

Полное активное и реактивное входные сопротивления эквивалентной схемы замещения ЭДУ. Полное входное сопротивление схемы замещения определяется отношением фазного напряжения U1ф к фазному току I1н в отмотке статора ЭДУ.

Фазный номинальный ток статора

полное входное сопротивление (модуль) ЭДУ при номинальной нагрузке

активное входное сопротивление

rвх.н = zвх.н • сos?н = 3,92 • 0, 9 = 3,53 Ом;

реактивное входное сопротивление (модуль)

Комплексное выражение входного сопротивления составит:

Zвх.н = rвх.н + jxвх.н.

Если принять нулевой начальную фазу напряжения, т. е. =U1ф то комплекс действующего значения входного тока равен

Сопротивления элементов эквивалентной Г-образной схемы замещения при номинальном режиме работы ЭДУ

Активное сопротивление фазы обмотки статора при температуре нагрева 75°С следующее:

расчетное сопротивление при максимальном вращающем моменте

расчетное сопротивление при номинальном моменте

реактивное сопротивление

приведенное активное сопротивление ротора

приведенный ток в ветви ротора при номинальном режиме ЭДУ (модуль) и комплекс действующего значения равны соответственно:

комплекс действующего значения тока в ветви намагничивания при номинальном режиме (по 1-му закону Кирхгофа)

а его модуль

А

активная мощность ЭДУ в номинальном режиме и режиме холостого хода для одной фазы

реактивная мощность одной фазы ЭДУ в режиме холостого хода

ВАр;

полная мощность фазы ЭДУ в режиме холостого хода

BA;

ток холостого хода из формулы полной мощности

коэффициент мощности ЭДУ при его холостом ходе

полное сопротивление контура намагничивания ЭДУ при холостом ходе

то же, но при номинальном режиме

активное сопротивление контура намагничивания

реактивное сопротивление контура намагничивания Г-образной схемы замещения ЭДУ

Активная мощность потребления энергии ЭДУ и мощность потерь энергии в нем при номинальной нагрузке Мн.

Активная мощность потребления энергии ЭДУ при его номинальной нагрузке составляет

Номинальная величина электромагнитной мощности, создаваемая ЭДУ в рабочем зазоре

Мощность электрических потерь в роторе при номинальной нагрузке

?P2э.н = Pэ.м.н • Sн = 30832,9 • 0,0335 = 1032,9 Вт .

Мощность потерь энергии в обмотке и железе статора ЭДУ с учетом потерь рассеяния в рабочем воздушном море

?P1э.н = P1н - Pэ.м.н = 33333,33- 30832,9 = 2500,43 Вт .

Диаграмма мощностей преобразования энергии в ЭДУ при номинальной нагрузке Мн представлена на рисунке. Из нее видно, что наибольшее количество энергии теряется в статоре двигателя, а сравнительно незначительное количество электроэнергии расходуется на покрытие потерь в подшипниковых опорах и потерь на трение о воздух.

Расчет и построение естественной механической характеристики ЭДУ

В качестве исходного соотношения для расчета естественной механической характеристики примем зависимость вращающего момента ЭДУ в функции его скольжения.

Механическую характеристику вида ?(M) получим, если воспользуемся выражением S=(?0-?)•?-1

Проверку правильности расчета и построения механической характеристики ЭДУ произведем по координатам точек отдельных режимов работы двигательного устройства.

Первая точка: М=0; ?=?0=314 с-1 - режим холостого хода.

Вторая точка: М =Мн = 99,25 Н•м; ?=?н=303,48 с-1 - номинальный режим работы ЭДУ.

Третья точка: М = Мн = Мmax = 218,35 Н•м;

?=?к= с-1; S = Sк - критический режим работы.

Четвертая точка: М = Мпуск = 119,1 Н • м > 113,2 Н ·м; ?0= 0.

Из последней точки следует, что каталожные данные Мпуск = 119,1 Н·м более чем в 1,96 раз превышают расчетные, а расчетный пусковой момент меньше номинального в 1,65 раза. Такое несоответствие можно объяснить использованием упрощенной схемы замещения и приближенного выражения для момента на валу ЭДУ при расчете зависимостей ?(М ) и S(M).

С другой стороны, можно утверждать, что выражение достаточно описывает рабочую часть механической характеристики двигательного устройства в естественных условиях.

Из рисунка также следует, что жесткость естественной механической 29,8 Н м/с. Пунктирной кривой показана характеристика по каталожным данным.

Выбор типа и сечения питающего силового кабеля

Для помещений категории П-1 должны применять защищенные виды электропроводок, изоляция которых выдерживает напряжение на менее 0,5 кВ. Допускается прокладывать бронированные кабели или провода и кабели в трубах. В качестве переносных могут использоваться гибкие провода и кабели типа КРПС или КРПТ. Расстояние от РП до магнитного пускателя ПМ составляет 45 м. Кабель проложен открыто в канале.

Выбираем трехжильный алюминиевый кабель с резиновой изоляцией типа АСРБГ или АВРБГ (прил. 2). Реактивным сопротивлением жил кабеля пренебрегаем.

Рабочий ток двигателя

Допустимый ток жилы кабеля Iдоп должен быть больше рабочего тока Iр

По таблице длительно допустимых нагрузок в А (см. прил. 2) имеем:

Iдоп = 65,0 А > Ip = 60,92 A для сечения жилы 16 мм2 - АСРБГ3?16. Проверка сечения жил кабеля по потере напряжения при номинальной нагрузке.

Сопротивление одной жилы

Где - удельная проводимость материала - для алюминия 32 м/мм2 Ом;

потери напряжения на фазу

потери линейного напряжения

Потери напряжения допускаются не более 2,5 %, следовательно, кабель выбран правильно. В противном случае сечение жил кабеля увеличивают.

Мощность и коэффициент мощности в начале линии.

Потеря мощности в кабеле при номинальной нагрузке

Мощность в начале кабельной линии (на клеммах РП)

Действующее значение напряжения в начале линии (на клеммах РП) должно быть не менее

Коэффициент мощности в начале питающей кабельной линии

Выбор магнитного пускателя и средства защиты ЭДУ от длительной перегрузки, минимального напряжения и токов короткого замыкания.

По таблице магнитных пускателей (прил. 7) с учетом номинального режима работы двигателя (Pн = 30 кВт, U = 380 B, Iн=Iр= 60 А ) выбираем нереверсивный пускатель типа П-422 в защищенном исполнении на номинальный допустимый ток 90 А. Защиту от минимального напряжения в этом пускателе выполняет катушка, которая рассчитана на напряжение срабатывания Uср ? 0,75Uн.

По таблице нагревательных элементов (прил. 8) с учетом параметров выбранного магнитного пускателя П-422 имеем для номинального рабочего тока электродвигателя Iн=60 A и пускателя 4-й величины номер нагревательного элемента 48, который защищает ЭДУ от длительных перегрузок со стороны рабочей машины. Эти перегрузки представлены электрическим током в обмотке статора; при выбранном элементе находятся в пределах 50-55 А.

Выбор плавких предохранителей ( установлены в РП) для защиты ЭДУ от токов короткого замыкания.

Максимальный ток в жиле кабеля в момент пуска двигателя

Imax=k1·Ip = 5,5·60,92=335,05 А

Условие, при котором плавкая вставка предохранителя с током Iвст за время пуска двигателя не расплавляется,

Iвст > 0,4Imax

Номинальный ток плавкой вставки выбираем (прил. 3) с учетом условия расплавления вставки:

0,4· Imax=0,4·335,05=134,02 А;

Iвст =150 А.

Проверка условий соответствия электрозащиты от коротких замыканий по коэффициенту соответствия K = 0,33

˜

Следовательно, допустимый ток кабеля

и условие соответствия защиты от коротких замыканий выполняется.

Технические мероприятия по поддержанию потерь напряжения питающих кабельных линиях, не превышающих 2,5 %.

При потере линейного напряжения менее 2,5 % разрабатывать специальные технические мероприятия не требуется. При большей потере напряжения требуется регулировать напряжение на распределительном пункте или на трансформаторной подстанции так, чтобы оно было в допустимых пределах. Этого можно достичь если не увеличением сечения жил кабельной линии, то переключением обмоток трансформаторов, питающей цеховой или заводской трансформационной понизительной станции или установкой специальных стабилизаторов напряжения.

Определение реактивной мощности и разработка технических мероприятий по компенсации сдвига фаз между электрической нагрузкой и напряжением

Воспользуемся номинальной нагрузкой электромеханизма Случай, близкий к реальному т. е. при коэффициенте спроса Kc = 0,7 и коэффициенте мощности cos?=0,8 для механизмов 3-го класса.

Полная мощность потребления электрической энергии из сети

Реактивная мощность потребления энергии из сети индуктивного характера

Для полной компенсации сдвига фаз между электрическим током Iн и напряжением при номинальной нагрузке необходимо предусмотреть в районе РП установку конденсаторов (или синхронных компенсаторов) на мощность QL1 =16,68 кВАр, а в случае 2 - 25.82 кВАр. Включение конденсаторов осуществим по схеме «звезда».

Ток в фазе цепи конденсаторной установки при и при



Емкость конденсаторов в фазной ветви

Принципиальная электрическая схема электромеханизма с асинхронным ЭДУ типа А2-71-2 с компенсатором сдвига фаз представлена на рисунке, где А, В, С - фазы шин РП; QF1 - автоматический выключатель компенсатора; СВ - трехфазный конденсатор типа КМ-0,23-18-3 ( прил. 5); предохранители плавкие типа КП-200; W1 - кабель длиной 45 м. АСРБГ3?16; SВ1, SВ2 - выключатели кнопочные соответственно «Стоп», «Пуск»; КМ - контактор магнитного пускателя П-422; КК1, КК2 - тепловые реле магнитного пускателя; М - двигатель; РМ - рабочая машина.



Годовой экономический эффект от установки компенсатора, если электромеханизмы будут работать при номинальной нагрузке и нагрузке, близкой к реальной (случай 2), по 24 ч в рабочие сутки.

Число рабочих часов в году, например при 306 рабочих днях

А = 24·306 = 7344 ч.

Среднее действующее значение тока в линии:

до установки компенсатора (случай 1)

после установки компенсатора, когда cos? = 1,

Уменьшение потерь активной мощности в линиях системы и экономия электроэнергии в системе.

Примечание. Потеря активной мощности в линиях и сетях определяется по формуле

где 1,1 - коэффициент, учитывающий сопротивление переходных контактов, скрутку жил и способ прокладки линий; n - число фаз в кабельной линии;

I - действующее значение тока в линии, А; - удельное сопротивление материала жилы и кабеля: 0,0312 мм· Ом/м; L - длина кабельной линии от РП до двигателя, м.

Тогда уменьшение потерь мощности в линиях одной установки

а экономия электрической энергии за рабочий год системой из 20 рабочих электромеханизмов 3-го класса

Годовой экономический эффект, если стоимость 1 кВт-ч с = 0,9 р. кВт-ч, составит

Обобщение

Надежная работа электрических двигателей зависит не только от правильного выбора мощности, но и от выбора их конструктивного исполнения, которое диктуется требованиями техники безопасности и противопожарной техники, а также зависит от правильной схемы подключения ЭДУ к питающей сети. Если электрический двигатель типа А2-71-2 в условиях заданной сети подключить по схеме «треугольник», то он непременно выйдет из строя, так как на его фазах вместо рассчитанного номинального напряжения 220 В будет действовать 380 В.

Характер и количественные показатели работы электродвигателя при номинальном режиме рабочего механизма видны из результатов расчета параметров Г-образной схемы замещения ЭДУ. При частоте тока в статоре 50 Гц частота ЭДС и тока в обмотке работающего ротора составляет всего 1,68 Гц. Номинальный вращающий момент на валу незначительно отличается от электромагнитного (всего на 0,4 %), поэтому сравнительно просто построена естественная механическая характеристика, которая показала несоответствие пусковых расчетных данных каталожным и позволила предложить технику пуска такого двигателя с нагрузкой не более 60 % от номинальной. Коэффициент мощности асинхронного ЭДУ при холостом ходе очень мал (0,11), но реактивная мощность значительна и достигает более 3 кВАр. Потери активной мощности в двигателе в большей мере наблюдаются в статоре (более 2 кВт), значительно меньшие потери (около 0,98 кВт) - в обмотке ротора, потери мощности в механической части незначительны и составляют величину менее 120 Вт.

Надежная работа установки определяется правильным выбором кабеля, магнитного пускателя и предохранителей, тип которых в полной мере зависит от расчетных параметров ЭДУ. Даже на длине кабеля 45 м наблюдаются потери напряжения (более 7 В) и мощности (более 0,7 кВт). Экономичная работа системы 20 электромеханизмов достигается полной номинальной загрузкой каждого ЭДУ. Но даже при этом установка работает не совсем эффективно, ее коэффициент мощности меньше единицы - 0,89. И только решение установить компенсатор реактивной энергии емкостного характера позволил достичь предельной эффективности при номинальной нагрузке и сэкономить за год на системе в целом более 27 МВт-ч энергии. Больший эффект от установки компенсаторов получается в случае, близком к реальному.

Экономия энергии в этом случае достигает более 52 МВт-ч, а годовой экономический эффект в денежном выражении - суммы более 62130 р.

Выводы

1. Электродвигательное устройство в приводе при технической эксплуатации должно быть загружено номинально и иметь коэффициент мощности по величине не ниже 0,92…0,95, если желать экономичного использования электрической энергии.

2. Надежная работа ЭДУ будет в том случае, если его конструктивное исполнение выбрано верно, а схема соединения обмотки статора выполнена с учетом напряжения заданной сети.

3. Правильный выбор питающего кабеля, а также средств управления и защиты ЭДУ от длительной перегрузки и токов короткого замыкания позволяет иметь надежную, безопасную и долговечную систему электроприводов, которая обеспечит требуемую производительность.

4. Установка компенсатора реактивной энергии в систему электроснабжения асинхронных электроприводов рабочих машин и механизмов экономит электроэнергию за счет уменьшения потерь мощности в кабельных линиях и повышает производительность электромеханизмов за счет уменьшения падений напряжения между источником и потребителем электроэнергии, что равносильно повышению величины напряжения на зажимах обмотки статора и, как следствие, квадратичному увеличению вращающего момента ЭДУ.

5. Анализ асинхронных двигателей по их каталожным данным позволил комплексно на основании параметров Г-образной схемы замещения изучить механические характеристики, процесс преобразования энергии, выбрать сечение жил кабеля электроснабжения, средств управления и защиты от длительных перегрузок и токов короткого замыкания, а так же предложить технические и организационные мероприятия по более эффективной эксплуатации таких электродвигательных устройств в системе рабочих механизмов 3-го класса.

Размещено на Allbest.ur