Выполнение типового расчета является заключительным этапом изучения курса «Электрический привод» и предполагает применение полученных знаний к решению часто встречающихся практических задач по расчету параметров электропривода.

Задачей настоящих методических указаний является помощь студентам в выполнении и рекомендации по решению основных вопросов при самостоятельной работе с технической литературой.

1. Содержание типового расчета

- расчетно-пояснительная записка объемом 20-25 страниц формата А4 и графические приложения на А4.

В расчетно-пояснительной записке приводятся:

1. Титульный лист (приложение 8).

2. Задание на типовой расчет.

3. Введение.

4. Выбор мощности электродвигателя.

5. Расчет пусковых и тормозных резисторов.

6. Расчет переходного процесса пуска и торможения двигателя.

7. Описание работы схемы автоматического управления двигателем.

В графических приложениях представляются:

1. Естественные и искусственные механические характеристики для двигательного и тормозного режимов

2. Графический расчет пусковых и тормозных резисторов.

3. Графики переходных процессов пуска и торможения.

4. Принципиальная электрическая схема автоматического управления двигателем.

Оформление расчетно-пояснительной записки и схемы управления производится в соответствии с предъявляемыми ЕСКД [2]. Размерность величин, входящих в расчетные формулы, должны соответствовать системе СИ [2].

2. Указания по выполнению работы

   1. Выбор мощности электродвигателя

Надежная и экономическая работа электропривода возможна только при правильном выборе мощности электродвигателя. Мощность двигателя должна выбираться в строгом соответствии с режимом работы и нагрузки.

Установка электродвигателей завышенной мощности нецелесообразна. При этом неоправданно возрастают габариты двигателя, его вес и первоначальная стоимость, ухудшаются энергетические показатели – к.п.д., cos , увеличиваются непроизводительные потери энергии и удорожается эксплуатация установки. Снижение установленной мощности по сравнению с требуемой влечет за собой неизбежное превышение температуры отдельных частей электродвигателя и его обмоток сверх допустимой и быстрый выход его из строя.

Правильно выбранный электродвигатель при работе должен быть полностью загружен и в то же время не перегреваться сверх допустимых пределов. Кроме того, его перегрузочная способность и пусковой момент должны обеспечивать преодоление кратковременных перегрузок и требуемые условия пуска.

В связи с тем, что большинство электроприводов работают с переменной нагрузкой и в различных режимах (длительном, кратковременном или повторно-кратковременном), выбор мощности электродвигателя должен быть произведен в каждом отдельном случае с учетом конкретных условий его работы. При этом основой для выбора мощности электродвигателя служит нагрузочная диаграмма, рассчитываемая по технологическим параметрам работы механизма и представляющая собой зависимость момента на валу, мощности или тока двигателя от времени, т.е. .

В типовом расчете нагрузочная диаграмма двигателя задана (раздел 3).

В большинстве случае выбор мощности электродвигателя производится по нагреву. Затем двигатель проверяется по перегрузочной способности и условиям пуска.

Выбор мощности по нагреву следует начинать с определения режима работы по заданной нагрузочной диаграмме. После этого необходимо выбрать один из приемлемых методов расчета: средних потерь эквивалентного тока, момента или мощности [1, с.371-376].

Определение приемлемого метода выбора двигателя производится с учетом ограничений, накладываемых на каждый из методов [1, с.372-374, 376]. Расчет по методу средних потерь не учитывает максимальной температуры при переменном графике нагрузки. Однако он является достаточно точным и надежным для определения средней температуры двигателя за цикл. Следовательно, этим методом можно пользоваться, если расхождения действительного максимального превышения температуры и среднего незначительно.

Методом эквивалентного тока можно пользоваться почти во всех случаях при определении мощности двигателя, кроме тех, когда необходимо учитывать изменение «постоянных потерь» – потерь в стали и на трение в двигателе. Метод этот неприменим и для короткозамкнутых двигателей с глубокими пазами или с двойной беличьей клеткой, т.к. вторичное сопротивление их сильно изменяется в пусковых и тормозных режимах. Здесь следует применять методы, основанные на непосредственном определении потерь.

Методом эквивалентного момента нельзя пользоваться в случаях, указанных для метода эквивалентного тока. Кроме того, формула эквивалентного момента неприемлема для двигателей, у которых поток не остается постоянным (например, для двигателей последовательного возбуждения, пусковых и тормозных режимов, короткозамкнутого двигателя и т.п.).

Метод эквивалентной мощности, кроме тех же ограничений, имеет еще одно: он не может применяться для двигателей, у которых скорость в процессе работы значительно меняется, особенно в пусковых и тормозных режимах.

Все методы проверки двигателя по нагреву при переменной нагрузке представляют собой методы эквивалентных преобразований нагрузочной диаграммы к стандартной диаграмме для режима S1 – продолжительного режима при неизменной нагрузке.

После расчета переходного режима уточняют нагрузочную диаграмму с учетом ухудшения условий охлаждения самовентилируемых двигателей при пуске и торможении введя поправочные коэффициенты в расчетные выражения для средних потерь и эквивалентных величин [2, формулы 5-8 на 186]. В случае повторно-кратковременного режима работы поправочные коэффициенты вводятся в выражение для относительной продолжительности включения [1, с.385].

Выбор двигателя производится по каталогу [2, 3].

При расчете мощности двигателя для кратковременного и повторно-кратковременного режимов пользуются теми же методами, что и при длительном режиме работы, но двигатель выбирается по каталогу с учетом времени работы при кратковременном режиме и относительной продолжительности включения при повторно-кратковременном режиме. При этом следует иметь в виду, что если расчетная величина продолжительности включения повторно-кратковременного режима отличается от стандартной, то двигатель выбирается по ближайшему стандартному ее значению. На нее соответственно пересчитывается мощность двигателя [1 формулы 9.123 на с.385].

Проверка электродвигателей по перегрузочной способности во всех случаях производится в соответствии с изложенным в [1 с.379].

Для двигателя постоянного тока проверка ведется из условия, что

где I_max – максимальное значение тока из графика нагрузки;

К_д – допустимая перегрузочная способность двигателя.

Для асинхронного двигателя проверку по допустимой перегрузке производят, исходя из неравенства

Если окажется, что последние условия не выдерживаются, то необходимо выбирать двигатель большей мощности, руководствуясь уже не условиями нагревания, а перегрузочной способностью двигателя.

Далее производится проверка двигателей по условиям пуска: величина пускового момента сравнивается с величиной момента сопротивления (моментом нагрузки) при пуске. Двигатель проходит, когда .

Если выбранный двигатель по нагреву и перегрузочной способности не проходит по условиям пуска, то следует взять двигатель большей мощности.

Пример выбора мощности двигателя приведен в приложении 1.

2. Расчет пусковых резисторов графическим способом

В курсовой работе производится расчет пусковых и тормозных резисторов двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей с фазным ротором. Число ступеней резисторов выбирается в соответствии с таблицей 1. Пуск может быть нормальный или форсированный.

Для выполнения графического расчета резисторов вначале по каталожным данным двигателя рассчитывают и строят естественную скоростную или механическую характеристику и определяют его номинальное сопротивление. Затем строят искусственные характеристики, задаваясь токами или моментами переключения в зависимости от режима пуска на 10-20% большими токами или моментами.

Если при построении получится требуемое по заданию количество ступеней с одинаковыми пиковыми и переключающими моментами, то расчет можно считать законченным. В противном случае необходимо задаться другим значением переключающих моментов и проверить расчет.

Для двигателей постоянного тока параллельного возбуждения естественная характеристика строится в относительных единицах по двум точкам с координатами [ и ] и [ и ], где – относительный момент двигателя; – номинальный момент; – относительная скорость двигателя; – угловая скорость идеального холостого хода; – относительный перепад скорости при номинальном моменте; – относительное сопротивление двигателя; – номинальное сопротивление двигателя.

Сопротивление двигателя и его номинальное сопротивление вычисляется по выражениям [1, формула 3-13 с.53] и .

Для асинхронного двигателя с фазным ротором естественная характеристика строится по упрощенной формуле Клосса [1, формула 3-40, с.77] причем величина перегрузочной способности берется из каталога, а критический момент определяется из выражения:

,

где – номинальный момент двигателя, Н^.м;

– номинальная мощность, Вт;

– номинальная частота вращения, ;

– кратность максимального момента.

Примеры построения естественной механической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения асинхронного двигателя приведены в приложении 3. Методика графического расчета пусковых резисторов машины постоянного тока независимого возбуждения приведена в [1, с.55-57]; асинхронных двигателей [1, с.78-80].

Примеры расчетов приведены в приложениях 4 и 5.

3. Расчет переходного процесса пуска двигателя

Основными задачами расчета переходного процесса пуска двигателя является определение времени пуска и нахождение зависимости скорости, тока и момента от времени, т.е. .

Примеры расчета приведены в приложениях 6 и 7 для двигателей постоянного тока и асинхронного двигателя.

Приведенный момент инерции в расчетах следует принять равным , где = 1,5 – коэффициент, учитывающий момент инерции механизма; - момент инерции двигателя, кг^.м².

При расчете процесса пуска считать статическую нагрузку в соответствии с первым участком нагрузочной диаграммы.

Расчет тормозных значений нагрузку последней ступени нагрузочной диаграммы и соответствующую ей скорость на естественной характеристике двигателя.

На масштабной бумаге вычерчивают зависимости и , совмещая их с нагрузочной диаграммой, приведенной в задании.

По уточненной диаграмме момента или тока двигателя за время работы, пуска и торможения определяют эквивалентные величины или средние потери и делают окончательный вывод о пригодности выбранного двигателя для реализации нагрузочной диаграммы.

4. Разработка и описание схемы автоматического управления двигателем

При выполнении типового расчета разрабатывается разомкнутая схема автоматического управления двигателем в соответствии с заданием.

Принципы автоматического управления пуском и торможением электродвигателя изложены [1, с.394-421]. Типовые схемы и типовые узлы простейших схем управления электродвигателями и их описания приведены в [1, с.424-462; 2, с.193-221].