МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ по дисциплине ОП.03«Электротехника и электронная техника»

Министерство образования, науки и молодежи Республики Крым

 

Государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение Республики Крым

«Симферопольский политехнический колледж»

 

 

 

 

 

 

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

 

по дисциплине ОП.03«Электротехника и электронная техника»

Тема: «Расчет параметров и характеристик трехфазного асинхронного двигателя»

специальность: 19.02.03 Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий

 

 

 

РАССМОТРЕНЫ И ОДОБРЕНЫ

цикловой методической комиссии технических дисциплин

протокол №_1_от «31» августа 2020 г.

____________ __ И.И. Золотарев _

                 подпись                         ФИО председателя ЦМК

 

 

 

 

 

 

 

Симферополь 2020г.

Практическая работа

Тема: Расчет параметров и характеристик трехфазного асинхронного двигателя.

Количество часов: 2 часа

Цель работы: Ознакомится с основными понятия и терминами. Научиться рассчитывать основные показатели трехфазного асинхронного двигателя. Научиться рассчитывать привод трехфазного асинхронного двигателя.

Задание

1.     Ознакомиться с теоретическим материалом.

2.     Решить задачу: Трехфазный асинхронный двигатель с к.з. рото­ром типа АИР 120 М8, используемый в качестве электропривода насосного агрегата консольного типа марки ВК 12/50, предназ­наченного для перекачивания воды для технических нужд, него­рючих и нетоксичных жидкостей, имеет следующие номиналь­ные данные: мощность на валу Р_2н = 10 кВт; скольжение S_н = 0,06 (6,0%); синхронная частота вращения п_1н = 1200 об/мин; коэффициент полезного действия η_н = 0,5 (50,0%); коэффициент мощности обмотки статора cos φ_н = 0,93. Известны также: отношение пускового момента к номинальному М_п /М_н=2; отношение пускового тока к номинальному I_п/I_н=7; отношение максимального (критического) вращающего момента к номинальному М_max/M_н= 2,1. Питание двигателя осуществляется от промышленной сети пе­ременного тока 380/220 В, 50 Гц. Требуется определить:

1.           номинальную частоту вращения ротора двигателя;

2.          вращающий номинальный, критический и пусковой момен­ты двигателя;

3.          мощность, потребляемую двигателем из сети Р_1н;

4.          номинальный и пусковой токи;

3.           пусковой ток и вращающие моменты, если напряжение в сети снизилось по отношению к номинальному на 5, 10 и 15% (U_c = 0,95 U_н; U_c = 0,9U_K; U_c = 0,85 U_н).. Согласно порядковому номеру в журнале, выбрать из таблицы 1 данные для расчета задачи.

Таблица 1.

№ варианта	Типоразмер двигателя	Мощ­ность, кВт	При номинальной нагрузке
			Сколь­жение, %	кпд, %	cos φ
	Синхронная частота вращения 3000 об/мин
1	АИР71А2	0,75	6	78,5	0,83	2,1		2,2	1,6	6
2	АИР71В2	1,1	6,5	79	0,83	2,1		2,2	1,6	6
3	АИР80А2	1,5	5	81	0,85	2,1		2,2	1,6	7
4	АИР80В2	2,2	5	83	0,87	2		2,2	1,6	7
5	AHP90L2	3	5	84,5	0,88	2		2,2	1,6	7
6	AHP100S2	4	5	87	0,88	2		2,2	1,6	7,5
7	AHP100L2	5,5	5	88	0,89	2		2,2	1,6	7,5
8	АИР112М2 АИРХ112М2	7,5	3,5	87,5	0,88	2		2,2	1,6	7,5
9	АИР132М2 АИРХ132М2	11	3	88	0,9	1,6		2,2	1,2	7,5
10	AHP160S2 AHPX160S2	15	3	89	0,89	1,8		2,7	1,7	7
11	АИР160М2 АИРХ160М2	18,5	3	89,5	0,9	1,8		2,7	1,7	7
12	AHP180S2	22	2,7	89,5	0,88	1,7		2,7	1,6	7
13	АИР180М2	30	2,5	90,5	0,88	1,7		2,7	1,6	7,5
	Синхронная частота вращения 1500 об/мин
14	АИР71А4	0,55	9,5	70,5	0,7	2,3		2,2	1,8	5
15	АИР71В4	0,75	10	73	0,73	2,2		2,2	1,6	5
16	АИР80А4	1,1	7	75	0,81	2,2		2,2	1,6	5,5
17	АИР80В4	1,5	7	78	0,83	2,2		2,2	1,6	5,5
18	AHP90L4	2,2	7	81	0,83	2,1		2,2	1,6	6,5
19	AHP100S4	3	6	82	0,83	2		2,2	1,6	7
20	AHP100L4	4	6	85	0,84	2		2,1	1,6	7
21	АИР112М4 АИРХ112М4	5,5	4,5	87,5	0,88	2		2,2	1,6	7
22	AHP132S4 AHPX132S4	7,5	4	87,5	0,86	2		2,2	1,6	7,5
23	АИР132М4 АИРХ132М1	11	3,5	87,5	0,87	2		2,2	1,6	7,5
24	АИР112М4 АИРХ112М8	5,5	4,3	87,5	0,89	2,3		2,2	1,5	8
25	АИР112М4 АИРХ112М6	5,9	4,2	87,5	0,88	2,1		2,2	1,8	9
26	АИР112М4 АИРХ112М5	5,6	3,2	87,5	0,78	2,4		2,1	1,7	6
27	АИР112М4 АИРХ112М2	5,5	5	87,5	0,98	2,9		2,1	1,9	7

3. Построить механическую характеристику трехфазного асинхронного двигателя.

4. Составить отчет по работе.

Методические указания к выполнению

Теоретический материал

ЭП с трехфазным асинхронным двигателем (АД) является самым Массовым видом привода в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве. Такое положение определяется простотой изготов­ления и эксплуатации АД, меньшими по сравнению с ДПТ массой, габаритными размерами и стоимостью, а также высокой надежно­стью в работе.

В основную общепромышленную серию 4А входят АД с мощно­стью от 0,06 до 400 кВт и высотами осей вращения от 50 до 355 мм, которые выпускаются самых различных модификаций и конструк­тивных исполнений: с повышенными пусковым моментом и сколь­жением; с фазным ротором; встраиваемые; малошумные; со встро­енной температурной защитой; с электромагнитным тормозом; с подшипниками скольжения; химостойкие. АД различаются также по климатическому исполнению и категории размещения. Для ком­плектации ЭП большой мощности выпускаются АД серий АН-2 (мощностью до 2000 кВт), АВ (мощностью до 8000 кВт), ДАЗО (мощ­ностью до 1250 кВт) и ряд других.

Для ЭП крановых механизмов производятся специализирован­ные АД серий MTF (с фазным ротором) и MTKF (с короткозамкнутым ротором), а для рабочих машин и механизмов металлур­гического производства - АД серий МТН (с фазным ротором) и МТКН (с короткозамкнутым ротором). В составе этих серий вы пускаются и многоскоростные АД. Двигатели указанных серий отличаются повышенной механической прочностью, большими пусковыми моментами при сравнительно небольших пусковых токах, хорошими динамическими показателями.

Трехфазный АД имеет обмотку статора, подключаемую к трехфазной сети переменного тока с напряжением U₁, и частотой f₁, и обмотку ротора, которая может быть выполнена в двух вариантах. Первый вариант предусматривает выполнение обычной трехфазной обмотки из проводников с выводами на три контактных кольца Такая конструкция соответствует АД с фазным ротором она позволяет включать в роторную цепь различные электротехнические элементы, например резисторы для регулирования скорости, тока и момента ЭП, и создавать специальные схемы включения АД.

 АД с фазным ротором Второй вариант это выполнение обмотки заливкой алюминия в пазы ротора, в результате чего образуется конструкция, известная под названием «беличья клетка». Схема АД с такой обмоткой, не имеющей выводов и получившей название короткозамкнутой.

Для получения выражений электромеханической и механичес­кой характеристик АД используется его схема замещения, на кото­рой цепи статора и ротора представлены своими активными и ин­дуктивными сопротивлениями. Особенность схемы замещения АД состоит в том, что в ней ток, ЭДС и параметры цепи ротора пере­считаны (приведены) к цепи статора, что и позволяет изобразить эти две цепи на схеме соединенными электрически, хотя в действи­тельности связь между ними осуществляется через электромагнит­ное поле. Приведение осуществляется с помощью коэффициента трансформации АД по ЭДС:

где Е₁ и Е_2к - фазные ЭДС статора и ротора при неподвижном рото­ре; U_ф.ном- фазное номинальное напряжение сети. Расчетные формулы приведения имеют вид:

-где штрихом обозначены приведенные значения.

В теории электрических машин разработаны и применяются две основные схемы замещения АД - более точная Т-образная и упро­щенная П-образная. На рис.1 представлена П-образная схема за­мещения, которая в дальнейшем и используется при выводе фор­мул для характеристик АД.

Рисунок 1 - П-образная схема за­мещения.

На рис.  1 приняты следующие обозначения: U₁, - действующее значение линей­ного и комплексное фазного напряжения сети;  - комплексные фазные токи статора, намагничивания и при­веденный ток ротора; х₁, х'₂ - индуктивные сопро­тивления от потоков рассеяния фазы обмотки статора и приведен­ное фазы ротора;  - индуктивное сопротивление контура на­магничивания; R_c, R_1Д , R₁=R_c+ R_1Д - активные фаз­ные сопротивления обмотки статора, добавочного резистора и суммарное сопротивление фазы статора; R^'_р ,R^’_2Д, R^’₂ =R^’_р + R^’_2Д - активные приведенные к обмотке статора фазные сопротивления обмотки ро­тора, добавочного резистора и сум­марное сопротивление фазы ротора; s=(ω₀-ω)/ ω₀ - скольжение АД; ω₀= 2πƒ₁/р - угловая скорость магнитного поля АД (скорость идеального хо­лостого хода); ƒ₁, - частота питающего на­пряжения; р - число пар полюсов АД.

Как видно из рис.2, ЭДС статора равна приведенной ЭДС ротора, а ток намагничивания I_т, определяющий маг­нитный поток АД, протекает под дей­ствием U_ф по отдельной цепи, состоящем из сопротивлений контура намагничива­ния х_m и R_m, и представляет собой век­торную сумму токов статора и приведен­ного роторного, т. е. .

2.     Для того что б решить задачу, ниже приведен пример решения данных задач.

Пример решения задачи

Трехфазный асинхронный двигатель с к.з. рото­ром типа АИР 160 М4, используемый в качестве электропривода насосного агрегата консольного типа марки ВК 10/45, предназ­наченного для перекачивания воды для технических нужд, него­рючих и нетоксичных жидкостей, имеет следующие номиналь­ные данные: мощность на валу Р_2н = 18,5 кВт; скольжение S_н = 0,03 (3,0%); синхронная частота вращения п_1н = 1500 об/мин; коэффициент полезного действия η_н = 0,9 (90,0%); коэффициент мощности обмотки статора cos φ_н = 0,89. Известны также: отношение пускового момента к номинальному М_п /М_н=1,9; отношение пускового тока к номинальному I_п/I_н=7; отношение максимального (критического) вращающего момента к номинальному М_max/M_н= 2,9. Питание двигателя осуществляется от промышленной сети пе­ременного тока 380/220 В, 50 Гц. Требуется определить:

1.     номинальную частоту вращения ротора двигателя;

1.     вращающий номинальный, критический и пусковой момен­ты двигателя;

2.     мощность, потребляемую двигателем из сети Р_1н;

3.     номинальный и пусковой токи;

2.     пусковой ток и вращающие моменты, если напряжение в сети снизилось по отношению к номинальному на 5, 10 и 15% (U_c = 0,95 U_н; U_c = 0,9U_K; U_c = 0,85 U_н).

Решение.

1. Номинальная частота вращения:

n_2н = n_1н (1 – S_н) = 1500(1 - 0,03) = 1455 об/мин.

2. Номинальный вращающий момент на валу:

М_н=9,55*

3. Пусковой вращающий момент двигателя:

М_п = 1,9М_Н = 1,9 * 121,4 = 230,7 Н * м.

4. Максимальный вращающий момент:

М_mах = 2,9М_Н = 2,9 * 121,4 = 352,1 Н * м.

5. Номинальную мощность Р_1н, потребляемую двигателем из сети, определим из выражения

η_н=Р_2н/Р_1н Р_1н= Р_2н/ η_н=18,5/0,9=20,5 кВт,

при этом номинальный ток, потребляемый двигателем из сети, может быть определен из соотношения

Р_1н=

а пусковой ток при этом будет

I_n = 7I_1н = 7*35 = 245 А.

6. Определяем вращающий момент при снижении напряжения в сети:

·         на 5%. При этом на двигатель будет подано 95% U_H, или U = 0,95 U_н. Так как известно, что вращающий момент на валу двигателя пропорционален квадрату напряжения М ≡U², то он составит (0,95)² = 0,90 от номинального. Следовательно, пусковой вращающий момент будет:

М_5% = 0,90*М_п = 0,90*230,7 = 207,6 Н*м;

·         на 10%. При этом U = 0,9 U_н;

M_10% = 0,81*М_п = 0,81*230,7 = 186,9 Н*м;

·         на 15%. В данном случае U = 0,85 U_н;

М_15% = 0,72*230,7 = 166,1 Н*м.

Отметим, что работа на сниженном на 15% напряжении сети допускается, например, у башенных кранов только для завершения рабочих операций и приведения рабочих органов в безопас­ное положение.

7. Находим, как влияет аналогичное снижение напряжения на пусковой ток двигателя I_п:

·         на 5%. Учитывая, что пусковой ток можно приближенно считать пропорциональным первой степени напряжения сети, получим:

I_п5% ≈0,95 I_п = 0,95*245 = 232,7 А;

·         на 10%: I_п10% ≈0,9 I_п = 0,9*245 = 220,5 А;

·         на 15% : I_п15% ≈0,85 I_п = 0,85*245 = 208,2 А.

3.     Механическая характеристика АД. 

Потери мощности в цепи ро­тора, которые часто называют потерями скольжения, выраженные через механические координаты АД, представляют собой разность электромагнитной и полезной механической мощности, т. е.

 (1)

Потери мощности в роторе, выраженные через электрические ве­личины, определяются как

 (2)

Приравняв (1) и (2), получим

 (3)

Подставим в (3) значение тока: (*), получим

(3.1)

Исследовав полученную зависимость M(s) на экстремум, т. е. взяв производную dM/ds и приравняв ее нулю, обнаружим наличие двух экстремальных точек момента и скольжения:

; (4)

; (5)

причем знак «плюс» здесь относится к области скольжения s > 0, а знак «минус» - к области s < 0.

Значения момента М_к и скольжения s_к АД, соответствующие экстремальным точкам, получили название критических.

Если разделить выражение (4) на (5) и выполнить несложные преобразования, то можно получить другую, более компактную и удобную форму записи для построения механической характеристики

; (6)

где 

Характерные точки механической характеристики следующие:

s = 0, ω=ω₀, М = 0 - точка идеального холостого хода;

s = 1, ω =0, М = М_кз= М_n - точка короткого замыкания;

s = s_к.д, M = М_к.д; s =­-s_к.г, M =-М_к.г - критические точки соответственно в двигательном и генераторном режимах;

s →± ∞, ω→± ∞, М→0 - асимптота механической характерис­тики, которой является ось скорости.

На рис.3 приведена механическая характеристика АД. Отме­тим, что она соответствует определенному чередованию фаз пита­ющего напряжения сети U₁ на зажимах статора АД. При изменении порядка чередования двух фаз АД будет иметь аналогичную меха­ническую характеристику, расположенную симметрично относи­тельно начала координат.

В некоторых случаях при построении механической характерис­тики используют приближенные формулы. Если пренебречь актив­ным сопротивлением статора, т.е. считать а = 0, выражения (6), (5) и (4) примут соответственно вид

(7)

(8)

(9)

Если в (7) вместо текущих значений момента и скольжения подставить их номинальные значения М_ном и s_ном и обозначить кратность максимального момента М_к/М_номчерез λ_м , то получим фор­мулу, связывающую критическое и номинальное скольжения

(10)

Эта формула может использоваться для определения s_к по ката­ложным (паспортным) данным АД.

Для серии 4А кратность , , оп­ределяющая перегрузочную способность двигателей, лежит в пре­делах 1,8...2,6, соответственно крити­ческое скольжение s_к превышает номи­нальное s_ном (при знаке «+» в (10)) при­мерно в 3...4 раза.

Дальнейшее упрощение (7) воз­можно для области малых скольжений, в которой можно пренебречь отноше­нием s/s_к. В этом случае выражение (7) примет вид

(11)

Формула (11) описывает так называемый рабочий, близкий к линейному участок характеристики двигателя, на котором находится точ­ка номинального режима с координатами М_ном, ω_ном, s_ном.

АД может работать во всех возможных энергетических режимах, которые определяются значением и знаком скольжения, а именно:

s = 0, ω=ω₀ - режим идеального холостого хода;

s = 1, ω = 0 - режим короткого замыкания;

0<s<1, 0< ω < ω ₀- двигательный режим;

s < 0, ω > ω₀ - генераторный режим при работе АД параллельно с сетью (рекуперативное торможение);

s > 1, ω < 0 - генераторный режим при работе АД последователь­но с сетью (торможение противовключением).

Кроме того, АД может работать в генераторном режиме незави­симо от сети переменного тока, который называется режимом ди­намического торможения. В этом режиме обмотка статора АД, от­ключенная от сети переменного тока, подключена к источнику по­стоянного тока, а цепь ротора замкнута накоротко или на добавоч­ные резисторы .

Полученные формулы для механической характеристики позволяют назвать возможные способы регулиро­вания координат АД, которое, всегда связано с получе­нием искусственных характеристик двигателя. Из (*) следует, что регулирование (ограничение) токов в роторе и статоре в переход­ных режимах может быть обеспечено изменением подводимого к статору АД напряжения, а также с помощью добавочных резисто­ров в цепях статора и ротора.

Формула (3.1) определяет возможные способы получения искус­ственных механических характеристик, требуемых при регулиро­вании момента и скорости АД, а именно: изменение уровня и час­тоты подводимого к двигателю напряжения; включение в цепи ста­тора и ротора добавочных активных и реактивных резисторов; из­менение числа пар полюсов магнитного поля АД.

Применяются и другие способы регулирования координат, реализуемые с помощью специальных схем включения АД, - каскадные схемы, схемы элект­рического вала.

4.     Отчет по практической работе должен содержать следующее:

·        Тема.

·        Цель.

·        Условия  заданий.

·        Описания выполнения заданий/решение.

·        Векторную диаграмму напряжений.

·        Вывод по практической работе.

 

Вопросы для самоконтроля:

1.     Аналоговые и цифровые электроизмерительные приборы.

2.     Измерительный механизм. Измерительная цепь.

3.     Системы электроизмерительных приборов.

4.     Абсолютная погрешность.

5.     Относительная погрешность.

6.     Приведенная погрешность.

7.     Классы точности электроизмерительных приборов.

8.     Классификация электроизмерительных приборов по климатическим условиям применения.

9.     Цена деления шкалы электроизмерительных приборов.

10. Назначение точек на шкалах электроизмерительных приборов.

11. Приборы магнитоэлектрической системы. Принцип действия, достоинства и недостатки.

12. Приборы электромагнитной системы. Принцип действия, достоинства и недостатки.

13. Приборы электродинамической системы. Принцип действия, достоинства и недостатки.

Список литературы и ссылки на Интернет-ресурсы, содержащие информацию по теме:

 

1.     Прошин В.М. Электротехника для неэлектрических профессий : учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образования / В.М. Прошин. – М. : Издательский центр «Академия« 2014. – 464 с.

2.     Прошин В.М. Электротехника : учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образования / В.М. Прошин. – 6-е изд., стер. – М. : Издательский центр «Академия», 2017. – 288 с.

Лабораторно-практические работы по электротехника : учеб. Пособие для студ. Учреждений сред. Проф. Образования / В.М. Прошин. – 8 – е изд., стер. – М. : Издательский центр «Академия», 2014. – 208 с.