Учебная работа. Имитационное моделирование потребителя электрической энергии мощностью 45 кВт

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Имитационное моделирование потребителя электрической энергии мощностью 45 кВт

План

Техническое задание

Введение

. Определение параметров схемы замещения АД

.1 Определение дополнительных параметров АД

.2 Расчет параметров схемы замещения

. Построение механических и электромеханических характеристик АД

.1 Механическая характеристика

.2 Электромеханическая характеристика тока обмотки ротора

.3 Электромеханическая характеристика тока обмотки статора

. Имитационное моделирование в программной среде MatLab Simulink

.1 подтверждение адекватности модели

.2 Определение характеристик двигателя при различных вариантах нагрузки

Заключение

Список литературы

Техническое задание

двигатель асинхронный 4А250S6У3 предназначен для привода различных механизмов в стационарных установках.[2]

Структура условного обозначения 4А250S6У3:

— порядковый номер серии;

А — асинхронный;

— высота оси вращения, мм; — установочный размер по длине статора (L, LК, MА, S);

— число полюсов (2; 4; 6);

У3 — климатическое исполнение и категория размещения (умеренный климат, закрытое помещение)

Статор электродвигателя состоит из алюминиевой станины, сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и всыпной обмотки из медного эмалированного провода. Коробка выводов расположена сверху двигателя. Ротор состоит из сердечника, насаженного на вал, и короткозамкнутой литой алюминиевой обмотки. Двигатели выполнены на подшипниках качения с заложенной на весь срок службы смазкой. Для заземления двигателя предусмотрены два болта: в коробке выводов и на корпусе двигателя.

Таблица 1 — Паспортные данные двигателя 4А250S6У3

заданные величиныУсловное обозначениеЕдиница измеренияЧисленное значениеФазное напряжениеВ220Линейное напряжениеВ380Мощность двигателяВт45000КПД%91,5Синхронная частота вращенияоб/мин1000Коэффициент мощностио.е.0,89Номинальное скольжение%1,4Кратность пускового токао.е.6,5Кратность пускового моментао.е.1,2Кратность максимального моментао.е.2,1Кратность минимального моментао.е.1Коэффициент загрузки двигателяо.е.0,75Число пар полюсовР-3Частота питающей сетиfГц50Число фаз двигателяm-3

Введение

Асинхронная машина — это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор, которой вращается асинхронно, т. е. со скоростью, отличной от скорости поля.

Предложена русским изобретателем М.О. Доливо-Добровольским в 1888 г. 95% приводов производственных механизмов имеют в своем составе асинхронный двигатель (подъемно-транспортные системы; устройства электропривода станков; медицинское оборудование и бытовые приборы).

достоинства:

простота конструкции;

надежность

низкая себестоимость

высокий срок службы

высокий пусковой момент и перегрузочная способность

Асинхронный двигатель может работать с длительной перегрузкой, допускает частые пуски и реверсы. Основной недостаток — сложность регулирования частоты вращения.

Мощность асинхронных двигателей составляет от десятков мегаватт до долей ватт. Выпускаются в виде серий, охватывающих определенный набор мощностей, частот вращения и напряжений. машины одной серии имеют общее конструктивное решение, технологию изготовления и однотипность материалов (4А от 0,06 до 400 кВт)

Асинхронная машина состоит из статора и вращающегося ротора. Сердечник статора — полый цилиндр, собранный из колец (электротехническая сталь — 0,5 мм). Кольца изолированы друг от друга слоями лака (уменьшение магнитных потерь). Пакет колец запрессован в станину, которая крепится к основанию. В пазах статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка состоит из нескольких последовательно включенных катушек. Ротор — цилиндрический сердечник, собранный из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах расположены витки обмотки ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор (дешевле, обслуживание проще, надежен, т. к. нет подвижных контактов)[9]

Целью данного курсового проекта является расчет основных параметров трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, изучение поведения двигателя при различных режимах работы.

Для подтверждения правильности выполненных расчетов будет проведено имитационное моделирование двигателя на основе полученных данных в программной среде MatLab Simulink.

1.Определение параметров схемы замещения АД

.1 Определение дополнительных параметров АД

Синхронная угловая скорость вращения двигателя:

Номинальная частота вращения двигателя:

Номинальная угловая скорость:

Номинальный момент двигателя:

Тогда номинальный фазный ток:

Для расчетов статических и динамических характеристик асинхронного двигателя найдем параметры схемы замещения. Т — образная схема замещения асинхронного двигателя для одной фазы приведена на рисунке 1.

рисунок 1 — Схема замещения асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели проектируются таким образом, что наибольший КПД достигается при загрузке на 10 — 15 % меньше номинальной. Коэффициент мощности при нагрузке равной значительно отличается от мощности при номинальной нагрузке, причем это отличие сильно зависит от мощности двигателя и для известных серий асинхронных двигателей с достаточной для практики точностью подчиняется зависимости, приведённой на рис.

Коэффициент мощности при частичной загрузке:

рисунок 2 — Зависимость от мощности асинхронных двигателей

Коэффициент загрузки двигателя принимаем из-за указанных выше особенностей проектирования асинхронных двигателей.

Тогда ток статора двигателя при частичной загрузке равен:

ток холостого хода асинхронного двигателя:

Из формулы Клосса следует соотношение для расчета критического скольжения:

где в первом приближении коэффициент

.2 Расчет параметров схемы замещения

Активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора асинхронного двигателя:

Активное сопротивление обмотки статора определяется по следующему выражению:

Параметр , для определения сопротивления короткого замыкания:

Тогда, индуктивное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора, приближённо может быть рассчитано:

Индуктивное сопротивление обмотки статора:

Индуктивное сопротивление цепи намагничивания определяется через

Индуктивное сопротивление намагничивания:

Индуктивность обмотки статора, обусловленная потоками рассеяния:

Приведенная индуктивность обмотки ротора, обусловленная потоками рассеяния:

Результирующая индуктивность, обусловленная магнитным потоком в воздушном зазоре, создаваемым суммарным действием полюсов статора (индуктивность контура намагничивания):

найденные параметры схемы замещения электродвигателя сведены в таблице 2.

Таблица 2 — параметры схемы замещения электродвигателя 4А250S6У3

,Ом,Ом,Гн,Гн,Ом,Ом,Гн0,040,2959,385*10-411,0490,0350,0390,41,272*10-4 0,702

2. Построение механических и электромеханических характеристик АД

.1 Механическая характеристика

Рассчитываем механическую характеристику асинхронного электродвигателя по формуле:

Механическая характеристика асинхронного электродвигателя изображена на рисунке 3. Она справедлива в области номинальных скоростей.

Рисунок 3 — Механическая характеристика асинхронного электродвигателя

2.2 Электромеханическая характеристика тока обмотки ротора

момент критический двигательного режима:

Критическое скольжение:

максимальный момент двигателя:

Минимальный момент двигателя:

найденные координаты точек с номинальным, максимальным и минимальным моментом нанесены на рассчитанный график естественной механической характеристики асинхронного двигателя.

Определим зависимость тока ротора , приведенного к обмотке статора, от скольжения S.

График электромеханической характеристики приведен на рис. 4.

Рисунок 4 — График электромеханической характеристики тока обмотки ротора

.3 Электромеханическая характеристика тока обмотки статора

Для построения электромеханической характеристики тока обмотки статора воспользуемся следующим выражением:

где

Электромеханические характеристики двигателя приведены на рис. 5

Рисунок 5 — График естественной электромеханической характеристики асинхронного двигателя

Определим номинальный ток статора асинхронного двигателя при номинальном скольжении в соответствии с электромеханической характеристикой.

Номинальный ток ротора определяется при номинальном скольжении:

Номинальный ток статора двигателя:

ротор статор электромеханический

3. Имитационное моделирование в программной среде MatLab Simulink

.1 подтверждение адекватности модели

Рисунок 6 — Модель в программной среде MatLab для получения основных характеристик АД

Для подтверждения адекватности имитационной модели проведен опыт, из которого получена механическая характеристика АД.

Таблица 3 — Данные полученные в ходе эксперимента

Данная характеристика в большей своей части соответствует устойчивой работе асинхронного двигателя в двигательном режиме. Номинальная частота вращения ротора для имитационной модели равна , что примерно соответствует, паспортное значение составляет , при этом погрешность измерений составляет менее 1%. Погрешность обусловлена тем, что опыт проводится на модели, которая не учитывает множество факторов, таких как: трение подшипников, трение воздуха, наличие дополнительной нагрузке на валу в виде вентилятора охлаждения и пр. Вследствие этого частота вращения ротора имитационной модели меньше паспортной частоты вращения двигателя.

Рисунок 7 — Механическая характеристика АД полученная с помощью имитационной модели

Рисунок 8 — ток статора АД (Осциллограф 2)

На рисунке 8 представлен переходный процесс тока статора с последующим установлением значения тока. Установившееся значение тока статора соответствует расчетному значению. Погрешность:

Погрешность тока статора обусловлена несовершенством имитационной модели, которая не учитывает, тепловые потери, потери на трение, так же погрешность может присутствовать из-за того, что зачастую заявленные параметры двигателя и параметры, получаемые на практике, немного отличаются.

Рисунок 9 — Номинальная частота вращения ротора АД полученная с помощью имитационного моделирования (Осциллограф 3)

Рисунок 10 — момент, развиваемый на валу ротора АД (Осциллограф 4)

рисунок 11 — Напряжение статора АД (Осциллограф 1)

полученное амплитудное значение напряжения статора находится в пределах нормы.

.2 Определение характеристик двигателя при различных вариантах нагрузки

Из математического блока 5 (рисунок 12) получены значения мощностей, энергии и других параметров при различной нагрузке на вал двигателя таблица 4. В блоке 5 с помощью арифметических блоков библиотеки Simulink реализованы операции по автоматическому подсчету следующих параметров двигателя, выводные сигналы под номерами[5]:

.Полная мощность потребляемая двигателем:

,

где — проекции напряжений статора на оси q и d, — проекции токов статора на оси q и d.

.Активная мощность:

В данном случае активная мощность двигателя примерно равна механической, так как активная мощность это мощность, которая расходуется на непосредственное совершение работы.[4]

.Реактивная мощность:

.Коэффициент мощности:

.КПД:

.Энергия, потребляемая из сети:

.потери энергии в статоре:

.Потери энергии в роторе:

9.Общие потери:

Порядок проведения эксперимента

Предварительно задается При запуске моделирования сигнал с АД подается на блок 6 (Bus Selector), где предварительно выбраны значения выводных параметров, в случае данного опыта:

— проекции напряжений статора на оси q и d,

— проекции токов статора на оси q и d,

— электромагнитный момент,

— скорость вращения ротора.

Далее данные параметры проходят ряд арифметических преобразований и выводятся на дисплей. Данную операцию нужно проделать для всех значений нагрузки.

Время моделирования берется равным 10 секунд, дабы минимизировать погрешности, вызванные переходными процессами при пуске АД.

Таблица 4 — Данные полученные в ходе эксперимента

НагрузкаX.X.75%100%120%Полная мощность, кВА0,0537,6750,4260,72Активная мощность, кВт0,00233,884553,8Реактивная мощность, кВАр0,0516,4622,7428,140,05250,890,890,88КПД, о.е0,210,8720,9050,8612Энергия, потребляемая из сети, Энергия потерь в статоре, Энергия потерь в роторе, Общие потери энергии,

Рисунок 12 — Состав математического блока 5

Заключение

При выполнении курсовой работы были рассчитаны параметры схемы замещения асинхронного двигателя 4А250S6У3 по каталожным данным, двигатель был выбран в соответствии с техническим заданием, по числу пар полюсов и мощности.

Были рассчитаны дополнительные параметры, построены механическая и электромеханическая характеристики двигателя в программной среде Mathcad.

В программной среде MatLab получена имитационная модель двигателя для проведения опытов, схема включает в себя источник питания, двигатель, нагрузочный блок и измерительные приборы. Параметры схемы замещения и каталожные данные двигателя внесены в модель двигателя.

Первый опыт включает в себя подтверждение адекватности имитационной модели по построенной механической характеристике и дополнительным графикам, полученным с помощью осциллографов. Имитационная модель адекватна, так как полученная механическая характеристика для области номинальных скоростей, совпадает с характеристикой полученной при расчёте в программной среде Mathcad. Погрешность измерений составляет для неё и для характерных точек менее 5%. Ток статора полученный при номинальной нагрузке имеет погрешность всего лишь 2%. Помимо этого получены графики момента нагрузки, скорости ротора и напряжения статора, которые так же удовлетворяют рассчитанным параметрам.

Во втором опыте измерялись энергетические показания двигателя при различных режимах работы. Как и предполагалось наиболее эффективным режимом работы двигателя является режим при номинальной нагрузке на вал. Самым не эффективным является режим холостого хода. Наблюдаются малые значения активной мощности и большие по сравнению с ней значения реактивной, соответственно маленький КПД. Поэтому на производственных предприятиях стараются компенсировать реактивную мощность, то есть ограничить работу двигателей в режиме холостого хода, либо загрузить его до номинальной нагрузки. Активная мощность на холостом ходу получена в результате совершения работы по вращению массивного вала двигателя, преодолевая при этом некоторое трение.

При увеличении нагрузки больше номинальной происходит спад КПД и коэффициента мощности, за счет того что потери в обмотках двигателя начинают возрастать быстрее нежели чем совершаемая полезная работа. При увеличении нагрузки много больше критической нагрузке КПД будет стремиться к нулю, так как вал двигателя застопориться.

Список литературы

1.Опыт холостого хода асинхронной машины

2.Двигатели асинхронные серии 4А90: "Баранчинский электромеханический завод"

3.Как рассчитать электрическую мощность оборудования // Синтезгаз.

.Что такое номинальная мощность

.Система численно-математического моделирования MatLab // И.В. черных.

.Как оформлять ссылки из интернета в списке литературы // OOO "РелевантМедиа".

.Асинхронная машина // Материал из Википедии — свободной энциклопедии.

.Коэффициент мощности и рабочие характеристики асинхронного двигателя

.Асинхронная машина

Учебная работа. Имитационное моделирование потребителя электрической энергии мощностью 45 кВт