Режимы узла нагрузки с электромашинами различных типов

Режимы узла нагрузки с электромашинами различных типов

Курсовой проект

Учебная дисциплина: Электрические машины

Тема: Режимы узла нагрузки с электромашинами различных типов

Студент: Колесников И.В.

Исходные данные

Для узла нагрузки, включающего два СТ (6 кВ / 380 В) и работающие от одних шин(6 кВ) питающий асинхронный и синхронный двигатели (от общих шин 380В), необходимо:

ВЫБРАТЬ

·        Два СТ минимальной стоимости.

·        АД, способный развивать мощность не менее 27 кВт, приводя в действие механизм, необходимый момент, для пуска которого составляет 130 Нм при пуске и возрастает пол мере разгона на 115 Нм на каждую 1000 оборотов в минуту.

·        СД, мощность на валу, которого меняется произвольно от 0 до 70 кВт.

ОБОСНОВАТЬ

выбор машин, обеспечивая при этом:

. минимальную стоимость каждой из 4 машин, - цена для СТ и СД предполагается пропорциональной их номинальным мощностям, а для АД - и числом пар полюсов;

. мощность на валу АД - не ниже указанной;

. устойчивость работы СД во всём указанном диапазоне мощностей на его валу;

. отсутствие перегрузок по токам у всех машин во всех режимах, - в том числе при отключенном одном из двигателей;

. чисто активный характер нагрузки на шинах 380 вольт.

При равенстве стоимости вариантов - конкурентов, - принимать тот, который обеспечивает минимум среднего значения суммарных потерь энергии.

Содержание

1 Выбор асинхронного двигателя

.1 Предварительный выбор АД

.2 Расчет номинальных параметров АД

.3 Расчет параметров рабочего режима АД

. Выбор синхронного двигателя

.1 Предварительный выбор СД

.2 Расчет номинальных параметров и рабочего режима СД

Выбор пары силовых трансформаторов

Расчет энергетической эффективности режимов

Список литературы

асинхронный двигатель трансформатор

1 Выбор асинхронного двигателя.

.1 Предварительный выбор АД

Рис. 1. Расчетная схема

Исходные данные для расчета АД: Мп = 115 Н·м (постоянный момент на валу двигателя), k = 0.12 - коэффициент, определяющие характер изменения момента нагрузки на валу, и Pmin = 27 (кВт) - значение минимальной мощности на валу АД.

Для нахождения установившейся скорости АД приравниваю выражение для момента на валу двигателя и выражение для момента сопротивления:

Мдв=Рmin/ɷуст=Мп+k*ɷуст

k*ɷуст2-Мп*ɷуст+Рmin=0

ɷуст = 195.07

nуст = ɷуст*30/π

Отсюда n = 1863.7 об/мин.

Синхронная скорость: nc = 3000 об/мин.

Для выбора Pвn - номинальной мощности на валу АД, из 14 групп АД имеющихся на складе. Требуется чтобы Pvn>Pmin(Мс < Мв). Из ряда предлагаемых двигателей выберем двигатель с Pвn = 55(кВт).

Мдв = Рвн/ ɷуст = 281.95 Н*м

Мп + k* ɷуст = 138,41,

что требовалось для данных условий.

.2 Расчет номинальных параметров АД.

Для расчета рабочего режима двигателя допускается использовать уравнения, соответствующие упрощенной схеме замещения.

Рис. 2. Упрощенная схема замещения АД.

В этой схеме все величины и параметры выражены в относительных единицах, и представляют собой

U1 - напряжение питающей цепи;

I1 - ток статора;

Iо - намагничивающий ток;

I2 - ток ротора;

G0 - эквивалент потерь мощности в стали;

B0 - эквивалент действия основного поля;

Rk - эквивалент потерь мощности в обмотках;

Xk - эквивалент действия полей рассеивания статора и ротора;

R2 - эквивалент потерь ротора;

S - скольжение.

Рассчитаем параметры схемы замещения по пятому варианту исполнения АД:

Cos5φ = 0.82 η5н = 0,845 Uн = 220 R1ое = 0,0375

Sн = 0,0315 Мпое = 0,48 Мкрое = 1,8 Uное = 1

Определим базисные значения мощности, тока, момента и сопротивления:

Определим номинальный момент на валу:

Мное5 = Мвн5/Мб5 = 0,715 ОЕ

Рвное5 = Рвн/Sб5 = 0,693 ОЕ

Максимальный момент:

Ммаксое5 = Мное5*Мкрое5 = 1,288 ОЕ

Пусковой момент:

Мпое = Мп/Мб5 = 0,356 ОЕ

Мпое55 = Мпое*Мпое5 = 0,171 ОЕ

Найдем значения коэффициентов нагрузки (в ОЕ):

Критическое скольжение определяем с помощью формулы Клосса:

Мное = 2*Ммаксое5*Sн5*Sкр5+Мное5*Sн52 = 0

Sкр5 = 0.10384

Находим относительные значения сопротивлений статора и ротора:

R2ое5 = R1oe5

Rkoe5 = 2*R1oe5 = 0.075 OE

Находим сопротивление контура ротора при номинальном скольжении:

R2oe5 = Roe5+R2oe5/Sн5 = 1,228 ОЕое5 = R2oe5/Sкр5 = 0,361 ОЕ

Z2oe =

Определяем составляющие тока ротора в номинальном режиме (в ОЕ):

I2аoe5 = R2oe5/Sн5*Z2oe5н = 0,727poe5 = Xkoe5/Z2oe5н = 0,22 ОЕ2poe5 =

Вычислим составляющие тока статора в номинальном режиме (в ОЕ):

Находим параметры контура намагничивания:

Сетевая мощность:

Pcoeн5 = I1aoe5 = 0.82 OEн5 = Рвоен5*Sб5 = 65,09 кВт

Мощность на валу:

Рвоен5 = Рсоен5*η5н = 0,693 ОЕ

Рвн5 = Рвоен5*Sб5 = 55 кВт

Найдём суммарные потери мощности:

ΔРоен5 = Рсоен5 - Рвоен5 = 0,127 ОЕ

ΔРн5 = ΔРоен5*Sб5 = 10,09 кВт

Потери в меди:

ΔРмоен5 = I22oe5*Rkoe5 = 0.043 OE

ΔPм5 = ΔРмоен5*Sб5 = 3,433 кВт

Потери в стали:

ΔРстоен5 = G0oe5 = 0.093 OE ΔPст5 = ΔРстоен5*Sб5 = 7,411 кВт

.3 Расчет рабочего режима АД

Определяем значение скольжения асинхронного двигателя в рабочем режиме:

Рабочее скольжение будет равно скольжению, при котором момент сопротивления будет равен моменту на валу двигателя. Рассчитываем уравнение:

Рабочий момент на валу асинхронного двигателя равен:

;

Определяем активный и реактивный ток ротора в рабочем режиме:

Вычислим активный, реактивный, полный ток статора в рабочем режиме:

Сетевая мощность:

Рсоер5 = I1aoe5 = 0.811 OE= Pсоер5*Sб5 = 64,37 кВт

Потери в меди:

ΔРмоер5 = I2ое52*Rkoe5 = 0.042 OE

ΔPмоер5 = ΔРмоер5*Sб5 = 3,338 кВт

Суммарные потери

ΔРмоер5 = ΔРмоер5 + G0oe5 = 0.135 OE

ΔРр5 = ΔРоер5*Sб5 = 10,75 кВт

Рабочая мощность на валу:

Рвоен5 = Рсоер5 - ΔРоер5 = 0,675 ОЕ

Рвр5 = Рвоер5*Sб5 = 53,62 кВт

Рабочая скорость ротора:

ɷр5 = ɷс*(1-Sp5) = 304.42 рад/с

Определим коэффициент мощности в рабочем режиме:

Находим КПД двигателя в рабочем режиме, а также критерий оптимальности (выбираем тот двигатель, у которого наибольшее значение V):

Выбираю АД пятого поколения с одной парой полюсов и с номинальной мощностью на валу 55 кВт, так как двигатели прочих исполнений имеют перегрузку по току статора и мощности на валу в рабочем режиме.

2 Выбор синхронного двигателя

.1 Предварительный выбор СД

Исходными данными для выполнения этого раздела проекта является максимальная мощность на валу СД и необходимая реактивная мощность на зажимах статора, которая должна компенсировать реактивную мощность АД.

Реактивный ток статора АД: I1p = 68.094 A

Реактивная мощность на зажимах статора, которая должна компенсировать реактивную мощность, потребляемую АД:

Q = 3*Uян*I1р = 44,94 кВАр

Рассчитываем токи статора и мощность на валу для разновидности СД 8100:

I1a1 = Pвmax/(3*Uян*ηн1) = 126,263 Ан1 = Aвн1 =

Рассчитываем токи статора и мощность на валу для разновидности СД 9500:

I1a2 = Pвmax/(3*Uян*ηн2) = 119,617 Ан2 =  Aвн1 =

Выбираю синхронный двигатель разновидности 9500 с номинальной мощностью на валу 120 кВт, так как cosφ и η у двигателя этой разновидности выше, чем у двигателя разновидности 8100.

Коэффициент запаса по мощности: Кр = Рвн/Рвн2 = 1,382

Находим базисные величины тока статора (якоря) и мощности:

Iян = Iб

.2 Расчет номинальных параметров и рабочего режима СД

Провожу расчет параметров СД разновидности 9500 пятого исполнения.

m5 = 0.042 Iвmaxoe5 = 1.7 Xp5 = 0.075 ΔP05 = 0.03

Базисный и максимальный токи возбуждения:

Iвб5 = m5*Iян = 8,038 А Iвmax5 = Iвmaxое3*Iвб3 = 13,665 А

Реактивный ток якоря:

Iярое = I1p/Iян = 1,356 ОЕ

Мощность на валу:

Рвое = Рmax/Sб = 0,594 ОЕ

Номинальная мощность на валу:

Рвное = cosφн2*ηн2 = 0,95 ОЕ

Активное сопротивления обмотки СД:

Рсное5 = Рвное + ΔР05 = 0,02 ОЕ

Rя5 = cosφн2 - Рвное - ΔР05 = 0,02 ОЕ

Определяем активную составляющую тока якоря:

Рс5 = Uяное*Iяное5 = Рвое + ΔР05 + Rя5*(I2яаое5+ I2ярое5)

Rя5* I2яаое5 - Uяное*Iяное5 + ΔР05 + I2ярое5*Rя5

Iяаое5 = 0,634 ОЕ

Полный ток якоря:

Iяое5 =

Iя5 = Iяое5*I1н2 = 100,066 А

Рабочий коэффициент мощности:

Cosφ5 = Iяаое/Iяое5 = 0,872

Определим результирующую ЭДС якоря:

Е0ое5 = 0,961 ОЕ Е05 = Е0ое5*Uян = 211,527 В

Определим результирующую МДС якоря:

F0oe5 = F40ое5 = 0,855 ОЕ

Угол между векторами тока якоря и напряжения сети:

φ5 = -arccos(Iяаое5/Iяое5) φ55 = φ5*180/π

φ5 = -0.511 рад φ55 = -29,3 град

Угол сдвига результирующей ЭДС от вектора напряжения сети:

γ5 = atan γ55 = γ5*180/π

γ5 = 0.042 рад γ55 = 2,41 град

Коэффициент приведения МДС якоря по продольной оси: Кad = 0.9

Коэффициент приведения МДС якоря по поперечной оси: Кaq = 0.6

Угол выбега ротора (между векторами результирующей ЭДС и ЭДС возбуждения):

θ55= atanград

θ5 = θ55*π/180 = 0.534 рад

Угол сдвига вектора тока якоря от оси q (ЕВ):

Продольный рабочий ток якоря:

Iяd5 =

Поперечный рабочий ток якоря:

Iяq5 =

Рабочий ток возбуждения:

iвое5=

iв5 = iвое5*Iвб5 = 11,332 А

Так как рабочий ток возбуждения меньше предельного для пятого варианта исполнения, то расчет по пятому исполнению продолжаю.

ЭДС и МДС возбуждения:

Fв5 = iвое5 = 1,41 ОЕ

Ев5 =

Находим величину потерь на возбуждение:

 = ΔРвозое5*Sб = 2,538 кВт.

Определяем потери в меди в рабочем режиме:

ΔРмое5 =

Потери в стали:

ΔР0ое5*Sб = 3,789 кВт

Потери двигателя без учета возбуждения:

- ΔРвоз5 = 5,08 кВт

Сетевая мощность:

Рсое5 = Iяаое5*Uяное*cosφр5 = 0,634 ОЕ

Рс5 = Рсое5*Sб = 80,08 кВт

Мощность на валу:

Рвое5 = Рсое5 - Δрмое5 - ΔР0ое5 = 0,593 ОЕ

Рв5 = Рвое5*Sб = 75 кВт.

Рабочий КПД:

ηр5 = Рвое5/Рсое5 = 0,936

У двигателя первого и второго исполнения рабочий ток возбуждения превышает предельно допустимое значение.

Выбираю СД пятого исполнения разновидности 9500 с Рвн = 120 кВт, так как мощность на валу двигателей третьего и четвертого исполнений в рабочем режиме меньше требуемого значения. В сравнении с двигателями третьего и четвертого исполнений двигатель пятого исполнения имеет более высокий КПД в рабочем режиме.

3. Выбор пары силовых трансформаторов

Исходными данным для выбора двух СТ, снабжающих энергией асинхронный и синхронный двигатели, являются значения сетевых мощностей этих двигателей.

Сетевые мощности АД и СД:

Рсад = 64,37 кВт Рссд = 80,08 кВт

Реактивная мощность, отдаваемая СД в сеть: Q = 44.94 кВАр

Рассчитываем полную мощность пары СТ:

S∑ = Рсад + Рссд = 144,4 кВт

Суммарная мощность силовых трансформаторов А и В больше расчетной суммарной мощности (S = 100+100= 200 кВА).

Коэффициенты трансформации:

КА = U1Axx/U2xx = 15.71 КВ = U1Bxx/U2xx = 15.72

Находим разницу коэффициентов трансформации:

Разница напряжения короткого замыкания:

ΔUкз

Приведем схему замещения пары трансформаторов работающих на общую нагрузку и решим её методом узловых потенциалов:

Рис. 3. Схема замещения пары трансформаторов работающих на общую нагрузку

I2А, I2В - токи вторичных обмоток трансформаторов;

U2- напряжение на нагрузке;

Iн- ток нагрузки;

RkА, RkВ - приведенные ко вторичной обмотке внутренние активные сопротивления;

XkА, XkВ - приведенные ко вторичной обмотке эквиваленты полей рассеяния;

U1А, U1В - напряжения вторичных обмоток трансформаторов.

ЭДС вторичных обмоток:

Е2А = U1н/КА = 220,878 В Е2В = Uн1/КВ = 220,738 В

Номинальные вторичные токи СТ:

Базисные полные сопротивления СТ:

ZбА = Uн2/I2нА = 1,452 Ом ZбВ = Uн2/I2нВ = 1,452 Ом

Внутренние сопротивления трансформаторов:

ZkА = UнкзА*ZбА/Uн1 = 0,075 Ом

ZkВ = UнкзВ*ZбВ/Uн1 = 0,076 Ом

Активные составляющие потерь СТ:

RkA = ΔPнмА*ZбА/SнА = 0,032 Ом RkВ = ΔPнмВ*ZбВ/SнВ = 0,029 Ом

Индуктивные составляющие потерь СТ:

Комплексные проводимости СТ:

Суммарная активная мощность в данном случае равна мощности, потребляемой парой СТ, так как СД компенсирует потребляемую АД реактивную мощность.

P2∑ = Pcaд + Рссд = 144,4 кВт Q2∑ = 0

Sнт = Р2∑ = 144,4 кВА

Угол между током и напряжением на нагрузке пары СТ:

φнт = arctg(

Пара СТ работает на активную нагрузку.

Определение параметров общей нагрузки (проводимостей):

Yнт = Gнт + iВнт = 0,995 См

Вторичное напряжение СТ:

Вторичные токи СТ:

Cсуммарная мощность потерь СТ исполнения А:

∑ΔРА =

Суммарная мощность потерь СТ исполнения В:

КПД трансформаторов:

ηА = Рсад/(Рсад+∑ΔРстА) = 0,973 ηВ = Рсад/(Рсад+∑ΔРстВ) = 0,98

Суммарная мощность потерь пары СТ:

∑ΔР = ∑ΔРА + ∑ΔРВ = 3,421 кВт

∑ΔРад = 10,75 кВт ∑ΔРсд = 5,08 кВт

Результирующий КПД всей схемы:

Входная мощность трансформаторов:

РвхА = Рсад + ∑ΔРстА = 66,14 кВт РвхВ = Рссд + ∑ΔРстВ = 81,74 кВт

4. Расчет энергетической эффективности режимов

Выбранные электрические машины работают без перегрузки по токам, их мощности соответствуют требования.

Список литературы

1.      Конспект лекций для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Электрические машины» (в четырех частях) по специальности 7.092203 «Электромеханические системы автоматизации и электропривод» г. Кривой Рог 2002г. Автор: проф. Корнилов.

.        Методическое пособие по выполнению курсового проекта по дисциплине «Электрические машины» по специальности «Электромеханические системы автоматизации и электропривод». г. Кривой Рог 2004 г. Автор: проф. Г.И.Корнилов.