Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Расчет электрического двигателя постоянного тока

Расчет электрического двигателя постоянного тока

Главная > Курсовая работа >Физика

Введение

Двигатели постоянного тока обладают большой глубиной регулирования частоты вращения и сохраняют во всём диапазоне регулирования высокий коэффициент полезного действия. Несмотря на то, что при традиционной конструкции они в 2 – 3 раза дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором их применяют во всех тех случаях, когда их свойства имеют решающее значение. Двигатели постоянного тока находят применение в металлообрабатывающих станках, с их помощью приводятся в действие прокатные станы (слябинги и блюминги). Крановые двигатели находят применение в приводах различных подъёмных механизмов. Двигатели постоянного тока широко используются в электрической тяге, например, на магистральных электровозах, в качестве рабочих двигателей на тепловозах, на пригородных электропоездах, в метрополитенах, на трамваях, троллейбусах и т.д. Двигатели постоянного тока используют для привода во вращение гребных винтов на морских судах. Они используются в автомобилях, тракторах, самолётах и других летательных аппаратах, где имеется питание на постоянном токе.

В данном курсовом проекте произведен расчет двигателя постоянного тока на основе двигателя типа 2П.

Серия машин постоянного тока спроектирована к 1974 году в полном соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК). Серия охватывает высоты оси вращения от 90 мм до 315 мм и диапазон мощностей от 0,37 кВт до 200 кВт. Машины этой серии предназначены для работы в широко регулируемых приводах.

В машинах серии , по сравнению с машинами других серий, повышена перегрузочная способность, расширен диапазон регулирования частоты вращения, повышена мощность на единицу массы, улучшены динамические свойства, уменьшены шум и вибрации, увеличена надёжность и ресурс работы. В основу построения серии машин постоянного тока был положен не габарит, а высота оси вращения.

Структура условного обозначения машин постоянного тока серии :

где 1 – название серии: вторая серия машин постоянного тока;

2 – исполнение по способу защиты и вентиляции: — защищённое с самовентиляцией, — защищённое с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора, — закрытое с естественным охлаждением, — закрытое с внешним обдувом от постороннего вентилятора;

3 – высота оси вращения, мм;

4 – условное обозначение длины сердечника якоря: — средняя, — большая;

5 – буква при наличии встроенного тахогенератора (в двигателях без тахогенератора – опускается);

6 – климатическое исполнение и категория размещения (регламентируются ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70).

Двигатели постоянного тока серии предназначены для работы от сети постоянного тока или от тиристорных преобразователей. Номинальное напряжение якорной цепи 110, 220, 440 и 660 Вольт. В машинах с независимым возбуждением напряжение источника питания обмотки возбуждения составляет 110 В или 220 В.

Двигатели с высотой оси вращения и выполняются с двумя главными полюсами, а при большей высоте оси вращения — с четырьмя полюсами. Двигатели серии выполняются с полным числом добавочных полюсов.

1. Определение главных размеров. Выбор электромагнитных нагрузок

1.1 Определение главных параметров

1.1.1 Главными размерами машины постоянного тока являются наружный диаметр якоря D и расчётная длина сердечника l δ .

Наружный диаметр якоря D определяется заданной высотой оси вращения

[1] , стр. 339, и он равен

D = (h — 0,004) = 0,221 м (1.1)

1.1.2 Согласно рекомендации рисунка 8.9 [1] и рисунка 8.8 [1] выбираем значения магнитной индукции в воздушном зазоре Тл и линейной нагрузки А/м. Согласно рисунку 8.7 [1] расчётный коэффициент полюсного перекрытия в зависимости от диаметра якоря принимаем .

Расчетная электромагнитная мощность:

где кВт – номинальная мощность двигателя,

Предварительное значение КПД электродвигателя выбираем

по рис. 8-6 [1]: η=0,86

1.1.3 Определяем длину сердечника якоря:

где – номинальная частота вращения ротора,

мм – диаметр якоря.

Длина магнитопровода якоря равна расчетной длине машины.

1.1.4 Определяем отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру:

Полученное λ удовлетворяет условию

1.2 Выбор типа обмотки якоря

1.2.1 Предварительное значение номинального тока двигателя:

где В — номинальное напряжение.

1.2.2 Для выбора типа обмотки якоря двигателя постоянного тока параллельного возбуждения необходимо значение номинального тока якоря.

Предварительное значение номинального тока якоря:

где – коэффициент, определяющий отношение тока возбуждения к току якоря, по таблице 8-10 [1]

Исходя из принятого числа главных полюсов и предварительного значения тока якоря , принимаем простую волновую обмотку. Число параллельных ветвей .

1.2.3 Ток параллельной ветви обмотки якоря, А:

1.3 Определение обмоточных данных

Читать еще:  Газель 405 двигатель инжектор схема электрооборудования

1.3.1 Предварительное значение числа проводников обмотки якоря:

1.3.2 При высоте оси вращения мм, зубцовое деление мм.

Определяем число пазов якоря:

1.3.3 Зубцовое деление

1.3.4 Число эффективных проводников в пазу:

1.3.5. Диаметр коллектора

1.3.6 Для того чтобы обмотку выполнить симметричной, необходимо число элементарных пазов в одном реальном принять нечётным числом. Число витков в секции:

1.3.7 Число коллекторных пластин:

1.3.8 Среднее напряжение между коллекторными пластинами, В:

Результаты расчета выполнения обмотки при различных значениях целесообразно занести в таблицу 1.

Таблица 1 — Результаты расчета выполнения обмотки при различных значениях

6.8 Потери и кпд машин постоянного тока

При работе генератора (или двигателя) постоянного тока полезная (выходная) мощность, отдаваемая машиной, всегда меньше подводимой от первичного двигателя (или сети) за счет наличия нескольких видов потерь мощности.

Электрические потери возникают в обмотке якоря, в обмотке возбуждения, обмотке добавочных полюсов и в щеточном контакте.

Потери в стали складываются из потерь на перемагничивание (гистерезис) и вихревые токи в стальном сердечнике якоря при его вращении в постоянном магнитном поле.

Механические потери обусловлены потерями на трение в подшипниках, щеток о коллектор, потерями на вентиляцию и составляют от (1…4)%.

Добавочные потери обусловлены потерями в стали полюсных наконечников от пульсации магнитного потока при вращении зубчатого якоря, и составляют 1% от отдаваемой мощности для генераторов и 1% от потребляемой мощности для двигателей.

КПД машины определяется отношением полезной мощности Р2 к потребляемой мощности Р1 и составляется: для генераторов

где UI – мощность, отдаваемая потребителю; ∑∆Р – суммарные потери.

где UI – мощность, потребляемая двигателем от сети.

КПД машины постоянного тока зависит от нагрузки (рисунок 6.9) и при номинальной мощности составляет от 75 до 95%.

Рисунок 6.9 – Зависимость КПД машины постоянного тока от нагрузки

7 Асинхронные и синхронные машины

Цель лекции: Ознакомление с устройством, принципом действия, режимами работы и основными характеристиками асинхронных и синхронных машин.

Асинхронные машины

7.1. Устройство асинхронных машин

Асинхронные машины являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических машин переменного тока. Асинхронная машина – машина переменного тока, у которой в установившемся режиме магнитное поле статора, участвующее в основном процессе преобразования энергии, и ротор вращаются с разными скоростями.

Преобладающее применение имеют асинхронные двигатели, составляющие основу современного электропривода: привод устройств автоматики, бытовые электроприборы, привод крупного горного оборудования.

Асинхронные двигатели могут быть как однофазными, так и трехфазными. Кроме асинхронных двигателей, преобразующих электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, имеются асинхронные машины, выполняющие функции преобразователя частоты, регулятора напряжения и фазорегулятора.

Асинхронный двигатель состоит из двух частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. Обмотка статора включается в сеть и является первичной, а обмотка ротора – вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками. По конструкции асинхронные двигатели разделяются на двигатели: с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.

Двигатели трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, (рисунок 7.1) имеют наиболее широкое применение. Статор состоит из корпуса и сердечника с трехфазной обмоткой. Каждая фазная обмотка состоит из одной или нескольких катушечных групп, которые располагаются по окружности статора на одинаковом расстоянии друг от друга. Фазные обмотки соединяются треугольником или звездой и подключаются к трехфазной сети. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или из чугуна. Поверхность корпуса имеет продольные ребра для охлаждения двигателя. В корпусе расположен сердечник статора, имеющий шихтованную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены скобами или сварными швами. Такая конструкция уменьшает вихревые токи, возникающие в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соединенные лобовыми частями.

В расточке статора расположен ротор, состоящий из вала и сердечника с обмоткой, представляющей собой алюминиевые или медные стержни, расположенные в пазах сердечника ротора и замкнутые с двух сторон короткозамыкающими кольцами. Сердечник ротора также имеет шихтованную конструкцию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла.

Читать еще:  Греется двигатель на холостых оборотах ваз 2107

Другая разновидность трехфазных асинхронных двигателей – двигатели с фазным ротором конструктивно отличается устройством ротора, который имеет более сложную конструкцию. На валу ротора закреплен шихтованный сердечник с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а ее концы присоединяют к трем контактным кольцам, на которые накладывают по две щетки, располагаемые в щеткодержателях на валу. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами.

Рисунок 7.1. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором:

1 – вал; 2, 6 – подшипники; 3, 7 – подшипниковые щиты; 4 –коробка выводов; 5, 8 – вентилятор и его кожух; 9 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 – сердечник статора с обмоткой; 11– корпус; 12 – лапы

Коэффициент полезного действия машины постоянного тока

Дата публикации: 23 января 2013 .
Категория: Статьи.

Общие положения

Коэффициент полезного действия определяется как отношение полезной, или отдаваемой, мощности P2 к потребляемой мощности P1:

или в процентах

Современные электрические машины имеют высокий коэффициент полезного действия (к. п. д.). Так, у машин постоянного тока мощностью 10 кВт к. п. д. составляет 83 – 87%, мощностью 100 кВт – 88 – 93% и мощностью 1000 кВт – 92 – 96%. Лишь малые машины имеют относительно низкие к. п. д.; например, у двигателя постоянного тока мощностью 10 Вт к. п. д. 30 – 40%.

Рисунок 1. Зависимость коэффициента полезного действия электрической машины от нагрузки

Кривая к. п. д. электрической машины η = f(P2) сначала быстро растет с увеличением нагрузки, затем к. п. д. достигает максимального значения (обычно при нагрузке, близкой к номинальной) и при больших нагрузках уменьшается (рисунок 1). Последнее объясняется тем, что отдельные виды потерь (электрические Iа 2 rа и добавочные) растут быстрее, чем полезная мощность.

Прямой и косвенный методы определения коэффициента полезного действия

Прямой метод определения к. п. д. по экспериментальным значениям P1 и P2 согласно формуле (1) может дать существенную неточность, поскольку, во-первых, P1 и P2 являются близкими по значению и, во-вторых, их экспериментальное определение связано с погрешностями. Наибольшие трудности и погрешности вызывает измерение механической мощности.

Если, например, истинные значения мощности P1 = 1000 кВт и P2 = 950 кВт могут быть определены с точностью 2%, то вместо истинного значения к. п. д.

Поэтому ГОСТ 25941-83, «Машины электрические вращающиеся. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия», предписывает для машин с η% ≥ 85% косвенный метод определения к. п. д., при котором по экспериментальным данным определяется сумма потерь pΣ.

(3)

Применив здесь подстановку P1 = P2 + pΣ, получим другой вид формулы:

(4)

Так как более удобно и точно можно измерять электрические мощности (для двигателей P1 и для генераторов P2), то для двигателей более подходящей является формула (3) и для генераторов формула (4). Методы экспериментального определения отдельных потерь и суммы потерь pΣ описываются в стандартах на электрические машины и в руководствах по испытанию и исследованию электрических машин. Если даже pΣ определяется со значительно меньшей точностью, чем P1 или P2, при использовании вместо выражения (1) формул (3) и (4) получаются все же значительно более точные результаты.

Условия максимума коэффициента полезного действия

Различные виды потерь различным образом зависят от нагрузки. Обычно можно считать, что одни виды потерь остаются постоянными при изменении нагрузки, а другие являются переменными. Например, если генератор постоянного тока работает с постоянной скоростью вращения и постоянным потоком возбуждения, то механические и магнитные потери являются также постоянными. Наоборот, электрические потери в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной изменяются пропорционально Iа², а в щеточных контактах – пропорционально Iа. Напряжение генератора при этом также приблизительно постоянно, и поэтому с определенной степенью точности P2Iа.

Таким образом, в общем, несколько идеализированном случае можно положить, что

где коэффициент нагрузки

Определяет относительную величину нагрузки машины.

Суммарные потери также можно выразить через kнг:

где p – постоянные потери, не зависящие от нагрузки; p1 – значение потерь, зависящих от первой степени kнг при номинальной нагрузке; p2 – значение потерь, зависящих от квадрата kнг, при номинальной нагрузке.

Подставим P2 из (5) и pΣ из (7) в формулу к. п. д.

(8)

Установим, при каком значении kнг к. п. д. достигает максимального значения, для чего определим производную dη/dkнг по формуле (8) и приравняем ее к нулю:

Читать еще:  Что такое двигатель gdi на galant

Это уравнение удовлетворяется, когда его знаменатель равен бесконечности, т. е. при kнг = ∞. Этот случай не представляет интереса. Поэтому необходимо положить равным нулю числитель. При этом получим

Таким образом, к. п. д. будет максимальным при такой нагрузке, при которой переменные потери kнг² × p2, зависящие от квадрата нагрузки, становятся равными постоянным потерям p.

Значение коэффициента нагрузки при максимуме к. п. д., согласно формуле (9),

(10)

Если машина проектируется для заданного значения ηмакс, то, поскольку потери kнг × p1 обычно относительно малы, можно считать, что

Изменяя при этом соотношение потерь p и p2, можно достичь максимального значения к. п. д. при различных нагрузках. Если машина работает большей частью при нагрузках, близких к номинальной, то выгодно, чтобы значение kнг [смотрите формулу (10)] было близко к единице. Если машина работает в основном при малых нагрузках, то выгодно, чтобы значение kнг [смотрите формулу (10)] было соответственно меньше.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Какой КПД у электродвигателя

Содержание

  1. Какой КПД у электродвигателя: принцип расчёта
  2. Потери мощности — основные виды
  3. Магнитные, электрические и механические потери
  4. Изменение КПД двигателя

Современные модели электрических двигателей характеризуются высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Тем не менее, работа двигателя любой модели сопровождается выделением теплоты в процессе преобразования электроэнергии в энергию механическую. Локальные потери мощности могут происходить:

  • в деталях из стали;
  • в обмотках.

Показатели мощности в результате неизбежно снижаются, не достигая максимально возможных. В этой статье перечислены основные факторы, от которых зависит, какой КПД у электродвигателя.

Какой КПД у электродвигателя: принцип расчёта

Существует несколько методов определения КПД электродвигателя. Если использовать для расчета показатели полезной и потребляемой мощности электродвигателя, то их соотношение и составит искомую величину, которая может быть:

  • 0,75-0,9 (если мощность агрегата не выше 100 кВт);
  • до 0,97 (для более мощных моделей).

Существует также косвенный метод расчета коэффициента полезного действия, который основан на определении суммарных потерь мощности.

Потери мощности — основные виды

Значимые потери мощности, от которых зависит величина КПД электродвигателя, делятся на следующие группы:

  • магнитные (относятся к постоянным);
  • электрические (постоянными не являются);
  • механические (постоянные).

Помимо основных, наблюдаются также добавочные потери (например, в полюсных наконечниках), которые сложно поддаются точному расчету. Незначительный уровень таких потерь позволяет принять их сумму условно равной 0,5-1 % и учитывать это значение при расчете общей величины КПД.

Остановимся подробнее на основных разновидностях потерь мощности.

Магнитные, электрические и механические потери

Значение магнитных потерь, которые происходят в результате перемагничивания якорного сердечника, складывается из показателей потерь от вихревых токов в стали и от гистерезиса. От толщины стальных листов, из которых изготовлен сердечник, и качества изоляции может зависеть исходная величина. Также на объем магнитных потерь влияет частота, с которой происходит перемагничивание.

Электрические потери, показатели которых меняются с изменением уровня нагрузки оборудования, происходят:

  • в якорных обмотках;
  • в щетках;
  • в цепях возбуждения.

Основной причиной механических потерь является трение разных видов. Это может быть трение в подшипниках, а также трение щеток о контактные кольца и коллектор, трение ротора и пр. Потери также возникают в процессе вентиляции. Механические и электрические потери воздействуют на эффективность эксплуатируемого двигателя в наибольшей степени.

Изменение КПД двигателя

В процессе работы асинхронного двигателя значение КПД не остается постоянной величиной. Показатели меняются, быстро достигая пиковой величины (при нагрузке, составляющей примерно 80% от номинальной) и далее постепенно снижаясь. Это объясняется существенным ростом электрических потерь, который наблюдается при нагрузках.

Чтобы повысить среднюю величину КПД, необходимо снизить потери мощности. Для этого существует ряд возможностей:

  • механические потери сокращаются, если использовать современные материалы с более совершенными эксплуатационными характеристиками;
  • электрические потери будут ниже, если двигатель работает при малых скольжениях.

Поскольку коэффициент полезного действия является определяющим параметром для экономичности эксплуатации оборудования, в процессе разработки новых моделей электродвигателей конструкторы ставят своей целью минимизировать неизбежные потери мощности и добиться повышения КПД.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector