Курсовая работа (т): 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: