Министерство образования РФ
Вятский государственный университет
Факультет автоматики и вычислительной техники
Кафедра электропривода и автоматизации промышленных

установок и технологических комплексов
Расчетно-пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине
“Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов”
задание 1

вариант 5
Шифр

Выполнил: студент гр.                    /                  /

Проверил:  преподаватель                                          /                  /
Киров 2010г.

1. Исходные данные.

                                           1.1 Техническое задание

Схема подачи воды в водонапорную башню





1. Максимальная мощность насоса                                              

2. Высота бака водонапорной башни                                 

3. Длина горизонтальной части водопровода                    

4. Диаметр трубы                                                                          

5. Диапазон регулирования производительности              

6. Углы поворота водопровода, град                                 

7. Высота подъема водопровода над уровнем водоема     

8. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
1
.2
Технические условия
1.1.     На пути трубопровода поставлены 2 колена с поворотами на  и , 3 вентиля и одна задвижка.

1.2.     Регулирование производительности:

а) механическое;

б) электрическое

1.3.     При электрическом регулировании использовать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

1.4.     Сеть переменного тока с напряжением 380В.
1.3 Содержание работы

1. Расчетная часть:

- выбор насоса для двух вариантов регулирования производительности

- обоснование способов электрического регулирования производительности и выбора принципиальной схемы электропривода

- расчет и выбор электродвигателя и элементов силовых цепей

- расчет механических характеристик двигателя, соответствующих максимальной и минимальной производительности насоса

- расчет графиков переходных процессов M
=
f
(
t
), и ω=f
(
t
) при пуске двигателей

- определение расхода электроэнергии (активной и реактивной) и КПД способа регулирования на единицу производительности в заданном диапазоне для двух вариантов регулирования производительности и сравнить их

2. Графическая часть:

- схема подачи воды центробежным насосом

- принципиальные схемы силовых частей сравниваемых вариантов систем электропривода

- механические характеристики электроприводов

- графики переходных процессов

3. Выводы.
2. Выбор центробежного насоса.

Для выбора насоса определим характеристику магистрали, подключенной к насосу. Зависимость напора от производительности выражается формулой:

          (2.1)

где - напор магистрали

=H - геометрическая высота подъема жидкости, м;

 - давление в напорной и всасывающей емкостях, Па;

 - суммарные гидравлические потери в магистрали, м;

 - удельная плотность среды.

Так как напорная и всасываемая емкости находятся при атмосферном давлении (), формула (2.1) приобретает вид:

            (2.2)

Суммарные гидравлические потери в магистрали будут состоять из гидравлических потерь по длине трубопровода и местных потерь.

Гидравлические потери по длине трубопровода определяются по формуле

  (2.3)

Местные потери:

   (2.4)

где  - длина трубопровода, м;

d – внутренний диаметр трубы, м;

v
– средняя скорость движения, ;

 - коэффициент потерь напора (определяется экспериментальным путем, при диаметре трубы 0,2м  [взято из методического указания к курсовой работе]);

 - коэффициент местных потерь;

g – ускорение свободного падения.

 (2.5)

Длина трубопровода рассчитывается по формуле:

    (2.6)



Коэффициент местных потерь:

;       (2.7)

где:

;

 - потери при повороте на угол ;

 - потери при повороте на ;

 - потери в вентиле;

 - потери на задвижке;

тогда:



Формулу 2.2 запишем в виде:

   (2.8)

где :





Максимальный напор, соответствующий максимальной производительности находим из формулы (2.8),



Исходя из максимальной производительности и максимального напора, выбираем насос

8М-8x4а

Н, м	Q, м3 /ч	Dвх, мм		n ,об/мин
148	180	350	6,3	1450

Характеристики насоса приведены на рисунке 2.1


Рисунок 2.1
В насосах при достижении определенных условий может возникнуть явление, называемое кавитацией. Кавитация в насосах сопровождается резким шумом, треском и даже вибрацией насосной установки, при этом падает напор, мощность, подача и КПД. Работа в режиме кавитации недопустима.

Основным средством предупреждения кавитации является обеспечение превышения напора на входе в насос над напором, равным давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости. Это превышение и будет кавитационным запасом. Определяется следующим образом:

      (2.8)

где  - абсолютное давление на свободную поверхность жидкости в резервуаре, из которого ведется откачивание, Па

- давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при рабочей температуре, Па

- суммарные потери напора во всасывающем патрубке при максимальной производительности, м

- геометрическая высота всасывания, м

Величина  равна расстоянию по вертикали от оси вала насоса до уровня жидкости в резервуаре, из которого её откачивают. она имеет знак «+» при расположении насоса выше уровня жидкости (высота всасывания) и знак «-» при расположении насоса ниже уровня жидкости (подпор). 

Обычно , что соответствует наиболее часто встречаемому случаю всасывания воды из открытого водоема при нормальном давлении.

Тогда выражение 2.8 будет иметь вид:

 (2.9)

Бескавитационный режим работы обеспечивается при условии , где  - допускаемый для данного насоса кавитационный запас.

 - суммарные потери напора во всасывающем патрубке при максимальной производительности при ()





 следовательно выбранный насос удовлетворяет заданным требованиям.
3. Расчет и выбор электродвигателя и элементов силовых цепей.

Исходными данными для расчета мощности двигателя являются каталожная Q-H характеристика исполнительного механизма (в данном случае насоса) и характеристика магистрали. Характеристика магистрали для насоса строится по формулам (2.1), (2.2)

Строим каталожную Q-H характеристику для выбранного нами насоса. Затем с помощью формул пересчета

;  (3.1)

- напор и подача произвольной i-й точки на каталожной характеристике;

строим Q-H характеристики насоса для произвольных значений частоты вращения, отличных от каталожной точек  с номером j. Подбираем такие значения , чтобы полученные характеристики охватывали весь диапазон производительности насоса от минимальных до максимальных значений:



Точки пересечения магистрали с вновь построенными Q-H характеристиками определяют рабочие режимы системы “исполнительный механизм-магистраль” для конкретной скорости исполнительного механизма. Мощность на валу исполнительного механизма в рабочих точках определяется как

 (3.2)

где и  - напор и подача в точке A;

 - КПД исполнительного механизма в точке А

  - плотность воды.

Зная мощность в точке А  и скорость, при которой она была получена , можно определить момент на валу двигателя

(3.3)

121	60	50	128	145	308.8	273,3
121,5	90	62	130	147	369.3	326,8
122	133	67	133	150	495.7	438,8
122	150	69	135	152	534.8	473,3

 

 

Для уменьшения момента на валу двигателя, и для увеличения его скорости работы, близкой к номинальной скорости (а, следовательно, уменьшения потерь на скольжение), установим между двигателем и насосом редуктор с передаточным числом u. КПД редуктора как правило не менее 98-99%, поэтому в дальнейших расчетах учитывать его не будем







Соответственно изменится диапазон регулирования скорости на валу двигателя и момент двигателя.

Зависимость момента на валу двигателя от скорости

При регулировании изменением параметров статорной цепи критерием выбора электродвигателя является условие:

 (3.4)

где  максимальные потери мощности в обмотке ротора;

       номинальные потери мощности в обмотке ротора (рассчитывается по каталожным данным).

Выражение (3.4) справедливо в предположении постоянства теплоотдачи и соотношения потерь в статорной и роторной обмотках при изменении скорости. Если, кроме того, отсутствует дополнительный отвод мощности из ротора, т.е. нет добавочных сопротивлений и асинхронный двигатель не включен в каскад, условие может быть записано в виде

 (3.5)

где  - максимальная мощность потерь скольжения в заданном диапазоне изменения скорости.

Зависимость потерь скольжения  от скорости механизма при аналитической аппроксимации:

 (3.6)

где  - максимальное значение момента;

- максимальное значение скорости;

 =157 синхронная скорость вращения

Показатель степени





Скорость, соответствующая максимуму потерь, равна

 (3.7)



Максимальные потерь тепла в заданном диапазоне регулирования будут при минимальной скорости

	1	2	3	4
	145	147	150	152
	7	6	4.6	3
	3280	3207	2842	2369
	273.3	326.8	438.8	473.8

Зависимость потерь от скольжения в заданном диапазоне регулирования

Для выбора двигателя запишем уравнение (3.5) в виде

Максимальные потери

 (3.7)



где  - номинальное скольжение двигателя;

 - номинальный момент двигателя


Для расчетов предварительно выберем  двигатель и проверим его:

Синхронная частота вращения 1500 об/мин

Типоразмер АД	Р2ном, кВт	Энергетические показатели		Параметры схемы замещения
					В ном. режиме работы
		%
4АН280M4У3	160.0	93.5	0.90	4.1	0.023	0.11	0.018	0.15

Типоразмер АД	Механическая характеристика
4АН280M4У3	1.2	1.0	2.0	2.0	7.2	6.0	2.1

Проверим выбранный двигатель






4АН280M4У3



Выбранный двигатель удовлетворяет условию (3.7)

 = 154 рад/с

= 1040

Критическая скорость

7. Расчет расхода электроэнергии и КПД привода на единицу

 производительности.

Электрический способ
Все потери делятся на переменные и постоянные. Переменные потери зависят от нагрузки.

При графическом способе определения потерь, переменные потери запишутся:

         (7.1)

где - значения, соответствующие точкам на механической характеристике насоса

 - суммарные активные сопротивления цепи статора и ротора



Постоянные потери

 (7.2)

где  - механические потери

 - номинальные потери в стали статора и ротора

 - потери на создание магнитного потока

 (7.3)

(7.4)

где - номинальный ток намагничивания






Суммарные потери будут складываться из переменных и постоянных



Потери на единицу производительности равны

i	1	2	3	4
	145	147	150	152
	273.3	326.8	438.8	473.3
	58	63	69	72
	60	90	133	150
, Вт	7256	7236	6801	5240
	2765	2903	3092	3201
	10021	10139	9893	8441
	167	112.7	74.3	56.3

Зависимость потерь от производительности и потери на единицу производительности в заданном диапазоне регулирования.

КПД



где  - - КПД двигателя при i – скорости

-  КПД механизма при i – скорости

i	1	2	3	4
	145	147	150	152
	273.3	326.8	438.8	473.3
	60	90	133	150
	0.5	0.62	0.67	0.69
	0.92	0.94	0.96	0.97
	0.46	0.58	0.64	0.67

Зависимость КПД от производительности в заданном диапазоне регулирования.
Механический способ

Потери мощности при механическом способе определяются



где - потери в двигателе при текущем значении производительности

Р_2i – мощность на валу двигателя текущая

 - потери в механизме

 - потери механического способа регулирования



Зависимость КПД двигателя от мощности на валу приведена в каталоге



КПД при механическом способе

 (7.5)

i	1	2	3	4
	60	90	120	150
	57850	69760	84000	86020
	0.92	0.91	0.90	0.89
	0.48	0.59	0.63	0.75
	0.71	0.72	0.74	0.76
	0.31	0.39	0.42	0.5
, Вт	5030	6899	9333	10630
	62670	49330	48480	28670
, Вт	2970	4275	4980	5625
	70670	60504	62793	44925
	1177,833	672,2667	523,275	299,5

Зависимость КПД от производительности



потери на единицу производительности

8. Выводы.

В результате произведенных расчетов мы получили расход электроэнергии и КПД при электрическом и механическом способах регулирования производительности. Из расчетов видно, что более экономичным в данном случае является электрический способ регулирования. Он обладает меньшим расходом электроэнергии и большим КПД. Но при электрическом способе регулирования больше установленная мощность двигателя и больше капитальных затрат.

Недостатком данного варианта электрического регулирования скорости является выделение потерь скольжения при снижения скорости в самом двигателе. Эти потери вызывают дополнительный нагрев двигателя и требуют соответствующего завышения установленной мощности двигателя

Механический способ регулирования является более простым в реализации и более надежным.