n - коэффициент кинематической вязкости среды.

вторая составляющая общего коэффициента теплоотдачи:

,

где e_ст - степень черноты стенок:

e_ст = 0,9;

Т_ст - температура стенок, ° С;

d_ст - постоянная Стефана-Больцмана:

d_ст = 5,67 Вт/(м₂ґК⁴).

Исходя из того, что температура на внутренней и внешней поверхности стенок расстойного шкафа является неизвестной величиной, принимаем в первом приближении:

a₁ = a₂ = 10 Вт/(м²ґгр);

Тогда коэффициент теплопередачи через стенки расстойного шкафа составит:

откуда

Q_ст = 2 ґ ( 40 - 20 ) ґ 11,77 = 470,8 Вт.

При этих данных температура на внутренней поверхности стенок камеры расстойного шкафа составит

,

аналогично, на наружной поверхности

,

Во втором приближении:

Для внутренней поверхности стенок:

Pr₁ = 0,699 (при T = 40 ° С)

Учитывая, что при T = 40°С

n_возд = 16,96ґ10^-6 м²/c ,

получим:

Тогда:

Nu₁=0,15ґ(Gr₁ґPr₁)^1/3=0,15ґ(2,7596ґ10⁹ґ0,699)^1/3=186,724

Откуда, учитывая, что при T = 40°С

l_возд = 2,756ґ10^-2 Вт/(мґгр),

получим

a_кон1 = Nu₁ґl_возд/h_ст=186,724ґ2,76ґ10^-2/1,85 = 2,79 Вт/(м²ґгр)

Значение коэффициента теплоотдачи излучением:

Следовательно, общий коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности стенок расстойного шкафа составляет

a₁ = a_кон1 + a_изл1 = 2,79 + 6,14 = 8,93 Вт/(м²ґгр).

Аналогично, для внешней поверхности стенок расстойного шкафа:

Pr₁ = 0,703 (при T = 20 ° С)

Учитывая, что при T = 20°С

n_возд = 15,06ґ10^-6 м²/c ,

получим:

Тогда:

Nu₂=0,15ґ(Gr₂ґPr₂)^1/3=0,15ґ(3,7388ґ10⁹ґ0,703)^1/3=207

Откуда, учитывая, что при T = 20°С

l_возд = 2,59ґ10^-2 Вт/(мґгр),

получим

a_кон2 = Nu₂ґl_возд/h_ст=207ґ2,59ґ10^-2/1,85 = 2,898 Вт/(м²ґгр)

Значение коэффициента теплоотдачи излучением:

Следовательно, общий коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенок расстойного шкафа составляет

a₂ = a_кон2 + a_изл2 = 2,898 + 5,24 = 8,14 Вт/(м²ґгр).

Коэффициент теплопередачи через стенки расстойного шкафа во втором приближении составит:

откуда потери теплоты через стенки расстойного шкафа:

Q_ст = 1,87 ґ ( 40 - 20 ) ґ 11,77 = 440,2 Вт.

При этих данных температура на внутренней поверхности стенок камеры расстойного шкафа составит

,

аналогично, на наружной поверхности

,

Степень расхождения между первым и вторым приближениями для каждой из этих температур:

d_т’ = 100 ґ ( 36 - 35,8 )/ 36 = 0,6%;

d_т’ = 100 ґ ( 24,6 - 24 )/ 24 = 2,6%.

Это допустимо. В этой связи результаты второго приближения принимаем за окончательные.

Для них выполним проверку на наличие или отсутствие конденсации пара из парогазовой среды на внутренней поверхности стенок камеры расстойного шкафа. Во избежание нежелательной конденсации пара необходимо, чтобы температура на внутренней поверхности стенок Т’_cт превышала температуру точки росы Т_р:

Т’_cт > Т_р.

Для оптимальных (расчетных параметров) расстойки - температуры парогазовой среды 40 °С и относительной влажности 75%, согласно данным таблиц, температура точки росы

Т_р = 34,5°С.

Отсюда следует, что в нашем случае конденсация пара на внутренней поверхности стенок в установившемся режиме работы расстойного шкафа отсутствует.

Окончательная формула потери теплоты через стенки расстойного шкафа, с учетом того что

К_ст = k_cт ґ S_ст = 1,87 ґ 11,77 = 22 Вт/гр,

запишется как

Q_ст = 22 ґ (Т_возд - Т_ос),

где Т_ос - температура окружающей среды.

Система дифференциальных уравнений

Таким образом, для моделирования работы системы управления расстойным шкафом необходимо решить систему дифференциальных уравнений:

DT = T_зад - T_возд - сигнал рассогласования;

;

Q_тэн = 4,358 ґ (Т_тэн - Т_возд);

dT_тэн/dt = (2500 - Q_тэн)/(470 ґ 0,714);

Q_теста = 223,2 ґ (Т_возд - Т_теста);

dT_теста/dt = (Q_теста + 150)/( 3000 ґ 180);

Q_тел = 63 ґ (Т_возд - Т_тел);

dT_тел/dt = Q_тел / (500 ґ 75);

Q_ст = 22 ґ (Т_возд - Т_ос);

Q_возд = Q_тэн - Q_теста - Q_тел - Q_ст ;

dT_возд/dt = Q_возд /(1079ґ2,775).

Расчет и идентификация процессов протекающих в расстойном шкафу

Для расчета термодинамических процессов происходящих в камере расстойного шкафа при расстойке тестовых заготовок, а также для выбора параметров СУ обеспечивающих заданный режим, была разработана программа для ЭВМ, моделирующая работу системы управления расстойным шкафом. Блок-схема данной программы приведена на чертеже, а текст программы приведен в Приложении 1. По результатом работы программы были построены переходный процесс и фазовый портрет (см. рис.4.1, рис.4.2 и графики). При этом мощность ТЭНов и допуск на отклонение температуры воздуха в камере расстойного шкафа от заданного значения были выбраны исходя из результатов исследований, изложенных в разделе 6. Из графика переходного процесса видно, что, после выхода в установившийся режим, температура циркулирующего в камере расстойного шкафа воздуха поддерживается на заданном уровне, не выходя за пределы заданного допуска, а температура поверхности тестовых заготовок достигает заданной к окончанию времени расстойки. Это говорит о правильности расчетов и верности выбора параметров СУ.

Также была проведена идентификация разработанной модели СУ расстойного шкафа с работающим образцом. Отклонения параметров работы модели от образца оказались небольшими, что указывает на правильный выбор допущений и упрощений, сделанных в процессе разработки данной модели.

Делаем вывод, что упрощенная математическая модель может быть с успехом использована для расчета параметров работы расстойного шкафа и его системы управления.

рис 4.1

рис.4.2

Выбор элементов и конструкции системы управления расстойным шкафом

Состав системы управления

Исходя из требований, предъявляемых к системе управления расстойным шкафом, входящим в состав минипекарни, в данном дипломе была выбрана следующая конструкция СУ, представленная на чертежах.

В состав данной системы управления входят следующие элементы:

1. Блок подогрева и увлажнения циркулирующего воздуха

   1. Конструктивные элементы

      1. Герметичная металлическая емкость ;

      2. Верхняя крышка;

      3. Крышка ТЭНов;

      4. Крышка датчиков уровня воды;

   2. Нагревательные элементы (ТЭНы)

      1. ТЭН подогрева воздуха;

      2. ТЭН подогрева воды;

   3. Элементы систем подачи и слива воды

      1. Фильтр поступающей воды;

      2. Электроклапан подачи воды;

      3. Электроклапан подачи воды для очистки от накипи;

      4. Наливные и сливные трубопроводы;

      5. Сливной насос;

   4. Элементы системы циркуляции влажного воздуха

      1. Циркуляционный вентилятор;

      2. Приводной мотор циркуляционного вентилятора (асинхронный трехфазный двигатель АИР90Л4);

      3. Воздуховод;

   5. Датчики

      1. Датчик температуры циркулирующего воздуха;

      2. Датчик относительной влажности циркулирующего воздуха;

      3. Датчик предельно допустимой температуры ТЭНов;

      4. Датчики уровня воды

         1. Датчик максимального уровня воды;

         2. Датчик минимального уровня воды, при котором начинается ее доливка;

         3. Датчик опасного, вследствие оголения ТЭНов поддержания влажности, уровня воды;

2. Блок электронной системы автоматического управления

   1. Автоматический отключатель;

   2. Предохранители;

   3. Преобразователь частоты ACS 301-4P1-3 фирмы АББ;

   4. Система автоматического управления;

   5. Реле включения ТЭНов

      1. Реле включения ТЭНа поддержания температуры циркулирующего воздуха;

      2. Реле включения ТЭНа поддержания относительной влажности циркулирующего воздуха;

   6. Трансформатор для питания мотора сливного насоса;

   7. Задатчики

      1. Задатчик скорости вращения циркуляционного вентилятора;

      2. Задатчик допуска поддерживаемой температуры;

   8. Разъемы

      1. Разъем питания;

      2. Разъем датчиков;

      3. Разъем панели управления;

      4. Разъем сервисный, служащий для наладки, контроля и поиска неисправности в системе управления расстойным шкафом;

3. Панель управления

   1. Выключатели

      1. Выключатель питания;

      2. Выключатель управления;

   2. Задатчики

      1. Здатчик температуры;

      2. Задатчик влажности;

   3. Индикатор температуры;

   4. Индикаторные лампы

      1. Лампа включения питания;

      2. Лампа возникновения неисправности;

      3. Лампа включения сливного насоса;

      4. Лампа включения ТЭНа поддержания температуры циркулирующего воздуха;

      5. Лампа включения ТЭНа поддержания относительной влажности циркулирующего воздуха;

Принцип работы системы управления расстойным шкафом

При включении выключателя питания СУ расстойным шкафом запускает мотор циркуляционного вентилятора, который обеспечивает циркуляцию воздуха в камере расстойного шкафа. При этом на панели управления загорается лампа включения питания. Скорость вращения мотора циркуляционного вентилятора, влияющая на скорость циркуляции воздуха, задается с помощью задатчика скорости циркуляционного вентилятора и поддерживается с помощью преобразователя частоты. Одновременно происходит слив воды из блока подогрева и увлажнения циркулирующего воздуха с последующим набором новой воды и переходом в режим очистки ТЭНов поддержания влажности от накипи, путем их кратковременного включения с непрекращающимся сливом и набором воды. Во время этой операции на панели управления горит лампа Слив/Очистка.

При включении выключателя управления СУ переходит в режим поддержания температуры и относительной влажности, заданных задатчиками температуры и влажности.

При недостаточной температуре циркулирующего воздуха в камере расстойного шкафа система управления выдает сигнал на включение ТЭНов поддержания температуры, которые, находясь в потоке циркулирующего воздуха, нагревают его, а он, в свою очередь, передает энергию тестовым заготовкам, расположенным на тележках в камере расстойного шкафа. О работе ТЭНов поддержания температуры воздуха информирует соответствующая лампа на панели приборов, горящая при включенных ТЭНах. При превышении температуры циркулирующего воздуха заданной с помощью задатчика температуры на панели управления на величину допуска, установленного задатчиком допуска на поддерживаемую температуру, система управления выдает сигнал на отключение ТЭНов поддержания температуры. Циркулирующий в камере расстойного шкафа воздух за счет потерь энергии через стенки и на прогрев тестовых заготовок и тележек начинает охлаждаться. При понижении его температуры до нижнего значения допуска, система управления выдает сигнал на включение ТЭНов подогрева воздуха. Таким образом обеспечивается поддержание заданной температуры циркулирующего в камере расстойного шкафа воздуха.

Поддержание относительной влажности циркулирующего в камере расстойного шкафа воздуха происходит аналогично. При недостаточной влажности система управления выдает сигнал на включение ТЭНов поддержания влажности, которые, находясь в воде, нагревают ее. При этом испарившаяся часть воды идет на увлажнение циркулирующего в камере расстойного шкафа воздуха. При достижении заданной с помощью задатчика относительной влажности на панели управления влажности воздуха система управления выдает сигнал на отключение, а при ее понижении (за счет конденсации) на величину допуска - на включение ТЭНов поддержания влажности. О работе ТЭНов поддержания относительной влажности воздуха в камере расстойного шкафа информирует соответствующая лампа на панели приборов, горящая при включенных ТЭНах. Уровень воды в блоке увлажнения и нагрева поддерживается автоматически.

Система управления обеспечивает безопасность работы расстойного шкафа. Для предотвращения последствий коротких замыканий электрические цепи питания снабжены автоматическими отключателями и предохранителями. Для предотвращения поражения обслуживающего персонала пекарни электротоком выполнено защитное зануление. Для предотвращения перегрева ТЭНов поддержания температуры предусмотрен датчик допустимой температуры данных ТЭНов, а для предотвращения перегрева ТЭНов поддержания влажности предусмотрен датчик контроля минимально допустимого уровня воды в блоке подогрева и увлажнения. При любой неисправности система управления отключает все работающие устройства и подает сигнал путем зажигания на панели управления лампы неисправности.

Расчет параметров СУ, обеспечивающих заданный режим

Выбор мощности ТЭНов

Мощность ТЭНов в системе управления расстойным шкафом должна удовлетворять следующим условиям:

• Должен быть обеспечен быстрый выход в установившийся режим работы расстойного шкафа;

• Периодичность циклов включения-выключения ТЭНов не должна быть очень высокой и слишком низкой;

• Допустимая температура нагрева ТЭНов не должна превышаться.

Путем перебора нескольких значений мощности ТЭНов поддержания температуры воздуха в камере расстойного шкафа и последующего расчета переходного процесса с помощью программы (см. Приложение 1) было выяснено, что оптимальной для данного объема камеры расстойного шкафа и заданного допуска на отклонение поддерживаемой температуры является мощность ТЭНов, равная

P_тэн =2500 Вт.

При такой мощности ТЭНов поддержания температуры воздуха процесс выхода в установившееся состояние занимает примерно 20 минут, периодичность циклов включения выключения составляет около 1,5 минуты, а перегрев ТЭНов выше максимально допустимой температуры не происходит.

Выбор мощности ТЭНов поддержания влажности воздуха в камере расстойного шкафа произведем из условия, что нагрев испаряемой воды с температуры начала расстойки до температуры кипения должен происходить не более чем за 5ё10 мин с начала процедуры расстойки:

T_{тэн вл} = c_воды ґ m_воды ґ (100 - T₁)/t,

где c_воды - теплоемкость воды:

c_воды = 4200 Дж/(кгґгр);

m_воды - масса воды в блоке увлажнения и подогрева:

m_воды = 6 кг;

T₁ - температура воды в начале расстойки:

T₁ = 20°С.

Тогда:

T_{тэн вл} = 4200 ґ 6 ґ (100 - 20)/ 540 = 3733 Вт.

Выбираем T_{тэн вл} = 4000 Вт.

Выбор допуска на отклонение температуры

При моделировании процессов в расстойном шкафу было выяснено, что необходимо выбирать допуск на отклонение поддерживаемой температуры от заданной, по границам которого система управления включает и выключает ТЭНы, меньше чем данный в задании. Это связано с тем, что при поддержании температуры в камере расстойного шкафа присутствуют большие запаздывания, вызванные характером моделируемого объекта. По результатам моделирования с различными допусками на отклонение температуры стало ясно, что оптимальным для данного случая является допуск на отклонение поддерживаемой температуры в 2 раза более строгий, чем данный в задании. Такой допуск обеспечивает невыход температуры за допустимые пределы и, в то же время, не делает слишком коротким цикл включения-выключения ТЭНов, что положительно сказывается на их ресурсе и ресурсе включающих их реле.

Расчет циркуляционного вентилятора

Подбор циркуляционного вентилятора осуществляется по его объемной производительности (V_цир) и напору (Н_цир).

Объемная производительность расчитывается по формуле:

V_цир = u_возд ґ f_шк / 2 ,

где u_возд - скорость движения воздуха в камере расстойного шкафа:

u_возд =0,4 м/c

f_шк - площадь живого сечения камеры расстойного шкафа:

f_шк = 1,26 м²,

тогда

V_цир = 0,4 ґ 1,26 / 2 = 0,252 м³/c.

Напор определяется путем аэродинамического расчета газового тракта циркулирующей среды по формуле:

Н_цир = 1,2 ґ е DP,

где DP - основные местные сопротивления:

DP = x ґ u_возд² ґ r_возд,

где x - коэффициент местного сопротивления;

r - плотность циркулирующего воздуха.

Расчет местных сопротивлений приведен в таблице 6.1

Таблица 6.1

Расчет местных сопротивлений

Откуда:

Н_цир = 1,2 ґ 4446 = 5335 Па.

Этот напор при объемной производительности

V_цир = 0,252 м³/c

может обеспечить центробежный вентилятор с приводным мотором мощностью:

N_эл = V_цир ґ Н_цир / h_цир ,

где h_цир - КПД приводного двигателя циркуляционного вентилятора: h_цир = 0,75.

Тогда: N_эл = 0,252 ґ 5335 / 0,75 @ 1800 Вт.

Технологическая часть

Технологическая часть: автоматизация процесса испытаний асинхронных двигателей 0,5ё5,5 кВт

При серийном и массовом производстве естественно стремление максимально автоматизировать производственный процесс, который включает в себя и этап испытания электрических машин. Исследования показали, что трудоемкость контрольных операций составляет до 13% трудоемкости изготовления электродвигателей. Средние нормы времени на проведение приемо-сдаточных одной электрической машины средней мощности составляет 3 ... 35 ч (для различных типов машин). На проведение приемочных испытаний одной электрической машины требуется 48 ... 250 ч. Средние нормы времени на обработку результатов приемо-сдаточных испытаний одной машины составляют 0,6 ... 4 ч, а на обработку приемочных испытаний - 40 ... 90 ч. Естественно, что столь высокая трудоемкость проведения испытаний и обработки их результатов заставляет искать пути автоматизации испытаний и использования ЭВМ.

Автоматизация испытаний электрических машин позволяет получить объективные и достоверные результаты испытаний, ускорить проведение контрольных измерений и повысить производительность труда. ЭВМ используются не только для обработки результатов испытаний, но и при управлении процессом испытаний, статистическом контроле и анализе результатов испытаний (не только при выборочном, но и при сплошном контроле). Из всех видов электрических машин наибольший объем выпуска имеют асинхронные низковольтные двигатели. Поэтому в первую очередь был автоматизирован процесс испытаний асинхронных двигателей.

Автоматизированная установка для типовых, приемочных и периодических испытаний асинхронных двигателей

В данном дипломном проекте для испытания асинхронного двигателя применяется автоматизированная установка с использованием ЭВМ, блок-схема которой, показана на чертеже.

На установке автоматизированные испытания электродвигателя проводятся по следующей программе: измерение сопротивления обмоток; снятие характеристики короткого замыкания, механической и рабочей характеристики холостого хода.

Испытуемый двигатель закрепляют на нагрузочной установке, предназначенной для совмещения вала двигателя с осью маховых масс, создающих динамическую нагрузку. Вал двигателя соединяется с валом датчика частоты вращения.

Снятие механических и рабочих характеристик производят в процессе разгона электродвигателя. При этом сопротивление обмоток соответствует установившейся температуре, полученной при испытании на нагревание. Эта температура достигается автоматически в режиме короткого замыкания. Для проведения опыта холостого хода электродвигатель отсоединяют от маховых масс.

Электронно-вычислительная машина в соответствии с записанной программой осуществляет управление испытательным процессом, переводит испытуемый электродвигатель в различные испытательные режимы, коммутирует измерители, принимает информацию от измерителей электрических и неэлектрических величин, осуществляет необходимые вычисления и выдает обработанную информацию на печать. Измеритель электрических величин посылает через соответствующие блоки ЭВМ мгновенные значения измеряемых величин через равные промежутки времени с большой частотой. В ЭВМ эти данные обрабатываются и выдаются на печатающее устройство или графопостроитель. Для построения кривых используются действующие значения измеренных электрических величин.

Процесс автоматизации испытаний проводится в два этапа. Цель первого этапа - повышение точности определения характеристик электродвигателей и сокращение малопроизводительного труда. На этом этапе проводят испытания электродвигателей на нагревание и определяют сопротивления обмоток при постоянном токе и в холодном состоянии, характеристики холостого хода, рабочие, короткого замыкания и механическую, а также вероятность безотказной работы.

На втором этапе операции снятия показаний приборов заменены обработкой информации на мини-ЭВМ.

Программа испытаний

Для асинхронных двигателей ГОСТ 183-74 предписывает программу приемочных испытаний, определяющую:

1. измерения сопротивления изоляции обмоток по отношению к корпусу машины и между обмотками и сопротивлений обмоток при постоянном токе в практически холодном состоянии;

2. определение коэффициента трансформации(для двигателя с фазным ротором);

3. испытания изоляции обмоток на электрическую прочность относительно корпуса машины и между обмотками и на электрическую прочность межвитковой изоляции обмоток статора и фазного ротора;

4. определение тока и потерь холостого хода;

5. определение тока и потерь короткого замыкания;

6. испытания машины при повышенной частоте вращения и на нагревание;

7. определение КПД, коэффициента мощности и скольжения ;

8. испытание на кратковременную перегрузку по току;

9. определение максимального вращающего момента, минимального вращающего момента в процессе пуска, начального пускового вращающего момента и начального пускового тока (для двигателей с короткозамкнутым ротором);

10. измерения вибраций и уровня шума.

Определение коэффициента трансформации, тока и потерь холостого хода и короткого замыкания

Определение коэффициента трансформации

Коэффициент трансформации находят, используя измерения линейных напряжений на зажимах обмоток статора и на кольцах неподвижного ротора с разомкнутой обмоткой. Для низковольтных электродвигателей (с номинальным напряжением до 660 В включительно) к обмотке статора подводят номинальное линейное напряжение. Коэффициент трансформации определяют как отношение фазных напряжений статора U_ф1 и ротора U_ф2:

k_T=U_ф1/U_ф2.

Определение потерь холостого хода

Эти испытания производят в режиме холостого хода при установившемся тепловом состоянии частей электродвигателя. Если невозможно установить установившееся тепловое состояние подшипников непосредственным измерением их температуры, то этого достигают путем вращения электродвигателей без нагрузки при номинальной частоте вращения. После окончания обкатки добиваются постоянства потребляемой мощности.

При опыте холостого хода измеряют линейное напряжение U_0л между всеми фазами, частоту сети, линейный ток I_0л статора в каждой фазе и потребляемую мощность.

Опыт холостого хода начинают с напряжения, равного 130 % от номинального. В процессе опыта обычно производят 9-11 измерений при различных значениях линейного напряжения. Для правильного определения потерь в обмотке статора при опыте холостого хода необходимо непосредственно после опыта измерить сопротивление обмотки статора.

Коэффициент мощности холостого хода вычисляется как:

cosj₀=P₀/( U_0лI_0л ).

Результаты опыта холостого хода обычно изображают графически - путем построения зависимости потерь P₀, фазного тока I₀ и коэффициента мощности cosФ₀ в функции напряжения.

При опыте холостого хода допускается не более чем 2 % отклонение частоты сети от номинальной, но результаты измерений следует пересчитать на номинальную частоту. Для этого измеренные напряжения пересчитывают пропорционально первой степени частоты, потери в стали пропорционально 1,5 частоты и механические потери пропорционально квадрату частоты.

При приемо-сдаточных испытаниях измеряют ток и потери холостого хода лишь при номинальном значении напряжения.

Определение тока и потерь короткого замыкания.

При опыте короткого замыкания на статор подается напряжение, ротор затормаживается, а в случае фазного ротора обмотки закорачиваются накоротко на кольцах. Напряжение, подаваемое на статор, должно быть практически симметрично и номинальной частоты.

В процессе опыта одновременно измеряют подводимое напряжение, ток статора (линейный ток I_k короткого замыкания), потребляемую мощность P_k (kBт), начальный пусковой момент (для электродвигателей малой и средней мощности), а непосредственно после опыта определяют сопротивление r_1k обмотки статора между выводами, соответствующее температуре в конце опыта. Начальный пусковой момент M_п=M_к (Нм) измеряют при опыте динамометром или весами на конце рычага (которым заторможен ротор, закрепляемым шпонкой на свободном конце вала двигателя, или весами балансирной машины.

Для электродвигателей его определяют расчетно по измеренным потерям Р_k короткого замыкания (численно равным мощности, потребляемой при опыте):

М_к=0.9*9550Р_км2/n_c,

Р_км2-потери в обмотке ротора при опыте короткого замыкания, кВт; 0,9 - коэффициент, ориентировочно учитывающий действие высших гармоник.

Потери (кВт) в обмотке ротора при опыте короткого замыкания:

P_км2=Р_к-Р_км1-Р_с ,

где Р_км1- потери в обмотке статора при опыте короткого замыкания, кВт ; Р_с- потери в стали, определяемые из опыта холостого хода, кВт.

Потери в обмотке статора при опыте короткого замыкания:

Р_км1=I_k² r_1k/1000.

Для получения зависимостей (необходимых при приемочных и других полных испытаниях) потребляемой мощности Р_к, тока I_k, коэффициента мощности сosj_к и начального пускового момента М_к от напряжения U_k, приложенного к двигателю в режиме короткого замыкания, проводят 5...7 отсчетов при разных значениях этого напряжения.

В процессе приемо-сдаточных испытаний ток и потери короткого замыкания измеряют при одном значении напряжения короткого замыкания:

U_k=U_H/3,8 ,

где U_H- нормальное напряжение двигателя.

Во время проведения опыта короткого замыкания первый отсчет рекомендуется проводить при следующих значениях напряжения короткого замыкания в зависимости от U_H:

U_H,В ... 127 220 380 440 500 660 3000 6000 10000

U_K,В ... 33 58 100 115 130 173 800 1600 2640

Второй отсчет - при напряжении (1-0,1) U_H. Требуемое напряжение U_k подают начиная с минимального значения. Во избежание чрезмерного нагрева обмоток токами короткого замыкания рекомендуется отсчет по приборам при каждом значении подведенного напряжения производить за время не более 10с, а после отсчета двигатель сразу отключать.

По данным опыта короткого замыкания определяют коэффициент мощности:

cosj_k = P_k/( U_k I_k ).

Коэффициент мощности можно найти и по отношению показаний двух ваттметров (а1/а2), воспользовавшись рис.7.1. Для этого на оси ординат откладывают полученное значение отношений двух ваттметров (а1 и а2 - деления шкалы ваттметров) с учетом знака этого отношения проводят для этого значения горизонтальную прямую до пересечения с линией cosj (или sinj), сносят точку пересечения на ось абсцисс, по шкале оси абсцисс определяют искомое значение cosj (или sinj).

Для графического изображения результатов опыта короткого замыкания откладывают в функции от напряжения следующие величины: ток короткого замыкания I_к, потери короткого замыкания Р_к, коэффициент мощности cosj_к и вращающий момент при коротком замыкании М_к. Если опыт короткого замыкания проведен при пониженном напряжении, то при определении тока и вращающего момента, соответствующих номинальному напряжению, вводят поправку на насыщение путей потоков рассеяния, строя зависимость тока короткого замыкания от напряжения (рис. 7.2).

рис.7.1,7.2

Возрастание тока от напряжения принимают идущим по касательной; определяют точку пересечения касательной с осью абсцисс U_к¹. Тогда ток короткого замыкания при номинальном напряжении I_к.н , называемый начальным пусковым током, находят по формуле:

I_K.H=(U_H - U_K¹ ) I_K/(U_K - U_K¹)

где I_K,U_K - соответственно наибольшие ток, А, и напряжение, В, измеренные в процессе опыта; U_H - номинальное напряжение, В.

Вращающий момент при коротком замыкании, соответствующий номинальному напряжению, называемый начальным пусковым вращающим моментом М_КН, определяют

М_КН = (I_КН/I_К)²ґМ_К ,

где М_к- вращающий момент при наибольшем напряжении опыта короткого замыкания, Нм.

Начальный пусковой ток и начальный пусковой момент можно также определить при пуске, а начальный пусковой момент, кроме того, измеряют при снятии статической кривой момента. Величина начального пускового момента зависит от относительного положения зубцов статора и ротора в момент измерения. Поэтому за величину начального пускового момента принимают наименьшее из измеренных его значений.

Определение КПД, коэффициента мощности и скольжения по рабочей характеристике

Рабочая характеристика, то есть зависимость потребляемой мощности, тока, скольжения, КПД и коэффициента мощности от полезной мощности, снимается при неизменных и номинальных приложенным напряжении и частоте, изменяющейся нагрузке от холостого хода до 110 % номинальной (5-7 значений), и температуре, близкой к установившейся при номинальной нагрузке. В процессе опыта измеряют линейные напряжения U_н и ток I, потребляемую мощность Р₁ и скольжение s двигателя. По результатам измерений определяют коэффициент мощности.

Для контроля коэффициент мощности находят по отношению показаний двух ваттметров.

Сумма потерь асинхронного двигателя вычисляется как:

Р_S=Р_м1+Р_м2+Р_с+Р_мех+Р_Д,

где Р_м1 , Р_м2 , Р_с , Р_мех , Р_Д - потери собственно в обмотках статора, ротора и стали; механические и добавочные потери.

Если рабочую характеристику нет возможности снять при номинальном напряжении, тогда ее определяют при напряжении 0.5U_H<=U_r<=1.15U_H. Полученные результаты испытаний в этом случае можно привести к номинальному напряжению по следующим формулам:

s₁=s_r; P₁=P_1r(U_H/U_r)²;

I=I_r(U_H/U_r )+DI₀;

DI₀=I₀sinj₀ - I_0r(U_H/U_r)sinj_0r ,

где s_r , I_r , I_0r , j_0r - величины соответственно скольжения, потребляемой мощности, тока, тока холостого хода и угол между векторами тока и напряжения, измеренные при холостом ходе и напряжении U_r; s₁, P₁, I, I₀, sinj₀ - аналогичные величины при номинальном напряжении.

Значение тока при номинальном напряжении:

.

Определение максимального и минимального вращающих моментов

Определение максимального вращающего момента

Максимальный вращающий момент - один из основных показателей асинхронной машины. Так как только кратность максимального вращающего момента и превышение температуры частей электродвигателя ограничивают возможности повышения мощности двигателя в данном габарите. Поэтому определять величину максимального вращающего момента следует с достаточно высокой точностью.

Максимальный вращающий момент находят следующими способами: определением кривой вращающего момента при пуске; непосредственным измерением вращающего момента при нагрузке электродвигателя; вычислением вращающего момента по мощности на валу и частоте вращения при нагрузке электродвигателя (при этом мощность на валу находят при помощи тарированной нагрузочной машины или методом отдельных потерь) и по круговой диаграмме, построенной по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.

При определении максимального вращающего момента находят соответствующее этому моменту скольжение (допускается применение тахометра).

Определение кривой вращающего момента при пуске.

Этот способ используется обычно для нахождения максимального момента электродвигателей большой мощности, когда осуществить нагрузку испытуемого двигателя с помощью нагрузочной машины не представляется возможным. Для определения кривой вращающего момента испытуемый двигатель пускают вхолостую, а процесс пуска записывается с помощью ЭВМ. Основная трудность проведения этого опыта - кратковременность периода пуска электродвигателей. Для удлинения периода пуска увеличивают момент инерции испытуемого двигателя, соединяя его с другой электрической машиной, ротор которой служит добавочной маховой массой, или с тяжелым маховиком; или за счет понижения подводимого к испытуемому двигателю напряжения, но не менее 0,5 от номинального.

Обычно фиксируется угловое ускорение, пропорциональное вращающему моменту. При этом возникают следующие трудности. Напряжение в процессе пуска не остается неизменным вследствие изменения пускового тока в функции скольжения, поэтому полученные значения вращающего момента должны быть пересчитаны на номинальное напряжение пропорционально квадрату напряжения.

Кроме того, искажающее влияние на начальную часть процесса пуска оказывают переходные процессы при включении, а на машины с подшипниками скольжения - еще и высокое значение их начального момента трения. Для устранения искажающих воздействий прибегают к предварительному вращению испытуемого двигателя в противоположном направлении, затем, изменяя чередование фаз, реверсируют двигатель и записывают кривую вращающих моментов. Масштаб момента определяется по значению начального пускового момента, получаемого из опыта короткого замыкания. При записи кривой момента при реверсировании начальный пусковой момент соответствует частоте вращения, равной нулю.

Способ определения максимального вращающего момента непосредственным измерением вращающего момента при нагрузке.

Этот способ наиболее точен, хотя для машин большой мощности, трудно осуществим. В качестве нагрузки используют балансирную машину или электромагнитный тормоз. Рекомендуется определять максимальный момент при номинальном напряжении. Для электродвигателей мощностью свыше 100 кВт допускается определение максимального момента при пониженном напряжении с последующим пересчетом пропорционально квадрату отношения напряжений. Обычно из-за влияния насыщения показатель степени для пересчета вращающего момента превышает 2. Более точные результаты можно получить, определяя максимальный момент при нескольких значениях напряжения, и на основании этого найти показатель степени зависимости вращающего момента от напряжения.

Наиболее часто в качестве балансирной нагрузочной машины используют генератор постоянного тока. Если генератор работает с неизменным возбуждением и нагрузочным сопротивлением, то зависимость момента от частоты вращения будет прямолинейной, исходящей из начала координат, с угловым коэффициентом, пропорциональным квадрату магнитного потока Ф. Такой вид нагрузочной характеристики позволяет определить точку, в которой вращающий момент испытуемого двигателя имеет максимальную величину. Однако часто приходится снимать всю кривую М = f(s), включая ее неустойчивую часть, для оценки провалов кривой моментов, вызванных влиянием синхронных и асинхронных моментов от высших гармоник. В этом случае вид нагрузочных кривых должен быть иным, чтобы обеспечить устойчивые точки пересечения с кривой момента испытуемого двигателя. Этого можно добиться, например, изменяя возбуждение генератора при работе его на общую сеть постоянного тока.

Вычисление максимального вращающего момента по мощности на валу и частоте вращения при нагрузке электродвигателя.

Испытуемый асинхронный двигатель механически соединяют с генератором постоянного тока с независимым возбуждением, работающим на сеть с регулируемым напряжением. Изменение нагрузки двигателя производят регулирование напряжения сети, на которую работает нагрузочный генератор. Отсчеты производят при установившихся показаниях приборов. Предварительно снимают две характеристики машины постоянного тока: холостого хода при постоянной частоте вращения в генераторном режиме и зависимость тока холостого хода от частоты вращения I₀ = f(n) при постоянном значении тока возбуждения (это значение тока возбуждения остается неизменным при определении максимального вращающего момента) в двигательном режиме без испытуемого двигателя.

Для определения искомой кривой зависимости вращающих моментов асинхронного двигателя от частоты вращения при испытании измеряют ток якоря генератора постоянного тока I_я и частоты вращения испытываемого двигателя n(об/мин).

Величину вращающего момента (Нм) находят как:

М=9,55Е₀(I_я+I₀)/n ,

где Е₀-ЭДС холостого хода.

По полученной кривой М = f(n) определяем максимальный вращающий момент.

Определение минимального вращающего момента.

Достаточно точное определение величины минимального вращающего момента асинхронного двигателя имеет важное значение, так как снижение его ниже допустимого по стандарту может привести к “застреванию” электродвигателя на малой частоте вращения при пуске под нагрузкой. Такой режим работы близок к режиму короткого замыкания и является аварийным.

Минимальный вращающий момент определяют одним из следующих способов:

1. из кривой вращающего момента, снятой с помощью регистрирующего прибора в процессе пуска;

2. при непосредственной нагрузке балансирной машины или генератором постоянного тока с независимым возбуждением, работающим на сеть с регулируемым напряжением (при нагрузке с помощью генератора постоянного тока вращающий момент определяют непосредственно или с помощью тарированного генератора) и при непосредственной нагрузке тарированной асинхронной машиной, работающей в режиме противовключения и включенной в сеть с регулируемым напряжением.

Первые два способа дополнительных пояснений не требуют. Третий способ основан на том, что вращающий момент нагрузочной асинхронной машины работающей в режиме противовключения, остается практически постоянным в диапазоне скольжений от 1 до скольжения, соответствующего минимальному вращающему моменту, и зависят только от величины напряжения, подводимого к нагрузочной машине. Для избежания провалов в кривой М = f(n) нагрузочной асинхронной машины в режиме электромагнитного тормоза рекомендуется в этой машине увеличить воздушный зазор между статором и ротором путем дополнительной обработки ротора по наружному диаметру, в цепь фазного ротора следует включить дополнительные активные сопротивления, а в цепь статора - дополнительно индуктивное сопротивление. Испытания проводят следующим образом:

Нагрузочная асинхронная машина работает в режиме противовключения, то есть магнитное поле ее вращается в сторону противоположную вращению ротора, что создает соответствующий тормозной момент для испытуемого двигателя. Тормозной момент регулируют подводимым к нагрузочной машине напряжением при помощи источника регулируемого напряжения. Нагрузочную асинхронную машину следует заранее протарировать, то есть определить зависимость вращающего момента на валу от подводимого к машине напряжения при работе ее в режиме электромагнитного тормоза. При этом необходимо убедиться в отсутствии значительных колебаний величины тормозного момента нагрузочной машины при фиксированном напряжении в диапазоне скольжения от 1 до 2. Одну и ту же протарированную нагрузочную асинхронную машину вследствие постоянства момента при заданном напряжении можно использовать при испытании асинхронных двигателей с разными номинальными частотами вращения.

Для определения минимального вращающего момента на нагрузочную машину подают пониженное напряжение, соответствующее определенному значению тормозного вращающего момента. Одновременно с нагрузочной машиной включают на номинальное напряжение испытываемый двигатель. Если минимальный вращающий момент испытываемого двигателя меньше тормозного вращающего момента нагрузочной машины, то агрегат задержится на промежуточной частоте вращения, а если минимальный вращающий момент испытываемого двигателя выше тормозного, то агрегат достигает полной частоты вращения испытываемого двигателя.

Пуски испытываемого двигателя производят несколько раз при разных тормозных моментах на валу, значения которых регулируются подводимым к нагрузочной машине напряжением. При испытании следует определять наибольшее значение тормозного момента, при котором агрегат достигает полной частоты вращения испытываемого двигателя. Это значение принимают равным найденному значению минимального вращающего момента в процессе пуска испытываемого двигателя.

Определение соответствия номинальных показателей двигателей требованиям стандартов

Номинальными показателями асинхронных двигателей, значения которых установлены в стандартах или технических условиях, являются: КПД h, коэффициент мощности cosj₀ , максимальный момент М_м, а для двигателей с короткозамкнутым ротором, кроме того, начальный пусковой момент М_п и начальный пусковой ток I_п.

Методы контроля номинальных показателей электродвигателей по результатам приемо-сдаточных испытаний

Зоны на параметры приемо-сдаточных испытаний ( I₀ , I_к , Р₀ и Р_к), рассчитанные по номинальным показателям электродвигателей с учетом допусков на эти показатели, позволяют осуществить контроль номинальных показателей электродвигателей по результатам приемо-сдаточных испытаний.

С этой целью по результатам приемо-сдаточных испытаний необходимо нанести в координатах I₀-I_k; P₀-P_k; I_k-P_k точки соответствующие полученным значениям параметров приемо-сдаточных испытаний. Попадание точек внутрь всех допустимых зон свидетельствует о соответствии номинальных показателей испытанного двигателя требованиям технических условий с учетом допусков по ГОСТу. Если хоть одна точка выходит за пределы любой из зон, это свидетельствует о том, что по крайней мере по одному номинальному показателю электродвигатель не удовлетворяет предписанным требованиям.

По положению точек в зонах (в том случае, если они оказались внутри зон) можно также получить представление о величине номинальных показателей испытанного двигателя.

Автоматизированная испытательно-диагностическая система для контроля за качеством электродвигателей с использованием ЭВМ

Для контроля, диагностирования и анализа изменения номинальных показателей асинхронного двигателя предлагается использовать автоматизированную испытательно-диагностическую систему с применением ЭВМ, блок-схема которой показана на рис.7.3.

Алгоритм контроля номинальных показателей асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором на данной блок-схеме представлен по значениям токов и потерь холостого хода и короткого замыкания (I₀, P₀, I_К, P_К).

Методика диагностирования причин отклонений токов и потерь холостого хода и короткого замыкания в процессе производства асинхронных двигателей сводится к определению направлений смещений точек в допустимых зонах.

Цифровое измерение в измерительной системе токов и потерь холостого хода и короткого замыкания осуществляется по особому алгоритму. Соответствующие каналы преобразования измерительной системы построены на аналоговых интегрирующих преобразователях переменного тока и мощности трехфазной цепи с унифицированными выходными сигналами постоянного тока (0-5 мА).

рис.7.3

Данная система функционирует совместно с испытательным конвейером, имеющим 7 основных позиций испытаний асинхронных двигателей. На первой позиции испытательного стенда контролируется обрыв


29-04-2015, 04:11