Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра электропривода и автоматизации

промышленных установок

 

 

 

 

 

 

Электромеханика и электротехническое оборудование

 

Программа, методические указания и контрольные задания

(для студентов заочного обучения специальности 050718 – Электроэнергетика)

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2006


 

СОСТАВИТЕЛЬ: М.А. Мустафин. Электромеханика и электротехническое оборудование. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности 050718 – Электроэнергетика заочной формы обучения - Алматы: АИЭС, 2006. – 14 с.

 

 

 

Данная разработка включает программу, методические указания и контрольные задания для студентов заочного обучения специальности 050718 – Электроэнергетика по разделам «Электромеханика» и «Электропривод», а также список необходимой литературы.

Ил. 2, табл.2, библиогр. – 3 назв.

 

 

 

        Введение

 

        Рабочая программа по дисциплине “Электромеханика и электротехническое оборудование” разработана на основе типовой программы, утверждённой приказом Министерства образования и науки Республики Казахстан № 671 от 07.08. 2004 года

      Дисциплина “Электромеханика и электротехническое оборудование” состоит из 5 разделов, соответствующих фундаментальным основам направления «Электроэнергетика»: «Электромеханика», «Электроизоляционная и кабельная техника», «Электротехнологические установки и системы»,  «Светотехника и источники света», «Электропривод и автоматизация технологических комплексов».

Дисциплина «Электромеханика и электротехническое оборудование» является основой для дальнейшего изучения профильных дисциплин высшего профессионального образования - бакалавриата.

Цель преподавания дисциплины «Электромеханика и электротехническое оборудование» - приобретение студентами знаний по основам и тенденциям развития электромеханики и электротехнического оборудования.

В процессе изучения дисциплины студенты должны уяснить концепцию обеспечения потребителей электроэнергии, понять структуру систем электромеханики и электротехнического оборудования, взаимоотношение между различными ее звеньями, получить представление о составе потребителей электроэнергии в различных отраслях народного хозяйства.

Дисциплина ориентирует знания, полученные в математике, физике, теоретических основах электротехники, на практические задачи электромеханики и электротехники, показывает их связь со специальными дисциплинами, процессами и технологиями в электроэнергетике, отраслях промышленности и применяемыми материалами.

       Общий объем курса составляет 225 часов, из них:  лекции - 50 часов, занятия с элементами дистанционного обучения - 35 часов. Форма контроля – 3 контрольные работы и экзамен. Раздел «Электромеханика»  - 10 часов лекций и контрольное задание, раздел «Электропривод и автоматизация промышленных установок» - 10 часов лекций и контрольное задание.

 

 

 

1        Раздел «Электромеханика» - лекции 10 часов, 1 контрольное задание

 

   1.1  Рабочая программа раздела «Электромеханика»

        1.1.1       Электромеханическое и электрическое преобразование энергии. Развитие электромеханики в 19 – 20 веках .

        1.1.2  Электрические машины как основа электроэнергетики. Область применения электрических машин постоянного и переменного тока.

        1.1.3 Ведущая роль электромашиностроения в техническом прогрессе.

        1.1.4 Математическое описание процессов преобразования энергии.    Обобщенный электромеханический преобразователь .

        1.1.5 Электромеханические свойства двигателей постоянного и переменного тока. Режимы преобразования энергии .

        1.1.6 Электромеханотроника как совмещение электромеханических, электронных и компьютерных устройств в единую систему. Устройство и принципы построения электромеханотронных систем, виды, области применения. Управление процессами электромеханического преобразования энергии.

 

1.2 Вопросы для самопроверки по разделу «Электромеханика»

       1. На каких законах физики и электротехники основаны процессы электрического и электромеханического преобразования энергии?

       2.  Перечислите типы электрических машин постоянного тока и область их применения.

       3. Перечислите типы электрических машин переменного тока и область их применения.

       4. Что такое принцип обратимости электрических машин?

       5. На каких объектах электроэнергетических комплексов применяются различные типы электрических машин?

       6. Назовите пути совершенствования энергетических показателей    электрических машин.

7.     Роль электрических машин в технологических процессах.

8.     Роль электрических машин в электроэнергетических комплексах.

9.     Принцип действия двигателей постоянного тока.

10. Принцип действия асинхронных двигателей.

11. Принцип действия синхронных двигателей.

12. Двигательный режим работы электрических машин постоянного тока.

13. Генераторный режим работы электрических машин постоянного тока.

        14.Современные системы управления электрическими машинами постоянного тока.

15.Современные системы управления электрическими машинами переменного тока.

16.Область применения электромеханотронных систем постоянного тока

        17.Область применения электромеханотронных систем переменного  тока.                                                                                                                                                                   

 

       18. Двигательный режим работы электрических машин переменного тока.

14. Генераторный режим работы электрических машин переменного тока

15. Синхронные и асинхронные генераторы.

16. Исполнительные двигатели систем автоматического управления.

 

  1.3  Контрольное задание по разделу «Электромеханика»

       Представляет собой реферат по применению электрических машин в различных отраслях промышленности:

        а) Синхронные электрические машины;

        б) Асинхронные электрические машины;

        в) Машины постоянного тока параллельного возбуждения;

         г) Машины постоянного тока последовательного возбуждения;

         д) Машины постоянного тока смешанного возбуждения;

         е) Трансформаторы.

   В реферате должны быть отражены устройство, принцип действия и область применения выбранного типа электромеханического устройства.

 

  1.4 Список литературы по разделу «Электромеханика»

  1.Копылов И.П. Электрические машины.-М.: Высшая школа, Логос, 2000.

      2 Проектирование электрических машин. /Под общей редакцией И.П. Копылова.- М.: Энергия, 2002.

       3. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Хвостов В.С.  Электрические машины.- М., 1987.

       4 .Вольдек А.И. «Электрические машины»: Учебник для студентов выс. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е.-М.: «Энергия», 1974г.

 

        2 Раздел «Электропривод и автоматизация технологических комплексов» - лекции 10 часов, 1 контрольное задание

 

        2.1  Рабочая программа раздела «Электропривод и автоматизация технологических комплексов».

2.1.1 Функции электропривода и требования к нему. Роль автоматизированного электропривода в производстве. Структурная схема автоматизированного электропривода. Классификация электроприводов (2 часа).

2.1.2 Моменты и силы, действующие в электроприводе. Характеристики производственных механизмов и двигателей в электроприводе. Уравнение движения электропривода. Статические и динамические свойства электромеханических систем (3 часа).

       2.1.3 Регулирование координат электропривода. Основные технико-экономические показатели регулируемого электропривода. Способы регулирования двигателей постоянного и переменного тока. Выбор системы электропривода для производственных механизмов (2 часа).

         2.1.4 Автоматическое управление электромеханическими системами. Релейно-контакторные схемы управления. Замкнутые линейные и нелинейные системы автоматизированного управления (2 часа).

2.1.5 Энергетика электромеханических систем. Потери энергии и потребление  реактивной мощности. Способы снижения потерь (2 часа).

2.1.6 Режимы работы электропривода. Выбор мощности двигателей для длительного, кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы (2 часа).

2.1.7 Современные системы автоматизированного электропривода и перспективы их развития. Силовые преобразовательные устройства управления машинами постоянного и переменного тока (2 часа).

2.1.8 Электронное и компьютерное управление электроприводами (2 часа).

 

          2.2 Вопросы для самопроверки

         

1.Что такое электропривод?

2.Назовите основные функции электропривода.

          3.Перечислите основные элементы автоматизированного электропривода.

    4.Что такое групповой электропривод?

    5.Что такое индивидуальный электропривод?

    6.Что такое многодвигательный электропривод?

    7.Назначение датчиков обратных связей в электроприводе.

    8.Какие Вы знаете статические характеристики электропривода?

    9.Какие Вы знаете динамические характеристики электропривода?

    10. Уравнение движения электропривода при вращательном движении масс.

          11.Уравнение движения электропривода при возвратно - поступательном движении масс.

    12. Механические характеристики производственных механизмов.

    13. Механические характеристики асинхронных двигателей.

    14.Механические характеристики двигателей постоянного тока.

    15.Для чего регулируются координаты электропривода?

          16.Назначение реле и контакторов в схемах автоматизированного электропривода.

          17. Двигательный режим работы электрических машин постоянного тока.

          18. Генераторный режим работы электрических машин постоянного тока.

          19. Современные системы управления электрическими приводами постоянного тока.

          20. Современные системы управления электрическими приводами переменного тока.

 

 

  2.3 Контрольное задание по разделу «Электропривод»

 

       Для случая прямого пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором рассчитать и построить:

а)статическую механическую характеристику;

б)динамическую механическую характеристику;

в)кривые переходных процессов ω = f(t), М = φ(t).

Определить время пуска АД. Расчеты провести для значений напряжения

U1 = UН = 380 В и  U2 = 0.8UН.

 

Таблица 1 – Варианты задания

 

Исходные данные

Р(н), кВт

n(o)об/мин

SH

Jp/кг*м(2)

Начальная буква фамилии

А

1,5

3000

0,011

0,042

Б

2,2

3000

0,012

0,052

В

3,2

3000

0,014

0,09

Г

4,5

3000

0,016

0,116

Д

6

3000

0,018

0,15

Е

11

3000

0,011

0,008

Ж

19

3000

0,012

0,14

З

32

3000

0,014

0,25

И

2,2

1500

0,018

0,116

К

3,2

1500

0,018

0,15

Л

4,5

1500

0,011

0,18

М

6

1500

0,012

0,35

Н

8

1500

0,014

0,4

О

11

1500

0,016

0,56

П

14

1500

0,018

0,65

Р

19

1500

0,011

1,4

С

25

1500

0,012

1,6

Т

32

1500

0,014

2,7

У

42

1500

0,016

3,1

Ф

55

1500

0,018

5,9

Х

3,2

1000

0,011

0,35

Ц

4,5

1000

0,012

0,4

Ч

6

1000

0,014

0,56

Ш

8

1000

0,016

0,65

Щ

10

1000

0,018

1,4

Э

12,5

1000

0,011

1,6

Ю

19

1000

0,012

2,7

Я

25

1000

0,014

3,1

 

 

 

 

 

Продолжение таблицы 1

Исходные данные

Мк*

Исходные данные

Мс*

Последняя цифра

зачетки

Предпоследняя цифра

зачетки

0

2

0

0,5

1

2,1

1

0,6

2

2,2

2

0,7

3

2,3

3

0,8

4

2,4

4

0,9

5

2,5

5

1

6

2,6

6

0,5

7

2,7

7

0,9

8

2,8

8

0,7

9

2,9

9

0,8

 

 

2.4 Методические указания к выполнению контрольного задания

Для правильного проектирования и экономичной эксплуата­ции электропривода необходимо знать соответствие механических характеристик двигателя характеристикам производственного механизма. Механической характеристикой производственного меха­низма называется зависимость между приведенными к валу двига­теля скоростью и моментом сопротивления механизма MС =f(ω). Различные производственные механизмы имеют различные механические характеристики, которые в общем случае южно выразить следующей эмпирической формулой

 

Mc=Mo+( Mc.ном – Мо)(ω/ω ном)α,    (1)

          где   

         Mc - момент сопротивления механизма при скорости ω ;

Mo  - момент сопротивления трения в движущих частях механизма;

Mc.ном - момент сопротивления при номинальной ско­рости  ωном .

В соответствии с приведенной формулой можно классифицировать механические характеристики производственных механизмов на следующие основные категории (рисунок 1):

               

Рисунок 1- Механические характеристики производственных механизмов

- независимая от скорости  механическая характеристика (прямая 1 на рисунке при α= 0), характерная для подъемных кранов, лебедок, механизмов подачи  металлорежущих станков, поршне­вых насосов, конвейеров и т.д.;

- линейно-возрастающая  механическая характеристика (прямая 1 при α = 1) генератора по­стоянного тока с независимым возбуждением;

- нелинейно-возрастающая механическая «вентиляторная» характеристика (кривая 3 при α≈2) механизмов центробежного действия (вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты и т.п.);

- нелинейно-спадающая  механическая характеристика (кри­вая 4 при α =-1), которая характерна для некоторых токарных, расточных и фрезерных станков, моталок металлургической промышленности и т.д.

В задании предусмотрен подъемно-транспортный механизм с независимой от скорости  механической характеристикой (α=0).

Механической характеристикой электродвигателей называется зависимость его угловой скорости от вращающего момента ω =f(Mэ).

Асинхронный двигатель (АД) наиболее прост  и надежен в эксплуатации, имеет широкое применение в промышленности во всех отрас­лях народного хозяйства. Механическая характеристика АД может быть построена по упрощенному выражению

 

                   (2)

          где  

           - максимальный момент, развиваемый двигателем;

- критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту;

          В формуле   s = (ω0 - ω)/ ω0  - скольжение двигателя; ω0 =2πn/60 или ω0 =2πf/p - синхронная угловая скорость двигателя.

В установившемся режиме работы электропривода вращающий момент, развиваемый двигателем, равен моменту сопротивления механизма, и скорость привода является постоянной. При переходе от одного установившегося состояния работы электропривода к другому, в связи с возникновением сил инерции по определенным законам, изменяются скорость, момент и ток в системе, сопровождающиеся переходными процессами. Такие режимы принято называть переходными. Причины их возникновения - изменение нагрузки на валу двигателя или воздействие на электропривод управляющего воздействия, т.е. пуск, торможение, изменение направления вра­щения и т.д. В этих случаях уравнение равновесия моментов можно выразить в виде

 

M – MC =J.                (3)

 

Вращающий момент электродвигателя уравновешивается сопротивлением  на его валу   Мс ,   динамическим моментом J, где момент инерции привода для большинства производственных механизмов J = const:

- при M  > MC ;  > 0  имеет место ускорение привода;

- при M  <  MC ;  <  0 замедление;

- при M  =  MC ;  =  0 установившийся ражим работы.

Динамический момент появляется только в переходных режимах работы электропривода, когда изменяется скорость привода. Этот момент направлен против движения. При торможении он поддерживает движение. С учетом этого уравнение движения привода в общем случае будет иметь вид

 

M – MC =J.

 

            1. Критический момент АД и момент сопротивления механизма (МС не зависит от скорости) заданы в относительных единицах

         2. Величина критического скольжения определяется из уравнения       Клосса      для номинальных значений параметров

 

 .

 

         3.Статическая механическая характеристика АД  М(s) строится по формуле (2) в диапазоне скольжений от 1 до 0 (двигательный режим). Далее рассчитывается и строится кривая динамического момента (рисунок 2)

 

,

которая разбивается на n участков. На каждом участке динамический момент равен Мдинi. Переходя от бесконечно малых приращений к конечным приращениям, уравнение движения (3) записываем для i – го участка, как

 

,

время пуска на каждом участке

 

.

 

      Построение динамической характеристики поясняется рисунком 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 2 


         4. Для случая пуска при пониженном напряжении расчет проводится аналогично, с учетом снижения МК пропорционально квадрату напряжения статора.

  5.Расчет можно проводить на ПЭВМ с применением математических приложений (Mathcad, Maple и аналогичных), электронных таблиц Exel или на калькуляторе.

 

          2.6 Список литературы по разделу «Электропривод»

 

1. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод. – М.: Энерго-атомиздат,1985. - 416 с.

2. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода.- СПб.: Энерго-атомиздат. Санкт – Петербургское отд – ние, 2000.- 496 с.

          3. Ключев В.И. Теория электропривода.- М.: Энергоатомиздат,1985. –560 с.