Как построить механическую характеристику асинхронного двигателя в excel

Обновлено: 02.07.2024

Применение электронных таблиц для расчетов механической характеристики асинхронного двигателя

Возможности электронных таблиц Microsoft Excel очень многогранны. Excel является мощным вычислительным инструментом, позволяющим производить простые и сложные расчеты в различных областях человеческой деятельности: математике, физике, инженерных науках, экономике и технологии. Помимо осуществления расчетов возможно применение электронных таблиц Excel для наглядного изображения полученных результатов. Работа в Excel позволяет выполнять сложные расчеты, в которых могут использоваться данные, расположенные в разных областях электронной таблицы и связанные между собой определенной зависимостью. Для выполнения таких расчетов в Excel существует возможность вводить различные формулы в ячейки таблицы. Табличный процессор Excel выполняет вычисления и отображает результат в ячейке с формулой. Важной особенностью при работе с электронной таблицей является автоматический пересчет результатов при изменении значений ячеек. Применение электронных таблиц упрощает работу с данными и позволяет получать результаты без проведения расчетов вручную, что в свою очередь позволяет сохранить время, уменьшить вероятность просчёта в любых вычислительных операциях.

В данной работе рассматриваются возможности Excel для расчета и построения графика механической характеристики асинхронного двигателя.

Под механической характеристикой принято понимать зависимость частоты вращения ротора в функции от электромагнитного момента n=f(M). Эту характеристику можно получить, используя зависимость M=f(S) и пересчитав частоту вращения ротора при разных значениях скольжения.

Номинальный режим работы двигателя:


где Mnom – номинальный момент двигателя (Нм);

Pn – номинальная мощность (кВт);

Критический максимальный режим работы двигателя:

Mnom – где номинальный момент двигателя (Нм);

Mmax – максимальный момент двигателя (Нм);

λ – перегрузочный коэффициент, характеризующий способность двигателя выдерживать максимальный вращательный момент.

Номинальное скольжение двигателя:


sn – где номинальное скольжение двигателя;

Критическое скольжение двигателя


sk – где критическое скольжение двигателя;

sn – номинальное скольжение двигателя;

Mnom – номинальный момент двигателя (Нм);

Mmax – максимальный момент двигателя (Нм).

Основные формулы для расчета механической характеристики:


− момент двигателя (Нм) (формула Клосса).

Рассмотрим основные возможности Microsoft Excel, необходимые для проведения расчетов и построения графика механической характеристики асинхронного двигателя. Необходимость применения электронных таблиц для подобных расчетов обусловлена необходимостью выполнения множества однотипных расчетов. Microsoft Excel позволяет сделать это, используя функцию копирования формул.

Вычисления в таблицах процессора MS Excel осуществляется при помощи формул. Формула может содержать числовые константы, ссылки на ячейки и функции Excel, соединённые знаками математических операций. Скобки позволяют изменять стандартный порядок выполнения действий (операций).

Для графического представления числовых данных в Excel используются диаграммы. В Microsoft Excel имеется около 20 типов двухмерных и трехмерных диаграмм, каждая из которых имеет несколько разновидностей.

Основные точки механической характеристики асинхронного двигателя: пуск двигателя, номинальный рабочий режим, максимальный режим работы и холостой ход двигателя.

1. Пуск двигателя n = 0; М = Мпуск.

2. Максимальный режим М = Mmax.

3. Номинальный рабочий режим n = nн; М = Mн.

4. Холостой ход двигателя n = n ; М = 0.

В электронных таблицах следует создать таблицу с исходными данными.

Расчет и построение скоростной характеристики двигателя

Для выполнения полного расчета необходимо построить внешнюю скоростную характеристику двигателя, для чего определяют максимальную мощность Nmax и ее текущие значения Nei при различных величинах частоты вращения коленчатого вала.

Максимальную мощность двигателя подсчитывают по формуле:

где (С1; С2; С3 – эмпирические коэффициенты,

Для бензиновых двигателей λ = 1,05…1,1

Для дизелей и бензиновых двигателей с ограничителем частоты вращения λ = 1.

Характеристика строится в интервале частот вращения

Текущие значения мощности определяют по формуле:

Значения эффективного крутящего момента Ме определяются при тех же значениях частоты вращения коленчатого вала по формуле:

Эффективный удельный расход топлива определяют по формуле:

Для бензиновых двигателей d = 1,2; для дизелей d = 1,55.

При построении внешней скоростной характеристики двигателя по оси абсцисс откладывают как частоту вращения вала двигателя, так и скорость автомобиля на высшей передаче, используя формулу коэффициента оборотности ηо :

Рассчитанное значение ηо одинаково во всем диапазоне частоты вращения вала двигателя и скорости движения автомобиля для конкретной передачи.

Используя формулу (1.13) можно по известным значениям скорости движения автомобиля определить для конкретной передачи соответствующую частоту вращения вала двигателя и наоборот.

Построение внешней характеристики двигателя проводят в следующей последовательности:

1. Определяют по формулам (1.5) и (1.8) значения Nv и Nmax

2. Произвольно, в пределах рабочей зоны, через равные промежутки, выбирают значения nei (6-8 значений). В эти значения должны входить nv, nN и nmax.

3. Для выбранных значений nei определяют скорости движения (используя формулу 1.13), а по формулам (1.10), (1.11), (1.12) определяют величины Nei, Mei, gei.

Результаты расчетов заносят в таблицу 1.1 и по ним строят внешнюю скоростную характеристику двигателя.

Таблица 1.1

Пример построения внешней скоростной характеристики бензинового двигателя приведен на рис.1.1(а), регуляторной характеристики дизеля на рис.1.1(б).

Построение внешней скоростной характеристики дизеля

Внешняя скоростная характеристика представляет собой зависимость эффективной мощности , эффективного момента , удельного и часово-го расхода топлива от числа оборотов коленчатого вала двигателя при полной нагрузке.

Зависимость эффективной мощности от функции числа оборотов коленчатого вала определяется по эмпирической формуле:

Для проектируемого дизеля с неразделёнными камерами формула примет вид:

За минимальную устойчивую скорость вращения коленчатого вала примем: об/мин. В диапазоне от до зададим 11 текущих значений скорости вращения через 300 об/мин.

Зависимость эффективного момента от скорости вращения коленчатого вала найдем по формуле:

Зависимость удельного эффективного расхода топлива от скорости вращения коленчатого вала найдем по формуле:

Функция часового расхода топлива:

Расчёты в табличной форме и построение графика выполним с использова-нием редактора электронных таблиц MICROSOFT EXCEL 2000.

n, об/мин
N, кВт18,5132,9948,4764,3479,9994,81108,21119,56128,25133,69135,00
M, Нм294,75315,17330,74341,48347,36348,41344,60335,95322,46304,12293,13
g, г/кВтч394,95363,57336,99315,23298,28286,13278,79276,27278,55285,65291,00
Q, гк/ч7,3111,9916,3320,2823,8627,1330,1733,0335,7338,1939,29

Из анализа результатов расчёта и графика внешней скоростной характерис-тики дизеля, определим следующие параметры:

· максимальный крутящий момент Нм при об/мин;

· минимальный удельный расход топлива г/кВтч при об/мин;

· коэффициент приспособляемости дизеля

Литература

1. Методические указания по выполнению теплового расчёта двигателя внутреннего сгорания (АТЕМК2. МР0812. 006). Автор Ванькаев Н.Т., СПб, АТЕМК, 2012.

2. Пузанков А.Г. Автомобили: Конструкция, теория и расчёт: уч. для СПО. – М.: ИЦ «Академия», 2007. – 544 с.

3. Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля: уч. пос. для СПО – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2010. – 368 с.

4. Автомобильные двигатели: учебник для студ. ВУЗов/ под ред. М.Г. Шатрова. – М.: ИЦ «Академия», 2010. – 464 с.

5. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 2002. – 496 с.

Построение внешней скоростной характеристики двигателя

В зависимости от данных, включенных в вариант задания, определяется мощность, с которой должен работать двигатель при движении автомобиля на высшей передаче:

а) с максимальной скоростью V .max на дороге, имеющей коэффициент суммарного сопротивления движению ψv :

Коэффициент сопротивления воздуха k и площадь лобового сопротивления F или фактор сопротивления воздуха kF принимаются по аналогии с существующими автомобилями, близкими к рассчитываемому по классу, грузоподъемности и назначению.

Определение максимальной мощности двигателя

В зависимости от его типа по наиболее распространенным эмпирическим зависимостям максимальную мощность определяют:

Для карбюраторных двигателей а = в = с = 1;

Для двухтактных дизелей а = 0,87; b = 1,13; с = 1; для четырехтактных дизелей а = 0,53; b = 1,56 с = 1,09.

Частота вращения коленчатого вала при максимальной мощности двигателя nNмакс принимается по прототипу или определяется коэффициентом оборотности двигателя ηн, равным отношению частоты вращения коленчатого вала двигателя к соответствующей скорости движения автомобиля:

Для грузовых автомобилей коэффициент оборотности ηп принимают равным пределах 30 – 40 в соответствии с прототипом автомобиля и расчетной максимальной мощностью двигателя. Построение кривой эффективной мощности на графике внешней скоростной характеристики двигателя производится по эмпирической зависимости:

Для упрощения расчета, параметры, входящие в квадратные скобки формулы (1.13) заменены коэффициентом А, значения которого приведены в таблице №2.

Определив текущие значения эффективной мощности, соответствующие им вращающие моменты двигателя определяются по формуле:

где Neмакс в кВт, nдв.н в об/мин.

Тип двигателяЗначения коэффициента А в зависимости от отношения
0,30,40,50,60,70,80,91,01,11,21,3
Карбюраторный двигатель0,3630,4960,6250,7440,8470,9280,9811,0000,9790,9120,793
Двухтактный дизель0,4650,5920,7130,8200,9070,9691,000
Четырехтактный дизель0,5190,6440,7620,8640,9461,000

Результаты расчетов для построения внешней скоростной характеристики заносят в табл. 3.

Nдв, об/мин
Ne, кВт
Мдв, Нм


Рис 1.2 Примерная внешняя скоростная характеристика двигателя

По данным таблицы строится график внешней скоростной характеристики двигателя.

Определение передаточного числа главной передачи
автомобиля

Скорость движения автомобиля Vможет быть выражена через число оборотов в минуту двигателя п следующей формулой:

Рассмотрим построение естественной и искусственной механических характеристик асинхронного двигателя для частоты статора и .


При выполнении задания рекомендуется использовать уравнение механической характеристики для асинхронного двигателя (АД):


где s – скольжение АД;


- критическое скольжение АД.


,


где - синхронная угловая скорость АД в рад/сек.

,


где - угловая скорость АД в об/мин.


,

где - частота напряжения питания АД (в данном случае задано, что =50 Гц; =50 Гц);


- число пар полюсов АД.

Расчёт начинается с того, что в соответствующие ячейки памяти электронной таблицы (ЭТ) Excel записываются следующие величины:


Рис.19.1. Данные для расчёта


Рис.19.2. Полученные значения скольжения, момента и угловых скоростей


Рис.19.3. Семейство МХ АД при изменении частоты питания

Моделирование электромеханических характеристик двигателя постоянного тока с независимым возбуждением при изменении величины магнитного потока средствами ядра Matlab

Таблица 20.1. Параметры для расчёта

Напряжение питания цепи якоря, В Резистивное сопротивление обмотки якоря, Ом
440 0,15

Рассмотрим построение семейства естественной и искусственных электромеханических характеристик (ЭМХ) электропривода (ЭП) с двигателем постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ с НВ) при изменении величины магнитного потока Ф.

Построение ЭМХ осуществим в соответствии с уравнением:


,


где – угловая скорость электрического двигателя (ЭД), рад/с;

U – напряжение, подаваемое к цепи якоря ЭД, В;

Iя – ток якоря ЭД, А;

Rя – сопротивление обмотки якоря ЭД, Ом;

Rдоб – добавочное сопротивление в цепи якоря ЭД, Ом;

Rя сумм = = (Rя + Rдоб)) – суммарное сопротивление цепи якоря ЭД Ом;

К – коэффициент, зависящий от геометрических и обмоточных данных ЭД;

Ф – магнитный поток возбуждения ЭД, Вб.

КФ имеет размерность В = Вб. Если магнитный поток является номинальным Фн, то КФн называется постоянной двигателя С. Пусть величина «КФ» изменяется от 1 В до 2 В (значения «КФ» приняты равными 1; 1.5; 2 В*сек).


Рис.20.1. Программа расчёта угловых скоростей


Рис.20.2. Семейство естественной и искусственных ЭМХ ЭП с ДПТ с НВ при изменении величины магнитного потока

Ниже приводятся этапы построения графиков функций на примере естественной механической характеристики трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором 4МТН280М10 с использованием офисной программы Microsoft Excel.

В качестве примера, приведена таблица Ж. 1 с исходными данными в формате MS Word, которые служат для построения характеристик двигателя

Таблица Ж. 1

Таблица результатов вычислений вращающего момента М, тока статора / и частоты вращения ротора п асинхронного электродвигателя

Построение механической характеристики асинхронного двигателя в виде зависимости п(М)

Построение механической характеристики двигателя по данным расчета с помощью программы MS Excel-16 производится в следующем порядке:

  • 1. Таблица Ж. 1, набранная с клавиатуры в MS Word выделяется, копируется и вставляется на новый лист Excel.
  • 2. В таблице Excel выделяются численные данные двух столбцов п и Л/ (с нажатой клавишей «Ctrl»).
  • 3. Далее в меню «Вставка» из вкладки «Диаграммы» нужно навести указатель мыши на угловую стрелку «Просмотр всех диаграмм» и щелкнуть по ней левой кнопкой. После этого в новом окне «Вставка диаграммы» следует выделить вкладку «Все диаграммы», затем в выпадающем списке левой кнопкой мыши щелкнуть на пункте «Точечная» и из набора значков-диаграмм справа выбрать вид диаграммы «Точечная с гладкими кривыми и маркерами».
  • 4. После щелчка на этом значке-диаграмме на листе рядом с таблицей появится рисунок с кривой (рис. Ж.1), которая, как правило, не соответствуют нужной характеристике (в данном случае на рис. Ж. 1 приведена обратная зависимость М(п). Чтобы получить график нужной зависимости п(М) нужно поменять ряды в диаграмме. Для этого следует поменять местами столбцы в таблице, так как по умолчанию столбец левее относится ряду независимых переменных, которые откладываются по горизонтальной оси абсцисс х, а столбец правее — соответственно, к ряду зависимых переменных, отложенных по оси ординат у.


Ж.2

Рис. Ж.2

6. Далее, щелкнув правой клавишей мыши по тому же месту, вызовите контекстное меню (см. рис. Ж.З), в котором щелкните на пункте «Выбрать данные. ».

(Pg) Копировать

;? q Параметры вставки:

Восстановить стиль

||| Изменить тип диаграммы.

|Ц Сохранить как шаблон.

Пщ Выбрать данные.

[§ Переместить диаграмму.

О Поворот объемной фигуры.

ifh Группировать ?

г J На передний план ?

На задний план ?

Назначить макрос.

ijj? Формат области диаграммы.

[Щ] Параметры сводной диаграммы.

Рис. Ж.З

7. Появится окно «Выбор источника данных» (рис. Ж.4), в котором нужно нажать на вкладку «Изменить».

Ж.4

Рис. Ж.4

8. В новом окне «Изменение ряда» (рис. Ж.5) в поле «Имя ряда» для графика с одной кривой можно ничего не вводить (легенда с одной кривой не нужна); рядом с полем «Значения X» щелкните по значку Див появившемся окошке «Изменение ряда» Изменение ряда ? H3I

, после выделения в таблице Excel столбца моментов и новом нажатии на знаке появятся данные ряда независимых переменных, которые сопоставимы с обозначениями ячеек выделенного столбца таблицы Excel со значениями момента М. Таким же образом заполняется поле «Значения У» (см. рис. Ж.5) с данными ряда зависимых переменных, которые сопоставимы со значениями частот вращения п в таблице Excel.

Ж.5

Рис. Ж.5

9. При нажатии на кнопки «ОК» в окнах «Изменение ряда» (рис. Ж.5) и «Выбор источника данных» (рис. Ж.4) на листе Excel рядом с таблицей появится не отформатированный рисунок механической характеристики с масштабированными осями частоты вращения п (вертикальная ось ординат с делениями от 0 до 700 об/мин) и оси моментов М (горизонтальная ось абсцисс с делениями от 0 до 3000 Нм) с графиком зависимости п(М), как показано на рис. Ж.6.

Ж.6. Не отформатированный график механической характеристики

Рис. Ж.6. Не отформатированный график механической характеристики

10. Щелкните по этой диаграмме и с помощью появившейся справа от рисунка кнопки + «Элементы диаграммы» на возникшем одноименном списке (рис. Ж.7) отметьте флажками элементы «Оси», «Названия осей» «Название диаграммы» и «Сетка».


ЭЛЕМЕНТЫ ДИАГРАММЫ

  • 0 Оси
  • 0 Названия осей
  • 0 Название диаграммы
  • ? Подписи данных
  • ? Предел погрешностей
  • 0 Сетка
  • ? Легенда
  • ? Линия тренда

Рис. Ж.7. Список управляющей кнопки «Элементы диаграммы»

При наведении на пункт «Сетка» и затем справа — на управляющую стрелку — отметьте флажками все опции линий сетки (см. рис. Ж.8).


ЭЛЕМЕНТЫ ДИАГРАММЫ

  • 0 Оси
  • 0 Названия осей
  • 0 Название диаграммы
  • ? Подписи данных
  • ? Предел погрешностей
  • 0 Сетка
  • ? Легенда
  • ? Линия тренда

? л Параметры ряда

Построить ряд

По 2СНОВНОЙ оси

• По вспомогательной оси

Рис. Ж. 15

Одновременно на графике появляется вторая ось, и относящаяся к ней кривая токов I, изменится (см. рис. Ж. 16).


Рис. Ж. 16. График с двумя кривыми, относящимися к основной и вспомогательной осям ординат

Часто требуется изменить масштаб вспомогательной оси ординат, чтобы ее деления были кратны делениям основной оси и горизонтальным линиям сетки области построения. Для этого нужно щелкнуть правой клавишей по вертикальной вспомогательной оси в контекстном меню выбрать пункт «Формат оси». Справа появится одноименная вкладка (рис. Ж. 17), в которой максимальной значение вспомогательной оси (140) устанавливается в поле «Максимум», чтобы соблюдалась кратность с максимальным значением основной оси (700).

Для определения статической устойчивости электродвигателя и машины необходимо иметь механическую характеристику электродвигателя.

Расчет и построение механической характеристики осуществляется исходя из паспортных данных двигателя.

По паспортным данным электродвигателя можно рассчитать номинальный момент

,

где Рн – номинальная мощность двигателя, Вт;

nн – номиналь­ная частота вращения ротора, об/мин.

По типу электродвигателя в справочнике или каталоге можно найти кратности максимального момента

,

и пускового момента

,

после чего произвести расчет максимального (критического) момента


Мк = m к × Мн ,

и пускового момента


Мп = m п × Мн .

При расчетах механической характеристики электродвигателя используют его паспортные и каталожные данные. На практике часто применяют упрощенный расчет, основанный на определении четырех характерных точек механической характеристики электродвигателя. Сущность его состоит в следующем.

Из технического паспорта выписывают следующие данные

тип электродвигателя, номинальную мощность Рн, номинальную частоту вращения ротора.

Согласно типу электродвигателя, из справочника или катало­га выписывают следующие данные

кратность максимального момента

,

кратность пускового момента

.

Для построения механической характеристики электродвига­теля необходимо определить четыре характерные точ­ки (рис. 4.1)


Рис. 4.1. Механическая характеристика асинхронного электродвигателя

1. Точка идеального холостого хода


М = 0, n = n0, s = 0, ,

при частоте f = 50 Гц


.

Следовательно, по типу электродвигателя, в котором указывается количество полюсов на фазу , можно определить частоту вращения магнитного поля статора n0.

2. Точка номинального режима работы электродвигателя


М = Мн, n = nн, s = sн, ,

где Рн – номинальная мощность, Вт;

nн – номинальная частота вращения ротора, об/мин;


.

3. Точка критического (максимального) режима работы электродвигателя


,

, .

4. Точка пускового режима работы двигателя

Построим механическую характеристику для электродвигателя 5АМХ132М2.

Из технического паспорта выписываем данные, необходимые для построения механической характеристики по четырем точкам

Рн = 11 кВт; nн = 2915 об/мин.

По типу электродвигателя из справочника

; .

1. Определим синхронную частоту вращения. Для четырехполюсного электродвигателя частота вращения магнитного поля статора


об/мин.

2. Определим номинальный момент


Н×м.

3. Определим номинальное скольжение


,

4. Определим критический (максимальный) момент

5. Определим пусковой момент

6. Определим критическое скольжение


,


,


7.Определим критическую частоту вращения


об/мин.

По расчетным данным, выбрав соответствующие масштабы, строим по четырем точкам механическую характеристику электродвигателя 5АМХ132М2 (рис. 4.2)


Рис. 4.2. Механическая характеристика асинхронного электродвигателя 5АМХ132М2

Произведем расчет механической и рабочей характеристики электродвигателя с помощью ЭВМ, используя программу «MathCad» (рис.4.3)


Рис.4.3 Расчет механической характеристики

с помощью программы «MathCad» построим график механической характеристики двигателя 5АМХ132М2 (рис.4.4)


Рис.4.4 Механическая характеристика двигателя 5АМХ132М2

Для определения устойчивости необходимо на графике механической характеристики двигателя n=f(Мд) построить механическую характеристику рабочего механизма n=f(Мс). В курсовой работе в качестве рабочего механизма предлагается вентилятор ([1], приложение 1).

При определении численных значений для построения механической характеристики механизма надо принять изменение момента сопротивления по следующей зависимости

,

где Мс.н – номинальный момент сопротивления механизма, значения которого приведены в табл.П.1 ([1], приложение 1);

Мс.нач – начальный момент сопротивления вращающегося механизма




(без учета момента трения покоя), который можно принять равным 0,2Мс.н;

nм.н – номинальная частота вращения вала рабочей машины, при кото-

рой момент сопротивления равен номинальному, об/мин;

nм - текущая частота вращения вала рабочей машины, об/мин.

При совмещении в одних координатных осях механической характеристики рабочей машины или механизма с механической характеристикой электрического двигателя, когда номинальная частота вращения вала рабочей машины nм.н и номинальная частота вращения вала электродвигателя nн не совпадают (порядка в два раза), т. е., когда имеет место установка редуктора, моменты сопротивления механизма Мс.н и Мс.нач должны быть приведены к частоте вращения вала ротора электродвигателя соответственно по соотношениям






где – коэффициент полезного действия передачи;

j – передаточное число, равное



где nн – номинальная частота вращения вала ротора электродвигателя, об/мин;

nм.н – номинальная частота вращения вала рабочей машины, об/мин.

Определим передаточное число


об/мин.

Следовательно, приведенный момент сопротивления рабочей машины или механизма следует определять по соотношению



Текущая частота вращения ротора электродвигателя nтек может быть выражена через номинальную частоту nн приблизительно следующим образом



Тогда предыдущее уравнение, определяющее приведенный момент сопротивления рабочей машины или механизма, запишется



Произведем расчет и построение механической характеристики вентилятора, приводом которого является электродвигатель 5АМХ132М2.

Данный электродвигатель по мощности (11 кВт) подходит для вентилятора ВЦ 5-35 № 8, который имеет следующие параметрами необходимые для расчета:

- номинальная частота вращения рабочего колеса nм.н – 1500 об/мин;

Так как номинальная частота вращения вала ротора электродвигателя в два раза больше номинальной частоты вала рабочей машины (2915 и 1500 об/мин), следовательно присутствует редуктор. В связи с этим проведем перерасчет моментов сопротивления механизма и приведение их к частоте вращения вала ротора электродвигателя по соотношениям (4.9) и (4.10)


Н×м


Н×м.

Определим момент сопротивления рабочего механизма по формуле (4.14)


Произведем построение механической характеристики вентилятора по шести точкам

2) s = 0,25, Мс.пр рассчитывается по формуле (4.14)

Пример построения совмещенной механической характеристики электродвигателя 5АМХ132М2 и вентилятора ВЦ 5-35 № 8 представлена на (рис. 4.5)

Читайте также: