Расчет асинхронного двигателя

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Nbsp; ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Методические указания к курсовой работе для студентов специальности 11.03.02 УДК ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ: Методические указания к курсовой работе Сост.: Сукиасян С.М., Гусейнов Р.Г., Замиралов Д.В. . 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОй работы 1.1. Введение Темой работы являться расчет и проектирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД). Цель курсовой работы – ознакомить студента с современной практикой проектирования электрических машин и её основными проблемами, научить его применять полученные значения при решении реальной задачи, воспитать и развить навыки самостоятельной работы и самостоятельного принятия решений. Электрическая машина (ЭМ) – электромеханический преобразователь электрической энергии в механическую энергию и обратно, имеющий техническое применение. Особенности асинхронной машины заключены в принципе работы, который основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с наведенными в обмотке ротора токами. АД с короткозамкнутым ротором не имеет скользящих электрических контактов и не содержит конструктивных полюсов возбуждения. 1.2. Состав курсовой работы и общие указания по выполнению Исходные данные для проектирования Исходными данными для выполнения работы являются технические требования, сформулированные в техническом задании. В табл. 1.1 приведены исходные данные для проектирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: номинальная мощность двигателя (кВт), линейное напряжение (В), синхронная частота вращения (об/мин). Общие данные: число фаз - 3, частота - 50 Гц, режим работы - длительный, конструктивное исполнение IM1001; исполнение по способу защиты от воздействия окружающей среды IР44 (закрытое обдуваемое), категория климатического исполнения - У3, способ охлаждения – самовентиляция, класс нагревостойкости изоляции – F . В качестве проверочных могут быть приняты данные асинхронного двигателя серии 4А [6, табл.2.1], имеющего равную мощность, скорость (напряжение) по табл.1.1 (по табл. 2.1; 3.1; 5.2 (или 5.7); 6.1 в [6]). Высота оси h также задана из ряда по ГОСТ13267-73. Например, для двигателя № 5 (табл.1.1) в качестве прототипа может быть выбран двигатель серии 4А, – 4А160S4У3 h = 160 мм (2p = 4). Следует обратить внимание на то, что двигатель проектируется с вытеснением тока в роторе для получения расчетного пускового момента Mп больше номинального Mн (M*п = Mп/Mн > 1). Отношение высоты паза ротора hП к его средней ширине (b1+ b2)/2 должно быть Кп2= hП/bП.ср = 2,3-10. Отношение и абсолютные размеры увеличивается при увеличении числа пар полюсов и мощности. Для серии 4А при числе полюсов 2p = 2 Кп2 = 2,9-5,5; при 2p = 4 Кп2 = 4-8; при 2p = 6 Кп2 = 4-9,3; при 2p=8 Кп2 = 6,2-9,3. Минимальная и максимальная высота паза ротора 11,8 и 52,5 мм. Минимальная и максимальная средняя ширина паза ротора 2,9 и 7,9 мм. Могут быть заданы и дополнительные требования, например, предельные значения пускового тока и наименьшие значения пусковых моментов. Варианты заданий выбираются студентами в соответствии с двумя последними цифрами своего шифра (заочные) и преподавателем (дневники). Основные разделы курсовой работы Содержание курсовой работы направлено, прежде всего, на расширение и углубление знаний, развитие навыков в расчетах с широким использованием справочной литературы, каталогов, учебных пособий и др. Курсовая работа содержит расчетно-пояснительную записку 1. . Расчетно-пояснительная записка должна содержать: 1. Титульный лист (приложение). 2. Задание на курсовую работу 3. Оглавление. 4. Введение Таблица 1.1 № высота оси мм Рн, кВт Uн, В* n1 об/мин № высота оси мм Рн кВт Uн, В*, n1 об/мин 1. 71 1,1 380 3000 26. 200 37 380 3000 2. 80 1,1 380 1000 27. 225 37 380 1000 3. 80 1,5 380 3000 28. 200 37 660 1500 4. 80 2,2 380 3000 29. 200 37 380 1500 5. 90 2,2 380 1500 30. 250 37 380 750 6. 100 2,2 380 1000 31. 200 45 380 3000 7. 112 2,2 380 750 32. 200 45 660 1500 8. 100 5,5 380 3000 33. 250 45 380 1000 9. 112 5,5 380 1500 34. 250 45 380 750 10. 132 11 380 1500 35. 225 55 380 3000 11. 132 11 380 3000 36. 225 55 660 1500 12. 160 15 380 3000 37. 225 55 380 1500 13. 160 15 660 1500 38. 250 55 380 1000 14. 160 15 380 1000 39. 280 55 380 750 15. 180 15 380 750 40. 250 75 380 3000 16. 160 18,5 380 3000 41. 250 75 380 1500 17. 180 18,5 380 1000 42. 280 75 380 1000 18. 160 18,5 380 1500 43. 280 75 380 750 19. 200 18,5 380 750 44. 280 90 380 1000 20. 180 22 380 3000 45. 250 90 380 1500 21. 180 22 660 1500 46. 250 90 380 3000 22. 180 22 380 1500 47. 280 110 380 1500 23. 180 30 660 3000 48. 280 110 380 3000 24. 180 30 380 3000 49. 280 132 380 3000 25. 180 30 660 1500 50. 280 132 380 1500 Примечание*- Линейное напряжение (Y). Ряд мощностей по ГОСТ 12139-74. Высоты осей вращения по ГОСТ 13267-73 5. Расчетно-конструкторскую часть, в которую входит: · Выбор главных размеров электродвигателя · Определение числа зубцов и витков обмотки статора · Расчёт зубцовой зоны статора и воздушного зазора · Расчет ротора · Расчет намагничивающего тока · Определение параметров рабочего режима · Расчет потерь · Заключение (анализ расчетных данных) 6. Список использованной литературы. Общие указания по выполнению курсовой работы Пояснительная записка (в т. ч. титульный лист и задание) со ссылками на литературу и промежуточными вычислениями оформляется в редакторе WORD либо рукописно в соответствии с правилами оформления для курсовых работ и сдается в бумажной форме. 1.3. Методические указания к разделам курсовой работы При проектировании, стремясь получить наиболее быстрым путём близкий к заданию расчетный вариант, студент обязан научиться оптимизировать многие расчеты. Поэтому перед началом расчета он должен тщательно изучить конструкцию базового двигателя, критически оценить принятые в ней соотношения размеров, уровни электромагнитных нагрузок и другие данные [6]. Настоящие методические указания включают методические рекомендации по выполнению тех разделов проекта [3, (4)], при выполнении которых студенты наиболее часто совершают ошибки или которые недостаточно полно освещены в литературе. Проектирование электрической машины – это сложная многовариантная задача. На расчетные коэффициенты и формулы в основном влияют четыре фактора · вид обмотки статора и применяемого провода, · тип пазов статора и ротора, · число пар полюсов · мощность (D, h). В машинах с 2p = 4 мощностью 1,1 – 15 кВт применяется однослойная обмотка, и могут использоваться однотипные пазы, поэтому для них практически полностью подходит порядок расчета, данный в приложении (исключения п.п 30, 59, 60). При расчете двигателей мощностью более 15 кВт и при другом числе пар полюсов в каждой ссылке на формулу, рисунок, таблицу необходимо в основном источнике [3, (4)] выявлять наличие зависимости расчетных факторов от числа полюсов, типа и вида пазов и высоты оси. Так, например, при числе полюсов отличных от четырех изменяется расчетный материал в пунктах 36, 40, 44, 53, 59, а при изменении типа и параметров пазов – в п.п 33, 46, 47, 57, 58, 59. Выбор главных размеров и расчёт обмотки статора, пп.1-9 Расчёт асинхронных машин начинают с определения главных размеров: внутреннего диаметра статора D и расчётной длины воздушного зазора ld. С этой целью предварительно принятой высоте оси вращения h выбирают наружный диаметр статора Da, а по нему определяют внутренний диаметр D. Затем, задаваясь предварительно (на основе имеющихся рекомендаций) значениями электромагнитной нагрузки A и индукции в воздушном зазоре Bd, коэффициентами ad, kB, kоб1., определяют ld и l. Алгоритм решения при этом имеет вид: В процессе проектирования наружный диаметр статора, выбранный в зависимости от h, может быть изменен обычно в большую сторону (в меньшую нецелесообразно, так как при этом возрастают электромагнитные нагрузки). При определении Pрасч = P' предварительные значения h и cosj, если они не указаны в задании, выбираются по ГОСТ 19523-81 или по кривым рис. 6-9, 6-10 [3]. При выборе A и Bd вообще допускается сравнительно широкий их диапазон. Однако принятие их крайних пределов допускаемой области одинаково малоудовлетворительно: при верхних - увеличивается нагрев обмотки и ухудшаются энергетические показатели (при одновременном уменьшении габаритов и массы машины); при нижних - наоборот, увеличиваются размеры и объем активной части машины, но снижаются технико-экономические показатели. Следует помнить, что если от произведения A·Вd зависят главные размеры двигателя, то их соотношение существенно влияет на его характеристики. До расчета магнитной цепи удобнее магнитное поле рассматривать синусоидальным (влияние его уплощения учитывается только при расчете магнитных напряжений отдельных участков магнитной цепи), поэтому коэффициент полюсного перекрытия ad и коэффициент формы поля kB предварительно принимаются: ad = = 0,64; kB = = 1,11 Обмоточный коэффициент предварительно принимается (в зависимости от типа обмотки статора): для однослойных обмоток kобм1 = 0,95-0,96; для двухслойных – kобм1 = 0,90-0,92. Критерием правильности расчёта главных размеров машины (Da, ld) является коэффициент l = ld/t , диапазон которого для принятого исполнения двигателя определяется по рис. 6-14 [3]. При чрезмерно большом l следует принять ближайшую большую из стандартного ряда высоту оси вращения (при слишком малом значении l, наоборот – ближайшую меньшую из ряда) и производят перерасчёт. Определение числа пазов, числа витков и сечения провода обмотки статора, пп.10-18 До начала расчёта выбирается тип обмотки (всыпная, полужёсткая и стержневые обмотки статоров крупных машин АД), исходя из параметров машины по заданию. В п.15 также уточняется обмоточный коэффициент обмотки. Для однослойных обмоток kоб = ky kp = kp определяется в зависимости от q по табл.3-13 (3.16). Для двухслойных обмоток кроме kp определяется коэффициент укорочения ky.. Для этого необходимо знать укорочение обмотки β = y/τ, которое находится обычно в пределах 0,79…0,833. Шаг обмотки y, выраженный в пазах дан в табл.6.1 [3]. Полюсное деление выраженное в пазах τz = Z/2p. Коэффициент укорочения определяется по формуле 3-4 (3.11). Так, всыпная обмотка применяется в машинах мощностью до 100 кВт, напряжением 660 В и укладывается в полузакрытые пазы. Наибольший диаметр провода этих обмоток не превышает 1,8 мм. Нужное сечение эффективного проводника в этом случае обеспечивается выполнением из нескольких элементарных проводников, для уменьшения числа которых часто принимают обмотку с параллельными ветвями. Обмотки из полужёстких катушек применяют в машинах с Pн = 100 кВт и U1н = 660 В, выполняют из прямоугольного провода и укладывают в полуоткрытые или открытые пазы. Обмотки из жёстких катушек также наматывают из прямоугольных проводов, применяют во всех машинах с U1н ³ 3 кВ и выше. Выбранный тип обмотки, в свою очередь, определяет форму паза (закрытый, полузакрытый, полуоткрытый, открытый). При определении числа пазов статора исходят из возможного диапазона значений зубцовых делений статора t1мин - t1макс, который принимается для двигателей со всыпной обмоткой из рис. 6-15 [3, с.170]. Обычно двигатель с h ³ 280 мм имеют полужёсткую обмотку из прямоугольного провода, но в многополюсном исполнении(2p ³ 10) из-за малой высоты спинки статора принимают всыпную обмотку. Для машины с полужёсткой обмоткой из прямоугольного провода при U1н £ 660 В и высоковольтных машинах зубцовое деление принимается по табл. 6-9 [3]. Окончательное число пазов статора должно быть кратным числу фаз, а число пазов на полюс и фазу q - целым (q = Z1/(2pm)). Только в многополюсных машинах число пазов допускается таким, при котором q может быть дробным со знаменателем дробности, равным 2. А окончательное значение t во всех случаях при h ³ 56 мм должно быть не менее 6-7 мм. Определение числа витков в фазе w1 производится, исходя из принятой ранее величины линейной нагрузки A, числа эффективных проводников в пазу с учётом выбранного типа обмотки. Окончательное же значение линейной нагрузки определяется с учётом полученного значения числа витков в фазе w1. Затем производится расчёт величины магнитного потока Ф и индукции в воздушном зазоре Bd. Вновь полученные значения A и Bd, если они не выходят за пределы рекомендуемых диапазонов, принимаются за окончательные и весь дальнейший расчёт производится с их значениями. Расчёт сечения эффективного проводника и обмоточного провода выполняется по методике, изложенной в [3]. Необходимо помнить, что для всыпных обмоток используются обмоточные провода диаметром не более 1,8 мм. При механизированной укладке диаметр изолированного провода берётся не более 1,4 мм, а при ручной укладке (с h ³ 160 мм) – не более 1,7 мм. В противном случае эффективный проводник разделяется на элементарные проводники. Следует учитывать, что во всыпных обмотках nэл может быть равно 10-12, но из-за технологических трудностей намотки катушки их число сокращают до 5-6 (а при механизированной укладке – до 2-3, но при одновременном увеличении числа параллельных ветвей). И только в двухполюсных двигателях nэл увеличивают выше указанных (так как 2а = 2). При прямоугольных проводниках сечение каждого из них не должно превышать 17-20 мм, в противном случае их также подразделяют на элементарные с qэл £ 17-20 мм. При полужёстких обмотках, укладываемых в полуоткрытые пазы, nэл равно только 2. А при жёстких катушках, укладываемых в открытые пазы, nэл £ 2. Вместе с тем qэл не должно превышать 35-40мм. Поэтому в двигателях с большим Iном обмотки выполняют с наибольшим возможным числом параллельных ветвей. При одной и той же площади сечения прямоугольных проводников их линейные размеры a · b могут быть различны, поэтому окончательный выбор обмоточного провода производится вместе с расчётом зубцовой зоны. После выбора qэл, nэл и числа пар параллельных ветвей определяется окончательная плотность тока в обмотке статора. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора, пп. 19- 24 Конфигурация пазов и зубцов определяется мощностью машины и типом обмотки. Так, при прямоугольных проводах рекомендуются пазы с параллельными стенками (зубцы в таких пазах имеют трапецеидальное сечение, а индукция в них неравномерна). При круглых же обмоточных проводах всыпной обмотки в принципе могут использоваться пазы произвольной конфигурации. Однако в двигателях серии 4А используются (при такой обмотке) трапецеидальные пазы с углом наклона граней клиновой части β = 45° при h £ 250 мм и β = 30° при h ≥ 280 мм (2p = 10, 12). В этом случае параллельные грани имеют зубцы. Индукция в таких зубцах постоянна и магнитное напряжение в них меньше, чем в зубцах трапецеидального сечения. Однако принцип расчёта зубцовой зоны и пазов со всыпной обмоткой и пазов с прямоугольными проводами одинаков. Алгоритмы таких расчётов имеют следующий вид. Пазы с параллельными стенками, зубцы трапецеидальные (провода прямоугольные): Пазы трапецеидальные, зубцы с параллельными гранями (провода круглые обмоточные): Вначале, исходя из допустимой индукции (Ba1 доп. табл) в ярме и зубцах статора (Bz1 макс или Bz1 1/3), принятых из табл. 6-10 [3], определяют высоту ярма статора (ha1) и ширину зубца минимальную (или на уровне 1/3 высоты от наиболее узкой части зубца) по формулам 6-28 – 6-30 [3, с.175]. Затем определяются предварительные параметры паза (hп1, bп1) по формулам 6-31 – 6-33 [3, с.176], а по ним - размеры обмоточного провода ( bпр, qрасч). Окончательно стандартные ширину и высоту проводника, его сечение определяют по табл. П-29. Далее уточняются размеры паза и зубцов. Аналогично (согласно алгоритму) проводится расчёт зубцов и пазов при всыпной обмотке, причём размеры паза указанной конфигурации можно рассчитать и графо - аналитически (рис. 6-20, с.179). Правильность размещения обмотки в пазу оценивается значением коэффициента его заполнения (табл. 3-12, с.66) – kз. При kз меньше указанных в таблице пределов следует уменьшить площадь паза, увеличив ha1 и Bz1. При этом уменьшаются Ba1 и Bz1 (но это не должно быть ниже пределов, указанных в табл. 3-12). Если kз превышает табличное значение (и его не удаётся уменьшить за счёт наибольших допустимых значений Ba1 и Bz1 или уменьшением dиз), то следует просчитать другой вариант двигателя с изменёнными главными размерами. Необходимо помнить, что при трапецеидальных пазах возможно отличными будут размеры bz1′ и bz1″. Тогда bz1 = Для прямоугольного паза (паз с параллельными стенками и прямоугольным проводом) определяется коэффициент заполнения паза медью по 3-2 (3.2), проверяется заполнение паза по ширине (по 6-35) и высоте (стр.176-177, стр.254) с учетом выемок для пазовых клиньев. Расчёт ротора, пп. 25-35 Правильный выбор воздушного зазора во многом определяет энергетические показатели двигателя. Чем меньше d, тем меньше МДС магнитной цепи и ток намагничивания (уменьшаются потери в меди статора и увеличивается cosj). При чрезмерном же уменьшении d возрастает амплитуда пульсаций индукции в зазоре, что приводит к увеличению поверхностных и пульсационных потерь. Поэтому в современных АД зазор выбирают исходя из минимума суммарных потерь. При учебном проектировании воздушный зазор выбирают или по рис. 6-21 (с.181) [3], по табл. 6.1 [6] или пользуясь приближёнными формулами: Для двигателей с P < 20 кВт: При 2p = 2 d = (0,3 + 1,5D)·10-3 м; При 2p = 4 d = (0,25 + D)·10-3 м; Для двигателей средней и большой мощности: d = · 10-3 м Выбранный таким образом воздушный зазор, как правило, превышает минимально допустимый по механическим условиям. Определив диаметр ротора D2, выбирают число пазов ротора Z2, исходя из допустимых соотношений Z2 и Z1. Дело в том, что в поле воздушного зазора, кроме основной гармонии, присутствует целый спектр высших гармоник, каждая из которых наводит ЭДС в обмотке ротора и токи. В результате взаимодействия токов и полей этих гармоник возникают электромагнитные синхронные и асинхронные моменты. В результате зубчатости в поле присутствуют зубцовые гармоники (вызывающие шум и вибрацию при работе), порядок которых определённым образом зависит от числа полюсов машины. Зубцовые гармоники особенно проявляются при малых зазорах (двигатели небольшой мощности). В табл. 6-15 (с.185) установлены наилучшие сочетания Z2 и Z1 при различных 2p. Соотношения Z2 = Z1, Z1 – Z2 = ± 2p весьма нежелательны. В двигателях малой мощности обычно Z2 < Z1. Действие высших гармоник значительно ослабляется, если Z2 £ 1,25(Z1 ± p). В более крупных двигателях иногда выполняют Z2 > Z1 (ограничивается чрезмерно большой ток в стержнях). После расчёта основных размеров ротора (внешний и внутренний диаметры, зубцовые деления, сечение стержня и др.), принципиально важным затем является выбор формы паза (с учётом соответствующей технологии изготовления обмотки ротора), определение основных его размеров и зубцов ротора, короткозамыкающих колец. При выборе конфигурации пазов ротора следует учитывать требования к пусковым характеристикам. Узкие и глубокие пазы с суживающейся верхней частью обеспечивают повышенные значения активного сопротивления r2', как следствие, большой Мп, но одновременно (из-за возрастания индуктивного сопротивления X σ' ) уменьшают перегрузочную способность и cosφ при номинальном режиме. Кстати, такие пазы нередко рассчитываются графоаналитическим методом. Следует помнить, расчётные значения индукции в зубцах ротора и ярме должны находиться в рекомендуемых диапазонах (табл. 6-10, с.174). В противном случае необходимо проверить правильность выбора плотности I2 тока и расчёта сечения обмотки ротора qc. При отсутствии ошибки надо изменить соотношения параметров паза (увеличив или уменьшив) с тем, чтобы значение индукции BZ2 оказалось в требуемых пределах. Если и в этом случае необходимые условия не соблюдаются при заданном D2, то следует изменить главные размеры двигателя (в некоторых случаях даже перейти на другую высоту оси вращения). В отдельных случаях, когда BZ2 < нормативной, (а на других участках магнитной цепи индукция находится в рекомендуемых пределах), то не следует искусственными приёмами повышать BZ2. Известно, что в двигателях с h £ 250 мм применяют горячую посадку сердечников ротора на вал без шпонки, при h > 250 мм – сердечники крепят на валу с помощью шпонки. В большинстве АД с h ³ 250 мм выполняют аксиальные вентиляционные каналы и радиальные при длине сердечника lδ>250 мм (как на статоре). Если D2 > 990 мм, то внутренний диаметр и высоту ярма ротора определяют: Dj = D2 – 2(hп2 + hj); hj = Расчёт магнитной цепи и намагничивающего тока, пп.36-43 Расчёт магнитной цепи проводится для режима холостого хода, в котором машина находится в состоянии относительно сильного насыщения, что приводит к уплощению кривой поля в воздушном зазоре. Поэтому расчёт МДС в зазоре сводится к непосредственному определению магнитного напряжения зазора по Bd. При определении магнитных напряжений участков магнитной цепи с нелинейными магнитными характеристиками влияние уплощения учитывается специальными кривыми намагничивания для зубцов и ярм синхронных двигателей, построенными по основной кривой намагничивания с учётом зависимостей [3, с.191]. Расчетная высота ярма ротора h’j с учетом числа аксиальных каналов стр.191 при 2p = 2, 4 вычисляется по формуле 6-109 (9.124) при 2p ≥ 6 – по 6-108 (9.126). Следует также учесть, что для двигателей с 2p = 2, сердечник ротора которых непосредственно насаженна вал, длина средней магнитной линии Lj определяется по формуле 6-126 (9.125). Методика расчёта магнитной цепи машины изложена в [3, с.192-195]. При этом следует определить, прежде всего, индукцию в зубцах статора и ротора, в ярмах статора и ротора. По этим значениям индукции, используя кривые намагничивания для соответствующих участков, определяют их напряжённости и магнитодвижущие силы, а затем и суммарное магнитное напряжение машины на пару полюсов. Это даст возможность найти значение намагничивающего тока, относительная величина которого служит определённым критерием правильности проведённого выбора и расчёта размеров и обмотки двигателя [3, с.195]. Правильность выбора размерных соотношений зубцовой зоны оценивается значением коэффициента её насыщения 1,5-1,6 > kZ >1,2 (п.39) и относительного намагничивающего тока 0,18 < Iµ < 0,35 (п.43). Магнитопровод двигателей — шихтованный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, причем двигателей с h = 50...250 мм из стали марки 2013, а двигателей с h = 280...355 мм — из стали марки 2312. Расчёт потерь, пп.44-55 Потери в двигателях, как известно, подразделяют на постоянные и переменные. Постоянные потери – это потери в стали (основные и добавочные), вентиляционные и механические; переменные потери – это электрические потери и добавочные потери при нагрузке. Основные потери в стали рассчитывают только в сердечнике статора, так как при sн частота тока в роторе весьма мала. Добавочные потери (поверхностные и пульсационные) в статорах двигателей с короткозамкнутыми и фазными роторами со стержневой обмоткой обычно очень малы, по этой причине расчёт этих потерь выполняют только для ротора. Механические и вентиляционные потери зависят от степени защиты и исполнения, системы вентиляции, числа пар полюсов, диаметра статора, мощности машины и др. Формулы их определения представлены в учебном пособии [3]. Электрические потери обычно определяют раздельно для обмотки статора и ротора. Если ротор короткозамкнутый, то ΔPэ2 = m1 r2' (I1')2. Что касается добавочных потерь при нагрузке, то ГОСТом установлены их средние расчётные значения при номинальном режиме в 0,5% от номинальной мощности двигателя. Необходимо твёрдо помнить, что эти потери возникают в двигателях в результате пульсации индукции в воздушном зазоре, ступенчатости кривой МДС обмоток статора и ротора, от действия потоков рассеяния и др. И в заключение данного раздела требуется определить ток холостого хода Iх.х двигателя и коэффициент мощности cosφх.х. . 2. ОСНОВНАЯ УчебнАЯ ЛИТЕРАТУРА * Основная литература: 1. Копылов И. П. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 2. Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. – 4-изд., исправленное – Москва: Высшая школа, 2006. 3. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов / И.П. Копылов, Ф.А. Горяинов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980. 4. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2002. 5. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высш. Шк., 2000. Дополнительная литература: 6. Справочник. Асинхронные двигатели серии 4А /А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М: Энергоиздат, 1982. 7. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., СвириденкоИ.С. Проектирование электрических машин: М.: Высш. шк., 2001 Приложение А. Пример расчета АД 37 кВт (Пояснительная записка) Название министерства (федерального агентства) Название образовательного учреждения высшего образования Название кафедры

КУРСОВая работа

Расчет асинхронного двигателя

Выполнил:

Проверил

Город

Дата

КУРСОВая работа

По дисциплине ____ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ_________

Техническое задание

Номинальная мощность P = 37 кВт;

напряжение – 380/660 В;

синхронная частота вращения – 1000 об/мин;

число фаз – 3;

частота сети - 50 Гц;

предельное значение пускового тока – 6 I_ном;

наименьшие значение пускового момента 1,1 M_ном;

режим работы – продолжительный;

конструктивное исполнение – IM1001;

исполнение по способу защиты от воздействия окружающей среды – IР44;

категория климатического исполнения – У3;

способ охлаждения – самовентиляция;

базовая модель двигатель 4А225М6.

Оглавление

Введение ………………………………………………………………

1. Определение главных размеров…………………………………

2. Определение z1, w1 и сечения провода обмотки статора 6

3. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора .

4. Расчёт ротора ……………………………………………………...

5. Расчёт намагничивающего тока ……………………………….

6. Параметры рабочего режима …………………………………...

7. Расчёт потерь ……………………………………………………...

Заключение ………………………………………………………….

Список использованной литературы ……………………………..

Введение

Асинхронный двигатель является преобразователем электрической энергии в механическую и составляет основу большинства механизмов использующихся во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время асинхронные двигатели потребляют более 40% вырабатываемой электрической энергии, на их изготовление расходуется большое количество дефицитных материалов: обмоточные меди, изоляции, электрической стали и других затрат.

На ремонт и обслуживание асинхронных двигателей в эксплуатации средства составляют более 5% затрат из обслуживания всего установленного оборудования.

Поэтому создание высокоэкономичных и надежных асинхронных двигателей является важнейшей задачей, Серия 4А подходит в качестве прототипа при проектировании.

В задании указано предельное значение пускового тока и дано наименьшие значение пускового момента. Они отличаются в пределах 10% от данных двигателя 4A225M6, поэтому при расчете необходимо уделить внимание параметрам Г-образной схемы замещения двигателя. Высота паза ротора может быть меньше, чем у прототипа, а комплексное сопротивление короткого замыкания z_k = (x_k² + r_k²)^0,5 несколько больше.

При курсовом проектировании асинхронного двигателя в качестве основного использовался источник [1], ссылка на который в тексте ставилась в скобках, например, . Остальные источники отмечались цифрой в квадратных скобках.
1. Определение главных размеров

1.Число пар полюсов: . (1.1)

2. Высота оси вращения (предварительно): мм

. Принимаем ближайшее меньшее значение мм и наружный диаметр статора асинхронного двигателя м .

3. Внутренний диаметр статора: м,

=0,72 - характеризует отношение внутреннего и внешнего диаметра асинхронного двигателя .

4. Полюсное деление: м. (1.2)

5. Расчётная мощность:

Вт, (1.3) где = 0,972 – отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению ; h=0,9 и cosj=0,88 – значения КПД и коэффициента мощности АД .

6. Электромагнитные нагрузки (предварительно):

А=35∙10³=35000А/м;

В_d=0,8 Тл,

7. Обмоточный коэффициент для двухслойной обмотки (предварительно): k_об1=0,91 , .

8. Расчётная длина воздушного зазора:

м, (1.4)

где коэффициент полюсного перекрытия и коэффициент формы поля в асинхронных машинах определяются степенью уплощения кривой поля в зазоре, возникающей при насыщении зубцов статора и ротора, и могут быть достаточно достоверно определены только после расчета магнитной цепи. Поэтому до расчета магнитной цепи удобнее рассматривать синусоидальное поле, а влияние уплощения учесть при расчете магнитного напряжения отдельных участков магнитной цепи. Основываясь на этом, значения коэффициентов предварительно принимают равными: , ; синхронная угловая скорость вала двигателя: W= рад/с .

9. Критерием правильности выбора главных размеров D и служит отношение: , (1.5)

полученное значение l находится в рекомендуемых пределах .

В результате проделанных вычислений получены значения высоты оси вращения h, внутреннего диаметра статора D, наружного диаметра статора , расчётной длины воздушного зазора и полюсного деления .

2. Определение z₁, w₁ и сечения провода обмотки статора

10. Предельные значения t₁– зубцовое деление : t₁_max= 14 мм; t₁_min= 12 мм,

11. Число пазов статора:

; (2.1)

Принимаем Z₁ = 72, тогда число пазов на полюс и фазу:

, (2.2)

где τ_z = Z₁/2p =12– полюсное деление, выраженное числом пазов.

Принимаем двухслойный тип обмотки, так как мощность двигателя более 15 кВт.

12. Зубцовое деление статора (окончательно):

м. (2.3)

13. Число эффективных проводников в пазу (предварительно при условии, что а = 1):

(11), (2.4)

где – номинальный ток обмотки статора:

А . (2.5)

14. Принимаем а = 3, тогда .

15. Окончательные значения:

число витков в фазе обмотки: ; (2.6)

линейная нагрузка:

А/м; (2.7)

магнитный поток: Вб, (2.8)

для двухслойной обмотки {по (3-3) [И.П.Копылов]}

k_об1 = k_Р×k_у = 0,958×0,966 = 0,925;

k_Р – коэффициент распределения, при q = 4 k_Р = 0, 958 { ;

k_у –коэффициент укорочения, k_у= sin (0,5π β)= 0,966 {по (3-4) [И.П.Копылов]};

укорочение β = y/τ_z = 10/12 = 0,833 ≈ 0,83, см.п.11, , {c.228 [3]};

для м - = 0,972 ;

Индукция в воздушном зазоре:

Тл. (2.9)

Линейная нагрузка и индукция в воздушном зазоре при принятом числе пазов Z₁ и эффективных проводников в пазу находятся в рекомендуемых пределах, переходим к расчёту сечения эффективного проводника и обмоточного провода.

16. Плотность тока в обмотке статора (предварительно):

А/м², (2.10)

где А²/м³ – среднее значение произведения (плотности тока на значение линейной нагрузки .

17. Сечение эффективного проводника (предварительно):

м²= 2,39 мм²; (2.11)

Принимаем число элементарных проводников n_эл = 3 и выбираем по таблице обмоточный провод ПЭТМ : d_эл = 1,06 мм – номинальный диаметр неизолированного провода; d_из = 1,14 мм – среднее значение диаметра изолированного провода; q_эл = 0,883 мм²–площадь поперечного сечения неизолированного провода,

q_эф = 3∙0,883 = 2,649 мм².

18. Плотность тока в обмотке статора (окончательно): А/м²=5,16 А/мм². (2.12)

3. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Паз статора с соотношением размеров, обеспечивающим параллельность боковых граней зубцов.

Рис. 3.1. Паз статора

19. Принимаем предварительно :

В_z₁ = 1,9Тл - значение индукции на ярме статора; В_а = 1,6 Тл значение индукции на зубцах статора при постоянном сечении (всыпная обмотка), тогда:

ширина зубца:

мм, где (3.1)

- длина стали сердечников статора (в асинхронных двигателях, длина сердечников которых не превышает 250-300 мм, радиальных вентиляционных каналов не делают, сердечники шихтуются в один пакет, для такой конструкции справедливо ) ; – коэффициент заполнения сталью магнитопроводов статора и ротора асинхронных двигателей .

Высота ярма:

мм. (3.2)

20. Размеры паза в штампе принимаем b_ш=3,7 мм – ширина шлица паза ; h_ш- высота шлица паза (так как h>160мм, то h_ш=1 мм ):

мм; (3.3)

мм; (3.4)

размеры паза при угле наклона граней клиновой части :

(3.5)

мм. (3.6)

21. Размеры паза в свету с учётом припуска на сборку:

мм; (3.7)

мм;

и - припуски по ширине и высоте паза (при h = 225 мм = = 0,2 мм

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:

(3.8)

Площадь поперечного сечения прокладок в пазу для двигателей с h = 180÷250 мм:

мм². (3.9)

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу: мм², где (3.10)

односторонняя толщина изоляции в пазу мм .

22. Коэффициент заполнения паза:

, (3.11)

полученное значение меньше рекомендуемых пределов, что недопустимо.

Уменьшим площадь паза за счёт увеличения и .

Принимаем В_z₁= 1,8 Тл; В_а= 1,5 Тл, что допустимо, так как эти значения не превышают рекомендуемых.

23. Повторяем расчёт по пунктам 19-22:

мм;

мм.

Размеры паза в свету:

мм;

мм.

Площадь поперечного сечения паза в свету для размещения проводников обмотки:

мм²,

где мм²;

мм².

24. Коэффициент заполнения паза:

Полученное значение удовлетворяет условию.

Рис. 3.2. Размеры паза в штампе

4. Расчёт ротора

25. Воздушный зазор: : мм.

26. Число пазов ротора : .

27. Внешний диаметр:

(4.1)

28. Длина: м.

29. Зубцовое деление:

. (4.2)

30. Внутренний диаметр ротора равен диаметру участка вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал:

, где (4.3)

31. Ток в стержне ротора: А, (4.4)

где - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение ; коэффициент приведения токов

. (4.5)

32. Площадь поперечного сечения стержня предварительно:

мм², (4.6)

[плотность тока в стержне литой клетки принимаем А/м²].

33. Паз ротора.

Принимаем размеры шлица: мм и мм, высота перемычки над пазом мм .

Рис. 4.1. Грушевидный закрытый паз короткозамкнутого ротора

Допустимая ширина зубца:

(4.7)

где Тл - зубцы ротора при постоянном сечении .

Размеры паза:

(4.8)

мм; (4.9)

мм. (4.10)

Принимаем мм; мм; мм.

Полная высота паза:

мм. (4.11)

Сечение стержня окончательно:

(4.12)

Рис. 4.2. Размеры паза ротора в штампе

34. Плотность тока в стержне:

А/м². (4.13)

35. Короткозамыкающие кольца.

Рис. 4.3. Замыкающие кольца короткозамкнутого ротора

с литой обмоткой

Площадь поперечного сечения предварительно:

мм², (4.14)

где - токи в кольце; (4.15)

; (4.16)

А/м². (4.17)

Размеры замыкающих колец:

мм;

мм²;

мм.

5. Расчёт намагничивающего тока

36. Значения индукций:

в зубцах статора:

Тл; (5.1)

в зубцах ротора:

Тл; (5.2)

в ярме статора:

Тл; (5.3)

в ярме ротора:

Тл, (5.4)

где - расчётная высота ярма ротора.

37. Магнитное напряжение воздушного зазора:

А, (5.5)

где - коэффициент воздушного зазора, если одна из поверхностей гладкая,

где: .

38. Магнитные напряжения зубцовых зон:

статора:

А; (5.6)

ротора:

А, (5.7)

где : А/мпри Тл; А/мпри Тл; мм; мм.

39. Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

. (5.8)

Полученное значение позволяет предварительно оценить правильность выбранных размерных соотношений и обмоточных данных проектируемой машины. Коэффициент насыщения зубцовой зоны должен входить в отрезок .

40. Магнитные напряжения ярм статора и ротора:

А; (5.9)

А, (5.10)

где : А/м при Тл, А/м при Тл,

м – средняя длина магнитной линии ярма статора,

м – длина средней магнитной линии потока в ярме ротора, где мм – высота спинки ротора.

5.6 .Магнитное напряжение на пару полюсов: (5.11)

42. Коэффициент насыщения магнитной цепи:

. (5.12)

43. Намагничивающий ток:

А; (5.13)

относительное значение:

. (5.14)

Относительное значение служит определённым критерием правильности произведённого выбора и расчёта размеров и обмотки двигателя. Относительное значение намагничивающего тока должно входить в отрезок

6. Параметры рабочего режима

44. Активное сопротивление фазы обмотки статора:

Ом. (6.1)

Для класса нагревостойкости изоляции F расчётная величина

⁰С. Для меди .

Длина проводников фазы обмотки

м,

где м – средняя длина витка как сумма прямолинейных пазовых и изогнутых лобовых частей катуки; м – длина пазовой части равна конструктивной длине сердечников машины; длина лобовой части: м, где В = 0,01 м– длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части; коэффициент К_Л= 1,4 ;

м - средняя ширина катушки, определяемая по дуге окружности, проходящей по серединам высоты пазов, где - относительное укорочение шага обмотки статора. Для укороченной двухслойной обмотки принят в п.15 β₁ = 0,83.

Длина вылета лобовой части катушки:

(6.2)

где коэффициент

Рис. 6.1. Катушка двухслойной обмотки. Общий вид.

Относительное значение: . (6.3)

45. Активное сопротивление фазы обмотки ротора:

Ом, (6.4)

где Ом – сопротивление стержня;

Ом – сопротивление участка замыкающего кольца, заключённого между двумя соседними стержнями, где для литой алюминиевой обмотки ротора ∙м.

Приводим r₂ к числу витков обмотки статора:

Ом. (6.5)

Относительное значение: . (6.6)

46. Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

(6.7)

где коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния

(6.8)

где мм; мм; ;

;

при укорочении β = 0,83 (см. п.15), k’_β = 0,25(1+3 β);

k_β = 0,25(1+3 k’_β) k`_β =0,875, k_β =0,906,

при отсутствии вентиляционных каналов м.

коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния: (6.9)

коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния:

(6.10)

где

для (коэффициент скоса, выраженный в долях зубцового деления ротора, при отсутствии скоса ) и ].

Относительное значение (6.11)

47. Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:

(6.12)

где коэффициент магнитной проводимости пазов рассеяния короткозамкнутых роторов: (6.13)

мм, мм, мм, (для рабочего режима);

м;

коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:

(6.14)

коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора:

, (6.15)

где

, (6.16)

где .

Приводим x₂ к числу витков статора:

Ом. (6.17)

Относительное значение: . (6.18)

7. Расчёт потерь

48. Потери в стали основные:

= (7.1)

Вт,

где Вт/кг и - удельные потери для стали 2013

; коэффициенты, учитывающие влияние на потери в стали неравномерного распределения потока по сечениям участков магнитопровода и технологических факторов: k_да=1,6; k_д_z=1,8;

масса стали ярма:

(7.2)

где высота ярма статора:

; (7.3)

масса стали зубцов статора:

(7.4) , где

- расчётная высота зубца статора; - средняя ширина зубца статора; - удельная масса стали.

49. Поверхностные потери в роторе:

(7.5)

, где удельные поверхностные потери в роторе:

(7.6)

где

- коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери; амплитуда пульсаций индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов ротора: