Проект двигателя электрической машины

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Электрические машины - ключевые элементы энергетических установок, различные машины, механизмы, технологическое оборудование, современные средства транспорта, связи и др. Они осуществляют выработку электрической энергии, осуществляют процесс высокоэкономического преобразования ее в механическую, осуществляют выполнение различных функций преобразования и усиления различных сигналов в системах автоматического регулирования и управления.

Электрические машины широко используются в каждой отрасли народного хозяйства. Их преимущества - наличие высокого КПД, достигающего в мощных электрических машинах 95ч99%, сравнительно малой массы и габаритных размеров, а также экономное использование материалов. Электрические машины выполняются на различных мощностях (от долей ватта до сотен мегаватт), частоты вращения и напряжения. Их характеризует высокая надежность и долговечность, простота управления и обслуживания, удобством подвода и отвода энергии, небольшая стоимость при массовом и крупносерийном производстве, при этом они являются экологически чистыми.

Асинхронные машины представлены наиболее распространенными электрическими машинами. В основном они применяются в качестве электродвигателей и представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую.

В настоящее время асинхронные электродвигатели могут потреблять примерно половину от всей вырабатываемой в мире электроэнергии и широко используются как электропривод подавляющего большинства механизмов. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.

В нашей стране самой массовой серией электрических машин является общепромышленная серия асинхронных машин 4А. Серия включает машины мощностью от 0,06 до 400 кВт и выполнена на 17 стандартных высотах оси вращения. На каждую из высот вращения осуществляется выпуск двигателей двух мощностей, которые отличаются по длине. На базе единой серии осуществляется выпуск различных модификаций двигателей, обеспечивающих соблюдение технических требований большего количества потребителей.

На базе единых серий осуществляется выпуск различных исполнений двигателей, которые предназначены для работы в специальных условиях.

электрический переменный ток асинхронный двигатель статор ротор



ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Исходные данные примем в соответствии с заданием на проектирование; неоговорённые заданием исходные данные принимаются с учётом требований ГОСТ 183-74.

Таблица 1 - Исходные данные

Наименование заданных параметров	Обозн.	Ед. изм.	Значение параметра
Номинальная отдаваемая мощность	P2	кВт	5,5
Количество фаз статора	m1		3
Частота сети	f	Гц	50
Номинальное напряжение	U	В	220/660
Синхронная частота вращения	n1	об/мин	1500
Степень защиты от внешних воздействий	-	-	IP44
Способ охлаждения	-	-	IC0141
Исполнение по способу монтажа	-	-	IM1001
Климатические условия и категория размещения	-	-	У3
Вероятность безотказной работы обмотки за наработку 10 000 ч	PОБ	-	0,9
Форма выступающего конца вала	-	-	Цилиндрическая
Способ соединения с приводным механизмом	-	-	Упругая муфта
Количество пар полюсов	p	-	2
Примечание: Количество пар полюсов определим по формуле 9-1 [2]:

1. МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ ДВИГАТЕЛЯ

1.1 Определение главных размеров

К главным размерам электрических машин переменного тока относятся значения внутреннего диаметра D₁ и длину l₁ сердечника статора. Величина предельно допустимой величины наружного диаметра корпуса D_КОРП и сердечника статора D_Н1 зависит от высоты вращения h.

Так как величина h не регламентируется в задании на проектирование по данным таблицы 9-1 [2] предварительно принимается h = 112 мм. По материалам таблицы 9-2 [2] принимается наружный диаметр сердечника D_Н1MAX = 359 мм.

Для того, чтобы определить внутренний диаметр сердечника статора D₁, используется зависимость вида D₁ = f(D_Н1), указанная в таблице 9-3 [2]. Используем способ расчёта с применением максимального (при выбранном h) диаметра сердечника. При количестве полюсов 2p = 2·2 =4 и принятом D_Н1 = D_Н1MAX = 197 мм внутренний диаметр D₁ составит:

мм.

Расчётная мощность определяется по формуле 1-11 [2]:

В·А;

где k_Н - значение коэффициента, который выражает пропорциональность ЭДС фазы обмотки статора и номинального фазового напряжения;

з - КПД двигателя при использовании номинальной нагрузке;

cosц - значение коэффициента мощности при номинальной нагрузке.

Для того, чтобы определить расчетные параметры, используем номограммы § 9-3 [2] (см. рис. 1). Предварительные значения и принимаются на уровне средних энергетических показателей для выпускаемых электродвигателей. Учитывая заданную степень защиты (IP44) и способ охлаждения (IC0141) и числа полюсов 2p = 4 получаем:

k_Н = 0,95;

Здесь и далее предварительные значения параметров могут обозначаться при помощи знака “штрих” для отличия от уточняемых в дальнейшем значений.

Для последующих расчётов согласно материалов §§ 9-3, 9-4 [2] принимается двухслойная всыпная обмотка из круглого провода марки ПЭТ-155 (класс нагревостойкости F), укладываемая в трапецеидальные полузакрытые пазы.

Для того, чтобы определить длину сердечника статора l₁ сначала находится расчетная длина сердечника по формуле 1-30 [2]:

мм;

здесь A₁ - значение линейной нагрузки обмотки статора, А/см;

B_д - максимальная магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл;

- значение обмоточного коэффициента, = 0,93.

Значения и определяются в соответствии с графиками зависимости величин от показателя D_Н1 (см. рис. 2); значение обмоточного коэффициента принимается по рекомендациям § 9-3 [2].



Рис. 2. Средние значения A'₁=f (D_н1) (а), =f (D_н1) (б) при 2p=4 и классе нагревостойкости F:

1 - испонение по защите IP44, способ охлаждения IC0141, полузакрытые пазы однослойная обмотка; 2 - то же, что 1, но двухслойная обмотка; 3 - IP44, IC0141, полузакрытые пазы, двухслойная обмотка, продуваемый ротор; 4 - IP44, IC0141, открытые пазы, U=6000 В, двухслойная обмотка; 5 - IP23, IC01, полузакрытые пазы, однослойная обмотка; 6 - то же, что 5, но двухслойная обмотка; 7 - IP23, IC01, полуоткрытые пазы, двухслойная обмотка: 8 - IP23, IC01, открытые пазы, U=6000 В, двухслойная обмотка.

Конструктивную длину сердечника статора l₁ при ? 100 мм примем равной расчётной длине которая округляется до ближайшего числа кратного пяти, соответственно l₁ = 110 мм.

Отношение величин l₁ и D₁ при этом составляет:

Максимально же допускаемая величина этого отношения по табл. 9-6 [2] равна:

л_MAX = 1,46 - 0,00071D_Н1 = 1,46 - 0,00071·197 = 1,32.

Как можно видеть из предыдущих расчётов неравенство л ? л_MAX выполняется, вследствие чего можно сделать вывод о допустимости рассчитанных значений параметров.

1.2 Сердечник статора

Сердечник статора проектируемого двигателя необходимо выполнять из отдельных штампованных листов электротехнической стали марки 2031 толщиной 0,5 мм, которые имеют изоляционное покрытие (изолирование оксидированием) для того, чтобы уменьшить потери в стали от вихревых токов.

В соответствии с данными таблицы 9-8 [2] принимаем количество пазов на полюс и фазу q₁ = 4, число пазов сердечника статора при этом составляет:

z₁ = 2pm₁q₁ = 2·2·3·3 = 36 пазов.

1.3 Сердечник ротора

Сердечник ротора собирают из отдельных отштампованных листов электротехнической стали. По аналогии с конструкцией статора принимается сердечник из стали 2013 изолированной оксидированием.

В проектируемом короткозамкнутом роторе используются овальные полузакрытые пазы. Принимается конструкция ротора без скоса пазов.

Значение наружного диаметра сердечника ротора при этом составит

D_Н2 = D₁ - 2д = 129 - 2·0,3 = 128,4 мм;

где д - величина воздушного зазора между статором и ротором, по табл. 9-9 [2] примем д = 0,3 мм.

Для принятой высоты вращения h = 112 мм определяется значение внутреннего диаметра листов ротора:

D₂ ? 0,23D_Н1 ? 0,23·197 ? 45,3 мм;

окончательно принимается D₂ = 45 мм.

С учётом значения h длина сердечника ротора l₂ принимается равной длине сердечника статора l₁: l₂ = l₁ = 110 мм.

Число пазов сердечника ротора z₂ проектируемого двигателя принимается по табл. 9-11 [2]. Для двигателя с количеством полюсов 2p = 4, количеством пазов z₁ = 36 и принятой конструкции пазов ротора без скоса количества пазов z₂ = 26.



2. ОБМОТКА СТАТОРА

В соответствии с данными рисунка 2 (рис. 9-4 [2]) принимается шестизонная двухслойная всыпная обмотка статора. Каждая зона такой обмотки равна 60 эл. град. Коэффициент распределения при этом:

здесь - значение действительного коэффициента полюсной дуги.

Двухслойная обмотка выполняется с укороченным шагом:

где в₁ - укорочение шага. Значение в₁ примем таким образом, чтобы y_П1 равнялось целому количеству, а величина в₁ ? 0,8. Примем в₁ = 0,78.

Предварительное значение магнитного потока

Вб;

здесь - округлённое значение расчётной длины сердечника статора, при отсутствии радиальных вентиляционных каналов принимается = l₁ = 110 мм.

Значение коэффициента укорочения



k_У1 = sin(в₁·90°) = sin(0,83·90°) = 0,97.

Значение обмоточного коэффициента

k_ОБ1 = k_Р1k_У1 = 0,96·0,97 = 0,93.

Предварительное число витков в обмотке фазы

здесь U₁ - величина номинального фазного напряжения, U₁ = 660 В.

Предварительное число эффективных проводников в пазу

где a₁ - число параллельных витков обмотки статора, которое должно быть одним из делителей количества полюсов, при 2p = 4 возможные значения a₁ = 1; 2; окончательно примем a₁ = 2.

При использовании двуслойной обмотки N_П1 выбирают, как правило, чётным. Окончательно примем количество эффективных проводников в пазу N_П1 = 162.

Уточняем значения предварительно установленных параметров и :

Уточненный магнитный поток

Вб.

Уточненная индукция в магнитном зазоре

Тл.

Предварительная величина номинального фазного тока

А.

Уточнённая величина линейной нагрузки статора

А/см.

Полученное значение A₁ является отличным от предварительно принятого = 367,87 А/см на 4,8 %, что требованиям § 9-4 [2].

Определяем размеры зубцовой зоны статора. Высота спинки статора h_С1 определяется по формуле:

мм;

где k_С - значение коэффициента заполнения стали, для сердечника статора, который изготавливается из листов стали изолированных оксидированием, k_С = 0,97;

B_С1 - среднее значение магнитной индукции спинки статора, по материалам таблицы 9-13 принимается B_С1 = 1,7 Тл.

Высота паза определяется по формуле:

мм.

Для того, чтобы вычислить размеры трапецеидальных пазов определяется зубцовое деление внутреннего диаметра статора

мм.

Размеры трапецеидальных пазов составят:

? ширина зубца

мм;

здесь B_З1 - среднее значение магнитной индукции в зубцах статора, по таблице 9_14 принимаем B_З1 = 1,8 Тл;

? величина большей ширины паза

мм.

? величина меньшей ширины паза

мм;



где h_Ш1 = 0,5 мм - величина высоты шлица;

b_Ш1 - значение ширины шлица, предварительно принимаем

мм.

Проверяем правильность определения b₁ и b₂, учитывая условие b_З1 = const:

z₁(b₁ - b₂) + р(b₂ - b_Ш1) - 2р(h_П1 - h_Ш1) ? 0.

36(8,5 - 5,9) + 3,14(5,9 - 3,2) - 2·3,14(16,7 - 0,5) = 0,00

- условие выполнено, следовательно, величины b₁ и b₂ определены верно.

? значение площади поперечного сечения паза штампа

мм².

? значение площади поперечного сечения паза в свету

мм²;

где b_С - значение припуска на сборку сердечника статора по ширине, b_С = 0,2 мм;

h_С - значение припуска на сборку сердечника статора по высоте, h_С = 0,2 мм.

? значение площади поперечного сечения корпусной изоляции

S_И = b_И1(2h_П1 + b₁ + b₂) = 0,4(2·16,7 + 8,5 + 5,9) = 19,1 мм²;

здесь b_И1 - среднее значение односторонней толщины корпусной изоляции, b_И1 = 0,4 мм.

? значение площади поперечного сечения прокладок между верхней и нижней катушками в пазу, на дне паза и под клином

S_ПР = 0,5b₁ + 0,75b₂ = 0,5·11,9 + 0,75·8,2 = 12,1 мм².

? значение площади поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой

мм².

Для обмотки статора применяется круглый провод марки ПЭТ_155 (класс нагревостойкости F). Диаметр провода выберем таким образом, чтобы коэффициент заполнения паза k_П с применением ручной укладки не было выше 0,75.

Диаметр элементарного изолированного провода с учётом принятого значения k_П = 0,75 определяется диаметр элементарного изолированного провода:

мм;

здесь с - число элементарных проводов в одном эффективном. Число c выбирают таким образом, чтобы значение диаметра провода с изоляцией не превышало 1,71 мм при использовании ручной укладки. Окончательно принимаем c = 2.

По материалам приложения 1 [2] определяется значение ближайшего стандартизированного диаметра соответствующего ему диаметра неизолированного провода d и площади поперечного сечения S. Для последующего расчётов принимается изолированный провод ПЭТ_155 диаметром 1,645 мм. Величины соответствующих показателей такого провода составляют:

? значение диаметра неизолированного провода d = 1,56 мм;

? величина площади поперечного сечения неизолированного провода S = 1,911 мм².

Применяя показатели принятого провода уточняется размер шлица:

мм.

Так как принятый ранее размер окончательно принимается мм. Внесения корректив в производимые ранее расчёты не требуется. Уточняем коэффициент заполнения паза по формуле:

Определим величину плотности тока обмотки статора

А/мм².

Уровень удельной тепловой нагрузки статора от потерь в обмотке характеризует произведение линейной нагрузки на значение плотности тока омботки A₁J₁. Для проектируемой в обмотке статора величина данного произведения составит



A₁J₁ = 270,4·4,5 = 1217 А²/(см·мм²).

Величина среднего допустимого значения удельной тепловой нагрузки по материалам § 9_4 [2] составляет 2 200 А²/(см·мм²) (см. рис. 3).

Полученный расчётный показатель A₁J₁ не выше, чем среднее допустимое значение.

Определяем размеры элементов обмотки:

? величина среднего зубцового деления статора:

мм;

? значение средней ширины катушки обмотки статора:

b_СР1 = t_СР1y_П1 = 12,7·7 = 95 мм;

? значение средней длины одной лобовой части катушки:

l_Л1 = (1,16 + 0,14p)b_СР1 + 15 = (1,16 + 0,14·2)95 + 15 = 151,7 мм;

? значение средней длины витка обмотки:

l_СР1 = 2(l₁ + l_Л1) = 2(110 + 151,7) = 523,5 мм;

? значение длины вылета лобовой части обмотки (при h > 160 мм):

l_В1 = (0,12 + 0,15p)b_СР1 + 10 = (0,12 + 0,15·2)95 + 10 = 49,9 мм.



3. ОБМОТКА КОРОТКОЗАМКНУТОГО РОТОРА

Учитывая характеристики проектируемого двигателя, по материалам § 9_5 [2] используются закрытые пазы ротора овальной формы.

Определяем размеры овальных закрытых пазов короткозамкнутого ротора используя данные § 9_5 [2]:

? значение высоты паза короткозамкнутого ротора h_П2 = 33 мм (см. рис. 4);

? значение расчетной высоты в спинке ротора (при h = 112 мм и 2p = 4):

мм;

где d_К2 - значение диаметра аксиального вентиляционного канала ротора, d_К2 = 0 мм;

? значение магнитной индукции спинки ротора:

Тл,

рассчитанное значение B_С2 не выше, чем предельно допустимое, равное 1,6 Тл, следовательно, корректировка высоты паза не требуется;

? значение зубцового деления по наружному диаметру ротора:

мм;

? значение магнитной индукции зубцов ротора (по данным табл. 9_18 [2]) B_З2 = 1,7 Тл;

? значение ширины зубца:

мм;

? значение меньшего радиуса паза:

мм;

значение рассчитанного радиуса r₂ не удовлетворяет условию r₂ ? 2 мм (§ 9_5 [2]), следовательно, требуется уменьшить величину рассчитанной ширины зубца b_З2, увеличив магнитную индукцию в зубцах ротора B_З2. Примем B_З2 = 2,9 Тл и определяются скорректированные значения величин:

? значение ширины зубца:

мм;

? значение меньшего радиуса паза:

;

? значение большого радиуса паза:

;

здесь h_Ш2 - значение высоты шлица паза ротора, для закрытого паза принимается h_Ш2 = 0,7 мм;

h₂ - значение геометрического размера, который принимается равным 0,3 мм;

? величина расстояния между центрами радиусов:

h₁ = h_П2 - h_Ш2 - h₂ - r₁ - r₂ = 22- 0,7 - 0,3 - 3,3 - 2,0 = 15,7 мм.

Осуществим проверку правильности определения r₁ и r₂, учитывая условие b_З2 = const:

рh₁ - z₂(r₁ - r₂) ? 0.

3,14·15,7 - 38(3,3 - 2,0) = - 0,15.

Проверка расчётов свидетельствует о том, что величины радиусов r₁ и r₂ аналитическим методом определяются неверно. Используем графический метод определения величин. Для этого строится масштабный чертёж паза ротора, при соблюдении следующих ограничений:

- значение высоты паза ротора h_П2 = 22 мм;

- значение меньшего радиуса паза r₂ = 2 мм;

- значение высоты шлица паза ротора h_Ш2 = 0,7 мм;

- геометрический размер h₂ = 0,3 мм;

- количество пазов ротора z₂ = 38 шт.;

- значение ширины зубца b_З2 является постоянной по всей его длине: b_З2 = const.

Определяем значение площади поперечного сечения стержня клетки, которая равна площади поперечного сечения паза штампа:

мм².

Короткозамкнутые роторы асинхронных двигателей с h < 400 мм выполняются с литой конструкцией клетки. Определяются размеры короткозамыкающего кольца обмотки ротора:

? величина поперечного сечения кольца литой клетки:

мм²;

? значение высоты кольца литой клетки:

h_КЛ ? (1,1 ч 1,2)h_П2 = 1,15·22 = 25,3 мм;

? длина кольца:

мм;

? значение среднего диаметра кольца литой клетки:

D_КЛ.СР = D_Н2 - h_КЛ = 128,4 - 25,3 = 103,1 мм;

? вылет лобовой части обмотки:

l_В2 = k_Лl_Л2 + l_КЛ = 0,9·50 + 16 = 61 мм.



4. РАСЧЁТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

В электрических машинах с симметричной магнитной цепью, к которым относят асинхронные двигатели, ограничиваются расчётом МДС на полюс.

Магнитная цепь асинхронного двигателя включают пять однородных участков, которые соединены последовательно:

- участок воздушного зазора между ротором и статором;

- зубцы статора;

- зубцы ротора;

- спинка статора;

- спинка ротора.

В процессе расчёта магнитной цепи для участков последовательно определяется его площадь поперечного сечения, магнитная индукция, значение напряженности поля, средняя длина магнитного потока, МДС участка, суммарная МДС. Расчёт суммарной МДС у асинхронного двигателя осуществляется только для номинального режима работы.

Определяем параметры магнитной цепи асинхронного двигателя.

4.1 МДС для воздушного зазора

Коэффициент, в котором учитывается увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора из-за зубчатого строения статора:

Коэффициент, в котором учитывается увеличение магнитного сопротивления, с учётом ротора:

здесь b_Ш2 - значение ширины шлица паза ротора, по материалам § 9_5 [2] b_Ш2 = 1,5 мм.

Коэффициент, в котором учитывается снижение магнитного сопротивления воздушного зазора при отсутствии радиальных каналов k_К = 1.

Значение общего коэффициента воздушного зазора:

k_д = k_д1k_д2k_К = 1,31·1,13·1 = 1,48.

Величина МДС для воздушного зазора:

F_д = 0,8дk_дB_д·10³ = 0,8·0,7·1,48·0,885·10³= 314,1 А.

4.2 МДС для зубцов статора

Напряжённость магнитного поля H_З1 при B_З1 = 1,8 Тл по данным приложения 8 [2] составит H_З1 = 27 А/см.

Средняя длина пути магнитного потока зубцов статора L_З1 = h_П1 = 16,7 мм.

Величина МДС для зубцов статора:

F_З1 = 0,1H_З1L_З1 = 0,1·27·16,7 = 45,1 А.

4.3 МДС для зубцов ротора

Напряженность магнитного поля H_З2 при B_З2 = 1,87 Тл по данным приложения 8 [2] составляет H_З2 = 42,1 А/см.

Величина средней длины пути магнитного потока зубцов ротора:

L_З2 = h_П2 - 0,2r₂ = 22 - 0,2·2 = 21,6 мм.

Значение МДС для зубцов ротора:

F_З2 = 0,1H_З2L_З2 = 0,1·42,1·21,6 = 91 А.

4.4 МДС для спинки статора

Значение напряженности магнитного поля H_С1 при 2p = 4 и B_С1 = 1,7 Тл по данным приложения 11 [2] составит H_З1 = 27 А/см.

Значение средней длины пути магнитного потока спинки статора:

мм.

Значение МДС для спинки статора:

F_С1 = 0,1H_С1L_С1 = 0,1·27·70,6 = 190,5 А.

4.5 МДС для спинки ротора

Значение напряженности магнитного поля H_С2 при 2p = 4 и B_С2 = 1,1 Тл по данным приложения 11 [2] составит H_С2 = 11,5 А/см.

Значение средней длины пути магнитного потока спинки ротора:

мм.



Значение МДС для спинки ротора:

F_С2 = 0,1H_С2L_С2 = 0,1·11,5·28,2 = 32,4 А.

4.6 Параметры магнитной цепи

? величина суммарной МДС магнитной цепи на один полюс:

F_У = F_д + F_З1 + F_З2 + F_С1 + F_С2 = 314,1 + 45,1 + 91 + 190,5 + 32,6 = 673,1 А;

? значение коэффициента насыщения магнитной цепи:

? величина намагничивающего тока:

А;

? величина намагничивающего тока (в относительных единицах):

? величина ЭДС холостого хода:

E = k_НU₁ = 0,979·660 = 627 В;



? величина главного индуктивного сопротивления:

Ом;

? величина главного индуктивного сопротивления (в относительных единицах):



5. АКТИВНЫЕ И ИНДУКТИВНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБМОТОК

Определение активных и индуктивных сопротивлений статора и ротора - параметров схемы замещения асинхронной машины - необходимо для того, чтобы рассчитать режим холостого хода, номинальные параметры, рабочие и пусковые характеристики, а также для того, чтобы построить круговые диаграммы.

Активные сопротивления рассчитываются при температуре 20° C. В процессе расчета индуктивных сопротивлений поле рассеяния условно разбиваются на три составляющие: пазовое, дифференциальное и лобовых частей обмоток. Для составляющих осуществляется определение магнитной проводимости, суммирование этих проводимостей и расчет индуктивного сопротивления по ним.

5.1 Сопротивление обмотки статора

Величина активного сопротивления обмотки фазы при 20° C:

Ом;

где с_М20 - величина удельной электрической проводимости меди при 20° C, с_М20 = 57 См/мкм.

Величина активного сопротивления обмотки фазы при 20° C (в относительных единицах):

Проверим правильность определения

Значения коэффициентов, в соответствии с которыми учитывается укорочение шага при в₁ = 0,83:

Значение коэффициента проводимости рассеяния в трапецеидальном полузакрытом пазе:

здесь h_К1, h₂ - размеры частей обмоток и паза. По материалам табл. 9_21 [2] принимаем h_К1, = 1,0 мм, h₂ = 0,6 мм.

h₁ - размер обмотки, который определяется из выражения:

h₁ = h_П1 - h_Ш1 - h_К1 - h₂ - h₄ = 16,7 - 0,5 - 1,0 - 0,6 - 0,4 = 14,2 мм;

где h₄ - размер паза. По табл. 9_21 [2] h₄ = 0,4 мм.

Значение коэффициента, в соответствии с которым учитывается влияние открытия пазов статора на величину проводимости дифференциального рассеяния:

Коэффициент проводимости дифференциального рассеивания:

здесь k_Р1 - значение коэффициента, учитывающего демпфирующую реакцию токов, наведённых в обмотке короткозамкнутого ротора высшими гармониками поля статора. По данным табл. 9_22 [2] k_Р1 = 0,7656;

k_Д1 - значение коэффициента дифференциального рассеяния статора, который равен отношению суммы ЭДС, наведённой высшими гармониками поля статора к ЭДС наведённой первой гармоникой того же поля. По табл. 9_23 [2] k_Д1 = 0,0062.

Значение полюсного деление:

мм.

Значение коэффициента проводимости рассеяния лобовых частей обмотки:

Значение коэффициента проводимости рассеяния в обмотке статора:

л₁ = л_П1 + л_Д1 + л_Л1 = 1,16 + 0,94 + 0,91 = 3,01.

Величина индуктивного сопротивления обмотки фазы статора:

Ом.

Величина индуктивного сопротивления обмотки фазы статора (в относительных единицах):

Проверим правильность определения индуктивного сопротивления :

5.2 Сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора

Рассчитаем сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора с овальными закрытыми пазами, используя следующую последовательность:

? величина активного сопротивления стержня клетки при 20° C:

Ом;

где с_А20 - значение удельной электрической проводимости алюминия при 20° C. В случае использования для заливки беличьей клетки ротора алюминия А5 с_А20 = 27 См/мкм;

? значение коэффициента приведения тока кольца к току стержня при

? величина сопротивления короткозамыкающих колец, приведённое к току стержня при 20° C:

Ом;

? значение центрального угола скоса пазов:

рад;

где в_СК1 - угол скоса пазов ротора, выраженный в долях зубцового деления статора. Для используемой конструкции ротора (без скоса пазов) в_СК1 = 0;

? коэффициент скоса пазов k_СК, определяемый по графику вида k_СК = f(б_СК), равна 1:

k_СК = 1;

? коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора:



? величина активного сопротивления обмотки ротора при 20° C, приведённое к обмотке статора:

Ом;

? величина активного сопротивления обмотки ротора при 20° C, которое приводится к обмотке статора (в относительных единицах):

? величина тока стержня ротора для рабочего режима:

А;

? значение коэффициента проводимости рассеяния для овального закрытого паза ротора:

? число пазов ротора на полюс и фазу:



? значение коэффициента дифференциального рассеяния ротора (см. рис. 6) k_Д2 = 0,01;

Рисунок 6 - Зависимость k_Д2 = f(q₂) для короткозамкнутого ротора

? значение коэффициента проводимости дифференциального рассеяния:

? значение коэффициента проводимости рассеяния короткозамыкающих колец литой клетки:

? величина относительного скоса пазов ротора в долях зубцового деления ротора:



где в_СК - величина общего относительного скоса пазов. Для принятой конструкции ротора (без скоса пазов) в_СК = 1;

? значение коэффициента проводимости рассеяния скоса пазов:

? значение коэффициента проводимости рассеяния обмотки ротора:

л₂ = л_П2 + л_Д2 + л_КЛ + л_СК = 2,55 + 2,01 + 0,61 + 0,66 = 5,83;

? величина индуктивного сопротивления обмотки ротора:

x₂ = 7,9f₁l₂л₂·10-⁹= 7,9·50·170·5,83·10-⁹ = 3,91·10-⁴ Ом;

? величина индуктивного сопротивления обмотки ротора, приведённое к обмотке статора:

Ом;

? величина индуктивного сопротивления обмотки ротора, приведённое к обмотке статора (в относительных единицах):



? проверим правильность определения

5.3 Сопротивление обмоток преобразованной схемы замещения двигателя

Для того, чтобы рассчитать различные режимы работы асинхронного двигателя, используют схему замещения двигателя с вынесенным на зажимы намагничивающим контуром. При этом сопротивления обмоток двигателя r₁, x₁, и которые определены для Т_образной схемы замещения (см. рис. 8) необходимо преобразовать посредством умножения на комплексные коэффициенты. Вместе с тем активные сопротивления статора и ротора (r₁ и ) необходимо умножить на коэффициент m_Т, то есть привести к расчётной рабочей температуре. В соответствии с данными § 4_1 [2] для класса нагревостойкости F при использовании стандартной расчетной температуры 115° C m_Т = 1,38.

Определим значение коэффициента рассеяния статора:

и значение коэффициента сопротивления статора:

При значении коэффициента с₁ ? 0,1 преобразованные сопротивления обмоток определяются следующим образом:

Рассчитанные величины k_НАС = 1,56 и ф₁ = 0,026 могут удовлетворять требованиям § 9_8 [2] (k_НАС ? 1,7 и ф₁ ? 0,05), следовательно, повторный расчёт магнитной цепи не требуется.



6. РЕЖИМЫ ХОЛОСТОГО ХОДА И НОМИНАЛЬНЫЙ

Для режима холостого хода определяют ток и потери, а также коэффициент мощности.

В случае, когда значение коэффициента сопротивления статора с₁ ? 0,1 (для проектируемого двигателя расчётное значение с₁ = 0,009) в процессе расчёта режимов холостого хода и номинального, а также в процессе расчёта рабочих характеристик принимается

Расчёт режима холостого хода осуществляется в следующей последовательности:

? величина реактивной составляющей тока статора при синхронном вращении:

А;

? величина электрических потерь обмотки статора при синхронном вращении:

Вт;

? значение массы стали зубцов статора при трапецеидальных пазах:

m_З1 = 7,8z₁b_З1h_П1l₁k_С·10-⁶ = 7,8·48·7,7·30,6·170·0,97·10-⁶ = 14,607 кг;

? величина магнитных потерь зубцов статора для стали 2013 при f₁ = 50 Гц для трапецеидальных полузакрытых пазов статора:

Вт;

? величина массы стали спинки статора:

m_С1 = 7,8р(D_Н1 - h_С1)h_С1l₁k_С·10-⁶ =

= 7,8·3,14(359 - 29,3)29,3·170·0,97·10-⁶ = 39,079 кг;

? величина магнитных потерь спинки статора для стали 2013 при f₁ = 50 Гц:

Вт;

? величина суммарных магнитных потерь сердечника статора, которые включают добавочные потери в стали:

Вт;

? величина механических потерь степени защиты IP44 и способе охлаждения IC0141:

Вт;

? величина активной составляющей тока холостого хода:

А;

? величина тока холостого хода:



А;

? значение коэффициента мощности при холостом ходе:

Значения параметров номинального режима работы и рабочие характеристики можно получить аналитически и по круговой диаграмме. В последнее время больше всего используются аналитические способы. Используемую методику аналитического расчета разработал проф. Т.Г. Сорокер. На рис. 9 приводится преобразованная схема замещения асинхронного двигателя с эквивалентным сопротивлением

Рисунок 9 - Преобразованная схема замещения асинхронного двигателя с эквивалентным сопротивлением R_Н

Параметры номинального режима работы асинхронного двигателя рассчитываются в следующей последовательности:

? величина активного сопротивления короткого замыкания:

Ом;



? величина индуктивного сопротивления короткого замыкания:

Ом;

? величина полного сопротивления короткого замыкания:

Ом;

? величина добавочных потерь при номинальной нагрузке:

Вт;

? величина механической мощности двигателя:

Вт;

? величина эквивалентного сопротивления схемы замещения:

Ом;

? величина полного сопротивления схемы замещения:

Ом;



? проверим правильность расчетов R_Н и z_Н:

Ом-¹

Ом-¹;

? величина скольжения (в относительных единицах):

? величина активной составляющей тока статора при синхронном вращении:

А;

? значение тока ротора:

А;

? значение тока статора (величина активной составляющей):

А;

? значение тока статора (реактивная составляющая):

А;

? значение фазного тока статора:

А;

? значение коэффициента мощности:

? величина линейной нагрузки статора:

А/см;

? значение плотности тока в обмотке статора:

А/мм²;



? величина линейной нагрузки ротора:

А/см;

где k_ОБ2 - значение обмоточного коэффициента. Для короткозамкнутого ротора k_ОБ2 = 1;

? значение тока в стержне короткозамкнутого ротора:

А;

? величина плотности тока стержня короткозамкнутого ротора:

А/мм²;

? величина тока в короткозамыкающем кольце:

А;

? величина электрических потерь обмотки статора:

Вт;

? величина электрических потерь в обмотке ротора:

Вт;

? величина суммарных потерь в электродвигателе:

Вт;

? величина подводимой мощности:

P₁ = P₂·10³ + P_У = 37·10³ + 3 200,1 = 40 200,1 Вт;

? значение коэффициента полезного действия:

%;

? подводимая мощность:

P₁ = m₁I_А1U₁ = 3·60,7·220 = 40 040,7 Вт;

? мощность двигателя:

Вт.

Правильность вычислений подтверждается соответствием рассчитанной величины мощности проектируемого двигателя P₂ = 37 кВт заданной величине номинальной отдаваемой мощности, указанной в задании на проектирование. Кроме этого правильность расчётов подтверждается сравнительно небольшой (0,4 %) величиной отклонения показателей P₁, определяемых по различным формулам в данном разделе.



7. НАЧАЛЬНЫЙ ПУСКОВОЙ ТОК И НАЧАЛЬНЫЙ ПУСКОВОЙ МОМЕНТ

Пусковые свойства асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором характеризуются значениями начальных пускового тока и момента. При определении пусковых тока и момента учитываются два явления, происходящие в двигателях с короткозамкнутым ротором при пуске - вытеснение тока в пазах короткозамкнутой обмотки ротора и насыщение путей потоков рассеяния в зубцах статора и ротора. Вследствие вытеснения тока увеличивается и уменьшается а в результате насыщения уменьшаются и поэтому расчет пускового режима следует начинать с определения активных и индуктивных сопротивлений, соответствующих этому режиму. Последовательность расчета такая: определяют и с учетом вытеснения тока, затем учитывают влияния насыщения на уменьшение и разделяя индуктивное сопротивление короткого замыкания при пуске на постоянную и переменную части.

Активные и индуктивные сопротивления, соответствующие пусковому режиму, определяют в такой последовательности:

? высота стержня клетки ротора при овальных закрытых пазах:

h_СТ = h_П2 - h₂ - h_Ш2 = 43,6 - 0,3 - 0,7 = 42,6 мм;

? приведенная высота стержня ротора с литой алюминиевой клеткой:

;

? по графику зависимости ц = f(о) (см. рисунок 12) определяют величину коэффициента ц:

ц = 1,72;

? расчётная глубина проникновения тока в стержень:

мм;

Рисунок 12 - Зависимости ц = f(о) и ш = f(о)

? ширина стержня на расчётной глубине проникновения тока при r₁ = 4,9 < h_Р = 15,7 < r₁ + h₁ = 40,6 мм:

мм;

? площадь поперечного сечения стержня при расчётной глубине проникновения тока при r₁ < h_Р < r₁ + h₁:

мм²;

? коэффициент вытеснения тока:

? активное сопротивление стержня клетки при 20 °С для пускового режима:

r_СТ.П = r_СТk_В.Т = 2,15·10^-5·2,17 = 4,67·10^-5 Ом;

? активное сопротивление обмотки ротора при 20 °С, приведённое к обмотке статора (для пускового режима):

Ом;

? по графику зависимости ш = f(о) (см. рисунок 12) определим величину коэффициента ш:

ш = 0,55;

? коэффициент проводимости рассеяния паза ротора (при пуске) для овального закрытого паза:

? коэффициент проводимости рассеяния обмотки ротора при пуске:

л_2П = л_П2П + л_Д2 + л_КЛ + л_СК = 1,71 + 2,01 + 0,61 + 0,66 = 4,99;

? индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, зависящее и не зависящее от насыщения:

Ом;

Ом;

? активное сопротивление к.з. при пуске:

= 0,181 Ом.

Начальные пусковые ток и момент определяют в такой последовательности:

? ток ротора при пуске для двигателей с закрытыми пазами короткозамкнутого ротора и с любой формой пазов статора:

= А;

? полное сопротивление схемы замещения при пуске (с учётом явлений вытеснения тока и насыщения путей потоков рассеяния):

Ом;



? индуктивное сопротивление схемы замещения при пуске:

Ом;

? активная и реактивная составляющие тока статора при пуске:

А;

А;

? фазный ток статора при пуске:

А;

? кратность начального пускового тока:

? активное сопротивление ротора при пуске, приведенное к статору, при расчётной рабочей температуре и Г-образной схеме замещения:

Ом;



? кратность начального пускового момента:



8. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ОБМОТКИ СТАТОРА

Надежность асинхронных двигателей рассматриваемой мощности определяется в основном надежностью обмотки статора. Для асинхронных двигателей со всыпной обмоткой разработан отраслевой стандарт ОСТ 16.0.800.821_81 для расчета надежности обмотки статора. Основой ОСТ 16.0.800.821_81 послужила одна из рассмотренных в [2] математических моделей расчета надежности обмотки. Методика расчета, изложенная в этом ОСТе, требует применения ЭВМ, что не всегда возможно, поэтому авторами ОСТа на базе полной методики расчета была разработана упрощенная. Погрешность расчетов по упрощенной методике не превышает 20% при значениях вероятности безотказной работы обмотки Р ? 0,7.

В упрощенную методику расчета введено понятие элементарного участка длиной l_ЭЛ. Величина l_ЭЛ определяется из условия равенства вероятности отказа в месте дефекта на одном из касающихся витков при учете всех возможных расстояний до дефекта на другом витке (с учетом вероятности его появления) и вероятности отказа в одном из касающихся витков с учетом дефектов на другом витке только в пределах l_ЭЛ. При этом считают, что все дефекты на расстоянии, меньшем или равном l_ЭЛ, совпадают. Для проведения расчетов по упрощенной методике необходимы данные, полученные из предыдущих расчетов. Ряд исходных данных должен быть получен экспериментально на используемых обмоточных проводах и изоляционных материалах, примененных для корпусной и межфазной изоляции. Методы получения этих экспериментальных данных описаны в приложениях к упомянутому отраслевому стандарту. При отсутствии экспериментальных данных можно воспользоваться рекомендуемыми усредненными значениями параметров.

На основании теоремы умножения вероятность безотказной работы обмотки:



P_ОБ = P_М.ВP_ПP_М.Ф;

здесь P_М.В, P_П, P_М.Ф - соответственно вероятности безотказной работы межвитковой, корпусной и межфазовой изоляции.

Многочисленные расчетные и экспериментальные данные показывают, что вероятность безотказной работы корпусной и межфазовой изоляции значительно выше, чем у межвитковой; для ф = 10 000 ч имеем P_ПP_М.Ф ? 0,999, а для ф = 20 000 ч P_ПP_М.Ф ? 0,995. Поэтому при выполнении расчетов надежности всыпной обмотки можно ограничиться расчетом надежности межвитковой изоляции, выполнив затем корректировку результатов расчета. В соответствии с изложенным рассмотрим упрощенную методику расчета надежности межвитковой изоляции асинхронных двигателей со всыпной обмоткой.

Исходными данными для расчёта надёжности всыпных обмоток статора являются:

? наработка ф, для которой определяется вероятность безотказной работы P_ОБ. По ГОСТ 19523_74 ф = 10 000 ч при P_ОБ = 0,9;

? вероятность наличия хотя бы одного дефекта изоляции провода длиной 100 мм после укладки обмотки q₁. При отсутствии экспериментальных данных q₁ = 0,1ч0,35; окончательно примем q₁ = 0,2;

? периметр свободной площади слоя обмотки П. Для двухслойной обмотки статора

П = b₁ + b₂ + h_П1 = 11,9 + 8,2 + 30,6 = 50,8 мм;

? коэффициент, характеризующий качество пропитки k_ПР. При отсутствии экспериментальных данных k_ПР = 0,3ч0,7; окончательно примем k_ПР = 0,5;

? длина образца провода l_ОБР = 100 мм;

? среднее значение кВ и среднее квадратичное отклонение фазных коммутационных перенапряжений кВ. При отсутствии экспериментальных данных примем кВ, кВ;

? длина элементарного участка l_ЭЛ. Примем l_ЭЛ = 0,11 мм;

? средняя допустимая температура обмотки °С ее среднее квадратичное отклонение °С. Для принятого класса нагревостойкости (F) °С, °С;

? максимально допустимая температура для данного класса нагревостойкости изоляции (F) t₀ = 155 °С;

? среднее значение напряжения перекрытия по поверхности изоляции промежутка толщиной, равной двусторонней толщине изоляции (кВ), и среднее его квадратичное отклонение кВ. Примем кВ, кВ;

? частота включений электродвигателя, по ОСТ 16.0.510.037_78 для нормальной группы эксплуатации примем f_ВКЛ = 4 ч^-1;

? коэффициенты уравнения, определяющие скорость роста дефектности витковой изоляции. При отсутствии экспериментальных данных примем c_В = 0,15·10^-6 (мм·ч)^-1, a_В = 0,05 °С^-1;

? количество слоев обмотки k_СЛ = 2;

? количество элементарных витков в секции:

? двусторонняя толщина провода:

мм;

где d - диаметр неизолированного провода; для принятого провода ПЭТ_155 d = 1,56 мм.

Расчет надежности всыпных обмоток статора асинхронного двигателя производится в такой последовательности:

? дефектность витковой изоляции до начала эксплуатации электродвигателя:

мм^-1;

? вероятность плотного касания соседних витков:

? количество проводников, находящихся в наружном слое секции (по периметру секции):

шт;

во внутреннем слое секции:

N_ВН = N_С - N_НАР = 32 - 25 = 7 шт;

? доля пар соседних элементарных витков, принадлежащих к одному эффективному:



? общая длина пар соседних витков в обмотке:

L = (1 - P_П)(N_НАР + 1,5N_ВН - 1,5)k_СЛl_СР1z₁ =

= (1 - 0,136)(25 + 1,5·7 - 1,5)2·878,4·48 = 2,48·10⁶ мм;

? количество последовательно соединенных секций в фазе:

шт;

? среднее значение и среднее квадратичное отклонение величин фазных коммутационных перенапряжений на секции:

кВ,

кВ;

? номинальное фазное напряжение, приходящееся на секцию:

кВ;

? вероятность отказа витковой изоляции при воздействии одного импульса перенапряжения и при условии, что на касающихся витках имеются совпадающие дефекты:

4,077·10^-6;

здесь B - интеграл, определяемый по приложению 40 [2]; для кВ, кВ, кВ, кВ величина B, определённая методом интерполяции имеющихся значений, составит 4,709·10^-4;

? скорость роста дефектности витковой изоляции:

мм^-1;

? вероятность возникновения короткого замыкания витковой изоляции на длине касающихся витков в течение времени ф:

= 7,132·10^-9;

? вероятность отказа межвитковой изоляции в течение времени ф:

? вероятность безотказной работы межвитковой изоляции в течение времени ф:



P_М.В = 1 - Q_М.В = 1 - 0,016 = 0,984;

? вероятность безотказной работы обмотки статора за время ф (для ф = 10⁴ ч имеем P_ПP_М.Ф ? 0,999):

P_ОБ = P_М.ВP_ПP_М.Ф = 0,984·0,999 = 0,983.

Рассчитанная вероятность безотказной работы обмотки статора превышает требуемую по ГОСТ 15523_74:

P_ОБ = 0,983 > P_{ОБ(ГОСТ)} =0,9.





ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Аналогом проектируемого двигателя, выпускаемого серийно является двигатель 4A200M4У3. Показатели двигателя 4A200M4У3 и показатели проектируемого двигателя приведены в таблице 4. Кривые КПД и cosц отображены на рисунке 13 (пунктирной линией обозначены показатели серийно выпускаемого двигателя).

Таблица 4 - Показатели двигателя 4A200M4У3

Электродвигатель	P2НОМ, кВт	Энергетические показатели
		КПД, % (при )	cosц, % (при )
		0,25	0,50	0,75	1,00	1,25	0,25	0,50	0,75	1,00	1,25
4A200M4У3	37,0	87,0	90,5	91,0	91,0	90,5	0,67	0,84	0,89	0,90	0,90
Проектируемый двигатель	37,0	86,3	91,1	92,1	92,0	91,5	0,58	0,78	0,85	0,88	0,88

Рисунок 13 - Энергетические показатели двигателей

Анализ зависимостей (см. рис. 13) позволяет сделать вывод о большей энергоэффективности спроектированного двигателя в сравнении с серийно выпускаемыми машинами, но значительное различие коэффициента мощности позволяет рекомендовать его лишь для ограниченного применения (при условии наличия необходимой реактивной мощности в энергосистеме).

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 21.1101_2009 Система проектной документации для строительства. Основные требования к проектной и рабочей документации [Текст]. - Введ. 2010-03-01. - М.: Стандартинформ, 2010. - 50 с.

2. Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин: Учебник для вузов/О.Д. Гольдберг, Я.С. Гурин, И.С. Свириденко. - М.: Высшая школа, 1984. - 431 с.

3. Копылов И.П. Проектирование электрических машин: Учебник/ И.П. Копылов и др.; под ред. И.П. Копылова. - М.: Энергия, 1980. - 496 с.

4. Кравчик А.Э. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. - М.: Энергоиздат, 1982. - 504 с.

Размещено на Allbest.ru

...