Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра Электромеханика и теоретические основы электротехники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

«Электрические машины»

Тема: Расчёт асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Выполнил ст. гр. ЭАПУск-17

Халимоненко Александр Николаевич

Проверил А.С. Апухтин

Нормоконтролер А.С. Апухтин

Донецк, 2018



Реферат

Проектирование электрических машин - это искусство, в котором объединены знание процессов электромагнитного преобразования энергии и опыт конструирования.

Габаритные и установочные размеры находятся в ГОСТ 18709-73. Двигатели серии 4А асинхронные, трехфазные, с короткозамкнутым ротором и рассчитаны на частоту 50Гц, которые имеют степень защиты IP44, IP23. В качестве базовой модели приняли двигатель А2-81-4 с короткозамкнутым ротором. Входные данные к расчёту ЭД - номинальная мощность Pн = 40 кВт, номинальное напряжение Uн=220В, синхронная частота вращения nн = 1460 об/мин, соsц = 0,9 КПД ?=0,901, частота тока f=50Гц. Размеры АД: внешний диаметр Dа=393 мм, внутренний диаметр D = 247 мм.

Проектирование машины производим с учетом государственных и отраслевых стандартов.

В ходе выполнения работы были рассчитаны и построены графики рабочих и пусковых характеристик .

Результатом использования курсового проекта есть рассчитанный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Во время расчёта данные были сравнены с справочными данными. Их приближенное равенство говорит о том, что данный двигатель способен работать в реальной жизни.



Введение

ротор зазор статор обмотка

Асинхронные двигатели - устройства переменного тока, которые преобразовывают электрическую энергию в механическую. Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции и несложностью обслуживания Он имеет высокую надёжность, поэтому получили широкое распространение в многих отраслях промышленности. Современные тенденции в проектировании и производстве асинхронных двигателей направлены на уменьшение габаритных размеров, увеличении мощности и уменьшении потерь в машинах. В данное время этим требованиям удовлетворяют асинхронные машины серии 4А.

Резко возрастающая энерговооружённость промышленности требовала большее число всевозможных модификаций двигателей, способных работать в различных специфических условиях. Число модификаций в старых сериях было явно недостаточным. Это привело к созданию единой для всей страны серии асинхронных машин, объединённых общими конструктивными решениями, общей технологией, с широкой унификацией различных узлов и деталей и основанной на единых шкалах мощностей, габаритных, присоединительных и установочных размеров.

В основу построения серии положены не габаритные диаметры сердечников статора, как в прежних сериях, а высоты осей вращения h, т.е. расстояния от оси вращения ротора до установочной поверхности.

Серия 4А охватывает диапазон мощностей от 0,06 до 400 кВт и выполнена на 17 стандартных высотах оси вращения. На каждой из высот, кроме h=225 мм, выпускаются двигатели двух разных длин, различные по мощности.

Данная серия двигателя имеет широкий ряд модификации, специализированных исполнений на максимальных удовлетворительных нужд электропривода.



1. Выбор главных размеров

Определяем число пар полюсов:

Высота оси вращения выбирается из табл. 6-6 [стр.164]:

Внутренний диаметр статора:

- по условию

где: - коэффициент отношения внутреннего и наружного диаметров статора.

Полюсное деление [ф.6-3, стр.166]:

.

Расчётная мощность:

,

где: - мощность на валу двигателя, Вт;

отношение ЭДС обмотки статора к номинальной нагрузке, которое определяем по [табл.6-8, стр.164]; приблизительные значения и берём из [табл.6-9, стр.165] и [табл.6-10, стр.165].

Электромагнитные нагрузки (предварительно по рис. 6-11а):



Коэффициент формы поля: . Обмоточный коэффициент: .

Синхронная угловая скорость вала двигателя [ф.6-5, стр.168]:

Расчетная длина воздушного зазора [ф.6-6, стр.168]:

м. - по условию.

Отношение находится в требуемых пределах. То есть размеры и выбраны правильно.

Так как мм, то радиальные вентиляционные каналы не делаем и , .

2. Расчет обмотки статора

Расчёт выполняется для большой мощности 40 кВт, тогда статорную обмотку выполняем двухслойной всыпной.

По [табл.6-9, стр.170] определяем границы зубцового деления статора: м, м.

Тогда возможное число пазов статора [ф.6-16, стр.170]:

, .

Принимаем число пазов .



Рисунок 2.1 - Двухслойная обмотка статора асинхронного двигателя

Тогда число пазов, которые принадлежат к одной фазе и расположенные под одним полюсом:

,

где q - число пазов принадлежащих одной фазе и расположенных под одним полюсом;

m - число фаз статорной обмотки

Окончательное зубцовое деление статора:

м.



Рисунок 2.2 - Зубцовые деления статора

Число эффективных проводников в пазу [ф.6-17, стр.171] (предварительно при условии а=1):

Принимаем а = 4, тогда:

Окончательные значения

Число витков в фазе:

Линейная нагрузка:

Магнитный поток:

Для двухслойной обмотки:

при

Плотность тока в обмотке статора (предварительно) [ф.6-25, стр.172]:

= выбираем по [рис.6-16, стр.173].

Сечение эффективного проводника (предварительно):

Сечение эффективного проводника (окончательно):

принимаем тогда



обмоточный провод ПЭТВ [табл. П-28, стр.470]:

Плотность тока в обмотке статора (окончательно):

3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Определяю допускаемые значения индукции.

Из таблицы[табл.6-10, стр.174]: ярмо статора зубцы статора

Высота ярма статора:

где -для оксидированной стали [табл.6-11, стр.175].

Ширина зубца статора:

Размеры паза в штампе:

Рисунок 3.1 - Пазы для всыпной обмотки круглого сечения

Принимаю ,

-глубина паза: - по условию

-ширина паза: - по условию

Размеры паза в свету (на сборку) с учетом припусков:

где

Площадь изоляции паза:

,

Площадь сечения для размещения проводников:

=0,4b1+0.9b2= 0.4*12,15+0.9*8,3=12.33 мм2

Для контроля правильности размещения обмотки в пазах определяю коэффициент заполнения паза:

где - диаметр одного элементарного провода с изоляцией;

Коэффициент находится в допустимых пределах.

4. Расчет короткозамкнутого ротора

Рисунок 4.1 - Трапецеидальные закрытые пазы ротора

Воздушный зазор (по заданным данным):

Число пазов ротора (по заданным данным):

Внешний диаметр ротора:

Длина магнитопровода ротора:

Зубцовое деление ротора:

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

где - определяем по [табл.6-16, стр.191].

Ток в стержне ротора

где - определяем по [рис.6-22, стр.183];



Площадь поперечного сечения стержня (предварительно):

Плотность тока в стержне литой клетки принимаем:

По рекомендациям [стр. 20] принимаем следующие размеры паза:

Допустимая ширина зубца:

Размеры паза:

Принимаем:

Полная высота паза:



Площадь поперечного сечения стержня:

Плотность тока в стержне:

Короткозамыкающие кольца.

Площадь поперечного сечения кольца:

Размеры замыкающих колец:

На рис.4.2 представлены размеры замыкающих колец.



Рисунок 4.2 - Размеры замыкающих колец

5. Расчет намагничивающего тока

Значение индукций:

Расчетная высота ярма ротора при 2р=4 [ф.6-109, стр.194]:

Магнитное напряжение воздушного зазора:



где - коэффициент воздушного зазора [1, ф.4-14, стр.106]:

где:

Магнитные напряжение зубцовых зон:

статора:

ротора:

[ по табл. П-17] для стали 2013:

при ВZ1=1,48 Тл, НZ1=700 А/м;

при ВZ2=1,75 Тл, НZ2=1440 А/м;

hZ1=hп1=34,7 мм;

hZ2=hп2-0,1в2=37,78-0,13,4=37,44 мм

Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

Магнитные напряжения ярм статора и ротора:

[по табл. П1.6, 1] при Ва=1,49 Тл, НА=500 А/м

при ВJ=0,89 Тл, НJ=14,59 А/м

где

при 2р=4:

где :

Магнитное напряжение на пару полюсов:

Коэффициент насыщения магнитной цепи [ ф.6-128, стр.195]:

Намагничивающий ток [1, ф.6-129, стр.195]:



относительное значение:

соответствует допустимым [стр. 24]: 0.2<<0.35

6. Параметры рабочего напряжения

Рисунок 6.1 - Схема замещения АД.

Активное сопротивление фазы обмотки статора (по заданным данным):

где - коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока;

Для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура =115?С;

Ом*м - удельное сопротивление материала обмотки при расчётной температуре для медных проводников;

- общая длина проводника фазы обмотки [ф.6-133, стр.196]:

Длина проводников фазы обмотки:

где - средняя длина витка [ф.6-134, стр.197]:

Длина пазовой части: м.

Длина лобовой части витка [ф.6-138, стр.197]:

- берём из [табл. 6-19].

Средняя ширина катушки статора [ф.6-140, стр.197]:

Длина вылета лобовой части катушки:

[табл. 6-19, стр.197]:

Относительное значение:



Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора:

где для алюминиевой обмотки ротора:

Приводим r2 к числу витков обмотки статора:

Относительное значение:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

где - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеивания обмотки статора, определяем по [табл.6-22, стр.200]:

где: ;

;

- коэффициент магнитной проводимости лобового рассеивания, определяем по [ф.6-154, стр.199]:

- коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеивания, определяем по [ф.6-170, стр.202]:

- определяем по кривым [рис. 6-39,д]

Относительное значение:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора: [ф.6-285, стр.226]:

где - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеивания обмотки ротора:

где kд=1 - для номинального режима

Так как то без заметной погрешности можно принять:

Приводим Х2 к числу витков статора:



Относительное значение:

7. Расчет потерь

Электрические потери в обмотке статора[ф.6-200, стр.208]:

Вт

Электрические потери в обмотке короткозамкнутого ротора [ф.6-202, стр.208]:

Вт

Основные потери в стали [ф.6-183, стр.206]:

где и определяем по [табл.6-24, стр.206];

- масса стали ярма статора, определяем по [ф.6-184, стр.206]:



- удельная масса стали

- масса стали зубцов статора, определяем по [ф.6-185, стр.206]:

Поверхностные потери в роторе:

- коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов.

Пульсационные потери в зубцах ротора:

Амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов ротора [ф.6-192, стр.207]:



Находим для амплитуды пульсаций индукции в среднем сечении зубцов ротора [ф.6-193, стр.207] (из пункта 5.2) масса стали зубцов ротора:

Сумма добавочных потерь в стали:

Полные потери в стали:

Механические потери:

для двигателей с 2р ? 4:

Добавочные потери при номинальном режиме:



Холостой ход двигателя:

- определяем по [ф.6-213, стр.209]:

- электрические потери при х.х.

Коэффициент мощности при х.х. [1, ф.6-215, стр.209]:



8. Расчет рабочих характеристик

Рисунок 8.1 - Г-образная схема замещения асинхронной машины (а) и соответствующая ей векторная диаграмма (б)

Параметры АД:

Параметры АД в относительных единицах:

Используем приближенную формулу, так как :

Потери, не меняющиеся при изменении скольжения:

Принимаем и рассчитываем рабочие характеристики, задаваясь скольжением S равным:

s=0,0001; 0,008; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1

Результаты таблицы приведены в таблице 8.1

Характеристики представлены на рис.8.2 и 8.3

Таблица 8.1 - Рабочие характеристики асинхронного двигателя

№	Расчетная формула	Единица измерения	Скольжение
			0,0001	0,008	0,02	0,04	0,06	Sном= 0,08	0,1
1.		Ом	60,69	30.9	12,36	6,1	4,1	3,09	2,47
2.		Ом	0	0	0	0	0	0	0
3.		Ом	60,78	30,9	12,45	6,27	4,2	3,1	2,5
4.		Ом	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6
5.		Ом	60,78	30,99	12,46	6,29	4,25	3,23	2,63
6.		А	0,88	7,09	17,65	34,92	51,73	67,98	83,6
7.		-	0,999	0,99	0,998	0,995	0,99	0,91	0,9
8.		-	0,0024	0,019	0,048	0,0953	0,141	0,1854	0,228
9.		А	1,7	7,9	18,48	35,62	52,07	67,66	82,26
10.		А	18,88	19,01	19,72	22,20	26,17	31,48	37,94
11.		А	18.96	20,61	27,03	41,98	58,28	74,63	90,59
12.		А	0,89	7,2	17,9	35,45	52,5	69,00	84,86
13.		кВт	1,14	5,25	12,2	23,51	34,37	44,65	54,29
14.		кВт	0,1	0,12	0,21	0,52	1,01	1,67	2,46
15.		кВт	0,0006	0,037	0,23	0,904	1,98	3,428	5,18
16.		кВт	0,0057	0,026	0,061	0,117	0,171	0,2233	0,27
17.		кВт	1,004	1,08	1,4	2,44	4,06	6,21	7,19
18.		кВт	0,1447	4,17	10,8	21,07	30,3	39,98	45,48
19.		-	0,131	0,825	0,92	0,931	0,91	0,9	0,87
20.		-	0,091	0,38	0,68	0,84	0,89	0,9	0,91

Рисунок 8.2 - Рабочие характеристики (, , )

Рисунок 8.3 - Рабочие характеристики (I1)

9. Пусковые характеристики

Определяю параметры двигателя с учётом эффекта вытеснения тока при условии S=1.

Приведенная высота стержня в пазу:



,

где - высота стержня в пазу.

Для по графикам нахожу ,

Глубина проникновения тока:

Площадь сечения стержня:

где

Тогда

Коэффициент общего увеличения сопротивления фазы ротора:

Приведенное сопротивление обмотки ротора с учетом вытеснения тока:



Изменение индуктивного сопротивления обмотки фазы ротора:

,

Тогда

ок ротора без учета насыщения:

= 366,1 А

Аналогичные расчеты для других величин скольжения представлены в таблице 9.1.

Таблица 9.1 - Расчет токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом влияния эффекта вытеснения тока

№ п/п	Расчетная формула	Раз-мерность	Скольжение s
			1	0,8	0,5	0,2	0,1	Sн=0,08
1	о = 63,61 hc	-	1,1	1,04	0,82	0,52	0,36	0.32
2		-	0,9	0,68	0,31	0,1	0,01	0,001
3		мм	9,6	10,8	13,96	16,63	18,11	18,28
4		-	1,61	1,47	1,35	1,24	1,17	1,19
5		-	1,39	1,30	1,22	1,15	1,10	1,12
6		Ом	0,54	0,50	0,47	0,44	0,42	0,43
7		-	0,75	0,84	0,9	0,925	0,935	0,96
8		-	1,24	1,3	1,3	1,333	1,345	1,35
9		-	0,96	0,975	0,98	0,985	0,987	0,986
10		Ом	1,44	1,46	0,47	1,477	1,48	1,479
11		Ом	1,18	1,236	1,297	1,693	2,35	1,996
12		Ом	0.51	0.51	0.52	0.53	0.531	0.53
13		А	360,1	342.7	317,4	301,3	289,6	268,9
14		А	366,1	349,6	320,1	303,0	292,2	280,1

Учет насыщения

Принимаю коэффициент насыщения

Средняя МДС обмотки:

Фиктивная индукция потока рассеивания:

По графику [стр.219 рисунок 6-50 ]определяю

Коэффициент магнитной проводимости с учетом насыщения:

;

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния с учетом насыщения:

Индуктивное сопротивление фазы статора с учетом насыщения:



Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора:

где:

Тогда

Приведенное индуктивное сопротивление фазы ротора с учетом насыщения:

Моменты и токи в пусковом режиме:



Кратность пускового момента:

Кратность пускового тока

Аналогичный расчет выполняю для других значений скольжения. Критическое скольжение уточняю по графикам. Данные свожу в таблицу.

Таблица 9.2 - Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом эффекта вытеснения токаи насыщения от полей рассеяния

№п/п	Расчетная формула	Размерность	Скольжение s
			1	0,8	0,5	0,2	0,1	Sн=0,08
1	kнас	--	1,4	1,35	1,3	1,25	1,2	1.15
2	Fп.ср = 0,7	А	6932	6389	5993	6456	5561	4703
3	ВФд = Fп.ср 10-6 / (1,6 д CN)	Тл	4,65	4,12	3,81	3,14	2.67	2,01
4	kд = f (ВФд)	--	0.55	0.57	0.6	0.7	0.71	0.65
5	c1 = (tz1 - bш)(1 - kд)	мм	6.71	6.41	5.96	4.47	4.32	5.22
6	лп1нас = лп1 - Д лп1нас	--	2.51	2.51	2.52	2.55	2.56	2.54
7	лД1 = kд лД1	--	0.79	0.83	0.97	0.99	1,2	1,4
8	х1нас = х1 ? л1нас / ? л1	Ом	0.3	0.33	0.34	0.345	0,4	0,5
9	с1п = 1 + х1нас / х12п	--	1.015	1.015	1.016	1.017	1.015	1.018
10	с2 =(tz2 - bш2)(1 - kд)	мм	9.88	9.44	8.78	6.59	6.37	7.68
11	лп2онас = лп2о - Длп2нас	--	1,9	2,1	2,12	2,17	2.24	2,31
12	лД2 = kд лД2	--	0.81	0,9	1.06	1.23	1.31	1,4
13	х'2онас = х'2 ? л2онас / ? л2	Ом	0.298	0.31	0.313	0.321	0.342	0.377
14	Rп.нас = r1 + c1п.нас r'2о / s	Ом	0.197	0.207	0.245	0.41	0.69	1.07
15	Хп.нас = х1нас + с1п.нас х'2онас	Ом	0.42	0.47	0.49	0.52	0.56	0.58
16	I'2нас = U1 /	А	472,5	458,0	412,3	378,7	333,4	297,1
17	I1нас = I'2нас	А	478,2	460,4	415,1	381,4	339,5	300,7
18	k'нас = I1нас / I1п	--	1.1	1.09	1.08	1.01	0.99	0.98
19	I1* = I1нас / I1ном	--	6.3	6,1	5,8	5,0	4,3	3,1
20	М* =	--	1.2	1.25	1.3	1.8	1.9	1,91

Спроектированный асинхронный двигатель удовлетворяет требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям (КПД и сos ц), так и по пусковым характеристикам.

Рисунок 9.1 - Пусковые характеристики M*=f(s)

Рисунок 9.1 - Пусковые характеристики I*=f(s)

10. Тепловой расчет и расчет вентиляции

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя



Дхпов1 = К = 21,8 єС

Р'э.п = kp Pэ1 =1,07*4,19*2*0,14/1,23 = 1 кВт

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора

=3,68 єС

Пп1 = 2hпк + b1 + b2 = 2 * 31,3 + 23,9+ 10 = 96,5 мм

Для изоляции класса нагревостойкости F лэкв = 0,16 Вт/м2 по рисунку для

л'экв = 1,4 Вт/(м2 °С)

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей

Р'э.л1 = kp Pэ1 = 831,6 Вт; Пл1 = Пп1 = 0,0965 м;

bиз.л1 max = 0,05 мм

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя



= 7,57 єС

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя

=

= [(22,1 + 3,68)20,14 + (2,1 + 7,57)20,477] / 1,3 = 12,65 єС

Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды

= 5129/ (1,825,1) = 73,2 єС

?Р'в = ?Р' - (1 - К)(Р'э.п1 + Pст.осн) - 0,9Рмех =

= 7,276 - (1 - 0,22)(1000+637,7) - 0,9 * 2146,9 = 5129Вт,

где = 7190 + (1,07 - 1)(419+660) = 7,276,3 Вт;

?P = 7190 Вт из таблицы 8.1 для s = sном;

Sкop = (рDa + 8Пр)(l1 + 2lвыл1) = (р 0,393 + 8 * 0,43)(0,14 + 2 * 0,1091) = 1,8 м2

где Пр = 0,43 м

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды

= 12,65+73,2 = 85,85° С

Согласно нормам Национальной Ассоциации Производителей Электрооборудования (NEMA) для электродвигателей класса изоляции F допустимая температура нагрева составляет 155 °С. На основании этого разработанный двигатель рекомендуется использовать при температуре окружающей среды не более 30° С.

Проверка условий охлаждения двигателя.

Требуемый для охлаждения расход воздуха

= 0,4 м3/c

km = m' = 3,3 = 11,33

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором

Q'в =0,6 D3а = 0,6*0,3493 = 0,9м3/c

Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах.

Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

Вывод: спроектированный двигатель отвечает поставленным в техническом задании требованиям.



Заключение

В данной работе был рассчитан асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Для взаимозаменяемости некоторых частей различных машин и во избежание полных расчетов (магнитопровода, материалов для обмотки и корпуса) некоторые значения для расчета выбирались по таблицам, которые соответствовали принятым стандартам. В конце расчета, данные собирались в таблицы: значения пусковых и рабочих характеристик асинхронного двигателя. Был выполнен чертеж данного двигателя.

Как образец, для расчета был взят серийно выпускаемый двигатель А2-81-4. В результате, получившиеся данные практически полностью совпадают с параметрами реального двигателя.

В расчете двигателя была применена изоляция класса F с допустимой температурой 115°С. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды составило 50.3° С. Расход воздуха, необходимый для охлаждения, меньше, чем обеспечивает внешний вентилятор.

Спроектированный двигатель имеет довольно высокий КПД и cosц, ввиду простоты конструкции может применятся в любых условиях.



Список литературы

1. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов / П79 И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высш.шк., 2002. - 757 с.: ил.

2. Методические указания к выполнению курсового проекта по электрическим машинам, 1992г.

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

Размещено на Allbest.ru

...