Определение главных размеров и выбор электромагнитных нагрузок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Значение электрической энергии и обыденной жизни человека неоценимо. Электричество применяется практически во всех сферах человеческой деятельности, и для этого применяются различные виды электрического оборудования.

В зависимости от рода тока электрические машины подразделяются на машины постоянного и переменного тока. Электрические машины изготавливаются на очень широкие пределы мощностей - от долей ватта до миллиона киловатт и выше.

Одним из основных видов такого оборудования являются электрические машины, которые служат для преобразования электрической энергии в механическую и обратно механическую в электрическую, а также для преобразования одного рода электрической энергии в другой.

Преобразование механической энергии электрическую осуществляется с помощью электрических машин, называемых электрическими генераторами. Генераторы приводятся во вращение с помощью паровых, гидравлических и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания и других первичных двигателей.

На современных электростанциях обычно вырабатывается переменный ток, и для передачи его к потребителям через линии электропередачи и электрические сети необходимо изменять напряжение тока. Такое изменение, или трансформация, переменного тока осуществляется с помощью преобразователей, которые называются трансформаторами. Трансформаторы представляют собой статические электромагнитные аппараты, не имеющие вращающихся частей. Однако в принципе их действия и устройства есть много общего с вращающимися электрическими машинами, и поэтому их также относят к электрическим машинам в широком смысле этого слова. Существуют также другие разновидности электрических машин.

Во многих случаях электрическая энергия, выработанная на электрических станциях, снова превращается в механическую для приведения в действие различных машин и механизмов. Для этой цели применяются электрические машины, называемые электрическими двигателями.

Электрический двигатель -- это электрическая машина (электро-механический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую, побочным эффектом является выделение тепла.

Наиболее распространены магнитоэлектрические двигатели, которые по типу потребляемой энергии подразделяется на две большие группы -- на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока (также существуют универсальные двигатели, которые могут питаться обоими видами тока).

статор трапецеидальный обмотка



Исходные данные

Номинальная мощность: Р2н = 37 кВт

Исполнение: защищенное IP23

Линейное напряжение питающей сети: U1л = 380 В

Соединение обмотки статора: Y

Синхронная частота вращения: n1 = 1500 об/мин

Обмотка ротора: фазная



1. Определение главных размеров и выбор электромагнитных нагрузок

Расчет асинхронных машин начинают с определения главных размеров

Внутреннего диаметра статора D1 и расчетной длины воздушного зазора lд. Внутренний диаметр статора непосредственно связан определенными размерными соотношениями, зависящими от числа полюсов, с наружным диаметром статора D1Н, в свою очередь определяющим высоту оси вращения h.

В связи с этим выбор главных размеров проводят в следующей последовательности:

Число пар полюсов:

, 2p=4.

Высота оси вращения h=180 мм.

Наружный диаметр сердечника статора и значение коэффициента определяется по значению высоты оси вращения и числа пар полюсов соответственно: D1Н = 0,316 м.

, выбираем из этого интервала значение.

Внутренний диаметр сердечника D1 рассчитывается по следующей формуле:

Полюсное деление:

Расчетная мощность асинхронного двигателя Р', (кВА) определяют по заданной номинальной мощности

.

Предварительные значения з и cosц1 могут быть взяты по рисунку 1.2, КЕ по рисунку 1.1:

з = 87%;

cosц1 = 0,88

КЕ = 0,98

.

Предварительный выбор электромагнитных нагрузок - линейной токовой нагрузки А и максимальной магнитной индукции в воздушном зазоре Вд выбираются по рисунку 1.3 и 1.4:

Вд = 0,81 Тл

А = 47 А/мм.

Значения коэффициента полюсного перекрытия бд и коэффициента формы поля kВ предварительно принимают равными

;

.

Предварительное значение обмоточного коэффициента для двухслойных обмоток . Выбираем значение.

Синхронная угловая частота вращения вала двигателя Щ, рад/сек, рассчитывается по формуле

.

Расчетная длина магнитопровода (м):

.

Критерием правильности выбора главных размеров D1 и lд служит отношение

.

которое находится в пределах (0,7 - 1,7)м для принятого исполнения двигателя. На этом выбор главных размеров заканчивается.

Для расчета магнитной цепи, помимо lд, необходимо определить полную конструктивную длину и длину стали сердечника статора (l1 и lст1). В асинхронных двигателях, длина сердечников статоров которых не превышает 250 - 300 мм, радиальных вентиляционных каналов не делают. Для такой конструкции:

.



2. Определение числа пазов статора Z1 и расчет обмотки статора

Тип обмотки статора - двухслойная всыпная, форма пазов статора - трапецеидальная.

Число пазов статора

,

где m1 - число фаз обмотки статора (m1 = 3);

q1 - число пазов на полюс и фазу (q1= 3).

Зубцовое деление статора

.

Номинальный фазный ток обмотки статора (А)

.

при соединении обмотки «Y».

Число эффективных проводников на паз

,

где число параллельных ветвей а1 = 2.

Число витков в фазе обмотки статора

.

Двухслойная обмотка обычно выполняется петлевой с укороченным шагом по пазам:

Коэффициент укорочения обмотки:

,

коэффициент распределения обмотки:

,

обмоточный коэффициент:

.

Магнитный поток (Вб):

.

Уточненное значение магнитной индукции в воздушном зазоре (Тл)

.

Уточное значение линейной нагрузки (А/м)

.

Плотность тока в обмотке статора предварительно выбираем как J1 = 6,5 А/мм2.

Сечение эффективного проводника фазы (предварительно), (мм2)

.

. Так как >, то эффективный проводник выполняют из нескольких элементарных проводников в эффективном

.

Сечение элементарного проводника (предварительно)



.

По таблице приложения 1 выбирается ближайший по сечению стандартный проводник, этим окончательно определяется сечение элементарного проводника и его диаметр.

Плотность тока в обмотке статора (уточненное значение)

.



3. Расчет размеров трапецеидального полузакрытого паза всыпной обмотки статора

3.1 Ширина зубца bz1 по рекомендуемому значению индукции в зубцах Bz

,

где = 0,97 для h =132 - 250 мм ;

= 2,05 Тл.

3.2 Высота ярма статора (м)

,

где = 1,605 Тл.

3.3 Высота зубца (м)

.

Высота паза = .

Ширина шлица bш1 должна быть такой, чтобы можно было уложить в пазы катушки по одному проводу, отсюда ширина шлица (мм)

.

Высота клина в машинах средней мощности и достигает 5 мм в крупных машинах.

3.4 Наименьшая ширина паза в штампе (м)

,

,

Высота шлица выбирается из промежутка Угол в=450 при высоте оси вращения h ?250 мм.

3.5 Наибольшая ширина паза в штампе (м)

,

.

Площади поперечного сечения паза в свету (мм2) определяются с учетом припусков на шихтовку и сборку сердечников

где ДhП = 0,2 мм.

ДbП = 0, 2 мм.

Класс изоляции обмотки статора: в двигателях с высотами оси вращения рекомендуется применять систему изоляции класса нагревостойкости F.

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции (мм2);

где =0,4 мм - толщина изоляции.

Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой (мм2)

.

Коэффициент заполнения паза:

.

Полученное значение коэффициента заполнения находится в рекомендуемых пределах для двигателей с 4 .



Рисунок 3.1 Пазы всыпной обмотки статора

3.6 После окончательного определения размеров паза необходимо пересчитать индукцию в зубце

.

3.7 Индукция в ярме статора (Тл)

,

.

3.8 Окончательное значение плотности тока

Окончательные значения удовлетворяют рекомендуемые значения.

4. Расчет размеров сердечника, число пазов и обмотки фазного ротора.

4.1 Воздушный зазор (м)

.

Наружный диаметр сердечника ротора (м)

.

4.2 Внутренний диаметр сердечника ротора (он же диаметр вала) в (м):

м.

4.3 Конструктивная длина сердечника и длина стали сердечника (м)

,

.

Число фаз обмотки статора

.

Число пазов на полюс и фазу

.

Число пазов ротора

.

В двигателях с h 220мм применяется двухслойная петлевая обмотка с мягкими секциями, которые выполняются из круглого провода и укладываются в полузакрытые трапецеидальные пазы.

Рисунок 4.1 Всыпная обмотка с мягкими секциями

Расчет числа витков и эффективных проводников в пазу для всыпной обмотки (с мягкими секциями).

Число витков обмотки (предварительное).

При соединении обмотки ротора в звезду

.

,

.

Эффективное число проводников в пазу:

.

Число параллельных ветвей а2 = 1

Уточненное число витков обмотки.

.

Уточненное значение Э.Д.С. Е2

.

Ток обмотки ротора

,

,

,

.

Сечение эффективного проводника (предварительно) мм.

.

Для открытых двигателей (степень защиты IP23) .

Число элементарных проводников в эффективном проводнике в всыпных обмотках (с мягкими секциями)

,

.

Сечение элементарного проводника и его диаметр .

Плотность тока в обмотке ротора (уточненное значение)

.



5. Расчет размеров пазов ротора

Расчет размеров трапецеидального полузакрытого паза ротора с всыпной обмоткой производиться также как и для статора.

5.1 Ширина зубца ротора (м)

,

,

где = 2,05 Тл.

5.2 Предварительная высота паза (м) ротора для h < 200 мм:

.

5.3 Минимальная ширина паза

,

.

Ширина шлица и высота hш2 = 0,0012м

Высота клиновой части: hk2 =0,0033м

Максимальная ширина паза

,

,

.

5.4 Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой (мм)

где ДhП = 0,2 мм.

ДbП = 0,2 мм.

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции (мм);

где =0,4 мм - толщина изоляции.

Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой (мм):

.

Коэффициент заполнения паза:

5.5 Индукция в зубце

.

Индукция в ярме ротора (Тл):

,

.

5.6 Окончательное значение плотности тока:

.

Окончательные значения удовлетворяют рекомендуемые значения.



6. Расчет магнитной цепи

МДС на магнитную цепь на пару полюсов определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи

.

Магнитное напряжение воздушного зазора на пару полюсов (А):

,

где коэффициент воздушного зазора:

,

,

.

Магнитное напряжение зубцового слоя статора (А):

,

.

где А/м - напряженность магнитного поля в зубцах статора определяется при трапецеидальных пазах непосредственно по приложению А.1 (при высоте оси вращения h ? 250 мм применяется сталь 2013)

Магнитное напряжение зубцового слоя ротора (А):

,

,

где А/м

Магнитное напряжение ярма статора

,

.

где =750 А/м определяется по приложению для индукции по п.3.21.

Магнитное напряжение ярма ротора (А)

,

.

где А/м определяется по приложению Б.1 для индукции по п.5.14.

Суммарное магнитное напряжение магнитной цепи:

.

Коэффициент насыщения магнитной цепи двигателя

, ()

Намагничивающий ток (А):

,

а в процентах от номинального тока статора

.



7. Активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора

Сопротивление обмотки статора

Среднее значение зубцового деления статора (м)

.

Средняя ширина катушки (секции) статора (м)

,

где - среднее значение шага обмотки статора.

Средняя длина лобовой части статора (м) для обмотки с мягкими катушками:

.

Средняя длина витка обмотки статора (м)

.

Длина вылета лобовой части обмотки статора для обмотки с мягкими катушками (м)

.



Активное сопротивление обмотки статора, приведенное к рабочей температуре 1150 С (для класса изоляции F), в Ом

,

где .

Активное сопротивление обмотки статора в относительных единицах (о.е.)

о.е.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора состоит из трех частей: пазового рассеяния, дифференциального рассеяния и рассеяния лобовых частей.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора при трапецеидальном пазе

,

где и ,

;

.

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния статора

где - коэффициент дифференциального рассеяния.

Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора:

.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора:

Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора (Ом):

.

Индуктивное сопротивление в относительных единицах

о.е.



Сопротивление обмотки ротора

Среднее значение зубцового деления ротора (м):

.

Средняя ширина катушки обмотки ротора (м):

,

.

Средняя длина лобовой части катушки (м):

,

.

Средняя длина витка обмотки ротора (м):

.

Вылет лобовой части обмотки ротора (м):

.

Активное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом)



.

Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора

.

Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к статору (Ом)

,

то же в относительных единицах

о.е.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора при трапецеидальном пазе

,

где ,

и .

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния ротора

где

Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки ротора:

.

Коэффициент проводимости рассеяния обмоток

.

Индуктивное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом):

.

Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом):

.

Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора (о.е.)

о.е.

8. Потери в стали, механические и добавочные потери

Потери в стали (магнитные потери) и механические не зависят от нагрузки, поэтому они называются постоянными потерями и могут быть определены до расчета рабочих характеристик.

8.1 Расчетная масса стали зубцов статора при трапецеидальных пазах (кг)

8.2 Магнитные потери в зубцах статора для стали 2013 (Вт)

,

для трапецеидальных пазов -

8.3 Масса стали ярма статора

8.4 Магнитные потери в ярме статора для стали 2013 (Вт)

.



8.5 Суммарные магнитные потери в сердечнике статора, включающие добавочные потери в стали (Вт)

8.6 Механические потери (Вт) при степени защиты IP23

.

8.7 Дополнительные потери (Вт) при номинальной нагрузке

.



9. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости

.

9.1 Сопротивление взаимной индукции обмоток статора и ротора (Ом)

.

9.2 Коэффициент приведения параметров Т - образной схемы замещения к Г - образной

.

9.3 Активная составляющая тока холостого хода при S=0

9.4 Реактивная составляющая тока холостого хода при S=0

.



9.5 Дальнейшие формулы для расчета рабочих характеристик сведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Расчетная формула	Единицы	Скольжение
		0,01	0,02	0,03	0,04	Sн 0,05	0,06
1.	Ом	15,944	7,972	5,315	3,986	3,189	2,657
2.	Ом	16,071	8,099	5,442	4,113	3,316	2,785
3.	Ом	0,924	0,924	0,924	0,924	0,924	0,924
4.	Ом	16,098	8,152	5,52	4,216	3,442	2,934
5.	А	13,666	26,987	39,855	52,182	63,916	74,983
6.		0,998	0,993	0,986	0,976	0,963	0,949
7.		0,057	0,113	0,167	0,22	0,268	0,315
8.	А	15,046	28,205	40,704	52,336	62,958	72,566
9.	А	20,067	22,338	25,944	30,768	36,417	42,908
10.	А	25,081	35,979	48,269	60,71	72,732	84,303
11.	А	14,281	28,201	41,648	54,53	66,792	78,357
12.	кВт	9,93	18,615	26,865	34,542	41,552	47,894
13.	Вт	229,857	473,006	851,344	1346,756	1932,945	8596,896
14.	Вт	89,329	348,34	759,736	1302,402	1953,993	2689,241
15.	Вт	63,367	90,9	121,951	153,383	183,757	212,991
16.	кВт	1,291	1,821	2,642	3,711	4,979	6,408
17.	кВт	8,639	16,794	24,223	30,831	36,573	41,486
18.	-	0,869	0,902	0,902	0,893	0,88	0,87
19.		0,599	0,784	0,843	0,862	0,87	0,861
20.	об/мин	1485	1470	1455	1440	1425	1410
21.		55,557	109,104	158,989	204,469	245,103	280,987

По результатам расчетов, выполненных согласно таблице 9.1, производится построение рабочих характеристик асинхронного двигателя.

Рисунок 9.1 График зависимости скольжения (S) от номинальной мощности(P2)



Рисунок 9.2 График зависимости КПД (з) от номинальной мощности(P2)

Рисунок 9.3 График зависимости коэффициента мощности (cos(ц)) от номинальной мощности (P2)



Рисунок 9.4 График зависимости потребляемой мощности (Р1Н) от номинальной мощности (P2)

Рисунок 9.5 График зависимости вращающего момента (М2) от номинальной мощности (P2)



Рисунок 9.6 График зависимости номинального тока (I1) от номинальной мощности (P2)

Рисунок 9.7 График зависимости скорости вращения ротора (n) от номинальной мощности (P2)

После построения рабочих характеристик на оси абсцисс откладывается номинальная мощность (точка А), через точку А проводится параллельно оси ординат линия АВ, точками пересечения линии АВ с кривыми рабочих характеристик и определяются номинальные значения потребляемой мощности , тока , вращающего момента М2Н, коэффициента мощности cosц1, коэффициента полезного действия, скорости вращения ротора nH и скольжения SH.

Скольжение, соответствующее максимальному моменту

.

Перегрузочная способность асинхронного двигателя

,

.



Список использованной литературы

1. Копылов И. П. Проектирование электрических машин. - М.: Энергия, 2002.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. - Энергия, 2004.

3. Кацман М.М. Электрические машины. - М.: Высшая школа, 2000.

4. Электрические машины. Асинхронные двигатели с фазным ротором (Расчет геометрических размеров и обмоток). Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности - Электроэнергетика - Алматы, 2011.

5. Электрические машины. Асинхронные двигатели с фазным ротором (Определение параметров и рабочих характеристик). Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения специальности - Электроэнергетика - Алматы, 2012.

Размещено на Allbest.ru

...