Проектирование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.О.СУХОГО

Факультет автоматизированных и информационных систем

Кафедра «Автоматизированный электропривод»

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине «Электрические машины»

на тему: «ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРЁХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ СЕРИИ 4АС90L2У3»

Исполнитель:

студент гр. ЭАПК-31

Шучалин Д.А.

Руководитель: Брель В.В.

Гомель 2013

Содержание

Введение

1. Определение главных размеров электродвигателя

2. Расчёт обмотки, паза и ярма статора

3. Расчёт обмотки, паза и ярма ротора

4. Параметры двигателя для рабочего режима

5. Расчёт магнитной цепи электродвигателя

6. Расчёт постоянных потерь мощности

7. Расчёт рабочих характеристик электродвигателя

8. Определение пусковых характеристик электродвигателя

9. Тепловой расчёт

Заключение

Список литературы

Введение

Целью курсового проектирования является расширение и закрепление знаний по курсу «Электрические машины», овладение современными методами расчёта и конструирования электрических машин, приобретение навыков пользования справочной литературой и т.п.

Проектирование электрической машины состоит из расчёта и конструирования. Обычно делается расчёт нескольких вариантов, но из-за ограниченности времени достаточно рассчитать один вариант, базируясь на данных каталога единой серии асинхронных двигателей. При выполнении курсового проекта необходимо выполнить следующие расчёты:

-- определение главных размеров машин;

-- расчёт обмотки, паза и ярма статора;

-- расчёт обмотки, паза и ярма ротора;

-- расчёт магнитной цепи машины;

-- определение параметров двигателя для рабочего режима;

-- расчёт постоянных потерь мощности;

-- определение рабочих характеристик электродвигателя;

-- определение пусковых характеристик электродвигателя;

-- тепловой расчёт.

Заключительным этапом проектирования является разработка конструкции двигателя, которая включается в виде сборочного чертежа в двух проекциях с продольным и поперечным разрезом.

асинхронный двигатель электрический расчет

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Исходные данные:

-- полезная мощность на валу P₂ = 3,5 кВт

-- число полюсов 2р = 2

-- номинальное напряжение U₁ =220/380 В

-- высота оси вращения h = 90 мм

-- степень защиты IP44 (закрытое исполнение)

Расчёт главных размеров.

1. Коэффициент полезного действия по табл. 2-1 [1] з_н = 0,8

2. Коэффициент мощности по табл. 2-1 [1] cosц_н = 0,86

3. Подводимая мощность

4. Наружный диаметр сердечника по табл. 6-1 [1] :

D_Н1 = 149 мм.

5. Внутренний диаметр сердечника статора по табл. 6-1 [1] :

D₁ = 0,64• D_Н1 = 0,56 • 149 = 83,4 мм.

Принимаем D₁ =84 мм.

6. Воздушный зазор по табл. 6-1 [1] :

д = 0,4 мм.

7. Наружный диаметр сердечника ротора:

D_Н2 = D₁ - 2?д =84- 2 • 0,4 = 83,2 мм.

8. Внутренний диаметр листов ротора (диаметр вала) по табл. 6-1 [1]

D₂ = 32 мм

9. Число аксиальных каналов ротора по табл. 6-1 [1]

n_к2 = 0, т.к. h < 250 мм.

10. Диаметр аксиальных каналов d_к2 = 0, т.к. h < 250 мм.

11. Марка стали 2013

12. Толщина листов 0,5 мм

13. Коэффициент заполнения сталью сердечника статора К_С = 0,97

14. Коэффициент заполнения сталью сердечника ротора К_С = 0,97

15. Число пазов статора z₁ = 24 и ротора z₂ = 20 по табл.6-1 [1].

2. РАСЧЁТ ОБМОТКИ, ПАЗА И ЯРМА СТАТОРА

Тип и число витков обмотки

1. Тип обмотки - однослойная «вразвалку» по табл. 6-1 [1].

2. Форма пазов статора - трапецеидальные полузакрытые.

3. Число пазов на полюс и фазу q₁ = 4 по табл. 3[2].

4. Шаг обмотки по пазам по табл. 6-1 [1]: при однослойной обмотке шаг обмотки по пазам выбирается диаметральным:

5. Укорочение шага

6. Коэффициент распределения

7. Коэффициент укорочения

К_У1 = sin(в•90^О) = sin(1•90^О) = 1

8. Обмоточный коэффициент

К_О1 = К_У1 • К_Р1 = 1•0,958 = 0,958

9. Магнитная индукция в воздушном зазоре по табл. 2-1 [1] B_д = 0,73 Тл

10. Магнитный поток в воздушном зазоре

Вб

где l_1n = 100 мм (по табл. 6-1 [1]).

11. Коэффициент падения напряжения в обмотке статоре рис. 4 [2]:

К_Е = 0.977

12. Число витков в обмотке фазы



13.Число эффективных проводников в пазу

где а₁ = 1 - число параллельных ветвей обмотки фазы

14.Принятое число эффективных проводников в пазу S_n = 41

15. Уточнённое число витков обмотки фазы

16. Эффективное число витков обмотки фазы статора

W_ЭФ = W₁ • K_О1 = 164 •0,958 = 157,1

17.Принятая длина сердечника статора по табл. 6-1 [1] l₁ = 100 мм.

18.Номинальный фазный ток

А

19.Линейная нагрузка статора

А/см

20. Эффективная длина сердечника

l_ЭФ1 = l_1n • K_С = 100• 0,97 = 97 мм.

21. Предварительное значение магнитной индукции в спинке статора по табл. 5 [2]: В_С1 = 1,65 Тл

22. Расчётная высота спинки статора

мм

23. Высота паза статора

мм

24. Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора

мм

Размеры паза статора и проводников обмотки статора

1. Предварительное значение магнитной индукции в расчётном сечении зуба по табл. 6 [2]: В_Z1 = 1,9 Тл.

2. Ширина зуба с равновеликим сечением

мм

3. Большая ширина паза

мм

4. Ширина шлица паза по табл. 6-1 [1] b_ш1 = 3,2 мм

5. Высота шлица паза по табл. 6-1 [1] h_ш1 = 0,5 мм

6. Меньшая ширина паза

мм

7. Площадь поперечного сечения паза в штампе

мм²

8. Площадь поперечного сечения паза в свету

где b_C = 0,1 мм - припуск на сборку сердечников по ширине паза (табл. 7 [2]);

h_C = 0,1 мм -- припуск на сборку сердечников по высоте паза (табл. 7 [2]).

9. Площадь поперечного сечения корпусной изоляции

мм²

где b_И = 0,25 мм - односторонняя толщина корпусной изоляции (табл. 8 [2]).

10. Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой

мм²

где Q_ПР = площадь поперечного сечения прокладки между верхней и нижними катушками, на дне паза и под клин:

мм²

11. Максимально допустимый диаметр изолированного провода

мм

где К_П = 0.75 - коэффициент заполнения паза изолированными проводниками

S_n = 41 - число эффективных проводников в пазу.

12. Число элементарных проводников в одном эффективном по табл. 6-1 [1] m = 1.

13. Диаметр голого провода (табл. 6-1 [1]) d = 0,83 мм

14. Диаметр изолированного провода (табл. 6-1 [1]) d' = 0,895 мм.

15. Сечение провода

мм²

16. Коэффициент заполнения паза

17. Плотность тока в обмотке статора

А/мм²

18. Характеристика тепловой нагрузки

А₁ • г₁ = 287,4 • 14,2 = 4094,4 А²/(мм²•см)

19. Среднее зубцовое деление статора

мм

20. Средняя ширина катушки обмотки статора

b_СР = t_СР • у₁ = 12,7 • 12 = 152,9 мм

21. Средняя длина лобовой части обмотки статора

l_Л1 = (1,16 + 0,14•p) • b_СР + 15 = (1,16 + 0,14•3) •152,9+ 15 = 213,8мм

22.Средняя длина витка обмотки

l_СР1 = 2 • ( l₁ + l_Л1) = 2 • ( 100 + 213,8) = 627,6 мм.

23.Длина вылета лобовой части обмотки

l_В1 = ( 0,19 + 0,1•р) • b_СР + 10 = ( 0,19 + 0,1•3) • 152,9 +10 = 54,3 мм.

3. РАСЧЁТ ОБМОТКИ, ПАЗА И ЯРМА РОТОРА

1. Форма пазов ротора - выбираем по табл. 6-1 [1] грушевидный полузакрытый паз.

2. Зубцовое деление по наружному диаметру ротора

мм

3. Высота шлица h_Ш2 = 0,5 мм

Ширина шлица в_Ш2 = 1 мм

Высота мостика h₂ = 0

4. Большая ширина паза

где

мм

5. Индукция в зубцах ротора принимаем по табл. 11 [2] B_Z2 = 1,9 Тл.

6. Высота паза h_n2 = 16 мм по табл. 6-1 [1]

7. Расчётная высота спинки ротора

мм

8. Эффективная длина пакета ротора

l_ЭФ2 = K_С • l₂ = 0,97 • 100 =97 мм.

9. Магнитная индукция в спинке ротора

Тл

10. Меньшая ширина паза

11. Расстояние между центрами радиусов

мм

12. Площадь поперечного сечения паза ротора и стержня

13. Поперечное сечение кольца литой клетки (предварительно)

мм²

14. Высота кольца

h_К = (1.1 … 1.25) • h_n2 = 1,25•16 = 20 мм.

15. Длина кольца

мм

16. Принятое поперечное сечение кольца

S_К = h_К • l_К = 20 • 14,97 = 299,3 мм²

17. Средний диаметр кольца

D_{К СР} = D_Н2 - h_К = 83,2 - 20 = 63,2 мм.

4. ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ РАБОЧЕГО РЕЖИМА.

1. Удельная проводимость меди обмотки статора при расчётной температуре (по табл. 12 [2]) г_и = 47 Ом•мм²/м

2. Удельная проводимость алюминия обмотки ротора при расчётной температуре (по табл. 12 [2]) г_и = 21,5 Ом*мм²/м

3. Активное сопротивление обмотки фазы

Ом

4. Активное сопротивление обмотки фазы, в О. Е.

5. Коэффициент влияния укороченного шага на пазовое рассеяние (по рис. 9 [2]) К_в` = 1

6. Коэффициент влияния укороченного шага на пазовое рассеяние (по рис. 9 [2]) К_в = 1

7. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния пазов

где h_к1 = (в₂ - в_ш1)/2 = (7,3 - 3,2)/2 = 2,25 мм,

h₁ = h_n1- h_ш1- h_к- h₂ =13,3-0,5-2,25=10,5 мм

8. Коэффициент, учитывающий демпфирующую реакцию токов (табл. 14)

К_с1 = 0,77

9. Коэффициент, учитывающий влияния открытия пазов статора

10. Коэффициент дифференциального рассеяния статора (табл. 13)

К_д1 = 0,0089

11. Коэффициент воздушного зазора, учитывающий зубчатость статора

12. Коэффициент воздушного зазора, учитывающий зубчатость ротора

13. Коэффициент воздушного зазора

K_д = K_д1 • K_д2 = 1,21 • 1,03 = 1,254.

14. Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния статора:

15. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора

где ф ₁ - полюсное деление статора:

мм

16. Суммарный коэффициент магнитной проводимости обмотки статора

Ул₁ = л_n1 + л_д1 + л_Л1 = 1,653+ 1,832 + 1,75 = 5,244

17. Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора

18. Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора в О.Е.

19. Активное сопротивление стержня клетки

20. Сопротивление короткозамыкающих колец, приведённое к току стержня

где К_пр2 - коэффициент приведения тока кольца к току стержня:

21. Центральный угол скоса

22. Коэффициент скоса пазов ротора

23. Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора

25. Активное сопротивление обмотки ротора, приведённое к обмотке статора

В относительных единицах

26. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния пазов ротора

где ш - коэффициент, учитывающий уменьшения проводимости пазового рассеяния при вытеснении тока. Принимаем ш = 1.

27. Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния

где К_д2 - коэффициент дифференциального рассеяния ротора. Выбирается по табл. 13 [2] для q₂ = z₂ / (6•p). Выбираем К_д2 = 0,0083

28. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния короткозамыкающих колец литой клетки (лобовых частей ротора)

где

29. Коэффициент проводимости рассеяния скоса пазов

30. Суммарный коэффициент магнитной проводимости ротора

Ул₂ = л_n2 + л_д2 + л_Л2 + л_ск = 1,536 + 2,16+ 0,466 + 1,935= 6,101

31. Индуктивное сопротивление обмотки ротора

32. Индуктивное сопротивление рассеяния ротора, приведённое к обмотке статора

Ом

В относительных единицах

5. РАСЧЁТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Воздушный зазор

1. Магнитное напряжение воздушного напряжения на полюс

Зубцы статора

2. Ширина зубца статора в расчётных сечениях

3. Магнитная индукция в расчётном сечении зубца статора

4. Расчётная длина магнитной силовой линии в зубце статора

L_Z1 = h_n1 = 13,3 мм

5. Магнитное напряжение зубцов статора

F_Z1 = 0,1 • H_Z1 • L_Z1 = 0,1 •25 • 13,3= 20,73 A

где Н_Z1 = 25 A/см по приложению 1 [2].

Зубцы ротора.

6. Ширина зубца ротора в расчётных сечениях

7. Магнитная индукция в расчётных сечениях

8. Коэффициент, учитывающий ответвления магнитного потока в паз ротора

К_З = 1,95, т.к. В_Z2 > 1,8 Tл.

9. Определение магнитного поля в зубце ротора по приложению 1 [2]

Н_Z2min = 15 А/см

H_Z2max = 15 А/см

H_Z2cp = 15 A/см

10. Расчётное значение напряжённостей магнитного поля в зубце ротора

11. Расчётная длина магнитной силовой линии в зубце ротора

L_Z2 = h_n2 - 0,2 • r₂ = 16- 0,2 • 1,7 =15,66 мм

12. Магнитное напряжение зубцов ротора

F_Z2 = 0,1 • H_Z2 • L_Z2 = 0,1 • 15 • 15,66 = 23,5 A

Спинка статора

13. Высота спинки статора

14. Магнитная индукция в спинке статора

15. Расчётная длина магнитной линии в спинке статора

16. Магнитное напряжение спинки статора

F_C1 = 0,1 • H_С1 • L_С1 = 0,1 • 2,89 • 102 = 29,5 А.

где Н_С1 = 2,89 А/см по приложению 3.

Спинка ротора

17. Расчётная длина магнитной силовой линии спинки ротора

18. Магнитная индукция в спинке ротора (см. выше)

B_С2 = 1,317 Tл.

19. Магнитное напряжение спинки ротора

F_С2 = 0,1 • H_С2 • L_С2 = 0,1 • 2,2 • 24 = 5,28 A

где Н_С2 = 2,2 -- по приложение 4 [2]

Параметры магнитной цепи

20. Намагничивающая сила магнитной цепи на один полюс

21. Коэффициент насыщения магнитной цепи

22. Намагничивающий ток

В процентах от номинального тока

23. Главное индуктивное сопротивление

В относительных единицах

6. ПОТЕРИ ХОЛОСТОГО ХОДА

1. Реактивная составляющая тока статора при идеальном холостом ходе

где коэффициент рассеяния ротора

2. Электрические потери в обмотки статора при холостом ходе

3. Расчётная масса стали зубцов статора

4. Магнитные потери в зубцах статора

Р_Z1 = 4,4 • B_Z1cp² • G_Z1 = 4,4 • 2² • 1 = 17,72 Вт

5. Расчётная масса стали спинки статора



Магнитные потери в спинке статора

Р_C1 = 4,4 • B_C1² • G_C1 = 4,4 • 1,65² • 6,2 = 74 Вт

7. Суммарные потери в сердечнике статора при холостом ходу, включая добавочные потери

8. Механические потери

где К_МХ = 1,11 при 2p - коэффициент механических потерь

9. Активная составляющая тока холостого хода

10. Ток холостого хода

11. Коэффициент мощности при холостом ходе

7. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

Произведём расчёт рабочих характеристик машины при помощи программы для расчёта рабочих характеристик асинхронного двигателя (Ad3), разработанную Соломенником А.П. под руководством Тодарева В.В.

8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Расчёт начального пускового тока и момента

1. Приведённая высота проводника

где S = 1 и h_c = h_n2 - h_ш2 = 16 - 0,5 = 15,5 мм

2. Расчётная глубина проникновения тока в стержень

где ц = 0,12 - рис.21 [3].

3. Ширина стержня на расчётной глубине проникновения тока

4. Площадь поперечного сечения стержня при расчётной глубине проникновения тока

5. Коэффициент вытеснения тока



6. Активное сопротивление стержня клетки

7. Активное сопротивление обмотки ротора, приведённое к обмотке статора

8. Коэффициент проводимости рассеяния пазов ротора с учётом вытеснения тока

где ш = 0,97 - коэффициент, учитывающий уменьшение проводимости пазового рассеяния при вытеснении тока (рис. 21 [3]).

9. Коэффициент проводимости рассеяния обмотки ротора

10. Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учётом вытеснения тока

11. Приведённое индуктивное сопротивление ротора

12. Параметры схемы замещения

13. Приведённое активное сопротивление короткого замыкания

14. Приведённое индуктивное сопротивление короткого замыкания

15. Приведённое полное сопротивление короткого замыкания

16. Составляющая коэффициента пазовой проводимости статора зависящая от насыщения

17. Составляющая коэффициента проводимости статора, зависящая от насыщения

18. Составляющая коэффициента пазовой проводимости ротора, зависящая от насыщения

19. Составляющая коэффициента проводимости рассеяния ротора, зависящие от насыщения

20. Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, зависящее от насыщения

21. Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, не зависящее от насыщения

22. Расчётный ток ротора при пуске

23. Расчётные параметры схемы замещения при пуске с учётом вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния:

полное сопротивление

Oм

индуктивное сопротивление

24. Активная составляющая тока статора при пуске



25. Реактивная составляющая тока статора при пуске

26. Фазный ток статора при пуске

27. Кратность пускового момента

28. Кратность пускового момента

Где

Расчёт максимального момента

29. Индуктивное сопротивление, зависящее от насыщения

30. Индуктивное сопротивление, не зависящее от насыщения

31. Расчётный ток ротора при M=M_max с учётом насыщения

32. Сопротивление схемы замещения при максимальном моменте

33. Активная составляющая тока статора

34. Реактивная составляющая тока статора

35. Ток фазы статора при M = M_max

36. Кратность максимального момента

37. Критическое скольжение

I*,M*



Рис. 1. Пусковые характеристики двигателя.

9. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

1. Превышение температуры сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя

где K = 0,22 - коэффициент, учитывающий долю потерь в сердечнике статора, передаваемых воздуху двигателей (табл.17 [2]).

К_И = 1,07 - коэффициент для приведения потерь в меди при расчётной температуре к максимально допустимой температуре при изоляции класса В;

б₁ = 11 • 10^-5 Вт/(мм² • °С) - коэффициент теплопроводности с поверхности сердечника статора (рис. 14 [2]);

Р_Э1 = 3 • R₁ • I_Н1² = 3 • 2,2 • 7,72² = 392,12 Вт

2. Периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения паза статора

П₁ = 2 • h_n1 + b_n1 + b_n2 = 2 • 13,3 + 10,1 + 7,3 = 44,1 мм.

3. Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора

где л_ЭКВ = 16 • 10^-5 - эквивалентная удельная теплопроводность

л_ЭКВ' = 9,3 • 10^-4 - эквивалентный коэффициент теплопроводности внутренней изоляции катушки из круглого провода (рис. 13 [2]).

b_u1 = 0,25 мм - односторонняя толщина изоляции в пазу статора (табл. 8 [2]).

4. Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя

5. Перепад температуры в изоляции лобовой части обмотки статора



6. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя

7. Сумма потерь при предельно допускаемой температуре, передаваемых воздуху внутри двигателя

где Р_ДОБ = 0,005 • Р₁ = 0,005 • 5087 = 31,8 Вт

Р_Э2 = Вт

Где А

8. Условная поверхность охлаждения двигателя

где h_p• n_p = 165 мм - число и высота рёбер (рис. 15 [2])

9. Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой охлаждающей среды

где б_В = 3,2 • 10^-5 Вт/(°С • мм²) - коэффициент подогрева воздуха (рис. 16 [2])

10. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой охлаждающей среды

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте мной был рассчитан трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4АС90L2У3 закрытого исполнения со степенью защиты IP44. Анализ данных, полученных в ходе расчёта, с данными справочника «Асинхронные двигатели серии 4А» показывает, что в конструктивном исполнении двигатель рассчитан правильно, так как все основные размеры статора и ротора сходятся или почти сходятся. Однако, сравнение рабочих и пусковых характеристик с характеристиками двигателя, приведенными в справочнике, говорит о том, что рассчитанный двигатель в этом отношении несколько отличается. Данное отклонение в расчёте пусковых и рабочих параметров электродвигателя можно отнести на счёт погрешности в инженерных расчетах.

Главной задачей курсовой работы является ознакомление с принципами работы и расчёт асинхронного двигателя. В настоящей курсовой работе эта цель выполнена.

ЛИТЕРАТУРА

1. Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. М. Энергоиздат, 1982.

2. Методическое указание №2102 к курсовому проектированию по курсу "Электрические машины"

3. Проектирование электрических машин под ред.И. П. Копылова М. "Энергия". 1980.

Размещено на Allbest.ru

...