Проектирование синхронного генератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок

Отчет по производственной практике

Выполнил: студент группы

ЭАТк-11-02 Смет А.Б

№ зач. кн. 114240

Приняла: Даркенбаева Э.

Алматы 2015



Введение

синхронный генератор статор сегментировка

Проектирование электрической машины - задача неоднозначная, так как число исходных расчетных уравнений, описывающих электромагнитные связи в ней, меньше числа неизвестных величин. Потому номинальные данные могут быть обеспечены при различных соотношениях основных размеров и электромагнитных нагрузок машины. Оптимальный результат в значительной мере зависит от опыта проектировщика и достигается обычно при сопоставлении нескольких вариантов. В качестве универсального критерия оптимальности наиболее часто принимают минимум суммарных затрат, т.е. стоимость материалов, затрат на изготовление и эксплуатацию. Затраты на эксплуатацию, в свою очередь, зависят от КПД, коэффициента мощности, качества, ремонтопригодности и ряда других факторов.

В предлагаемом учебном пособии поставлена задача - ознакомить студента с основными принципами электромагнитных и тепловых расчетов синхронных генераторов средней мощности общепромышленного применения.

В основной части пособия представлены краткие указания по проектированию, которые содержат необходимые пояснения и рекомендации в виде таблиц и графиков и отражают накопленный опыт проектирования синхронных машин. При этом решения, принимаемые на основе имеющегося опыта электромашиностроения, обычно приводят к результатам, близким к оптимальным.

В конце пособия приведен пример проектирования синхронного генератора.

Предполагается, что основные механические расчеты (например, расчет вала, выбор подшипников и др.) студент освоил в курсовом проекте по деталям машин.

Пособие представляет лишь сводку основных правил проектирования и ни в коей мере не заменяет учебников, в которых эти правила обоснованы. В нём отсутствуют описания конструкций генераторов, характеристик активных, конструктивных и изоляционных материалов и т.д. Поэтому приведенный в пособии объем информации достаточен для расчета варианта генератора, но не достаточен для защиты курсового проекта.



Содержание и оформление проекта

Проект состоит из расчетной и графической частей. Расчетная часть оформляется в виде пояснительной записки на листах нелинованной бумаги формата 297x210 мм. Поля следует оставлять шириной 25-30 мм слева, 15 мм сверху, 10 мм справа и снизу каждого листа. Допускается отчёркивание полей указанных размеров справа и слева, а также заключение текста в рамку. Нумерация страниц - сквозная, в правом верхнем углу листа, причем титульный лист считается первым, лист задания - вторым, но номера на них не проставляются. Для каждой формулы обязательна ссылка на источник с указанием страницы и номера формулы. За титульным листом следует задание на проект. После задания располагают оглавление, обычно состоящее из следующих разделов: введение; основная часть; заключение; список использованных источников; приложения. За оглавлением следует основное содержание расчетно-пояснительной записки. При выполнении курсового проекта на компьютере следует соблюдать следующие требования: Times New Roman, размер не ниже 12 пт, межстрочный интервал - полуторный.

Графическая часть проекта выполняется карандашом или средствами компьютерной графики (с использованием пакетов КОМПАС, Teflexcad, Autocad и др.) на стандартном листе чертежной бумаги.

При выполнении курсового проекта чертёж выполняется на листе формата 594Ч841 и должен содержать продольный и поперечный разрезы спроектированной машины. На чертеже обязательно должны быть указаны габаритные и установочные размеры, величина воздушного зазора, а также внешний и внутренний диаметры и длины магнитопроводов.

При выполнении курсовой работы на листе размером 297Ч420 мм (формат А3) или 297Ч631 (увеличенный формат A3) выполняются продольный (продольное сечение статора и ротора) и поперечный (1/4 поперечного сечения активной части) разрезы генератора. На указанных разрезах проставляются основные размеры: на продольном - длина пакета сердечника статора, ширина вентиляционного канала, длина сердечника статора, длина сердечника ротора; на поперечном - внутренний и внешний диаметры сердечника статора, высота ярма, высота и ширина паза, зубцовое деление статора, воздушный зазор под центром полюса и зазор под краем полюса, высота и ширина полюса, минимальное расстояние между катушками возбуждения. На поперечном сечении необходимо показать участки, на которые разбивается замкнутый контур при расчёте магнитной цепи генератора.

Все остальные чертежи, эскизы и графики вычерчиваются на бумаге форматов 297x210, 297x420 и т.д. (допускается использование миллиметровой бумаги) и вносятся в пояснительную записку в логической последовательности. К их числу относятся схема обмотки статора, чертеж зубцового деления статора с конструкцией изоляции и обмотки, выполненный в увеличенном масштабе, со спецификацией паза, эскиз квадранта магнитной цепи, характеристики и диаграммы.

Ориентировочный график выполнения проекта

Выбор главных размеров, типа обмотки, зубцовой зоны и ярма статора, воздушного зазора, магнитопровода и обмоток ротора, расчет магнитной цепи и построение характеристики холостого хода - I и III недели со дня выдачи задания.

Выполнение схемы обмотки статора, чертежа зубцового деления со спецификацией изоляции, определение параметров обмоток для установившегося режима работы, построение характеристик и векторной диаграмм - IV и VI недели.

Расчет параметров и постоянных времени, необходимых для расчетов переходных и несимметричных режимов, массы активных материалов, потерь и КПД - VII неделя.

Расчет и построение характеристик, определение токов короткого замыкания - VIII и IX недели.

Разработка конструкции, выполнение чертежа общего вида (квадранта), оформление расчётно-пояснительной записки - X - XII недели

Исходные данные для проектирования

В качестве базовых вариантов конструкции предлагается использовать серийно выпускаемые генераторы серии СГ2 или СГД2.

Конструктивное исполнение генератора СГ2 по способу монтажа - IM1001 (генератор на лапах с двумя подшипниковыми щитами и горизонтальным валом, конец вала - цилиндрический), степень защиты генератора - IP23 (защищённая), способ охлаждения - ICA01 (с самовентиляцией).

Конструктивное исполнение генератора СГД2 по способу монтажа - IM7311 (генератор со стояковыми подшипниками на приподнятых лапах, с горизонтальным валом, конец вала - цилиндрический), степень защиты - IP11 (защищённая), способ охлаждения - ICA01 (с самовентиляцией). Частота тока - 50 Гц, cosц = 0,8 (отстающий ток), режим работы - продолжительный, соединение трёхфазной обмотки в звезду.

Основные исходные данные (номинальные параметры): номинальная мощность , линейное напряжение и частота вращения задаются преподавателем.

Проектирование синхронного генератора

Выбор главных размеров активной части генератора

Проектирование синхронного генератора, как и любой другой электрической машины, начинают с выбора главных размеров: внутреннего диаметра статора D и расчетной длины lд. Как указывалось, эта задача не имеет однозначного решения, поэтому для нахождения оптимальных значений D и lд приходится рассчитывать ряд вариантов, для сокращения числа которых целесообразно воспользоваться рекомендациями, полученными на основе накопленного опыта проектирования.

Для предварительного определения диаметра D можно воспользоваться зависимостями D=f(S'H), рис.1.1, соответствующими усредненным диаметрам выполненных машин.

Расчетная электромагнитная мощность , кВА,

,

где kЕ - отношение ЭДС обмотки якоря при номинальной нагрузке Ен к номинальному напряжению Uн, предварительно принимают kE?1,08; Рн - номинальная мощность, кВт; cosцн - номинальный коэффициент мощности.

Рис. 1.1

Число пар полюсов р и полюсное деление ф, м, равны соответственно



Предварительное значение внешнего диаметра статора Da , м,

Da=kДD.

Значения kД в зависимости от 2р приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

2р	4	6	8	10	12	14
kД	1,43-1,52	1,38-1,45	1,35-1,4	1,3-1,36	1,28-1,33	1,25-1,3
2р	16	18	20	24	26	32 и более
kД	1,22-1,28	1,2-1,26	1,18-1,25	1,16-1,22	1,15-1,2	1,14-1,18

Полученное значение Da округляют до ближайшего нормализованного диаметра (табл. 1.2). От выбранного диаметра Da зависят габариты и высота оси вращения h проектируемой машины.

В случае корректировки Da следует произвести пересчёт диаметра D и полюсного деления ф:

D = Da/kД ;

,

в этом случае для kД берут среднее значение при данном 2р.

Расчетная длина lд машины, м,

Габарит	Da , мм	h, мм
12	660	400
13	740	450
14	850	500
15	990	560
16	1180	630
17	1430	630
18	1730	630
19	2150	630
20	2600	630
21	3250	630

где бд - расчетный коэффициент полюсного перекрытия (определяется по рис. 1.2); kB - коэффициент формы поля (рис. 1.2);

kоб1 - обмоточный коэффициент обмотки статора; А - линейная нагрузка статора, А/м; Вдн - максимальное значение индукции в воздушном зазоре при номинальной нагрузке, Тл.

Рис. 1.2

Так как и kB зависят от размеров и конфигурации полюсного наконечника, а также воздушного зазора д и полюсного деления ф и пока неизвестны, то предварительно можно принять бд=

= 0,65-0,68; kB= 1,16-1,14, а их произведение ?kB= 0,75-0,78 (эти значения соответствуют = 0,68-0,72 при дм/д =1,5 и д/ф ? ?0,01).

Обмоточный коэффициент kоб1 предварительно принимают равным 0,92.

Линейную нагрузку А и индукцию Вдн при Uн = 380-6600 В выбирают по рис. 1.3 и 1.4. При Uн = 10000 В величину Вдн можно также выбирать по рис. 1.4, а линейную нагрузку А следует снизить на 10-15 %, так как из-за более толстой пазовой изоляции ухудшается охлаждение обмотки якоря.

Рис 1.3

Выбранные значения А и Вдн являются предварительными и в дальнейшем при необходимости их можно изменять. При этом следует иметь в виду, что чем больше произведение А?Вдн , тем меньший активный объем D2lд будет иметь проектируемая машина. Однако каждая машина имеет свои верхние пределы А и Вдн.



Рис. 1.4

Приведенные на рис. 1.3 верхние значения А соответствуют серийным машинам защищенного исполнения с косвенным воздушным охлаждением, с изоляцией класса нагревостойкости В. Верхний предел индукции Вдн ограничен насыщением магнитной цепи, в основном - насыщением зубцового слоя. Кроме того, с увеличением отношения А/Вдн возрастают индуктивные сопротивления машины.

Определив расчетную длину lд , находят отношение

,

причем чем длиннее машина (больше л), тем хуже условия её охлаждения, а чем короче, тем больше доля лобовых частей в длине витка обмотки и тем больше потери в обмотке. Значения л для современных машин указаны на рис. 1.5.



Рис. 1.5

Для улучшения охлаждения сталь статора обычно разбивают на несколько пакетов длиной lпак ? 4-5 см, между которыми делают радиальные вентиляционные каналы шириной bк = 10 мм (рис. 1.6).

Рис. 1.6

При наличии вентиляционных каналов истинная длина статора будет больше расчетной и предварительно может быть принята

Длину всех пакетов чаще всего берут одинаковой. Число вентиляционных каналов в этом случае



причем nK округляют до целого числа.

После округления nK уточняют длину пакета

и округляют ее до одного миллиметра.

Суммарная длина пакетов сердечника

Проекции синхронного генератора приведены на рис. 1.7.

Рис. 1.7

Синхронная машина имеет радиальную систему вентиляции, обеспечиваемую вентиляционным действием полюсов ротора и вентиляционными лопатками, направляющими часть воздушного потока на лобовые части обмотки статора (рис. 1.8). Охлаждающий воздух в машинах защищённого исполнения входит через вентиляционные окна в подшипниковых щитах (рис. 1.8, а), проходит вдоль лобовых частей обмотки статора, через междуполюсное пространство ротора (охлаждая обмотку возбуждения), радиальные вентиляционные каналы статора и выходит через боковые жалюзи. Схема вентиляции машины закрытого исполнения с установленным в верхней части теплообменником показана на рис. 1.8, б.

Рис. 1.8. Схема вентиляции синхронных машин

Выбор типа обмотки и расчёт зубцовой зоны статора

Для статоров синхронных машин общего назначения мощностью от сотен до нескольких тысяч киловатт применяют двухслойные катушечные петлевые обмотки с числом эффективных проводников в пазу uп более двух. По условиям технологии каждый эффективный проводник может состоять из одного или нескольких элементарных прямоугольных проводников с сечением 12-20 мм2. Ток в таком составном проводнике допускается от 50 до 150, реже до 250 А. Если номинальный фазный ток машины Iнф превышает указанные пределы, то обмотку выполняют с несколькими параллельными ветвями a1.

Номинальный фазный ток Iнф обмотки статора при рекомендуемом соединении ее в звезду равен линейному току:

Тогда число параллельных ветвей

Причём число a1 должно быть целым и кратным 2р. В дальнейшем a1 нужно увязать с выбранным числом пазов статора Z1.

При необходимости ток в составном проводнике можно принимать больше 250 А. В этом случае произведение этого тока на число проводников в пазу uп не должно превышать 3000 А.



Рис. 2.1

Число пазов Z1 существенно влияет на технико-экономические показатели проектируемой машины, поэтому оптимальное число Z1 можно выбрать только после расчета и сравнения между собой ряда вариантов.

Зубцовое деление статора

Определив из рис. 2.1 при полученном ранее значении ф максимальное и минимальное значения t1 , находят соответствующие им числа пазов (зубцов) машины:

Из диапазона Zlmax - Zlmin выбирают такое целое число Z, при котором выполняются следующие требования:

1. Zl должно быть кратным числу фаз m и числу параллельных ветвей a1, т.е. - целое число.

2. Число пазов на полюс и фазу должно быть целым или дробным вида q1=b+c/d (b - целое число, а c/d - правильная несократимая дробь, причем d не кратно m и меньше p). При 2р < 8 чаще всего выбирают целое число q1 = 3(2) - 5 (большие значения для машин с меньшим числом полюсов). При 2р > 8 и малом ф можно выбирать обмотки с дробным q1 ().

3. При целом q1 отношение 2р/a1 должно быть целым. При дробном q1 должно быть целым числом отношение .

4. Для удобства сегментировки статора при Da>0,99 м желательно, чтобы величина Zl разлагалась на возможно большее число простых множителей (2, 3, 5).

5. Для машин с Dа > 3,25 м число пазов должно быть кратным числу разъемов статора, выполняемых для возможной транспортировки по железной дороге.

Из диапазона Zlmax - Zlmin выбирают такое Zl , которое наиболее полно удовлетворяет указанным требованиям. Затем определяют и число эффективных проводников в пазу

которое округляют до ближайшего чётного числа.

По найденному значению uп уточняют линейную нагрузку

.

Число пазов Zl следует принять таким, при котором уточненное значение А отличается от выбранного в начале расчета более, чем на 10 %. Полученные таким образом значения Z1, uп, a1 , q1 и А для машин с Dа ? 0,99 м являются окончательными. В случае Da > 0,99 м число пазов устанавливают после выполнения сегментировки статора.

Выполнение сегментировки статора

Листы электротехнической стали выпускают с максимальной шириной 1000 мм. Поэтому если Da > 0,99 м, то магнитопровод статора собирают из отдельных сегментов. Хорда сегмента Н (рис. 3.1) с минимальным припуском на штамповку (5 - 10 мм) должна быть возможно ближе к ширине одного из стандартных листов электротехнической стали, имеющих размеры 600x1500, 750x1500, 860x1720, 1000x2000 мм.

Рис. 3.1

Если принять, что число сегментов в полной окружности статора равно Scт, то хорда

Предпочтение следует отдать целому числу сегментов в пределах от 6 до 18. Каждый сегмент должен иметь целое число пазовых делений, а стыки между соседними сегментами должны приходиться на середину паза. При четном числе пазовых делений в сегменте каждый следующий их слой сдвигается на 1/2 сегмента, а при нечетном (кратном трем) - на 1/3 сегмента.

Решать задачу сегментировки можно двояко:

При данном Z1 находят возможные варианты чисел сегментов и их хорд, причем число сегментов должно быть кратным числу пазов и определяется разложением числа Z1 на множители.

Задаются рядом значений Н и приближенно находят число сегментов

.

Хорда Н может быть равна одному из размеров: 370, 420, 490, 590, 740, 850 мм. Затем, округляя Sст до целого или дробного числа, добиваются, чтобы число зубцов Zs в сегменте было равно целому числу Zs=Z1/Sст, после чего по формуле для расчёта H уточняют длину хорды. Результаты расчета для удобства сопоставления сводят в таблицу.

Полученные после сегментировки значения Z1, a1, q1, uп принимают окончательно для дальнейших расчетов.



Литература

1. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов: В 2 кн./ И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П.Морозкин и др.; Под. ред. И.П. Копылова.- 2-е изд., перераб. и доп. М.:Энергоатомиздат, 1993. Кн. 2. 384 с.

2. Буханцов Е.И. Методические указания к курсовому проекту по электрическим машинам. Синхронные генераторы/ НПИ. Новочеркасск, 1984. 48 с.

3. Буханцов Е.И. Методические указания. Пример расчёта синхронного генератора/ НПИ. Новочеркасск, 1985. 40 с.

4. Электротехнический справочник/ Под ред. П.Г. Грудинского, Г.Н. Петрова, М.И. Соколова, А.М. Федосеева, М.Г. Чиликина, И.В. Антика. Изд. 5-е. М.: Энергия, 1974. Т. 1. 775 с.

5. Видеман Е., Келлепбергер В. Конструкции электрических машин/Сокр. пер. с нем.; Под ред. Б.Н. Красовского. Л.: Энергия, 1972.; 520 с.

6. Виноградов Н.В. Производство электрических машин. М.: Энергия, 1970. 288 с.

7. СТП-40.459-007-82. Стандарт предприятия. Текстовые документы в учебном процессе. Общие требования/ НПИ. Новочеркасск, 36 с.

Размещено на Allbest.ru

...