33

Размещено на http://www.allbest.ru/

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Асинхронные двигатели с фазным ротором

Введение

асинхронный двигатель обмотка ротор

Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами - генераторами, преобразующими механическую энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 80%) вырабатывается на тепловых электростанциях, где при сжигании химического топлива (уголь, газ, торф) нагревается вода и превращается в пар высокого давления. Последний подается в турбину, где расширяясь, приводит ротор турбины во вращение. В результате электромагнитных процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую.

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным применением, так как связано исключительно с целью взаимного преобразования электрической и механической энергий.

Асинхронные машины получили наибольшее применение в современных электрических установках и являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических машин переменного тока. Как и любая электрическая машина, асинхронная машина обратима и может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Область применения асинхронных двигателей весьма широкая - от привода устройств автоматики и бытовых электроприборов до привода крупного горного оборудования (экскаваторов, дробилок, мельниц и т.п.).

В соответствии с этим мощность асинхронных двигателей, выпускаемых электромашиностроительной промышленностью, составляет диапазон от долей ватт до тысяч киловатт при напряжении питающей сети от десятков вольт до 10 кВ. Наибольшее применение имеют трехфазные асинхронные двигатели, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты (50 Гц).

Исходные данные

Номинальная мощность: Р2н = 5.5 кВт;

Исполнение: защищенное IP44;

Линейное напряжение питающей сети: U1л = 380 В;

Соединение обмотки статора: ;

Синхронная частота вращения: n1 = 750 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=8.

Высота оси вращения h=132 мм.

Наружный диаметр сердечника статора и значение коэффициента определяется по значению высоты оси вращения и числа пар полюсов соответственно: D1Н = 0,225м.

, выбираем из этого интервала значение .

Внутренний диаметр сердечника D1 рассчитывается по следующей формуле:

.

Полюсное деление

.

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

,

где з = 84%;

cosц1 = 0,75;

КЕ = 0,93;

Вд = 0,9 Тл;

А1 = 28·103 А/м.

.

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

;

Предварительное значение обмоточного коэффициента для однослойных обмоток . Выбираем значение .

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

.

Расчетная длина воздушного зазора с учетом значения бд (м):

.

Критерием правильности выбора главных размеров D1 и lд служит отношение:

,

которое находится в пределах (2 - 2.4)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 0,25 - 0,3 м, радиальных вентиляционных каналов не делают. Для такой конструкции:

.

2. Определение числа пазов статора Z1 и расчет обмотки статора

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

Число пазов статора

,

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

q1 = 2.

Зубцовое деление статора

.

Номинальный фазный ток обмотки статора (А)

,

где при соединении обмотки «»

Число эффективных проводников на паз

,

где число параллельных ветвей а1 = 1.

Число витков в фазе обмотки статора

Однослойная обмотка обычно выполняется диаметральным шагом

,

Коэффициент укорочения обмотки

,

Коэффициент распределения обмотки

,

Обмоточный коэффициент

.

Магнитный поток (Вб)

.

Уточненное значение магнитной индукции в воздушном зазоре

.

Уточним значение линейной нагрузки (А/м)

.

Плотность тока в обмотке статора предварительно выбираем как

Сечение эффективного проводника фазы (предварительно), (мм2)

.

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

.

Сечение элементарного проводника (предварительно)

.

и его диаметр.

Плотность тока в обмотке статора (уточненное значение)

.

3.Расчет размеров трапецеидального полузакрытого паза всыпной обмотки статора

Ширина зубца bz1 по рекомендуемому значению индукции в зубцах Bz1

.

где = 0,97;

= 1,6 Тл

Высота ярма статора (м)

,

где = 1,65 Тл.

Высота зубца (м)

.

Высота паза = .

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

.

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

Наименьшая ширина паза в штампе (м)

,

,

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

Наибольшая ширина паза в штампе (м)

,

.

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

где ДhП = 0,0001 м.

ДbП = 0,0001 м.

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

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции (мм);

где =0,25 мм - ее толщина.

Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой (мм)

.

Коэффициент заполнения паза

.

Полученное значение коэффициента заполнения находится в рекомендуемых пределах .

Рисунок 3.1 - Пазы всыпной обмотки статора

После окончательного определения размеров паза необходимо пересчитать индукцию в зубце

.

Индукция в ярме статора (Тл)

,

.

Окончательные значения удовлетворяют рекомендуемым значениям

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

Воздушный зазор (м)

.

Наружный диаметр сердечника ротора (м)

.

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

.

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

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

Число витков обмотки (предварительное)

.

Эффективное число проводников в пазу.

.

Число параллельных ветвей а2 = 1

Уточненное число витков обмотки.

.

Уточненное значение Э.Д.С. Е2

.

Ток обмотки ротора

,

где ,

,

.

Сечение эффективного проводника (предварительно) мм.

.

Для закрытых двигателей (степень защиты IP44) .

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)

.

6. Расчет размеров пазов ротора

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

Ширина зубца ротора (м)

,

,

где = 1,95 Тл.

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

м.

Минимальная ширина паза

,

.

Ширина шлица и высота hш2 = 0,001м

Высота клиновой части: hk2 =0,0027м

Максимальная ширина паза

,

,

.

Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой (мм)



,

где ДhП = 0,0001 м.

ДbП = 0,0001 м.

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции (мм);

где =0,25 мм - ее толщина.

Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой (мм):

.

Коэффициент заполнения паза

Окончательное значение плотности тока

.

7. Расчет магнитной цепи

Расчет магнитной цепи проводится для определения МДС и намагничивающего тока статора, необходимого для создания в двигателе требуемого магнитного потока. 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)

,

.

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

Магнитное напряжение зубцового слоя ротора (А)

,

.

А/м - напряженность магнитного поля в зубцах ротора определяется при трапецеидальных пазах по приложению A для индукции по п.5.1

Магнитное напряжение ярма статора

,

.

=940 А/м определяется по приложению Б для индукции по п.3.21.

Магнитное напряжение ярма ротора (А)

,

.

А/м определяется по приложению Б 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

.

8. Активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора

А. Сопротивление обмотки статора

Среднее значение зубцового деления статора (м)

.

Средняя ширина катушки (секции) статора (м)

,

где = = 6 - 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 В), 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

,

;

;

.

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния статора

,

где

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)

,

где .

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

,

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

.

Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора

о.е.

9. 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.

Расчетная масса стали зубцов статора при трапецеидальных пазах

Магнитные потери в зубцах статора для стали 2013 (Вт)

,

для трапецеидальных пазов - .

Масса стали ярма статора

Магнитные потери в ярме статора для стали 2013 (Вт)

.

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

Механические потери (Вт) при степени защиты IP44

.

Дополнительные потери (Вт) при номинальной нагрузке

.

10. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости

.

Сопротивление взаимной индукции обмоток статора и ротора (Ом)

.

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

.

Активная составляющая тока холостого хода при S=0

.

Реактивная составляющая тока холостого хода при S=0

.

Дальнейшие формулы для расчета рабочих характеристик сведены в таблице 9.1. По результатам расчетов, выполненных согласно таблице 9.1, производится построение рабочих характеристик асинхронного двигателя.

Таблица 9.1

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) и график зависимости коэффициента мощности (cos(ц)) от номинальной мощности (P2)



Рисунок 9.3 - График зависимости потребляемой мощности (Р1) от (P2)

Рисунок 9.4 - График зависимости вращающего момента (М2) от номинальной мощности (P2)



Рисунок 9.5 - График зависимости номинального тока (I1) от номинальной мощности(P2)

Рисунок 9.6 - График зависимости скорости вращения ротора (n) от номинальной мощности (P2)

Скольжение, соответствующее максимальному моменту:

.

Перегрузочная способность асинхронного двигателя:

,

.

Список использованной литературы

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

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

3. 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

...