Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Данные для проектирования

2. Магнитная цепь машины. Размеры, конфигурация, материалы

2.1 Конфигурация

3. Обмотка статора

3.1 Принимаем двухслойную петлевую обмотку с жесткими секциями из провода марки ПЭТП-155, укладываемую в прямоугольные открытые пазы

3.2 Предварительное количество эффективных проводников в пазу

4. Демпферная (пусковая) обмотка

4.1 Суммарная площадь поперечного сечения меди обмотки статора, приходящейся на одно полюсное деление

5. Расчет магнитной цепи

5.1 Воздушный зазор

6. Активное и индуктивное сопротивление обмотки статора для установившегося режима

6.1 Активное сопротивление обмотки фазы

7. Расчет магнитной цепи при нагрузке

7.1 Амплитуда МДС обмотки статора

7.2 Продольная составляющая ЭДС

8. Обмотка возбуждения

8.1 Напряжение дополнительной обмотки (1.135)

9. Параметры обмоток и постоянные времени. Сопротивления обмоток статора при установившемся режиме

9.1 Сопротивления обмоток статора при установившемся режиме

9.2 Сопротивления пусковой обмотки

10. Потери и КПД

10.1 Расчётная масса стали зубцов статора

10.2 Добавочные потери в обмотке статора и стали магнитопровода при нагрузке

11. Характеристики машин

11.1 Повышение напряжения на зажимах генератора

Литература

Введение

На современных электростанциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Первичными двигателями для них являются паровые турбины или гидротурбины. Большинство турбогенераторов быстроходные, т.е. имеют максимальное число оборотов 3000. Генераторы небольших мощностей, соединенные с дизелями и другими поршневыми машинами, изготавливают на 750-1500 об/мин. Большие скорости вращения ротора отражаются на его конструкции - это цилиндрическая цельнокованая поковка из специальной легированной стали. Вдоль поверхности ротора фрезеруют радиальные пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения. Пазы закрываются клиньями, а в лобовой части обмотка укрепляется бандажными кольцами.

Для АЭС ввиду низких параметров пара целесообразно применять четырехполюсные генераторы с частотой вращения 1500 об/мин. Гидрогенераторы большой и средней мощности выполняются с вертикальным валом, в верхней части которого располагается генератор, а в нижней - гидротурбина. Мощность гидротурбины и ее скорость определяются величиной напора и расхода воды. Гидрогенераторы при больших мощностях изготавливаются на 60-125 об/мин, т.е. они являются тихоходными машинами. Находят применение капсульные гидрогенераторы с горизонтальным валом, заключенные в водонепроницаемую оболочку, которая обтекается потоком воды, приводящим в движение колесо гидротурбины.

В нашей стране синхронные генераторы с постоянными магнитами нашли применение в ветроэнергетике, в авиации, но при этом практически не используются в различных системах автономного электроснабжения. Не ведутся работы по проектированию и изготовлению синхронных генераторов с постоянными магнитами на мощности более 2 кВт. Исключением является лишь электроагрегат ОАО «Новая Эра», который, правда, может быть использован только в исключительных случаях. В мощных синхронных генераторах зарубежные фирмы используют генераторы с постоянными магнитами в основном как подвозбудитель для питания регулятора напряжения. Такая схема обеспечивает лучшие характеристики при пуске мощных асинхронных двигателей и быстрое восстановление напряжения, позволяет добиться 30%-процентной стойкости к коротким замыканиям. Отметим, что в рекламных проспектах зарубежные фирмы часто необоснованно называют подобные системы синхронными генераторами с постоянными магнитами. На самом деле у таких генераторов система возбуждения электромагнитная, а синхронный генератор с постоянными магнитами используется лишь как подвозбудитель.

Считается перспективным направлением разработка электрогенераторных агрегатов с синхронным генератором с постоянными магнитами и с выходным электронным блоком, как имеющих лучшие массогабаритные характеристики, более высокий КПД, динамические характеристики, позволяющие приводному агрегату работать при различных частотах вращения.

Опыт разработок синхронных генераторов с постоянными магнитами (СГПМ) показал, что наибольший эффект достигается у генераторов с большими частотами вращения. Поэтому не случайно они находят применение в авиации с приводом от авиационных двигателей.

Нам предлагается спроектировать синхронный генератор номинальной мощностью 400 кВт с номинальным напряжением 400 В, номинальная частота вращения вала которого 1000 об/мин. Основным источником является учебник Гольдберга «Проектирование элекрических машин», в котором подробно изложены основные положения и рекомендации.

1. Данные для проектирования

№	Наименование заданных параметров и их условные обозначения	Синхронный генератор
1	Номинальный режим работы	Продолжительный
2	Номинальная мощность Р2, кВт	400
3	Номинальное напряжение (линейное) Uл.н, В	400
4	Номинальная частота вращения n, об/мин	1000
5	Частота f, Гц	50
6	Коэффициент мощности cos ц	0,8
7	Способ соединения фаз статора	Звезда
8	Способ возбуждения	От специальной обмотки вложенной в пазы статора
9	Степень защиты от внешних воздействий	IP 23
10	Способ охлаждения	IC01
11	Исполнение по способу монтажа	IM1001
12	Климатические условия и категория размещения	У2
13	Форма выступающего конца вала	Цилиндрическая
14	Способ соединения с приводным механизмом	Упругая муфта

2. Магнитная цепь машины. Размеры, конфигурация, материалы

2.1 Конфигурация

Принимаем изоляцию класса нагревостойкости F

Количество пар полюсов

р=60*f/n1=60•50/1000=3.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора

ху*=0,117 о.е.

Коэффициент мощности нагрузки

кн=

Предварительное значение КПД

з'=0,94о.е.

Главные размеры

Расчетная мощность

Р'=кнР2/(cosц)=1,074•400/0,8=537 кВА

Высота оси вращения

h=450 мм

Допустимое расстояние от корпуса до опорной поверхности

h1=9 мм.

Наружный диаметр корпуса

Dкорп=2•(h-h1)=2•(450-9)=882 мм.

Максимально допустимый наружный диаметр сердечника статора

Dн1max=850 мм.

Выбираемый диаметр сердечника статора

Dн1=850 мм.

Внутренний диаметр сердечника статора

D1=43+0,72• Dн1?43+0,72•850=655 мм.

Предварительное значение линейной нагрузки статора

А'1=517 А/мм.

Предварительное значение магнитной индукции в воздушном зазоре и номинальном режиме

В'б=0,826 Тл.

Предварительное значение максимальной магнитной индукции в воздушном зазоре машины при х.х.

В'б0=В'б/кн=0,826/1,074=0,769 Тл.

Полюсное деление статора

мм.

Индуктивное сопротивление машины по продольной оси хd*=2,2 о.е. Индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси

Хad=хd* - ху*=2,2-0,117=2,083 о.е.

Коэффициент, учитывающий наличие зазоров в стыке полюса и сердечника ротора или полюсного наконечника и полюса к'=1,08.

Расчетная величина воздушного зазора между полюсным наконечником и сердечником статора

мм.

Отношение максимальной величины зазора к минимальной

'/''=1,5

Расчетный воздушный зазор

=0,75•'+0,25•''=0,75•3,28+0,25*4,92=4,15 мм.

Коэффициент полюсной дуги действительный

б=0,73-3,33•10-5•Dн1=0,73-3,33•10-5•850=0,702.

Коэффициент полюсной дуги расчетный б'=0,66. Сердечник статора

Марка стали 2411, изолировка листов лакировка, толщина стали 0,5 мм.

Коэффициент заполнения сердечника статора сталью кс=0,95. Коэффициент формы поля возбуждения кв=1,16. Обмоточный коэффициент коб1=0,91 Расчетная длина сердечника статора

мм.

Конструктивная длина сердечника статора

?1 = ?1+nк1 •?к1=204+3•10=255 мм.

Отношение конструктивной длины к внутреннему диаметру сердечника статора

л=?1/D1=255/655=0,38.

Проверка по условию л< лmax лmax=0,93.

Количество пазов на полюс и фазу q1=4. Количество пазов сердечника статора

z1=2рm1q1=2•3•3•4=72.

Проверка правильности выбора значения z1

z1/gm1=72/(3•3)=8- целое число.

Сердечник ротора

Марка стали Ст 3, толщина листов 1,5 мм, листы без изоляционного покрытия и насаживаются непосредственно на вал, кс=0,98.

Длина сердечника ротора

?2=?1+(10ч20)=255+10=265 мм.

Сердечник полюса и полюсный наконечник

Марка стали Ст 3, толщина листов 1 мм, листы без изоляционного покрытия и насаживаются непосредственно на вал кс=0,98.

Длина шихтованного сердечника полюса

?п=?1+(10ч15)=255+10=265 мм.

Магнитная индукция в основании сердечника полюса В'п=1,4 Тл.

Предварительное значение магнитного потока

Ф'=В'бD1?'110-6/р=0,826•655•255•10-6/3=0,05 Вб.

Ширина дуги полюсного наконечника

bн.п=бф=0,7•343=240 мм.

Радиус очертания полюсного наконечника при эксцентричном воздушном зазоре

мм.

Высота полюсного наконечника h'н.п=10 мм. Высота полюсного наконечника по оси полюса для машин с эксцентричным зазором

hн.п=h'н.п+Rн.п

мм.

Поправочный коэффициент

ку=1,25•hн.п+25=1,25•33+25=66,3.

Предварительное значение коэффициента магнитного рассеяния полюсов

у'=1+ку35/ф2=1+66•35•3,69/3432=1,07.

Ширина сердечника статора

bп=у'Ф'•106/(кс?пВ'п)=1,07•0,05•106/(0,98•265*1,4)=145,5 мм.

Высота выступа у основания сердечника

h'п=10,5'+0,18D1=10,5•3,28+0,18•655=152 мм.

Предварительный внутренний диаметр сердечника ротора

D'2=dв=кв мм.

Высота спинки ротора

hс2=0,5D1--h'п-0,5D'2=0,5•655-3,69-152-33-0,5•166,5=55,56 мм.

Расчетная высота спинки ротора с учетом прохождения части магнитного потока по валу

h'с2=hс2+0,5D'2=55,56+0,5•166,5=138,81 мм.

Магнитная индукция в спинке ротора (11.36)

Вс2= Тл.

Рисунок 2.1 - Эскиз ротора

3. Обмотка статора

3.1 Принимаем двухслойную петлевую обмотку с жесткими секциями из провода марки ПЭТП-155, укладываемую в прямоугольные открытые пазы

Коэффициент распределения

кр1=;

Укорочение шага в'1=0,8. Шаг обмотки

уп1=в1z1/(2p)=0,8•72/(6)=9,6

Принимаем уп1=10.

Укорочение шага обмотки статора по пазам

в1=2руп1/z1=6*10/72=0,83.

Коэффициент укорочения

ку1=sin(в1•90?)=sin(0,833•90)=0,96.

Обмоточный коэффициент

коб1=кр1•ку1=0,96•0,96=0,92.

Предварительное количество витков в обмотке фазы

w'1=.

Количество параллельных ветвей обмотки статора а1=1.

3.2 Предварительное количество эффективных проводников в пазу

N'п1=;

Принимаем Nп1=2.

Уточненное количество витков

.

Количество эффективных проводников в пазу Nд=1.

Количество параллельных ветвей фазы дополнительной обмотки ад=2.

Количество витков дополнительной обмотки статора

.

Уточненное значение магнитного потока

Ф=Ф'(w'1/w1)=0,05(23,75/24)=0,049 Вб.

Уточненное значение индукции в воздушном зазоре

Вб=В'б(w'1/w1)=0,83•(23,75/24)=0,821 Тл.

Предварительное значение номинального фазного тока

 А.

Уточненная линейная нагрузка статора

А

Среднее значение магнитной индукции в спинке статора Вс1=1,4 Тл.

Обмотка статора с прямоугольными открытыми пазами В'з1max=1,8 Тл. Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора

t1=рD1/z1=3,14•655/72=28,565 мм.

Предельная ширина зубца в наиболее узком месте

b'з1min= мм.

Предварительная ширина полуоткрытого паза в штампе

b'п1=t1min-b'з1min=28,565-13,29=15,28 мм.

Высота спинки статора

hc1= мм.

Высота паза

hn1=(Dн1-D1)/2-hc1=(850-655)/2-70,03=27,47 мм.

Изоляция обмотки статора hи=14,2 мм. Двусторонняя толщина корпусной изоляции 2bи=4,3 мм. Высота шлица hш=1 мм. Высота клина hк=3 мм. Предварительная ширина паза в штампе

b'п1=t1min-b'з1min=29-13=16 мм.

Припуск на сборку сердечника по ширине bc=0,35 мм. Припуск на сборку сердечника по высоте hc=0,35 мм. Количество эффективных проводников по ширине паза Nш=2. Допустимая ширина эффективного проводника с витковой изоляцией

b'эф=(b'n1-2bи1-bc)/Nш=(16-4,1-0,35)/2=5,68 мм.

Количество эффективных проводников по высоте паза

Nв=Nп1/Nш=2/2=1.

Допустимая высота эффективного проводника

h'эф=(hn1-hи-hk-hш-hс)/Nв=(27,47-14,2-3-1-0,35)/1=10,72 мм.

Площадь эффективного проводника

S'эф=h'эф•b'эф=10,72•5,78=61,96 мм2.

Количество элементарных проводов в эффективном с=4. Меньший размер неизолированного элементарного провода

а'=(h'эф/са)-Ди=10,72/4-0,15=2,53 мм;

где Ди=0,15 мм - двухсторонняя толщина изоляции провода. Больший размер неизолированного элементарного провода (9.55)

b'=(b'эф/сb)-Ди=5,78/4-0,15=5,63 мм.

а х b=2,5 х 5,5;

S=14,25 мм2.

Размер по ширине паза в штампе

bn1=Nшсb(b+Ди)+2bи+bс=2•1•(5,63+0,15)+4,1+0,35=16,01 мм.

Уточненная ширина зубца в наиболее узкой части

bз1min=t1min-bn1=28,565-16,01=12,56 мм.

Уточненная магнитная индукция в узкой части зубца статора

Вз1max=t1Bб/(bз1minkc)=28,57•0,821/(12,56•0,98)=1,91 Тл.

Размер основной обмотки статора

hп.о=Nв.осо.в(а+Ди.а)+hи.о=1*4*(2,53+0,35)+14,2=23,96 мм.

Изоляция обмотки статора hи.д=1,8 мм. Размер дополнительной обмотки статора

hп.д=Nв.дсд.в(а+Ди.а)+hи.д=1•2•(1+0,15)+1,8=4,1 мм.

Уточненная высота паза статора в штампе

hп1=hп.о+hп.д+hк+hш+hс=23,96+4,1+3,5+1+0,35=28,39 мм.

Среднее зубцовое деление статора

tср1=р(D1+hп1)/z1=3,14(655+28,4)/72=29,8.

Средняя ширина катушки обмотки статора

bср1=tср1•уп1=30•10=300 мм.

Средняя длина одной лобовой части обмотки

?л1=1,3bср1+hп1+50=1,3•300+29+50=469 мм.

Средняя длина витка обмотки

?ср1=2(?1+?л1)=2(255+469)=1448 мм.

Длина вылета лобовой части обмотки

?в1=0,4bср1+hп1/2+25=0,4•300+28,39/2+25=159,5 мм.

Плотность тока в обмотке статора

J1=I1/(S•c•a1)=721,69/(2•14,24•2,5)=5,07 А/мм2.

Определяем значение А1J1

А1J1=505,29•5,07=2561,82 А2/см•мм2.

Допустимое значение А1J1

А1J1=2300>2561,82*0,85 А2/см•мм2.

4. Демпферная (пусковая) обмотка

4.1 Суммарная площадь поперечного сечения меди обмотки статора, приходящейся на одно полюсное деление

S2У=0,015фА1/J1=0,015•342,8•505,29/5,07=787 мм2.

Зубцовое деление полюсного наконечника ротора t'2=27,14 мм.

Предварительное количество стержней демпферной обмотки на один полюс

N'2=1+(bн.п-20)/t'2=1+(240-20)/27,14=9,1?9 шт.

Предварительный диаметр стержня демпферной обмотки (11.55)

d'с=1,13 мм.

Диаметр и сечение стержня dс=10 мм; S=78,5 мм2.

Определяем отношение h'н.п >2d.

20 мм > 2*10=20 мм.

Минимальная ширина крайнего зубца полюсного наконечника bз2min=10 мм. Уточненное значение зубцового деления полюсного наконечника

t2=(bн.п - dc - 2bз2min)/(N2-1)=(240-10-2•10)/(9-1)=26,25 мм.

Диаметр круглой части паза полюсного наконечника

dп2=dс+(0,1ч0,15)=10+0,1=10,1 мм.

Размеры шлица паза демпферной обмотки

bш2 х hш2=3 х 2 мм.

Предварительная длина стержня демпферной обмотки

?'ст=?1+0,2ф=255+0,2•342,8=323,56 мм.

Площадь поперечного сечения

S'с=0,5S2У=0,5•512,44=256,22 мм2.

Высота короткозамыкающих сегментов

h'с=2•dс=2•10=20 мм.

Ширина короткозамыкающих сегментов

?'с=0,7•dс=0,7*10=7 мм.

Определяем размеры и сечение короткозамыкающих сегментов hc х ?с=20 х 10 мм; Sс=199,1мм2.



Рисунок 4.1 - Эскиз демпферной обмотки

5. Расчет магнитной цепи

5.1 Воздушный зазор

Расчетная площадь поперечного сечения воздушного зазора

Sб=б'ф(?'1+2б)=0,66•342,78(255+2*3,69)=59359,49 мм2.

Уточненное значение магнитной индукции в воздушном зазоре

Вб=Ф•106/Sб=0,049•106/59359,49 =0,83 Тл.

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного зазора, вследствие зубчатого строения статора

кб1=1+.

Общий коэффициент воздушного зазора

кб=кб1* кб2* кк=1,29*1,02*0,96=1,26.

МДС для воздушного зазора

Fб=0,8кбВб•103=0,8•3,69•1,26•0,82•103=2980 А.

Зубцы статора Зубцовое деление на 1/3 высоты зубца

t1(1/3)=р(D1+(2/3)hп1)/z1=3,14(655+(2/3)•27,47)/72=29,36 мм.

Ширина зубца

bз1(1/3)=t1(1/3)-bп1=29,36-16=13,36 мм.

Расчетная площадь поперечного сечения зубцов статора

Sз1(1/3)= мм2.

Магнитная индукция в зубце статора

Вз1(1/3)=Ф•106/Sз1(1/3)=0,049•106/26981,86=1,82 Тл.

Напряженность магнитного поля

Нз1=29,2А/см.

Средняя длина пути магнитного потока

Lз1=hп1=27,47 мм.

МДС для зубцов

Fз1=0,1Нз1Lз1=0,1•29,2•27,47=80,21 А.

Спинка статора

Расчетная площадь поперечного сечения спинки статора (11.66)

Sc1=hc1?c1kc=70,03•204,09•0,98=14006,57 мм2.

Расчетная магнитная индукция

Вс1=Ф•106/2(Sc1)=0,049•106/(2•14006,57)=1,75 Тл.

Напряженность магнитного поля

Нс1=27,2 А/см.

Средняя длина пути магнитного потока

Lс1=р(Dн1-hс1)/4р=3,14(850-70,03)/(4•3)=204,09 мм.

МДС для спинки статора

Fс1=0,1•Нс1Lс1=0,1•27,2•204,09 =555,12 А.

Зубцы полюсного наконечника

Магнитная индукция в зубцах полюсного наконечника

Вз2= Тл.

Напряженность магнитного поля в зубцах полюсного наконечника

Нз2=17,2 А/см.

Средняя длина пути магнитного потока в зубцах полюсного наконечника

Lз2=hш2+dп2=2+10,01=12,1 мм.

МДС для зубцов полюсного наконечника

Fз2=0,1Hз2Lз2=0,1•17,2•12,1=20,81 А.

Полюсы

Величина выступа полюсного наконечника

b''п=0,5•(b'н.п - bп)=0,5•(240-145,5)=44,25 мм.

Высота широких полюсных наконечников

hн=(2hн.п+h'н.п)/3=(2•33+10)/3=25,33 мм.

Расстояние между боковыми поверхностями смежных полюсных наконечников

ан.п=[р(D1-2б''-h'н.п)/2р]-b'н.п=[3,14•(850-2•4,98-10)/(2•3)] - 234=300,39 мм.

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния

лн.п=

.

Длина пути магнитного потока

Lп=h'п+0,5hн.п - Lз2=152+0,5•33 - 12,1=156,4 мм.

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния по сердечникам полюсов

лп.с

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния по торцам полюсов

лп.в=37bп/?п=37•145,5/265=20,32.

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния полюсов

лп=лн.п+лп.с+лп.в=8,96+108,09+20,32=137,37.

МДС для статора и воздушного зазора

Fбзс=Fб+Fз1+Fс1=2980+80,21+555,12=3615,42 А.

Магнитный поток рассеяния полюсов

Фу=4лп?н.пFбзс•10-11=4•137,37•265•3615,42•10-11=Вб.

Коэффициент рассеяния магнитного потока

у=1+Фу/Ф=1+0,00526/0,049=1,11.

Расчетная площадь поперечного сечения сердечника полюса

Sп=кс?пbп=0,98•265•145,5=37790 мм2.

Магнитный поток в сердечнике полюса

Фп=Ф+Фу=0,049+0,00526=0,05439 Вб.

Магнитная индукция в сердечнике полюса

Вп=Фп/(Sп•10-6)=0,05439/(37790•10-6)=1,44 Вб.

Напряженность магнитного поля в сердечнике полюса

Нп=23,7 А/см.

МДС для полюса

Fп=0,1•Lп•Нп=0,1•156,4•23,7=370,67 А.

Спинка ротора

Расчетная площадь поперечного сечения спинки ротора

Sс2=?2h'с2кс=265•138,81•0,98=36050 мм2.

Среднее значение индукции в спинке ротора

Вc2=уФ•106/(2Sс2)=1,113•0,049•106/(2•36050)=0,75 Тл.

Напряженность магнитного поля в спинке ротора

Нc2=5,35 А/см.

Средняя длина пути магнитного потока в спинке ротора

Lс2=[р(D2+2hc2)/(4p)]+0,5h'с2=[3,14•(166,5+2•55,56)/(4•3)]+0,5•138,81=

142,05 мм.

МДС для спинки ротора

Fc2=0,1•Lc2•Hc2=0.1•5,35•142,05=75,99 А.

Воздушный зазор в стыке полюса

Зазор в стыке

бп2=2?п•10-4+0,1=2•265•10-4+0,1=0,15 мм.

МДС для зазора в стыке между сердечником полюса и полюсным наконечником

Fп2=0,8бп2Вп•103=0,8•0,15•1,44•103=172,8 А.

Суммарная МДС для полюса и спинки ротора

Fпс=Fп+Fс2+Fп2+Fз2=370,67+75,99+172,8+20,81=640,27 А.

Общие параметры магнитной цепи

Суммарная МДС магнитной цепи

FУ(1)=Fбзс+Fпс=3615,42+640,27=4255,69 А.

Коэффициент насыщения

кнас=FУ/(Fб+Fп2)= 4255,69 /(2980+172,8)=1,35.



Рисунок 5.1 - Частичная характеристика намагничивания

Рисунок 5.2 - Характеристика холостого хода

Рисунок 5.3 - Векторная диаграмма синхронного генератора

6. Активное и индуктивное сопротивление обмотки статора для установившегося режима

6.1 Активное сопротивление обмотки фазы

r1= Ом.

Активное сопротивление в относительных единицах

r1*=r1I1/U1=0,004•721,69•/400=0,013 о.е.

Проверка правильности определения r1*

r1*= о.е.

Активное сопротивление демпферной обмотки

rд= Ом.

Размеры паза

bп1=16 мм; hш1=1 мм; hк1=3,5 мм; h2=2,55 мм; hп1=28,39 мм; h3=5 мм;

h1=16,34мм.

Коэффициенты, учитывающие укорочение шага

кв1=0,4ч0,6в1=0,4+0,6•0,83=0,898;

к'в1=0,2ч0,8в1=0,2+0,8•0,83=0,864.

Коэффициент проводимости рассеяния

лп1=

=.

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния

лд1=.

Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки

лл1=0,34.

Коэффициент зубцовой зоны статора

квб=.

Коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов статора на магнитную проницаемость рассеяния между коронками зубцов

кк=0,06. магнитный цепь двигатель ротор

Коэффициент проводимости рассеяния между коронками зубцов

лк=0,04+кк+0,07.

Суммарный коэфициент магнитной проводимости потока рассеяния обмотки статора

л1=лп1+лл1+лд1+лк=0,67+0,35+1,53+0,16=2,71.

Индуктивное сопротивление обмотки статора

ху=1,58f1?1w21л1/(pq1•108)=1.58•50•255•242•2,71/(3•4•108)=0,026 Ом.

Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора

ху*=х1I1/U1=0,026•721,69•/400=0,081 о.е.

Проверка правильности определения х1*

ху*= о.е.

7. Расчет магнитной цепи при нагрузке

7.1 Амплитуда МДС обмотки статора

Fa=0,45m1w1коб1I1кфа/р=0,45•3•24•0,92•721,69•1,05/3=7529,25 А.

Амплитуда МДС обмотки статора в относительных единицах

Fа*= о.е.

Поперечная составляющая МДС реакции якоря, с учетом насыщения, отнесенная к обмотке возбуждения

Faq/cosш=хqkaqFa*=0,68•0,4•1,77=0,48 о.е.

ЭДС обмотки статора, обусловленная действием МДС

Eaq/cosш=0,63 о.е.

Направление вектора ЭДС Ебd, определяемое построением вектора

Еaq/cosш

ш=65?;

cosш=0,4226;

sinш=0,9063.

Продольная МДС реакции якоря с учетом влияния поперечного поля

F'ad=xdkadFa*sinш+kqdFa*cosшф/д=0,96•0,86•1,77•0,91+0,0031•1,77

0,42•342,78/3,69=1,54 о.е.

7.2 Продольная составляющая ЭДС

Eбd=Фбd=1,05 о.е.

МДС по продольной оси Fбd=1,1 о.е.

Результирующая МДС по продольной оси

Fба*=Fбd*+F'ad*=1,1+1,54=2,64 о.е.

Магнитный поток рассеяния Фу=0,32о.е.

Результирующий магнитный поток

Фп*=Фбd*+Фу*=1,05+0,32=1,37 о.е.

МДС, необходимая для создания магнитного потока Fп.с=0,35 о.е.

МДС обмотки возбуждения при нагрузке

Fп.и*=Fбф*+Fпс*=2,64+0,35=2,99 о.е.

МДС обмотки возбуждения при нагрузке

Fп.н=Fпн*FУ(1)=2,99•4255,63=12724,33А.

8. Обмотка возбуждения

8.1 Напряжение дополнительной обмотки (1.135)

Ud=U1wd/w1=400•6/24=100 В.

Предварительная средняя длина витка обмотки возбуждения

?'ср.п=2,5(?п+bп)=2,5•(265+145,5)=1026,25 мм.

Предварительная площадь поперечного сечения проводника обмотки возбуждения

S'= мм2.

Предварительное количество витков одной полюсной катушки

w'п=

Расстояние между катушками смежных полюсов

ак= мм.

Принимаем неизолированную шинную медь. Обмотка выполнена по ширине катушки из неизолированной меди, намотанной на узкую сторону (на ребро).

Предврительный размер проводника обмотки из неизолированной полосовой меди, навиваемой на ребро по ширине

b'==

мм.

Предврительный размер проводника обмотки из неизолированной полосовой меди, навиваемой на ребро по толщине

а= мм.

По приложению 2 выбираем размеры провода

а х b=2,8 х 8 мм2;

S=21,85 мм2.

Минимальный допустимый радиус закругления проводника

rmin=0,05•b2/a=0,05•352/3,28=18,6 мм.

Фактический средний радиус закругления проводника, навиваемого на ребро

r1=0,5•(bп+2(bз+bи))=0,5•(107+7)=57 мм.

Размер полюсной катушки по ширине bк.п=35мм.

Раскладка витков по катушке Nв=wп=16,13.

Размер полюсной катушки по высоте

hк.п=1,03[Nва+(Nв-3)hи+h'и]=1,03[14•3,28+(14-3) 0,3+2]=52,7 мм.

Средняя длина витка катушки

?ср.п=2(?п+b)+2р(r1+bк.п)=2(265+145,5)+3,14•(37,17+7)=959,69мм.

Ток возбуждения при номинальной нагрузке

Iп.н=Fп.к/wп=12724,33/132=96,39 А.

Количество параллельных ветвей в цепи обмотки возбуждения ап=1.

Уточненная плотность тока в обмотке возбуждения

Jп=Iп.н/(апS)= 96,39/(1•21,85)=4,41А/мм2.

Общая длина всех витков обмотки возбуждения

Lп=2рwп?ср.п•10-3=2•3•132•959,69•10-3=760,07 м.

Массам меди обмотки возбуждения

mм.п=гм•8,9LпS•10-3=8,9•760,07•21,85•10-3=147,81 кг.

Сопротивление обмотки возбуждения при температуре 20? С

rп=Lп/см20апS=760,07/57•1•21,85=0,61 Ом.

Максимальный ток возбуждения

Iпmax=Uп/rпmт=(100-2)/(0,612•1,38)=116,42 А.

Коэффициент запаса возбуждения

Iпmax/Iп.н=116,42/96,39=1.21.

Номинальная мощность возбуждения (11.160)

Рп=UI=(100-2)•116,42=11409,16 Вт.

9. Параметры обмоток и постоянные времени. Сопротивления обмоток статора при установившемся режиме

9.1 Сопротивления обмоток статора при установившемся режиме

Коэффициент продольной реакции якоря

кнас(0,5)=.

МДС для воздушного зазора Fб(1)=2980 о.е.

Индуктивное сопротивление продольной реакции якоря

хad*= о.е.

Коэффициент поперечного реакции якоря кaq=0,4.

Индуктивное сопротивление поперечной реакции якоря

хaq*=о.е.

Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси

хd*=хad*+ху*=1,98+0,082=2,062 о.е.

Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси

хq*=хaq*+ху*=1,04+0,082=1,122 о.е.

Сопротивление обмотки возбуждения

Активное сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к обмотке статора

rп*= о.е.

Коэффициент магнитной проводимости потоков рассеяния обмотки возбуждения

лпУ=лн.п+0,65лпс+0,38лп.в=8,96+0,65•108,09+0,38•20,32=86,94.

Индуктивное сопротивление обмотки возбужденя

хп*=1,27кadхad*(1+

о.е.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения

хпу*=хп* - хad*=2,29-1,98=0,31 о.е.

9.2 Сопротивления пусковой обмотки

Относительное зубцовое деление демпферной обмотки

t2*=рt2/ф=3,14•26,25/342,78=0,24 о.е.

Коэффициент распределения демпферной обмотки

кр2=.

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния по зубцам полюсного наконечника

лдз=t2/gdб=26,25/(16.5•3,69)=0,43.

Коэфициент магнитной проводимости пазового рассеяния полюсов

лdп=(0,785.

Коэффициенты Сd=0.8;

Cq=3.2.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей демпферной обмотки по продольной оси

лдлd=0,019фCd/N2=0,019•342,78•0.8/9=0.58.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей демпферной обмотки по поперечной оси

лдлq=0,019фCq/N2=0,019•342,78•3.2/9=2.32.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния демпферной обмотки по продольной оси

лдd=.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния демпферной обмотки по поперечной оси

лдq=.

Индуктивной сопротивление полной демпферной обмотки по продольной оси

хдd*=о.е.

Индуктивной сопротивление полной демпферной обмотки по поперечной оси

хдq*=о.е.

Активное сопротивление стержней демпферной обмотки по продольной оси

rcd*=

о.е.;

где м0=4р•10-7 Гн/м - магнитная проницаемость воздуха.

Активное сопротивление стержней демпферной обмотки по поперечной оси

rcq*=0,75rcd*=0,0288 о.е.

Активное сопротивление короткозамыкающих колец демпферной обмотки по продольной оси

rkd*=

о.е.

Активное сопротивление короткозамыкающих колец демпферной обмотки по поперечной оси

rkq*=1,5rkd*=0,0323 о.е.

Активное сопротивление полной демпферной обмотки по продольной оси

rдd*=rcd*+rkd*=0,04+0,02=0,06 о.е.

Активное сопротивление полной демпферной обмотки по поперечной оси

rдq*=rcq*+rkq*=0,04+0,03=0,07 о.е.

Переходные и сверхпереходные сопротивления обмотки статора

Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси

x'd*=xу*+ о.е.

Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора по поперечной оси

х'q*=xq*=1,122 о.е.

Сверхпереходное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси

x''d*=xу*+о.е.

Сверхпереходное индуктивное сопротивление обмотки статора по поперечной оси

x''q*=xу*+о.е.

Сопротивления для токов обратной и нулевой последовательности

Индуктивное сопротивление обмотки статора для токов обратной последовательности при работе машины на малое внешнее сопротивление

х2*=о.е.

Индуктивное сопротивление обмотки статора для токов обратной последовательности при большом внешнем индуктивном сопротивлении

х2*=0,5(х''d*+х''q*)=0,5(0,1281+0.1129)=0,1205 о.е.

Индуктивное сопротивление двухслойной обмотки статора для токов нулевой последовательности

Активное сопротивление обмотки фазы статора для тока нулевой последовательности при рабочей температуре

r0*=r1*(20)•mт=0,013•1,38=0,0179 о.е.

Постоянные времени обмоток

Обмотка возбуждения при разомкнутых обмотках статора и демпферной

Тd0=xn*/w1rп*=2,29/2*3.14*50*0.0038=1,92 с.

Обмотка возбуждения при замкнутых обмотках статора и демпферной

Т'd=Td0•xd*/xd*=1,92•0.35/2,062=0,33 с.

Демпферная обмотка при разомкнутых обмотках статора и возбуждения по продольной оси

с.

Демпферная обмотка при разомкнутых обмотках статора и возбуждения по поперечной оси

с.

Демпферная обмотка по продольной оси при разомкнутой обмотке статора и замкнутой обмотке возбуждения

Демпферная обмотка при короткозамкнутых обмотках статора и возбуждения

с.

Демпферная обмотка по поперечной оси при короткозамкнутых обмотках статора

с.

Обмотка статора при короткозамкнутых обмотках ротора

Ta=x2*/w1r1*=0,1205/(314•0,013)= 0,03 с.

10. Потери и КПД

10.1 Расчётная масса стали зубцов статора

mз1=7,8z1bз1срhn1?1kc•10-6=7,8•72•13,79•28,39•255•0,98•10-6=54,94 кг.

Магнитные потери в зубцах статора (9.251)

Pз1=4,4*В2з1срmз1=4,4•1,92•54,94=800,73 Вт.

Масса стали спинки статора (9.261)

mc1=7,8р(Dн1-hc1)hc1?1kc•10-6=7,8•3,14•(850-70)*70*255•0,98•10-6=314,18 кг.

Магнитные потери в спинке статора

Рс1=4,4*В2с1mc1=4,4*•1,752•314,18=4233,58 Вт.

Амплитуда колебаний индукции

В0=в0кбВб=0,33•1,26•0,83=0,35 Тл.

Среднее значение удельных поверхностных потерь

рпов=к0(z1n1•10-4)1.5(0,1В0t1)2=4,5•(72•1000•10-

4)1,5(0,1•0,35•30)2=95,85 Вт/м2.

Поверхностные потери машины

Рпов=2рфб?прповкп•10-6=2•3•343•0,7•265•95,85•0,6•10-6=21,94 Вт.

Суммарные магнитные потери (11.213)

РсУ=Рс1+Рз1+Рпов=4233,58+800,73+21,94=5056,25 Вт.

Потери в обмотке статора (11.209)

Рм1=m1I21r1mт+m1(I'пн/)2rdmт=3•721,692•0,004•1,38+3(96,39/)

20,005•1,38=8689,16 Вт.

Потери на возбуждение синхронной машины при питании от дополнительной обмотки статора

Рп=I2пнrпmт+2Iпн=96,392•0,61+2•96,39=5860,3 Вт.

10.2 Добавочные потери в обмотке статора и стали магнитопровода при нагрузке

Рдоб=0,005Рн =0,005•630•=2040,82 Вт.

Потери на трение в подшипниках и на вентиляцию

Р'мх= Вт.

Потери на трение щеток о контактные кольца

Рт.щ=2,6IпнD1n1•10-6 =2,6•96,39•655•1000•10-6=164,15 Вт.

Механические потери

Рмх=Р'мх+Ртщ=583,47+164,15=747,62 Вт.

Суммарные потери

РУ=РсУ+Рм1+Рдоб+Рп+Рмх==5056,25+8689,16+2040,82+5860,3+

747,62=22394,15 Вт.

КПД при номинальной нагрузке

з=1-РУ/(Р2н+РУ)=1-22394,15/(400000+22394,15)=94,69 %.

11. Характеристики машин

11.1 Повышение напряжения на зажимах генератора

Значение ОКЗ

ОКЗ=Е'0*/хd*=1,1/2,062=0,53 о.е.

Кратность установившегося тока к.з.

Ik/I1н=ОКЗ•Iпн*=0,53*2,99=1,58 о.е.

Наибольшее мгновенное значение тока

iуд=1,89/х''d*=1,89/0,1281=14,75 о.е.

Статическая перегружаемость

S=E'00*kp/xdcosцн=3,29*1,03/2,062•0,8=1,05 о.е.

Угловые характеристики

Определяем ЭДС

Е'0*=3,54 о.е.

Определяем уравнение

Р*=(Е'0*/хd*)sinи+0,5(1/хq*-1/xd*)sin2и=(3,54/2,062)•sinи+

0,5(1/1,122-1/2,062)sin2и=1,72sinи+0,2sin2и.



Рисунок 11.1 Угловая характеристика генератора

Тепловой и вентиляционный расчеты.

Тепловой расчет Потери в основной и дополнительной обмотках статора

Р'м1=m1m'[I'2r1+(Iпн/)rd]=3М1,38[721,692•0,004+(96,39/)2•

0,005)=8700 Вт;

где m'т=1,38 - коэффициент для класса нагревостойкости изоляции В

Условная внутренняя поверхность охлаждения активной части статора

Sn1=рD1?1=3,14•655•М255=5,24*105 мм2.

Условный периметр поперечного сечения

П1=2(hn1+bп1)=2(27,47+16,01)=86,96 мм.

Условная поверхность охлаждения пазов (9.382)

Sи.п1=z1П1?1=72•86,96•М255=мм2.

Условная поверхность охлаждения лобовых частей обмотки

Sл1=4рD1?л1=4М3,14М655•159,5=13,1 мм2.

Условная поверхность охлаждения двигателей с охлаждающими ребрами на станине

Sмаш=рDн1(?1+2?п1)=3,14М850•(255+2М159,5)=15,3 мм2.

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали

рп1= Вт,

где к=0,77 - коэффициент

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к поверхности охлаждения пазов

ри.п1= Вт.

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к поверхности охлаждения лобовых частей обмотки

рл1== Вт.

Окружная скорость ротора

v2= м/с.

Превышение температуры внутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха внутри машины

Дtп1=єС,

где б1=12М10-5 Вт/мм2Мград- коэффициент теплоотдачи поверхности статора.

Перепад температуры в изоляции паза и катушек из круглых проводов

Дtи.п1= єС.

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри

Дtл1=рл1/б1=0,0043/12М10-5=35,83 єС.

Перепад температуры в изоляции лобовых частей катушек из круглых проводов

Дtи.л1= єС.

Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри двигателя

Дt'1=(Дtп1+Дtи.п1)+(Дtл1+Дtи.п1) =(99,92+28,59)

+(35,83+67,19)=111,99 С.

Потери в двигателе, передаваемые воздуху внутри машины

Р'У=к(Р'м1+РсУ)+Р'м1+Р'м2+РмхУ+Рд=0,77(8700

Вт.

Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха

Дtв=єС.

Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного воздуха

Дt1=Дt'1+Дtв=111,19+8,35=120,34єС.

Обмотка возбуждения

Условная поверхность охлаждения многослойных катушек из изолированных проводов

Sп2=2р?ср.пhк=6•956,69•68=3,9• мм2.

Удельный тепловой поток от потерь в обмотке, отнесенных к поверхности охлаждения обмотки

рп=кРп/Sп2=0,9•5900/3,9•=13,6• Вт/мм2.

Коэффициент теплоотдачи катушки

бТ=(2,6+0,19•23,86)•10-5=7,13• Вт/(мм2 ?С).

Превышение температуры наружной поверхности охлаждения обмотки

Дtпл=рп/бТ=13,6•/7,13•=190,74 ?С.

Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри машины ?С.

Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного охлаждающего воздуха

Вентиляционный расчет

Необходимый расход воздуха

Vв= м3/с.

Коэффициент, зависящий от частоты вращения

Приближенный расход воздуха

V'в=к1(Dн2/100)3М10-3=5,6(456/100)2 10-2=1,16 м3/с;

Напор воздуха

Па

Масса и динамический момент инерции

Масса

Масса стали сердечника статора

mс1У=mз1+mс1=54,94+314,18=369,18 кг.

Масса стали полюсов

mсп=7,8•10-6кс?п(bпh'п+ккbнпhнп)2р=7,8•10-6•0,98•265•

(145,5•152+0,8•240•33)•6=57,63 кг.

Масса стали сердечника ротора

mс2=6,12кс10-6?1[(2,05hс2+D2)2-D2]=6,12•0,98•10-

6•255[(2,05•55,56+166,5)-166,5]=77,85 кг.

Суммарная масса активной стали статора и ротора

mсУ=mс1У+mсп+mс2=631+405,4+336,4=1372,8 кг.

Масса меди обмотки статора

mм1=8,9•10-6m1(a1w1?ср1S0+adwd?срдSэфд)=8,9•10-

6•3(1•24•1448•14,24+2•6•1448•12,24)=19,82 кг.

Масса меди демпферной обмотки

mмд=8,9•10-62р(N'2S?'ст+b'нпSс+0,6SсСп)=8,9•10-6•6

(9•14,24•323,56+234•199,1+0,6•199,1•2)=4,72 кг.

Суммарная масса меди

mмУ= mм1+ mмд+ mмп =19,82+147,8+4,72=172,35 кг.

Суммарная масса изоляции

mи=(3,8D1.5н1+0,2Dн1?1)10-4=(3,8•8501,5+0,2•850•255)•10-4=13,75кг.

Масса конструкционных материалов

mк=АDн1+В=0,32•850 + 400=672кг.

Масса машины

mмаш=mсУ+mмУ+mи+mк=504,66+172,35+13,75+672=1362,76 кг.

Динамический момент инерции ротора

Радиус инерции полюсов с катушками

Rп.ср=0,5[(0,5D21+(0,85ч0,96)(0,5D2+hc2)2]•10-6

=0,5[(0,5•655)2+0,96(0,5•166,5+55,56)2]•10-6=0,0629 м.

Динамический момент инерции полюсов с катушками

Jп=(mсп+mмп+mмd)4R2п.ср=(57,63+147,81+4,72) 4•0,06292=3,33 кг•м2.

Динамический момент инерции сердечника ротора

Jс2=0,5mс2•10-6[(0,5D2+hс2)2-(0,5D2)2]=0,5•77,85•10-

6[(0,5•166,5+55,56)2-(0,5•166,5)2]=0,48 кг*м2.

Масса вала

mв=15•10-6?1D22=15•10-6•255•166,52=106,04 кг.

Динамический момент инерции вала

Jв=0,5mв(0,5D2)210-6=0,5•106,04•(0,5•166,5)2•10-6-=0,37 кг*м2.

Суммарный динамический момент инерции ротора

Jи.д=Jn+Jc2+Jв=3,33+0,48+0,37=4,18 кг•м2.

Литература

1. О.Д. Гольдберг, Я.С. Гурин, И.С. Свириденко Проектирование электрических машин: Учеб. для втузов - М.: Высш. шк., 2001.

2. Рожкова Л.Д. - Электрооборудование электрических станций и подстанций

Размещено на Allbest.ru

...