Проектирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором мощностью 22 кВт

Размещено на http://www.allbest.ru

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Проектирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором мощностью 22 кВт

Содержание

1. Общая часть

1.1 Перспективы совершенствования технологии проектирования электрических машин

2. Исходные данные

3. Расчетная часть

3.1.1 Выбор главных размеров

3.1.2 Обмотка статора

3.1.3 Зубцово-пазовая геометрия статора

3.1.4 Ротор

3.1.5 Вспомогательные данные для расчета магнитной цепи, активного и индуктивного сопротивления

3.1.6 Активные сопротивления

3.1.7 Индуктивные сопротивления

3.1.8 Падения напряжения в обмотке статора в номинальном режиме

3.1.9 Расчет магнитной цепи

3.1.10 Определение вспомогательных величин для расчета рабочих и пусковых характеристик

3.1.11 Расчет рабочих характеристик

3.1.12 Расчет пусковых характеристик

3.1.13 Проверка теплового режима

Список литературы

Приложение

статор двигатель сопротивление рабочий

1. Общая часть

1.1 Перспективы совершенствования технологии проектирования электрических машин

Проектирование электрической машины - сложная многовариантная задача. При ее решении приходится учитывать большое количество факторов. Разработчики проекта пытаются получить, по возможности наиболее быстрым путем, более близкого к заданию расчетного варианта. Они, подход к расчету и проектированию электрических машин на всех этапах развития включали в себя все новейшие достижения в теории и практике электромашиностроения.

Электрическая машина должна иметь капитальные минимальные вложения в производство и минимальную трудоемкость. Для этого она должна иметь технологическую конструкцию, максимально использовать существующее технологическое оборудование и оснастку.

Важнейшим требованием является минимальная материалоемкость. При создании новой электрической машины важнейшим требованием является экономия стали, алюминия, меди, изоляции и конструкционных материалов. С экономией материалов связано создание машин, имеющих минимальные отходы материалов при изготовлении.

Электрическая машина должна иметь высокие показатели коэффициента полезного действия и cos ц. Электрические машины с минимальными потерями позволяют уменьшить вложение материалов. Высокие энергетические показатели машины гарантируют снижение уровня текущих затрат на эксплуатацию и капитальные вложения потребителя.

Показатели экономической эффективности электрической машины могут быть установлены на основании анализа приведенных затрат, которые включают затраты на изготовление и эксплуатацию машины.

Поиски новых конструктивных решений, применение вычислительных машин, новых методов оптимизации, обобщение опыта проектирующих организаций позволяют создавать электрические машины с лучшими энергетическими характеристиками и меньшей массой.

За счет применения новых электроизоляционных и магнитных материалов, совершенствования методов расчета, конструкций и систем охлаждения машин удалось снизить удельную массу асинхронных двигателей от начала их широкого производства.

При проектировании новых машин и, в частности, при выполнении учебных проектов необходимо ориентироваться на современное конструктивное исполнение электрических машин, предусматривать применение новых электротехнических материалов.

Применение новых материалов и усовершенствование конструкций двигателей позволяет сэкономить в серии 4А по сравнению с двигателями А2: 24% стали электротехнической, 25% обмоточной меди, 20% чугунного литья, 10% алюминия, 30% стального проката. Масса двигателей снижается на 22%. От внедрения серии 4А общий экономически эффект составляет несколько десятков миллионов рублей в год.

При проектировании индивидуальной машины необходимо по возможности использовать имеющиеся на заводе штампы, модели, шаблоны и так выбирать размеры, чтобы максимально использовать существующие узлы и детали.

2. Исходные данные

Мощность двигателя Р = 22 кВт

Напряжение сети U = 380 В

Число полюсов 2р = 8

Частота напряжения сети f = 50 Гц

3. Расчетная часть

3.1.1 Выбор главных размеров

3.1.1.1 Наружный диаметр и высота оси вращения.

При выполнении проекта предполагается, что проектирование осуществляется при сохранении высоты оси вращения, (при заданном наружном диаметре) с поиском длины при минимуме материалоемкости.

Высота оси вращения мм.

Наружный диаметр мм.

3.1.1.2 Синхронная частота вращения

об/мин.

3.1.1.3 Внутренний диаметр статора

где - коэффициент отношения внутреннего диаметра статора к внешнему в АД в зависимости от числа полюсов.

Принимаем

мм.

Полученное значение округляется до ближайшего целого числа миллиметров м.

3.1.1.4 Полюсное деление:

 м.

3.1.1.5 Расчетная мощность АД при предварительно установленных значениях и :

3.1.1.6 Расчетная длина в долях полюсного деления:

3.1.1.7 Электромагнитные нагрузки (предварительно)

А/м

Тл

3.1.1.8 Обмоточный коэффициент для двухслойной обмотки (предварительно)

3.1.1.9 Синхронная угловая скорость вала двигателя

рад/с

3.1.1.10 Расчетная длина воздушного зазора

м.

3.1.1.11 Ориентировочная величина воздушного зазора:

После округления м. Значения постоянных и приняты

3.1.1.12 Выбираются (предварительно) пределы величины зубцового деления статора. Для этого можно воспользоваться аппроксимированными зависимостями :

м,

м.

3.1.1.13 Пределы значений чисел пазов статора:

3.1.1.12 Пределы чисел пазов на полюс и фазу:

После округления принимается

3.1.1.13 Число пазов статора:

Зубцовое деление статора:

м.

3.1.1.14 Число пазов ротора выбирается на основании опыта проектирования:

3.1.1.15 Наружный диаметр ротора:

м.

Устанавливается длина статора и ротора :

м.

3.1.1.16 Зубцовое деление ротора составляет:

м.

3.1.2 Обмотка статора

Принимается петлевая равносекционная, двухслойная обмотка.

3.1.2.1 Полюсное деление в зубцовых (пазовых) делениях:

3.1.2.2 Предварительное значение тока статора:

3.1.2.4 Число эффективных проводников в пазу (предварительно при условии ):

3.1.2.5 Принимаем окончательно:

Число эффективных проводников в пазу округляем до целого числа:

3.1.2.6 Число последовательных витков фазы:

3.1.2.7 Линейная нагрузка:

А/м

3.1.2.8 Обмоточные коэффициенты для основной гармоники :

укорочения:

угол фазной зоны (в радианах):

Коэффициент распределения трехфазной обмотки с q=3:

Обмоточный коэффициент:

ЭДС гармоники и кратных ей совпадают по фазе, а поэтому при соединении обмотки в звезду в линейных ЭДС будут отсутствовать. Стремясь к ослаблению наиболее сильных гармоник, которыми обычно являются гармоники наименьшего порядка, т.е. и принимается укорочение шага обмотки, при этом коэффициент укорочения шага составляет:

.

Шаг по пазам:

3.1.2.9 Магнитный поток:

Вб

3.1.2.10 Магнитная индукция в воздушном зазоре:

Тл

3.1.2.11 Устанавливается характеристика тепловой нагрузки статора (значение следует брать в миллиметрах):

при ,

В рассматриваемом случае

3.1.2.12 Плотность тока в обмотке статора (предварительно):

А/м2

3.1.2.13 Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно):

м2 = 9,09 мм2

3.1.2.14 Принимаем число элементарных проводников nэл = 8.

Сечение элементарного проводника (предварительно):

мм2.

3.1.2.15 Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ

диаметр неизолированного провода:

мм

диаметр изолированного провода:

мм

площадь поперечного сечения неизолированного провода:

мм2

3.1.2.16 Сечение эффективного проводника (окончательно):

мм2.

3.1.2.17 Плотность тока в обмотке статора (окончательно):

А/мм2.

3.1.3 Зубцово-пазовая геометрия статора

Паз статора трапецеидальный полузакрытый. Обмотка всыпная двухслойная.

3.1.3.1 Припуски на шихтовку и укладку.

Устанавливаются следующие припуски на шихтовку и укладку (для высоты оси вращения мм):

м - припуск на шихтовку по ширине паза;

м - припуск на шихтовку по высоте паза;

м - припуск на укладку по ширине паза;

м - припуск на укладку по высоте паза.

3.1.3.2 Коэффициент заполнения пакета магнитопровода сталью составляет ориентировочно: при оксидировании листов 0,97, а при лакировке 0,95. В рассматриваемом случае устанавливается значение .

3.1.3.3 Размеры шлица: ширина шлица ; высота шлица .

При всыпной обмотке проводник укладывается в паз через шлиц. Поэтому ширина шлица зависит от диаметра изолированного элементарного проводника, двух толщин пазовой изоляции и припусков на укладку. В итоге для ширины шлица справедливо:

м,

где - диаметр предварительно выбранного элементарного изолированного проводника; - толщина пазовой изоляции (применяется пленкосинтокартон ПСКФ или изоном , односторонняя толщина которого составляет м).

Ширина шлица округляется до десятых долей миллиметра. Для дальнейшего расчета устанавливается м.

Высота шлица определяется в основном технологией изготовления Ориентируясь на опыт проектирования и данные зубцово-пазовой геометрии машин серии 4А и АИ, соответствующих аналогичной высоте оси вращения, можно принять высоту шлица по данным прототипа, т. е. м.

3.1.3.4 Минимальная ширина зубца с параллельными сторонами . В общем случае минимальная ширина зубца:

,

где - коэффициент рассеяния зубцового слоя (предварительно ), - максимальное значение индукции в зубце.

Из опыта проектирования установлено, что среднее значение отношения индукции в зубце к индукции в зазоре лежит в пределах . Если , то

Тл,

м.

3.1.3.5 Требуемая полная площадь поперечного сечения паза:

где значение коэффициента заполнения паза медью:

3.1.3.6 Площадь шлица:

3.1.3.7 Требуемая площадь паза под обмотку:

3.1.3.8 Ширина паза у расточки:

где - угол наклона клиновой части паза:

для машин с мм,

для машин с мм,

3.1.3.9 Высота клиновой части паза:

3.1.3.10 Площадь клиновой части паза:

3.1.3.11 Ширина паза по основанию при

3.1.3.12 Высота центрального участка:

3.1.3.13 Высота паза:

Высота зубца:

3.1.3.14 Высота кольца статора:

3.1.3.15 Высота ярма:

Проводим проверку на величину индукции в ярме.

3.1.3.16 Индукция в ярме:

Тл.

3.1.3.17 Высота клиновой части может быть заполнена проводниками, если установить вместо жесткого клина пазовую крышку из пленкосинтокартона ПСКФ или изонома (ТУ 503.034-74). Ее толщина, как и толщина прокладки, равна 0,5 мм. Принимается

Односторонняя толщина пазовой изоляции по высоте паза:

м.

Толщина пазовой изоляции по высоте паза:

м.

3.1.3.21 Размеры паза с учетом припуска на шихтовку и укладку, а также изоляции паза и прокладок:

м;

м;

м.

м.

м.

м.

3.1.3.22 Площадь паза под обмотку:

3.1.3.23 Коэффициент плотности укладки характеризует технологическую возможность изготовления обмотки. Для всыпных обмоток он лежит в пределах

Коэффициент заполнения паза медью



3.1.4 Ротор

Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется заливкой пазов алюминием или его сплавами. Одновременно с заливкой стержней отливают замыкающие кольца обмотки с вентиляционными лопатками. Для двигателей серии 4А и АИ с высотой оси вращения до 250 мм обычно пазы ротора выполняют овальными (грушевидными), полузакрытыми, с параллельными сторонами в зубцах.

3.1.4.1 Высота шлица и ширина шлица () ротора. Для обмотки ротора в виде «беличьей клетки» высота шлица и ширина шлица определяются технологией изготовления. Минимальная ширина шлица ротора не должна быть меньше двух толщин листа, иначе шлиц технологически невыполним. Высота шлица ротора должна выдерживать механические усилия при выполнении обмотки ротора литьем. Слишком малая высота шлица может привести к деформации пакета. В общем случае ширина и высота шлица выбираются по данным прототипа, либо основываясь на опыте проектирования любой другой серии машин.

В рассматриваемом примере размеры шлица устанавливаются по данным прототипа:

Ширина м.

высота м.

3.1.4.2 Величина индукции в зубцах ротора выбирается из опыта проектирования, например по статистическим данным серии 4А. Индукция в зубцах ротора устанавливается

Тл.

Минимальная ширина зубца :

м.

3.1.4.3 Коэффициент приведения по току:

.

Для кз ротора:

; ; ; без скоса пазов .

При числе фаз обмотки статора ,

Ток ротора , а , где коэффициент в основном зависит от cos. Аппроксимация этой зависимости может быть выражена как .

При

Для тока ротора справедливо:

А.

Приведенное значение тока ротора:

А.

Ток в стержне ротора А.

Определяется коэффициент :

3.1.4.4 Ток в кз кольце:

А.

3.1.4.5 Из опыта проектирования значение плотности тока в алюминиевых стержнях ротора составляет А/м2.

Поперечное сечение стержня ротора (предварительно):

м2.

3.1.4.6 Ширина паза ротора у расточки :

м.

3.1.4.7 Ширина паза ротора у основания :

м.

3.1.4.8 Расстояние между центрами:

м.

Высота паза:

м.

Высота зубца:

м.

3.1.4.9 Диаметр вала.

Диаметр вала можно выбрать таким же образом как у вала прототипа, либо рассчитать по эмпирической формуле с округлением до ближайшего нормализованного диаметра. Величина коэффициента принимается

Значение расчетной мощности в приводимой формуле берется в киловаттах , а частота вращения - в оборотах в минуту.

м.

Ближайший нормализованный диаметр:

м.

3.1.4.10 Высота ярма:

м.

После расчета высоты ярма следует проверить ее магнитную загрузку. Для этого оценивается глубина проникновения потока в вал.

3.1.4.11 По данным прототипа принимается , коэффициент рассеяния ротора . Удельное эл. сопротивление стали 2212:

при 1150 С - .

3.1.4.12 Предварительное значение индукции в спинке ротора:

Тл,

коэффициент необходимый для учета глубины проникновения потока в вал :

Глубина проникновения потока в вал:

м.

3.1.4.13 Расчетная высота ярма:

м.

3.1.4.14 Действительная индукция в ярме:

Тл.

3.1.4.15 Площадь поперечного сечения стержня после установления размеров зубцово-пазовой геометрии ротора:

3.1.4.16 Размеры паза ротора с учетом припуска на шихтовку:

м;

м;

м;

м;

м.

Полное сечение стержня ротора с учетом припуска на шихтовку:

3.1.4.17 Плотность тока в стержне:

А/м2.

3.1.4.18 Поперечное сечение кольца:

м2.

Высота кз кольца :

м,

Ширина кз кольца :

м.

Средний диаметр кольца:

м.

3.1.5 Данные для расчета магнитной цепи

3.1.5.1 Коэффициент воздушного зазора (коэффициент Картера).

Статора:

;

.

Ротора:

;

.

Результирующий:

.

3.1.5.2 Длина средней магнитной линии в ярме статора:

м.

Длина средней магнитной линии в ярме ротора:

м.

3.1.5.3 Сечение ярма статора:

м2.

Сечение ярма ротора:

м2.

3.1.5.4 Для учета ответвления магнитного потока в паз при индукции в зубце Т используются специальные кривые напряженности в функции коэффициента .

Расчетное зубцовое деление статора:

м.

Расчетная ширина зубца статора:

м,

.

Расчетное зубцовое деление ротора:

м.

Расчетная ширина зубца ротора:

м,

3.1.5.5 Для расчета магнитных и механических потерь требуется определить массу зубцов и массу ярма.

Статор.

Общая площадь кольца статора:

м2.

Диаметр по высоте ярма:

м.

Площадь кольца по высоте ярма:

м2.

Площадь кольца зубцово-пазовой зоны статора:

м2.

Площадь зубцов статора:

м2.

Объем зубцов статора:

м.

Объем ярма статора:

м3.

Масса зубцов статора:

кг,

где кг/м3 - уд. массовая плотность стали (усредненное значение).

Масса ярма статора:

кг.

Ротор.

Общая площадь кольца ротора:

м2.

Диаметр по высоте ярма:

м.

Площадь кольца зубцово-пазовой зоны ротора:

м2.

Площадь кольца по высоте ярма составляет:

м2.

Полная площадь поперечного сечения паза ротора (учитывая площадь шлица):

м2.

Площадь зубцов ротора:

м2.

Объем зубцов ротора:

м3.

Объем ярма ротора:

м3.

Масса зубцов ротора:

кг.

Масса ярма ротора:

кг.

Масса вала под пакетом ротора:

кг.

3.1.5.6 Размер обмоток.

Средняя ширина катушки статора:

м.

Коэффициент лобовой части обмотки якоря зависит в основном от количества полюсов машины - р.

,

Длина лобовой части обмотки статора:

м.

Вылет лобовой части обмотки статора:

м.

Здесь м.

Средняя длина витка обмотки статора:

м.

3.1.5.7 Коэффициенты приведения параметров «беличьей клетки» к обмотке статора.

;

при кз роторе: ; ; ; и числе фаз :

.

3.1.5.8 Массы обмоток.

Усредненные значения отдельных массовых плотностей:
кг/м3 - меди; кг/м3 - алюминия.

Обмотка статора.

Объем обмотки (меди) статора:

м3.

Масса обмотки статора:

кг.

Обмотка ротора:

Объем стержней ротора:

м3.

Объем двух короткозамыкающих колец:

м3.

Общий объем обмотки ротора:

м3.

Масса обмотки ротора:

кг.

3.1.5.9 Суммарная масса всех расчетных частей машины:

без учета массы вала под пакетом,

кг.

3.1.5.10 Усредненное значение массы изоляционных материалов:

кг, где усредненное значение удельной массовой плотности изоляционных материалов принимается равным кг/м3.

3.1.6 Активные сопротивления

Для класса нагревостойкости изоляции F температура 115 град.

3.1.6.1 Величина удельной проводимости:

для меди:

Ом-1/м-1 при 1150 С;

для алюминия:

Ом-1/м-1 при 1150 С;

3.1.6.2 На статоре медная обмотка. Класс нагревостойкости изоляции - F (установлен при разработке эскизного проекта). Активное сопротивление фазы обмотки статора:

Ом.

3.1.6.3 Активное сопротивление алюминиевого стержня ротора:

Ом.

Активное сопротивление кз кольца:

Ом.

Активное сопротивление фазы обмотки ротора:

Ом.

3.1.6.4 Сопротивление ротора, приведенное к числу витков и фаз обмотки статора:

Ом.

3.1.7 Индуктивные сопротивления

3.1.7.1 Коэффициенты и зависят от шага обмотки :

,

3.1.7.2 Удельная магнитная проводимость паза статора:

м.

м.

м.

3.1.7.3 Коэффициент дифференциального рассеяния.

.

Значение коэффициента дифференциального рассеяния может быть установлено по таблицам. В рассматриваемом случае .

Реакцию токов наведенных высшими гармониками учитывает коэффициент демпфирования, приближенное значение которого составляет

.

Коэффициент учитывающий открытие паза

;

.

Удельная проводимость дифференциального рассеяния:

.

3.1.7.4 Удельная проводимость рассеяния лобовых частей:

3.1.7.5 Полная удельная магнитная проводимость статора:

.

3.1.7.6 Индуктивное сопротивление пазового рассеяния статора:

Ом.

3.1.7.7 Индуктивность рассеяния фазы обмотки статора:

Гн.

При частоте сети Гц угловая частота:

с-1,

индуктивное сопротивление рассеяния фазы отнесенное к частоте сети
Ом.

3.1.7.8 Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора:

Ом.

3.1.7.9 Удельная магнитная проводимость полузакрытого овального паза ротора (в номинальном режиме )

м.

3.1.7.10 Коэффициент для расчета дифференциального рассеяния «беличьей клетки» ротора:

Коэффициент демпфирования для «беличьей клетки» .

Коэффициент учета открытия пазов для «беличьей клетки» .

«Беличью клетку» можно рассматривать как многофазную обмотку, имеющую число фаз, равное числу пазов (стержней) , причем здесь в каждую фазу входит один стержень и, следовательно, .

Число пазов на полюс и фазу ротора приведенное к обмотке статора

.

Число пазов на полюс и фазу ротора

.

Удельная проводимость дифференциального рассеяния обмотки ротора:

3.1.7.11 Удельная проводимость лобового рассеяния обмотки ротора:

3.1.7.12 Удельная магнитная проводимость для потоков рассеяния ротора:

.

3.1.7.13 Индуктивность рассеяния обмотки ротора:

Гн.

Индуктивное сопротивление рассеяния ротора, приведенное к частоте статора без учета насыщения и вытеснения:

Ом.

Или:

Ом.

3.1.7.14 Индуктивное сопротивление пазового рассеяния ротора:

Ом.

3.1.7.15 Индуктивные сопротивления рассеяния ротора, приведенные к обмотке статора:

Ом.

Ом.

3.1.8 Падение напряжения в обмотке статора в номинальном режиме

При известных значениях параметров обмотки статора можно достаточно точно определить величину , если предположить, что известен. Величина берется из данных для прототипа.

Используем систему относительных единиц

.

На основании векторной диаграммы определяется величина коэффициента

.

3.1.9 Расчет магнитной цепи (производится на пару полюсов)

3.1.9.1 Задаются коэффициентом насыщения зубцовой зоны .

Принимаются коэффициенты:

рассеяния статора ,

рассеяния ротора .

3.1.9.2 Вычисляются:

коэффициент формы поля

,

коэффициент полюсного перекрытия

.

3.1.9.3 Магнитный поток в номинальном режиме работы:

Вб.

3.1.9.4 Индукция в воздушном зазоре:

Тл.

3.1.9.5 МДС воздушного зазора:

А.

3.1.9.6 Индукция в зубцах статора:

Тл.

По основной кривой намагничивания стали 2212 находится напряженность А/м.

3.1.9.7 МДС зубцов статора:

А.

3.1.9.8 Индукция в зубцах ротора:

Тл.

По основной кривой намагничивания стали 2212 находится напряженность А/м.

3.1.9.9 МДС зубцов ротора:

А.

3.1.9.10 Коэффициент насыщения зубцового слоя:

Погрешность расчета составляет:

Погрешность меньше 10%, поэтому расчет продолжается.

3.1.9.11 Индукция в ярме статора (среднее значение):

Тл.

По основной кривой намагничивания стали 2212 находится напряженность А/м.

3.1.9.12 Коэффициент неравномерности распределения индукции вдоль ярма принимаем .

3.1.9.13 МДС ярма статора:

А.

3.1.9.14 Индукция в ярме ротора (без учета проникновения потока в вал):

Тл.

Расчет индукции в ярме с учетом проникновения потока в вал. Задаемся величиной индукции сначала 0,335 Тл.

3.1.9.15 За номинальное скольжение принимается, например, скольжение аналога .

.

Глубина проникновения потока в вал :

м.

Расчетная высота ярма :

м.

3.1.9.16 Расчетная индукция в ярме:

Тл.

Погрешность должна составлять .

В рассматриваемом случае:

3.1.9.17 Коэффициент неравномерности распределения индукции вдоль ярма. Поскольку ротор выполнен из той же стали что и статор, можно воспользоваться значением ж, полученным для статора.

3.1.9.18 Расчетное значение индукции в ярме Тл, по основной кривой намагничивания стали 2013 находится напряженность А/м. МДС ярма ротора с учетом проникновения потока в вал:

А.

3.2.9.19 Суммарная МДС на пару полюсов:

А.

3.1.9.20 Коэффициент насыщения:

3.1.9.21 Намагничивающий ток:

А.

3.1.9.22 Индуктивное сопротивление намагничивающей цепи:

Ом

оно соответствует Т-образной схеме замещения с последовательным соединением активного и индуктивного сопротивлений.

Оценить точность расчета магнитной цепи позволяют взаимные индуктивности .

Гн.

По статору:

Гн.

Ом.

По ротору:

Гн.

Индуктивное сопротивление взаимной индукции приведенное к обмотке статора по частоте

Ом.

Приведенное к обмотке статора по числу витков

Ом.

По разнице между величинами и можно судить о точности расчета магнитной цепи: если она составляет более 20%, следует убедиться в достоверности расчета.

Погрешность между рассматриваемыми величинами составляет:

3.1.9.23 Коэффициенты рассеяния зубцовых слоев:

Погрешности между предварительно заданными значениями , и , не должны превышать 5%. В рассматриваемом случае

3.1.9.24 Коэффициент удельных потерь в стали 2212:

.

Коэффициенты , (приближенно учитывают пульсационные, поверхностные потери и потери на вихревые токи):

Величина ожидаемого скольжения в номинальном режиме:

.

Его величина уточняется после получения рабочих характеристик. Частота тока в роторе:

Гц.

Устанавливаются значения коэффициентов:

Общая формула для расчетов потерь в стали имеет вид:

Для стали 2212

Потери в стали статора:

Потери в стали ротора при принятом :

Общие потери в стали:

Вт.

3.1.9.25 Активное сопротивление намагничивающей цепи:

Ом.

3.1.9.26 Для Т-образной схемы замещения при последовательном соединении активного и индуктивного сопротивлений, зная активное сопротивление намагничивающего контура, уточним индуктивное сопротивление намагничивающей цепи:

Ом.

Погрешность между установленными значениями и составляет:

3.1.10 Определение вспомогательных величин для расчета рабочих и пусковых характеристик

3.1.10.1 Параметры намагничивающей цепи при пуске приближенно могут быть оценены следующим образом:

Ом.

Ом.

3.1.10.2 Коэффициент для расчета условной (фиктивной) индукции в воздушном зазоре:

.

3.1.10.3 Активное сопротивление , соответствующее магнитным потерям в сердечнике статора, для учета изменения потерь в стали при расчете рабочих характеристик:

Ом.

3.1.10.4 Основные механические потери в АД - это потери на трение в подшипниках и на вентиляцию. Для двигателей со степенью защиты IP44 и способом охлаждения ICO141 их можно оценить по следующей эмпирической формуле:

Вт.

3.1.10.5 Добавочные потери в соответствии с ГОСТ183-74 принимают равными 0,5% от потребляемой мощности. При другой нагрузке они пересчитываются пропорционально квадрату тока:

Вт.

3.1.10.6 Предварительное значение критического скольжения:

,

где .

Величина скольжения является предварительной и уточняется после расчета пусковых характеристик.

3.1.11 Расчет рабочих характеристик

При расчете используется Т-образная схема замещения АМ, с последовательным соединением активного и индуктивного сопротивлений намагничивающей цепи.

Расчет производится при изменении величины скольжения от до . Данные расчета сводятся в таблицу 3.1.11.1.

3.1.11.1 Расчет параметров Т-образной схемы замещения (порядок расчета приводится для ).

Параметры Т-образной схемы замещения, Ом:

Расчетные выражения:

А) эквивалентное сопротивление двух параллельных ветвей схемы замещения:

б) полное сопротивление схемы замещения:

Предварительное значение номинального скольжения

1)

2)

Ом.

Ом.

3)

Ом.

Ом.

4)

Ом.

Ом.

Ом.

5)

Ом.

Ом.

Ом.

Ом.

3.1.11.2 Коэффициент мощности:

3.1.11.3 Частота вращения ротора:

угловая скорость:

3.1.11.4 Ток статора:

А.

А.

А.

3.1.11.5 ЭДС при нагрузке:

В.

3.1.11.6 В долях фазового напряжения:

полученная величина сравнивается с предварительно установленной:

3.1.11.7 Значение приведенного тока ротора:

А.

3.1.11.8 Потери в обмотке статора:

Вт.

3.1.11.9 Потери в обмотке ротора:

Вт

3.1.11.10 Потери в стали:

Вт.

3.1.11.11 Добавочные потери:

Вт

3.1.11.12 Механические потери:

Вт

3.1.11.13 Суммарные потери:

Вт

3.1.11.14 Подводимая мощность:

Вт

3.1.11.15 Полезная мощность:

Вт

3.1.11.16 Момент на валу:

3.1.11.17 Коэффициент полезного действия:

3.1.11.18 По данным таблицы 3.1.11.1 строятся рабочие характеристики (рис. 3.1.11.2). Из них определяются параметры номинального режима (для Р2=22 кВт):

скольжение

ток статора А;

приведенное значение тока ротора А;

коэффициент мощности

коэффициент полезного действия

момент

Линейная токовая нагрузка:

Плотность тока в обмотке статора:

Ток ротора:

А.

Линейная токовая нагрузка ротора:

А/м

Плотность тока в стержне :

Рабочие характеристики Таблица 4.1.11.1

N пп	Обозначение	Единицы измерения	РЕЖИМЫ РАБОТЫ	Для уточненного sн
1	s	-	0,0098	0,0197	0,0295	0,0394	0,0492	0,0590	0,0472
2		град	59,368	43,197	35,205	31,223	29,374	28,686	29,639
3	cos	-	0,509	0,729	0,817	0,855	0,871	0,877	0,869
4	sin	-	0,860	0,685	0,577	0,518	0,491	0,480	0,495
5	n		743	735	728	720	713	706	715
6			77,8	77,0	76,2	75,4	74,7	73,9	74,9
7	Ia	А	8,92	16,95	24,61	32,01	38,96	45,48	37,57
8	Ir	А	15,08	15,93	17,38	19,39	21,96	24,89	21,40
9	I1	А	17,52	23,26	30,13	37,42	44,72	51,85	43,24
10	E1	В	210,96	209,18	206,96	204,46	202,13	199,52	202,62
11	k	-	0,959	0,951	0,941	0,929	0,919	0,907	0,921
12	I2	А	8,4	16,7	24,7	32,6	40,1	47,3	38,6
13	PM1	Вт	190,62	335,98	563,75	869,56	1241,92	1669,51	1161,08
14	PM2	Вт	52,07	205,82	450,25	784,32	1186,71	1651,12	1099,59
15	Pc	Вт	352,45	346,53	339,21	331,07	323,56	315,26	325,14
16	PД	Вт	19,08	33,64	56,44	87,06	124,34	167,15	116,24
17	Рмх	Вт	81,90	80,14	78,63	76,91	75,42	73,95	75,84
18	Р	Вт	696,12	1002,11	1488,28	2148,92	2951,95	3876,99	2777,89
19	Р1	Вт	5885,7	11191,3	16246,7	21116,1	25707,7	30011,8	24799,9
20	Р2	Вт	5189,6	10189,2	14758,4	18967,2	22755,8	26134,8	22022,0
21	М2		66,70	132,33	193,68	251,55	304,63	353,65	294,02
22		-	0,8817	0,9105	0,9084	0,8982	0,8852	0,8708	0,888

3.1.12 Расчет пусковых характеристик

При пуске частота тока в роторе значительно превосходит частоту в рабочем режиме. Это приводит к появлению эффекта вытеснения тока в стержнях ротора, что сопровождается увеличением активного сопротивления ротора и уменьшением индуктивности рассеяния. Последнее обусловлено насыщением зубцов из-за увеличения потоков рассеяния. Следовательно, при пуске меняются параметры схемы замещения. Расчет пускового тока выполняется в диапазоне изменения от 1 до sкр. Данные расчета сводятся в таблицу 3.1.12.1. Порядок расчета приводим для скольжения s = 1.

3.1.12.1 Приведенная высота стержня (безразмерная величина):

,

где высота стержня м, а величина Аам приводится для частоты тока Гц в зависимости от расчетной температуры:

Для медных стержней:	Для алюминиевых стержней:
При 750 С	Аам=95,	=При 750 С	Аам=74,
При 1150 С	Аам=90.	При 1150 С	Аам=70.

В рассматриваемом случае стержни алюминиевые, а расчетная температура С, поэтому

Значения функций , и :

при

При имеем:

.

3.1.12.2 Глубина проникновения тока:

м.

3.1.12.3 Площадь сечения стержня , соответствующая высоте при приведенной ширине:

м2,

а) при , .

б) при , .

в) при , .

В рассматриваемом примере выполняется условие б), а поэтому площадь сечения стержня м2.

3.1.12.4 Коэффициент увеличения активного сопротивления ротора:

3.1.12.5 Коэффициент увеличения общего активного сопротивления фазы ротора под влиянием вытеснения тока и приведенное активное сопротивление фазы ротора с учетом вытеснения:

Ом.

3.1.12.6 Удельная пазовая магнитная проводимость ротора с учетом вытеснения тока:

м,

3.1.12.7 Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора:

,
Ом.

3.1.12.8 Ток ротора при пуске с учетом вытеснения:

3.1.12.9 Ток статора при пуске отличается от тока ротора на величину коэффициента . Коэффициент лежит в пределах .

Принимается .

А.

3.1.12.10 Средняя МДС, отнесенная к одному пазу статора:

А.

3.1.12.11 Условная индукция в воздушном зазоре:

Тл.

Отношение потока рассеяния с учетом насыщения к потоку рассеяния без учета насыщения (Ву аппроксимировано по ):

.

В данном случае:

3.1.12.12 Изменение открытия паза статора из-за насыщения:

м.

Уменьшение проводимости рассеяния паза статора из-за насыщения:

3.1.12.13 Проводимость рассеяния паза статора с учетом насыщения:

.

3.1.12.14 Проводимость рассеяния по вершинам зубцов:

3.1.12.15 Суммарная магнитная проводимость для потока рассеяния статора при насыщении:

.

Индуктивное сопротивление рассеяния фазы статора с учетом насыщения:

Ом.

3.1.12.16 Изменение открытия паза ротора:

м.

Уменьшение проводимости паза ротора из-за насыщения:

.

3.1.12.17 Проводимость рассеяния паза ротора при насыщении:

.

3.1.12.18 Проводимость рассеяния по вершинам зубцов:

.

3.1.12.19 Суммарная проводимость потоков рассеяния ротора при насыщении:

.

Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора с учетом насыщения:

Ом.

3.1.12.20 Коэффициент с1 в общем случае не является постоянной величиной, поскольку активное и индуктивное сопротивления намагничивающего контура связанные с изменением параметров машины (намагничивающего тока, потока, потерь в стали и др.) от пускового до номинального режимов меняются. Оценить эти изменения можно ориентировочно следующим образом:

.

.

Коэффициент:

3.1.12.21 Приведенное значение тока ротора:

3.1.12.22 Ток статора:

Сравнивается ток статора с предварительно принятым значением:

Погрешность не превышает 15% поэтому не надо задаваться другим значением коэффициента и повторять расчет.

3.1.12.23 Кратность тока:

.

3.1.12.24 Кратность момента:

Для построения механической характеристики АД достаточно рассчитать 6-8 точек для различных величин скольжения (от 1 до s).

По графическим зависимостям (рис. 3.1.12.1) и определяются параметры критического режима:

Пусковые характеристики Таблица 3.1.12.1

N п п	Обозначения	Единицы измерения	РЕЖИМЫ РАБОТЫ
								0,222
1		-	1,467	1,136	0,928	0,803	0,733	0,691
2		-	1,381	1,139	1,064	1,036	1,025	1,020
3		-	0,901	0,960	0,982	0,990	0,993	0,994
4		-	1,301	1,139	1,064	1,036	1,025	1,020
5		мм	14,35	17,40	18,63	19,13	19,34	19,43
6		мм	6,183	5,852	5,719	5,665	5,642	5,632
7	gr	мм2	87,93	87,93	87,93	87,93	87,93	87,93
8	kr	-	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
9	kR	-	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
10	r2	Ом	0,246	0,246	0,246	0,246	0,246	0,246
11	п2	-	1,536	1,593	1,615	1,622	1,625	1,626
12	kx	-	0,973	0,989	0,995	0,997	0,998	0,998
13	x2	Ом	0,617	0,627	0,631	0,632	0,633	0,633
14	I2s	А	183,66	171,65	156,99	142,97	132,52	125,23
15		-	1,445	1,445	1,445	1,445	1,445	1,445
16		А	265,39	248,03	226,85	206,59	191,49	180,96
17		А	3503,8	3274,6	2994,9	2727,5	2528,1	2389,1
18		Тл	4,380	4,093	3,744	3,409	3,160	2,986
19		-	0,5459	0,5718	0,6058	0,6417	0,6706	0,6923
20		мм	3,14	2,96	2,72	2,48	2,28	2,13
21		-	0,1432	0,1377	0,1300	0,1219	0,1148	0,1092
22		-	1,2598	1,2653	1,2730	1,2811	1,2882	1,2938
23		-	0,3483	0,3648	0,3865	0,4094	0,4278	0,4417
24		-	2,2231	2,2451	2,2745	2,3055	2,3310	2,3505
25		Ом	0,3919	0,3958	0,4009	0,4064	0,4109	0,4143
26		мм	5,4433	5,1328	4,7253	4,2949	3,9485	3,6884
27		-	0,5226	0,5159	0,5060	0,4941	0,4831	0,4739
28		-	1,0134	1,0771	1,1090	1,1279	1,1419	1,1521
29		-	0,9100	0,9532	1,0099	1,0697	1,1179	1,1541
30		-	2,1854	2,2923	2,3809	2,4596	2,5218	2,5682
31		Ом	0,3891	0,4081	0,4239	0,4379	0,4490	0,4572
32		Ом	10,7670	12,2137	12,9370	13,2987	13,4795	13,5808
33		-	0,4380	0,4968	0,5262	0,5409	0,5482	0,5523
34		-	1,0371	1,0330	1,0320	1,0310	1,0310	1,0310
35		А	239,148	213,115	185,189	162,030	146,483	136,295
36		А	247,826	220,371	191,537	167,758	151,836	141,429
37		%	7,1	11,5	12,4	13,1	13,4	13,8
38		-	5,73	5,10	4,43	3,88	3,51	3,27
39		-	1,81	2,40	2,72	2,77	2,72	2,65

3.1.13 Проверка теплового режима

Работа любого преобразователя энергии сопровождается потерями энергии. Тепло выделяемое при этом нагревает отдельные части электрической машины.

При заданном режиме работы температура частей электрической машины будет зависеть от температуры окружающей среды.

В связи с неизбежными колебаниями температуры охлаждающей среды вводят понятие перегрева или превышения температуры частей электрической машины над температурой охлаждающей среды:

,

где - температура рассматриваемой части электрической машины;
ох - температура охлаждающей среды.

При проектировании электрической машины определение повышения температуры позволяет проконтролировать допустимость выбранных электромагнитных нагрузок без снижения надежности работы электромеханического преобразователя.

В электрических машинах общепромышленного применения, обычно предназначенных для длительной работы, производят расчет установившегося теплового режима.

Ниже приводятся упрощенные выражения, используемые при тепловом расчете для машин общепромышленного назначения. Они базируются на следующих допущениях. Принимается, что все потери, выделяемые в пределах активной длины статора (или ротора), отводятся с охлаждаемой цилиндрической поверхности, а потери в лобовых частях обмотки - с охлаждаемой поверхности этих частей.

3.1.13.1 Превышение температуры изоляции обмотки статора над температурой охлаждающей среды .

3.1.13.1.1 Условный периметр поперечного сечения паза статора (для определения площади поверхности, подлежащей охлаждению).

Для формы паза приведенной на рис. 3.1.3.1:

угол наклона клиновой части паза

периметр паза

3.1.13.1.2 Условная поверхность охлаждения пазов статора:

м2.

3.1.13.1.3 Удельный тепловой поток пазов статора:

Вт/м2.

3.1.13.1.4 Усредненное значение односторонней толщины изоляции по ширине паза:

м.

3.1.13.1.5 превышение температуры изоляции обмотки статора над температурой охлаждающей среды:

С,

где коэффициент теплопроводности изоляции принят равным

.

3.1.13.2 Превышение температуры внешней поверхности статора над температурой охлаждающего воздуха .

3.1.13.2.1 Внешний диаметр лопаток вентилятора, расположенного на валу машины за задним подшипниковым щитом, принимается приближенно равным наружному диаметру статора. Окружная скорость лопаток вентилятора:

м/с.

3.1.13.2.2 Коэффициент теплоотдачи охлаждаемой поверхности статора
,

где коэффициент в зависимости от системы вентиляции равен:

для аксиальной вентиляции .

Для перевода в расчетную систему единиц используется формула:

.

3.1.13.2.3 В АМ за условную охлаждаемую поверхность статора принимается наружная поверхность по внешнему диаметру статора .

м2.

3.1.13.2.4 Удельный тепловой поток с внешней поверхности статора:

где величина потерь в стали Рс и добавочных потерь РД установлена ранее в п. 3.1.11, коэффициент

Уд. сопротивление меди при 750 С

3.1.13.2.5 Превышение температуры внешней поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой охлаждающего воздуха:

3.1.13.3 Превышение температуры внешней поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой охлаждающего воздуха .

3.1.13.3.1 Удельный тепловой поток, охлаждаемой поверхности лобовых частей:

Вт/м2.

3.1.13.3.2. Коэффициент теплоотдачи:

,
где .

3.1.13.3.3 Превышение температуры внешней поверхности лобовых частей над температурой охлаждающего воздуха:

3.1.13.4 Превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины:

3.1.13.5 Среднее превышение температуры воздуха внутри машины над температурой наружного охлаждающего воздуха

3.1.13.5.1 Для определения условной поверхности охлаждения машины следует брать нормализованный наружный диаметр машины с высотой оси вращения (h), большей на ступеньку по сравнению с расчетной высотой оси вращения, в данном случае м. Для машин со степенями защиты IP20 и IP44 усредненное значение числа ребер по наружному диаметру обычно берется в пределах , а среднее значение высоты ребра обычно выбирается равным м.

Устанавливается: число ребер
высота ребра м.

3.1.13.5.2 Условная поверхность охлаждения машины со степенью защиты IP44 и способом охлаждения ICO141:

3.1.13.5.3 Среднее превышение температуры воздуха внутри машины над температурой наружного охлаждающего воздуха:

3.1.13.6 Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой наружного охлаждающего воздуха:

3.1.13.7 Температура охлаждающей газообразной среды.

Для машин общего назначения ГОСТ183-74 устанавливает максимальную температуру газообразной охлаждающей среды , а давление регламентируется установкой машины на высоте не более 1000 метров над уровнем моря.

3.1.13.8 В таком случае температура обмотки статора:

.

3.1.13.9 Проверка расхода воздуха (для машин с самовентиляцией).

При проверке расхода воздуха используются эмпирические формулы полученные в результате опыта проектирования.

Коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине корпуса:

3.1.13.9.1 Необходимый расход воздуха для нормального обдува машины

м3/с,

где теплоемкость воздуха С=1100 .

3.1.13.9.2 Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором:

м3/с,

где аэродинамический коэффициент полезного действия вентилятора (для центробежных и осевых вентиляторов).

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором больше требуемого расхода воздуха, поэтому можно считать, что вентилятор обеспечивает необходимый обдув машины.

Список литературы

Алиев И.И Справочник по электротехнике и электрооборудованию. - М. - Высшая школа, 2000 - 255с., ил.

. Гемке Р.Г Неисправности электрических машин - М.: Энергоиздат, 1981 - 255с.

Кацман М.М Электрические машины. Учебник для профессиональных средних учебных заведений. - 3 - е изд. испр. - М.: Высшая школа., Издательский центр “Академия”; 2001 - 463с. Ил.

Под редакцией Копылова И.П. Проектирование электрических машин

М: Энергия 1980

Курбатов А.С. Проектирование тяговых электродвигателей

М: Транспорт, 1987 - 536 с.

Лифшиц - Гарик М. Обмотки машин постоянного тока. Госэнергоиздат, 1988 - 766с.

Смоленский А.В. Электрические машины

Учебник для ВУЗов. - М.: Энергия, 1980 - 928с ил.

. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. М.: 1976 - 416c.

Приложение

Магнитная цепь асинхронного двигателя 22 кВт

Размещено на Allbest.ru