Внутреннее устройство асинхронного двигателя и его характеристики

Перечень условных обозначений

Р2ном — номинальная мощность;

Вб — максимальная индукция в воздушном зазоре;

А — линейная токовая нагрузка статора;

J — плотность потока в обмотке статора;

Хм — главное индуктивное сопротивление;

R1 — активное сопротивление;

Х1 — индуктивное сопротивление рассеивания обмотка статора;

R2 — приведенное к обмотке статора активное сопротивление;

Х2 — индуктивное сопротивление ротора;

R2n — приведенное к обмотке статора активное сопротивление обмотки ротора с учетом вытеснения тока в стержнях беличьей клетки;

Rкn — активное сопротивление короткого замыкания;

Хкn — индуктивное сопротивление короткого замыкания;

— отношение начального пускового тока к номинальному;

Vt — начальная скорость нарастания температуры обмотки статора при заторможенном роторе и пуске двигателя из практически холодного состояния;

Jдр — динамический момент инерции ротора;

tпо — длительность пуска двигателя;

tо — предельно допустимое число пусков в час при отсутствии статического и динамического моментов сопротивлений на валу двигателя;

U1л — нелинейное напряжение;

Da1 — внешний диаметр сердечника статора;

Di1 — внутренний диаметр сердечника статора;

l1 — длина сердечника статора;

у — односторонний воздушный зазор между статором и ротором;

z1, z2 — число пазов статора и ротора соответственно;

y — шаг обмотки в зубцовых делениях;

Sn — число эффективных проводников в пазу;

d — номинальный диаметр проволоки;

d' - средний диаметр провода;

Коб — обмоточный коэффициент;

lw — средняя длина витка;

r1(20) — активное сопротивление обмотки фазы статора при 20 С;

r2(20) — активное сопротивление обмотки фазы статора при 20 С;

GM — масса обмотки.

Введение

Исследуемый асинхронный двигатель относится к серии 4А рассчитанные на применение в различных областях промышленности. Они удовлетворяют требованиям многих электрических приводов, просты в эксплуатации. Имеют Показатели надежности АД: средний срок службы — не менее 15 лет при наработке 40 000ч; средний срок службы до первого капитального ремонта — 8 лет при наработке 20 000 ч; вероятность безотказной работы — не менее 0,9 за 10 000 ч.

Эта серия охватывает диапазон номинальных мощностей от 0,06 до 400кВт и выполнена на 17 высотах оси вращения — от 50 до 355 мм. Двигатели серии 4А в основном исполнении выполняют с короткозамкнутым ротором, имеют степень защиты IP44 или IP23. Предназначены для работы от сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц.

Конструктивными решениями, общими для всех высот оси вращения АД со степенью защиты IP44 и способом охлаждения ICA0141, является станина с продольными радиальными ребрами и наружный обдув установленным на валу реверсивным центробежным вентилятором, защищенным кожухом, который одновременно служит и направлением воздушного потока.

Целью курсового проекта является изучение внутреннего устройства асинхронного двигателя, исследование характеристик двигателя, расчет его основных параметров и сравнение полученных результатов со справочными данными.

1. Выбор двигателя и его конструктивного исполнения

Анализ данных технического задания. Формулировка требований к двигателю Двигатель асинхронный 4А180М2У3 трехфазный с короткозамкнутым ротором. Его номинальная мощность 30 кВт, частота вращения 3000 об/мин, эксплуатируется при напряжении сети 220/380 В Д/, при частоте сети 50 Гц.

Двигатель может использоваться как вентилятор с вариантом монтажа IM1081. Степень защиты IP44 (защищен от соприкосновения инструмента, проволоки или других подобных предметов, толщина которых превышает 1 мм, с токоведущими или движущимися частями внутри машины, от попадания твердых тел размером более 1 мм, а также от водяных брызг любого направления). Рассчитан для районов с умеренным климатом — рабочая температура от — 45° до +45°, относительная влажность воздуха 80%. Способ охлаждения ICA0141 осуществляется установленным на валу центробежным реверсивным вентилятором, обдувая ребристую станину потоком воздуха который направляется защитным кожухом.

1.1 Описание условного обозначения двигателя и его эксплуатационных параметров

Расшифровка двигателя: 4А 180 М 2 У3

Порядковый номер серии

Высота оси вращения Длина сердечника при определенном установочном размере Число полюсов Климатическое исполнение и категория размещения Двигатель имеет статорную обмотку двухслойную петлевую равносекционую. Высота оси вращения определяется от оси вращения ротора до установочной поверхности. Пазы статора и ротора показаны на рис. 1.1. Основные технические данные двигателя 4А180М2У3 приведены в таблицах 1.1. и 1.2., а обмоточные данные в таблице 1.3.

Рис 1.1.

Таблица 1.1 Основные технические данные электродвигателя 4А180М2У3

Таблица 1.2 Пусковые свойства электродвигателя 4А180М2У3

Таблица 1.3 Обмоточные данные электродвигателя 4А180М2У3

2. Расчет обмотки статора двигателя

2.1 Обоснование схемы обмотки статора

Два проводника расположенные в пазах, отстоящие друг от друга на шаг у и соединенные между собой, образуют простейший контур — виток. Каждый виток может состоять из нескольких параллельных (элементарных) проводников. Совокупность последовательно соединенных витков, уложенных в одну и туже пару пазов, образуют катушку (или секцию). Проводники катушки, лежащие в одном и том же пазу, называются стороной катушки. Расстояние между сторонами катушки называется шагом обмотки у и выражается в долях полюсного деления или в зубцовых делениях. Шаг у, равный полюсному делению ф, называется диаметральным или полным (у=ф). Если у < ф, шаг укороченный, если у > ф, шаг удлиненный.

В общем случае обмотки переменного тока подразделяются на однослойные и двухслойные. В современных машинах переменного тока применяются преимущественно двухслойные обмотки. В двухслойных обмотках, как и якорных обмотках машин постоянного тока, стороны катушек имеют в пазах два слоя и каждая катушка одной стороной лежит в верхнем, а другой стороной в нижнем слое. При этом все катушки имеют одинаковые размеры и формы. Широкое применение двухслойных обмоток объясняется следующими их преимуществами:

1) возможностью укорочения шага на любое число зубцовых делений, что выгодно с точки зрения подавления высших гармоник;

2) одинаковые размеры и формы все катушек, что упрощает и облегчает изготовление обмоток;

3) относительно простой формой лобовых частей катушек, что также упрощает изготовление обмотки.

Как и якорные обмотки машин постоянного тока, двухслойные обмотки переменного тока делятся на петлевые и волновые, которые в электромагнитном отношении равноценны. Преимущественно применяются петлевые обмотки. Обмотки могут иметь как целое так и дробное число пазов на полюс. В последнем случае обмотки называются дробными. В двигателе 4А180М2У3 применена двухслойная петлевая равносекционая статорная обмотка.

2.2 Определение фазных зон и составление обмоток статора

В двигателе 4А180М2У3 применена двухслойная петлевая равносекционная статорная обмотка с z1=36 и 2р=2. Тогда

(2.1)

где: q — число пазов на полюс и фазу; z1 — число пазов статора; 2р — число полюсов; m — число фаз, m=3.

И полюсное деление, выраженное в зубцовых делениях:

(2.2)

где: ф — полюсное деление в числах пазов; z1 — число пазов статора; 2р — число полюсов.

Шаг обмотки:

(2.3)

где: y — шаг обмотки; ф — полюсное деление в числах пазов. В соответствии с формулой и табличными данными принимаю y=15. Схема этой обмотки при последовательном соединении всех групп сразу изображены на рис. 2.1., причем для большой наглядности разные группы показаны линиями разного цвета. Порядок составления схемы 2.1. можно пояснить следующим образом. Сначала распределяем верхние стороны катушек (пазов) по фазным зонам по q=6 стороны (пазов) в каждой зоне. Если пазы 1, 2, 3, 4, 5, 6 отнести для зоны фазы А, то зоне В нужно отнести пазы 13, 14, 15, 16, 17, 18, так как зона В должна быть сдвинута относительно фазы, А на 1200, или на 12 пазов. Зона С сдвинута относительно зоны В также на 1200 и занимает пазы 25, 26, 27, 28, 29, 30. Другие фазные зоны также распределены по фазам А, В, С и обозначены соответственно X, Y, Z. При этом для зоны Х принадлежащей фазе А, отводим пазы, которые сдвинуты относительно зон, А на ф=18, т. е. пазы 19, 20, 21, 22, 23, 24. Аналогично зонам Y — пазы 31, 32, 33, 34, 35, 36, а зоне Z — пазы 7, 8, 9, 10, 11, 12. Различие между зонами А, В, С, и Х, Y, Z состоит в том, что ЭДС в соответствующих сторонах катушек сдвинуты по фазе на 1800. В следствии их сдвига, в магнитном поле на одно деление или нечетное число полюсных делений. В результате получим распределение верхних сторон катушек (пазов) по фазным зонам.

Рис. 2.1 Схема двухслойной петлевой равносекционной статорной обмотки с z=36, 2p=2

Распределение пазов по фазам можно также на основании звезды пазовых ЭДС обмотки. Сдвиг ЭДС проводников соседних пазов по фазе вычисляется по формуле:

(2.4)

где: г — сдвиг ЭДС проводников соседних пазов по фазе; m — число фаз, m=3; q — число пазов на полюс и фазу.

Вектора 1, 2, 3, 4, 5, 6 отводятся для зоны А. Векторы зон В (13, 14, 15, 16, 17, 18) и С (25, 26, 27, 28, 29, 30) сдвинуты от векторов зоны, А на 1200 и 2400. Векторы X (19,20, 21, 22, 23, 24), Y (31, 32, 33, 34, 35, 36), Z (7, 8, 9, 10, 11, 12) будут сдвинуты относительно зон А, В, С соответственно на 1800.

Рис. 2.2. Звезда пазовых ЭДС

2.3 Расчет магнитодвижущей силы обмотки статора

На практике кривая магнитодвижущей силы строится следующим образом: Вычерчиваем график распределения катушечных стон по фазным зонам, где сечение разных фаз изображены разными буквами. Затем для определенного момента времени определяются значения и направления токов в катушечных сторонах. Затем для определенного момента времени определяются значения и направления токов в катушечных сторонах (положительное направление — заглавные буквы, а отрицательное направление — маленькие буквы). На рис 2.3. принят момент времени, когда токи катушек в зонах А, В, С равны соответственно ia=+Im, ib=ic= -Ѕ Im, а в зонах X, Y, Z они равны этим величинам с обратным знаком. При вычерчивании кривой МДС, откладываются в соответствующих направлениях ступеньки, равные полюсным токам соответствующих пазов. Если ток Im принять равным единице, то величина то величина первых трех ступенек кривой рис 2.3. будет равна соответственно 2; 1,5; 1. Полученную кривую МДС разделяют осью абсцисс таким образом, чтобы сумма площадей положительных полуволн равнялась сумме площадей отрицательных полуволн.

На рис. 2.4. указаны построения для случая, когда фаза токов изменилась на 300 и

При изменении фазы тока на некоторый угол кривая н.с. в целом и ее основная гармоника смещается на такой же угол.

Рис. 2.3. Кривая н.с.

Рис. 2.4. Кривая н.с. для случая, когда фаза токов сдвинуты на 300

3. Анализ характеристик двигателя

двигатель обмотка статор схема

3.1 Построение схемы замещения двигателя и определение ее параметров

Системы замещения играют важную роль в теории асинхронных машин. На их основе получены основные соотношения для установившихся режимов, которые лежат в основе проектирования асинхронных машин. Для построения круговой диаграммы используется Г — образная схема замещения. Она используется для того, чтобы упростить расчеты по сравнению с Т — образной схемой замещения. Хотя в Г — образной схеме делается больше допущений, по ней все равно довольно хорошо можно построить нужные характеристики, по которым рассматриваю работу асинхронного двигателя. Параметры для схемы замещения приведены в таблице 1.1.

— реактивное сопротивление холостого хода.

— реактивное сопротивление короткого замыкания. Значение X1 вычисляется по формуле:

(3.1)

где: — индуктивное сопротивление рассеивания статора; - главное индуктивное сопротивление;

Значение R1 рассчитывается по формуле:

(3.2)

где: — активное сопротивление.

Получаем параметры схемы замещения в относительных единицах:

Номинальный фазный ток статора определяется по формуле:

(3.2)

где: — номинальная мощность; з — КПД; cos ц — коэффициент мощности.

Осуществляем перевод параметров схемы замещения из относительных единиц в абсолютные:

(3.3)

(3.4)

где: Х — сопротивление в относительных единицах; х — сопротивление в абсолютных единицах, Ом.

x0=15,1 Ом

r1=0,12 Ом

r2?=0,07 Ом хк=0,72 Ом

r1?=0,12 Ом

3.2 Построение круговой диаграммы

Вначале построения круговой диаграммы определим масштаб тока:

(3.5)

где: Dk=150 мм — диаметр круговой диаграммы. Затем определим вектор тока холостого хода:

(3.6)

Построение круговой диаграммы на комплексной плоскости начнем с построения векторов U1ф и I0. Под углом 89 032? откладываем отрезок ОО?, который равен:

(3.7)

При этом отрезок ОО? в масштабе тока соответствует модулю I0. Из точки О проводят линию параллельно мнимой оси и на ней откладываем отрезок OD равный диаметру круговой диаграммы. На этой диаграмме строят окружность с центром в точке ОD. Далее проводим линию xr переменного параметра r параллельно оси +1. Масштаб сопротивлений находим как:

(3.8)

На линии переменного параметра откладываем отрезки xb, bc:

(3.9)

(3.10)

После этого проводим линию моментов ОВ и линию мощности ОС. На круговой диаграмме отмечаем точки В и С. Таким образом на окружности определяем характерные точки: О (S=0) — идеальный холостой ход, С (S=1) — короткое замыкание. На круговой диаграмме машины занимаем дугу окружности ОС от точки S=0 до точки S=1. Точка S=1 соответствует трансформаторному режиму работы асинхронного двигателя. Тормозной режим, занимает дугу СВ. Генераторный режим работы занимает дугу окружности ОВ от точки S=0 до -?. В результате круговая диаграмма имеет вид рис. 3.2.

Рис. 3.2. Круговая диаграмма

3.3 Расчет механической характеристики двигателя по круговой диаграмме

Предварительно рассчитаем номинальный вращающий момент:

(3.11)

где: Р2ном — номинальная мощность, кВт; nc — синхронная частота вращения поля статора, nc=3000 об/мин; Sном — номинальное скольжение.

Затем на круговой диаграмме строят шкалу скольжения. Для построения шкалы скольжения через точки В и С проводят прямую линию. Проводим радиус ОDB. Перпендикулярно радиусу ОDB проводим линию 01. Отрезок 01 представляет собой равномерную шкалу скольжений, которую разбиваем на 10 частей. Затем находим номинальную точку. Для этого определим масштаб мощности:

(3.12)

и масштаб моментов:

(3.13)

По известному номинальному моменту определяем отрезок mn, соответствующий этому моменту:

(3.14)

Перпендикулярно диаметру круговой диаграммы внутри ее проводим линию. Отрезок mn откладываем от линии моментов ОВ. Через mn проводим линию nN параллельно линии моментов. Точка N на круговой диаграмме соответствует номинальному режиму. Соединяем прямой точки N и B. На шкале скольжения получаем Sном=3,48%. Параллельно линии моментов проводим касательную kl к дуге ONC. Получаем точку М. Проводим прямую линию через точку В и точку М. При пересечении прямой МВ и шкалой скольжений получаем критическое скольжение Sкр=11,7%. Отрезок МК — перпендикуляр из точки К к диаметру круговой диаграммы соответствует в масштабе Мкр=264,6 Н•м. Величину пускового момента МП, определяем проведя перпендикуляр из точки С к диаметру круговой диаграммы. МП=62,4Н•м. Из круговой диаграммы, для построения механической характеристики составляем таблицу 3.1.

Таблица 3.1

Рис. 3.3. Круговая диаграмма

3.4 Расчет рабочей характеристики двигателя по круговой диаграмме

Под рабочими характеристиками понимают зависимость: I1(P2), S (P2), з (P2), cosц (P2), M (P2). Для того чтобы построить эти зависимости необходимо дополнить диаграмму шкалами КПД и cosц. Для построения шкалы КПД продолжаем линию мощности влево до пересечения с мнимой осью (точка а) и правее на отрезке Сс отложим точку h, потом проводим линию hd параллельно диаметру круговой диаграммы. Отрезок hd представляет собой равномерную шкалу КПД. Для построения шкалы коэффициента мощности cosц проводим окружность радиусом 100 мм из точки О?. Отрезок О? ц представляет собой равномерную шкалу cosц. Для построения рабочих характеристик по круговой диаграмме выбираем несколько точек и для каждой определяем скольжение S, величину тока I1, значение момента M, cosц, мощность на валу P2 и мощность потребляемую от сети Р1. Зададимся рядом значений мощности Р2=0,25Рном, 0,5Рном, 0,75Рном, Рном, 1,25Рном. Данные рабочих характеристик приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Рис. 3.4. Рабочие характеристики двигателя

3.5 Расчет механической характеристики по формуле Клосса

Построение механической характеристики.

Механическая характеристика определяется следующими точками: номинальному пусковым моментом МП при скольжении S=1; минимальным вращающим моментом Мmin при скольжении 0,7 — 0,9; максимальным моментом Мкр при S=Sкр; номинальным моментом Мном при S=Sном. В таблице 1.2 приведены каталожные значения отношений начального пускового, минимального и максимального момента к номинальному моменту mК, mM, mП, а также, рассчитанные значения скольжения соответствующих номинальному и максимальному моментам Sном, SK. Приближенные значения для построения механических характеристик можно получить по упрощенной формуле Клосса:

(3.15)

Значение МК определим из соотношения:

(3.16)

Величину SK вычислим по зависимости:

(3.17)

Теперь задаваясь рядом значений S в диапазоне 0 — 1, по формуле Клосса определяем точки механической характеристики двигателя, которые заносим в таблицу 3.3.

Таблица 3.3

Точки для механической характеристики взятые из справочных данных двигателя:

(3.17)

(3.18)

Таблица 3.4 Полученные данные сведем в таблицу 3.4:

Рис. 3.5 Механические характеристики

Заключение

Круговая диаграмма построенная на основании упрощенной схемы замещении, получила широкое распространение благодаря простоте и надежности. Однако значение токов, моментов и других параметров, полученных из круговой диаграммы, могут иметь большую погрешность. Объясняется это тем, что параметры схемы замещения не остаются неизменными, как это предполагалось при построении круговой диаграммы, а изменяется в зависимости от режима работы двигателя. Механические характеристики построенные на основании круговой диаграммы и примененной формуле Клосса, можно отличить от реальной. В реальных машинах при скольжениях близких к единице, уменьшается сопротивление (индуктивное) ротора из-за явления вытеснения тока в проводниках ротора — это ведет к увеличению момента. По конструкции двигатели с КЗ ротором проще и надежней двигателей с фазным ротором. Основным недостатком этих двигателей является сравнительно небольшой моментозначительный пусковой ток. Поэтому их применяют в электроприводах, где не требуются большие пусковые моменты.

Литература

1. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник. А. Э. Кревчик и др. — М.: Энергоиздат, 1982 г. — 504 с.

2. Проектирование электрических машин. И. П. Копылов и др. — М.: Энергия, 1980 г. — 496 с.

3. Электрические машины. А. И. Вольдек. — Л.: Энергия, 1978 г. — 832 с.

4. Справочник по электротехнике. А. А. Иванов. — Киев.: Высшая школа, 1984 г. — 303 с.

5. Обмотки электрических машин. В. И. Зимин и др. — Л.: Энергия, 1970 г. — 472с.

6. Асинхронные двигатели общего назначения. Е. П. Бойко и др. — М.: Энергия, 1980 г. — 488 с.