Проектирование асинхронного двигателя с фазным ротором общепромышленного назначения

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

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным применением, так как связано исключительно с целью взаимного преобразования электрической и механической энергий. Так, потребление электроэнергии часто связано с преобразованием переменного тока в постоянный или же с преобразованием тока промышленной частоты в ток более высокой частоты. Для этих целей применяют электромашинные преобразователи.

Асинхронные машины получили наибольшее применение в современных электрических установках и являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических машин переменного тока. Как и любая электрическая машина, асинхронная машина обратима и может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Области применения асинхронных двигателей весьма широкие — от привода устройств автоматики и бытовых электроприборов до привода крупного горного оборудования (экскаваторов, дробилок, мельниц и т. п.). В соответствии с этим мощность асинхронных двигателей, выпускаемых электромашиностроительной промышленностью, составляет диапазон от долей ватт до тысяч киловатт при напряжении питающей сети от десятков вольт до 10 кВ. Наибольшее применение имеют трехфазные асинхронные двигатели, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты (50 Гц). Асинхронные двигатели специального применения изготовляются на повышенные частоты переменного тока (200, 400 Гц и более).

Условие:

Номинальная мощность: Р_2н = 18,5 кВт Исполнение: Защ. ІР44

Линейное напряжение питающей сети: U_1л = 380 В Соединение обмотки статора: Y

Синхронная частота вращения: n₁ = 1500об/мин Обмотка ротора: фазная

1. Определение главных размеров и выбор электромагнитных нагрузок

Расчет асинхронных машин начинают с определения главных размеров внутреннего диаметра статора D₁ и расчетной длины воздушного зазора l_д. Внутренний диаметр статора непосредственно связан определенными размерными соотношениями, зависящими от числа полюсов, с наружным диаметром статора D_1Н, в свою очередь определяющим высоту оси вращения h.

В связи с этим выбор главных размеров проводят в следующей последовательности:

1.1 Число пар полюсов:

2р=4.

Высота оси вращения h=160 мм.

1.2 Наружный диаметр сердечника статора и значение коэффициента определяется по значению высоты оси вращения и числа пар полюсов соответственно: D_1Н = 0,278 м.

выбираем из этого интервала значение .

1.3 Внутренний диаметр сердечника D₁ рассчитывается по следующей формуле:

.

1.4 Полюсное деление:

.

1.5 Расчетная мощность асинхронного двигателя Р_Е, (кВА) определяют по заданной номинальной мощности Предварительные значения з и cosц₁ могут быть взяты по рисунку 1.1, К_Е по рисунку 1.2, а В_д и А₁ по рисунку 1.3:

з =0,87= 87%;

cosц₁ = 0,86;

К_Е = 0,98;

В_д = 0,78 Тл;

А₁ = А/м.

1.7 Значения коэффициента полюсного перекрытия б_д и коэффициента формы поля k_В предварительно принимают равными

_; ;

1.8 Предварительное значение обмоточного коэффициента для однослойных всыпных обмоток. Выбираем среднее значение

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

1.10 Расчетная длина воздушного зазора с учетом значения б_д (м):

.

1.11 Критерием правильности выбора главных размеров D₁ и l_д служит отношение

которое находится в пределах (0,8 — 1,2)м для принятого исполнения двигателя. На этом выбор главных размеров заканчивается.

1.12 Для расчета магнитной цепи, помимо l_д, необходимо определить полную конструктивную длину и длину стали сердечника статора (l₁ и l_ст1). В асинхронных двигателях, длина сердечников статоров которых не превышает 0,25 — 0,3 м, радиальных вентиляционных каналов не делают. Для такой конструкции

.

2. Определение числа пазов статора Z₁ и расчет обмотки статора

2.1 Тип обмотки статора — двухслойная всыпная, форма пазов статора — трапециадальная.

2.2 Число пазов статора

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

q₁ = 3

2.3 Зубцовое деление статора м.

2.4 Номинальный фазный ток обмотки статора (А)

где при соединении обмотки «Y».

2.5 Число эффективных проводников на паз

где число параллельных ветвей а₁ = 1.

2.6 Число витков в фазе обмотки статора

.

2.7 Однослойная обмотка обычно выполняется с диаметральным шагом:

2.8 Коэффициент укорочения обмотки

Коэффициент распределения обмотки По таблице для q=3 .

Обмоточный коэффициент

.

2.9 Магнитный поток (Вб)

.

2.10 Уточненное значение магнитной индукции в воздушном зазоре (Тл)

.

2.11 Уточное значение линейной нагрузки (А/мм) м.

2.12 Плотность тока в обмотке статора предварительно выбираем как J₁ = 6 А/мм.

2.13 Сечение эффективного проводника фазы (предварительно), (мм²)

2.14 Так как >, то число элементарных частей, составляющие проводник, т. е. сечение элементарного проводника мм²

По таблице приложения выбирается ближайший по сечению стандартный проводник, этим окончательно определяется сечение элементарного проводника и его диаметр .

2.15 Плотность тока в обмотке статора (уточненное значение)

.

3. Расчет размеров трапециадального полузакрытого паза обмотки статора

3.1 Ширина зубца b_z1 по рекомендуемому значению индукции в зубцах B_z1

.

где = 0,97 для h =132−250 мм;= 1,6 Тл.

3.2 Высота ярма статора (м)

.

где = 1,4 Тл.

3.3 Высота зубца (м)

.

3.4 Высота паза = =0,025 м.

3.5 Ширина шлица

.

3.6 Высота клина .

3.7 Наименьшая ширина паза в штампе (м)

.

3.8 Наибольшая ширина паза в штампе (м)

Высота шлица выбирается из промежутка Угол в=45⁰ при высоте оси вращения h =160 мм.

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

где Дh_П = 0,0002 м; Дb_П = 0,0002 м.

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

3.11 Площадь поперечного сечения паза:

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции ();

где =0,5 мм — ее толщина;

.

3.12 Коэффициент заполнения паза

.

3.13 Полученное значение коэффициента заполнения находится в рекомендуемых пределах .

3.14 После окончательного определения размеров паза необходимо пересчитать индукцию в зубце

.

Предварительная ширина зубца статора в наиболее узком месте, м

.

3.16 Зубцовое деление в наиболее узком месте м:

.

3.17 Предварительная ширина паза в штампе

.

3.20 Окончательное значение ширины зубца статора в наиболее узком и широком местах зубца, м:

3.21 Индукции в наиболее узком и широком местах зубца, Тл:

3.22 Индукция в ярме статора, Тл:

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

4.1 Наружный диаметр сердечника ротора (м)

где воздушный зазор (м)

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

.

4.3 Конструктивная длина сердечника и длина стали сердечника (м)

4.5 Число пазов на полюс и фазу

.

4.6 Число пазов ротора

.

Число фаз обмотки статора

4.7 В двигателях с h? 200 мм применяется двухслойная петлевая обмотка, которая укладывается в полузакрытые трапецеидальные пазы.

Расчет числа витков и эффективных проводников в пазу:

4.8 Число витков обмотки (предварительное) Эффективное число проводников в пазу, где число параллельных ветвей а₂ =1.

.

Уточненное число витков обмотки:

.

Значение Э.Д.С. Е_2,

4.9 Ток обмотки ротора

4.10 Сечение эффективного проводника (предварительно) мм²

.

4.11 Так как >, то число элементарных частей, составляющие проводник, т. е. сечение элементарного проводника мм²

4.12 Плотность тока в обмотке ротора (уточненное значение)

.

5. Расчет размеров пазов ротора

Расчет размеров трапецеидального паза обмотки ротора с прямоугольными секциями:

5.1 Предварительная ширина зубца ротора в наиболее узком месте (м) где = 1,7 Тл.

5.2 Предварительная высота паза (м) ротора для h > 200 мм м

5.3 Минимальная ширина паза

5.4 Ширина шлица и его высота

5.5 Высота клиновой части м.

5.6 Максимальная ширина паза

5.7 Площадь поперечного сечения паза и коэффициент заполнения паза

где Дh_П = 0,0002 м;

Дb_П = 0,0002 м.

Площадь поперечного сечения паза :

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции ();

где =0,5 мм — ее толщина;

.

Коэффициент заполнения паза

.

5.9 Предварительное значение ширины зубца статора в наиболее узком месте зубца, м:

5.10 Предварительная ширина паза в штампе, м:

5.12 Индукция в зубцах ротора, Тл:

5.13 Плотность тока:

асинхронный двигатель ротор статор

6. Расчет магнитной цепи

6.1 МДС на магнитную цепь на пару полюсов определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи

.

6.2 Магнитное напряжение воздушного зазора на пару полюсов (А)

где коэффициент воздушного зазора

.

6.3 Магнитное напряжение зубцового слоя статора (А)

.

А/м — напряженность магнитного поля в зубцах статора т.к. Bz=2,1Тл (при высоте оси вращения h? 250 мм применяется сталь 2013)

6.4 Магнитное напряжение зубцового слоя ротора (А)

.

А/м, — напряженность магнитного поля в зубцах ротора определяется по приложению, А для индукции Bz=1.7 Тл.

6.5 Магнитное напряжение ярма статора:

.

=542 А/м определяется по приложению Б для индукции Bа1=1,5Тл.

6.6 Магнитное напряжение ярма ротора (А)

.

А/м определяется по приложению Б для индукции Bа2=1,5Тл

6.7 Суммарное магнитное напряжение магнитной цепи

.

6.8 Коэффициент насыщения магнитной цепи двигателя

().

6.9 Намагничивающий ток (А)

а в процентах от номинального тока статора

.

7. Активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора

А. Сопротивление обмотки статора

7.1 Среднее значение зубцового деления статора (м)

.

7.2 Средняя ширина катушки (секции) статора (м)

где = = 9 — среднее значение шага обмотки статора.

7.3 Средняя длина лобовой части статора (м) для обмотки с мягкими катушками

.

7.4 Средняя длина витка обмотки статора (м) м.

7.5 Длина вылета лобовой части обмотки статора для обмотки с мягкими катушками (м)

7.6 Активное сопротивление обмотки статора, приведенное к рабочей температуре 115⁰ С (для класса изоляции F), в Ом

где

7.7 Активное сопротивление обмотки статора в относительных единицах (о.е.)

о.е.

7.8 Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора состоит из трех частей: пазового рассеяния, дифференциального рассеяния и рассеяния лобовых частей.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора при трапециадальном пазе

и ,

;

.

7.9 Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния статора

где определяется из графика,

7.10 Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора

7.11 Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора

7.12 Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора (Ом)

7.13 Индуктивное сопротивление в относительных единицах о.е.

В. Сопротивление обмотки ротора

7.14 Среднее значение зубцового деления ротора (м)

7.15 Средняя ширина катушки обмотки ротора (м) м,

где

7.16 Средняя длина лобовой части катушки (м)

где мм.

.

7.17 Средняя длина витка обмотки ротора (м)

.

7.18 Вылет лобовой части обмотки ротора (м)

.

7.19 Активное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом)

.

7.20 Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора

.

7.21 Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к статору (Ом)

.

то же в относительных единицах о.е.

7.22 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора при прямоугольном пазе

где и .

7.23 Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния ротора

где определяется из графика,.

7.24 Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки ротора

.

7.25 Коэффициент проводимости рассеяния обмоток

.

7.26 Индуктивное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом)

.

7.27 Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом)

.

7.28 Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора (о.е.)

о.е.

8. Потери в стали, механические и добавочные потери

Потери в стали (магнитные потери) и механические не зависят от нагрузки, поэтому они называются постоянными потерями и могут быть определены до расчета рабочих характеристик.

8.1 Расчетная масса стали зубцов статора при трапециадальных пазах (кг)

.

8.2 Магнитные потери в зубцах статора для стали 2013 (Вт)

для трапециадальных пазов — .

8.3 Масса стали ярма статора

8.4 Магнитные потери в ярме статора для стали 2013 (Вт)

.

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

8.6 Механические потери (Вт) при степени защиты IP44

8.7 Дополнительные потери (Вт) при номинальной нагрузке

9. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости

.

9.1 Сопротивление взаимной индукции обмоток статора и ротора (Ом)

.

9.2 Коэффициент приведения параметров Т — образной схемы замещения к Г — образной

.

9.3 Активная составляющая тока холостого хода при S=0

.

9.4 Реактивная составляющая тока холостого хода при S=0

.

9.5 Дальнейшие формулы для расчета рабочих характеристик сведены в табл. 9.1. Расчет производится для ряда скольжений:

где .

при этом номинальное скольжение .

Таблица 1

Рабочие характеристики

9.6 По результатам расчетов, выполненных согласно таблице 9.1, производится построение рабочих характеристик асинхронного двигателя.

Рисунок 9.1 — График зависимости

Рисунок 9.2 — График зависимости

Рисунок 9.3 — График зависимости

9.7 После построения рабочих характеристик на оси абсцисс откладывается номинальная мощность (точка А), через точку, А проводится параллельно оси ординат линия АВ, точками пересечения линии АВ с кривыми рабочих характеристик и определяются номинальные значения потребляемой мощности, тока, вращающего момента М_2Н, коэффициента мощности cosц₁, коэффициента полезного действия, скорости вращения ротора n_H и скольжения S_H.

9.8 Скольжение, соответствующее максимальному моменту

.

9.9 Перегрузочная способность асинхронного двигателя Ом.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы было изучено проектирование асинхронного двигателя с фазным ротором общепромышленного назначения.

Были определены главные размеры и выбраны электромагнитные нагрузки, рассчитано число пар полюсов, высота оси вращения, мощность асинхронного двигателя. Определены были число пазов статора и магнитный поток, номинальный ток обмотки статора, рассчитаны размеры пазов статора, активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора, потери в стали, добавочные потери и построены рабочие характеристики асинхронного двигателя.

В ходе проектировании асинхронного двигателя с фазным ротором были применены теоретические знания по электрическим машинам.

1. Кацман М. М. Электрические машины. — М.: Высшая школа, 1990.

2. Копылов И. П. Проектирование электрических машин. — М. Энергия, 2002.

3. Копылов И. П. Электрические машины. — М.: Высшая школа, Логос, 2000.

3. Новокшенов В. С., Шидерова Р. М. Специальные главы электрических машин. Асинхронные двигатели с фазным ротором (Расчет геометрических размеров и обмоток). Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности — Электроэнергетика — Алматы, 2005.

4. Новокшенов В. С., Шидерова Р. М. Электрические машины. Асинхронные двигатели с фазным ротором (Определение параметров и рабочих характеристик). Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения специальности — Электроэнергетика — Алматы, 2006.