Вертикальный синхронный двигатель типа ВДС2 325-18 мощностью 4000

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университетУПИ»

Кафедра электрических машин КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Вертикальный синхронный двигатель типа ВДС2 325 — 18 мощностью 4000

Техническое задание Спроектировать вертикальный синхронный двигатель со следующими параметрами:

Номинальные данные:

— номинальная мощностьРн = 4000 кВт

— номинальное линейное напряжениеUн = 10 кВ

— номинальный коэффициент мощности (опережающий)= 0.9

— номинальная частота напряжения сетиfн = 50 Гц

— номинальная частота вращения ротора= 333 об/мин

— внешний диаметр сердечника статораDa = 3.25 м

— класс нагревостойкости изоляцииF

— схема обмотки статораY

Технические требования:

— кратность пускового моментаМп / Мном 0.5

— кратность максимального моментаМмакс / Мном 1.9

— кратность входного моментаМвх / Мном 1.4

— кратность пускового токаIп / Iном 4.8

Изоляция обмотки статора — термореактивная. Возбудитель — статический, тиристорный.

Реферат В пояснительной записке представлен расчет вертикального синхронного двигателя типа ВДС2−325−18 мощностью Рном = 4000 кВт.

В данной работе описывается методика синтеза электромагнитного ядра явнополюсного синхронного двигателя, который должен удовлетворять всем предъявленным техническим требованиям.

В первой главе дано назначение вертикальных синхронных двигателей и краткое описание их конструкции. Во второй главе приводится ручной расчет электромагнитного ядра вертикального синхронного двигателя по номинальным данным и техническим требованиям. В результате этой работы получаем вариант, служащий исходным для оптимизации в программе «OPTCD». В третьей главе произведена оптимизация электромагнитного ядра на ЭВМ, которая заключается в поиске лучшего из возможных вариантов двигателя при условии соблюдения технического задания.

синтез электромагнитный ядро двигатель

Техническое задание Реферат Введение Глава 1. Общая характеристика вертикального синхронного двигателя типа ВДС2

1.1 Конструкция корпуса, сердечника и обмотки статора

1.2 Конструкция ротора вертикального синхронного двигателя

1.3 Конструкция крестовин

1.4 Конструкция вала

1.5 Подпятник

1.6 Изоляция направляющих подшипников и подпятника

1.7 Система возбуждения глава 2. Расчет электромагнитного ядра

2.1 Расчет номинальных величин

2.2 Расчет сердечника статора

2.3 Расчет обмотки статора

2.4 Коррекция главных размеров статора по уровню индукции в воздушном зазоре, зубцах и спинке статора

2.5 Расчет величины воздушного зазора

2.6 Расчет полюса и демпферной обмотки

2.7 Расчет магнитной цепи

2.8 Расчет перегрузочной способности

2.9 Расчет обмотки возбуждения глава 3. Оптимизация электромагнитного ядра на ЭВМ

3.1 Поиск приемлемого варианта

3.2 Оптимизация по минимуму приведенной стоимости

3.3 Оптимизация по минимуму резервов и выбор оптимального варианта Заключение

Введение

В настоящее время широкое распространение получили крупные вертикальные электродвигатели переменного тока мощностью от нескольких десятков ватт до десятков мегаватт, а частотой вращения от нескольких до десятков тысяч оборотов в минуту.

Синхронные двигатели большой мощности экономически выгоднее, чем двигатели другого типа. Также целесообразно применять их в качестве привода устройств, в местах стабильной нагрузки, где не требуются частые пуски и двигатель должен работать с постоянной частотой вращения, например: компенсаторы, насосы, воздухоустановки, нагнетатели.

Весьма удобно, когда электрическая машина удалена от центра питания, так как при питании такого синхронного двигателя можно регулировать реактивную мощность в узле и тем самым поддерживать постоянное напряжение.

Насосные агрегаты с асинхронными двигателями устанавливаются на электростанциях. При питании двигателя, находящегося на электростанции, нет потерь мощности на передачу реактивной энергии по ЛЭП, не требуется от электродвигателя выдача реактивной энергии в сеть. В этих условиях асинхронные короткозамкнутые двигатели имеют значительные преимущества перед синхронными в части удобства и простоты обслуживания, а также стоимости. Стоимость асинхронного короткозамкнутого двигателя в среднем на 20% меньше стоимости синхронного двигателя с электромашинным возбудителем.

В настоящее время в эксплуатации находится большое количество крупных вертикальных электродвигателей переменного тока. В ирригационных и оросительных системах, на насосных станциях городского и промышленного водоснабжения устанавливаются насосные агрегаты с вертикальными электродвигателями, преимущественно синхронными, мощностью от 500 до 25 000 кВт.

На гидроаккумулирующих станциях, где агрегаты работают то как насосы, создавая запасы воды в водохранилищах, то как турбины, расходуя запасенную воду в часы пиков электронагрузки, мощность синхронных двигателей-генераторов доходит до 100 МВт и более.

Для систем технического водоснабжения тепловых электростанций применяются вертикальные насосные агрегаты с асинхронными двигателями мощностью от 300 до нескольких тысяч киловатт. Мощность асинхронных двигателей для главных циркуляционных насосов атомных электростанций достигает 10 000 кВт.

Таким образом, синхронный двигатель в сравнении с другим двигателем имеет следующие преимущества:

возможность генерирования и регулирования реактивной мощности;

меньшая зависимость перегрузочной способности от напряжения;

возможность кратковременно увеличивать перегрузочную способность за счет форсировки возбуждения;

стабильная частота вращения, что обеспечивает технологичность процесса.

И следующие недостатки:

сложность изготовления, дороговизна, меньшая надежность;

сложность в управлении и регулировании скорости вращения;

затруднен пуск.

Глава 1. Общая характеристика вертикального синхронного двигателя типа ВДС2

1.1 Принцип действия и конструкция Следует выделить две основные части синхронной машины: статор и ротор. Статор представляет собой неподвижный полый шихтованный сердечник с продольными пазами внутри, в которых расположена обмотка статора. Во внутренней полости статора расположена вращающаяся часть машины — ротор, который может иметь явно полюсное и неявно полюсное исполнение. В неявно полюсной машине зазор между ротором и статором постоянный. В роторе крепится обмотка возбуждения и демпферная клетка, которая служит для пуска и успокоения ротора при резком изменении режимных параметров. Обмотка возбуждения создает неподвижное поле. К валу ротора подводится нагрузка.

Синхронная машина может работать в двух различных режимах: в автономном и параллельно с сетью. В автономном режиме машина является единственным источником энергии для потребителей, то есть работает только в генераторном режиме. При работе от сети или параллельно сети она может работать в режимах синхронного генератора, двигателя, компенсатора.

Рассмотрим принцип действия синхронной машины, которая имеет питание как обмотки возбуждения, так и обмотки статора от независимых источников: обмотка возбуждения — от возбудителя, обмотка статора — от трехфазной сети. Если подать постоянное напряжение на обмотку возбуждения, то по ней потечет постоянный ток, который будет создавать неподвижное, относительно ротора, поле. При подключении фаз обмотки статора, которые сдвинуты в пространстве на 120⁰ к трехфазной сети, то будет создана вращающееся с синхронной скоростью поле. Если ротор привести во вращение с синхронной скоростью, то эти поля, относительно друг друга станут неподвижными. В зависимости от положения ротора возникнет момент — тормозящий или двигательный. Таким образом, синхронная машина при подключении к сети, в зависимости от положения ротора, может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. В режиме двигателя ротор отстает от поля статора, в отличии от генераторного, где ротор опережает. Под действием электромагнитного момента, который совпадает с направлением вращения и противонаправлен внешнему нагрузочному моменту, происходит синхронное вращение ротора. Степень загруженности оценивают рабочим углом — угол между ротором и осью поля статора. Чем больше нагрузка, тем больше .

1.2 Конструкция корпуса, сердечника и обмотки статора Основным исполнением вертикальных электродвигателей является подвесное с подпятником, расположенным выше корпуса ротора, и двумя направляющими подшипниками в верхней и нижней крестовинах и с фланцевым концом вала для присоединения к насосу. В большинстве своем двигатели рассматриваемого диапазона мощностей и частот вращения выполняются с подпятниками и направляющими подшипниками скользящего трения.

Рис. 1 Общий вид вертикального синхронного двигателя.

Система смазки — замкнутая внутри масляных ванн верхней и нижней крестовин без внешней циркуляции. Масло в ваннах охлаждается с помощью встроенных маслоохладителей. Вертикальные электродвигатели малой мощности могут выполняться с подпятником скольжения и с направляющими подшипниками качения, имеющими жидкостную систему смазки.

Синхронные электродвигатели мощностью от 3200 кВт и выше в большинстве своем выполняются с непосредственно пристроенным возбудителем. Якорь возбудителя присоединяется к верхнему концу вала двигателя.

Возбудитель вертикального синхронного двигателя отличается по исполнению от нормальной вертикальной машины постоянного тока отсутствием подшипников, выполнением вала с центральным сквозным отверстием и расположением контактных колец двигателя рядом с коллектором.

Электродвигатели меньшей мощности имеют независимое возбуждение от отдельно стоящего электромашинного возбудительного агрегата или от полупроводникового возбудителя. В последнее время независимое возбуждение от полупроводниковых возбудителей стало применяться и в синхронных электродвигателях большой мощности.

Синхронные вертикальные двигатели мощностью от 2000 кВт и выше в большинстве своем выполняются с замкнутым циклом вентиляции и охлаждением воздуха водяными охладителями. Воздухоохладители в количестве 4 — 6 шт. прикрепляются непосредственно к корпусу статора. Как правило, вертикальные синхронные электродвигатели выполняются с демпферными обмотками и предназначены для пуска от полного напряжения сети с включением обмотки возбуждения на возбудитель через разрядное сопротивление. При частых пусках демпферная обмотка должна иметь усиленную конструкцию, так же как и крепление статорной обмотки. Двигатели большой мощности могут пускаться от пониженного реактором напряжения.

Асинхронные вертикальные двигатели с короткозамкнутым ротором большей частью изготовляются с разомкнутой системой вентиляции и выходом воздуха в окружающую среду из отверстий в корпусе статора. Степень защиты — 1Р11 (защищенное). Как правило, они предназначаются для прямого пуска от полного напряжения сети.

1.2.1 Корпус статора Корпус статора вертикального электродвигателя имеет круглую форму и выполняется сварным из листовой стали. Он состоит из горизонтально расположенных круглых фланцев, промежуточных рам, распорных ребер и цилиндрической обшивки с отверстиями для выхода нагретого воздуха.

Расположение ребер, промежуточных рам и обшивки обеспечивает получение секционных камер для прохождения нагретого воздуха к охладителям — при замкнутом цикле вентиляции или к отверстиям в обшивке для выхода воздуха в окружающую среду — при разомкнутом цикле. Нижняя торцевая рама является опорной поверхностью, статор которой устанавливается на фундамент. К корпусу статора с обеих сторон прикрепляются торцевые щиты .

На верхнюю часть корпуса устанавливается грузонесущая крестовина. Поэтому жесткость корпуса должна быть рассчитана на дополнительные усилия от силы тяжести вращающихся частей насосного агрегата и реакции воды. Для подъема двигателя краном к корпусу приварены цапфы. По условию транспортабельности в электродвигателях с диаметром статора более четырех метров корпус выполняется разъемным из двух половин.

Крепление двух частей корпуса в кольцо производится стяжными шпильками, пропущенными сквозь толстые, стальные пластины, вваренные в края половинок корпуса

1.2.2 Сердечник статора Сердечник статора синхронного и асинхронного электродвигателей состоит из гладких штампованных сегментов из электротехнической стали толщиной 0,5 мм с выштампованными по внутреннему диаметру открытыми пазами для катушек обмотки, сегментов с вентиляционными распорками и концевых сегментов с нажимными пальцами. Сегменты собраны в пакеты и стянуты посредством нажимных фланцев и шпилек в корпусе статора. Сегменты штампуются из электротехнических сталей марок 1211, 1311, 1411, 2411, 3413 и покрываются с обеих сторон лаком горячей сушки. Пакеты сердечника разделяются между собой сегментами с вентиляционными распорками, образующими радиальные вентиляционные каналы. Сердечник удерживается в корпусе статора посредством приваренных к рамам шихтованных клиньев и установленных с обеих сторон стальных нажимных гребенок. С помощью стяжных шпилек пакеты активной стали статора, спрессовываются в монолитный сердечник. Нажимная гребенка состоит из стального фланца и приваренных к ней нажимных пальцев. Для уменьшения добавочных потерь от потоков рассеяния пальцы гребенки изготовлены из немагнитной стали.

Сердечник статора выполнен из штампованных сегментов и разделен радиальными каналами на ряд пакетов. Пакеты собираются в остов сварной конструкции, выполненный из стального листа и состоящий из двух рам, ряда ребер и нажимного фланца. Сердечник закрепляется в остове посредством стяжных шпилек, пропущенных через отверстия в спинке сегментов, в раме и нажимном фланце. В корпусе статора сердечник устанавливается уже в обмотанном виде и закрепляется в нем посредством планок и болтов.

1.2.3 Обмотка статора Вертикальные синхронные и асинхронные двигатели выполняются с катушечными петлевыми двухслойными обмотками с укороченным шагом. Катушки состоят из ряда витков обмоточной меди прямоугольного сечения марки ПБД или ПСД с двусторонней изоляцией толщиной 0,33 мм или медного проводника с усиленной изоляцией марки ПЭТВСД с двусторонней толщиной 0,5—0,55 мм. Каждый виток состоит из одного или нескольких проводников. по ширине паза располагается не более двух проводников. Для катушек обмоток на напряжение свыше 3000 В, выполняемых из обмоточной меди ПБД и ПСД, необходимо на каждый виток накладывать витковую изоляцию. При изготовлении катушек из обмоточной меди марки ПЭТВСД для обмоток на напряжение 6000 В дополнительной витковой изоляции не требуется.

Катушки изготовляются на шаблонах совершенно одинаковыми по форме и размерам. Выгибанием лобовой части на специальном оборудовании достигается форма катушек, при которой стороны располагаются в разных плоскостях.

1.3 Конструкция ротора вертикальных синхронных двигателей В зависимости от мощности и частоты вращения ротор синхронного двигателя имеет различное конструктивное исполнение. Ротор состоит из следующих основных узлов: остова, магнитного обода, полюсов, обмотки возбуждения, вала с насаженными втулками подпятника и направляющих подшипников.

1.3.1 Остов и магнитный обод ротора Остов ротора выполняется в виде сварной конструкции, состоящей из кованой стальной втулки, двух круглых рам из толстого листа и поперечных ребер прямоугольного сечения. Кроме приварки, рамы закрепляются на втулке стальными цилиндрическими штифтами.

На остов ротора насажен обод. Обод имеет многогранную форму с числом граней, равным числу полюсов ротора. На каждой грани имеется по одной продольной канавке для крепления полюсов с Т-образным хвостовиком. Обод насаживается на остов с натягом в горячем состоянии. Со стороны, обращенной к нижней крестовине, к ободу прикрепляется болтами диск из стального листа, в который при подъеме ротора упираются винты домкрата или колодки тормоза-домкрата.

Для предохранения от сдвига обода при подъеме ротора на домкратах обод дополнительно закрепляется на остове путем установки стальных цилиндрических штифтов, пропущенных сквозь толщу обода и поперечное ребро остова. Обод ротора подобной конструкции воспринимает усилия от центробежной силы полюсов и зоны обода, в которой размещаются хвостовики полюсов.

Остов у мощного ротора имеет сварную конструкцию, выполнен в виде двух стальных рам круглой формы с приваренными поперечными стержнями и вертикальными ребрами, размещенными между рамами. Остов прикрепляется к двум фланцам втулки посредством пригнанных конусных стальных шпилек. Сама втулка насажена на вал с натягом методом горячей посадки. Подобная конструкция допускает выем ротора из статора, не нарушая линию спаренных валов двигателя и насоса.

1.3.2 Полюсы ротора.

Для уменьшения пульсационных потерь полюсы набираются из штампованных листов. Штампованные вырубки полюсов собираются в монолитные пакеты посредством двух стальных щек и шпилек или заклепок. В башмаках полюсных вырубок выштамповываются и в щеках высверливаются круглые отверстия для размещения стержней демпферной обмотки. Щеки полюсов изготовляются стальными, литыми или коваными или вырезаются из толстого листового проката. Крепление полюсов к остову ротора производится посредством Т-образных хвостовиков и парных тангенциальных клиньев или болтами.

Для увеличения устойчивости полюсов рекомендуется производить проварку головки хвоста. При пропаренных хвостах допускаемые нагрузки в среднем увеличиваются на 35%. Величины допускаемых нагрузок составляют примерно половину от нагрузки, при которой полюс теряет устойчивость. В шихтованных полюсах наиболее нагруженной частью является хвостовая зона полюсной щеки, на которую действует сосредоточенная центробежная нагрузка от массы лобовой части полюсной катушки, сегмента пусковой обмотки и самой щеки.

В вертикальных электродвигателях полюсы крепятся к остову ротора с помощью одного или двух хвостов. Крепление одним хвостом является более простым и технологичным, и поэтому имеет преимущественное применение.

В тихоходных синхронных двигателях шихтованные полюсы могут крепиться к ободу ротора посредством стальных болтов. По сравнению с клиновым болтовое крепление полюсов является более простым в изготовлении. Кроме того, толщина обода ротора может быть существенно уменьшена.

Ввиду этого, если обеспечивается достаточная механическая прочность, то болтовое крепление полюсов может быть рекомендовано наряду с клиновым креплением с помощью Т-образных хвостов. Глубина ввинчивания болтов в нарезку шихтованных полюсов должна быть равной 2,5 диаметра нарезки.

Для ужесточения шихтованного полюса последний снабжается стальным брусом круглой или прямоугольной ной формы. Брус пропускают через отверстия в штампованных листах полюсов н нажимных щеках. При исполнении полюса со стальным брусом болты, крепящие полюсы к магнитному ободу ротора, ввинчиваются не в шихтованный сердечник, а в сплошной брус.

1.3.3 Обмотка возбуждения Обмотка возбуждения синхронных двигателей выполняется из отдельных полюсных катушек с открытыми наружной и внутренней поверхностями Катушка полюса изготовляется из голой, согнутой на ребро шинной меди. В синхронных двигателях большой мощности катушки полюсов выполняются из шинной меди специального профиля. Применением подобной меди достигается увеличение наружной поверхности катушки и улучшение съема тепла с катушки.

Витковая изоляция катушки выполняется из лакированной асбестовой бумаги или из стеклоткани, пропитанной эпоксидным лаком. Для придания монолитности катушки опрессовываются и выпекаются под большим давлением на прессе (не менее 150 кгс/см² площади витка).

Изоляция катушки от корпуса накладывается непосредственно на сердечник полюса. Она выполняется из ряда слоев асбестовой бумаги и микафолия для класса изоляции В или из стеклоткани, пропитанной эпоксидным лаком, для класса нагревостойкости F.

Изоляция больших полюсов изготовляется в виде твердых коробов, выполненных из прессованной стеклоткани на эпоксидных связующих. Короба составные и склеиваются под давлением непосредственно на сердечнике полюса. От остова ротора и от полюсного башмака катушки изолируются путем прокладки гетинаксовых или стеклотекстолитовых шайб.

Полюсные катушки выполняются также залитыми синтетическими смолами (эпоксидными) аналогично способу пропитки под вакуумом статорных катушек с термореактивной изоляцией на эпоксидных связующих. Залитые катушки полюсов обладают высокими механическими свойствами, высокой влагостойкостью и обеспечивают хорошую теплопередачу полюсному наконечнику.

Упрочненные катушки устанавливаются на изолированные каркасами и шайбами сердечники полюсов и раскрепляются до заливки изоляционными прокладками.

После заливки смолой полюс с катушкой представляет одно целое. Конструкция полюсов с залитыми катушками возбуждения обладает высокой надежностью, в то же время сами катушки являются неремонтоспособными. При неисправности катушки приходится заменять полностью собранный полюс.

Условия охлаждения катушки возбуждения могут быть улучшены путем установки катушки на изолированный сердечник полюса с помощью расклинивающих прокладок. В образованном зазоре между катушкой и сердечником полюса циркулирует охлаждающий воздух Выводные концы катушек с целью обеспечения удобств сборки и компенсации температурных деформаций набираются из тонкой ленточной меди и приклепываются к крайним виткам катушки.

В катушках, выполненных из относительно толстых медных проводов, выводные конусы присоединяются к крайним виткам с помощью ласточкиного хвоста и пропаиваются.

Соединение катушек производится медными хомутиками и пропаивается. Для предохранения от выгиба и разрыва, которые возможны под действием центробежных усилий, верхние выводные концы катушек прикрепляются к изоляционной прокладке, установленной между башмаками соседних. полюсов и прибандажированной шпагатом. Нижние выводные концы прикрепляются изоляционными планками к ободу ротора.

Для предохранения катушек от перемещения в радиальном направлении на полюсах, прикрепляемых к остову ротора Т-образными хвостами, устанавливаются спиральные дружины и нажим пружин на катушки осуществляется через стальные шайбы.

1.3.4 Демпферная обмотка Синхронные вертикальные двигатели имеют демпферные (пусковые) обмотки, состоящие из круглых латунных или медных (латунь марки Л62 по ГОСТ 1019–47 медь марки М1 или М2 по ГОСТ 859–66) стержней, припаянных концами к медным пластинам (сегментам). Для получения хорошего теплоотвода стержни демпферной обмотки должны сидеть в пазу плотно, без зазора. Стержни должны быть зафиксированы по центру полюсного башмака с помощью керновки или чеканки для обеспечения равномерного удлинения от торцов башмака при нагреве. Сегменты демпферных обмоток выполняются из меди марки МГТ (ГОСТ 434−71) и припаиваются к стержням тугоплавким припоем. Сегменты располагаются в горизонтальной или вертикальной плоскости.

Конструкция обмотки с демпферными сегментами, расположенными в горизонтальной плоскости, является простой и технологичной по исполнению и надежной в работе. Подобная конструкция применяется в основном для тихоходных двигателей, у которых отсутствуют массивные полюсные щеки и имеется возможность расположить демпферные сегменты в непосредственной близости к краю полюса. Концы соседних горизонтально расположенных сегментов соединяются между собой внахлест болтами, образуя замкнутое кольцо. При достаточной высоте полюсного башмака демпферные обмотки с горизонтальными сегментами могут применяться и в случаях механически загруженных обмоток. Концы соседних сегментов соединяются между собой медными пластинами и для механического закрепления притянуты стальными изолированными шпильками к ободу ротора.

Наиболее часто для крупных двигателей применяется конструкция демпферной обмотки с креплением каждого сегмента зубом (выступом) на козырьке щеки полюса На плоскости сегмента, обращенной к щеке, делается паз глубиной примерно в половину толщины сегмента (не менее 6 мм). В этом пазу размещается выступ щеки. Соединение сегментов в кольцо выполняется в этом случае также с помощью соединительных медных планок по две на каждый стык. Контактные поверхности сегментов и накладок для особо тяжелых условий пуска двигателя выполняются серебреными.

1.4 Пуск Весьма сложен процесс пуска синхронного двигателя, так как за счет синхронного момента разогнать ротор из неподвижного состояния до синхронной скорости невозможно из-за инерционности ротора. Если попытаться запустить двигатель за счет подачи одновременно напряжения на обмотку статора и на обмотку ротора от возбудителя, то синхронный момент, возникший в результате взаимодействия полей ротора и статора будет знакопеременным с частотой 50 Гц. В следствии этого, для пуска предусмотрена специальная пусковая обмотка или демпферная обмотка, которая помогает гасить качание ротора в результате переходных процессов. В явно полюсной синхронной машине пусковая обмотка представляет собой короткозамкнутую обмотку типа беличья клетка. Ее стержни располагаются в пазах полюсного наконечника. Сегменты соседних полюсов также связаны и образуют общее короткозамыкающее кольцо. В неявнополюсной машине роль пусковой обмотки выполняет массив ротора и пазовые клинья.

Пуск осуществляется в два этапа: на первом за счет взаимодействия поля статора с пусковой обмоткой возникает асинхронный момент, двигатель запускается до подсинхронной скорости; на втором подается напряжение на обмотку возбуждения и под действием электромагнитного момента происходит втягивание машины в синхронизм.

глава 2. Расчет электромагнитного ядра

2.1 Расчет номинальных величин Номинальная полная мощность где з = 0.95 — среднее значение КПД крупных синхронных двигателей.

Номинальный фазный ток статора

2.2 Расчет сердечника статора Число пар полюсов Внутренний диаметр статора где D_a — внешний диаметр сердечника статора, м. Корректируем внутренний диаметр статора (D_i = 2,77 м) для того чтобы в пунктах 2.6. и 2.7. обеспечивались, приведенные там, соотношения

Полюсное деление Длина сердечника статора Высота спинки сердечника статора Высота паза статора Ширина паза статора где U₁ = U_н и е = 0 — при термореактивной изоляции.

Проверка выполнения соотношений h_n = (5−7)b_n и h_j? h_n: и

h_j — h_n = 0,145 — 0,0951 = 0,0499. Соотношения выполняются.

Число параллельных ветвей Число параллельных ветвей, а выбирается из ряда чисел, кратных числу полюсов. При 2р = 18 возможны числа параллельных ветвей 18, 9, 6, 3, 2, 1. Как правило выбирается наименьшее число из ряда возможных чисел так, чтобы удовлетворялось условие I_a = I_н/а < 275.

< 275 — условие выполняется, следовательно, а = 1.

Максимальное зубцовое деление Максимально возможное число полюсов статора Число пазов на полюс и фазу Число пазов статора Число пазов в сегменте Число выбирается кратным числу пазов Z в диапазоне Z_c =6−18. Наилучшее деление на сегменты получается при Z_c = 9. При этом большая хорда сегмента

По условию большая хорда сегмента должна быть меньше половины стандартного листа на величину прпуска (5 — 10 мм). Сегменты штампуются из рулонов электротехнической стали шириной 860 мм.

Зубцовое деление

2.3 Расчет обмотки статора Линейная нагрузка

А/м Число эффективных проводников в пазу Величина U_n округляется до ближайшего целого четного числа. U_n = 8.

Число элементарных проводников в одном эффективном где J₁ = 5,3 — U_н/10 = 4,3 — предварительное значение плотности тока в обмотке статора, А/мм²;

S₀ = 18 мм² — предварительная площадь сечения элементарного проводника. Число n₀ может принимать значения 1,2,3,4,6. n₀ = 6.

Ширина элементарного проводника где д_в = 1,2 — толщина витковой изоляции, мм;

д_к = 6,1 — толщина корпусной изоляции, мм;

m₀ = 2 — число элементарных проводников по ширине паза.

Высота элементарного проводника где д_из = 0,33 — двухсторонняя толщина изоляции элементарного проводника, мм.

По найденным значениям a₀ и b₀ из табл. П3.2. определяются размеры стандартного проводника и его сечение S₀, а затем уточняются размеры паза

a₀ = 2,12 мм;

b₀ = 4,5 мм;

S₀ = 9,177 мм²;

Размеры паза должны удовлетворять соотношениям

b_n = (0,34 — 0,45)t₁ = (0,34 — 0,45)*0,04 = 0,014 — 0,018 м,

h_n = (4,5 — 7.5)b_n = (4,5 — 7.5)Ч0,018 = 0,08 — 0,133 м.

Соотношения выполняются.

Средний перепад температуры в изоляции обмотки статора

?С, где — плотность тока в обмотке статора;

л_из = 0,022 Вт/мм² — теплопроводность изоляции для термореактивной изоляции.

Средний перепад температуры И_из не должен превышать 25 — 30? С.

Число витков в фазе Шаг обмотки (округляется до ближайшего целого)

y =10,

где m = 3 — число фаз.

Укорочение шага Коэффициент укорочения

.

Коэффициент распределения

.

Обмоточный коэффициент

2.4 Коррекция главных размеров статора по уровню индукции в воздушном зазоре, зубцах и спинке статора Число вентиляционных каналов (округляется до ближайшего целого)

n_в = 9,

где b_г = 0,04 м — ширина пакета статора;

b_в = 0.01 м — ширина вентиляционного канала.

Длина сердечника статора

м.

Индукция в воздушном зазоре над серединой полюса

Тл, где б = 0,77 — 0,12ф = 0,77 — 0,12*0,483 = 0,712 — коэффициент полюсного перекрытия. 2.4.4. Индукция в спинке статора

Тл, где м — высота спинки статора;

м — суммарная длина пакетов статора.

Индукция в зубцах на высоте 1/3 от основания паза Тл, гдем

b_z1/3 — ширина зубца на высоте 1/3 от основания паза.

Значения индукций в различных участках магнитной цепи при холостом ходе обычно находятся в пределах:

B_д0 = (0,6 — 0,82) Тл;

B_j = (1,46 — 1,6) Тл;

B_z1/3 = (1,6 — 1,8) Тл.

Так как полученные значения индукций не попадают в указанный диапазон, то необходимо выполнить коррекцию главных размеров: внутреннего диаметра D_i и длины l_t.

Таблица 1. Коррекция главных размеров статора

2.5 Расчет величины воздушного зазора Линейная нагрузка А/м.

Величина воздушного зазора под серединой полюса

м,

Найденное значение д не должно быть ниже граничного д_гр, определяемого условиями изготовления и монтажа м.

Одновременно проверяется условие м.

2.6 Расчет полюса и демпферной обмотки Ширина полюсного наконечника м.

Высота полюсного наконечника м.

Ширина сердечника полюса

м.

Высота сердечника полюса

м.

Число стержней демпферной обмотки (округляется до ближайшего целого числа)

.

Сечение стержня демпферной обмотки мм².

Диаметр стержня демпферной обмотки (округляется с точностью до 0,5 мм) мм.

Размеры демпферной обмотки корректируются по условию термической устойчивости

n_cS_c > 0,05A_sф, 10*39,645 > 0,05*52 924^*0,49, гдемм².

1539.8 >1296.1

Шаг демпферной обмотки м.

Для уменьшения добавочных потерь и исключения прилипания ротора при пуске число стержней n_c и их шаг t₂ корректируют так, чтобы выполнялось условие

(n_c -1)(1- t₂/t₁) > 0,75.

(10 -1)*(1 — 0,034/0,04) = 1,32 — условие выполняется.

Площадь поперечного сечения короткозамыкающих колец

S_к = 0,5n_cS_c = 0,5*10*153.938=769.69мм².

Поперечные размеры короткозамыкающих колец

мм;

мм.

Размеры колец b_к и h_к приводятся в соответствие со стандартными значениями шинной меди [4, табл. П3.2.].

b_к = 12,5 мм;

h_к = 55 мм.

Ширина шлица паза демпферной обмотки

м.

Высота шлица паза демпферной обмотки

h_s = 0,003 м.

2.7 Расчет магнитной цепи Рис. 4 Магнитная цепь Первая гармоника основного магнитного потока Ф₀₁ на холостом ходу Вб, МДС обмотки статора F_ad по продольной оси А,

А;

K_ad = 0,911 — 0,59(б — 0,5) + 0,829(б — 0,5)² = 0,911 — 0,59*(0,712 — 0,5) + 0,829*(0,712 — 0,5)² = 0,823

— коэффициент приведения обмотки статора по продольной оси.

Полный поток Ф Поскольку характер распределения полного потока Ф отличается от синусоидального, то вводится коэффициент формы поля К_Ф = Ф/Ф₀₁.

Расчет коэффициента формы поля К_Ф выполняется по формуле К_Ф = В₁В₂ = 1,08*0,92 = 0,994,

где В₁ = 1,0 + 0,325(б — 0,5) + 1,6(б — 0,5)³ = 1,0 + 0,325*(0,712 — 0,5) + 1,6*(0,712 — 0,5)³ = 1,08;

В₂ = 0,88 + 2,5д/ф — 1,22(д/ф)² — 198,3(д/ф)³ = 0,88 + 2,5*0,009/0,49−1,22*(0,009/0,49)²— 198,3*(0,009/0,49)³ = 0,92.

Ф = К_ФФ₀₁ = 0,994*0,097 = 0,097 Вб.

Поток, приходящийся на полюсный наконечник Ф_л

Часть потока Ф, приходящегося на полюсный наконечник Ф_л, определяет индукцию в зазоре и зубцах статора. Расчет потока Ф_л выполняется с помощью коэффициента приведения К_л.

Ф_л = К_лФ0 = 0,912*0,097 = 0,088 Вб.

Величина К_л определяется по формуле

К_л = В₃В₄ = 1,078*0,85 = 0,912,

где В₃ = (1,039 + 1,5д/ф + 33,6(д/ф)² — 608(д/ф)³)(1 + (б — 0,7)) =

(1,039+1,5*0,009/0,49+33,6*(0,009/0,49)²-608*(0,009/0,49)³*(1+(0,712−0,7)*)= 1,078;

В₄ = 0,93 — 5,5д/ф + 48,3(д/ф)² + 33,2(д/ф)³ = 0,93 — 5,5*0,009/0,49+48,3*(0,009/0,49)² + 33,2*(0,009/0,49)³ = 0,85.

Определение коэффициента Картера Наличие пазов на статоре и роторе создает дополнительное магнитное сопротивление для потока Ф_л в воздушном зазоре. Такой же эффект оказывает и вентиляционные каналы. Учет этих эффектов производится с помощью коэффициента Картера К_д путем соответствующего увеличения величины воздушного зазора (см. табл. 2).

где ;

;

;

м; м.

Таблица 2. Размеры магнитной цепи Учет потоков рассеяния При расчете магнитной цепи необходимо также учесть потоки рассеяния Ф_ур обмотки возбуждения, которые дополнительно нагружают полюсы

Ф_m = у_mФ, где у_m = 1+ Ф_ур /Ф — коэффициент рассеяния обмотки возбуждения.

Величина потока рассеяния Ф_ур зависит о коэффициента проводимости л_mp

где ;

[0,49 — 0,238 -р/(2*9)*(0,267 +2*0,052 +2*0,009] = 0,796;

;

;

;

.

Расчет магнитной цепи выполняется для режима холостого хода (К_нг = 0) и режима номинальной нагрузки (К_нг = 0,8). Для удобства вычислений весь расчет сведен в таблицы 3 и 4.

Таблица 3 Расчет магнитной цепи для режима холостого хода Магнитный поток при номинальной нагрузке Ф₀₂ вычисляется по формуле

Вб,

r*₁— активное сопротивление обмотки статора, о.е.;

X*_у — индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора, о.е.

Для расчета сопротивлений r* и X*_у используются соотношения

о.е.,

м;

+0,15 = 0,83 м;

= 0,134 о.е.,

;

;

.

Таблица 4 Расчет магнитной цепи для номинальной нагрузки Определение МДС обмотки возбуждения Потоки Ф_0i, i = 1,2 определяют соответствующие магнитные напряжения:

F_дi — магнитное напряжение воздушного напряжения;

F_zi — магнитное напряжение зубцов статора;

F_ji — магнитное напряжение спинки статора.

Сумма этих магнитных напряжений совместно с МДС обмотки статора определяют магнитные напряжения F_уpi на участке рассеяния полюсов

А;

А.

Зная магнитные напряжения F_уpi, находим коэффициенты рассеяния

;

и полные потоки полюсов Вб;

Вб.

Потокам Ф_mi соответствуют магнитные напряжения полюсов F_mi.

Результирующие магнитные напряжения А;

А.

Магнитное напряжение F₀₂ определяет напряжение МДС обмотки возбуждения при номинальной нагрузке А.

2.8 Расчет перегрузочной способности МДС обмотки возбуждения в режиме трехфазного короткого замыкания при номинальном токе статора

А.

Кратность максимального синхронного момента

2.9 Расчет обмотки возбуждения Ширина провода обмотки возбуждения

мм, Ширина провода обмотки возбуждения ограничивается условием ее размещения в межполюсном пространстве мм, где К_m = 785 — при Р > 2,

и условием надежного крепления обмотки возбуждения на полюсе мм.

Условия выполняются.

Высота провода обмотки возбуждения мм.

Размеры провода обмотки возбуждения приводятся в соответствие со стандартными значениями шинной меди и затем определяется сечение провода S_в: a_em = 4 мм; b_em = 40 мм; S_в = 159,5 мм².

Средняя длина витка обмотки возбуждения при b_m > 0,2 м м.

Номинальное напряжение возбуждения В.

Число витков обмотки возбуждения (округляется с точностью до Ѕ витка) Ток возбуждения холостого хода А.

Ток возбуждения при номинальной нагрузке

А.

Плотность тока в обмотке возбуждения при номинальной нагрузке А/мм².

Перегрев обмотки возбуждения

?С.

Номинальные значения напряжения и тока обмотки возбуждения должны быть приведены в соответствии с номинальными данными возбудителей, имеющихся в соответствующих каталогах. Номинальные данные тиристорного возбудителя: I_вн = 630 А, U_вн = 230 В.

Выбор размеров проводника обмотки возбуждения осуществляется с учетом следующих условий:

W_в = (20 — 55), W_в = 54;

?С.

Номинальные значения напряжения и тока обмотки возбуждения должны быть приведены в соответствие с номинальными данными тиристорных возбудителей: =630 А, =230 В.

Глава 3. Параметрическая оптимизация явнополюсных синхронных двигателей на персональных компьютерах За последние годы ЭВМ нашли применение практически во всех отраслях народного хозяйства, в том числе при проектирование электрических машин. В настоящее время единичные электрические машины практически не выпускаются (кроме особо мощных турбои гидрогенераторов), проектируют лишь серии электрических машин. При этом расчеты выполняются на ЭВМ, что вполне оправданно технически и экономически. Переход к автоматизированному проектированию позволяет решать технически более трудоемкие задачи с минимальными затратами времени и наименьшей погрешностью дает возможность анализировать множество вариантов и сравнивать их между собой по ряду параметров. При проектировании электрических машин с использованием ЭВМ в зависимости от принятых критериев оптимальности и граничных условий для изменения выходных параметров удается спроектировать электрические машины соответствующие предъявляемым требованиям. При проектировании единичных электрических машин использование ЭВМ необходимо для выполнения различных расчетных исследований, а так же для определения оптимальных параметров электрической машины.

При применении ЭВМ для решения задачи синтеза электромагнитного ядра процесс проектирования разбивается на два этапа: аналитический и пошаговый. На аналитическом этапе вручную выполняется расчет некоторых характеристик электромагнитного ядра. Целью этого этапа является сужение круга возможных вариантов синхронного двигателя, определение начальных приближений для некоторых его параметров и представление их в качестве исходных данных второго этапа. На втором этапе осуществляется более полное исследования характеристик двигателя и решается задача его параметрической оптимизации. Этот этап выполняется на персональном компьютере с помощью пакета программ «OPTCD» .

В этой главе приводится процесс поэтапной корректировки исходного варианта двигателя, полученного в результате расчёта во второй главе.

Номинальные данные:

— номинальная мощность4000 кВт

— номинальное линейное напряжение10 кВ

— номинальный коэффициент мощности0,9

— номинальная частота напряжения сети50 Гц

— число пар полюсов9

— номинальный ток возбудителя630 А

Исходные значения конструктивных параметров:

— внутренний диаметр статора2,81 м

— число пазов статора216

— число эффективных проводников в пазу8

— длина сердечника статора0,34 м

— величина воздушного зазора0,009 м

— ширина паза статора0,018 м

— высота паза статора0,097 м

— ширина сердечника полюса0,238 м

— высота сердечника полюса0,267 м

— ширина полюсного наконечника0,349 м

— высота полюсного наконечника0,052 м

— ширина проводника обмотки возбуждения40 мм

— высота проводника обмотки возбуждения4 мм

— число стержней демпферной обмотки10

Для того чтобы удовлетворял техническим требованиям и техническому заданию, необходимо контролировать ряд параметров. С данной целью вводятся ограничения и допустимые уровни контролируемых показателей:

— кратность пускового момента0,5

— кратность максимального момента1,9

— кратность входного момента1,4

— кратность пускового тока4,8

— индукция в спинке статора1,6

— индукция в зубцах статора1,8

— индукция в сердечнике полюса1,6

— перепад в изоляции обмотки статора30

— перегрев обмотки возбуждения 80

— перегрев обмотки статора70

— перегрев демпферной обмотки при пуске200

После занесения данных ручного расчета в программу выполняется поверочный расчёт, а его результаты выводятся на экран в виде экспресс-информации. Первые две колонки таблицы содержат заданные значения конструктивных параметров, а последние две — рассчитанные значения основных показателей двигателя. В нижней строке таблицы указываются индукции магнитного поля в воздушном зазоре при холостом ходе, величина линейной нагрузки, приведенная стоимость двигателя, отнесённая к полной мощности, и целевая функция, включающая в себя стоимость и штрафы за нарушения ограничений.

Таблица 5 Поверочный расчет по исходным данным Из поверочного расчета видно, что двигатель не соответствует техническому заданию — пусковой и входной моменты ниже требуемых значений, а максимальный момент сильно превышает требуемое значение. Также присутствует недогрев обмоток статора и возбуждения, что говорит о неэкономичном расходе меди. Демпферная обмотка, наоборот, перегрета. Поэтому значение целевой функции превышает значение приведенной стоимости двигателя.

С целью уменьшить максимальный момент путем увеличения индуктивного сопротивления воздушного зазора уменьшим воздушный зазор с 9 мм до 7.5 мм.

Таблица 6

Как видно из поверочного расчета, мы не только уменьшили максимальный момент, но и кратность входного момента стала удовлетворять техническому заданию.

Для уменьшения нагрева демпферной обмотки увеличим количество стержней демпферной обмотки с 10 до 14.

Таблица 7.

После изменения количества стержней демпферной обмотки перегрев демпферной обмотки стал меньше.

Для коррекции нагрева обмотки возбуждения подберем другое сечение провода обмотки возбуждения — 3,5×20мм вместо 4×40мм.

Таблица 8.

Значительно увеличился перегрев обмотки возбуждения, а также увеличился пусковой момент в связи с изменение сопротивления проводов обмотки возбуждения.

Для того, чтобы увеличить пусковой момент, уменьшим Lt до 0.31 м, что приведет к уменьшению индуктивного сопротивления рассеяния ротора и увеличению пускового момента.

Таблица 9.

Как видно, пусковой момент увеличился, но недостаточно. Также увеличились значения индукций, максимального момента и пускового тока. Все это является следствием уменьшения индуктивного сопротивления рассеяния.

Изменим внутренний диаметр сердечника статора с целью уменьшить максимальный момент и скорректировать значения индукций.

Таблица 10.

Удалось понизить максимальный момент, но появилось превышение пускового тока, а пусковой момент все еще меньше, чем требуется.

Увеличим ширину полюса, для того чтобы поднять значение пускового момента (увеличиться активное сопротивление рассеяния).

Таблица 11.

Мы добились нужного увеличения пускового момента, но многие значения все еще не удовлетворяют техническому заданию. Чтобы уменьшить пусковой ток уменьшим высоту полюса, тем самым уменьшим количество витков обмотки возбуждения.

Таблица 12.

Пусковой ток был уменьшен до приемлемого значения.

Увеличим перегрев обмотки статора коррекцией размеров паза статора.

Таблица 13.

Уменьшение высоты паза статора привело к возрастанию нагрева обмотки статора. Но также возрос и пусковой ток, и индукция зубцов статора. Попробуем уменьшить их с помощью коррекции ширины паза статора.

Таблица 14. Первый приемлемый вариант.

При уменьшении ширины паза статора мы получили первый приемлемый вариант, без штрафов и удовлетворяющий домашнему заданию.

Далее попытаемся подобрать более экономичный вариант.

Таблица 15. Второй приемлемый вариант.

Таблица 16. Третий приемлемый вариант.

Таблица 17. Четвертый приемлемый вариант.

Таблица 18. Сводная таблица вариантов двигателя.

Анализ вариантов показывает, что лучший — второй. Он имеет меньшую удельную цену, самые оптимальные значения индукций и в большей степени удовлетворяет техническому заданию.

Заключение

В результате оптимизации рассчитанного вручную варианта было получено 4 приемлемых варианта двигателя, оптимальный из которых — третий. Он соответствует техническому заданию и требованиям ГОСТ и обладает наилучшими технико-экономическими показателями. Сравнив оптимальный вариант с ручным расчетом можно отметить, что удалось уменьшить расход меди, увеличив нагревы обмоток возбуждения и статора. При этом кратности пускового, входного и максимального моментов равны или выше не более чем на 20% данных в техническом задании, а пусковой ток меньше. Таким образом, полученный вариант можно считать полностью удовлетворяющим условиям проектирования.

Применение средств автоматизированного проектирования при разработке электрических машин позволяет выполнить больший объем поисковых и поверочных расчетов, сократить сроки выполнения работ, а также обеспечивает большую экономию средств при внедрении спроектированных машин.