Расчёт асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

KPEM_Станислав_Сидорович_часть_2.dwg

Электродвигатель асинхронный
ПУСКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ
МАСШТАБ: -тока mi=0.51Амм -мощности mp=336.3Втмм -момента mм=4.3Нммм
СХЕМА ОБМОТКИ СТАТОРА

KPEM_Станислав_Сидорович_часть_1.dwg

ПАЗ КОРОТКОЗАМКНУТОГО РОТОРА (М 4:1)
Электродвигатель асинхронный
Эксплуатировать двигатель в помешении с запыленностью воздуха не более 10 мгм3. Не накрывать охлаждающий вентилятор во время работы двигателя. Полости подшипников заполнять смазкой ЛДС-2 ГОСТ 26191-84.

KPEM_Stanislav_Sidorovich.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
(наименования дисциплины)
(тема курсового проекта)
(фамилия имя отчество)
(фамилия дата расшифровка подписи)
(подпись дата расшифровка подписи)
на курсовое проектирование
(код и наименование специальности)
Краснодар 2020РЕФЕРАТ
Пояснительная записка включает в себя 36 страниц 3 таблицы 3 источника графическая часть – 2 листа формата А1.
АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СТАТОР РОТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ НАГРУЗКИ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ ПАРАМЕТРЫ ПОТЕРИ МОЩНОСТИ РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.
Объектом проектирования является асинхронный двигатель короткозамкнутым ротором.
Цель проектирования - получить необходимые навыки по расчету и конст-
руированию электрических машин.
В процессе проектирования проводились электромагнитные и тепловые расчеты двигателя уточнялись ранее выбранные размеры деталей и узлов двигателя.
Основные конструктивные и технико-экспериментальные характеристики:
Конструктивное исполнение исполнение по способу защиты климатическое исполнение и категория размещения – УЗ; класс нагревостойкости изоляции – F.
Выбор главных размеров и расчет обмотки статора6
Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора9
Расчет магнитной цепи14
Определение параметров для номинального режима16
Расчет потерь и КПД20
Расчет рабочих характеристик22
Расчет пусковых характеристик24
Тепловой и вентиляционный расчеты32
Список использованных источников36
Электротехническая промышленность - ведущая отрасль народного хозяйства. Продукция электротехнической промышленности используется почти во всех промышленных установках поэтому качество электротехнических изделий во многом определяет технический уровень продукции других отраслей.
Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место поэтому технико-экономические показатели и эксплуатационные свойства электрических машин имеют важное значение для экономики нашей страны.
Проектирование электрических машин - это искусство соединяющее знание процессов электротехнического преобразования энергии с опытом накопленными поколениями инженеров-электромехаников умением применять вычислительную технику и талантом инженера создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.
При создании электрической машины рассчитывают размеры статора и ротора выбирают тип обмотки обмоточные провода изоляция материалы активных и конструктивных частей машины. Отдельные части машины должны быть так сконструированы и рассчитаны чтобы при изготовлении машины трудоемкость и расход материалов были наименьшими а при эксплуатации машина обладала высокой надежностью и наилучшими энергетическими показателями.
ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ И РАСЧЕТ ОБМОТКИ СТАТОРА
Высота оси вращения (предварительно) по [1; с. 343; рис. 9.18] h=200мм. Ближайшее стандартное значение h = 200мм. Тогда внешний диаметр статора равен Da = 0.354м.
Внутренний диаметр статора:
Расчетная мощность по [1; с. 345; рис. 9.21] находим:
Электромагнитные нагрузки по [1; с. 346; рис. 9.22 б]:
Обмоточный коэффициент (предварительно для двухслойной обмотки):
Расчетная длина магнитопровода:
Отношение .Значение находится в допустимых пределах.
Предельное значение tz1 по [1; с. 351; рис. 9.26]:
Тогда число пазов статора :
Принимаем Z1 = 54 тогда - число пазов на полюс и фазу.
Зубцовое деление статора:
Число эффективных проводников в пазу (при условии а=1):
Принимаем а =1 т.к. обмотка двухслойная округляем до целого четного числа:
Окончательные значения:
-число витков в фазе:
-индукция в воздушном зазоре:
Отклонение - (допустимо ).
Значения А и находятся в допустимых пределах.
Плотность тока в обмотке статора (предварительно):
где - по [1; с. 355; рис. 927б] .
Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно):
Сечение эффективного проводника (окончательно). Принимаем обмоточный провод марки ПЭТМ по [1; с. 713; П3.1]:
Плотность тока в обмотке статора (окончательно):
РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СТАТОРА И ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА
Паз статора определяем по [1; с. 361; рис. 9.29 а] с соотношением размеров обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.
Принимаем предварительно по [1; с. 357; табл. 9.12]: .
Тогда ширина зубца статора:
где Кс=097 по [1; с. 358; табл. 9.13] для оксидированной стали марки 2013 .
Высота ярма статора:
Размеры паза в штампе:
Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку:
где по [1; с. 360; табл. 9.14].
Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки:
где площадь поперечного сечения прокладок:
площадь поперечного сечения корпусной изоляции:
где односторонняя толщина изоляции в пазу толщина прокладки - по [1; с. 77; табл. 3.1];
высота клиновой части:
Коэффициент заполнения паза:
Полученное значение коэффициента допустимо для механизированной укладки обмотки (Кз=07-08).
Воздушный зазор по [1; с. 367; рис. 8.31] равен .
Число пазов ротора по [1; с. 373; табл. 9.18] .
Внешний диаметр ротора:
Длина магнитопровода ротора:
Зубцовое деление ротора:
Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала т.к. сердечник ротора непосредственно насаживается на вал:
где Кв=023 по [1; с. 385; табл. 9.19 ].
Ток в обмотке ротора:
где - коэффициент учитывающий влияние тока намагничивания на отношение ;
коэффициент приведения токов:
Площадь поперечного сечения стержня (предварительно):
где плотность тока в стержне литой клетки принимаем:
Паз ротора определяем по [1; с. 380; рис. 9.40 ].
Допустимая ширина зуба:
где по [1; с. 357; табл. 9.12].
Уточняем ширину зубцов ротора:
Площадь поперечного сечения стержня:
Плотность тока в стержне:
Расчет короткозамыкающих колец.
Площадь поперечного сечения:
плотность тока в кольце:
Размеры размыкающих колец:
- диаметр кольца средний:
РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
Выбираем магнитопровод из стали марки 2013 с толщиной листов 05 мм
Магнитное напряжение воздушного зазора:
Магнитное напряжение зубцовой зоны статора:
расчетная индукция в зубцах:
по [1; с. 698; табл. П1.7] для .
Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора:
индукция в зубце ротора:
по [1; с. 698; табл. П 1.7] для .
Коэффициент насыщения зубцовой зоны:
Магнитное напряжения ярма статора:
где длина средней магнитной силовой линии в ярме статора:
высота ярма статора:
При отсутствии радиальных вентиляционных каналов в статоре: .
Индукция в ярме статора:
для по [1; с. 696; табл. П 1.6] .
Магнитное напряжение ярма ротора:
для по [1; с. 696; табл. П 1.6] находим .
Магнитное напряжение на пару полюсов:
Коэффициент насыщения магнитной цепи:
Намагничивающий ток:
Относительное значение:
(в допустимых пределах).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО РЕЖИМА
Активное сопротивление обмотки статора:
для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура для медных проводников .
Длина проводников фазы обмотки:
средняя длина витка:
длина лобовой части:
где B=001 – длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части;
Кл=1.5 – по [1; с. 399; табл. 9.23];
средняя ширина катушки ( принимаем равной 79):
длина вылета лобовой части катушки:
где - по [1; с. 399; табл. 9.23].
Активное сопротивление фазы обмотки ротора:
сопротивление участка замыкающего кольца заключенного между двумя соседними стержнями:
где для литой алюминиевой обмотки ротора .
Приводим к числу витков статора:
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:
где по [1; с. 403; табл. 9.26] коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния:
- проводники закреплены крышкой;
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния:
а по [1; с. 405; рис. 9.51 д] .
Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:
где по [1; с. 408; табл. 9.27 ]
принимаем =101 при ;
коэффициент проводимости скоса:
Приводим Х2 к числу витков статора:
Потери в стали основные (магнитные потери):
где для стали 2013 по [1; с. 412; табл. 9.28] ;
масса стали ярма статора:
где удельная масса стали. Принимаем ;
масса стали зубцов статора:
Поверхностные потери ротора:
амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре:
где по [1; с. 413; рис. 9.53] учитывая отношение .
Пульсационные потери в зубцах ротора:
амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов ротора:
масса стали зубцов ротора:
Сумма добавочных потерь в стали:
Полные потери в стали:
Механические потери:
где для двигателей с 2р = 8 коэффициент .
Холостой ход двигателя:
где активная составляющая тока х.х.:
Мощность электрическая при холостом ходу двигателя:
Косинус угла при холостом ходу:
РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК
комплексный коэффициент:
Используем формулы для упрощенного расчета т.к. :
Активная составляющая тока синхронного холостого хода равна:
Потери не изменяющиеся при изменении скольжения:
Рассчитываем рабочие характеристики для скольжения S = 0005; 001; 0015; 002; 025; 003; 035; 004.
Номинальное скольжение:
Результаты расчета сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Рабочие характеристики АД
РАСЧЕТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
а) Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета влияния насыщения от полей рассеяния).
Расчет проводим по формулам [1; с. 438; табл. 9.32 ]. В целях определения токов в пусковых режимах для дальнейшего учета влияния насыщения на пусковые характеристики двигателя подробный расчет приведен для S = 1. Данные остальных точек сведены в таблицу 2.
Активное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока (; ; ; ).
Высота стержня в пазу:
приведенная высота стержня:
по [1; с. 428; рис. 9.57.] для находим ;
глубина проникновения тока:
Площадь сечения при ;
где коэффициент общего увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока:
Приведенное сопротивление ротора с учетом влияния вытеснения тока:
Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока по [1; с. 428; рис. 9.58] для и
Обозначив коэффициентом Кх изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока получим:
Расчет токов с учетом влияния эффекта вытеснения тока для S = 1:
Критическое значение скольжения:
Таблица 2 - Расчет пусковых токов в пусковом режиме с учетом влияния эффекта вытеснения тока
б) Расчет пусковых характеристик с учетом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеивания.
Расчет проводим для точек характеристик соответствующих S = 1; 08; 05; 02; 01. При этом используем значения токов и сопротивлений для тех же скольжений с учетом влияния вытеснения тока (таблица 2).
Данные расчета сведены в таблицу 3. Подробный расчет приведен для S =1.
Индуктивное сопротивление обмоток. Принимаем :
фиктивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре:
по [1; с. 432; рис. 9.61] для .
Дополнительное эквивалентное раскрытие пазов статора :
уменьшение коэффициента магнитной проводимости рассеяния открытого паза:
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения:
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения:
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влияния насыщения:
Дополнительное эквивалентное раскрытие пазов ротора:
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора с учетом влияния насыщения:
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки ротора с учетом влияния насыщения:
Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения:
Пусковые характеристики:
Расчет токов и моментов:
Кратность пускового тока с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения:
Кратность пускового момента с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения:
Полученный в расчете коэффициент насыщения:
Расхождение что допустимо (допускается расхождение с первоначально выбранным значением до 15 %).
Таблица 3 - Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния
Продолжение таблицы 3
Для расчета других точек характеристики Кнас уменьшаем в зависимости от тока I1 (таблица 2).
Принимаем при S = 0.8 Кнас = 13;
Критическое скольжение определяем после расчета всех точек пусковых характеристик (таблица 3) по средним значениям сопротивлений и соответствующим скольжениям S = 0.2 – 0.1:
После чего рассчитывается кратность максимального пускового момента:
Спроектированный асинхронный двигатель удовлетворяет требованиям стандартов как по энергетическим показателям (КПД и cosφ) так и по пусковым характеристикам.
ТЕПЛОВОЙ И ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЕТЫ
Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя:
где по таблице 9.35 [1; с. 450] К = 0.18;
где по табл. 3 для S = Sном находим ; по [1; с. 450; рис. 9.67 а] ; .
Перепад температуры в изоляции пазовой части:
для изоляции класса нагревостойкости F по [1; с. 453; рис. 9.69]; для находим .
Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:
где - обволакивающее покрытие.
Превышение температуры наружной поверхности лобовой частей над температурой воздуха внутри двигателя:
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой внутри двигателя:
Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды:
где сумма потерь отводимых в воздух внутри двигателя:
где сумма всех потерь в двигателе при номинальном режиме и расчетной температуре:
из таблицы 1 для S = Sном.
Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса:
где по [1; с. 453; рис. 9.70] Пр = 0.382 м для h = 200 мм. По [1; с.450; рис. 9.67б].
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:
Проверка условий охлаждения двигателя.
Требуемый для охлаждения расход воздуха:
Коэффициент учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса обдуваемого наружным вентилятором:
где m`=25 для двигателей с h=200мм и 2р=8;
расход воздуха обеспечиваемый наружным вентилятором:
Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах.
Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.
Мы рассчитали двигатель серии 4А с полезной мощностью на валу P2=32 кВт и количеством пар полюсов равным 2p=6.
Рассчитанный двигатель имеет степень защиты IP44 удовлетворяет требованиям стандартов а также имеет достаточную термическую устой-чивость от внутреннего перегрева для чего была выбрана изоляция класса F.
Был произведён расчёт основных размеров главных узлов двигателя а также были установлены его габариты (исполнение двигателя IM 1001).
Произведённый расчёт основных размеров главных узлов двигателя и его магнитной цепи показал что двигатель способен устойчиво работать.
Расчёт пусковых и рабочих характеристик при различных условиях работы показал что двигатель удовлетворяет поставленным условиям.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Копылов И.П. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов И.П. Копылов Б.К. Клоков В.П. Морозкин Б.Ф. Токаев; под ред. И.П. Копылова. – 3-е изд. испр. и доп. – М.: Высш. шк. 2002. – 757 с.: ил.
Вольдек А.И. Электрические машины. Машины постоянного тока и трансформаторы: Учебник для вузов А.И. Вольдек В.В. Попов; под ред. А.И. Вольдека. – СПб.: Питер 2008. – 350 с.: ил.
Вольдек А.И. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов А.И. Вольдек В.В. Попов; под ред. А.И. Вольдека. – СПб.: Питер 2008. – 350 с.: ил.