Исследование асинхронного двигателя серии 4А 4АН225М6У3

4АН225М6У3.doc

Государственный комитет РФ по высшему образованию
Тульский государственный университет
КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
по курсовому проекту по электрическим машинам
на тему «Исследование асинхронного двигателя серии 4А 4АН225М6У3»
Автор проекта:Курбатов А.С.
Специальность: 140610
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Студент: Курбатов А.С. гр.220731
Тема: «Исследование асинхронного двигателя серии 4А 4АН225М6У3»
Срок представления проекта к защите
Исходные данные для проектирования:
Двигатель 4АН225М6У3; U=220 В n=1000 min-1 P= 45 кВт
Содержание пояснительной записки курсового проекта
2. Расчет обмотки статора двигателя.
3. Анализ характеристик двигателя.
Перечень графического материала: сборочный чертеж асинхронного двигателя; схема обмотки статора; круговая диаграмма двигателя; механические и рабочие характеристики двигателя.
Пояснительная записка 25 стр. 7 рисунков 6 таблиц 4 источника 1 приложение.
Асинхронный двигатель короткозамкнутый ротор пазы обмотка статора круговая диаграмма механические характеристики.
Проектируемый асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором принадлежит к серии 4А. Его номинальная мощность 45кВт частота вращения 1000 min-1 эксплуатируется при напряжении сети 220380В соответственно.
Расчет заключается в том чтобы построить механические характеристики тремя способами :
-по справочным данным
-по круговой диаграмме
Рабочие характеристики строятся по данным круговой диаграммы. Построение ведется из ряда точек взятых на круговой диаграмме. Параметры схемы замещения взяты из справочника. На их основе строится круговая диаграмма.
Перечень условных обозначений 5
1Описание конструкции условного обозначения двигателя и
его эксплуатационных параметров 8
2Описание условного обозначения двигателя и его
эксплуатационных параметров 8
Расчет обмотки статора двигателя.10
1Обоснование обмотки статора.10
2Определение фазных зон и составление схемы обмоток статора 11
3Расчет магнитодвижущей силы обмотки статора13
Анализ характеристик двигателя.15
1.Построение схемы замещения двигателя и определение
2.Построение круговой диаграммы17
3.Расчет механической характеристики двигателя по круговой
4.Расчет рабочей характеристики двигателя по круговой диаграмме.20
5.Расчет механической характеристики двигателя по формуле
Клосса. Построение механической характеристики21
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
P2НОМ – 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 обмотки 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;
Vt – начальная скорость нарастания температуры обмотки статора при заторможенном роторе и пуске двигателя из практически холодного состояния;
Jдр – динамический момент инерции ротора;
tno – длительность пуска двигателя;
to – предельно допустимое число пусков в час при отсутствии статического и динамического моментов сопротивлений на валу двигателя;
U1л – нелинейное напряжение;
Dа1 – внешний диаметр сердечника статора;
– односторонний воздушный зазор между статором и ротором;
z1z2 – 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;
r1(20) – активное сопротивление обмотки фазы статора при 20 С;
r2(20) – активное сопротивление обмотки фазы ротора при 20 С;
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 40000ч; средний срок службы до первого капитального ремонта – 8 лет при наработке 20000 ч; вероятность безотказной работы – не менее 09 за 10000 ч.
Эта серия охватывает диапазон номинальных мощностей от 006 до 400кВт и выполнена на 17 высотах оси вращения – от 50 до 355мм. 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.
Двигатели 4АН со степенью защиты IP23 и способом охлаждения ICO1 имеют двухстороннюю симметричную радиальную систему вентиляции. Роль центробежных вентиляторов выполняют лопатки ротора. Направление воздуху придают щитки. Торцевые и боковые жалюзи обеспечивают двигателю степень защиты IP23.
Двигатели 4АН с высотой оси вращения 160-250 мм (в нашем случае 225 мм) имеют литую станину из чугуна; торцевые и боковые жалюзи – литые из алюминиевого сплава.
Целью курсового проекта является изучение внутреннего устройства асинхронного двигателя исследование характеристик двигателя расчет его основных параметров и сравнение полученных результатов со справочными данными.
ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ И ЕГО КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ.
1. Анализ данных технического задания. Формулировка требований к двигателю.
Двигатель асинхронный 4АН225М6У3 трехфазный с короткозамкнутым ротором. Его номинальная мощность 45кВт частота вращения 1000 min-1 эксплуатируется при напряжении сети 220380В при частоте сети 50 Гц.
Двигатель может использоваться как вентилятор с вариантом монтажа IM1001. Степень защиты IP23. Способ охлаждения ICO1 имеет двухстороннюю симметричную радиальную систему вентиляции. Роль центробежных вентиляторов выполняют лопатки ротора. Направление воздуху придают щитки.
2. Описание условного обозначения двигателя и его эксплуатационных параметров.
Расшифровка двигателя:
Защищенного исполнения
Установочный размер
Климатическое исполнение
Двигатель имеет статорную обмотку двухслойную петлевую равносекционную. Высота оси вращения определяется от оси вращения ротора до установочной поверхности. Пазы статора и ротора показаны на рис.1.1. Основные технические данные двигателя 4АН225М6У3 приведены в таблицах 1.1. и 1.2. а обмоточные данные в таблице 1.3.
Основные технические данные электродвигателя 4АН225М6У3 Таблица 1.1.
Электромагнит-ные нагрузки
Энергети-ческие показатели
Параметры схемы замещения
В номинальном режиме
При коротком замыкании
Пусковые свойства электродвигателя Таблица 1.2.
Механическая характеристика
Обмоточные данные электродвигателя 4АН225М6У3 Таблица 1.3.
Короткозамыкающее кольцо
РАСЧЕТ ОБМОТКИ СТАТОРА ДВИГАТЕЛЯ
1Обоснование схемы обмотки статора.
Два проводника расположенные в пазах отстоящие друг от друга на шаг y 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 y и выражается в долях полюсного деления или в зубцовых делениях. Шаг y равный полюсному делению называется диаметральным или полным (y = ). Если y шаг укороченный если y > 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:
)возможностью укорочения шага на любое число зубцовых делений что выгодно с точки зрения подавления высших гармоник;
)одинаковые размеры и формы всех катушек что упрощает и облегчает изготовление обмоток;
)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 4АН225М6У3 применена двухслойная петлевая равносекционная статорная обмотка.
2Определение фазных зон и составление схемы обмоток статора
В двигателе 4АН225М6У3 применена двухслойная петлевая равносекционная статорная обмотка с z1 = 72 и 2p = 6. Тогда:
q– число пазов на полюс и фазу;
z1 – число пазов статора;
m – число фаз m = 3.
И полюсное деление выраженное в зубцовых делениях:
– полюсное деление в числах пазов;
– полюсное деление в числах пазов.
В соответствии с формулой и табличными данными принимаю y = 10.
Схема этой обмотки при последовательном соединении всех групп сразу изображены на рис.2.1 причем для большей 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 = 4 стороны (пазов) в каждой зоне. Если пазы 12 и 3 отвести для зоны фазы A то зоне фазы B нужно отвести пазы 78 и 9 так как фаза B должна быть сдвинута относительно фазы A на 120о или на 6 пазов. Зона С сдвинута относительно зоны B также на 120о и занимает пазы 13 14 и 15. На протяжении следующих двойных полюсных делений чередование зон A B и C происходит с такой же закономерностью. Таким образом распределена половина фазных зон и пазов верхнего слоя.
Другие фазные зоны также распределены по фазам А В С и обозначены соответственно X Y Z. При этом для зон X принадлежащих фазе А отводим пазы которые сдвинуты относительно зон А на = 12 пазов т.е. пазы 1011 и 12. Аналогично зонам Y – пазы 16 17 и 18 а зонам Z– пазы 4 5 и 6.
Различие между зонами А В С и X Y Z состоит в том что ЭДС в соответствующих сторонах катушек сдвинуты по фазе на 180о. В следствии их сдвига в магнитном поле на одно делении или нечетное число полюсных делений. В результате получим распределение верхних сторон катушек (пазов) по фазным зонам. Поскольку в рассматриваемом случае шаг укорочен на одно зубцовое деление то нижние стороны пазов будут сдвинуты на одно зубцовое деление влево. Распределение нижних сторон по зонам можно и не проводить так как оно получится автоматически при вычерчивании лобовых соединений катушек.
3Расчет 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. На рис 2.2 принят момент времени когда токи катушек в зонах ABC равны соответственно 15; 2. Полученную кривую МДС разделяют осью абсцисс таким образом чтобы сумма площадей положительных полуволн равнялась сумме площадей отрицательных полуволн.
На рис 2.3 указаны построения для случая когда фаза токов изменилась на 30о и ia = Im ib = 0 ic = - Im.
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ
1Построение 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. На рис. 3.1. приведена Г - образная схема замещения.
- реактивное сопротивление холостого хода.
- реактивное сопротивление короткого замыкания.
Значение X1 вычисляется по формуле:
- индуктивное сопротивление рассеивания статора;
- главное индуктивное сопротивление.
Значение R1 расчитывается по формуле:
- активное сопротивление.
Получаем параметры схемы замещения в относительных единицах:
Номинальный фазный ток статора определяется по формуле:
P2ном – номинальная мощность;
cos φ – коэффициент мощности.
Осуществляем перевод параметров схемы замещения из относительных единиц в абсолютные:
X – сопротивление в относительных единицах;
x – сопротивление в абсолютных единицах Ом.
x0 = 1012 Омr1 = 016 Ом = 006 Ом
xк = 069 Ом = 012 Ом
2Построение круговой диаграммы
Вначале построения круговой диаграммы определим масштаб тока:
DК =150 мм – диаметр круговой диаграммы.
Затем определим вектор тока холостого хода:
Построение круговой диаграммы на комплексной плоскости начнем с построения векторов U1ф и I0. Под углом 8862 откладывают отрезок OO’ который равен:
При этом отрезок О’О 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 этом диаметре строят окружность с центром в точке ОD. Далее проводим линию xr переменного параметра r параллельно оси +1.сопротивлений находим как:
На линии переменного параметра откладываем отрезки bc:
После этого проводим линию моментов OB и линию мощности OC. На круговой диаграмме отмечаем точки В и С. Таким образом на окружности определяют характерные точки: O (S=0) – идеальный холостой ход C (S=1) – короткое замыкание.
На круговой диаграмме машины занимает дугу окружности OC от точки S=0 до точки S=1. Точка S=1 соответствует трансформаторному режиму работы асинхронного двигателя. Тормозной режим занимает дугу CB. Генераторный режим работы занимает дугу окружности OB от точки S=0 до - .
3Расчет механической характеристики двигателя по круговой диаграмме.
Предварительно рассчитаем номинальный вращающий момент:
P2ном – номинальная мощность кВт;
nc – синхронная частота вращения поля статора nc = 1000 обмин;
Sном – номинальное скольжение.
Затем на круговой диаграмме строят шкалу скольжения. Для построения шкалы скольжений через точки В и С проводим прямую линию. Проводим радиус ОDВ. Перпендикулярно радиусу ОDВ проводим линию 01. Отрезок 01 представляет собой равномерную шкалу скольжений которую разбиваем на 10 частей. Затем находим номинальную точку. Для этого определяем масштаб мощности:
По известному номинальному моменту определяем отрезок mn соответствующий этому моменту:
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 В. На шкале скольжений получаем sном=25 %. 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 = 90 % . Отрезок МК – перпендикуляр из точки С к диаметру круговой диаграммы соответствует в масштабе Мкр = 1625 Н*м. Величину пускового момента Мп определяем проведя перпендикуляр из точки С к диаметру круговой диаграммы. Мп = 834 Н*м.
Из круговой диаграммы для построения механической характеристики составляем таблицу 3.1
С помощью круговой диаграммы характеристики и основные параметры машины определяют не только для двигательного но и для генераторного и тормозного режимов. Круговая диаграмма представлена на рис 3.2
4Расчет рабочей характеристики двигателя по круговой диаграмме.
Под рабочими характеристиками понимают зависимость: I1(P2) S(P2) (P2) cosφ(P2) M(P2). Для того чтобы построить эти зависимости необходимо дополнить диаграмму шкалами КПД и cos φ.
Для построения шкалы КПД продолжаем линию мощности влево до пересечения с мнимой осью (точка а) и правее на отрезке Сс отложим точку с’ потом проводим линию с’d параллельно диаметру круговой диаграммы. Отрезок с’d представляет собой равномерную шкалу КПД.
Для построения шкалы коэффициента мощности(cosj) проводим окружность радиусом 100мм из точки O’. Отрезок O’j представляет собой равномерную шкалу cosj.
Для построения рабочих характеристик по круговой диаграмме выбираем несколько точек и для каждой определяем скольжение s величину тока I1 значение момента М cosj мощность на валу Р2 и мощность потребляемую двигателем от сети Р1. Данные рабочих характеристик приведены в таблице 3.2
Рабочие характеристики представлены на рис. 3.3.
5Расчет механической характеристики по формуле Клосса. Построение механической характеристики.
Механическая характеристика определяется следующими точками: номинальным пусковым моментом Mп при скольжении S=1; минимальным вращающим моментом Mm максимальным моментом Mкр при S=Sкр; номинальным моментом Mном 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 Sк.
Приближенные значения для построения механических характеристик можно получить по упрощенной формуле Клосса:
Значение Мк определим из соотношения Мк = mк*Мном = Нм. Величину sк вычислим по зависимости sк = sном=0075.
Теперь задаваясь рядом значений s в диапазоне 0 – 1 по формуле Клосса определяем точки механической характеристики двигателя которые заносим в таблицу 3.3
Далее по таблицам 3.1 и 3.3 строим механические характеристики. По вертикальной оси откладываем а по горизонтальной s. На этом же графике строим механическую характеристику двигателя построенную по справочным данным. Механические характеристики показаны на рис 3.4
Круговая диаграмма построенная на основании упрощенной схемы замещения 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.
Вольдек А. И. Электрические машины. Л. : Энергия 1978. – 832с.
Кравчик Справочник по асинхронным машинам серии 4А
Справочник по электрическим машинам : В 2 т. Под общ. Ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. Т. 1.-М.: Энергоатомиздат 1988. –456 с.:
Проектирование электрических машин. Под ред. И. П. Копылова. – М.: Энергия 1980.- 496 с.:
Асинхронный двигатель 4А180М8У3

Лист1Автокад.dwg

Форма и размеры пазов статора
Форма и размеры пазов ротора
Асинхронный двигатель

Спецификация автокад.dwg

Асинхронный двигатель
Чертеж общего вида АД
Лобовая часть обмотки
Выходные отверстия станины
Рым-болт М10&E15 ГОСТ7781-70
Стопорный винт М6&E20 ГОСТ17475-72
Болт 2М6&E15 ГОСТ7798-70
Болт 2М5&E8 ГОСТ7798-70
Подшипник 206 ГОСТ8338-75

Лист2автокад.dwg

Рабочие характеристики двигателя
- по круговой диаграмме
- по справочным данным
Механические характеристики двигателя
Схема фазных зон обмотки статора двигателя 4АН225М6У3
Кривая н.с. для момента времени t1
Кривая н.с. для момента времени t2
Исследование асинхронного
двигателя 4АН225М6У3

Лист2.cdw

- по круговой диаграмме
- по справочным данным
Механические характеристики двигателя
Схема фазных зон обмотки статора двигателя 4АН225М6У3
Кривая н.с. для момента времени t1
Кривая н.с. для момента времени t2
Исследование асинхронного
двигателя 4АН225М6У3
Рабочие характеристики двигателя

Лист1.cdw

Форма и размеры пазов статора
Форма и размеры пазов ротора
Асинхронный двигатель

Спецификация.spw

Асинхронный двигатель
Чертеж общего вида АД
Лобовая часть обмотки
Выходные отверстия станины
Подшипник 206 ГОСТ8338-75