Проектирование асинхронного электродвигателя

чертеж электродвигателя .cdw

Наружная крышка подшипника
Внутренняя крышка подшипника
Замыкающее кольцо ротора с вентиляционной лопаткой
Балансировочный груз
Асинхронный двигатель
с короткозамкнутым ротором

Курсовой электрические машины 14.03.13 doc.doc

Министерство образования и науки РФ
ФГАОУ ВПО Российский государственный профессионально-педагогический университет
По курсу: «Электрические машины и электропривод»
Выбор главных размеров 5
Определение и сечения провода обмотки статора 7
Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора. 10
Расчет намагничивающего тока 15
Параметры рабочего режима 19
Расчет рабочих характеристик двигателя 25
Расчет пусковых характеристик двигателя 28
Расчет вентиляции 36
Построение круговой диаграммы 37
Схема замещения асинхронной машины 39
Список используемой литературы. 40
Асинхронный электродвигатель - двухобмоточный электрический двигатель одна из обмоток которого питается от сети переменного напряжения а другая замкнута накоротко или на сопротивление.
Асинхронные двигатели находят широкое применение в хозяйстве. По разным данным около 70% всей электрической энергии преобразуемой в механическую вращательного или поступательного движения потребляется асинхронными электродвигателями.
Широкое применение асинхронных двигателей связано с простотой их конструкции ее технологичностью и минимальными затратами в эксплуатации по сравнению с другими видами электрических машин таких как двигатели постоянного тока синхронными двигателями и т.д.
Трехфазный асинхронный электродвигатель традиционного исполнения выполняющего вращательное движение (конструкция такого двигателя впервые была предложена М.О. Доливо-Добровольским в 1889 году) состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.
Статор состоит из станины в которую впрессован сердечник статора – магнитопровод статора с распределенной обмоткой. Назначение сердечника – создание вращающегося магнитного поля. Магнитопровод состоит из штампованных изолированных друг от друга листов электротехнической изотропной (в крупных машинах – анизотропной) стали толщиной (в зависимости от размеров и необходимых параметров машины) от 028 до 1мм.
Сердечник ротора двигателя аналогично сердечнику статора набирается из листов электротехнической стали. Обмотки роторов бывают короткозамкнутые из алюминиевого литья и фазные которые аналогично обмотке статора выполнены из изолированного медного
провода концы обмоток выводятся на контактные кольца закрепленные на вале ротора далее посредством щеточного контакта к обмотке ротора можно подключить пусковой реостат.
В данном курсовом проекте речь пойдет о трехфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором.
Согласно заданию необходимо спроектировать трехфазный асинхронный электродвигатель мощностью 185 кВт
напряжением 220380660 В при частоте 50 Гц;
ротор – короткозамкнутый
исполнение двигателя по степени защиты
Класс нагревостойкости изоляции F
кратность начального пускового момента-32;
кратность начального пускового тока 75;
коэффициент полезного действия 90%;
коэффициент мощности cos f 088;
исполнение по форме монтажа IM 1081
В качестве базовой модели принята конструкция асинхронного двигателя серии 4А.
Выбор главных размеров
Внешний диаметр сердечника статора
Внутренний диаметр сердечника статора
D= kDDА =052278 145 мм
гдекЕ=098 – коэффициент по рисунку ;
h’=90% – среднее значение КПД;
cosj’=089 – среднее значение cosφ .
Расчетная длина сердечника статора
гдекоб1=096 – предварительный обмоточный коэффициент для однослойной обмотки;
кВ=111 –коэффициент формы поля;
А'1=36000 Ам – предварительная электромагнитная нагрузка ;
В'б=074 Тл – предварительная индукция .
Выбираем значение l1= 130мм
Определяем отношение l
Что меньше предельно допустимого значения lmax=09 .
Определение и сечения провода обмотки статора
Сердечник собирают из отдельных отштампованных листов электротехнической стали марки 2214 толщиной 05 мм с изолированием листов оксидированием. Коэффициент заполнения сталью kС=097. Принимаем форму паза трапецеидальную полузакрытую. Обмотка однослойная всыпная концентрическая
Максимальное число пазов
где=175 – максимальная величина зубцового деления статора;
=144 – минимальная величина зубцового деления .
Количество пазов сердечника статора
Количество пазов на полюс и фазу
Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора
Принимаем однослойную всыпную концентрическую обмотку и проводов марки ПЭТВ укладываемую в трапецеидальные полузакрытые пазы
Номинальный фазный ток
Количество эффективных проводников в пазу (9.16)
гдеа=1 – количество параллельных ветвей обмотки статора (глава 3).
Количество витков в обмотке
гдеkОБ1=kР1kУ1=0958095=0911 – уточненный обмоточный коэффициент.
kР1=0958 – коэффициент распределения обмотки (таблица 3.16)
kУ1=095 – коэффициент укорочения.
Уточненная индукция в воздушном зазоре
Уточненная линейная нагрузка статора
Предварительная плотность тока в обмотке статора
Предварительная площадь поперечного сечения эффективного проводника
Предварительное сечение элементарного проводника
гдеnЭЛ=7 – количество элементарных проводов в эффективном.
По приложению 3 находим ближайший стандартный провод
dd'=13214 мм;S=1368 мм2.
Площадь поперечного сечения эффективного проводника
Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора.
Расчет размеров зубцовой зоны статора
гдеВЗ1=18 Тл – среднее значение магнитной индукции в зубцах статора (таблица9.14).
Высота спинки статора
гдеВА=16 Тл – среднее значение магнитной индукции в спинке статора .
Меньшая сторона паза
гдеbШ=37 мм – ширина шлица .
Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку
b1=b1 - ΔbП=94 – 02=92 мм;
b2=b2 - ΔbП=151 – 02=149 мм;
h1=h1 - ΔhП=275 – 02=273 мм
гдеΔbП= ΔhП=02 – припуски на штамповку .
Площадь поперечного сечения корпусной изоляции (9.31)
SИЗ=bИЗ(2hП+b1+b2)=04(2313+94+151)=3484 мм2
гдеbИЗ=04 мм – односторонняя толщина корпусной изоляции по таблице 3.1.
Площадь поперечного сечения паза для размещения обмотки
SПР=145 – площадь поперечного сечения прокладок.
Коэффициент заполнения паза (9.35)
Коэффициент заполнения сталью
Воздушный зазор между статором и ротором
Внешний диаметр ротора
D2=D1-2d =145-2·04=1442 мм.
Внутренний диаметр ротора
Dj=DВ»023DA=023278=60 мм.
Длина магнитопровода ротора
Число пазов ротора (таблица 8.16)
Зубцовое деление ротора
tZ2=pD2Z2=314·144238=1192.
Ток в обмотке ротора
– коэффициент приведения токов.
Предварительная площадь поперечного сечения стержня
qc=I2J2=3522129=12145.
Размеры трапецеидальных закрытых пазов
Принимаем bш=15 мм; hш=07 мм; h'ш=03 мм.
Допустимая ширина зубца
Больший радиус паза
Меньший радиус паза
Расстояние между центрами радиусов
h1=(b1-b2)z2(2p)=(61-15)38(2314)=278 мм.
Уточненная ширина зубцов ротора
hп2=h'ш+hш+b12+h1+b22=03+07+612+278+152=326 мм.
Площадь поперечного сечения стержня
qc=8(b21+b22)+05(b1+b2)h1=3148.(612+152)+05.(61+15)·278=1211мм2
Плотность тока в стержне
J2=I2qc=352211211=291 Амм2.
Размеры короткозамыкающего кольца
Iкл=I2D=35221017=213254 А
где D=2.sin(p.pz2)=2.sin(3142(238))=017
Плотность тока в замыкающих кольцах
Jкл=085.J2=085.291=247 Амм2.
Площадь поперечного сечения кольца
qкл= Iкл Jкл=213254247=86513 мм2.
Высота кольца литой клетки
hкл=125hп2=125·326=41 мм2.
bкл=qклhкл=8651341=21 мм2.
Средний диаметр кольца
Dкл.ср=D2-hкл=1442-41=1032 мм.
Расчет намагничивающего тока
Коэффициент воздушного зазора
МДС воздушного зазора
МДС зубцовой зоны статора
Расчетная индукция в зубцах
Напряженность магнитного поля (таблица П1.7)
Fz1=2hz1Hz1=2.313.10-3.1342=8399 А
где hz1=hп1=313 мм.
МДС зубцовой зоны ротора
МДС зубцовой зоны ротора
Fz2=2hz2Hz2=2·3245·10-3·1386=8994 А
где hz2=hп2-01b2=326-01·15=3245 мм.
Коэффициент насыщения зубцовой зоны
Высота ярма статора
hа=(Dа-D)2-hп1=(278-145)2-313=352 мм.
Длина средней силовой линии в ярме статора
Lа=p(Dа-hа)(2p)=314·(278-352)2=38139 мм.
Индукция в ярме статора
где hа=hа=352 мм – при отсутствии радиальных вентиляционных каналов.
Напряженность магнитного поля (таблица П1.6)
Fа= LаНа=38139·10-3·1692=64543 А.
hj=(D2-Dj)2-hп2=(1442-60)2-326=95 мм.
Длина средней силовой линии в ярме ротора
Lj=p(Dj+hj)(2p)=314·(60+95)4=10917 мм.
Расчетная длина ярма ротора
Индукция в ярме ротора
Fj=LjHj=10917·10-3·811=885 А.
Параметры магнитной цепи
Суммарная МДС магнитной цепи на пару полюсов
Fц=Fd+Fz1+Fz2+Fа+Fj=57018+8399+8994+64543+885=147803 А.
Коэффициент насыщения магнитной цепи
кm=FцFd=14780357018=259.
Намагничивающий ток
Намагничивающий ток в относительных единицах
Im*=ImI1ном=8013643=022.
Параметры рабочего режима
Активное сопротивление фазы обмотки статора
Средняя ширина катушки
где b=1 (для однослойной обмотки) – укорочение шага обмотки статора.
Длина лобовой части
lл1=KЛbкт+2B=12·2769+2·10=3523 мм
где B=10 мм. – длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца
сердечника до начала отгиба лобовой части;
Средняя длина витка обмотки
lср1=2(lп1+lл1)=2·(130+3523)=9646 мм
Длина проводников фазы обмотки
L1= lср1w1=9646·75=723477 мм.
Активное сопротивление обмотки статора
где р115=244·10-5 омм – удельное сопротивление материала обмотки.
Активное сопротивление обмотки в относительных единицах
r1*=r1I1номU1ном=0183643220=0031.
Активное сопротивление фазы обмотки ротора
Активное сопротивление стержня
где r115=488·10-5 Ом·м – для алюминиевого стержня.
Сопротивление участка замыкающего кольца
Активное сопротивление обмотки ротора приведенное к обмотке статора
Активное сопротивление обмотки ротора приведенное к обмотке статора в относительных единицах
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния
для bск=0 и =079 – k'ск=075.
Коэффициент проводимости пазового рассеяния
где h2=hп.к-2bиз=275-2·04=267 мм.; hк=05·(b1-bш)=05·(94-37)=285 мм; h1=0 (проводники закреплены пазовой крышкой); kb= k'b=1; l'd= ld=130 мм.
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния
λл1=034(л-064··)=034(3523-0640822777)=308.
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора
Относительное значение
Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора
где DZ=0 – при закрытых пазах.
где h0=h1+04b2=278+04·15=284 мм.
Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора
Индуктивное сопротивление обмотки ротора приведенное к обмотке статора
Основные потери в стали статора
Масса стали зубцов статора
Принимаем kДа=16; kДZ=18.
Основные потери в стали статора
Добавочные потери в стали
Амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре
B02=b02kdBd=04·119·0754=036 Тл
гдедля bшd=93 - b02=04 .
Удельные поверхностные потери для ротора
Поверхностные потери в роторе
Pпов2=pпов2(tZ2-bш2)Z2lст2=60225·(1192-15)·38·130·10-6=3101 Вт.
Масса стали зубцов ротора
Амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов
Пульсационные потери в зубцах ротора
Сумма добавочных потерь в стали
Pст.доб=Pпов1+Pпул1+ Pпов2+Pпул2=3101+1827=2137 Вт.
Полные потери в стали
Pст=Pст.осн+Pст.доб=3593+2137=57301 Вт.
Механические потери
гдеKT=13·(1-Dа)=13·(1-278·10-3)=094.
Электрические потери в статоре при холостом ходе
Активная составляющая тока холостого хода
Ток холостого хода двигателя
Коэффициент мощности при холостом ходе
Расчет рабочих характеристик двигателя
Последовательно включенное активное сопротивление
Последовательно включенное индуктивное сопротивление
Комплексный коэффициент
c1=1+x1x12=1+0859266=1032.
Используем приближенную формулу так как
Активная составляющая тока синхронного холостого хода
а'=c12=10322=107; b'=0;
a=c1r1=1032.018=019;
b=c1(x1+c1x2')=1032.(0859+1032.05)=1419.
Потери не изменяющиеся при изменении скольжения
Pст+Pмех=57301+50455=107755 Вт.
Данные расчета рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Зависимость cosφ от величины скольжения
Зависимость КПД от величины скольжения
Зависимость номинальной мощности двигателя от величины скольжения
Зависимость номинального тока двигателя от величины скольжения
Рисунок 8.1 – Рабочие характеристики
Постройте каждую характеристику отдельным графиком.
Расчет пусковых характеристик двигателя
Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета влияния насыщения от полей рассеяния)
Высота стержня в пазу
hc=hп-(hш+h'ш)=326-(07+03)=316 мм.
В роторах с литой обмоткой
Коэффициент магнитной проводимости участка паза занятого проводником с обмоткой
с1П=1+x1x12П=1+08596896=1012.
Таблица 9.1 Расчет токов в пусковом режиме с учетом влияния эффекта вытеснения тока
Расчет пусковых характеристик с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния
Высота скоса шлица паза статора при угле скоса = 45°
hк=(b1-bш)2=(94-37)2=285 мм.
Таблица 9.2 Расчет пусковых характеристик в пусковом режиме с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния
Максимальный момент двигателя
Рисунок 9.1 – Пусковые характеристики
Электрические потери в обмотке статора в пазовой части
где kr=107 – коэффициент увеличения потерь.
Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя
где K=022 – коэффициент учитывающий что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передается через станину непосредственно в окружающую среду;
a1=155 Втм2 – коэффициент теплоотдачи.
Расчетный периметр поперечного сечения паза статора
ПП1=2hПК+b1+b2=2.275+151+94=795 мм.
Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора
l'экв=134 Вт(м.°С) – среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней изоляции катушки.
Электрические потери в обмотке статора в лобовых частях
Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей
где Пл1=Пп1=795 мм – периметр условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки;
bиз.л1=005 мм – односторонняя толщина изоляции лобовой части катушки.
Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя
Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса
Sкор=(pDa+8Пр)(l1+2lвыл1)=(314.278+8.319)(130+2.765)=969.105 мм2
где Пр=319 мм – условный периметр поперечного сечения ребер корпуса двигателя.
Сумма потерь отводимых в воздух внутри двигателя
SP=231981 Вт – сумма всех потерь в двигателе.
Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды
где aв=20 Вт(м2.°С) (рисунок 8.70б) – коэффициент подогрева воздуха.
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды
Коэффициент учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса обдуваемого наружным вентилятором
Требуемый для охлаждения расход воздуха
Расход воздуха обеспечиваемый наружным вентилятором
Нагрев двигателя находится в допустимых пределах. Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.
Построение круговой диаграммы
Выбор диаметра окружности тока
По оси абсцисс отложим отрезок где
Перпендикулярно оси абсцисс вверх от т. O1 проведем отрезок где
Из проведем прямую параллельную оси абсцисс и сделаем на ней засечку
Проведем перпендикуляр к оси абсцисс отрезок
Через и проведем прямую отложим на ней диаметр окружности
Из проведем прямую перпендикулярно диаметру
На прямой отложить отрезки
Через и точки и проведем прямую до пересечения с окружностью в и полученные линии представляют собой:
- линию электромагнитных мощностей или вращающих моментов;
- линию механических мощностей развиваемых ротором;
Из середины отрезка проведем перпендикулярную линию к данному отрезку до пересечения с окружностью в (отрезок перпендикулярный к диаметру дает максимальный вращающий момент).
Радиусом равным 100мм проведем проведем дугу для определения
На линии перпендикулярной оси абсцисс отложим отрезок где - точка холостого хода
Для определения величин номинального режима выбираем произвольно на линии механических мощностей ротора точку и проводим из этой точки перпендикуляр к диаметру отрезок равный
Проводя через точку прямую параллельную отрезку получим точку приближенно соответствующую номинальному режиму.
Отрезок - соответствует номинальному режиму.
Рисунок 7 Круговая диаграмма двигателя
Схема замещения асинхронной машины
- активное сопротивление фазы статорной обмотки
- реактивное сопротивление фазы статорной обмотки
- активное сопротивление ротора приведенное к обмотке статора
- реактивное сопротивление ротора приведенное к обмотке статора
- активное сопротивление ветви намагничивания
- реактивное сопротивление ветви намагничивания
- номинальное фазное напряжение
- намагничивающий ток
- номинальный ток статора
- номинальный ток ротора
- активное сопротивление вторичной цепи машины
Список используемой литературы.
Проектирование электрических машин. И.П. Копылов. Москва. Высшая школа 2005 г.
Проектирование электрических машин. под. ред. Копылов И.П. Москва Энергия 1980 г.