Проектирование трехфазного асинхронного двигателя на 10 кВт

КП.doc

Основной задачей проектирования асинхронного двигателя как и любой электрической машины является выбор оптимальных параметров (главные размеры расчет потерь тепловой и вентиляционный расчеты и др.) проектируемой машины. Ниже представлен полный расчет параметров асинхронного двигателя необходимых для его производственного воплощения. Также собраны в таблицу данные расчета рабочих характеристик асинхронного двигателя и данные расчета пусковых характеристик. Курсовой проект включает в себя 45 страницы пояснительной записки (2 таблицы 9 рисунков 3 графика) и графическую часть: конструкция спроектированного двигателя (1 ватман формата А1).
Определение главных размеров6
Определение z1 w1 и сечения провода обмотки статора8
Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора11
Расчёт намагничивающего тока19
Параметры рабочего режима22
Расчёт рабочих характеристик29
Список использованной литературы48
Электротехническая промышленность – ведущая отрасль народного хозяйства. Её продукция используется почти во всех промышленных установках поэтому качество электротехнических изделий во многом определяет качество продукции других отраслей промышленности. Электрические машины в общем объёме производства электротехнической промышленности занимают основное место поэтому эксплуатационные свойства новых электрических машин имеют важное значение для экономики страны.
Проектирование электрических машин – это искусство соединяющее знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом накопленным поколениями инженеров-электромехаников умением применять вычислительную технику и талантом инженера создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.
При проектировании учитывается соответствие технико-экономических показателей машин современному уровню. Проектирование электрических машин производится с учётом требований государственных и отраслевых стандартов. При проектировании электрических машин учитывают назначение и условия эксплуатации стоимость активных и конструктивных материалов КПД технологию производства надёжность в работе. Проектирование электрических машин неотделимо от технологии их изготовления. Поэтому при проектировании необходимо учитывать возможности электротехнических заводов стремиться к максимальному снижению трудоёмкости.
Определение главных размеров
.Число пар полюсов:. (1.1)
Высота оси вращения (предварительно): мм
. Принимаем ближайшее меньшее значение мм и наружный диаметр статора асинхронного двигателям .
Внутренний диаметр статора: м
=072 - характеризует отношение внутреннего и внешнего диаметра асинхронного двигателя .
Полюсное деление: м. (1.2)
= 0945 – отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению ; h=087 и cosj=078 – значения КПД и коэффициента мощности АД .
Электромагнитные нагрузки (предварительно):
Обмоточный коэффициент для двухслойной обмотки (предварительно): kоб1=091 .
Расчётная длина воздушного зазора:
коэффициент полюсного перекрытия и коэффициент формы поля в асинхронных машинах определяются степенью уплощения кривой поля в зазоре возникающей при насыщении зубцов статора и ротора и могут быть достаточно достоверно определены только после расчета магнитной цепи. Поэтому до расчета магнитной цепи удобнее рассматривать синусоидальное поле а влияние уплощения учесть при расчете магнитного напряжения отдельных участков магнитной цепи. Основываясь на этом значения коэффициентов предварительно принимают равными: ; синхронная угловая скорость вала двигателя: W=радс .
Критерием правильности выбора главных размеров D и служит отношение: (1.5)
полученное значение l находится в рекомендуемых пределах (до 2).
В результате проделанных вычислений получены значения высоты оси вращения h внутреннего диаметра статора D наружного диаметра статора расчётной длины воздушного зазора и полюсного деления .
Определение z1 w1 и сечения провода обмотки статора
Предельные значения t1 – зубцовое деление : t1ma t1min=9 мм
Число пазов статора:
Принимаем Z1=72 тогда число пазов на полюс и фазу:
Принимаю двухслойный тип обмотки.
Зубцовое деление статора (окончательно):
Число эффективных проводников в пазу (предварительно при условии что а=1):
– номинальный ток обмотки статора:
Принимаем а=2 тогда .
Окончательные значения:
число витков в фазе обмотки: ; (2.6)
линейной нагрузки: Ам; (2.7)
для двухслойной обмотки с q=3 : kоб1=kР×kу=096×096=0922; для м - = 0945. ;
индукция в воздушном зазоре: Тл. (2.9)
Так как линейная нагрузка и индукция в воздушном зазоре при принятом числе пазов Z1 и эффективных проводников в пазу находятся в рекомендуемых пределах переходим к расчёту сечения эффективного проводника и обмоточного провода.
Плотность тока в обмотке статора (предварительно):
А2м3 – среднее значение произведения (плотности тока на значение линейной нагрузки .
Сечение эффективного проводника (предварительно):
принимаем число элементарных проводников nэл=2 и выбираем по таблице обмоточный провод ПЭТМ : dэл=118 мм – номинальный диаметр неизолированного провода; dиз=126 мм – среднее значение диаметра изолированного провода; qэл=1094 мм2 – площадь поперечного сечения неизолированного провода qэф= 21094=2188 мм2.
Плотность тока в обмотке статора (окончательно):
Обмотка статора приведена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Обмотка статора
Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора
Паз статора с соотношением размеров обеспечивающим параллельность боковых граней зубцов.
Рисунок 3.1 - Паз статора
Принимаем предварительно:
Вz1=16 Тл - значение индукции на ярме статора; Ва=19 Тл значение индукции на зубцах статора при постоянном сечении (всыпная обмотка) тогда:
ширина зубца: мм где (3.1)
- длина стали сердечников статора (в асинхронных двигателях длина сердечников которых не превышает 250-300 мм радиальных вентиляционных каналов не делают сердечники шихтуются в один пакет для такой конструкции справедливо ); – коэффициент заполнения сталью магнитопроводов статора и ротора асинхронных двигателей .
высота ярма: мм. (3.2)
Разметы паза в штампе принимаем bш=37 мм – ширина шлица паза ; hш - высота шлица паза (так как h=160 мм то hш=1 мм ):
при -угол наклона граней клиновой части:
Размеры паза в свету с учётом припуска на сборку:
и - припуски по ширине и высоте паза (при h=160 мм ==02 мм
Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:
Площадь поперечного сечения прокладок в пазу:
Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу:
односторонняя толщина изоляции в пазу мм .
Коэффициент заполнения паза:
Полученное значение удовлетворяет условию.
Рисунок 3.2 - Размеры паза в штампе
Воздушный зазор: : мм.
Число пазов ротора : .
Зубцовое деление: . (4.2)
Внутренний диаметр ротора равен диаметру участка вала так как сердечник непосредственно насажен на вал:
Ток в стержне ротора: А где (4.4)
- коэффициент учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение ; - коэффициент приведения токов. (4.5)
Площадь поперечного сечения стержня предварительно:
[плотность тока в стержне литой клетки принимаем Ам2].
Принимаем размеры шлица: мм и мм высота перемычки над пазом мм .
Рисунок 4.1 - Грушевидный закрытый паз короткозамкнутого ротора
Допустимая ширина зубца: где (4.7)
- зубцы ротора при постоянном сечении .
Принимаем мм; мм; мм.
Сечение стержня окончательно:
Рисунок 4.2 - Размеры паза ротора в штампе
Плотность тока в стержне: Ам2. (4.13)
Короткозамыкающие кольца.
Рисунок 4.3 - Замыкающие кольца короткозамкнутого ротора
Площадь поперечного сечения предварительно:
- токи в кольце; (4.15.)
Размеры замыкающих колец:
Расчёт намагничивающего тока
в зубцах статора: Тл; (5.1)
в зубцах ротора: Тл; (5.2.)
в ярме статора: Тл; (5.3)
в ярме ротора:Тл где (5.4)
- расчётная высота ярма ротора.
Магнитное напряжение воздушного зазора:
- коэффициент воздушного зазора если одна из поверхностей гладкая где: .
Магнитные напряжения зубцовых зон:
: Ам при Тл; Ам при Тл; мм; мм.
Коэффициент насыщения зубцовой зоны:
Полученное значение позволяет предварительно оценить правильность выбранных размерных соотношений и обмоточных данных проектируемой машины. Коэффициент насыщения зубцовой зоны должен входить в отрезок .
Магнитные напряжения ярм статора и ротора:
: Ам при Тл Ам при Тл
м – длинней магнитной линии ярма статора
м – длина средней магнитной линии потока в ярме ротора где
мм – высота спинки ротора.
. Магнитное напряжение на пару полюсов:
Коэффициент насыщения магнитной цепи: . (5.12)
Намагничивающий ток:А; (5.13)
относительное значение: . (5.14)
Относительное значение служит определённым критерием правильности произведённого выбора и расчёта размеров и обмотки двигателя. Относительное значение намагничивающего тока должно входить в отрезок
Параметры рабочего режима
Активное сопротивление фазы обмотки статора:
Для класса нагревостойкости изоляции F расчётная 0С. Для меди .
Длина проводников фазы обмотки м где
м – средняя длина витка как сумма прямолинейных пазовых и изогнутых лобовых частей катушки; м – длина пазовой части равна конструктивной длине сердечников машины; длина лобовой части: м где В=001 м – длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части; коэфициентКЛ=14;
м - средняя ширина катушки определяемая по дуге окружности проходящей по серединам высоты пазов где - относительное укорочение шага обмотки статора. Для диаметральных двухслойных обмоток выполненных без укорочения шага принимают .
Длина вылета лобовой части катушки:
Рисунок 6.1 - Катушка двухслойной обмотки. Общий вид.
Относительное значение: . (6.3)
Активное сопротивление фазы обмотки ротора:
Ом – сопротивление стержня;
Ом – сопротивление участка замыкающего кольца заключённого между двумя соседними стержнями где для литой алюминиевой обмотки ротора м.
Приводим r2 к числу витков обмотки статора:
Относительное значение: . (6.6)
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:
где коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния
(6.8) где мм; мм; ; ; при диаметральном шаге дхуслойных обмоток: ; ; при отсутствии вентиляционных каналов м.
коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:
коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния:
для (коэффициент скоса выраженный в долях зубцового деления ротора при отсутствии скоса ) и
Относительное значение: . (6.11)
Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:
коэффициент магнитной проводимости пазов рассеяния короткозамкнутых роторов:
мм мм мм (для рабочего режима);
коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора: где (6.15)
Приводим x2 к числу витков статора:
Относительное значение: . (6.18)
Потери в стали основные:
Вткг и - удельные потери для стали 2013 ; коэффициенты учитывающие влияние на потери в стали неравномерного распределения потока по сечениям участков магнитопровода и технологических факторов: kда=16; kдz=18;
высота ярма статора:
масса стали зубцов статора:
- расчётная высота зубца статора; - средняя ширина зубца статора; - удельная масса стали.
Поверхностные потери в роторе:
удельные поверхностные потери в роторе:
- коэффициент учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери; амплитуда пульсаций индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов ротора:
Пульсационные потери в зубцах ротора:
Тл – амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов где из п. 5.2. расчёта;
масса стали зубцов ротора:
- расчётная высота зубца ротора; - средняя ширина зубца ротора.
Сумма добавочных потерь в стали:
Полные потери в стали:
Механические потери:
для двигателей коэффициент .
Добавочные потери при номинальном режиме:
Холостой ход двигателя:
ток холостого хода:А где (7.14)
реактивная составляющая тока: ;
активная составляющая тока:
Вт – электрические потери в статоре при холостом ходе.
Коэффициент мощности при холостом ходе:
Расчёт рабочих характеристик
Схемы замещения фазы асинхронной машины основанные на приведении процессов во вращающейся машине к неподвижной представлены на рисунке 8.1. Физические процессы в асинхронной машине более наглядно отображает схема на рисунке 8.1. (а) но для расчёта удобнее преобразованная схема 8.1. (б).
Сопротивление взаимной индуктивности и расчётное сопротивление (или ) введение которого учитывает влияние потерь в стали статора:
Рисунок 8.1 - Схемы замещения фазы обмотки приведённой АД
Коэффициент представляет собой взятое с обратным знаком отношение вектора напряжения фазы к вектору ЭДС при синхронном вращении машины с учётом сдвига фаз этих векторов:
Так как то реактивной составляющей коэффициента пренебрегать нельзя:
активная составляющая: (8.4)
реактивная составляющая:
полное значение: . (8.6)
Активная составляющая тока синхронного хх:
Потери не меняющиеся при изменении скольжения:
Принимаем и рассчитываем рабочие характеристики задаваясь S=005; 001; 0015; 002; 0026; 003.
После построения кривых уточняем значение номинального скольжения.
Результаты расчёта сведены в таблицу №1. Характеристики представлены на рисунке А.
Номинальные данные спроектированного двигателя: кВт; В; А; ; .
Расчёт пусковых характеристик.
Рассчитываем точки характеристик соответствующие скольжениям S=1; 08; 05; 02; 01 и критическому скольжению.
Подробный расчёт приведён для скольжения S=1. Данные расчёта других точек сведены в таблицу № 2. Пусковые характеристики спроектированного двигателя представлены на рисунке Б.
Параметры с учётом вытеснения тока.
Приведённая высота стержня для литой алюминиевой обмотки ротора при расчётной температуре :
Активное сопротивление обмотки ротора.
Глубина проникновения тока: мм; (8.13)
мм2 где (8.14)мм. (8.15)
Коэффициент показывающий во сколько раз увеличилось активное сопротивление пазовой части стержня при неравномерном распределении тока в нём по сравнению с его сопротивлением при одинаковой плотности по всему сечению стержня :
Рисунок 8.2 - Расчётная глубина проникновения тока в стержнях
Коэффициент общего увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока:
Приведённое активное сопротивление фазы ротора с учётом действия эффекта вытеснения тока:
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния короткозамкнутого ротора :
при s=1 предварительно принимаем .
Изменение индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока:
Индуктивное сопротивление обмотки ротора:
Ток ротора приближённо без учёта влияния насыщения:
Учёт влияния насыщения на параметры.
Принимая для s=1 коэффициент насыщения и и приводим расчёт для А.
Средняя МДС обмотки отнесённая к одному пазу обмотки статора:
Фиктивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре:
Значение дополнительного раскрытия пазов статора:
Вызванное насыщением от полей рассеяния уменьшение коэффициента проводимости рассеяния открытого паза статора:
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния при насыщении для статора:
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения:
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учётом влияния насыщения:
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока:
Дополнительное раскрытие для короткозамкнутых роторов:
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния при насыщении для ротора:
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учётом влияния насыщения:
Приведённое индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учётом влияния вытеснения тока и насыщения:
Сопротивление взаимной индукции обмоток в пусковом режиме:
Расчёт токов и моментов.
Ток в обмотке ротора:
Ток обмотки статора:
Относительные значения тока и момента:
Расчёт остальных точек проводим в последовательности определённой в формуляре . Для учёта влияния насыщения определяем сопротивления и которые определяются в зависимости от токов. Их прямое определение до расчёта пусковых характеристик невозможно так как токи ещё неизвестны. Поэтому и находим для каждого из назначенных скольжений методом последовательных приближений.
Приближённо по параметрам рабочего режима определим критическое скольжение:
По формуляру расчёта пусковых характеристик рассчитываем и . Принимаем что при этом скольжении влияние насыщения сказывается мало и а изменение от до происходит по линейному закону (рисунок В). Далее для каждого из назначенных скольжений находим приближённое значение и проводим расчёт сопротивлений и токов так же как и при .
Критическое скольжение определяем после расчёта всех точек пусковых характеристик по средним значениям сопротивлений и соответствующим скольжениям :
после чего рассчитываем точку характеристики соответствующую Sкр=012: Mmax*=343.
Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя:
К=018 – коэффициент учитывающий что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передаётся через станину непосредственно в окружающую среду; электрические потери в обмотке статора в пазовой части катушек:
среднее значение коэффициентов теплоотдачи с поверхности ; коэффициент увеличения потерь для
обмоток с изоляцией класса нагревостойкости класса F: .
Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:
- расчётный периметр поперечного сечения паза статора; - для класса нагревостояйкости F; - среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней изоляции катушек всыпной обмотки из эмалированного провода (для ).
Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:
электрические потери в обмотке статора в лобовых частях катушек:
периметр условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки мм.
Превышение температуры наружной поверхностей лобовых частей над температурой воздуха внутри машины:
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины:
Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды:
сумма потерь отводимые в воздух внутри двигателя:
- сумма всех потерь в двигателе при номинальном режиме работы и расчётной температуре (таблица 1);
эквивалентная поверхность охлаждения корпуса:
- среднее значение периметра поперечного сечения рёбер АД
; - среднее значение коэффициента подогрева воздуха .
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды :
Полученное значение температуры удовлетворяет ГОСТ 183-74
Требуемый для охлаждения расход воздуха:
- коэффициент учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса обдуваемого наружным вентилятором коэффициент - для двигателей с и .
Расход воздуха обеспечиваемый наружным вентилятором:
Расход воздуха больше требуемого для охлаждения машины :
.Таблица №1 - Данные расчёта рабочих характеристик асинхронного двигателя с к.з. ротором
Таблица №2 - Данные расчёта пусковых характеристик двигателя
По ГОСТ 19523-74 на асинхронные двигатели с короткозамкнутыми роторами серии 4А допустимые относительные значения момента и начального пускового тока соответственно 12÷13 и 50÷65.
В ходе расчёта электрической машины были получены относительные значения момента и начального пускового тока соответственно 11 и 57.
Таким образом пусковой момент получился несколько ниже чем это требует ГОСТ для данной серии машин. Но если учесть что параметры расчётных величин разительно отличаются от прототипа 4А225М6У3 а сам расчёт производиться исключительно в учёбных целях расхождение можно считать приемлемым.
Пусковой ток укладывается в требования ГОСТ и имеется значительный запас до предельного значения. Кроме того эффективная площадь поперечного сечения проводника в пазу статора имеет небольшой запас. Следовательно получаем меньшую плотность тока меньшие электрические потери значительный запас по превышению температуры обмотки статора над температурой окружающей среды для изоляции класса F. Таким образом имеем большой запас надёжности электрической машины при незначительных затратах.
Получившееся значение коэффициента заполнения подходяще для технологии современного машиностроения; значения коэффициента насыщения зубцовой зоны и намагничивающего тока находятся в допустимых пределах. Значит выбранные размерные соотношения и обмоточные данные машины верны.
Коэффициент мощности рабочего режима у спроектированной машины не меньше чем у прототипа. Коэффициент полезного действия рабочего режима на шесть сотых меньше чем у прототипа. Основная задача проектирования выполнена – получена электрическая машина с оптимальными параметрами.
Список использованной литературы
“Проектирование электрических машин “; под редакцией И.П.Копылова. – М.: Энергия 1980.
“Проектирование электрических машин “; П.С.Сергеев Н.В.Виноградов. – М.: Энергия 1969.
Брускин Д.Э. Зорохович А.Е. Хвостов В.С. Электрические машины ч.12 – М.: Высшая школа 1987.
Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник А90 А.Э.Кравчик М.М.Шлаф В.И.Афонин Е.А.Соболевская. – М.:Энергоиздат 1982.

Чертеж.cdw

Двигатель асинхронный
Электродвигатель должен соответствовать требованиям ГОСТ 18709
по установочно и присоединительным размерам.
Наружную поверхность покрыть эмалью НЦ-11 ГОСТ 9198-83
цвет серый или оранжевый.
Лакокрасочные покрытия должны быть не ниже
класса ГОСТ 9.032-74
Пайку производить припоем ПОССу 61 -05 ГОСТ 21.931 -76 в соответствии
с требованиями ОСТ 4.ГО.054.267. Провод крепить механически
Посадочные поверхности подшипника поз. 16 смазать смазкой
Произвести консервацию концов вала ротора поз. 20 по ОСТ 190109-73
Вывода бандажировать шнур - чулком
Моменты затягивания резьбовых соединений М6 (6 8) Нм
Общие требования по ОСТ 102579-86
Поле знака заземления покрыть эмалью ЭП-140 красного цвета