Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

ПЗ.docx

Электрические машины в общем объёме производства электротехнической промышленности занимают основное место поэтому их технико-экономические и эксплуатационные свойства имеют важное значение для экономики страны.
Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии.
Проектирование электрических машин – это искусство соединяющее знание процессов электромеханического преобразование энергии с опытом накопленным поколениями инженеров-электромехаников умение применять вычислительную технику и талантом инженера создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.
При создании электрической машины рассчитывают размеры статора и ротора выбираются типы обмоток обмоточные провода тип изоляции материалы активных и конструктивных частей машины. При проектировании электрических машин необходимо учитывать соответствие их технико-экономических показателей современному уровню при соблюдении требований государственных и отраслевых стандартов а также назначение и условия эксплуатации стоимость активных и конструктивных материалов КПД технологию производства надёжность в работе и патентную чистоту.
Электродвигатели широко применяются на транспорте в качестве тяговых двигателей приводящих во вращение колёсные пары электровозов тепловозов электропоездов троллейбусов и др. За последнее время значительно возросло применение электрических машин малой мощности которые используют в устройствах автоматики и вычислительной техники. Особый класс электрических машин составляет двигатели для бытовых электрических устройств – пылесосов холодильников вентиляторов и др.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором широко используется в промышленности благодаря простоте устройства и управления надёжности в эксплуатации наименьшим массе габаритам и стоимости при заданной мощности. Их масса на единицу мощности в 15–20 раза ниже чем у двигателей постоянного тока.
В данной курсовой работе будут определены главные размеры и геометрия сердечников произведён расчёт обмоток статора и ротора рабочих характеристик потерь мощности и КПД магнитной системы а также проведён упрощенный тепловой расчёт.
Выбор главных размеров электрической машины
Проектирование машины общего назначения начинается с выбора базовой модели на которую ориентируются при выполнении всех расчётов и при конструировании двигателя. В данной работе за базовую модель примем один из типоразмеров двигателя серии 4А.
Определение главных размеров машины является важнейшим этапом её проектирования так как оптимальные их значения во многом определяют рациональное использование активных материалов.
Главными размерами асинхронной машины называют внутренний и наружный диаметры сердечника статора внутренний и наружный диаметры сердечника ротора величину зазора и расчётную длину статора т. е. длину без учёта вентиляционных каналов которые зависят от ряда факторов: номинальных данных машины высоты оси вращения выбранного класса нагревостойкости системы изоляции и других параметров значение которых влияет на выбор электрической и магнитной нагрузки.
Высота оси машины выбирается в соответствии с заданной мощностью и частотой вращения (числом пар полюсов) [1 c.9 таблица 2]. Так как мощность проектируемого электродвигателя Pн = 22 кВт число полюсов 2p = 2 то высота оси машины h = 180 мм условное обозначение длины машины – S (Small–меньшая).
Наружный D1Н и внутренний D1 диаметры сердечника статора выбираем в зависимости от высоты оси машины [1 с.10 таблица 4]. При высоте оси машины h = 180 мм и числе полюсов 2p = 2 принимаем значения наружного диаметра статора D1Н = 313 мм внутреннего – D1 = 171 мм.
Предварительными значениями КПД ’ и коэффициента мощности cosφ’1 зададимся в зависимости от величины номинальной мощности [1 с.11 рисунок1 2]. Так как номинальная мощность Pн = 22 кВт то предварительный коэффициент мощностиcosφ’1 = 0905 предварительный коэффициент полезного действия двигателя ’= 091.
Расчётная мощность асинхронного двигателя кВА
Выбираем предварительные значения индукции в магнитном зазоре и линейной нагрузки машины для степени защиты IP44 и способа охлаждения IC0141 [1 с. 12 рисунок 4]. Так как наружный диаметр статора D1Н = 313 мм то предварительное значение B’ = 092 Тл А’1 =36000Ам.
Выбираем предварительные значения обмоточного коэффициента двухслойных обмоток
Расчётная длина сердечника статора мм
Округляем полученное значение: li=105.
Коэффициент длины двигателя
Так как коэффициент длины двигателя укладывается в диапазон (05 –08)то это означает что главные размеры выбраны корректно и рассчитываемая электрическая машина будет рациональной.
Выбор размеров активной части двигателя
Сердечники статора и ротора набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 05 мм. Наиболее прогрессивным является применение холоднокатаной изотропной стали. Благодаря большей магнитной проницаемости меньшим удельным потерям лучшему качеству поверхности по сравнению с горячекатаной электротехнической сталью холоднокатаная сталь способствует повышению энергетических показателей проектируемого двигателя. Выберем способ изолирования листов стали в сердечниках [1 с. 14 таблица 6]:
Марка стали – 2013 так как высота оси машины h=180мм.
Способ изолирования листов стали в сердечниках статора и ротора – оксидирование.
Способ изолирования и толщина листов влияют на коэффициент заполнения сердечников сталью при указанной толщине и оксидировании:
Воздушный зазор между статором и ротором существенно влияет на технико-экономические показатели двигателя. При проектировании асинхронных двигателей общего назначения на напряжение до 1000 В воздушный зазор целесообразно принимать по данным двигателей единой серии 4А. Определим воздушный зазор между статором и ротором [1 с. 15 рисунок 5]. При высоте оси вращения двигателя равной 180 мм принимаем величину воздушного зазора = 08 мм.
Наружный диаметр сердечника ротора мм
Внутренний диаметр сердечника ротора мм
Конструктивная длина сердечника статора при отсутствии радиальных вентиляционных каналов мм
Длина сердечника ротора мм
Число пазов сердечника статора и ротора в значительной степени определяет свойства проектируемой машины и трудоёмкость её изготовления. Выберем оптимальное соотношение числа пазов статора и ротора для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Так как число полюсов двигателя равно двум высота оси вращения равна 180 мм то число пазов статора Z1 = 36 ротора Z2 = 28 [1 с. 17 таблица 7].
Расчет сердечника и обмотки статора
Форма паза статора зависит от параметров машины. Определим форму паза статора [1 с.20 таблица 9]: так как число полюсов 2р=2 и высота оси машины h=180мм то форма пазов статора – трапецеидальные полузакрытые тип обмотки статора – двухслойная всыпная.
При трапецеидальной форме паза зубцы статора имеют параллельные стенки и их сечение по высоте паза одинаковы. Отсутствие в таких зубцах участков уменьшенного сечения способствует снижению магнитного напряжения зубцов; лучшему использованию активной зоны сердечника; уменьшению пульсации магнитной индукции в зазоре двигателя магнитного напряжения воздушного зазора добавочных потерь. Однако при таких пазах коэффициент заполнения паза медью невелик. Область применения полузакрытого пазов определяется областью применения всыпной обмотки статора выполняемой из проводов круглого сечения. На рисунке 3.1 показана трапецеидальная полузакрытая форма паза статора.
Рисунок 3.1 – Трапецеидальная полузакрытая форма паза статора
Рекомендуемые значения магнитной индукции выбираем в зависимости от числа полюсов 2р=2 и высоты оси машины h=180мм Тл [1 с.20 таблица 9]
Размеры паза статора различают в свету и в штампе. Размеры в свету несколько меньше размеров в штампе из-за неточности штамповки и некоторого уменьшения паза при сборке листов в сердечник что учитывается припусками на штамповку по высоте и ширине. Выберем припуск по высоте и ширине в зависимости от высоты оси вращения двигателя [1 с.20 таблица 10]. Так как высота оси вращения двигателя равна 180 мм то принимаем припуск в размере 02 мм.
Размеры трапецеидального паза выбираются так чтобы зубец имел параллельные стенки.
Зубцовое деление статора мм
Ширина зубца определяется по допустимому значению магнитной индукции в зубце статора мм
Значение высоты спинки статора определяется допустимыми величинами магнитной индукции в спинке статора Вс1 мм
где - полюсное деление мм.
Наименьшая ширина трапецеидального полузакрытого паза в штампе мм
Наибольшая ширина паза в штампе мм
Ширина шлица паза статора
Высота шлица и угол в шлицевой части паза
Высота клиновой части паза мм
Площадь поперечного сечения трапецеидального паза в штампе мм2
В асинхронных двигателях с высотой оси вращения более 160 миллиметров применяются двухслойные обмотки с укороченным шагом. Обмотки статора разделяются на всыпные (с мягкими катушками) и обмотки с жесткими катушками (полукатушками). Всыпная обмотка изготавливается из обмоточного провода круглого сечения. Провод наматывают на шаблон для придания катушке предварительной формы. Затем катушки укладывают в заранее изолированные пазы. После укладки катушек и закрепления их в пазы посредством клиньев или крышек производят формовку лобовых частей и их бандажирование. Затем обмотанный статор пропитывают специальными лаками и составами. Всыпные обмотки получили наибольшее применение в асинхронных двигателях напряжением до 1000 Вольт т. к. являются более технологичными при изготовлении и обеспечивают наиболее благоприятные условия использования зубцовой зоны статора.
Число пазов на полюс и фазу
Пазовые стороны одной катушечной группы расположенные в соседних пазах занимают q1 пазов и образуют фазную зону определяемую углом эл. град.
Наибольшее применение в трёхфазных асинхронных двигателях получили шестизонные обмотки с α = 60º если q1–целое число.
Полюсное деление машины измеренное в пазах
Шаг обмотки измеренный в пазах
где =061 при 2р=2 – относительный шаг обмотки.
Коэффициент укорочения
Коэффициент распределения
Обмоточный коэффициент – один из важных параметров обмотки статора. Для основной гармоники ЭДС обмоточный коэффициент
Номинальный ток статора А
Отношение 2ра1 должно быть целым числом где а1– число параллельных ветвей. Примем а1= 1. Тогда 2ра1= 2. Выбранное число параллельных ветвей при данном числе полюсов присутствует в ряду возможных значений а1[1 с.26 таблица 11].
Число эффективных проводников в пазу статора при отсутствии параллельных ветвей в обмотке (а1= 1)
Плотность тока в обмотке статора выбирают исходя из того что с её увеличением уменьшается расход обмоточной меди но одновременно растет активное сопротивление обмотки статора что ведет к росту электрических потерь температуры обмотки снижению КПД а с уменьшением растет КПД двигателя и повышается надежность обмотки статора за счет снижения ее температуры [1 с.25 рисунок 10]. При наружном диаметре статора D1Н = 313 мм принимаем величину плотности тока Δ1 = 65 Амм2. По рисунку приведенному в ссылке плотность тока ниже чем принятая в расчете. Причина принятия большей плотности заключается в низких эксплуатационных характеристиках двухполюсных машин.
Площадь поперечного сечения эффективного проводника обмотки статора мм2
Зададимся числом элементарных проводников в витке которое не должно превышать 10:
Площадь поперечного сечения элементарного проводника мм2
Выберем площадь поперечного сечения неизолированного провода марок ПЭТВ или ПЭТ-55 среднее значение диаметра изолированного провода и номинальный диаметр неизолированного провода из номенклатурного ряда выпускаемых промышленностью проводов соответственно[1 с.27 таблица 12]:
Число последовательных витков в обмотке фазы статора
Определим толщины пазовой коробки и крышки для полузакрытого паза соответственно[1 с. 64 П.2.1] мм
Площадь пазовой изоляции и прокладок между слоями обмотки с учетом крышки закрывающей паз и толщины изоляционных прокладок мм2
Площадь паза занимаемая обмоткой статора мм2
Коэффициент заполнения паза обмоткой статора
Коэффициент заполнения паза обмоткой статора должен быть равен (070 – 072) при машинной укладке обмотки статора. Это продиктовано требованиями к условиям охлаждения обмотки в машине.
Уточненная плотность тока в обмотке статора Амм2
Уточненные значения электромагнитных нагрузок и разница между рассчитанными значениями и выбранными ранее
где А1 –линейная нагрузка машины Ам
– магнитная индукция в воздушном зазоре Тл
Ф – магнитный поток Вб.
Так как значения уточненных электромагнитных нагрузок А1 и отличаются от предварительных и менее чем на 10% то сердечник и обмотка статора являются эффективными.
Размеры мягких катушек статора определяются следующим образом: среднее зубцовое деление статора т.е. зубцовое деление измеренное на окружности проходящей по середине высоты зубцов статора мм
Средняя длина одной лобовой части катушки мм
Средняя длина витка обмотки статора мм
Длина вылета лобовой части обмотки при h ≥ 160 мм мм
Активное сопротивление фазы обмотки статора приведенное к расчетной рабочей температуре Ом
где ρ=– удельное сопротивление меди при рабочей температуре Омм.
Активное сопротивление в относительных единицах
Активное сопротивление выраженное в относительных единицах не попадает в заданный интервал (002 – 003) что является особенностью двухполюсной машины.
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора обусловлено магнитным полем рассеяния которое состоит из трех частей: пазового дифференциального рассеяния и рассеяния лобовых частей.
Пазовое рассеяние обусловлено магнитным потоком рассеяния направленным поперек паза и сцепленным с расположенными в этом пазу проводниками. Если обмотка выполнена с укороченным шагом то потокосцепление этой обмотки с потоком пазового рассеяния ослаблено.
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния при трапецеидальном полузакрытом пазе который представлен представленным на рисунке 3.2:
Определим коэффициенты k и k’ учитывающие укорочение шага обмотки [1 с.30 рисунок 11]:
Дифференциальное рассеяние – это рассеяние создаваемое высшими гармоническими составляющими магнитного поля в воздушном зазоре.
Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора
где значение kр.т1и kд1 выбираются по [1 с.31 таблицы 13 и 14]
Рисунок 3.2 – Трапецеидальный полузакрытый паз статора
При полузакрытых пазах статора коэффициент воздушного зазора учитывает влияние зубчатости статора и ротора на магнитное сопротивление воздушного зазора
Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей об-мотки статора
Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора
Индуктивное сопротивление рассеяния одной фазы обмотки статора Ом
В относительных единицах
Индуктивное сопротивление рассеяния выраженное в относительных единицах выходит за пределы интервала (008 – 016) что является особенностью двухполюсной машины.
Построим схему укладки обмотки:
Угол между соседними пазами:
Расстояние между пазами:
Каждая фаза состоит из катушечных групп.
Катушечная группа состоит из катушек.
Катушечные группы соединяются в фазы сохраняя направление тока в фазе. Наиболее распространенным способом изображения схемы обмоток является развёртка окружности статора на плоскость. В двухслойных обмотках паз изображается двумя рядом расположенными линиями. Процесс выполнения схемы обмоток упрощается при использовании таблицы алгоритма укладки.
На рисунке 3.3 представлена условная схема соединения групп в параллельных ветвях фазы обмотки (ГОСТ 2.705-70).
Алгоритм укладки обмотки приведён в таблице 3.1.
Схема укладки обмотки статора изображена на рисунке 3.4.
Рисунок 3.3 – Условная схема соединения катушечных групп
Таблица 3.1 – Алгоритм построения схемы укладки обмотки
Расчет сердечника и обмотки короткозамкнутого ротора
Форма паза ротора зависит от мощности двигателя числа полюсов и требуемых пусковых характеристик. Определим форму паза короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя серии 4А и рекомендуемые значения магнитной индукции при количестве полюсов 2р=2 и высоте оси машины h=180мм [1 с.36 таблица 16]
форма паза ротора – овальный полузакрытый
рекомендуемые значения магнитной индукции
где ВZ2max – максимальная магнитная индукция в зубцовом слое ротора
Вс2 – магнитная индукция в спинке ротора.
На рисунке 4.1 показана овальная полузакрытая форма паза ротора.
Рисунок 4.1 – Овальная полузакрытая форма паза ротора
Зубцовое деление ротора мм
Ширина зубца ротора определяется значением магнитной индукции в сечении зубца мм
Высота спинки сердечника ротора определяется допустимым значением магнитной индукции в спинке ротора мм
Высота зубца (паза) ротора мм
Размеры овальных пазов рассчитываются таким образом чтобы зубцы ротора имели параллельные стенки. При этом hш2 = 05 и bш2 = 1. Диаметр в верхней части паза мм
Диаметр в нижней части паза мм
Расстояние между центрами окружностями овального паза мм
Площадь поперечного сечения овального паза в штампе мм2
Короткозамкнутая обмотка ротора («беличья» клетка) асинхронного двигателя выполняется из алюминия путем заливки пазов сердечника ротора поэтому размеры и форма стержней этой обмотки определяются размерами и формой пазов сердечника ротора.
Целью расчета обмотки ротора является определение геометрических и электрических параметров обмотки. К электрическим параметрам относятся величины активного и индуктивного сопротивлений.
Активное сопротивление зависит от размеров стержней клетки удельного сопротивления материала из которого изготовлены стержни рабочей температуры ротора с учетом вытеснения тока на поверхность стержня.
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора обусловлено следующими видами рассеяния магнитного потока: пазовым лобовым дифференциальным (связанным с высшими гармониками поля) и в общем случае рассеянием скоса пазов ротора.
Номинальный ток в обмотке ротора А
Рабочий ток в стержне ротора при короткозамкнутой обмотке в номинальном режиме А
Плотность тока в стержне ротора Амм2
Значение плотности тока в стержне ротора не находится в рекомендуемом интервале (25 – 35) Амм2 что объясняется особенностями двухполюсной машины.
Размеры короткозамкнутого кольца литой клетки представленного на рисунке 4.2 определяются выражениями
поперечное сечение мм2
средний диаметр кольца мм
Рисунок 4.2 – Короткозамкнутое кольцо литой клетки
Активное сопротивление стержня обмотки в рабочем режиме приведенное к рабочей температуре 115оС Ом
Активное сопротивление участка короткозамыкающего кольца между двумя соседними стержнями при расчетной рабочей температуре 115оС Ом
Коэффициент приведения тока кольца к току стержня
Активное сопротивление колец приведенное к току стержня Ом
Активное сопротивление обмотки ротора Ом
Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора
Активное сопротивление обмотки ротора приведенное к обмотке статора в рабочем режиме Ом
В относительных единицах
Полученное значение находиться в рекомендуемом интервале (002 – 003).
Определение индуктивного сопротивления обмотки ротора.
Коэффициент магнитной проводимости рассеяния ротора в номинальном режиме (рисунок 4.3) рассчитывается для овального полузакрытого паза
Определим коэффициент дифференциального рассеяния ротора [1 с.41 рисунок 16]
Рисунок 4.3 – Паз ротора овальный полузакрытый
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния
Коэффициент магнитной проводимости рассеяния короткозамыкающих колец литой клетки ротора
Общий коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки ротора в номинальном режиме при условии отсутствия скосов пазов на одно зубцовое деление
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора в номинальном режиме Ом
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора приведенное к обмотке статора в номинальном режиме Ом
Полученное значение должно находиться в интервале (08 – 016) но в нашем случае оно оказалось меньше что улучшает свойства машины.
Результаты расчета электрических сопротивлений обмотки ротора сведем в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 – Сопротивления обмотки которкозамкнутой ротора
Коэффициент приведения
Активное сопротивление
Индуктивное сопротивление
Расчёт магнитной цепи
Расчет магнитной цепи асинхронного двигателя проводится в целях определения МДС и намагничивающего тока статора необходимых для создания в двигателе требуемого магнитного потока. Магнитная система двигателя представляет собой разветвленную симметричную магнитную цепь содержащую 2р полюсов поэтому расчет магнитной цепи ведется на одну пару полюсов по средней расчетной линии (рисунок 5.1).
Рисунок 5.1 – Разветвлённая симметричная магнитная цепь асинхронного двигателя
Магнитная цепь состоит из пяти последовательно соединенных участков: воздушного зазора зубцовых слоев статора hz1 и ротора hz2 спинки статора Lc1 и ротора Lc2 поэтому МДС обмотки статора на пару полюсов F определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи: воздушного зазора Fзубцов статора Fz1 и ротора Fz2 спинки статора Fc1 и ротора Fc2 А
F = 2F + 2Fz1 + 2Fz2 + Fc1 + Fc2. (5.1)
Магнитное напряжение в воздушном зазоре А
F = 080954081115103= 7051.
Зубцовый слой статора. При трапецеидальных полузакрытых пазах статора магнитная индукция в зубце одинакова по высоте зубца Тл
Bz1 = Bt1kc1bz1 (5.3)
Bz1 = 09541492097745 = 197.
По магнитной индукции в зубце определяем напряжённость магнитного поля в зубце [1 с. 67 таблица П.3.2]. При индукции в зубце статора Bz1 = 197 Тл напряженность магнитного поля в нем Hz1 = 2760Ам.
Магнитное напряжение зубцового слоя статора А
Fz1 = Hz1 hz1103 (5.4)
Fz1 = 27602036103 = 5621.
Зубцовый слой ротора. При овальных полузакрытых пазах зубцы имеют параллельные стенки и магнитная индукция в зубце постоянна Тл
Bz2 = Bt2kc2bz2 (5.5)
Bz2 = 095419097984 = 19.
По магнитной индукции в зубце определяем напряжённость магнитного поля в зубце [1 с. 67 таблица П.3.2].При индукции в зубце ротора Bz2 = 19 Тл напряженность магнитного поля в нем Hz2 = 2070Ам.
Магнитное напряжение зубцового слоя ротора А
Fz2 = Hz2 (hz2 04dп2) 103 (5.6)
Fz2 = 2070(114 047) 103= 178.
Спинка статора. Магнитная индукция в спинке статора Тл
Bс1 = 05iBkc1hc1 (5.7)
Bс1 = 050642686109540975064 = 167.
По магнитной индукции в спинке статора определяем напряжённость магнитного поля в спинке статора пользуясь основными таблицами намагничивания [1 с. 70 таблица П.3.5] при этом расчетное значение Bс1 по уравнению (5.7) уменьшают на 04 Тл. Поэтому при индукции в спинке статора Bс1 = 127 Тл напряженность магнитного поля в нем Hс1 = 182Ам.
Длина средней силовой линии в спинке статора мм
Lс1 = (2p)(D1нhс1) (5.8)
Lс1 = (3142)(313 5064) = 41212.
Магнитное напряжение спинки статора А
Fс1 = Hс1 Lс1103 (5.9)
Fс1 = 18241212103 = 75.
Спинка ротора. Магнитная индукция в спинке ротора Тл
Bс2 = 05iBkc2hc2 (5.10)
Bс2 = 050642686109540975636 = 15.
По магнитной индукции в спинке ротора определяем напряжённость магнитного поля в спинке ротора пользуясь основными таблицами намагничивания [1 с. 70 таблица П.3.5].При индукции в спинке ротора Bс2 = 15 Тл напряженность магнитного поля в нем Hс2 = 620 Ам.
Длина средней силовой линии в спинке ротора мм
Lс2 = [(p2p)(D2- 2hz2 -hc2)] + hc2 (5.11)
Lс2 = [(3142)(1694- 2114 – 5636)]+ 5636 = 1981.
Магнитное напряжение спинки ротора А
Fс2 = Hс2 Lс2103 (5.12)
Fс2 = 6201981103 = 12283
Коэффициент насыщения магнитной цепи двигателя
k =1756·103 27051 = 1245.
Это значение находится в рекомендуемом интервале (12 17) что свидетельствует о том что материалы в двигателе использованы эффективно.
Намагничивающий ток А
I = pF(09m1w1kоб1) (5.14)
I = 11756·103(09372078) = 1153.
относительно номинального тока
I = 11534048 = 0285.
Это значение находится в пределах рекомендуемого интервала (018 – 035).
Главное индуктивное сопротивление обмотки статора соответствующее основной гармонике Ом
xm = 0982201153 = 187.
или в относительных единицах
xm = 1874048220 = 344.
Коэффициент магнитного рассеяния обмотки статора
Потери и КПД асинхронного двигателя
Потери мощности при преобразовании энергии в электрической машине переходящие в тепло подразделяются на основные и добавочные.
Основные потери это потери связанные с основными электромагнитными и механическими процессами происходящими в электрической машине. Основные потери разделяются на магнитные электрические и механические.
Основные магнитные потери. Расчетные массы стали кг
спинки статора – Gс1 = 78106likc1hc1(D1н hc1)
зубцового слоя – Gz1 = 78106likc1hz1(D1+ hz1) Sп1Z1
Gс1 = 7810-61050975064314(313 5064) = 3316
Gz1 = 7810-61050972036314 (171 + 2036) 1809336 = 455.
Основные магнитные потери в спинке статора при частоте переменного тока f1 = 50 Гц Вт
Pм.с1 = kм.тP1050B2с1Gс1 (6.1)
где P1050=25 Вткг (для стали 2013) удельные магнитные потери
kм.т=17 технологический коэффициент учитывающий увеличение магнитных потерь из-за наличия в сердечнике статора различных дефектов.
Pм.с1 = 172512723316 = 22728.
Основные магнитные потери в зубцовом слое статора Вт
Pм.z1 = kм.тP1050B2z1Gz1 (6.2)
Pм.z1 = 17251972455 = 751.
Основные магнитные потери в асинхронном двигателе Вт
Pм = Pм.с1 + Pмz1 (6.3)
Pм = 22728 + 751 = 30238.
Основные электрические потери в обмотке статора Вт
Pэ1 = m1I21Нr1 (6.4)
Pэ1 = 3404820209 = 1028103.
Основные электрические потери в обмотке ротора Вт
Pэ2 = m2I22Нr2 (6.5)
Pэ2 = 2848692283510-5 = 55445.
Основные механические потери для АД со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141 без радиальных вентиляционных каналов с вентиляционными лопатками на короткозамыкающих кольцах Вт
Рмех = kт (n1103)2(D1н 102)4 (6.6)
где kт=13(1 D1н103) при 2р=2
kт=13(1 313103) = 089
Рмех = 089(3000103)2(313102)4 = 77147.
Мощность подводимая к двигателю из сети Вт
P1 = m1I1U1нcos1 (6.7)
P1 = 340482200905 = 24180.
Добавочные потериАД в соответствии с ГОСТ 11828-75 принимают равными 05% потребляемой двигателем мощности P1 в номинальном режиме Вт
Pдоб = 000524180 = 12088.
P = Pм +Pэ1 + Pэ2 + Pмех + Pдоб (6.9)
P = 30238+ 1028103+ 55445+ 77147+ 12088 = 27772.
Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя
= 1 2777224180 = 0885.
Предварительное значение КПД сравним с уточненным
Аналитический расчёт рабочих характеристик
Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимости тока статора I1 потребляемой мощности Р1 скольжения s час-тоты вращения n2 КПД коэффициента мощности cosj1 и электромагнитного момента Мэм от полезной мощности двигателя Р2.
На рисунке 7.1 представлена Г-образная схема замещения одной фазы асинхронного двигателя.
Рисунок 7.1 – Г-образная схема замещения асинхронного двигателя
Для каждого значения коэффициента нагрузки рассчитаем требуемые параметры и занесём их в таблицу 7.1. Затем построим рабочие характеристики двигателя.
Расчетное сопротивление Ом
Полная механическая мощность Вт
P2 = P2 +Pмех + Pдоб. (7.2)
Значения А и В рассчитываются по следующим выражениям
A = m1U21н(2P2) – r1 (7.3)
B = m1U 21нP2 + R = 2A + R. (7.4)
Скольжение при различных нагрузках двигателя определяют по формуле
где с1= 1+х1xm= 1+0285187 = 1015 – комплексный коэффициент.
Эквивалентные сопротивления рабочей цепи схемы замещения определяются выражениями Ом
rэкв = c1r1 + c21r2s (7.6)
xэкв = c1x1 + c21x2 (7.7)
Ток в рабочей цепи схемы замещения А
I2 = U1нzэкв. (7.9)
Приведенное значение тока обмотки ротора А
Коэффициент мощности в рабочей цепи схемы замещения
cosj2 = rэквzэкв. (7.11)
Активная составляющая тока ротора А
I2а = I2cosj2. (7.12)
Реактивная составляющая тока ротора А
I2р = I2sinj2. (7.13)
Активная составляющие тока статора идеального холостого хода А
I0a = (m1I2r1 + Pм)m1U1н . (7.14)
Реактивная составляющие тока идеального холостого хода А
Активная составляющая тока статора А
I1a=I0a+ I2а . (7.16)
Реактивная составляющая тока статора А
I1р =I0р + I2р . (7.17)
Ток статора асинхронного двигателя А
I1 = I21a + I21р . (7.18)
Коэффициент мощности асинхронного двигателя
cosj1 = I1аI1. (7.19)
Потребляемая двигателем мощность кВт
P1 =m1U1нI1а×10-3. (7.20)
Частота вращения ротора обмин
n2 =n1(1 -s). (7.21)
Электромагнитный моментН×м
M эм = 955Pэм×103 n2. (7.22)
Критическое скольжение
sкр»c1r2(x1 + c1x2) (7.23)
sкр» 10150114(0285+ 1015033) = 0187.
Сопротивление Rкр определяют по формуле Ом
Rкр = 2r1sкрc1r2 (7.24)
Rкр = 2021018710150114 =068.
Перегрузочная способность АД при постоянных параметрах схемы замещения рассчитывается по уравнению
Таблица 7.1 - Расчет рабочих характеристик двигателя
Значение коэффициента нагрузки
Рабочие характеристики построены на рисунках 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8.
Рисунок 7.2 – Зависимость тока статора от полезной мощности
Рисунок 7.3 – Зависимость потребляемой мощности от полезной мощности
Рисунок 7.4 – Зависимость скольжения от полезной мощности
Рисунок 7.5 – Зависимость частоты вращения от полезной мощности
Рисунок 7.6 – Зависимость коэффициента полезного действия от полезной мощности
Рисунок 7.7 – Зависимость коэффициента мощности от полезной мощности
Рисунок 7.8 – Зависимость электромагнитного момента от полезной мощности
Поверочный тепловой расчет
Для обеспечения надежной работы электрической машины в течение установленного срока службы необходимо чтобы температура отдельных частей машины (обмотки магнитопровода и т. п.) не превышала допустимых значений установленных стандартом. Задача теплового расчета состоит в определении превышения температуры отдельных частей машины. Результаты расчетов показывают правильность выбора электромагнитных нагрузок и подтверждают целесообразность применения в машине электроизоляционных материалов выбранного класса нагревостойкости.
При поверочном тепловом расчете использованы средние значения различных коэффициентов характерные для АД.
Определим коэффициент теплоотдачи с поверхности сердечника статора[1 с. 54 рисунок 19]. При наружном диаметре статора D1Н = 313 мм коэффициент теплоотдачи α1 = 185·10-5Втмм2оС.
Определим коэффициент учитывающий долю потерь в сердечнике статора передаваемых воздуху внутри двигателя [1 с. 55 таблица 19]. Для двухполюсной машины коэффициент k = 022.
Определим коэффициент определяющий отношение значений удельной электрической проводимости меди при расчётной температуре и при максимально допустимой температуре в соответствии с классом нагревостойкости F k = 107.
Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя С
Периметр поперечного сечения условной поверхности обмотки статора для трапецеидального полузакрытого паза мм
П1 = 2hп1 + bп1+ bп1 (8.2)
П1 = 21765 + 783 + 1103 = 5416.
Среднее значение эквивалентного коэффициента теплопроводности изоляции обмотки в пазу экв учитывающего воздушные прослойки: для изоляции класса нагревостойкости F составляет 16105 Вт(ммС).
Определим эквивалентный коэффициент теплопроводности изоляции провода [1 с. 56 рисунок 21]. При отношении ddиз = 095 эквивалентный коэффициент теплопроводности изоляции провода λ’экв = 114·10-4Втмм2оС.
Перепад температуры в изоляции части пазовой обмотки статора С
Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя °С
Периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки обмотки статора для трапецеидального полузакрытого паза мм
Пл1 2hп1 + bп1+ bп1 (8.5)
Пл1 21765+783+1103 = 5416 мм.
Перепад температуры в изоляции лобовой части обмотки статора °С
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя °С
Электрические потери в лобовых частях обмотки статора Вт
Электрические потери в пазовых частях обмотки статора Вт
Суммарные потери (за исключением потерь в подшипниках) отводимые в воздух внутри двигателя для двигателей со степенью защиты IP44 Вт
Pв = P (1 k)(Pэл.л1 + Pм) 09Pмех (8.10)
гдеP = P (k 1)(Pэ1 + Pэ2)
P = 277·103 (107 1)(1028·103+ 55445) = 266·103 Вт
Pв = 266·103 (1 022)(32174+ 30238) 09·77147 = 1485·103.
Условная поверхность охлаждения двигателя для двигателей со степенью защиты IP44 мм2
Sдв= (D1Н + 8nphp)(l1 + 2lв1) (8.11)
Sдв= (314313 + 8340)(105+2596) = 83·105
где np и hp – число охлаждающих ребер и их высота [1 с.58 рисунок 22].
Определим значение коэффициента подогрева воздуха Втмм2оС [1 с.59 рисунок 24]. При наружном диаметре статора D1Н = 313 мм коэффициент подогрева воздуха α1 = 27·10-5Втмм2оС.
Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой охлаждающей среды °С
в = 1485·1038 3·1052710-5 = 6624.
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой охлаждающей среды °С
=1523 + 6624 = 8147оС 95 оС.
Это значение не должно превышать допустимой величины ограни-ченной классом нагревостойкости изоляции (рабочая температура для класса изоляции F – 115 oC) следовательно с учетом температуры окружающей среды (tокр.= 20°С)1 ≤ 95 oC что выполняется по расчетам (1 =8147°С).
Из расчётов видно что вся тепловая энергия выделяемая двигателем из-за наличия электромагнитных потерь будет поглощена воздухом который нагреется до температуры при которой ещё не происходит изменения в размерах ротора и статора не будет разрушена изоляция обмотки значит двигатель будет работать долгое время без поломок.
Для обеспечения нормальной работы электродвигателя при вращении его вала необходимо правильно подобрать подшипники.
Определим размеры выступающего конца вала электродвигателя [1 с. 73 таблица П.4.1] для чего определим наибольший вращающий момент Н·м определяемым следующим образом
гдеМн – вращающий момент при коэффициенте нагрузки kн = 1
kм=371 – перегрузочный коэффициент определенный в формуле (7.25)
По таблице П.4.1 принимаем наибольший допустимый момент вращения 355 Нм следовательно диаметр и длина выступающего конца вала: d1 = 55 мм l1 = 110 мм. Диаметр вала под подшипник определяется как диаметр d1+ 5 = 60 мм. В зависимости от этого диаметра выбираем роликовый подшипник с короткими цилиндрическими роликами из средней широкой серии [1 с. 74 таблица П.5.1] для установки со стороны выступающего конца вала и радиальный однорядный шарикоподшипник из средней серии [1 с. 75 таблица П.5.2] для установки с противоположной стороны. Выбранные подшипники имеют маркировку 2612 и 312 соответственно диаметр внутреннего кольца равен 60 мм наружного – 130 мм.
В данной курсовой работе рассчитаны параметры и спроектирован трехфазный асинхронный двигатель формы исполнения IM1081 со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141 (наружная вентиляция) работающий при частоте питающей сети 50 Гц и напряжением при соединении Δ 220 В при соединении Y 380 В. Имеющий номинальную мощность 22 кВт. Двигатель имеет нагрев при номинальном режиме работы 8147°С КПД в номинальном режиме равен 0896 и коэффициентом мощности равным 093.
Таблица 1 – Основные технические характеристики асинхронного двигателя 4A180S
асинхронный двигатель 4A180S
Библиографический список
Расчёт асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: Учебное пособие В.Д. Авилов Л.Е. Серкова. 2-е изд. перераб.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск 2006 94с.
СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов.
Конструкция асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электрические машины и электропривод» В.Д. Авилов Л.Е. Серкова Е.А. Третьяков; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск 2009. 29 с.

зубцовое деление ротора.cdw

зубцовое деление статора.cdw