Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 20 кВт

КП_АД_КЗ_20кВт.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Напряжение U = 220380В
Число полюсов 2р = 4
Исполнение по способу защиты от воздействия окружающей среды IP44
Конструктивное исполнение IM 1001
ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ Z1 W1 И СЕЧЕНИЕ ПРОВОДА ОБМОТКИ СТАТОРА.5
РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СТАТОРА И ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА.7
РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ.12
ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО РЕЖИМА14
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ18
РАСЧЕТ ПУСКОВЫХХАРАКТЕРИСТИК .21
РАСЧЕТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК С УЧЕТОМ ЭФФЕКТА ВЫТЕСНЕНИЯ ТОКА И НАСЫЩЕНИЯ ОТ ПОЛЕЙ РАССЕЯНИЯ 23
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .29
ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ
Высота оси вращения (предварительно) h = 160 мм (см. рис. П1.1).
Выберем h = 160 мм a Dа = 0285 м (табл. П2.1)
Внутренний диаметр статора:
D = KD Dа = 068 0285 = 0194 м где (табл. П2.2).
= = 2439451 24400 ВА
где kЕ = 0977 (рис. П1.2) cos 09 089 (рис. П1.3)
Электромагнитные нагрузки (предварительно)
A 34800 Ам В 077 Тл (рис. П1.6).
Обмоточный коэффициент для однослойной обмотки (предварительно)
kоб1 091 т.к. h = 160 мм
Расчетная длина воздушного зазора
Полученное значение находится в пределах допустимых значений
ОПРЕДЕЛЕНИЕ Z1 W1 И СЕЧЕНИЕ ПРОВОДА ОБМОТКИ СТАТОРА.
t Z 1min 12 мм t Z 1max 15 мм (рис. П1.5).
Z 1max = = = 50711 51
Число пазов статора Z1 выбираем так чтобы q было целым.
Принимаем Z1= 48тогда = 4;
Зубцовое деление статора (окончательно)
Число эффективных проводников в пазу (предварительно при условии а 1).
где I1НОМ = = = 378315 378 А;
Принимаем а 1 тогда uП = а uП = 1 11 = 11 проводников.
Окончательные значения
Для однослойной обмотки (табл. П2.19).
Полученные значения находятся в допустимых пределах (рис. П1.6).
Плотность тока в обмотке статора (предварительно)
J1= = 5614002518 5614 106 Ам2 ;
Где AJ = 184 109 А2(м м2) (рис. П1.7).
Сечение эффективного проводника (предварительно)
= 6739 10-6 м2 67 мм2;
Сечение эффективного проводника (окончательно) принимаем nэл 3 тогда
qэл = qэф nэл 673=224 10-6 =224 мм2
dэл = 17 мм qэл = 227 мм2 dиз = 1785 мм (табл. П2.3)
qэф qэл nэл=227*3 681 мм2
Плотность тока в статоре (окончательно)
РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СТАТОРА И ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА.
Паз статора определяем с соотношением размеров обеспечивающим
параллельность боковых граней зубцов (см. рис.1).
Принимаем предварительно Bz1 19 Тл Ba 14 Тл (табл. П2.4) тогда
где kc 097 (табл. П2.5).
Размеры паза в штампе принимаем равными b ш 37 мм h ш 1 мм
hПК = hП – (hШ + (b1- bш)2) =178-(1+(98-37)2)= 1472 148мм
Паз статора показан на рисунке 2а.
Рис.2. Пазы статора(а) и ротора(б)
Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку
b’ 1= b1 – Δbn= 78-02=76 мм
b’ 2= b2 – Δbn= 98-02=96 мм
h’ пк= hпк – Δhn=148-02= 146 мм
Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки:
Площадь поперечного сечения прокладок S np. 0
Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу
Sиз bиз (2hп + b1 + b2 ) 04(2*178+78+98)= 212 мм2.
где b из = 04 мм (табл. П2.6 ) односторонняя толщина изоляции в пазу.
Коэффициент заполнения паза
Коэффициент заполнения равен рекомендованному значению для ручной укладки обмоток.
Внешний диаметр ротора
D2 = D1 - 2d = 194 - 2· 05 = 193 мм;
Длина магнитопровода ротора
t2 = pD2 Z2 = 314· 193 38 = 16 мм.
Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала так как сердечник непосредственно насажен на вал:
Dj = DВ =kB*Da» 023*0.285= 655 мм
Ток в обмотке ротора:
= 092*378*133=463295 4633 А
где ki= 02 + 08 cosj = 02 + 08 09 = 092 – коэффициент учитывающий влияние тока намагничивания на отношение I1I2
31 133 – коэффициент приведения токов.
Площадь поперечного сечения стержня (предварительно).
qc = I2 J2 = 463330*106=1543 мм2.
bШ = 15 hШ = 07 h’ Ш = 03 ( рис. П1.10).
Допустимая ширина паза
bз2доп= 0006551 65 мм;
Принимаем Bz2 = 195 Тл (табл. П2.4).
Размеры паза (рис. П1.10)
h1 = (b1 - b2)z2 (2p) = (86-60)38(2*314)=15389 154 мм.;
Уточняем ширину зубцов ротора (рис. П1.10)
hп2 = h'ш+hш+b12+h1+b22 =03+07+862+154+602= 237 мм
Площадь поперечного сечение стержня (уточненная)
qc = 8 (b21 + b22) + 05 (b1 + b2) h1 =3148*(862+602)+05(86+60)154= =154432 1544 мм2
Плотность тока в стержне:
J2 = I2 qc = 46331544=30 *106Амм2.
Короткозамыкающие кольца. Площадь поперечного сечения кольца
Iкл= I2D = 46330329=1407 А
где D =2.sin(2pz2) =2sin(2*3.1438)= 0329.
Плотность тока в замыкающих кольцах
Jкл= 085.J2 = 0.85*3.0*106=255 Амм2.
qкл= Iкл Jкл=14072.55= 551914 552 мм2.
Размеры замыкающих колец
bкл= 125 hп2 = 1.25*23.7=29563 296 мм.
aкл = q кл bкл =552296= 186 мм.
q кл =аклbкл=186*296=5519 552 мм2.
Dкл.ср = D2 - bкл = 193-296=163 м.
РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ.
Расчетная высота ярма ротора
Магнитное напряжение воздушного зазора
Магнитные напряжения зубцовых зон:
Fz1= 2hz1 Hz1 =2*178*2070= 735 А
где hz1 = hп1 = 178 мм.
Fz2= 2hz2 Hz2 = 2*230*670=308 А
где hz2 = hп2 - 01 b2 =237-01*60= 230 мм.;
Hz1 = 2070 Ам Hz2 = 670 Ам (табл.П2.14);
Коэффициент насыщения зубцовой зоны:
Магнитные напряжения ярма статора
Lа= p(Dа - hа)(2p) = 314(0285-277)2*2=2020 мм.;
Fа= Lа На = 2020*188=808 А;
h’j = (D2 - Dj) 2 - hп2 = (0.193-65.5)2-23.7=400 мм;
Lj= p (Dj + hj)(2p) =3.14(65.5+40.0)(2*2)= 830 мм.;
Fj = Lj Hj = 83.0*188=156 А;
На = 400 Ам Hj = 188 Ам (табл.П2.13).
Магнитное напряжение на пару полюсов
Fц = Fd + Fz1 + Fz2 + Fа + Fj = 748.6+43.5+30.8+80.8+15.6=9494 А
Коэффициент насыщения магнитной цепи:
кm= FцFd = 949.4748.6=126;
Намагничивающий ток:
Намагничивающий ток в относительных единицах:
Im*= ImI1ном =8.3437.8= 022.
ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО РЕЖИМА
Активное сопротивление фазы
для класса нагревостойкости изоляции F ; для меди Омм).
Длина проводников фазы обмотки
L1 = lср1 w1 =777.0*48= 683 м.
lср1= 2*(lп1 + lл1) = 2 (380 + 3764) = 7770мм
Длина вылета лобовой части катушки
Относительное значение
r1*= r1I1номU1ном=024*378220= 0042;
Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора
rкл= = 1194 10-6 Ом;
r2 = rс+ 2rкл Δ2 =48*10-5+2*119*10-603292 =702 10-5 Ом
где для литой алюминиевой обмотки ротора Ом·м.
Приводим r2 к числу витков обмотки статора
r'2*= r2I1номU1ном= 702*10-5*378220=0027;
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора
где h2= hп.к - 2bиз = 148-2 04 = 14 мм.;
hк= 05· (b1 - bш) = 05(98-37)=30 мм;
h1= 0 (проводники закреплены пазовой крышкой);
kb= 10 k'b= 10; l'd = ld= 152 мм.
λЛ1= 034(л -064· ·)=034 (0152-064*1*0152)=123;
где bск= 0; tZ2 tZ1 = 0952; по рис. П5.12 д и k'ск= 098;
Относительное значение
х1* = х1 I1номU1ном= 0689*378220=0118;
Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора
где h0= h1 + 04*b2=154+04*60= 178 мм.;
где DZ= 0 – при закрытых пазах.
Приводим к числу витков статора
Относительное значение:
х'2*= х'2 I1номU1ном=0604*378220= 0104 .
Основные потери в стали статора
Вткг для стали 2013 ( табл. П5.10);
Поверхностные потери в роторе
Pпов2= pпов2 (tZ2 - bш2) Z2 lст2= 2792(0012-15)38*0152=169 Вт.
B02= b02 kd Bd = 037*12*077=0348 Тл
Пульсационные потери в зубцах ротора
= 230*65*38*0152*097*441=66 кг;
Сумма добавочных потерь в стали:
Pст.доб= Pпов1 + Pпул1 + Pпов2 + Pпул2 = 169+687=857 Вт.
Полные потери в стали:
Pст= Pст.осн + Pст.доб = 2875+857=3732 Вт.
Механические потери:
где KT= 13·(1 - Dа) =13(1-0285)= 093.
Холостой ход двигателя
РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК.
Используем приближенную формулу так как :
Активная составляющая тока синхронного холостого хода:
а' = c12 =10272= 1054;b'=0;
a = c1 r1 = 1027*0245=0251;
b = 1027 (0689+1027*0604) = 134.
Потери не изменяющиеся при изменении скольжения
Pст+Pмех=3732+1379= 511 Вт=051 кВт.
Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений s = 0005; 0015; 0025; 0035; 0045 принимая предварительно . Результаты расчета сведены в табл. 1.
После построения рабочих характеристик (рис. 2) уточняем значение номинального скольжения .
Номинальные данные спроектированного двигателя:
Таблица 1 Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Рисунок 1 – Рабочие характеристики
Рабочие характеристики спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором ( P2ном=200 кВт 2р=4Uном=220380 В I1ном=367 А cosφном=091; ном=0901 sном=0027)
Расчет пусковых характеристик
Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета влияния насыщения от полей рассеяния).
Подробный расчет приведен для скольжения . Данные для расчета других точек приведены в табл.2.
Активное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока (°С; Ом·м; ; Гц).
hc=hn-(hш-h’ш)=23.65-(0.7-0.3)=22.65=227 мм;
по рис. П5.15 для находим .
Глубина проникновения тока
Площадь поперечного сечения ограниченная высотой =1266мм2
Таблица 2. Расчет токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом влияния эффекта вытеснения тока
(qc по п. 33 расчета)
Приведенное активное сопротивление ротора с учетом действия эффекта вытеснения тока
Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока по рис. П5.16 для .
Расчет токов с учетом влияния эффекта вытеснения тока:
Расчет пусковых характеристик с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния
Расчет проводим для точек характеристик соответствующих s = 1; 08; 05;02; 01 при этом используем значения токов и сопротивлений для тех же скольжений с учетом влияния вытеснения тока (табл. 2). Подробный расчет приведен для скольжения . Данные для расчета других точек приведены в таблице 3.
Индуктивное сопротивление обмоток. Принимаем
По рис. П5.17 для Тл находим
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения
Таблица №3 Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния
принятым в п.1 kнас)
Рис. 2. Пусковые характеристики спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором (Р2ном=15 кВт 2р=4Uном=220380 В; Мп*=23 Iп*=62 Mmax=454)
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влияния насыщения
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора с учетом влияния насыщения и вытеснения тока
(для закрытых пазов ротора мм);
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учетом влияния насыщения
Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом влияния вытеснения тока и насыщения
Сопротивление взаимной индукции обмоток в пусковом режиме
Расчет токов и моментов
Кратность пускового тока с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения
Кратность пускового момента с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения
Полученный в расчете коэффициент насыщения
отличается от принятого менее чем на 3%.
Для расчета других точек характеристики задаемся уменьшенным в зависимости от тока I1 (см. табл. 2)
Данные расчета сведены в табл. 3 а пусковые характеристики представлены на рис. 3.
Критическое скольжение определяем после расчета всех точек пусковых характеристик
по средним значениям сопротивлений и соответствующим скольжениям s = 02 01.
После чего рассчитываем кратность максимального момента:
Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя
K = 022 (табл. П5.11 );
где из табл. 1 для находим Pэ1=991 Вт; по рис. П5.20 б α1=151Вт(м2·°C); .
Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора
для изоляции класса нагревостойкости F Вт(м2·°C); по рис. П5.18 для находим Вт(м2·°C)
Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей
Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя
Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды
Вт из табл. 1 для s = sном;
где по рис П5.19 м для h=160 мм;
по рис.П5.20б αВ = 21 Вт(м2·°C) для Da=0285 м.
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды
Проверка условий охлаждения двигателя.
Требуемый для охлаждения расход воздуха
Расчет воздуха обеспечиваемый наружным вентилятором
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Методические указания к курсовому проектупо дисциплине «Электрические машины» Сост.: Ю.А. Рылов Р.Б. Рыбаков И.З. Гатиятов. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т 2010. – 61 с.

ЧЕРТЕЖ КП.dwg

с короткозамкнутым ротором
Асинхронный двигатель
Стопорный винт М6х20 ГОСТ17475-72
Короткозамыкающее кольцо
Подшибниковая крышка
Вентиляционные лопатки
Болт 2М10х50 ГОСТ7798-70
Подшипник 250 ГОСТ8338-75
Рым-болт М15х40 ГОСТ7781-75

Приложения.doc

Рис.П1.1. Высота оси вращения h со степенью защиты двигателей различных мощностей и частоты вращения со степенью защиты IP44
Рис.П1.2. Значения коэффициента kE.
Рис. П1.3. Примерные значения КПД и cos φ асинхронных двигателей
со степенью защиты IР44 и мощностью до 400 кВт
Рис. П1.6. Электромагнитные нагрузки асинхронных двигателей со степенью защиты IР44 при высоте оси вращения: h=150 ÷250 мм
Рис. П1.4. Отношение λ=l у двигателей исполнения по степени защиты IР44
Рис П1.5. Зубцовые деления статоров асинхронных двигателей с обмоткой из круглого провода с высотами оси вращения:
– h ≤ 90 мм; 2 – 90 h ≤ 250 мм; 3 – h ≥ 280мм
Рис. П1.7. Среднее значение произведения AJ асинхронных машин со
степенью защиты: б – IP44 h=160÷250мм
Рис. П1.9. К выбору воздушного зазора асинхронных двигателей
Рис. П1.10. Трапецеидальные пазы короткозамкнутого ротора: закрытые
Таблица П2.1. Внешние диаметры статоров асинхронных двигателей
различных высот оси вращения.
Таблица П2.2. Отношение KD=DDa в асинхронных двигателях в зависимости от числа полюсов.
Табл. П2.3. Диаметр и площади поперечного сечения круглых медных
эмалированных проводов иаметр марок ПЭТВ и ПЭТ-155.
Табл. П2.5. Способы изолирования листов электротехнической стали
и коэффициенты заполнения сталью магнитопроводов статора и ротора
асинхронных двигателей с номинальным напряжением до 660 В.
Табл. П2.4. Допустимые значения индукции на участках магнитной цепи асинхронных двигателей Тл.
Табл. П2.6. Изоляция обмоток статоров асинхронных двигателей с высотой
оси вращения до 250 мм на напряжение до 660 В.
Таблица П2.7. Рекомендуемые числа пазов роторов асинхронных двигателей
с короткозамкнутым ротором