• RU
  • icon На проверке: 155
Меню

Расчет асинхронного двигателя

  • Добавлен: 12.02.2015
  • Размер: 503 KB
  • Закачек: 0
Узнать, как скачать этот материал

Описание

Проект трехфазного асинхронного электродвигателя типа 4А.

1. Выбор основных размеров двигателя 5

2. Расчет обмоток статора и ротора 7

3. Расчет магнитной цепи, потерь и КПД 18

4. Расчет параметров двигателя и построение рабочих и пусковых характеристик, также для генераторного режима. 31

4.1 Построение и расчет круговой диаграммы 31

4.2 Расчет параметров и построение рабочих и пусковых характеристик 34

5. Тепловой расчет
6. Определение расходов активных материалов и показателей их использования 42 +сборочный чертёж асинхронного двигателя на А1 и чертёж обмотки статора, ротора, рабочие и пусковые характеристики, заполнение паза ротора и статора на А1

Состав проекта

icon
icon
icon 250_пр.cdwЛист 1.pdf
icon _4А_250_2_132 МВт.pdf
icon курсовой проект.docx

Дополнительная информация

Контент чертежей

icon 250_пр.cdwЛист 1.pdf

Взам. инв. № Инв. № дубл.
Лобовые части обмотки статора
Кольцо короткозамыкающее
Крышка подшипниковая
Асинхронный двигатель

icon курсовой проект.docx

Белорусский национальный технический университет
Энергетический факультет
на тему:«Расчет асинхронного двигателя»
По дисциплине: Электрические машины
Выбор основных размеров двигателя 5
Расчет обмоток статора и ротора 7
Расчет магнитной цепи потерь и КПД18
Расчет параметров двигателя и построение рабочих и пусковых характеристик также для генераторного режима.31
1Построение и расчет круговой диаграммы 31
2Расчет параметров и построение рабочих и пусковых характеристик34
Определение расходов активных материалов и показателей их использования46
Список использованных источников49
Согласно заданию необходимо спроектировать трехфазный асинхронный электродвигатель типа 4А
Исходные данные для проектирования двигателя
Номинальная мощность
Коэффициент мощности
Кратность пускового момента
Кратность пускового тока
Номинальное напряжение
Конструктивное исполнение - IM1001
Исполнение по способу защиты - IP44
Выбор основных размеров двигателя
Частота вращения определяется по формуле:
Высота оси вращения предварительно по [1 рис.9.18]
Наружный диаметр статора по [1табл. 9.8] для данной оси вращения
Внутренний диаметр статора
Расчетная мощность по (9.4)
Электромагнитные нагрузки предварительно по [1рис. 9.22]
Обмоточный коэффициент (предварительно для двухслойной обмотки)
Коэффициент формы поля
Синхронная угловая скорость вала двигателя
Расчетная длина магнитопровода по (9.6)
В асинхронных двигателях длина сердечников которых не превышает 250 300 мм радиальные вентиляционные каналы не делают. Сердечники шихтуются в один пакет. Для такой конструкции
Конструктивная длина сердечника статора
Проверка правильности выбора размеров двигателя
Значение λ находится в допустимых пределах [1рис. 9.25].
Расчет обмоток статора и ротора
По [1табл. 9.11] зубцовое деление при прямоугольных полуоткрытых пазах статора
Число пазов статора по (9.16)
Принимаем по [1 табл. 9.18]
Обмотка двухслойная
Зубцовое деление статора (окончательно)
Номинальный ток обмотки статора (по 9.18)
Число эффективных проводников в пазу предварительно при условии а = 1 по (9.17)
Принимаем число параллельных ветвей
Окончательные значения:
число витков в фазе по (9.20)
линейная нагрузка по (9.21)
магнитный поток по (9.22)
индукция в магнитном зазоре
где при q = 6 по [1табл. 3.16]
Расчетный шаг по [1 (3.9)]
Принимаем шаг обмотки
Укорочение шага [1 3.12]
Коэффициент укорочения (3.6)
Предварительно принимаем произведение линейной нагрузки на плотность тока [1 рис. 9.27]
Плотность тока в обмотке статора (предварительно) по (9.25):
Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно) по (9.24)
В машинах мощностью более 100 кВт для придания катушкам большей механической прочности их выполняют из прямоугольного провода и укладывают в пазы с параллельными стенками.
Выбираем число элементарных проводников
Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора
Обмотка из прямоугольного провода укладывается в прямоугольные пазы (рис. 9.28). Боковые стенки таких пазов параллельны поэтому зубцы статора имеют трапецеидальное сечение и индукция в них неравномерна.
Принимаем предварительно по [1табл. 9.12] при 2p=2
Индукция в зубце статора
Индукция в ярме статора
где коэффициент заполнения сердечника сталью [1 табл. 9.13] при h=250
тогда минимальная ширина зубца по (9.29)
Ширина паза предварительно по (9.32)
Ширина проводника b должна быть меньше ширины паза на толщину всей изоляции с учетом допусков т. е. корпусной витковой (если она устанавливается в данной конструкции) и проводниковой а также припусков на сборку сердечников тогда по (9.35)
По [1 П 3.2] выбираем провод прямоугольного сечения ПЭТП
Расчетное сечение проволоки
Окончательное сечение эффективного проводника
Ориентируясь на [1табл. 3.9] составляем таблицу заполнения паза статора. Размеры паза в штампе [1рис. 9.76 а] принимаем с учетом припусков [1 табл. 9.14]
Таблица 2.1-Заполнение паза статора
Ширина шлица паза выбирается из условия обеспечения свободной укладки полукатушек в паз
Высоту шлица и высоту клиновой части паза выполняют в пределах
Плотность тока в обмотке статора (окончательно) по (9.27)
Воздушный зазор по [1рис. 9.31]
Число пазов ротора по [1табл. 9.18]
пазы ротора выполняем без скоса
Внешний диаметр ротора
Длина магнитопровода ротора
Зубцовое деление ротора
Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал тогда по (9.102)
где по [1 табл. 9.19] коэффициент
В большинстве двигателей с высотой оси вращения h > 250 мм выполняют аксиальные каналы в целях некоторого улучшения условий охлаждения ротора и снижения его массы и момента инерции. Принимаем расположение каналов в один ряд
Принимаем 12 аксиальных каналов с диаметром
Ток в обмотке ротора по (9.57)
Плотность тока в стержне литой клетки принимаем
Площадь поперечного сечения стержня (предварительно) по (9.68)
В двигателях с h = 160 250 мм выполняют трапецеидальные закрытые пазы [1рис. 9.40 б] с размерами шлица паза
Принимаем допустимую индукцию в зубцах ротора по [1табл. 9.12]
Допустимая ширина зубца по (9.75)
где коэффициент заполнения сердечника сталью [1 табл. 9.13] при оксидировании
Определяем размеры грушевидного паза ротора по [1 9.76-9.78]
Полная высота паза ротора
Уточняем ширину зубцов ротора по формулам [1табл. 9.20]
Площадь поперечного сечения стержня по (9.79)
Плотность тока в стержне
Плотность тока в стрежне определяем по (9.70) и (9.71)
Плотность тока в замыкающих кольцах
Замыкающие кольца литой обмотки обычно выполняют с поперечным сечением в виде неправильной трапеции прилегающей своим большим основанием к торцу ротора.
Площадь поперечного сечения кольца по (9.72)
Размеры короткозамыкающих колец:
Рисунок 2.1-Пазы статора и ротора спроектированного двигателя
Расчет магнитной цепи потерь и КПД
Расчет магнитной цепи
Магнитопровод из стали 2013; толщина листов 05 мм.
Магнитное напряжение воздушного зазора по (9.103)
Расчетная высота зубца статора
Расчетная индукция в зубцах статора (9.105)
Магнитное напряжение зубцовой зоны статора по (9.104)
Расчетная высота зубца ротора
Расчетная индукция в зубцах ротора (9.109)
Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по (9.108)
Коэффициент насыщения зубцовой зоны по (9.115)
Расчетная высота ярма статора по (9.118)
Длина средней магнитной силовой линии в ярме статора по (9.119)
Индукция в ярме статора no (9.117)
по [1 П.1.6] для расчетной индукции находим
Магнитное напряжение ярма статора по (9.116)
Расчетная высота ярма ротора по (9.124)
Высота ярма ротора для двухполюсных двигателей с непосредственно посадкой сердечника ротора на вал определяется по (9.126)
Длина средней магнитной силовой линии в ярме ротора по (9.125)
Расчетная индукция в ярме ротора по (9.122)
по [1 П.1.6] находим
Магнитное напряжение ярма ротора по (9.121)
Магнитное напряжение на пару полюсов (по 9.128)
Коэффициент насыщения магнитной цепи по (9.129)
Намагничивающий ток по (9.130)
Относительное значение по (9.131)
Параметры рабочего режима
Для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура
Для медных проводников обмотки статора сопротивление
В проводниках обмотки статора асинхронных машин эффект вытеснения тока проявляется незначительно из-за малых размеров элементарных проводников. Поэтому коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока принимаем
Относительное укорочение шага обмотки
Средняя ширина катушки по (9.138)
Катушки из прямоугольного провода
длина лобовой части витка
ширина меди катушки в лобовой части
Допустимое расстояние между медью проводников соседних катушек по [1табл. 9.24]
Зубцовое деление статора
По выражениям (9.142)-(9.143) определяем
Вылет прямолинейной части катушек из паза по [1табл. 9.24]
Длина лобовой части по (9.139)
Длина вылета лобовой части катушки по (9.140)
Длина пазовой части равна конструктивной длине сердечников машины
Средняя длина витка обмотки
Общая длина проводников фазы обмотки статора
Активное сопротивление обмотки статора по (9.132)
Относительное значение
Сопротивление стержня по (9.169)
Сопротивление участка замыкающего кольца заключенного между двумя соседними стержнями
Активное сопротивление фазы обмотки ротора по (9.168)
Приводим сопротивление ротора к числу витков обмотки статора по (9.172) (9.173):
Далее определяем индуктивные сопротивления обмоток
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора по табл. 9.26 (см. рис. 9.50 б)
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния статора по (9.159)
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмоток статора по (9.160)
При полузакрытых или полуоткрытых пазах статора с учетом скоса пазов по (9.176)
Расчетная длина магнитопровода для обмотки статора по (9.153)
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора по (9.152)
При расчете номинального режима двигателя во всех формулах принимаем
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора по [1табл. 9.27]
Коэффициент приведения токов в кольце к току в стержне
Расчетная длина магнитопровода для обмотки ротора по (9.154)
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния ротора по (9.178)
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки ротора по (9. 180)
Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора по (9.177)
Приводим сопротивление фазы обмотки ротора к числу витков статора по (9.172) и (9.183):
Относительное значение
Потери в стали основные по (9.187)
для стали 2013 по [1табл. 9.28]
Удельная масса стали
Масса стали ярма статора по (9.188)
Масса стали зубцов статора по (9.189)
Для машин мощностью меньше 250 кВт можно принять
Поверхностные потери в роторе по (9.194)
Удельные поверхностные потери по (9.192)
Для определения поверхностных потерь вначале находят амплитуду пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов ротора по (9.190)
Для зубцов ротора определяем отношение
тогда по [1рис. 9.53] находим
Пульсационные потери в зубцах ротора по (9.200)
Для определения пульсационных потерь вначале находится амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов по (9.196)
Масса стали зубцов ротора по (9.201)
Поверхностные и пульсационные потери в статорах двигателей с короткозамкнутыми или фазными роторами со стержневой обмоткой обычно малы так как в пазах таких роторов пульсации индукции в воздушном зазоре над головками зубцов статора незначительны. Поэтому расчет этих потерь в статорах таких двигателей не проводят.
Суммарные добавочные потери в стали по (9.202)
Полные потери в стали по (9.203)
Механические потери по (9.210)
для двигателей с 2p = 2
Электрические потери в статоре при холостом ходе приближенно по (9.219)
Ток холостого хода двигателя по (9.217)
где активная составляющая тока холостого хода по (9.218)
Реактивная составляющая тока холостого хода по (9.220)
Ток холостого хода в относительных единицах
Коэффициент мощности при холостом ходе
Расчет параметров двигателя и построение рабочих и пусковых характеристик также для генераторного режима.
1Построение и расчет круговой диаграммы
Расчет характеристик будем производить по круговой диаграмме. Так как это наиболее наглядный метод определения характеристик двигателя во всех режимах как двигательном так и генераторном.
При построении диаграммы вектор напряжения U1ном направляют по оси ординат ОВ1. Из начала координат строят вектор тока синхронного холостого хода ОА0 =–под углом φ0 к оси ординат φ0 = . Точку A0 удобно найти отложив по вертикальной и горизонтальной осям ее координаты соответственно равные I0a и I0p.
Через точку A0 проводят линии A0F0 ОВ и A0F под углом 2γ к оси ординат. Из-за малости γ построение угла F0A0F удобно выполнять следующим образом. В произвольной точке F'0 прямой A0F0 восстанавливают перпендикуляр к линии A0F0 и откладывают на нем отрезок
F'0 F''0 = А0 F'0 tg 2γ А0 F'0 2 tg γ;
Линия A0F определяет положение диаметра круговой диаграммы. Отложив на ней отрезок А0О' = 05Dk проводят окружность с центром О' радиусом 05DK. Через произвольную точку F1 диаметра A0F' проводят линию
(F' F1) (A0F) и откладывают на ней отрезки F1F2 = A0F1 и
F1F3 = A0F1. Через точку А0 и точки F2 и F3 проводят прямые до пересечения их с окружностью соответственно в точках А2 и А3. На оси ординат откладывают отрезок OA1 = Р0mр где Р0 = Pст + 3I20r1 + Рмех и через точку А1 проводят А1А'0 ВО. Точку А'0 соединяют с точками О и А3. На этом построение круговой диаграммы заканчивается. Круговая диаграмма спроектированного двигателя представлена на листе 1 графической части проекта
Т.к γ 1° то расчет производим по приближенным формулам
Круговая диаграмма асинхронного двигателя изображена на листе 2 графической части проекта. Исходными данными для ее построения являются:
Ток холостого хода двигателя
где активная составляющая тока холостого хода
реактивная составляющая тока холостого хода
Сопротивления короткого замыкания
Диаметр рабочего круга принимаем
уточняем диаметр рабочего круга
Производим необходимые для построения круговой диаграммы расчеты
Определим положение точки соответсвующей номинальному режиму двигателя на круговой диаграмме.
2Расчет параметров и построение рабочих и пусковых характеристик
Окружность диаметром DK и с центром О' является геометрическим местом концов векторов тока статора двигателя при различных скольжениях. Точка окружности A0 определяет положение конца вектора тока I0 при синхронном холостом ходе а точка А'0 — при реальном холостом ходе двигателя. Отрезок О А'0 определяет ток Ix.x а угол A'0OB1 – cos φк.з. Точка А2 окружности определяет положение конца вектора тока при коротком замыкании (s = 1) отрезок ОА3 — ток Iк.з а угол А3ОВ1 – соs φк.з. Точка А2 определяет положение конца вектора тока при s = .
Промежуточные точки на дуге окружности А0А3 определяют положение концов векторов тока I1 при различных нагрузках в двигательном режиме (0 s ≤ 1). Ось абсцисс диаграммы ОB является линией первичной мощности P1. Линией электромагнитной мощности Рэм или электромагнитных моментов Мэм является линия А0А2. Линией полезной мощности на валу (вторичной мощности Р2) является линия А'0А3. По круговой диаграмме для тока статора которому соответствует точка А на окружности можно рассчитать необходимые для построения рабочих характеристик данные.
Для построения рабочих характеристик вначале находят положение на окружности точки Ан которая соответствует номинальному режиму работы. Для этого исходя из заданной номинальной мощности Р2ном рассчитывают длину отрезка E'Fн = P2ном mp и откладывают на линии F1F' A0F от точки ее пересечения Е' с линией полезной мощности А'0А3. Через точку Fн проводят FнAн А'0А3. Точки пересечения FHAH с окружностью Ан и А'н определяют положение концов вектора тока I1 при мощности Р2ном. Точка Ан ближайшая к А'0 соответствует номинальному режиму точка А'Н — режиму неустойчивой работы двигателя (при s > sкp).
Наметив на дуге А0Ан несколько точек а1 а2 а3 определяют соответствующие каждой из них данные I1 Р2 соsφ М s.
По круговой диаграмме для тока статора которому соответствует точка А на окружности можно рассчитать необходимые для построения рабочих характеристик данные:
ток статора А I1 = mI
ток ротора А I'2 = mI
первичную мощность Вт P1 = mр AN где AN ОВ;
электромагнитную мощность Вт Рэм = mр АС где АС
электромагнитный момент Мэм = mм АС;
полезную мощность Вт Р2 = mр АЕ;
Для построения шкалы коэффициента мощности cos проводим из точки О как из центра подходящим радиусом окружность и построим на вертикальной оси шкалу cos принимая точку пересечения этой оси с указанной окружностью за cos = 1. Точку пересечения этой окружности с вектором тока I1 или его продолжением снесем на вертикальную ось и отсчитаем значение cos при данном значении тока т. е. для данной точки круговой диаграммы.
Для построения шкалы КПД произведем на круговой диаграмме следующие построения: 1) удлиним линию полезной мощности на валу влево до пересечения с горизонтальной осью или ее продолжением в точке а и вправо до некоторой точки с'; 2) проведем линию с'b параллельную диаметру OкA и линию c'd параллельную горизонтальной оси длиной с'b. Линия c'd будет являться шкалой коэффициента полезного действия. Проводя линию из точки a через точку на окружности A до точки пересечения f со шкалой КПД можно определить КПД для данной точки круговой диаграммы как .
Для построения шкалы скольжения проведем через точкуA2(s= ±) окружности касательнуюA2R которая перпендикулярна радиусу О’В. Через некоторую точкуL на прямой ОВ проведем прямуюLQ параллельнуюA2R. ТочкаQ на прямойLQ определяется как точка пересечения этой прямой с прямойA2Q проходящей через точкуA3(s = 1). Для нахождения скольжения для точки А на окружности необходимо провести линию A2A точка пересечения которой со шкалой скольжения М укажет на значение скольжения.
Определяем номинальный КПД
Определяем номинальный коэффициент мощности
Определяем номинальный ток
Определяем номинальное скольжение
Определяем номинальный момент
Определяем полезную мощность
Аналогичные построения производим для нескольких других точек на окружности
Произведем аналогичные построения для генераторного режима.
Из круговой диаграммы видно что максимальный момент в генераторном режиме больше чем в двигательном
Определяем максимальный момент в генераторном режиме
Очевидно также что пусковой ток и момент для двигательного и генераторного режима идентичные параметры.
Для построения точки соотвествующей номинальной мощности в режиме генератора произведем следующие построения.
Точка пересечения с окружностью круговой диаграммы и будет искомой точкой номинальной мощности двигателя в генераторном режиме
Определения параметров в генераторном режиме по круговой диаграмме происходит аналогично расчету двигательного режима.
Определим номинальный ток в режиме генератора
Результаты расчета рабочих характеристик сводим в таблицу.
Таблица 4.1-Рабочие характеристики асинхронного двигателя рассчитанные по круговой диаграмме
Рисунок 4.1-Рабочие характеристики асинхронного двигателя рассчитанные по круговой диаграмме
Рисунок 4.2-Пусковые характеристики асинхронного двигателя рассчитанные по круговой диаграмме
Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя по (9.315)
где по [1табл. 9.35]
где из расчета рабочих характеристик находим при номинальном скольжении
Определяем по [1рис. 9.67]
для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости F
Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора по (9.316)
где расчетный периметр поперечного сечения паза статора равный для полузакрытых трапецеидальных пазов
Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей по (9.319)
Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя по (9.320)
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя по (9.321)
Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды по (9.322)
из расчета рабочих характеристик при номинальном скольжении определяем
где по [1рис. 9.70] для h = 250 мм
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды по (9.328)
Проверка условий охлаждения двигателя.
Требуемый для охлаждения расход воздуха по (9.340)
Расход воздуха обеспечиваемый наружным вентилятором по (9.342)
Определение расходов активных материалов и показателей их использования
Определим массу меди
Расход меди на мощность двигателя
Определим массу стали
Расход стали на мощность двигателя
Определим массу алюминия
расходованную на заливку пазов
расходованную на короткозамыкающие кольца
Полная масса алюминия
Расход алюминия на мощность двигателя:
Приближенное значение динамического момента инерции короткозамкнутого ротора:
Сравним параметры спроектированного АД полученные в результате расчетов с заданными по условиям проектирования.
Таблица 1-Параметры спроектированного двигателя
Параметры спроектированного двигателя отвечают заданным условиям и примерно соответствуют справочным параметрам двигателей аналогичного класса. КПД спроектированного двигателя несколько ниже чем в задании что можно отнести к недостаткам выполненного проекта. Зато удалось достичь хороших показателей пускового тока пускового и критического (максимального) моментов.
Список использованных источников
Копылов И.П. Проектирование электрических машин. – М.:Энергия 2002
Вольдек А.И. Электрические машины. –М.:Энергия 1974
up Наверх