Определение главных размеров трёхфазного асинхронного двигателя. Проектирование статора и короткозамкнутого ротора. Расчёт магнитной цепи и намагничивающего тока, параметров двигателя для номинального режима, потерь мощности, КПД, рабочих характеристик.
Аннотация к работе
Предварительно определяем число пазов статора: Из этого промежутка принимаем число пазов статора Находим число последовательно соединенных витков в фазе обмотки статора : Уточняем электромагнитные нагрузки и : Чтобы уточнить , нужно найти величину потока: Здесь уточняем : (для двухслойных обмоток относительный шаг обмотки рекомендуется принимать ) двигатель асинхронный статор ротор ток Далее определяем допустимую плотность тока : Предварительно определяем сечение эффективного проводника: Принимаем число элементарных проводников , тогда мы можем определить площадь поперечного сечения неизолированного провода: Выбираем ближайшее значение [табл.6 стр.22]: По этому значению определяем номинальный диаметр неизолированного провода и среднее значение диаметра изолированного провода : и Уточним сечение эффективного проводника: Уточним плотность тока в обмотке статора: Проведем расчет размеров зубцовой зоны статора. Сопротивление для дальнейших расчетов должно быть приведено к числу витков первичной обмотки по формуле: Находим относительное значение: Расчет индуктивных сопротивлений рассеяния обмотки статора ведется по формуле: , где - суммарный коэффициент удельной магнитной проводимости обмотки статора, который определяется по формуле: , где - коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора, - коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора, - коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора. Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора определяется по формуле: Коэффициент зависит от формы пазов статора и ротора, от наличия скоса пазов и определяется следующим образом: Для полузакрытых или полуоткрытых пазах статора без учета скоса: , где определяется по кривой [рис.16 стр.
Введение
Согласно заданию необходимо спроектировать трехфазный асинхронный двигатель мощностью 37 КВТ, с частотой вращения 3000 об/мин, напряжением 220 / 380 В при частоте 50 Гц, КПД составляет 90% и коэффициент мощности, соответственно, 0,89; ротор - короткозамкнутый, исполнение двигателя по степени защиты IP44. В качестве базовой модели принята конструкция асинхронного двигателя типа 4А200М2У3.
При проектировании использована методика и рекомендации, содержащиеся в методическом пособии «Электрические машины. Курсовое проектирование судовых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором», автор А.А. Ушакевич.
Число пар полюсов
Электромагнитный расчет
Определение главных размеров.
Главными размерами асинхронной машины являются внутренний диаметр статора и расчетная длина воздушного зазора . Главными они называются потому, что определяют в основном все остальные показатели машины. От размеров и и соотношения между ними зависят объем активной части машины, ее масса, степень использования активной части, технико-экономические и другие важные показатели машины.
Наружный диаметр статора выбирается в зависимости от заданной высоты оси вращения по табл. 1.
Находим число эффективных проводников в пазу (предварительно при условии )
(здесь - номинальный фазный ток обмотки статора)
Величина определяется по формуле: , где - номинальное фазное напряжение.
Принимаем , т.к. при этом значении номинальный фазный ток обмотки статора в параллельной ветви обмотки статора не превышает 50-55 А.
Определяем число параллельных ветвей в обмотке статора. При выборе числа параллельных ветвей следует обязательно проверить выполнимость обмотки, т.е. соотношение . Для двухслойных обмоток: должно быть целым числом.
Принимаем . Отсюда находим (окончательно) число эффективных проводников в пазу: .
Находим число последовательно соединенных витков в фазе обмотки статора :
Уточняем электромагнитные нагрузки и :
Чтобы уточнить , нужно найти величину потока:
Здесь уточняем :
(для двухслойных обмоток относительный шаг обмотки рекомендуется принимать )
двигатель асинхронный статор ротор ток
Значения и находятся в допустимых пределах [рис.2(б) стр.14].
Размеры проводника обмотки статора определяются исходя из теплового фактора , который характеризует тепловую нагрузку (или нагрев пазовой части) обмотки статора. Для этого по кривым [рис.4 стр.20] выбираем произведение .
Принимаем число элементарных проводников , тогда мы можем определить площадь поперечного сечения неизолированного провода:
Выбираем ближайшее значение [табл.6 стр.22]: По этому значению определяем номинальный диаметр неизолированного провода и среднее значение диаметра изолированного провода : и
Уточним сечение эффективного проводника:
Уточним плотность тока в обмотке статора:
Проведем расчет размеров зубцовой зоны статора. Для этого зададимся значениями индукций в ярме статора и в зубце [табл.7 стр. 23]: и .
По допустимым значениям индукций определяем высоту ярма и ширину зубца : , - для сердечников статоров, которые шихтуются в один пакет
В двигателях серии 4А с высоту шлица увеличивают до
, где и - соответственно высота и ширина шлица.
Размеры паза в штампе принимаем: и .
Находим размеры паза в свету с учетом припуска на сборку: и определяем по табл.5
Таблица 5 h, мм Припуски, мм
По ширине паза По высоте паза
50-132 0,1 0,1
160-250 0,2 0,2
280-355 0,3 0,3
400-560 0,4 0,4
Находим площадь поперечного сечения паза для размещения проводников: , где - площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу
- площадь поперечного сечения прокладок
Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу: ; - односторонняя толщина корпусной изоляции в пазу
[табл.10 стр.27]
Площадь поперечного сечения прокладок:
Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:
Определяем коэффициент заполнения паза: ;
В современном электромашиностроении плотность укладки обмотки выполняется такой, чтобы коэффициент был в пределах 0,7 0,75 при ручной укладке обмотки и 0,7 0,72 при механической укладке.
Т.к. не попадает ни в один предел, то необходимо уменьшить длину сердечника статора за счет увеличения линейной нагрузки примерно но 10% и повторить расчет обмотки и паза для нового значения.
Пересчитаем: Увеличим на 10%:
находится в пределе 0,7 0,75 ручная укладка обмотки
Проектирование короткозамкнутого ротора.
Необходимо выбрать величину воздушного зазора [Рис.6 стр.32]
Выбранное значение следует округлить с погрешностью до при
Определяем число пазов ротора [табл.12 стр.34]
Двигатели с высотами оси вращения свыше 160 мм обычно выполняются без скоса пазов на роторе.
В двигателях с высотами оси вращения до 250 мм включительно обычно принимается
Находим внешний диаметр :
Длина ротора
Зубцовое деление
Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал: определяем по табл.6
Таблица 6 h, мм 50-63 71-250 280-355 400-500
2р 2-6 2-8 2 4-12 4 6 8-12
0,190,230,220,230,200,230,25
Находим ток в стержне ротора: ; [рис.14 стр.74];
Площадь поперечного сечения: ; - плотность тока в стержне литой клетки;
Определяем паз ротора [рис.7 стр.36]. В двигателях при высоте выполняются грушевидные закрытые пазы со следующими размерами шлица: ; ;
Допустимая ширина зубца:
Размеры паза:
После расчета размеры паза ротора следует округлить до десятых долей миллиметра:
Определяем полную высоту паза:
Сечение стержня:
Плотность тока в стержне:
Замыкающие кольца короткозамкнутого ротора являются литыми [рис.15 стр.75]
Площадь поперечного сечения:
где - коэффициент приведения токов в кольце к току в стержне
Размеры замыкающих колец:
где - средний диаметр замыкающих колец
- средние высота ширина колец
Рис.1 Размеры замыкающих колец КЗ-ротора с литой обмоткой а) б)
Рис.2 Пазы спроектированного двигателя: а - статора, б - ротора
Расчет магнитной цепи и намагничивающего тока
Значения индукций:
Расчетная высота ярма:
, т.к. отсутствуют аксиальные вентиляционные каналы
Теперь определим магнитные напряжения зубцовых зон статора:
(По табл. прил. В [стр.104] для стали 2013 при ;
при ; ;
)
Исходя из предыдущего, можно найти коэффициент насыщения зубцовой зоны: ;
Магнитные напряжения ярм статора и ротора:
( По табл. прил. Д [стр. 107] при ; при ;
Магнитное напряжение на пару полюсов:
Коэффициент насыщения магнитной цепи:
Находим намагничивающий ток и его относительное значение:
Расчет параметров двигателя для номинального режима
Под параметрами двигателя следует понимать активные и индуктивные сопротивления обмоток статора , ; ротора , ; сопротивление взаимной индуктивности и расчетное сопротивление (или ), введением которого учитывают влияние потерь в стали статора на характеристики двигателя.
В расчетных формулах активных сопротивлений обмотки статора и фазы обмотки короткозамкнутого ротора значение удельного сопротивления для меди и литого алюминия необходимо подставлять при температурах 75 или 115 в зависимости от выбранного класса изоляции обмотки статора [табл.16 стр.44].
Для класса нагревостойкости расчетная Для меди .
Активное сопротивление фазы обмотки статора определяется по формуле:
, где - общая длина эффективных проводников фазы обмотки, м;
- сечение эффективного проводника, м ;
- число параллельных ветвей;
- удельное сопротивление материала обмотки при расчетной температуре.
Общая длина проводников фазы обмотки определяется по формуле: , где - средняя длина витка обмотки, м;
- число витков фазы.
Среднюю длину витка находят как сумму прямолинейных пазовых и изогнутых лобовых частей катушки:
Длина пазовой части равна конструктивной длине сердечников машины
Лобовая часть катушки имеет сложную конфигурацию и определяется по эмпирическим формулам. Длина лобовой части катушки для всыпной обмотки статора определяется по формуле:
где - средняя ширина катушки, м, определяется по дуге окружности, проходящей по середине высоты пазов, т.е. : , где - относительное укорочение шага обмотки статора;
- коэффициент, зависящий от числа полюсов и наличия изоляции в лобовых частях [табл.22 стр.79];
- длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части, м. В расчетах значение принимают равным 0,01 м.
Длина вылета лобовой части обмотки, т.е. расстояние от торца сердечника до конца лобовой части обмотки определяется по формуле: , [табл.22 стр.79]
Сопротивление обмотки фазы статора в относительных единицах определяется по формуле: ,
где - активное сопротивление фазы статора, Ом;
- номинальная сила тока фазы статора, А;
- номинальное напряжение фазы статора;
Активное сопротивление фазы короткозамкнутого ротора определяется следующим образом:
где - сопротивление стержня, Ом
- сопротивление участка замыкающего кольца, заключенного между двумя соседними стержнями, Ом
- для литой алюминиевой обмотки ротора
Сопротивление для дальнейших расчетов должно быть приведено к числу витков первичной обмотки по формуле:
Находим относительное значение:
Расчет индуктивных сопротивлений рассеяния обмотки статора ведется по формуле: , где - суммарный коэффициент удельной магнитной проводимости обмотки статора, который определяется по формуле: , где - коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора, - коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора, - коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора.
- [табл.17, рис.10(з), стр.50]
При двухслойной обмотке с укорочением шага
, Коэффициент определяется по формуле:
; ; ;
Коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора определяется по формуле:
Для электрических машин с длиной статора до 300 мм радиальные вентиляционные каналы отсутствуют, и тогда .
Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора определяется по формуле:
Коэффициент зависит от формы пазов статора и ротора, от наличия скоса пазов и определяется следующим образом: Для полузакрытых или полуоткрытых пазах статора без учета скоса: , где определяется по кривой [рис.16 стр.80]
- коэффициент скоса (при отсутствии скоса пазов равен нулю)
Находим относительное значение:
Индуктивное сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора определяют по формуле:
Коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора рассчитывается в зависимости от размеров и расположения замыкающих колец короткозамкнутой обмотки [табл.23 стр.81-82] и в зависимости от конфигурации паза ротора [рис.17 стр.82].
; ; (для номинального режима); .
Коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния короткозамкнутого ротора рассчитывают в зависимости от размеров и расположения замыкающих колец короткозамкнутой обмотки следующим образом: В роторах с литыми обмотками при замыкающих кольцах, прилегающих к торцам сердечника ротора, используют формулу:
Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора определяется по формуле:
, так как и
Приведенное к числу витков первичной обмотки индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора определяется по формуле:
Находим относительное значение:
Расчет потерь мощности и КПД
В асинхронном двигателе различают следующие виды потерь: • - потери в стали (основные и добавочные);
• - механические и вентиляционные потери;
• - электрические потери в обмотке статора;
• - электрические потери в обмотке короткозамкнутого ротора;
• - добавочные потери в двигателе при нагрузке.
Потери мощности определяются при установившемся режиме работы асинхронного двигателя для расчета КПД и нагрева машины.
Основные потери в стали ярма и зубцов статора рассчитываются по формуле: , где показатель степени и удельные потери в стали определяются в зависимости от марки стали [табл.18 стр.55] и - коэффициенты, учитывающие влияние на потери в стали неравномерности распределения потока по сечениям участков магнитопровода, а также технологические факторы. Для машин мощностью меньше 250 КВТ приближенно можно принять и ;
и - соответственно индукция в ярме и средняя индукция в зубцах статора, Тл; и - соответственно масса стали ярма и зубцов статора, кг, рассчитываемая по формулам: , ;
- высота ярма статора, м, рассчитываемая по формуле: ;
- расчетная высота зубца статора, м
- средняя ширина зубца статора, м, определяемая по формуле:
- удельная масса стали (в расчетах принимают ).
Поверхностные потери в роторе:
- удельные поверхностные потери
- коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности зубцов ротора на удельные потери, =1,4 1,8
- амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов
[рис.18 стр.85]
, где - амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов;
, - средняя индукция в зубцах ротора, Тл;
- масса стали зубцов ротора
Таким образом, добавочные потери в стали определяются по формуле:
Общие потери в стали асинхронных двигателей определяются по формуле:
Механические потери определяются по формуле:
Добавочные потери при номинальном режима:
Холостой ход двигателя:
Расчет рабочих характеристик
Рабочими характеристиками асинхронных двигателей называют зависимости , , , от мощности на валу двигателя . Методы расчета характеристик базируются на системе уравнений токов и напряжения асинхронной машины, которой соответствует Г - образная схема замещения. Рабочие характеристики могут быть рассчитаны с помощью круговой диаграммы или аналитическим методом. Аналитический метод более универсален, позволяет учитывать изменение отдельных параметров при различных скольжениях и может быть легко переведен на язык программ при использовании ПВМ в расчетах.
Определяем последовательно включенные сопротивления взаимоиндукций обмоток статора и ротора:
Определяем коэффициенты и параметры, входящие в формуляр таблицы 7:
Формуляр расчета рабочих характеристик асинхронного двигателя
№ п/п Расчетная формула Единица Скольжение
0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,0165
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 Ом33,116,5511,038,276,625,5110,03
2 Ом0000000
3 Ом33,2616,7111,198,436,785,6710,193
4 Ом2,732,732,732,732,732,732,73
5 Ом33,3716,9311,528,867,316,2910,55
6 А11,3822,4432,9842,8951,9860,4136,02
7 ___0,9960,9870,9710,9510,9270,9010,966
8 ___0,08180,1610,2370,3080,3730,4340,258
9 А11,8222,6332,5141,2748,6754,9135,28
10 А6,89,4813,6819,0825,2632,0915,16
11 А13,6324,5335,2745,4654,8363,5938,39
12 А11,5722,8233,5443,6252,8661,4336,63
13 КВТ13,4725,7937,0647,0555,4862,5940,22
14 КВТ0,0890,2880,5970,9921,4431,9410,707
15 КВТ0,0640,2490,5390,9131,3411,8110,644
16 КВТ0,0230,0750,1550,2580,3760,5060,184
17 КВТ1,6492,0852,7643,6364,6335,7343,008
18 КВТ11,82123,70534,29643,41450,84756,85637,212
19 ___0,8770,9190,9250,9220,9160,9080,925
20 ___0,8670,9220,9210,9070,8870,8630,919
Рис.3 Рабочие характеристики асинхронного двигателя.
Тепловой расчет
Задачей теплового расчета является определение превышения температуры различных частей машины (их перегрев) над температурой окружающей среды.
Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя:
определяем по табл.8
Таблица 8
Исполнение двигателя по способу защиты Число полюсов двигателя 2р
2 4 6 8 10 12
IP 44 0,22 0,20 0,19 0,18 0,17 0,16
[рис.20 стр.89]
Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:
Класс нагревостойкости F: ;
[рис.21 стр.90]
Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:
Превышение температуры наружной поверхности 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:
[рис.22 стр. 92]
[рис.20 стр.89]
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:
Расчет вентиляции: Требуемый для охлаждения расход воздуха:
Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором:
Заключение
В данном курсовом проекте был спроектирован асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. В результате расчета были получены основные показатели для двигателя заданной мощности и , которые удовлетворяют предельно допустимым значением ГОСТА для серии двигателей 4А. Был произведен расчет и построение рабочих характеристик проектируемой машины.
Таким образом, по данным расчета данному двигателю можно дать следующее условное обозначение: 4А200М2У3, где: • 4 - порядковый номер серии;
• А - род двигателя - асинхронный;
• 200 - высота оси вращения;
• М - условная длина станины по МЭК;
• 2 - число полюсов;
• У - климатическое исполнение для умеренного климата;
• 3 - категория размещения.
Номинальные данные спроектированного двигателя: ; ; ;
Список литературы
1. Кравчик, А.Э. Справочник «Асинхронные двигатели серии 4А» / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская - М.: Энергоиздат, 1982 - 504 с.
2. Полузадов, В.Н. Проектирование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. / В.Н. Полузадов, А.В. Дружинин - Екатеринбург.: Уральский государственный горный университет, 2005 - 202с.
3. Полузадов, В.Н. Электрические машины. / В.Н. Полузадов // Екатеринбург.: Уральский государственный горный университет, 2007 - 52 с.
4. Полузадов, В.Н. Электрические машины. Ч.3. Асинхронные машины. / В.Н. Полузадов // Екатеринбург.: ГОУ ВПО Уральский государственный горный университет, 2005 - 88 с.
5. Алиев, И.И. Асинхронные двигатели в трехфазном и однофазном режимах. / И.И. Алиев. // М.: ИП РАДИСОФТ, 2004 - 128 с.
6. Кацман, М.М. Расчет и конструирование электрических машин. / М.М. Кацман // М.: Энергоатомиздат, 1984 - 360 с.
7. Китаев, В.Е. Электрические машины. Ч.II. Машины переменного тока. / В.Е. Китаев, Ю.М. Корхов, В.К. Свирин - М.: Высш. школа, 1978 - 184 с.
8. Лотоцкий, К.В. Электрические машины и основы электропривода / К.В. Лотоцкий // М.: Колос, 1964 - 497 с.
Радин, В.И. Электрические машины. Асинхронные машины / В.И. Радин, Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, И.П. Копылов - М.: Высш. шк, 1988 - 328 с