Приложение Б. Справочные данные

КУРСОВая работа

 

Расчет асинхронного двигателя

 

 

Выполнил:

 

Проверил

 

 

Город

Дата

КУРСОВая работа

 

По дисциплине ____ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ_________

 

 

Техническое задание

 

Номинальная мощность P = 37 кВт;

напряжение – 380/660 В;

синхронная частота вращения – 1000 об/мин;

число фаз – 3;

частота сети - 50 Гц;

предельное значение пускового тока – 6 I _ном;

наименьшие значение пускового момента 1,1 M_ном;

режим работы – продолжительный;

конструктивное исполнение – IM1001;

исполнение по способу защиты от воздействия окружающей среды – IР44;

категория климатического исполнения – У3;

способ охлаждения – самовентиляция;

базовая модель двигатель 4А225М6.

Оглавление

 

Введение ………………………………………………………………

1. Определение главных размеров…………………………………

2. Определение z1, w1 и сечения провода обмотки статора 6

3. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора.

4. Расчёт ротора ……………………………………………………...

5. Расчёт намагничивающего тока ……………………………….

6. Параметры рабочего режима …………………………………...

7. Расчёт потерь ……………………………………………………...

Заключение ………………………………………………………….

Список использованной литературы ……………………………..

Введение

 

Асинхронный двигатель является преобразователем электриче­ской энер­гии в механическую и составляет основу большинства ме­ханизмов использую­щихся во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время асинхронные двигатели потребляют более 40% выра­ба­тываемой электрической энергии, на их изготовление расходуется большое коли­чество дефицитных материалов: обмоточ­ные меди, изоляции, электриче­ской стали и других затрат.

На ремонт и обслуживание асинхронных двигателей в эксплуата­ции сред­ства составляют более 5% затрат из обслуживания всего ус­тановленного оборудо­вания.

Поэтому создание высокоэкономичных и надежных асин­хронных двигателей является важнейшей за­дачей, Серия 4А подходит в качестве прототипа при проектировании.

В задании указано предельное значение пускового тока и дано наименьшие значение пускового момента. Они отличаются в пределах 10% от данных двигателя 4A225M6, поэтому при расчете необходимо уделить внимание параметрам Г-образной схемы замещения двигателя. Высота паза ротора может быть меньше, чем у прототипа, а комплексное сопротивление короткого замыкания z _k = (x _k² + r _k²)^0,5 несколько больше.

При курсовом проектировании асинхронного двигателя в качестве основного использовался источник [1], ссылка на который в тексте ставилась в скобках, например, . Остальные источники отмечались цифрой в квадратных скобках.
1. Определение главных размеров

1 .Число пар полюсов: . (1.1)

2. Высота оси вращения (предварительно): мм

. Принимаем ближайшее меньшее значение мм и наружный диаметр статора асинхронного двигателя м .

3. Внутренний диаметр статора: м,

=0,72 - характеризует отношение внутреннего и внешнего диаметра асинхронного двигателя .

4. Полюсное деление: м. (1.2)

5. Расчётная мощность:

Вт, (1.3) где = 0,972 – отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению ; h=0,9 и cosj=0,88 – значения КПД и коэффициента мощности АД .

6. Электромагнитные нагрузки (предварительно):

А=35∙10³=35000А/м;

В_d=0,8 Тл,

.

7. Обмоточный коэффициент для двухслойной обмотки (предварительно): k _об1=0,91, .

8. Расчётная длина воздушного зазора:

м, (1.4)

где 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= рад/с .

9. Критерием правильности выбора главных размеров D и служит отношение: , (1.5)

полученное значение l находится в рекомендуемых пределах .

В результате проделанных вычислений получены значения высоты оси вращения h, внутреннего диаметра статора D, наружного диаметра статора , расчётной длины воздушного зазора и полюсного деления .

2. Определение z₁, w ₁ и сечения провода обмотки статора

10. Предельные значения t ₁ – зубцовое деление: t _1max = 14 мм; t _1min = 12 мм,

.

11. Число пазов статора:

; (2.1)

.

Принимаем Z ₁ = 72, тогда число пазов на полюс и фазу:

, (2.2)

где τ_z = Z ₁/2 p = 12– полюсное деление, выраженное числом пазов.

Принимаем двухслойный тип обмотки, так как мощность двигателя более 15 кВт.

12. Зубцовое деление статора (окончательно):

м. (2.3)

13. Число эффективных проводников в пазу (предварительно при условии, что а = 1):

(11), (2.4)

где – номинальный ток обмотки статора:

А. (2.5)

14. Принимаем а = 3, тогда .

15. Окончательные значения:

число витков в фазе обмотки: ; (2.6)

линей­ная нагрузка:

А/м; (2.7)

магнитный поток: Вб, (2.8)

для двухслойной обмотки {по (3-3) [ И.П.Копылов ]}

k _об1 = k _Р× k _у = 0,958×0,966 = 0,925;

k _Р – коэффициент распределения, при q = 4 k _Р = 0, 958 { ;

k _у –коэффициент укорочения, k _у = sin (0,5π β)= 0,966 {по (3-4) [ И.П.Копылов ]};

укорочение β = y /τ _z = 10/12 = 0,833 ≈ 0,83, см.п.11, , {c.228 [3]};

для м - = 0,972 ;

Индукция в воздушном зазоре:

Тл. (2.9)

Линейная нагрузка и индукция в воздушном зазоре при принятом числе пазов Z ₁ и эффективных проводников в пазу находятся в рекомендуемых пределах, переходим к расчёту сечения эффективного проводника и обмоточного провода.

16. Плотность тока в обмотке статора (предварительно):

А/м², (2.10)

где А²/м³ – среднее значение произведения (плотности тока на значение линейной нагрузки .

17. Сечение эффективного проводника (предварительно):

м² = 2,39 мм²; (2.11)

Принимаем число элементарных проводников n _эл = 3 и выбираем по таблице обмоточный провод ПЭТМ : d_эл = 1,06 мм – номинальный диаметр неизолированного провода; d _из = 1,14 мм – среднее значение диаметра изолированного провода; q _эл = 0,883 мм² – площадь поперечного сечения неизолированного провода,

q _эф = 3∙0,883 = 2,649 мм².

 

18. Плотность тока в обмотке статора (окончательно): А/м²=5,16 А/мм². (2.12)

3. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Паз статора с соотношением размеров, обеспечивающим параллельность боковых граней зубцов.

Рис. 3.1. Паз статора

 

19. Принимаем предварительно :

В_{z 1} = 1,9Тл - значение индукции на ярме статора; В_а = 1,6 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)

20. Размеры паза в штампе принимаем b _ш =3,7 мм – ширина шлица паза ; h _ш - высота шлица паза (так как h> 160мм, то h _ш =1 мм ):

мм; (3.3)

мм; (3.4)

размеры паза при угле наклона граней клиновой части :

(3.5)

мм. (3.6)

21. Размеры паза в свету с учётом припуска на сборку:

мм; (3.7)

мм;

мм;

и - припуски по ширине и высоте паза (при h = 225 мм = = 0,2 мм

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:

(3.8)

Площадь поперечного сечения прокладок в пазу для двигателей с h = 180÷250 мм:

мм². (3.9)

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу: мм², где (3.10)

односторонняя толщина изоляции в пазу мм .

22. Коэффициент заполнения паза:

, (3.11)

полученное значение меньше рекомендуемых пределов, что недопустимо.

Уменьшим площадь паза за счёт увеличения и .

Принимаем В_z1 = 1,8 Тл; В_а = 1,5 Тл, что допустимо, так как эти значения не превышают рекомендуемых.

23. Повторяем расчёт по пунктам 19-22:

мм;

мм;

мм;

мм;

мм;

мм.

Размеры паза в свету:

мм;

мм;

мм.

Площадь поперечного сечения паза в свету для размещения проводников обмотки:

мм²,

где мм²;

мм ².

24. Коэффициент заполнения паза:

.

Полученное значение удовлетворяет условию.

Рис. 3.2. Размеры паза в штампе

 

 

4. Расчёт ротора

25. Воздушный зазор: : мм.

26. Число пазов ротора : .

27. Внешний диаметр:

(4.1)

28. Длина: м.

29. Зубцовое деление:

. (4.2)

30. Внутренний диаметр ротора равен диаметру участка вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал:

, где (4.3)

.

31. Ток в стержне ротора: А, (4.4)

где - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение ; коэффициент приведения токов

. (4.5)

32. Площадь поперечного сечения стержня предварительно:

мм ², (4.6)

[плотность тока в стержне литой клетки принимаем А / м ² ].

 

33. Паз ротора.

Принимаем размеры шлица: мм и мм, высота перемычки над пазом мм .

Рис. 4.1. Грушевидный закрытый паз короткозамкнутого ротора

 

Допустимая ширина зубца:

(4.7)

где Тл - зубцы ротора при постоянном сечении .

Размеры паза:

(4.8)

 

 

мм; (4.9)

мм. (4.10)

Принимаем мм; мм; мм.

Полная высота паза:

 

мм. (4.11)

Сечение стержня окончательно:

(4.12)

Рис. 4.2. Размеры паза ротора в штампе

 

34. Плотность тока в стержне:

А / м ². (4.13)

35. Короткозамыкающие кольца.

Рис. 4.3. Замыкающие кольца короткозамкнутого ротора

с литой обмоткой

 

Площадь поперечного сечения предварительно:

мм ², (4.14)

где - токи в кольце; (4.15)

; (4.16)

А / м ². (4.17)

Размеры замыкающих колец:

мм;

мм;

мм ²;

мм.

5. Расчёт намагничивающего тока

36. Значения индукций:

в зубцах статора:

Тл; (5.1)

в зубцах ротора:

Тл; (5.2)

в ярме статора:

Тл; (5.3)

в ярме ротора:

Тл, (5.4)

где - расчётная высота ярма ротора.

37. М агнитное напряжение воздушного зазора:

А, (5.5)

где - коэффициент воздушного зазора, если одна из поверхностей гладкая,

где: .

38. М агнитные напряжения зубцовых зон:

статора:

А; (5.6)

ротора:

А, (5.7)

где : А / мпри Тл; А / мпри Тл; мм; мм.

39. Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

. (5.8)

Полученное значение позволяет предварительно оценить правильность выбранных размерных соотношений и обмоточных данных проектируемой машины. Коэффициент насыщения зубцовой зоны должен входить в отрезок .

40. М агнитные напряжения яр м статора и ротора:

А; (5.9)

А, (5.10)

где : А / м при Тл, А / м при Тл,

м – средняя длина магнитной линии ярма статора,

м – длина средней магнитной линии потока в ярме ротора, где мм – высота спинки ротора.

5.6. М агнитное напряжение на пару полюсов: (5.11)

42. Коэффициент насыщения магнитной цепи:

. (5.12)

43. 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

6. Параметры рабочего режима

44. А ктивное сопротивление фазы обмотки статора:

Ом. (6.1)

Для класса нагревостойкости изоляции F расчётная величина

⁰С. Для меди .

Длина проводников фазы обмотки

м,

где м – средняя длина витка как сумма прямолинейных пазовых и изогнутых лобовых частей катуки; м – длина пазовой части равна конструктивной длине сердечников машины; длина лобовой части: м, где В = 0,01 м– длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части; коэффициент К_Л = 1,4 ;

м - средняя ширина катушки, определяемая по дуге окружности, проходящей по серединам высоты пазов, где - относительное укорочение шага обмотки статора. Для укороченной двухслойной обмотки принят в п.15 β₁ = 0,83.

Длина вылета лобовой части катушки:

(6.2)

где коэффициент

.

Рис. 6.1. Катушка двухслойной обмотки. Общий вид.

 

Относительное значение: . (6.3)

45. А ктивное сопротивление фазы обмотки ротора:

Ом, (6.4)

где 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:

Ом. (6.5)

Относительное значение: . (6.6)

46. Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

(6.7)

где коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния

:

(6.8)

где мм; мм; ;

 

;

при укорочении β = 0,83 (см. п.15), k ’_β = 0,25(1+3 β);

k _β = 0,25(1+3 k ’_β) k `_β =0,875, k _β =0,906,

при отсутствии вентиляционных каналов м.

коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния: (6.9)

коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния:

(6.10)

где

для (коэффициент скоса, выраженный в долях зубцового деления ротора, при отсутствии скоса ) и ].

Относительное значение (6.11)

47. Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:

(6.12)

где коэффициент магнитной проводимости пазов рассеяния короткозамкнутых роторов: (6.13)

мм, мм, мм, (для рабочего режима);

м;

коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:

(6.14)

коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора:

, (6.15)

где

, (6.16)

где .

Приводим x ₂ к числу витков статора:

Ом. (6.17)

Относительное значение: . (6.18)

7. Расчёт потерь

48. Потери в стали основные:

= (7.1)

Вт,

где Вт/кг и - удельные потери для стали 2013

; коэффициенты, учитывающие влияние на потери в стали неравномерного распределения потока по сечениям участков магнитопровода и технологических факторов: k _да=1,6; k _дz=1,8;

масса стали ярма:

(7.2)

,

где высота ярма статора:

; (7.3)

масса стали зубцов статора:

(7.4) , где

- расчётная высота зубца статора; - средняя ширина зубца статора; - удельная масса стали.

49. Поверхностные потери в роторе:

(7.5)

, где удельные поверхностные потери в роторе:

(7.6)

где

- коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери; амплитуда пульсаций индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов ротора:

, где (7.7)

для

50. Пульсационные потери в зубцах ротора: (7.8)

Вт, где Тл – амплитуда

пульсаций индукции в среднем сечении зубцов, где из п.37расчёта;

масса стали зубцов ротора:

(7.9)

,

где - расчётная высота зубца ротора из п.38; - средняя ширина зубца ротора.

51. Сумма добавочных потерь в стали:

Вт. (7.10)

52. Полные потери в стали:

Вт. (7.11)

53. М еханические потери: Вт, (7.12)

где для двигателей коэффициент .

54. Добавочные потери при номинальном режиме:

Вт. (7.13)

55. Холостой ход двигателя:

ток холостого хода:

А, (7.14)

где реактивная составляющая тока: ;

активная составляющая тока:

А, (7.15)

где Вт – электрические потери в статоре при холостом ходе.

Коэффициент мощности при холостом ходе:

.

(7.16)

Приложение Б. Справочные данные

 

Таблица 1 - Внешние диаметры статоров асинхронных

двигателей различных высот оси вращения

h, мм
Da, мм	0,08— 0,096	0,1—1,08	0,116—0,122	0,131—0,139	0,149—0,157
h, мм
Da, мм	0,168—0,175	0,191-0,197	0,225—0,233	0,272—0,285	0,313—0,322
h, мм
Da, мм	0,349—0,359	0,392—0,406	0,437—0,452	0,52-0,53	0,59	0,66

 

 

Таблица 2 - Отношение К_D = D/D_a, в асинхронных двигателях

в зависимости от числа полюсов

2p					10—12
КD	0,52—0,6	0,62—0,68	0,7—0,72	0,72—0,75	0,75—0,77

 

 

Рис. 1 - Примерные значения КПД и cos φ асинхронных двигателей:

а — со степенью защиты IP44 и мощностью до 30 кВт;

б — со степенью защиты IP44 и мощно­стью до 400 кВт;

в — со степенью защиты IP23

 

 

 

Рис. 2 - Электромагнитные нагрузки асинхронных двигателейсо степенью защиты IP44 при высоте оси вращения: а – h ≥ 132 мм; б – h = 150…250 мм;

в – h ≥ 280 мм (с продуваемым ротором)

 

 

Рис. 3 - Электромагнитные нагрузки асинхронных двигателейсо степенью защиты IP23 при высоте оси вращения: а – h = 160…250 мм; б – h ≥ 280 мм;

 

 

Рис.4 - Электромагнитные нагрузки асинхронных

двигателей высокого напряжения со степе­нью защиты IP23

 

 

Рис 5 – Электромагнитная нагрузка Электромагнитные нагрузки асинхронных двигателей со степенью защиты IP44 при высоте оси вращения:

б – h = 150…250 мм;

 

 

 

 

.

 

Рис 6 - Отношение λ = l_δ /τ у двигателей исполнения

по степени защиты: а – IP44

 

 

 

 

Рис 7 - Зубцовые деления статоров асинхронных

двигателей с обмоткой из круглого провода

 

Таблица 3 - Обмоточный коэффициент

 

 

Таблица 4 - Коэффициенты распределения k_v трёхфазных обмоток с фазной

зоной 60 ^о

 

Таблица 5 – Витковая изоляция обмоток статоров машин переменного тока с гильзовой изоляцией на 3300В и непрерывной компаундированной на 3300-6600 В

 

 

Рис 8 - Значения коэффициента K_E

 

 

 

Рис 9 - Средние значения произведения AJ

асинхронных двигателей со степенью защиты:

б — IP44, h = 160...250 мм

 

 

Таблица 6 – Диаметр и площади поперечного сечения круглых медных эмалированных проводов марок ПЭТВ и ПЭТ-155

 

 

Примечание –. Провода, размеры которых указаны в скобках, следует применять только в отдельных случаях при обосновании технико-экономической целесообразности

 

 

 

Таблица 7 - Допустимые значения индукции на различных участках магнитной цепи, Тл.

Участок магнитной цепи

Обозначе­ние

Исполнение IР44 при числе полюсов 2р

Исполнение IP23 при числе полюсов 2р

10 и 12

Ярмо статора

Ва

1,4-1,6 1,15-1,35 1,1-1,2

1,45-1,6 1,2-1,4 1,1-1,3

Зубцы статора при постоянном сечении (обмотка из круг­лого провода)

Bz1

1,6-1,9 1,6-1,8

1,8-2,05 1,7-1,95 1,6-1,9

Зубцы статора при наиболее узком сечении:

при полуоткрытых пазах

Bz1max

1,75-1,95

1,9-2,1 1,8-2

при открытых пазах

Bz1max

1,6-1,9

1,7-2

Ярмо ротора:

короткозамкнутого

Bj

≤1,45 ≤1,4 ≤1,2 ≤1

≤1,55 ≤1,5 ≤1,3 ≤1,1

фазного

Bj

≤1,3 ≤1,15 ≤0,9

≤1,4 ≤1,2 ≤1

Зубцы ротора при постоянном сечении (трапецеидальные пазы)

Bz2

1,7-1,95

1,75-2

Зубцы ротора в наиболее узком сечении:

короткозамкнутого

Bz2max

1,5-1,7 1,6-1,9

1,75-2 1,7-1,95

фазного

Bz2max

1,75-2,15 1,7-1,95

1,9-2,2 1,85-2,1

 

Таблица 8 - Способы изолирования листов электротехнической стали

и коэффициенты заполнения сталью магнитопроводов статора и ротора

с номинальным напряжением до 660 В

 

Высота оси вращения	Статор	Короткозамкнутый ротор	Фазный ротор
Способ изолирования ли