Реферат: Проектирование трехфазного асинхронного электродвигателя
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Пояснительная записка к курсовому проекту
по электрическим машинам
Выполнил студент группы
Принял преподаватель:
2001
Согласно заданию необходимо спроектировать трехфазный асинхронный электродвигатель мощностью 19 кВт, с частотой вращения поля 1000 об/мин, напряжением 220/380 В при частоте 50 Гц; ротор – короткозамкнутый, исполнение двигателя по степени защиты IP44. В качестве базовой модели принята конструкция асинхронного двигателя серии 4А. При проектировании использованы методика и рекомендации, содержащиеся в [1].
1 ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ ДВИГАТЕЛЯ
1.1 Число пар полюсов
/>2p = 6,
где /> — частота напряжения, />
/> — синхронная частота вращения, />об/мин.
1.2 Высота оси вращения h, значение наружного диаметра />
Принимаем для двигателя с />= 19 кВт h = 180 мм, соответствующее стандартное значение наружного диаметра />= 313 мм.
1.3 Внутренний диаметр статора
/>принимаем D = 225 мм,
где /> — отношение диаметров статора, зависящее от числа полюсов 2p: при 2p = 6 значение />лежит в пределах />, выбираем значение />.
1.4 Полюсное деление
/>
1.5 Расчетная мощность
/>
где /> — номинальная мощность, />
/> — отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, />= 0.968;
/>и cos /> — КПД и коэффициент мощности двигателя в номинальном режиме, для ближайшего серийного двигателя с P = 18,5 кВт принимаем />= 0.88, cos />= 0.87.
1.6 Расчетная длина воздушного зазора
/>
принимаем />
где /> — синхронная угловая скорость вращения двигателя;
/> — коэффициент формы поля, предварительно принимаем />= 1.11;
/> — индукция в воздушном зазоре, предварительно принимаем />= 0.797 Тл;
А – линейная нагрузка, предварительно принимаем А = />
/> — обмоточный коэффициент обмотки статора, зависящий от типа обмотки и параметров. Для статоров двигателей мощностью 15…110 кВт рекомендуется применять двухслойную всыпную петлевую обмотку из круглого провода, выполняемую распределенной по пазам, с укорочением шага. Для таких обмоток при 2р = 6 предварительно принимаем />= 0.92.
При />двигатели выполняют без радиальных и аксиальных вентиляционных каналов, при этом сердечники статора и ротора представляют собой пакеты из листовой стали, для которой принимаем />
1.7 Критерий правильности выбора главных размеров D и />
/>
Данное значение лежит в пределах допустимой зоны для двигателей со степенью защиты IP44.
2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ПАЗОВ, ВИТКОВ И СЕЧЕНИЯ ПРОВОДА ОБМОТКИ СТАТОРА
2.1 Возможные числа пазов статора находятся в диапазоне
/>принимаем />
где /> — предельные значения зубцового деления статора, которые определяются из промежутка />/>= 3 – число фаз статора.
При этом число пазов на полюс и фазу />
2.2 Окончательное значение зубцового деления статора
/>.
2.3 Номинальный фазный ток статора
/>
где /> — номинальное фазное напряжение обмотки статора, />
2.4 Число эффективных проводников в пазу
/>
где /> — число параллельных ветвей фазы. Значение а определяется из соотношения />.
2.5 Окончательные значения величин:
число эффективных проводников в пазу />;
число витков фазы обмотки статора />;
линейная токовая нагрузка
/>.
2.6 Шаг двухслойной обмотки статора
/>
где /> — относительный шаг (предварительно принимаем его равным 5/6);
/> — полюсное деление, выраженное числом пазов (зубцов) статора. Округляем /> до 8.
Уточняем относительный шаг />.
--PAGE_BREAK--2.7 Коэффициенты укорочения, распределения и обмоточный
/>,
где />, — коэффициент укорочения,
/>, — коэффициент распределения.
Используя уточненные значения A и />, откорректируем значение />:
/>
принимаем уточненное значение />.
2.8 Магнитный поток
/>
и окончательное значение индукции в воздушном зазоре
/>.
2.9 Предварительное значение плотности тока в обмотке статора
/>,
где />.
2.10 Сечение эффективного проводника
/>
Принимаем />= 1, а />= 2.011 мм2. По таблице находим диаметр изолированного />и неизолированного d = 1.6 мм провода. Выбираем круглый медный провод марки ПЭТ-155.
2.11 Окончательное значение плотности тока в обмотке статора
/>.
3 РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СТАТОРА И ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА
3.1 Предварительные значения ширины зубца
/>
и высоты ярма статора
/>,
где /> — индукция в зубце статора, принимаем />= 1.8 Тл;
/> — индукция в ярме статора, принимаем />= 1.45 Тл;
Kc – коэффициент заполнения пакета сталью, Kc = 0.97;
/>.
3.2 Паз статора. Размеры паза в штампе:
/>,
/>,
/>,
где /> — высота паза, при />/>= 1 мм;
/> — ширина паза, при />/>= 3.7 мм.
3.3 Некоторые размеры заполненного паза:
/>;
/>;
/>,
где />= 2.5 мм – клин пазовый; />= 0.5 мм – прокладка; />= 0.4 мм – коробка пазовая.
Основания трапеции, на площади которой размещаются проводники паза:
/>
/>
/>
где /> — величина припусков по высоте и ширине паза.
3.4 Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки
/>,
где значение площади междуслойной прокладки />; />= 0.5 мм – ширина прокладки междуслойной.
3.5 Коэффициент заполнения паза
/>.
3.6 Воздушный зазор между статором и ротором:
для двигателя с внутренним диаметром статора D = 225 мм принимаем />= 0.45 мм.
4 РАСЧЕТ КОРОТКОЗАМКНУТОГО РОТОРА
4.1 Число пазов ротора:
в двигателях при />пазы ротора выполняют без скоса и обычно принимают />; при 2р = 6 и при />= 54 принимаем />= 44.
4.2 Внешний />и внутренний /> диаметры сердечника ротора
/>,
/>, принимаем />= 72мм.
4.3 Длина сердечника ротора при />принимаем равной
/>.
4.4 Зубцовое деление ротора
/>.
4.5 Ток стержня ротора
/>,
где /> — коэффициент, учитывающий влияние намагничивающего тока и сопротивление обмоток;
/> — коэффициент приведения тока ротора к обмотке статора;
продолжение--PAGE_BREAK--
и площадь поперечного сечения стержня статора
/>,
где /> — плотность тока в стержне ротора при коротком замыкании, предварительно принимаем />= 2.7 А/мм2.
4.6 В двигателях при h = 160…250 мм выполняют на роторе закрытые грушевидные пазы и зубцы с параллельными гранями. При 2р = 6 принимаем размеры шлица />= 0.7 мм, />= 1.5 мм и высоту перемычки над пазом />= 0.3 мм.
4.7 Ширина зубца ротора
/>,
где />= 1.82 Тл – допустимая индукция в зубце статора.
4.8 Основные размеры паза ротора
/>
/>/>.
4.9 Окончательные значения сечения стержня
/>
и окончательное значение плотности тока
/>.
4.10 Полная высота паза и расчетная высота зубца ротора
/>/>
4.11 Ток в короткозамыкающем кольце ротора
/>
где />
4.12 Короткозамыкающие кольца ротора имеют сечение в виде неправильной трапеции с площадью поперечного сечения
/>
где принимаем />= 0.457 А/мм2.
4.13 Средняя высота кольца
выбирается из условия: />. Расчетное сечение колец литой обмотки ротора принимаем равным />, не учитывая утолщения в местах примыкания вентиляционных лопаток, поэтому толщина кольца
/>
4.14 Средний диаметр короткозамыкающего кольца
/>
5 РАСЧЕТ НАМАГНИЧИВАЮЩЕГО ТОКА
5.1 Окончательные значения индукций:
в зубцах статора и ротора
/>/>
в ярмах статора и ротора
/>
/>
где /> — расчетная высота ярма статора,
при 2р = 6 />
5.2 Коэффициент воздушного зазора />,
учитывающий влияние неравномерности воздушного зазора из-за наличия пазов на статоре и роторе на магнитную проводимость зазора
/>
где />.
5.3 Магнитное напряжение воздушного зазора
/>
5.4 Магнитное напряжение зубцовых зон статора и ротора
/>
где />/>
/>>1.8, следовательно, необходимо учитывать ответвление части потока в паз. Рассчитаем коэффициент />, показывающий соотношение площадей поперечных сечений паза и зубца,
/>
/>
где />
5.5 Коэффициент насыщения зубцовой зоны
/>
5.6 Длина средней магнитной линии ярм статора и ротора
/>
/>
5.7 Магнитное напряжение ярм статора и ротора
/>
/>
где />а /> — напряженность магнитного поля в ярмах.
5.8 Магнитное напряжение на пару полюсов
/>5.9 Коэффициент насыщения магнитной цепи
/>.
5.10 Намагничивающий ток
/>.
5.11 Относительное значение намагничивающего тока
/>.
6 ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО РЕЖИМА
6.1 Средняя ширина катушки
/>
вылет лобовых частей обмотки
/>
длина лобовой части обмотки
/>
продолжение--PAGE_BREAK--
где В = 10 мм; /> — коэффициенты, зависящие от числа полюсов и способа изолирования лобовых частей обмотки. При />и 2р = 6 лобовые части катушки всыпной обмотки не изолируются; при этом />
средняя длина витка обмотки
/>
где />,
длина проводников фазы обмотки статора
/>
6.2 Активное сопротивление фазы обмотки статора
/>
где /> — удельное сопротивление меди при расчетной температуре 115оС для изоляции класса F.
6.3 Относительное значение активного сопротивления статора
/>
6.4 Активное сопротивление фазы короткозамкнутого ротора
/>
где /> — удельное сопротивление стержня и короткозамыкающего кольца для литой алюминиевой обмотки ротора при расчетной температуре 115оС;
/>
/>
/>
Активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора
/>
6.5 Относительное значение активного сопротивления ротора
/>
6.6 Коэффициенты магнитной проводимости обмотки статора:
пазового рассеяния для конфигурации паза
/>
/>
где />;
/>;
лобового рассеяния
/>
дифференциального рассеяния
/>
где /> — определяется для полураскрытых пазов и при отсутствии скоса; />= 1.192 – коэффициент, определяемый по зависимости />
6.7 Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора
/>
относительное значение сопротивления
/>.
6.8 Коэффициенты магнитной проводимости короткозамкнутой обмотки ротора:
пазового рассеяния для формы паза
/>
где />
лобового рассеяния для литой алюминиевой обмотки
/>
дифференциального рассеяния
/>
где />
/> — определяется в зависимости от />и />.
6.9 Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора
/>
= 3.346/>,
приведенное индуктивное сопротивление рассеяния ротора
/>
относительное значение
/>
7 РАСЧЕТ ПОТЕРЬ
7.1 Масса ярма статора и зубцов статора и ротора
/>
/>/>
где /> — удельная масса стали; />, />.
7.2 Основные потери в стали статора
/>
/>
где />= 1.5 – для стали 2013; /> — удельные потери для стали 2013 при толщине листов 0,5 мм; />и /> — коэффициенты, учитывающие влияние на потери технологической обработки стали.
7.3 Удельные поверхностные потери в коронках зубцов ротора
/>
/>
где />; />;
/> — амплитуда пульсации магнитной индукции в воздушном зазоре,
/> — определяем по зависимости />
7.4 Поверхностные потери в роторе
возникающие в поверхностном слое коронок зубцов ротора от пульсаций индукции в воздушном зазоре из-за наличия зубцов на статоре
продолжение--PAGE_BREAK--
/>
/>
7.5 Пульсационные потери в зубцах ротора
вызванные пульсацией индукции в зубцах ротора вследствие изменения взаимного расположения зубцов статора и ротора
/>
/>
где />
7.6 Полные потери в стали
/>
7.7 Механические потери
/>
где />при 2р = 6.
7.8 Добавочные потери в номинальном режиме
/>
7.9 Расчет режима холостого хода:
активная составляющая тока холостого хода
/>
где /> — электрические потери в обмотке статора при холостом ходе;
полный ток холостого хода
/>
коэффициент мощности
/>
8 РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК
8.1 Потери в стали и механические
/>
8.2 Активная и реактивная составляющие тока синхронного холостого хода
/>;
/>
8.3 Активная и реактивная составляющие сопротивления намагничивающей ветви схемы замещения
/>
/>
8.4 Постоянные величины
/>
/>.
8.5 Предварительно принимаем скольжение в номинальном режиме
/>
8.6 Номинальные данные спроектированного двигателя
1. />
2. />
3. />
4. />
5. />
6. />
7. />
8. />
9. />
10. />
11. />
12. />
13. />
14. />
15. />
16. />
17. />
Таблица 8.1
Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя
/>/>/>/>/>
/>/>/>/>
/>/>/>
№
Расчетная формула
Ед.
изм
/>
/>
/>
/>
/>
/>
1
/>
Ом
31.4
15.85
10.66
8.07
6.517
продолжение--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
кВт
0.717
0.937
1.283
1.738
2.286
2.91
15
/>
кВт
4.351
8.593
12.51
16.07
19.27
22.1
16
/>
-
0.859
0.902
0.907
0.902
0.894
0.884
17
/>
-
0.57
0.768
0.837
0.864
0.873
0.873
9 РАСЧЕТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
9.1 Безразмерная приведенная высота стержня ротора при расчетной температуре 115оС
/>,
где />– высота стержня в пазу.
9.2 Глубина проникновения тока в стержень
/>,
где />.
9.3 Площадь сечения части стержня, ограниченной высотой />
/>
/>
где />
9.4 Отношение площади всего сечения стержня />к площади />
/>
9.5 Коэффициент увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока
/>
9.6 Приведенное активное сопротивление обмотки ротора с учетом действия эффекта вытеснения тока
/>
9.7 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора с учетом вытеснения тока
/>
/>
где />
/>/>
9.8 Коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока
/>
9.9 Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом вытеснения тока
/>
9.10 Ток ротора без учета влияния насыщения коронок зубцов полями пазового рассеяния
/>
/>
9.11 Предполагаемую кратность увеличения тока
обусловленную уменьшением индуктивных сопротивлений из-за насыщения зубцовых зон принимаем равной />
9.12 Предварительное значение тока фазы статора с учетом насыщения
/>
9.13 Средняя м.д.с. обмотки статора, отнесенная к одному пазу
/>
/>
9.14 Фиктивная индукция магнитного поля рассеивания в воздушном зазоре
/>
где />
9.15 Коэффициент />
равный отношению потока рассеивания при насыщении к потоку рассеяния ненасыщенной машины
/>.
9.16 Дополнительное раскрытие пазов статора и ротора, учитывающее уменьшение потока пазового рассеивания из-за насыщения
/>
/>
9.17 Уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеивания статора и ротора
/>
/>
9.18 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора и ротора при насыщении зубцов
/>
/>
9.19 Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния статора и ротора при насыщении зубцов
/>
продолжение--PAGE_BREAK--
/>
9.20 Индуктивное сопротивление обмотки статора с учётом насыщения и обмотки ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока
/>
/>
9.21 Коэффициент связи параметров Г-образной и Т-образной схем замещения
/>
где />– сопротивление взаимной индукции обмоток.
9.22 Расчетные активное и индуктивное сопротивления
/>
/>
9.23 Ток обмотки ротора, приведенный в обмотке статора
/>
9.24 Ток обмотки статора
/>
9.25 Расхождение полученных значений и принятых первоначально
/>
/>
9.26 Относительные значения тока статора и электромагнитного момента
/>
/>
9.27 Расчет пусковых характеристик для критического скольжения
/>
где />
/>
/>
9.27.1 Безразмерная приведенная высота стержня ротора при расчетной температуре 115оС
/>,
где />– высота стержня в пазу.
9.27.2 Глубина проникновения тока в стержень
/>,
где />.
9.27.3 Площадь сечения части стержня, ограниченной высотой />
/>, следовательно, />
9.27.4 Отношение площади всего сечения стержня />к площади />
/>
9.27.5 Коэффициент увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока
/>
9.27.6 Приведенное активное сопротивление обмотки ротора с учетом действия эффекта вытеснения тока
/>
9.27.7 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора с учетом вытеснения тока
/>
/>
где />
/>
/>
/>
9.27.8 Коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока
/>
9.27.9 Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом вытеснения тока
/>
9.27.10 Ток ротора без учета влияния насыщения коронок зубцов полями пазового рассеяния
/>
/>
9.27.11 Предполагаемую кратность увеличения тока
обусловленную уменьшением индуктивных сопротивлений из-за насыщения зубцовых зон принимаем равной />
9.27.12 Предварительное значение тока фазы статора с учетом насыщения
/>
9.27.13 Средняя м.д.с. обмотки статора, отнесенная к одному пазу
/>
/>
9.27.14 Фиктивная индукция магнитного поля рассеивания в воздушном зазоре
/>
где />
9.27.15 Коэффициент />равный отношению потока рассеивания при насыщении к потоку рассеяния ненасыщенной машины
/>.
9.27.16 Дополнительное раскрытие пазов статора и ротора, учитывающее уменьшение потока пазового рассеивания из-за насыщения
/>
/>
9.27.17 Уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеивания статора и ротора
/>
/>
9.27.18 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора и ротора при насыщении зубцов
/>
/>
продолжение--PAGE_BREAK--
9.27.19 Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния статора и ротора при насыщении зубцов
/>
/>
9.27.20 Индуктивное сопротивление обмотки статора с учётом насыщения и обмотки ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока
/>
/>
9.27.21 Коэффициент связи параметров Г-образной и Т-образной схем замещения
/>
где />– сопротивление взаимной индукции обмоток.
уточняем критическое скольжение
/>
9.27.22 Расчетные активное и индуктивное сопротивления
/>
/>
9.27.23 Ток обмотки ротора, приведенный в обмотке статора
/>
9.27.24 Ток обмотки статора
/>
9.27.25 Расхождение полученных значений и принятых первоначально
/>
/>
9.27.26 Относительные значения тока статора и электромагнитного момента
/>
/>
10 ОЦЕНКА СПРОЕКТИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Таблица 10
Сравнение показателей спроектированного двигателя с требованиями ГОСТа 19523-81
n=1000 об/мин, исполнение IP44
Показатели
/>, кВт
/>, %
/>,
/>
/>
/>
/>
Спроектированный двигатель
19
2.2
0.894
0.873
2.46
1.24
5.875
По стандарту
18.5
2.7
0.88
0.87
2.0
1.2
6.0
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. / С.С. Проскуренко, В.Д. Сергеев, А.С. Чернышова. – В.: ДВПИ, 1984. – 60 с.
Проектирование электрических машин. / Под редакцией И.П. Копылова. – М.: Энергия, 1980. – 494 с.
ГОСТ 19523-81. Двигатели трехфазные асинхронные короткозамкнутые серии 4А с высотой оси вращения от 50 до 355 мм. Технические условия. – М.: Изд–во стандартов, 1983. – 54 с.