Асинхронные двигатели с фазным ротором

`

Некоммерческое акционерное  общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Кафедра Электропривод и автоматизация промышленных установок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

по дисциплине: «Электрические машины»       

на тему: «Асинхронные двигатели с фазным ротором»     

Специальность: Электроэнергетика  5В050718                        

Выполнила: Уразбаев М.С.          Группа   БЭ-10-6  

Вариант: 104282

Руководитель: профессор  Шидерова Р.М.     

___________________________________________________ ____«___»  ___________________2012г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2012

Содержание

                  Введение...................................................................................................................3

Ι Исходные данные…………………..………………………………....................5

ΙΙ Расчет геометрических размеров и обмоток………………..…………...……5

1. Определение главных размеров и выбор электромагнитных нагрузок………………………………………………………………….5
2. Определение числа пазов статора Ζ₁ и расчет обмотки статора……..7
3. Расчет размеров пазов статора……........................................................9
4. Расчет размеров сердечника, числа пазов и обмотки фазного ротора.……..….......................................................................................12
5. Расчет размеров пазов ротора…………………………………...........14

 III Определение параметров и рабочих характеристик……………………....16

6. Расчет магнитной цепи………………………………....……..............16
7. Активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора…………………………………………………………………..18
8. Потери в стали, механические и добавочные потери…….….……...22
9. Рабочие характеристики асинхронного двигателя………….……....23

 Список литературы……………………………………………………………...30 
Введение

 

Электротехническая  промышленность – ведущая отрасль  народного хозяйства страны. Объем  продукции отрасли превышает 10 млрд. руб. в год, в ней занято около  миллиона человек. Продукция электротехнической промышленности используется почти  во всех промышленных установках, поэтому  качество электротехнических изделий  во многом определяет качество продукции  других отраслей промышленности.

Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому эксплуатационные свойства новых электрических машин имеют важное значение для экономики нашей страны.

Электрическая машина представляет собой электромеханическое  устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической  энергии. Электрическая энергия  вырабатывается на электростанциях электрическими машинами – генераторами, преобразующими механическую энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 80%) вырабатывается на тепловых электростанциях, где при сжигании химического топлива (уголь, газ, торф) нагревается вода и превращается в пар высокого давления. Последний подается в турбину, где расширяясь, приводит ротор турбины во вращение. В результате электромагнитных процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую.

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным применением, так как  связано исключительно с целью  взаимного преобразования электрической  и механической энергий. Так, потребление электроэнергии часто связано с преобразованием переменного тока в постоянный или же с преобразованием тока промышленной частоты в ток более высокой частоты. Для этих целей применяют электромашинные преобразователи.

Асинхронные машины получили наибольшее применение в современных электрических  установках и являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических машин переменного тока. Как и любая электрическая машина, асинхронная машина обратима и может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Однако преобладающее применение имеют асинхронные двигатели, составляющие основу современного электропривода. Области применения асинхронных двигателей весьма широкие – от привода устройств автоматики и бытовых электроприборов до привода крупного горного оборудования (экскаваторов, дробилок, мельниц и т.п.). В соответствии с этим мощность асинхронных двигателей, выпускаемых электромашиностроительной промышленностью, составляет диапазон от долей ватт до тысяч киловатт при напряжении питающей сети от десятков вольт до 10 кВ. Наибольшее применение имеют трехфазные асинхронные двигатели, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты (50 Гц). Асинхронные двигатели специального применения изготовляются на повышенные частоты переменного тока (200, 400 Гц и более).

 

I Исходные данные

 

Номинальная мощность: Р_2н = 11 кВт.

Исполнение: защищенное IP44.

Линейное напряжение питающей сети: U_1л = 380 В.

Соединение обмотки статора: ∆.

Синхронная частота вращения: n₁ = 750 об/мин.

Обмотка ротора: фазная.

 

ΙΙ  Расчет геометрических размеров и обмоток

 

1. Определение главных размеров и выбор электромагнитных нагрузок

 

Расчет асинхронных  машин начинают с определения  главных размеров:

Внутреннего диаметра статора D и расчетной длины воздушного зазора l_δ. Внутренний диаметр статора непосредственно связан определенными размерными соотношениями, зависящими от числа полюсов 2р, с наружным диаметром статора D_а, в свою очередь определяющим высоту оси вращения h.

В связи с  этим выбор главных размеров проводят в следующей последовательности:

1. Число пар полюсов:

 

;      2p=8.

 

1.2 Высоту оси вращения предварительно определяют из таблицы 1.1. Высота оси вращения h=160 мм.

1.3 Наружный диаметр сердечника статора, исходя из минимальных отходов и припусков на штамповку (при указанных стандартных размерах ленты и листов электротехнической стали), согласно таблице 1.3. Наружный диаметр сердечника статора D_a = 0,72м.

1.4 Внутренний диаметр сердечника D находится в определенном соотношении с наружным:

 

.

 

где коэффициент  определяется по таблице 1.4. , выбираем из этого интервала значение .

1.5 Полюсное деление (м):

 

.

 

1.6 Расчетная мощность асинхронного двигателя Р’ (кВА) определяют по заданной номинальной мощности:

         Предварительные значения η и cosφ₁ могут быть взяты по рисунку 1.1, К_Е по рисунку 1.2,

η = 88%;

cosφ₁ = 0,79;

К_Е = 0,94.

 

.

1.7 В_δ  и  А₁ по рисунку 1.3  

В_δ = 0,81 Тл;

А₁ = А/м.

 

1.8 Значения коэффициента полюсного перекрытия α_δ и коэффициента формы поля k_В предварительно принимают равными:

 

;             .

 

1.9 Предварительное значение обмоточного коэффициента для двухслойных обмоток . Выбираем значение .

 

1.10 Синхронная угловая частота вращения вала двигателя Ω, рад/сек, рассчитывается по формуле:

 

.

 

1.11 Расчетная длина магнитопровода (м):

 

 

1.12 Критерием правильности выбора главных размеров D₁ и l_δ служит отношение:

 

.

 

которое находится в пределах (1,5 – 2,5)м для принятого исполнения двигателя. На этом выбор главных размеров заканчивается.

1.13 Для расчета магнитной цепи, помимо l_δ, необходимо определить полную конструктивную длину и длину стали сердечника статора (l₁  и l_ст1). В асинхронных двигателях, длина сердечников статоров которых не превышает 0,25 – 0,3 м, радиальных вентиляционных каналов не делают. Для такой конструкции:

.

 

2. Определение числа пазов статора  Z₁ и расчет обмотки статора

 

2.1 Тип обмотки статора – двухслойная всыпная, форма пазов статора – трапецеидальная.

 

2.2 Число  пазов статора:

 

,

 

где m₁ – число фаз обмотки статора (m₁ = 3);

       q₁ = 2.

2.3 Зубцовое деление статора:

 

.

 

2.4 Номинальный  фазный ток обмотки статора  (А):

 

,

 

где при соединении обмотки «∆».

2.5 Число  эффективных проводников на паз:

 

,

 

где число параллельных ветвей а = 2.

 

Полученное  число u_П1 округляют до ближайшего целого.

2.6 Число  витков в фазе обмотки статора:

 

.

 

2.7 Двухслойная  обмотка обычно выполняется петлевой с укороченным шагом по пазам:

 

.

 

2.8 Обмоточный коэффициент: 

 

.

 

Коэффициент укорочения обмотки:

 

.

 

Коэффициент распределения обмотки:

 

.

 

Обмоточный  коэффициент:

 

.

 

2.9 Магнитный  поток  (Вб):

 

.

 

2.10 Уточненное  значение магнитной индукции  в воздушном зазоре (Тл):

 

.

 

2.11 Уточное  значение линейной нагрузки (А/м):

 

.

 

Уточненные значения не должны отличаться от предварительно выбранных более, чем на 10%.

 

2.12 Плотность  тока в обмотке статора (предварительно) выбирается в соответствии с таблицей 2. j₁ = 5А/м.

 

2.13 Сечение  эффективного проводника фазы (предварительно) (мм²):

 

.

 

2.14 . Так как входит в промежуток, то эффективный проводник выполняют из 1-го элементарного проводника.

 

 

Сечение элементарного проводника ( предварительно)

 

 

По таблице Приложения 1 выбирается ближайший к сечению стандартный  проводник. Этим окончательно определяется сечение элементарного проводника и его диаметр.

 

=1,387  

 

2.15 Плотность  тока в обмотке статора (уточненное  значение):

 

j

.

 

3. Расчет размеров пазов статора

 

А) Расчет размеров трапецеидального полузакрытого паза всыпной обмотки статора

 

3.1 Ширина  зубца b_z1 по рекомендуемому значению индукции в зубцах B_z1:

 

,

 

где = 0,97 для h =132 – 250 мм;

= 1,6 Тл.

3.2 Высота  ярма статора (м):

 

,

 

где = 1,4 Тл.

3.3 Высота  зубца  (м):

 

.

 

3.4 Высота  паза  = .

 

3.5 Ширина шлица b_ш1 должна быть такой, чтобы можно было уложить в пазы катушки по одному проводу, отсюда ширина шлица (м):

 

.

 

3.6 Высота клиновой части паза (м):

 

.

 

3.7 Наименьшая  ширина паза в штампе  (м):

 

;

;

 

.

 

3.8 Наибольшая ширина паза в штампе (м):

 

;

.

 

Высота шлица  выбирается из промежутка Угол β=45 при высоте оси вращения      h ≤250 мм. 

 

3.9 Площади  поперечного сечения паза в  свету (мм²) определяются с учетом припусков на шихтовку и сборку сердечников:

.

 

где Δh_П = 0,0002 м;

               Δb_П = 0,0002 м.

 

3.10 Класс  изоляции обмотки статора: в  двигателях с высотами оси  вращения  рекомендуется применять систему изоляции класса нагревостойкости F.

 

3.11 Площадь поперечного сечения пазовой изоляции (мм):

 

.

 

Площадь поперечного  сечения паза, занимаемая обмоткой (мм):

 

.

 

3.12 Коэффициент  заполнения паза:

 

.

 

3.13 Полученное  значение коэффициента заполнения  находится в рекомендуемых пределах  .

 

3.14 После окончательного определения размеров паза необходимо пересчитать индукцию в зубце:

 

.

 

3.15 Индукция в ярме статора (Тл):

 

;

 

. 

 

4. Расчет размеров сердечника, число пазов и обмотки фазного ротора

 

4.1 Воздушный зазор (м):

 

.

 

Наружный  диаметр сердечника ротора (м):

 

.

 

    4.2 Внутренний диаметр сердечника ротора (он же диаметр вала) (м):

 

.

 

4.3 Конструктивная  длина сердечника и длина стали  сердечника (м):

 

,

 

.

 

4.4 Число пазов на полюс и фазу ротора:

 

.

 

4.5 Число фаз обмотки статора:

 

.

 

     Число пазов ротора:

 

.

 

4.6 В двигателях с h ≤ 200мм применяется двухслойная петлевая обмотка с мягкими секциями, которые выполняются из круглого провода и укладываются в полузакрытые трапецеидальные пазы.

 

Расчет  числа витков и эффективных проводников  в пазу

 

А) Всыпная обмотка (с мягкими секциями)

 

4.7 Число витков обмотки (предварительное):

Для определения  числа витков в фазе роторов с  катушечной обмоткой предварительно задаются ЭДС фазы Е₂ при которой напряжение на контактных кольцах (U_kk) в момент пуска двигателя приблизительно равно линейному номинальному напряжению двигателя. Обмотку ротора соединяют в треугольник, то :

 

.

 

Эффективное число проводников в пазу:

 

.

 

Уточненное  число витков обмотки:

 

.

 

Уточненное  значение Э.Д.С. Е₂:

 

.

 

4.9. Ток обмотки ротора:

 

,

 

,

 

,

 

.

 

4.10 Сечение  эффективного проводника (предварительно) (мм²):

 

 .

 

4.11 Число элементарных проводников в эффективном проводнике во всыпных обмотках (с мягкими секциями):

 

 

.

 

4.12 Плотность тока в обмотке ротора (уточненное значение):

 

j

.

 

5. Расчет размеров пазов ротора

 

А) Расчет размеров трапецеидального полузакрытого паза ротора со всыпной обмоткой.

5.1 Ширина  зубца ротора (м):

 

,

 

,

  

где = 1,6 Тл.

5.2 Предварительная  высота паза (м) ротора для h < 200 мм:

 

.

 

5.3 Минимальная  ширина паза (м):

 

,

 

.

 

5.4 Ширина  шлица  и его высота (м):

 

,

 

h_ш2 = 0,001 (м); β =45⁰.

 

5. Высота клиновой части (м):

 

.

 

5.6 Максимальная  ширина паза (м):

    ,

 

.

 

5.7 Площадь  поперечного сечения паза (мм² ):

 

,

 

 

,

 

 где Δh_П = 0,0002 м;

       Δb_П = 0,0002 м.

 

Площадь поперечного сечения пазовой  изоляции (мм):

 

.

 

Площадь поперечного  сечения паза, занимаемая обмоткой (мм):

 

.

 

Коэффициент заполнения паза:

 

.

 

5.8. Индукция в ярме ротора (Тл):

 

,

 

.

 

III Определение параметров и рабочих характеристик

 

6 Расчет магнитной цепи

 

6.1 МДС на магнитную цепь на пару полюсов определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи:

 

.

 

6.2 Магнитное напряжение воздушного зазора на пару полюсов (А):

 

,

 

где коэффициент  воздушного зазора: 

 

,

 

,

 

.

 

6.3 Магнитное  напряжение зубцового слоя статора (А):

 

,

 

.

 

А/м - напряженность магнитного поля в зубцах статора определяется при трапецеидальных пазах непосредственно по приложению А (при высоте оси вращения h ≤ 250 мм применяется сталь 2013).

 

6.4 Магнитное  напряжение зубцового слоя ротора (А):

 

,

 

.

 

А/м - напряженность магнитного поля в зубцах ротора определяется при трапецеидальных пазах по приложению А для индукции по п.5.1.

 

6.5 Магнитное напряжение ярма статора:

 

,

 

. 

 

=506 А/м определяется по приложению Б для индукции по п.3.15.

6.6 Магнитное  напряжение ярма ротора (А):

 

;

 

.

А/м определяется по приложению для индукции по п.5.14.

 

6.7 Суммарное  магнитное напряжение магнитной  цепи:

 

.

 

6.8 Коэффициент  насыщения магнитной цепи двигателя :

 

.

 

6.9 Намагничивающий  ток (А):

 

.

 

А в процентах от номинального тока статора:

 

.

 

 

 

 

7 Активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора

 

А) Сопротивление обмотки статора

 

7.1 Среднее  значение зубцового деления статора (м):

 

.

 

7.2 Средняя  ширина катушки (секции) статора  (м):

 

,

 

где = = 8 - среднее значение шага обмотки статора.

7.3 Средняя  длина лобовой части статора  (м) для обмотки с мягкими катушками (м):

 

.

 

7.4 Средняя  длина витка обмотки статора  (м):

 

.

 

7.5 Длина вылета лобовой части обмотки статора для обмотки с мягкими катушками (м):

 

.

 

7.6 Активное  сопротивление обмотки статора,  приведенное к рабочей температуре 115⁰ С (для класса изоляции F), (Ом):

 

,

 

где .

7.7 Активное сопротивление обмотки статора в относительных единицах (о.е.):

о.е.

 

7.8 Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора состоит из трех частей: пазового рассеяния, дифференциального рассеяния и рассеяния лобовых частей.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния  статора при трапецеидальном пазе:

 

,

 

,

,

 

где  и - коэффициенты, учитывающие укорочение шага обмотки.

7.9 Коэффициент  проводимости дифференциального  рассеяния статора:

 

,              ,

 

где - коэффициент дифференциального рассеяния, определяется по таблице 7.1.

7.10 Коэффициент  проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора:

 

.

 

7.11 Коэффициент  магнитной проводимости рассеяния  обмотки статора:

 

.

 

7.12 Индуктивное  сопротивление рассеяния фазы  обмотки статора (Ом):

 

.

 

 

 

           7.13 Индуктивное сопротивление в относительных единицах:

 

о.е.

 

В) Сопротивление обмотки ротора

 

7.14 Среднее  значение зубцового деления ротора (м)

 

.

 

  7.15 Средняя ширина катушки обмотки ротора (м):

 

,

где .

 

7.16 Средняя  длина лобовой части катушки  (м):

 

,

 

.

 

7.17 Средняя  длина витка обмотки ротора (м):

 

.

 

7.18 Вылет  лобовой части обмотки ротора (м):

 

.

 

7.19 Активное  сопротивление обмотки фазы ротора (Ом):

 

.

 

7.20 Коэффициент  приведения сопротивления обмотки  ротора к обмотке статора:

.

 

7.21 Активное  сопротивление обмотки ротора, приведенное  к статору (Ом):

 

.

 

То же в относительных единицах

 

о.е.

 

7.22 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора при трапецеидальном пазе:

 

,

,

 

где и .

7.23 Коэффициент  проводимости дифференциального  рассеяния ротора:

 

,

 

,

 

где - коэффициент дифференциального рассеяния, определяется по таблице 7.2.

7.24 Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки ротора:

 

.

 

7.25 Коэффициент  проводимости рассеяния обмоток:

 

.

 

 

         7.26 Индуктивное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом):

 

.

 

7.27 Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом):

 

.

 

7.28 Индуктивное  приведенное сопротивление обмотки  фазы ротора (о.е.):

 

о.е.

 

8. Потери в стали, механические и добавочные потери

 

Потери в  стали (магнитные потери) и механические не зависят от нагрузки, поэтому  они называются постоянными потерями и могут быть определены до расчета  рабочих характеристик.

 

8.1 Расчетная  масса стали зубцов статора  при трапецеидальных пазах (кг):

 

.

 

8.2 Магнитные потери в зубцах статора для стали 2013 (Вт):

 

,

для трапецеидальных пазов - .

 

8.3 Масса  стали ярма статора:

 

 

8.4 Магнитные потери в ярме статора для стали 2013 (Вт):

 

.

 

 

           8.5 Суммарные магнитные потери в сердечнике статора, включающие добавочные потери в стали (Вт):

 

 

8.6 Механические  потери (Вт) при степени защиты IP44:

 

.