Проектирование синхронного генератора

 

 

Содержание : 

Введение…..……………………………………………………………………….

1. Исходные данные…….………………………………………………………...
2. Магнитная цепь двигателя. Размеры, конфигурация, материал……............
1. Конфигурация……….………….…………………………………………
2. Главные размеры……………………….…….……….…………………..
3. Сердечник статора…………………………...…..…..................................
4. Сердечник ротора…………………………………….……………………
5. Сердечник полюса и полюсный наконечник………………..…..............
3. Обмотка статора…………………………………………………..……………
4. Демпферная (пусковая) обмотка…….………………….…………………….
5. Расчет магнитной цепи………………………………………………………..
1. Воздушный зазор………………………………………………….……….
2. Зубцы статора………………………………………………….…………..
3. Спинка статора……….……………………………………………………
4. Зубцы полюсного наконечника……………..….……………….………..
5. Полюсы…………………….........................................................................
6. Спинка ротора………………......................................................................
7. Воздушный зазор в стыке полюса………………………..........................
8. Общие параметры магнитной цепи………………....................................
6. Активное и индуктивное сопротивление обмотки…………………………..

статора для установившегося режима…………………………………………...

7. Расчет магнитной цепи при нагрузке………..................................…………..
8. Обмотка возбуждения…………………………………………………….……
9. Параметры обмоток и постоянные времени. Сопротивления обмоток статора при установившемся режиме………………………………………………
1. Сопротивления обмоток статора при установившемся режиме….……
2. Сопротивление обмотки возбуждения…………...………………………
3. Сопротивления пусковой обмотки……………………………………….
4. Переходные и сверхпереходные сопротивления обмотки статора………………………………………………………………………………...
5. Сопротивления для токов обратной и нулевой последовательности......
6. Постоянные времени обмоток……………………………………………
10. Потери и КПД….……………………………………………………………..

11. Характеристики машин………………………………………………………

1. Отношение короткого замыкания………………………………………
2. Угловые характеристики…......…………………………………..……...
12. Тепловой расчет синхронной машины………………………………………
1. Обмотка статор……………………………………………………..…….
2. Обмотка возбуждения…............................................................................
3. Вентиляционный расчет…........................................................................
13. Масса и динамический момент инерции……………………………………
1. Масса………………………………………………………………..…….
2. Динамический момент инерции ротора…………………..….…………

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

 

                                       Введение

На современных электростанциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Первичными двигателями для них являются паровые турбины или гидротурбины. Большинство турбогенераторов быстроходные, т.е. имеют максимальное число оборотов 3000. Генераторы небольших мощностей, соединенные с дизелями и другими поршневыми машинами,  изготавливают на 750-1500 об/мин. Большие скорости вращения ротора отражаются на его конструкции – это цилиндрическая цельнокованая поковка из специальной легированной стали. Вдоль поверхности ротора фрезеруют радиальные пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения. Пазы закрываются клиньями,  а в лобовой части обмотка  укрепляется бандажными кольцами.

Для АЭС ввиду низких параметров пара целесообразно применять четырехполюсные генераторы с частотой вращения 1500 об/мин. Гидрогенераторы  большой и средней мощности выполняются с вертикальным валом, в верхней части которого располагается генератор, а в нижней – гидротурбина. Мощность гидротурбины и ее скорость определяются величиной напора и расхода воды. Гидрогенераторы при больших мощностях изготавливаются на 60-125 об/мин, т.е. они являются тихоходными машинами. Находят применение капсульные гидрогенераторы с горизонтальным валом, заключенные в водонепроницаемую оболочку, которая обтекается потоком воды, приводящим в движение колесо гидротурбины.

В нашей стране синхронные генераторы с постоянными магнитами нашли применение в ветроэнергетике, в авиации, но при этом практически не используются в различных системах автономного электроснабжения. Не ведутся работы по проектированию и изготовлению синхронных генераторов с постоянными магнитами на мощности более 2 кВт. Исключением является лишь электроагрегат ОАО «Новая Эра», который, правда, может быть использован только в исключительных случаях. В мощных синхронных генераторах зарубежные фирмы используют генераторы с постоянными магнитами в основном как подвозбудитель для питания регулятора напряжения. Такая схема обеспечивает лучшие характеристики при пуске мощных асинхронных двигателей и быстрое восстановление напряжения, позволяет добиться 30%-процентной стойкости к коротким замыканиям. Отметим, что в рекламных проспектах зарубежные фирмы часто необоснованно называют подобные системы синхронными генераторами с постоянными магнитами. На самом деле у таких генераторов система возбуждения электромагнитная, а синхронный генератор с постоянными магнитами используется лишь как подвозбудитель.

Считается перспективным направлением разработка электрогенераторных агрегатов с синхронным генератором с постоянными магнитами и с выходным электронным блоком, как имеющих лучшие массогабаритные характеристики, более высокий КПД, динамические характеристики, позволяющие приводному агрегату работать при различных частотах вращения.

Опыт разработок синхронных генераторов с постоянными магнитами (СГПМ) показал, что наибольший эффект достигается у генераторов с большими частотами вращения. Поэтому не случайно они находят применение в авиации с приводом от авиационных двигателей.

Нам предлагается спроектировать синхронный генератор номинальной мощностью 400 кВт с номинальным напряжением 400 В, номинальная частота вращения вала которого 1000 об/мин. Основным источником является учебник Гольдберга «Проектирование элекрических машин», в котором подробно изложены основные положения и рекомендации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Данные для проектирования

 

№	Наименование заданных параметров и их условные обозначения	Синхронный генератор
	Номинальный режим работы	Продолжительный
	Номинальная мощность Р2, кВт	400
	Номинальное напряжение (линейное) Uл.н, В	400
	Номинальная частота вращения n, об/мин	1000
	Частота f, Гц	50
	Коэффициент мощности cos φ	0,8
	Способ соединения фаз статора	Звезда
	Способ возбуждения	От специальной обмотки вложенной в пазы статора
	Степень защиты от внешних воздействий	IP 23
	Способ охлаждения	IC01
	Исполнение по способу монтажа	IM1001
	Климатические условия и категория размещения	У2
	Форма выступающего конца вала	Цилиндрическая
	Способ соединения с приводным механизмом	Упругая муфта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Магнитная цепь машины. Размеры, конфигурация, материалы

1. Конфигурация

Принимаем изоляцию класса нагревостойкости F

1. Количество пар полюсов (9.1)

р=60*f/n1=60∙50/1000=3.

2. Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора (рисунок 11.1)

хσ*=0,117 о.е.

3. Коэффициент мощности нагрузки (11.1)

кн=

4. Предварительное значение КПД (рисунок 11.2)

η'=0,94о.е.

2. Главные размеры

1. Расчетная мощность (1.11)

Р'=кнР2/(cosφ)=1,074∙400/0,8=537 кВА

2. Высота оси вращения (таблица 11.1)

h=450 мм

3. Допустимое расстояние от корпуса до опорной поверхности (таблица 9.2)

h1=9 мм.

4. Наружный диаметр корпуса (1.27)

Dкорп=2∙(h-h1)=2∙(450-9)=882 мм.

5. Максимально допустимый наружный диаметр сердечника статора  (таблица 9.2)

Dн1max=850 мм.

6. Выбираемый диаметр сердечника статора (§ 11.3)

Dн1=850 мм.

7. Внутренний диаметр сердечника статора (§ 11.3)

D1=43+0,72∙ Dн1≈43+0,72∙850=655 мм.

8. Предварительное значение линейной нагрузки статора (рис. 11.3)

А'1=517 А/мм.

9. Предварительное значение магнитной индукции в воздушном зазоре и номинальном режиме (рисунок 11.4)

В'б=0,826 Тл.

10. Предварительное значение максимальной магнитной индукции в воздушном зазоре    машины при х.х. (11.3)

В'б0=В'б/кн=0,826/1,074=0,769 Тл.

11. Полюсное деление статора (1.5)

 мм.

12. Индуктивное сопротивление машины по продольной оси (рис. 11.5)

хd*=2,2 о.е.

13. Индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси (11.4)

Хad=хd* - хσ*=2,2-0,117=2,083 о.е.

14. Коэффициент, учитывающий наличие зазоров в стыке полюса и сердечника ротора или полюсного наконечника и полюса (§ 11.3)

к'=1,08.

15. Расчетная величина воздушного зазора между полюсным наконечником и   сердечником статора (11.2)

 мм.

16. Форма зазора эксцентричная по рисунку 11.8

17. Отношение максимальной величины зазора к минимальной (§ 11.3)

'/ ''=1,5

18. Расчетный воздушный зазор (11.13)

=0,75∙ '+0,25∙ ''=0,75∙3,28+0,25*4,92=4,15 мм.

19. Коэффициент полюсной дуги действительный (§ 11.3)

α=0,73-3,33∙10-5∙Dн1=0,73-3,33∙10-5∙850=0,702.

20. Коэффициент полюсной дуги расчетный (рисунок 11.9)

α'=0,66.

3. Сердечник статора

 

Марка стали 2411, изолировка листов лакировка, толщина стали 0,5 мм.

1. Коэффициент заполнения сердечника статора сталью (§ 9.3)

кс=0,95.

2. Коэффициент формы поля возбуждения (рисунок 11.9)

кв=1,16.

3. Обмоточный коэффициент (§ 9.3)

коб1=0,91

4. Расчетная длина сердечника статора (1.31)

мм.

5. Конструктивная длина сердечника статора (1.33)

ℓ1 = ℓ1+nк1 ∙ℓк1=204+3∙10=255 мм.

6. Отношение конструктивной длины к внутреннему диаметру сердечника статора  (9.2)

λ=ℓ1/D1=255/655=0,38.

7. Проверка по условию λ< λmax (рисунок 11.10)

λmax=0,93.

8. Количество пазов на полюс и фазу (§ 11.3)

q1=4 .

9. Количество пазов сердечника статора (9.3)

z1=2рm1q1=2∙3∙3∙4=72.

10. Проверка правильности выбора значения z1 (11.15)

z1/gm1=72/(3∙3)=8- целое число.

 

4. Сердечник ротора

 

Марка стали Ст 3, толщина листов 1,5 мм, листы без изоляционного покрытия и  насаживаются непосредственно на вал, кс=0,98.

1. Длина сердечника ротора (11.20)

ℓ2=ℓ1+(10÷20)=255+10=265 мм.

5. Сердечник полюса и полюсный наконечник

Марка стали Ст 3, толщина листов 1 мм, листы без изоляционного покрытия и   насаживаются непосредственно на вал кс=0,98.

1. Длина шихтованного сердечника полюса (11.19)

ℓп=ℓ1+(10÷15)=255+10=265 мм.

2. Магнитная индукция в основании сердечника полюса (§ 11.3)

В'п=1,4 Тл.

3. Предварительное значение магнитного потока (9.14)

Ф'=В'бD1ℓ'110-6/р=0,826∙655∙255∙10-6/3=0,05 Вб.

4. Ширина дуги полюсного наконечника (11.25)

bн.п=ατ=0,7∙343=240 мм.

5. Радиус очертания полюсного наконечника при эксцентричном воздушном зазоре  (11.26)

мм.

6. Высота полюсного наконечника (§ 11.3)

h'н.п=10 мм.

 

7. Высота полюсного наконечника по оси полюса для машин с эксцентричным зазором (11.29)

hн.п=h'н.п+Rн.п -

мм.

8. Поправочный коэффициент (11.24)

кσ=1,25∙hн.п+25=1,25∙33+25=66,3.

 

9. Предварительное значение коэффициента магнитного рассеяния полюсов (11.22)

σ'=1+кσ35

/τ2=1+66∙35∙3,69/3432=1,07.

10. Ширина сердечника статора (11.21)

bп=σ'Ф'∙106/(ксℓпВ'п)=1,07∙0,05∙106/(0,98∙265*1,4)=145,5 мм.

11. Высота выступа у основания сердечника (11.32)

h'п=10,5

'+0,18D1=10,5∙3,28+0,18∙655=152 мм.

12. Предварительный внутренний диаметр сердечника ротора (11.33)

D'2=dв=кв

мм.

13. Высота спинки ротора (11.34)

hс2=0,5D1-

-h'п-0,5D'2=0,5∙655-3,69-152-33-0,5∙166,5=55,56 мм.

14. Расчетная высота спинки ротора с учетом прохождения части магнитного потока по валу (11.35)

h'с2=hс2+0,5D'2=55,56+0,5∙166,5=138,81 мм.

15. Магнитная индукция в спинке ротора (11.36)

Вс2=

Тл.

 

 

 

Рисунок 2.1 - Эскиз ротора

 

3. Обмотка статора

 

1. Принимаем двухслойную петлевую обмотку с жесткими секциями из провода марки ПЭТП-155, укладываемую в прямоугольные открытые пазы.

 

2. Коэффициент распределения (9.9)

кр1=

;

3. Укорочение шага (§ 9.3)

β'1=0,8.

4. Шаг обмотки (9.11)

уп1=β1z1/(2p)=0,8∙72/(6)=9,6

Принимаем уп1=10.

5. Укорочение шага обмотки статора по пазам (11.37)

β1=2руп1/z1=6*10/72=0,83.

6. Коэффициент укорочения (9.12)

ку1=sin(β1∙90˚)=sin(0,833∙90)=0,96.

7. Обмоточный коэффициент (9.13)

коб1=кр1∙ку1=0,96∙0,96=0,92.

8. Предварительное количество витков в обмотке фазы (9.15)

w'1=

.

9. Количество параллельных ветвей обмотки статора (§ 9.3)

а1=1.

 

10. Предварительное количество эффективных проводников в пазу (9.16)

N'п1=

;

Принимаем Nп1=2.

11. Уточненное количество витков (9.17)

.

12. Количество эффективных проводников в пазу (§ 11.4)

Nд=1.

13. Количество параллельных ветвей фазы дополнительной обмотки

ад=2.

14. Количество витков дополнительной обмотки статора (11.38)

.

15. Уточненное значение магнитного потока (9.18)

Ф=Ф'(w'1/w1)=0,05(23,75/24)=0,049 Вб.

16. Уточненное значение индукции в воздушном зазоре (9.19)

Вб=В'б(w'1/w1)=0,83∙(23,75/24)=0,821 Тл.

17. Предварительное значение номинального фазного тока (9.20)

 А.

18. Уточненная линейная нагрузка статора

А

19. Среднее значение  магнитной индукции в спинке статора (9.13)

Вс1=1,4 Тл.

 

20. Обмотка статора с прямоугольными открытыми пазами (9.16)

В'з1max=1,8 Тл.

21. Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора (9.22)

t1=πD1/z1=3,14∙655/72=28,565 мм.

22. Предельная ширина зубца в наиболее узком месте (9.47)

b'з1min=

мм.

23. Предварительная ширина полуоткрытого паза в штампе (9.48)

b'п1=t1min-b'з1min=28,565-13,29=15,28 мм.

24. Высота спинки статора (9.24)

hc1=

мм.

25. Высота паза (9.25)

hn1=(Dн1-D1)/2-hc1=(850-655)/2-70,03=27,47 мм.

26. Изоляция обмотки статора (приложение 30)

hи=14,2 мм.

27. Двусторонняя толщина корпусной изоляции (§ 9.4)

2bи=4,3 мм.

28. Высота шлица  (§ 9.4)

hш=1 мм.

29. Высота клина (§ 9.4)

hк=3 мм.

30. Предварительная ширина паза в штампе (9.48)

b'п1=t1min-b'з1min=29-13=16 мм.

31. Припуск на сборку сердечника по ширине (§ 9.4)

bc=0,35 мм.

32. Припуск на сборку сердечника по высоте (§ 9.4)

hc=0,35 мм.

 

33. Количество эффективных проводников по ширине паза (§ 9.4)

Nш=2.

34. Допустимая ширина эффективного проводника с витковой изоляцией (9.50)

b'эф=(b'n1-2bи1-bc)/Nш=(16-4,1-0,35)/2=5,68 мм.

35. Количество эффективных проводников по высоте паза (9.52)

Nв=Nп1/Nш=2/2=1.

36. Допустимая высота эффективного проводника (11.49)

h'эф=(hn1-hи-hk-hш-hс)/Nв=(27,47-14,2-3-1-0,35)/1=10,72 мм.

37. Площадь эффективного проводника (9.53)

S'эф=h'эф∙b'эф=10,72∙5,78=61,96 мм2.

38. Количество элементарных проводов в эффективном (§ 9.4)

с=4.

39. Меньший размер неизолированного элементарного провода (9.54)

а'=(h'эф/са)-Δи=10,72/4-0,15=2,53 мм;

где       Δи=0,15 мм – двухсторонняя толщина изоляции провода (приложение 3).

40. Больший размер неизолированного элементарного провода (9.55)

b'=(b'эф/сb)-Δи=5,78/4-0,15=5,63 мм.

41. Размеры провода (приложение 2)

а х b=2,5 х 5,5;

S=14,25 мм2.

42. Размер по ширине паза в штампе (9.57)

bn1=Nшсb(b+Δи)+2bи+bс=2∙1∙(5,63+0,15)+4,1+0,35=16,01 мм.

43. Уточненная ширина зубца в наиболее узкой части (9.85)

bз1min=t1min-bn1=28,565-16,01=12,56 мм.

44. Уточненная магнитная индукция в узкой части зубца статора (9.59)

Вз1max=t1Bб/(bз1minkc)=28,57∙0,821/(12,56∙0,98)=1,91 Тл.

 

45. Размер основной обмотки статора (11.50)

hп.о=Nв.осо.в(а+Δи.а)+hи.о=1*4*(2,53+0,35)+14,2=23,96 мм.

46. Изоляция обмотки статора (приложение 28)

hи.д=1,8 мм.

47. Размер дополнительной обмотки статора (11.51)

hп.д=Nв.дсд.в(а+Δи.а)+hи.д=1∙2∙(1+0,15)+1,8=4,1 мм.

48. Уточненная высота паза статора в штампе (11.52)

hп1=hп.о+hп.д+hк+hш+hс=23,96+4,1+3,5+1+0,35=28,39 мм.

49. Среднее зубцовое деление статора (9.40)

tср1=π(D1+hп1)/z1=3,14(655+28,4)/72=29,8.

50. Средняя ширина катушки обмотки статора (9.41)

bср1=tср1∙уп1=30∙10=300 мм.

51. Средняя длина одной лобовой части обмотки (9.60)

ℓл1=1,3bср1+hп1+50=1,3∙300+29+50=469 мм.

52. Средняя длина витка обмотки (9.43)

ℓср1=2(ℓ1+ℓл1)=2(255+469)=1448 мм.

53. Длина вылета лобовой части обмотки (9.63)

ℓв1=0,4bср1+hп1/2+25=0,4∙300+28,39/2+25=159,5 мм.

54. Плотность тока в обмотке статора (9.39)

J1=I1/(S∙c∙a1)=721,69/(2∙14,24∙2,5)=5,07 А/мм2.

55. Определяем значение А1J1 (§11.4)

А1J1=505,29∙5,07=2561,82 А2/см∙мм2.

56. Допустимое значение А1J1 (рисунок 11.12)

А1J1=2300>2561,82*0,85 А2/см∙мм2.

 

4. Демпферная (пусковая) обмотка

 

1. Суммарная площадь поперечного сечения меди обмотки статора, приходящейся на одно полюсное деление (11.53)

S2Σ=0,015τА1/J1=0,015∙342,8∙505,29/5,07=787 мм2.

2. Зубцовое деление полюсного наконечника ротора (§ 11.5)

t'2=27,14 мм.

3. Предварительное количество стержней демпферной обмотки на один полюс (11.54)

N'2=1+(bн.п-20)/t'2=1+(240-20)/27,14=9,1≈9 шт.

4. Предварительный диаметр стержня демпферной обмотки (11.55)

d'с=1,13

мм.

5. Диаметр и сечение стержня (§ (11.5)

dс=10 мм;  S=78,5 мм2.

6. Определяем отношение ( § 11.5)

h'н.п >2d.

20 мм > 2*10=20 мм.

7. Минимальная ширина крайнего зубца  полюсного наконечника

bз2min=10 мм.

8. Уточненное значение зубцового деления полюсного наконечника (11.56)

t2=(bн.п – dc – 2bз2min)/(N2-1)=(240-10-2∙10)/(9-1)=26,25 мм.

9. Диаметр круглой части паза полюсного наконечника (11.57)

dп2=dс+(0,1÷0,15)=10+0,1=10,1 мм.

10. Размеры шлица паза демпферной обмотки (§ 11.5)

bш2 х hш2=3 х 2 мм.

11. Предварительная длина стержня демпферной обмотки (11.58)

ℓ'ст=ℓ1+0,2τ=255+0,2∙342,8=323,56 мм.

12. Площадь поперечного сечения (11.59)