Введение.

    

   Асинхронные двигатели являются основными преобразователями  электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов, используемых во всех отраслях народного хозяйства.

   Асинхронные двигатели общего назначения мощностью от 0,06 до      400 кВт напряжением до 1000 В – наиболее широко применяемые электрические машины. В народнохозяйственном парке электродвигателей они составляют по количеству 90%, по мощности – примерно 55%. Потребность, а, следовательно, и производство асинхронных двигателей на напряжение до 1000 В в РБ растёт из года в год.

   Асинхронные двигатели потребляют более 40% вырабатываемой в РБ электроэнергии, на их изготовление расходуется большое количество дефицитных материалов: обмоточной меди, электротехнической стали и др., а затраты на обслуживание всего установленного оборудования уменьшаются. Поэтому создание серий высокоэкономичных и надёжных АД являются важнейшими задачами, а правильный выбор двигателей их эксплуатацией и высококачественный ремонт играют роль в экономии материальных и трудовых ресурсов.

   Сроки жизни электрооборудования довольно длительные (до 20 лет). За этот срок в  процессе эксплуатации одни из элементов  электрооборудования (изоляция) стареют, другие (подшипники) изнашиваются.

   Процессы  старения и износа выводят электродвигатель из строя. Эти процессы зависят от многих факторов: условий и режима работы, технического обслуживания и т.д. Одна из причин выхода электрооборудования из строя – аварийные режимы: перегрузка рабочей части машины, попадание в рабочую машину посторонних предметов, неполнофазные режимы работы  и т.п.

   Электрооборудование, вышедшее из строя, восстанавливают. Особенность ремонта в том, что до ремонта двигатель рассчитывают. Это необходимо для проверки соответствия имеющихся обмоточных данных электродвигателя каталожными.

   Полученные  данные сравниваются с каталожными. Только в случае полного совпадения всех необходимых величин или  при малых расхождениях между ними можно приступать к ремонту электродвигателя. 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1. Задание на курсовую работу

 

      Таблица 1.Исходные данные к проекту 

 

Размеры магнитопровода и  его паза:

    D – Внутренний диаметр сердечника статора, мм.

    D_a – Внешний диаметр сердечника статора, мм.

    l – полная длина сердечника статора, мм.

    Z– число пазов, шт.

    b – большой размер ширины паза, мм.

    b' – меньший размер ширины паза, мм.

    b_ш – ширина шлица паза, мм.

    h – полная высота паза, мм.

    e – высота усика паза, мм.

    δ – толщина листов стали, мм, и род изоляции даны цифрами.

    Технические условия заказчика:

    n – частота вращения магнитного поля статора, мин^-1.

    U_ф – фазное напряжение обмотки статора, В.

    Y/Δ – схема соединения обмоток фаз, звезда/треугольник.

    f – частота тока, Гц. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

План  расчета. 

Часть 1. 

1.  Подготовить данные обмера магнитопровода  для их использования в дальнейших расчетах.

2.  Обосновать выбор типа обмотки.

3.  Рассчитать обмоточные данные.

4.  Составить и вычертить в развернутом  виде схему обмотки.

5.  Рассчитать число витков на  фазу и в одной катушке (секции) обмотки.

6.  Произвести расчет магнитной нагрузки (индукции) в воздушном зазоре ( ), зубцах ( ), спинке статора ( ) двигателя и сравнить полученные значения с допустимыми.

7.  Охарактеризовать изоляцию паза, лобовой части обмотки, выбрать для них изоляционные материалы.

8.  Выбрать марку обмоточного провода  и рассчитать его сечение, на  основании последнего определить число параллельных проводников ( ) и ветвей ( ) обмотки, выбрать стандартные размеры провода.

9.  Рассчитать среднюю длину витка  ( ), определить массу обмотки ( ) и электрическое сопротивление обмотки одной фазы постоянному току в холодном состоянии ( ).

10. Рассчитать  номинальные данные двигателя.

11. Произвести  проверочный расчет линейной  нагрузки ( ) двигателя и сравнить полученное значение с допустимым.

12. Привести  в виде таблицы задание обмотчику  по выполнению двухслойной обмотки. 

Часть 2. 

   На  основании индивидуального задания  во второй части работы произвести перерасчет обмотки статора того же АД: а) на другое напряжение,   б) другую частоту вращения, в) на другую частоту тока и пр. в соответствии с полным объемом работы. Все расчеты производятся на ЭВМ, результаты которых сводятся в таблицу.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Часть 1. 

    Подготовка  данных обмера магнитопровода. 

   Подготовка  данных обмера магнитопровода проводится для удобства выполнения последующих  расчетов и включает в себя расчет следующих площадей, м²:

    а) полюса в воздушном зазоре ( ),

    б) полюса в зубцовой зоне статора ( ),

    в) поперечного сечения спинки статора ( ),

    г) площади паза в свету ( ), мм².

   Первые  три площади необходимы для расчета  магнитных нагрузок, последняя для расчета сечения обмоточного провода. 

    Площадь полюса в воздушном  зазоре. 

   В воздушном зазоре сопротивление  магнитному потоку по всей площади равномерное. Поэтому

,

где - полюсное деление (ширина полюса в воздушном зазоре, м),

    м,

где - количество пар полюсов, шт.

     - расчетная длина сердечника статора, без учета каналов для охлаждения, м; если каналов нет м.

    м². 

    Площадь полюса в зубцовой зоне статора. 

   В зубцовой зоне статора магнитный  поток протекает по листам электротехнической стали, следовательно, площадь полюса будет равна произведению активной площади зубца на их количество в полюсе, м²

    ,

где - площадь одного зубца, м²,

    - количество зубцов под полюсом,  шт.

    ,

где - активная длина магнитопровода (без изоляции листов), м,

    ,

где - коэффициент, учитывающий заполнение пакета магнитопровода сталью, зависящий от рода изоляции и толщины листов стали. По справочной литературе для толщины листов стали статора d = 0,5 и рода изоляции – оксидная пленка, принимаем [табл.1 лит. 1 ].

    м.

    – расчетная средняя ширина зубца, м.

    ,

где и – ширина зуба, соответственно, в узком и широком местах, м. 

   Ширина  зуба в узком и широком местах зависит от размеров зубца магнитопровода и формы:

м; 

м; 

  м

  м² . 

   Количество  зубцов под полюсом определяется из выражения:

     

  м². 
 
 

    Площадь магнитопровода в  спинке статора.

   Площадь спинки статора, перпендикулярная магнитному потоку, равна произведению ее высоты на активную длину магнитопровода, м²:

    ,

где – высота спинки статора, м. 

    м 

  м².  
 
 
 

    Площадь паза в свету. 

   Площадь паза в свету требуется для  расчета сечения обмоточного  провода.

   Для определения площади паза его сечение разбивается осевыми линиями на простейшие фигуры. Видно, что площадь паза равна, м²:

    ,

где – площадь трапеции, где основания и , а высота:

    мм.

   Тогда

    мм²,

где и - площади полуокружностей с диаметрами, соответственно и , мм².

    мм²;

    мм²;

    мм². 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Выбор типа обмотки. 

   Выбор делается исходя из:

• технической возможности выполнения обмотки в данных условиях;
• минимального расхода обмоточного провода;
• номинальной мощности и напряжения;
• типа паза;
• достоинств и недостатков обмоток;
• экономической ценности.

 

   В настоящее время в ремонтной  практике машин переменного тока двухслойные обмотки получили наибольшее применение. В своём курсовом проекте я также выбираю двухслойную обмотку, у которой активная сторона одной катушки занимает половину паза.

   По  размеру шага – с укороченным  шагом (при y<y'), по частоте вращения магнитного поля статора – односкоростную.

   Двухслойные обмотки в основном выполняются  с одинаковыми секциями: петлевые и цепные, реже принимают концентрические.

       Петлевая обмотка имеет минимальный  расход обмоточного провода (разновидность её – цепная обмотка). Принимаем петлевую обмотку. 

   Основные  достоинства двухслойной обмотки  по сравнению с однослойной:

1. Возможность любого укорочения  шага, что позволяет:

а) снизить  расход обмоточного провода за счет уменьшения длины лобовой части  секций,

б) уменьшить  высшие гармонические составляющие магнитного потока, т. е. снизить потери в магнитопроводе двигателя.

2. Простота технологического процесса изготовления катушек (многие операции можно механизировать).
3. Возможность выполнения обмотки почти с любой добротностью q, что обеспечивает изготовление обмотки при ремонте асинхронных двигателей с изменением частоты вращения ротора. Кроме того, это является одним из способов приближения формы поля к синусоиде.
4. Возможность образования большого числа параллельных ветвей.

 

К недостаткам  двухслойной обмотки следует  отнести:

1. Некоторую сложность при укладке последних секций обмотки.
2. Меньший коэффициент заполнения паза(в следствии наличия межслоевой изоляции).
3. Необходимость поднимать целый шаг обмотки при повреждении нижней стороны секции.
4. Невозможность выполнения разъёмного статора без выема катушек из пазов.

 

  Расчет обмоточных  данных. 

   Полная  обмотка асинхронного двигателя, размещенная  в магнитопроводе его статора состоит из 3-х самостоятельных фазных обмоток (А, В, С).

   Любая обмотка трехфазной машины переменного  тока характеризуется следующими обмоточными  данными.

     – шаг обмотки;

     – число пазов на полюс  и фазу (равно числу секций  в катушечной группе);

     – число катушечных групп;

     – число электрических  градусов, приходящихся на один  паз;

     – число параллельных ветвей. 

     Расчёт двухслойной  петлевой обмотки.

   Шаг обмотки. 

   Шаг обмотки ( ) – это расстояние, выраженное в зубцах (или пазах), между активными сторонами одной и той же секции. 
 

   Определяется по формуле:

   

где - расчетный шаг (равен полюсному делению, выраженному в зуб

цах);

    - произвольное число меньше 1, доводящее расчетный шаг до  целого 

         числа.

   Так как обмотка двухслойна, то она почти всегда изготавливается с укороченным шагом.

   Укороченный шаг считается по формуле:

     
 

   Число пазов на полюс  и фазу. 

   Число пазов на полюс и фазу ( ) определяет число секций в катушечной группе и находится по формуле:

   

 – число фаз. 
 

   Число катушечных групп. 

   Каждая  фазная катушка электрической машины участвует в создании одной пары полюсов. Следовательно, между числом катушечных групп и числом пар полюсов имеется жесткая связь и при однослойной обмотке:

    ,

где - число катушечных групп в одной фазе однослойной обмотки.

   Так как каждую пару полюсов создает  все три фазы переменного тока, следовательно:

    .

   В двухслойных обмотках число катушечных групп механически увеличивается в два раза, однако по сравнению с однослойной обмоткой с числом витков в каждой секции меньше в два раза, тогда

    ,

где - число катушечных групп в одной фазе двухслойной обмотки.

   На  три фазы:

    . 

   Число электрических градусов на один паз. 

      В расточке статора АД одна пара полюсов  составляет 360 электрических градусов. Это наглядно видно на рис. 2. 
 

 

Рис. 2. Изменение  ЭДС проводника под полюсами АД. 

      При прохождении проводника под одной  парой полюсов в расточке статора  двухполюсного асинхронного двигателя за один оборот ЭДС в нём изменяется по синусоиде. При этом происходит полный цикл изменения, который составляет 360 электрических градусов (рис. 2.).

      Число электрических градусов в расточке статора:

       эл. град.

      Число электрических градусов, приходящихся на один паз, или угловой сдвиг  между рядом лежащими пазами:

        эл. град. 

   Число параллельных ветвей. 

   Параллельные  ветви в обмотке асинхронного двигателя делается для сокращения сечения обмоточного провода, кроме  того, это дает возможность лучше загрузить магнитную систему машины.

   Все катушечные группы одной фазы мы соединяем последовательно, тогда число параллельных ветвей равно 1.

   Соответственно, для нашего варианта принимаем  . 
 

      Расчет   однослойной   петлевой  обмотки.

Z=36  ;   f=50 ;  n=3000

 

    Шаг обмотки:

    

 

    Число пазов на полюс и фазу:

    

m  - число фаз. 
 

    Число катушечных групп. 

    

=1

где - число катушечных групп в одной фазе однослойной обмотки.

    Так как каждую пару полюсов создает все три фазы переменного тока, следовательно:

    

     - число катушечных групп в  3-х фазах  однослойной обмотки

    Число электрических градусов приходящихся  на один паз

    

    Число  параллельных  ветвей  принимаем   a=1

    Сведём   обмоточные  данные   

    y=18    ;     q=6     ;    N_1ф⁽¹⁾=1     ;     N_3ф⁽¹⁾=3    ;     α=10 ^˚ э 

     Принцип построения  схемы статорной  обмотки трехфазного  асинхронного двигателя. 

   Для получения вращающегося магнитного поля трехфазного асинхронного двигателя, при любой схеме обмотки, требуется:

1. смещение в пространстве расточки статора АД фазных обмоток, одна относительно другой, на 120 электрических градусов;
2. смещение во времени токов, протекающих по этим обмоткам, на одну треть периода (следовательно, вектора, изображающие указанные токи на плоскости будут сдвинуты на 120 градусов ).

   Первое  условие выполняется соответствующей  укладкой катушечных групп трехфазной обмотки, второе – подключение АД к сети трехфазного тока.

   В отличие от однослойных в двухслойных  обмотках катушечные группы одной и той же фазы сдвигаются не на 360 электрических градусов, а на 180. 
 

   Поэтому:

    .

   Следовательно,  вторая   катушечная    группа   фазы   « »   начинается с 19-го паза.

      Первая  катушечная группа фазы B укладывается через пазов, т.к. должны обеспечить сдвиг на 120°.

      Для фазы С: пазов, т.к. сдвиг на 240°.

      Для однослойной обмотки в фазах A, B, C смещение между катушечными группами равно: пазов.

      А первые катушечные группы фаз В и  С, соответственно:

        пазов,  паза, т.к. сдвиги на 120 ° и 240°.

      Показываем  положение полюсов и направление токов для данного момента времени t, в фазах «А» и «В» – в одном, в «С» – в противоположном. 
 
 
 
 
 

   Расчет  оптимального числа  витков в обмотке  одной фазы.

   При подаче напряжения U_ф на обмотку, по ней потечёт ток х.х. I_х.х.    (рис. 3.). Так как напряжение изменяется по синусоидальному закону, ток будет переменным. В свою очередь ток создаёт в магнитной системе машины магнитный поток Ф, который также будет переменным.

      Переменный  магнитный поток Ф индуцирует в витках обмотки, которая его создала ЭДС (Е_ф), направленную встречно приложенному напряжению (закон электромагнитной индукции). ЭДС фазной обмотки Е_ф будет слагаться из суммы ЭДС отдельных витков Е_1в.

      Е_ф=åЕ_1в или ,

      где W_ф – количество витков в обмотке одной фазы, шт.

      Кроме того, ток I_х.х. создаёт на активном и реактивном сопротивлениях обмотки r и X падения напряжения DU. 
 

                       

          Рис. 3.                                                           Рис. 4. 

      Таким образом, приложенное к обмотке  напряжение U_ф уравновешивается ЭДС Е_ф и падением напряжения в обмотке DU. Всё это в векторной форме приведено на упрощённой векторной диаграмме АД (рис. 4.).

      Из  изложенного и векторной диаграммы  следует, что  .

      Падение напряжения составляет 2,5…4% от U_ф, т.е. в среднем около 3%, без ущерба для точности расчёта можно принимать:

       , где Е_ф – ЭДС обмотки фазы, В;

   U_ф – фазное напряжение, В

      Тогда .

      Мгновенное  значение ЭДС одного витка: , где t – время, с.

Магнитный поток  изменяется по закону: Ф=Ф_мsin wt, где Ф_м – амплитудное значение магнитного потока, Вб; w – угловая частота вращения поля.

      Тогда е_1в=-Ф_мw cos wt = wФ sin .

      Максимальное  значение ЭДС одного витка будет, когда: , тогда (т.к. w=2pf) Е_1в=wФ_м=2pfФ_м.