Расчет и конструктивная разработка трёхфазного асинхронного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Прогресс в развитии электромашиностроения зависит от успехов в области теории электрических машин. Глубокое понимание процессов электромеханического преобразования энергии необходимо не только инженерам-электромеханикам, создающим и эксплуатирующим электрические машины, но и многим специалистам, деятельность которых связана с электромеханикой.

Две трети электроэнергии, выработанной на электростанциях, преобразуется различными электроприводами в механическую энергию. Электрические двигатели постоянного и переменного тока строятся на мощности от долей ватта до десятков тысяч киловатт, на напряжения от нескольких вольт до десятков киловольт. Частоты вращения охватывают диапазон от одного оборота в сутки до 500000 об/мин.

Настоящую революцию в электротехнике, да и вообще в технике, совершил М.О. Доливо-Добровольский, который разработал и в 1891 г. Практически реализовал трехфазную систему переменного тока, а в 1896 г. предложил трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Асинхронные двигатели, как и другие изделия электромашиностроения, постоянно совершенствуются. Снижаются их масса и габаритные размеры, повышаются энергетические показатели и другие эксплуатационные характеристики. Прогресс обусловлен следующими факторами:

Использование материалов с более высокими свойствами;

Повышение уровня технологии производства;

Решение очевидных теоретических задач и совершенствование их на основе существующих методик расчета;

Применение ЭВМ для проектирования;

Машины общего назначения проектируются и производятся едиными сериями - рядами, в которых номинальная мощность и размеры нарастают дискретно в строго определенной закономерности. Серии традиционно называют едиными, так как по общему проекту они выпускаются многими заводами и используются во всех отраслях. На базе машин общего назначения разрабатываются и производятся также различные их модификации.

Первая серия асинхронных двигателей была создана в конце 1940-х гг. Она имела два конструктивных исполнения:

А - защищенное с внутренней вентиляцией, и АО - закрытое, обдуваемое снаружи и с ребрами охлаждения на корпусе.

Затем появились новые более качественные электротехнические материалы, были выполнены новые теоретические исследования и на этой базе в СССР в 50-х гг. ХХ в. была разработана новая более экономичная серия асинхронных двигателей А2 (АО2). Эта серия включала в себя 20 типоразмеров машин с номинальными мощностями от 0,4 до 125 кВт. Их габаритные размеры отличались внешним диаметром пакета магнитопровода статора, и каждому такому диаметру присваивался свой номер, отмечаемый в марке двигателя.

В 70-х гг. ХХ в. началась разработка и освоение выпуска серии асинхронных двигателей 4А с высотами осей вращения 50…355 мм и номинальными мощностями от 0,06 до 400 кВт. Шкала мощностей и установочные размеры этой серии были согласованы с международными стандартами, для оптимизационных расчетов и конструирования широко использовались ЭВМ.

В начале 80-х гг. ХХ в. была спроектирована единая серия АИ с двумя стандартными разновидностями: АИР и АИС. При тех же, что и в серии 4А, высотах осей вращения и номинальных мощностях эта серия имела некоторое превосходство по надежности и другим эксплуатационным показателям. При разработке серии АИ учитывались все рекомендации стандартов Международной электротехнической комиссии (МЭК), а в конструкции использовались еще более качественные материалы. Машины этой серии имеют конструктивные исполнения, более узко специализированные по видам нагрузки, условиям окружающей среды при эксплуатации, областям применения и др.

В 90-х гг. ХХ в. начался выпуск асинхронных двигателей двух новых единых серий 5А и РА.

Машины серии 5А имеют высоты осей вращения от 80 до 315 мм и номинальные мощности на валу от 0,55 до 200 кВт; разработаны также двигатели с высотой оси 355 мм мощностью до 400 кВт. Машины серии 5А обладают следующими преимуществами:

Повышен КПД и снижен нагрев за счет некоторого увеличения объема активных материалов и применения изоляции класса нагревостойкости F;

Увеличен пусковой момент и снижен пусковой ток благодаря специальной форме пазов короткозамкнутого ротора;

Понижены уровни шума электромагнитного происхождения (за счет выбора более подходящего числа пазов ротора) и аэродинамического (за счет рациональной конструкции вентиляторного узла и уменьшения размеров вентиляторов);

Средний ресурс двигателей с высотами осей вращения 80…250 мм составляет 30 тыс. ч, с остальными высотами - 40 тыс. ч.

Сервис-фактор составляет 1,1…1,15, т.е. обеспечивается возможность работы при соответствующих этому показателю перегрузках, колебаниях питающего напряжения, частоты и повышениях температуры окружающей среды.

Серия РА включает в себя двигатели с высотами осей вращения от 71 до 315 мм и мощностями от 0,25 до 200 кВт основного исполнения и модификации. При создании этой серии решалась задача наибольшей адаптации машин к требованиям потребителя. При оптимизации конструкции удалось выполнить на одном диаметре несколько высот оси вращения, изготавливая станину (корпус) из специального алюминиевого сплава методом экструзии, к которой затем привинчивали лапы и фланцы различных размеров. В сери использованы и другие технические новшества: чередующиеся специальные пазы на роторе, улучшенные однослойные и двухслойные обмотки, позволившие существенно снизить добавочные потери в стали, электромагнитный шум и вибрации. Были улучшены также дизайн, эстетические и экологические параметры машин.

С конца 90-х гг. ХХ в. разрабатывается и осваивается производство новой серии асинхронных двигателей - 6А, которая полностью соответствует европейским стандартам и потребительским требованиям рынка. Числа модификаций и специализированных исполнений в этой серии значительно расширены (до 50% от общего объема выпуска). На первый план здесь вышли конструкторские и технологические решения, обеспечивающие экономию материалов, энергоносителей и трудозатрат, т.е. конкурентоспособность отечественных двигателей на внутреннем и мировом рынках. Широкий спрос на эти двигатели в России и за рубежом свидетельствует о мировом уровне их качества.

Отечественные асинхронные двигатели имеют высокую надежность и длительный срок службы. По энергопотреблению, материалоемкости и многим другим показателям они, как правило, превосходят машины иностранных фирм.

1. Выбор главных размеров

1. Внешний диаметр статора:

Высота оси вращения h=200 мм, следовательно D_a=0,349 м (из табл. 8.6).

2. Внутренний диаметр статора:

2p=2, следовательно K_D=0,6 (из табл. 8.7)

м

3. Полюсное деление:

м

4. Расчетная мощность:

В·А

K_E=0.99

5. Электромагнитные нагрузки:

А/м;

Тл;

6. Обмоточный коэффициент (предварительно для однослойной обмотки):

7. Расчетная длина магнитопровода:

 м

рад/с;

8. Отношение

Это значение находится в допустимых пределах.

2. Определение Z₁, W₁ и площади поперечного сечения провода обмотки статора

9. Предельные значения t_z1:

t_z1max=18.7 мм

t_z1min=15.6 мм

10. Число пазов статора:

Принимаем Z₁=42, тогда Обмотка однослойная.

11. Зубцовое деление статора:

м

12. Число эффективных проводников в пазу (при условии отсутствия параллельных ветвей в обмотке):



А

13. Принимаем a=1, тогда проводников.

14. Окончательные значения:

Число витков в фазе

Линейная нагрузка

А/м

Магнитный поток

Вб

Индукция в воздушном зазоре

Тл

Значения A и B_д находятся в допустимых пределах.

15. Плотность тока в обмотке статора (предварительно):

 А/м²

16. Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно):

м²=14.84 мм²

17. Сечение эффективного проводника: окончательно принимаем n_эл=3, тогда

мм²

Принимаем обмоточный провод марки ПЭТМ

d_эл=2.5 мм; q_эл=4.91 мм²; мм²

18. Плотность тока в обмотке статора (окончательно):

А/мм²

3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

19. Принимаем предварительно:

B_z1=1,9 Тл - зубцы статора при пост. сечении

B_a=1,6 Тл - ярмо статора

 м=5.54 мм

K_c=0,97

м=43 мм

20. Размеры паза в штампе:

b_ш=4.1 мм; h_ш=1 мм; в=45⁰

м=27 мм

мм

мм

мм

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

мм

мм

мм

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки:

мм²

S_пр=0

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу:

мм²

где односторонняя толщина изоляции в пазу b_из=0.4 мм.

Паз статора изображен на рис. 1

22. Коэффициент заполнения паза:

Полученное значение k_з допустимо для механической укладки обмотки.

4. Расчет ротора

23. Воздушный зазор: д=1,2 мм

24. Число пазов ротора: Z₂=32

25. Внешний диаметр ротора:

мм

26. Длина магнитопровода ротора: l₂=l₁=l_д=0.12 м

27. Зубцовое деление ротора:

мм

28. Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора насаживается непосредственно на вал:

 м=77 мм

K_в=0.22

29. Ток в обмотке ротора:

А

где

K_ск=1 - пазы ротора выполнены без скосов.

30. Площадь поперечного сечения стержня (предварительно):

Плотность тока в стержне литой клетки принимаем А/м²

м²=241.3 мм²

31. Паз ротора:

b_ш=1.5 мм; h_ш=0.7 мм; h_ш'=1 мм

Допустимая ширина зубца:

B_Z2=1.8 Тл

мм

Размеры паза:

 мм

мм

мм

32. Уточняем ширину зубцов ротора:

мм

мм

Полная высота паза:

мм

Окончательно принимаем ширину зубцов ротора:

мм

Паз ротора изображен на рис. 2

33. Площадь поперечного сечения стержня:

мм²

Плотность тока в стержне:

 А/м²

34. Короткозамыкающие кольца. Площадь поперечного сечения кольца:

мм²

А

А/м²

Размеры размыкающих колец:

мм

мм

мм²

мм

5. Расчет магнитной цепи

Магнитопровод из стали 2013, толщина листа 0.5 мм.

35. Магнитное напряжение воздушного зазора:

А



36. Магнитное напряжение зубцовой зоны статора:

А

где h_Z1=h_п1=27 мм;

расчетная индукция в зубцах:

Тл

Так как B_Z1'>1.8 Тл, необходимо учесть ответвление потока в паз и найти действительную индукцию в зубце B_Z1:

где

b_Zx=b_Z1=5.54 мм

Принимаем B_Z1=1,9 Тл, тогда H_Z1=2070 А/м

Проверим соотношение:

37. Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора:

 А

где мм

Индукция в зубце:

Тл

По таблице для стали зубцов находим:

H_Z2=1360 А/м при B_Z2=1,76 Тл

38. Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

39. Магнитное напряжение ярма статора:

А

м

м

Тл

для B_a=1.6 Тл Н_a=750 А/м.

40. Магнитное напряжение ярма ротора:

А

 м

м

Тл

м

для B_j=0.96 Тл находим H_j=171 А/м

41. Магнитное напряжение на пару полюсов:

А

42. Коэффициент насыщения магнитной цепи:

43. Намагничивающий ток:

А

Относительное значение:

6. Параметры рабочего режима

44. Активное сопротивление обмотки статора:

для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура t_расч=115⁰С.

K_R=1

для медных проводников Ом·м

длина проводников фазы обмотки:

м

l_п1=l₁=0.12 м

м

где K_л=1,2; B=0,01 м;

м

в=1

Длина вылета лобовой части катушки:

где k_выл=0.26

Относительное значение:

45. Активное сопротивление фазы обмотки ротора:

где для литой алюминиевой обмотки ротора

приводим r₂ к числу витков обмотки статора:

Относительное значение:

46. Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:



где

b₁=10,73 мм; h_к=0,5 (b₁-b_ш)=0,5 (10,73-4,1)=3,315 мм

h₁=0 (проводники закреплены пазовой крышкой)

k_в=1; k_в'=1; l_д'=l_д=0,12 м

для в_ск=0 и t_Z2/t_Z1=20,273/16=1.267 k_ск'=1.3

Относительное значение:

47. Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:



так как при закрытых пазах Д_Z=0.

Приводим x₂ к числу витков статора:

Относительное значение:

7. Расчет потерь

48. Потери в стали основные:

p_1,0/50=2.5 Вт/кг для стали 2013



49. Поверхностные потери в роторе:

где k₀₂=1.5;

для b_ш/д=4,1/1,2=3,42 в₀₂=0,24.

50. Пульсационные потери в зубцах ротора:

B_Z2ср=1.76 Тл;

г₁=1.387;

h_Z2=25.9 мм;

b_Z2ср=7.6 мм;

51. Сумма добавочных потерь в стали:

52. Полные потери в стали:



53. Механические потери:

K_T=1 для двигателей с 2p=2

D_a=0.349 м.

54. Холостой ход двигателя:

.

8. Расчет рабочих характеристик

55. Параметры:

Активная составляющая тока синхронного холостого хода:



Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения:

56. Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений s=0.005; 0.01; 0.02; 0.024; 0.03; 0.04, принимая предварительно, что S_ном?r₂^*=0.024. Результаты расчета сводим в табл. 1.

Параметры спроектированного двигателя:

P_2ном=37 кВт; U_1ном=220/380 В; I_1ном=69.99 А; cosц_ном=0.89;

з_ном=0.9; 2p=2; I_0a=0.8 A; I_0р=I_м=11.83 A; P_ст+P_мех=1.882 кВт;

r₁=0.12 Ом; r'₂=0.074 Ом; с₁=1.023; a'=1.047; a=0.123 Ом; b'=0;

b=0.837.

Таблица 1

№ п/п	Расчетные формулы	Размерность	Скольжение, S
			0.005	0.01	0.015	0.02	0.024	0.03
1	a r2/s	Ом	15.5	7.75	5.17	3.87	3.23	2.58
2	R=a+ a r2/s	Ом	15.62	7.87	5.29	4.0	3.35	2.7
3	X= b+ b r2/s	Ом	0.837	0.837	0.837	0.837	0.837	0.837
4	Z=	Ом	15.642	7.914	5.356	4.087	3.453	2.419
5	I2= U1/Z	А	8.865	17.8	21.075	34.229	42.713	61.947
6	cosц2= R/Z	-	0.999	0.994	0.988	0.979	0.97	1.116
7	sinц2= X/Z	-	0.054	0.106	0.156	0.205	0.242	0.346
8	I1a=Ioa+I2·cosц2	А	14.851	28.632	41.382	53.5	62.602	102.297
9	I1p=Iop+I2· sinц'2	А	12.59	14.798	18.238	22.865	27.249	43.298
10	I1=	А	19.469	32.23	45.223	58.181	68.275	111.083
11	I2= c1· I2	А	9.388	18.644	22.02	35.067	44.178	63.039
12	P1=3 U1· I1a·10-3	кВт	9.802	18.897	27.312	35.1	41.317	67.516
13	Pэ1=3 U1· I12· r1·10-3	кВт	0.136	0.374	0.736	1.219	1.678	4.442
14	Pэ2=3 U1· I12· r2·10-3	кВт	0.046	0.182	0.392	0.673	0.943	1.922
15	Pдоб=0.005· P1	кВт	0.049	0.094	0.137	0.176	0.207	0.338
16	?P=++ Pэ1+ Pэ2+ Pдоб	кВт	2.113	2.53	3.147	3.95	4.71	8.584
17	P2= P1-?P	кВт	7.689	16.367	24.165	31.15	36.607	58.932
18	=1-?P/ P1	-	0.784	0.866	0.885	0.887	0.887	0.888
19	cosц= I1a/ I1	-	0.763	0.888	0.915	0.92	0.92	0.921

9. Расчет пусковых характеристик

Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета влияния насыщения от полей рассеяния). Результаты расчета приведены в табл. 2.

57. Активное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока:

t_расч=115⁰C

f₁=50 Гц

для о=1.59 находим ц=0.41;



Приведенное сопротивление ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока:

Таблица 2

№ п/п	Расчетные формулы	Размерность	Скольжение, S
			1	0.8	0.5	0.2	0.1	Sкр=0.12
1	о= hc	-	1.59	1.422	1.124	0.711	0.503	0.527
2	ц(о)	-	0.41	0.28	0.11	0.07	0.02	0.03
3	hr= hc/1+ц	мм	0.018	0.02	0.022	0.023	0.025	0.024
4	kr= qc/ qr	-	1.384	1.258	1.158	1.115	1.041	1.076
5	KR=1+ rc/r2(kr-1)	-	1.171	1.115	1.07	1.051	1.018	1.034
6	r2о= KR· r2	Ом	0.087	0.083	0.079	0.078	0.075	0.077
7	Kд= ц (о)	-	0.87	0.91	0.95	0.98	0.99	0.99
8		-	2.29	2.39	2.5	2.58	2.6	2.6
9	Kх=?/?	-	0.945	0.961	0.979	0.992	0.995	0.995
10	х2о= Kх· х2	Ом	0.377	0.383	0.391	0.396	0.397	0.397
11	Rп=r1+ c1п· r2о/s	Ом	0.208	0.225	0.281	0.516	0.882	0.755
12	Xп=x1+ c1п· x2о	Ом	0.793	0.799	0.807	0.812	0.813	0.813
13	I2= U1/	А	238.35	235.04	227.5	198.67	143.4	148.29
14	I1=I2	А	242.5	239.21	231.6	202.42	156.5	163.5

58. Индуктивное сопротивление ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока:

для о=1.59 ц'=k_д=0.87

59. Пусковые параметры:

магнитопровод статор двигатель асинхронный

60. Расчет токов с учетом влияния эффекта вытеснения тока:

для S=1

.

Список литературы

1) В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленец, «Электрические машины», М.: Академия, 2006 г.

2) И.П. Копылов «Проектирование электрических машин», М.: Энергоатомиздат, 1993 г. в 2-х томах.

3) И.П. Копылов «Электрические машины», М.: Высшая школа, 2000 г.

Размещено на Allbest.ru