Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Омский государственный университет путей сообщения» (ОмГУПС)

Кафедра «Электрические машины и общая электротехника»

РАСЧЁТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Курсовая работа по дисциплине

«Электрические машины и электропривод»

Вариант - 37

Студент гр. 34-В

Д.А. Абрамчук

Руководитель

Доцент кафедры ЭМ и ОЭ

Л.Е. Серкова

Омск 2014

Задание

Вариант - 37;

Номинальная мощность Р_н = 37 кВт;

Частота сети f = 50 Гц;

Число пар полюсов 2р =4;

Синхронная частота вращения n₁ = 750 об/мин;

Тип обмотки ротора - короткозамкнутая;

Исполнение двигателя по степени защиты - IP23 (с вентиляционными отверстиями в корпусе);

Способ охлаждения - IC01 (наружная вентиляция);

Исполнение по способу монтажа - IM1081;

Режим работы - продолжительный;

Схема обмотки должна быть рассчитана на соединение треугольником;

Напряжение питающей сети U_1Н = 220 В;

Класс нагревостойкости системы изоляции - F.

Реферат

УДК 621.313

Объектом исследования является короткозамкнутый асинхронный двигатель формы исполнения IM1081 со степенью защиты IP23 (с вентиляционным отверстиями в корпусе) и способом охлаждения IC01 (наружная вентиляция).

Целью работы является проектирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

В результате работы были определены главные размеры и геометрия сердечников, произведён расчёт обмоток статора и ротора, рабочих характеристик, потерь мощности и КПД, магнитной системы, а также проведён упрощенный тепловой расчёт.

Все расчёты проведены на компьютере с помощью программы «Mathcad 2001 Professional». Сборочный чертёж двигателя построен с помощью программного обеспечения «Компас» и распечатан на плоттере.

Содержание

Введение

1. Выбор главных размеров электрической машины

2. Выбор форм и размеров активной части двигателя

3. Обмотка статора

4. Обмотка короткозамкнутого ротора

5. Расчёт магнитной цепи

6. Потери и КПД асинхронного двигателя

7. Аналитический расчёт рабочих характеристик

8. Поверочный тепловой расчёт

9. Вентиляционный расчёт

10. Построение круговой диаграммы

11. Выбор подшипников

Заключение

Список использованных источников

Введение

Электрификация - это широкое внедрение в промышленность, сельское хозяйство, транспорт и быт электрической энергии. Электрификация осуществляется посредством электротехнических изделий, производством которых занимается электротехническая промышленность, которая, несмотря на все трудности послеперестроечного периода, остаётся ведущей отраслью в государстве. Качество электротехнических изделий во многом определяет технический уровень продукции других отраслей. Основной отраслью этой промышленности является электромашиностроение, занимающееся разработкой и производством электрических машин и трансформаторов. Электрические машины в общем объёме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому их технико-экономические и эксплуатационные свойства имеют важное значение для экономики страны. статор ротор асинхронный двигатель

Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии.

Проектирование электрических машин - это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразование энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников, умение применять вычислительную технику и талантом инженера, создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.

При создании электрической машины рассчитывают размеры статора и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, изоляция, материалы активных и конструктивных частей машины. При проектировании электрических машин необходимо учитывать соответствие их технико-экономических показателей современному уровню при соблюдении требований государственных и отраслевых стандартов, а также назначение и условия эксплуатации, стоимость активных и конструктивных материалов, КПД, технологию производства, надёжность в работе и патентную чистоту.

Электродвигатели широко применяются на транспорте в качестве тяговых двигателей, приводящих во вращение колёсные пары электровозов, электропоездов, троллейбусов и др. За последнее время значительно возросло применение электрических машин малой мощности, которые используют в устройствах автоматики и вычислительной техники. Особый класс электрических машин составляет двигатели для бытовых электрических устройств - пылесосов, холодильников, вентиляторов и др.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором широко используется в промышленности благодаря простоте устройства и управления, надёжности в эксплуатации, наименьшим массе, габаритам и стоимости при заданной мощности. Их масса на единицу мощности в 1,5-2,0 раза ниже, чем у двигателей постоянного тока.

В данной курсовой работе будут определены главные размеры и геометрия сердечников, произведён расчёт обмоток статора и ротора, рабочих характеристик, потерь мощности и КПД, магнитной системы, а также проведён упрощенный тепловой расчёт.

1. Выбор главных размеров электрической машины

Проектирование машины общего назначения начинается с выбора базовой модели, на которую ориентируются при выполнении всех расчётов и при конструировании двигателя. В данной работе за базовую модель примем один из типоразмеров двигателя серии 4А.

Определение главных размеров машины является важнейшим этапом её проектирования, так как оптимальные их значения во многом определяют рациональное использование активных материалов.

Главными размерами асинхронной машины называют внутренний и наружный диаметры сердечника статора, внутренний и наружный диаметры сердечника ротора, величину зазора и расчётную длину статора, т. е. длину без учёта вентиляционных каналов, которые зависят от ряда факторов: номинальных данных машины, высоты оси вращения, выбранного класса нагревостойкости системы изоляции и других параметров, значение которых влияет на выбор электрической и магнитной нагрузки.

Выбираем высоту оси машины в соответствии с заданной мощностью и частотой вращения (числом пар полюсов) [1, c.9, таблица 3]:

h=225 мм.

Наружный D_1Н и внутренний D₁ диаметры сердечника статора выбираем в зависимости от высоты оси машины [1, с.10, таблица 4]:

Предварительными значениями КПД и коэффициента мощности зададимся в зависимости величины номинальной мощности [1, с.11, рисунок 1, 2]:



Расчётная мощность асинхронного двигателя, кВ•А:

(1.2)

Выбираем предварительные значения для степени защиты IP23 и способа охлаждения IC01 [1, с. 12, рисунок 4]:

Выбираем предварительные значения обмоточного коэффициента двухслойных обмоток:

Расчётная длина сердечника статора, мм:

(1.2)

Коэффициент длины двигателя:

(1.3)

Так как коэффициент длины двигателя укладывается в диапазон , то это означает, что главные размеры выбраны корректно и рассчитываемая электрическая машина будет рациональной.

2. Выбор форм и размеров активной части двигателя

Сердечники статора и ротора набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Наиболее прогрессивным является применение холоднокатаной изотропной стали. Благодаря большей магнитной проницаемости, меньшим удельным потерям, лучшему качеству поверхности по сравнению с горячекатаной электротехнической сталью холоднокатаная сталь способствует повышению энергетических показателей проектируемого двигателя. Выберем способ изолирования листов стали в сердечниках [1, с. 14, таблица 6]:

Марка стали - 2013;

Способ изолирования листов стали в сердечнике статора - оксидирование;

Способ изолирования листов стали в сердечнике ротора - оксидирование.

Способ изолирования и толщина листов влияют на коэффициент заполнения сердечников сталью. При указанной толщине и оксидировании:

.

Воздушный зазор между статором и ротором существенно влияет на технико-экономические показатели двигателя. При проектировании асинхронных двигателей общего назначения на напряжение до 1000 В воздушный зазор целесообразно принимать по данным двигателей единой серии 4А. Определим воздушный зазор между статором и ротором [1, с. 15, рисунок 5]:

Основные размеры активной части асинхронного двигателя показаны на рисунке 2.1.

Наружный диаметр сердечника ротора, мм:

(2.1)

Внутренний диаметр сердечника ротора, мм:

(2.2)

Конструктивная длина сердечника статора при отсутствии радиальных вентиляционных каналов, мм:

Длина сердечника ротора, мм:



Число пазов сердечника статора и ротора в значительной степени определяет свойства проектируемой машины и трудоёмкость её изготовления. Выберем оптимальное соотношение числа пазов статора и ротора для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:

Форма паза статора зависит от параметров машины. Определим форму паза статора [1, с.20, таблица 9]:

Форма паза статора - трапецеидальная полузакрытая ;

Тип обмотки статора - двухслойная всыпная;

При трапецеидальной форме паза зубцы статора имеют параллельные стенки и их сечение по высоте паза одинаковы. Отсутствие в таких зубцах участков уменьшенного сечения способствует снижению магнитного напряжения зубцов; лучшему использованию активной зоны сердечника; уменьшению пульсации магнитной индукции в зазоре двигателя, магнитного напряжения воздушного зазора, добавочных потерь. Однако при таких пазах коэффициент заполнения паза медью невелик. Область применения полузакрытого пазов определяется областью применения всыпной обмотки статора, выполняемой из проводов круглого сечения.

Рекомендуемые значения магнитной индукции:

Размеры паза статора различают в свету и в штампе. Размеры в свету несколько меньше размеров в штампе из-за неточности штамповки и некоторого уменьшения паза при сборке листов в сердечник, что учитывается припусками на штамповку по высоте и ширине. Выберем припуск по высоте и ширине в зависимости от высоты оси вращения двигателя [1, с.20, таблица 10]: припуск равен 0,3 мм.

Зубцовое деление статора, мм:

(2.3)

Ширина зубца в узком месте определяется по допустимому значению магнитной индукции в зубце статора, мм:

(2.4)

Значение высоты спинки статора определяется допустимыми величинами магнитной индукции в спинке статора, мм:

(2.5)



Высота зубца, мм:

(2.6)

Наименьшая ширина трапецеидального полузакрытого паза в штампе, мм:

(2.7)

Наибольшая ширина паза в штампе, мм:

(2.8)

Принимаем:

Ширину шлица паза статора равным мм;

Высота шлица мм;

Угол .

h_k1=0,5(+);

h_k1=0,5(8,487 + 6,253)=1,126 мм

Площадь поперечного сечения трапецеидального паза в штампе, мм²:

(2.9)

Форма паза ротора зависит от мощности двигателя, числа полюсов и требуемых пусковых характеристик. Определим форму паза короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя серии 4А [1, с.25, таблица 11]: форма паза ротора - овальный полузакрытый.

Форма паза ротора зависит от мощности двигателя, числа полюсов и требуемых пусковых характеристик. Определим форму паза короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя серии 4А [1, с.25, таблица 11]: форма паза ротора - овальный полузакрытый.

Рекомендуемые значения магнитной индукции:

Зубцовое деление ротора, мм:

(2.10)

Ширина зубца ротора определяется значением магнитной индукции в сечении зубца, мм:

(2.11)

Высота спинки сердечника ротора определяется допустимым значением магнитной индукции в спинке ротора, мм:

(2.12)

Высота зубца (паза) ротора, мм:

(2.13)

Размеры овальных пазов рассчитываются таким образом, чтобы зубцы ротора имели параллельные стенки. Диаметр в верхней части паза, мм:

(2.14)

Диаметр в нижней части паза, мм:

(2.15)

Расстояние между центрами окружностями овального паза, мм:

(2.16)

Площадь поперечного сечения овального паза в штампе, мм²:

(2.17)

3. Обмотка статора

В ходе проектирования обмотки статора определяются конструктивные особенности обмотки, геометрические размеры, электрические параметры; строится развёртка обмотки.

Число пазов на полюс и фазу:

(3.1)

Пазовые стороны одной катушечной группы, расположенные в соседних пазах, занимают q₁ пазов и образуют фазную зону, определяемую углом, градус:

(3.2)

Наибольшее применение в трёхфазных асинхронных двигателях получили шестизонные обмотки с б = 60є, если q₁ целое число.

Полюсное деление машины, измеренное в пазах:

(3.3)

Шаг обмотки, измеренный в пазах:

(3.4)

где в - относительный шаг обмотки.

Коэффициент укорочения:

(3.5)

Коэффициент распределения:

(3.6)

Обмоточный коэффициент - один из важных параметров обмотки статора. Для основной гармоники ЭДС обмоточный коэффициент:

(3.7)

Номинальный ток статора, А:

(3.8)

Число эффективных проводников в пазу статора при отсутствии параллельных ветвей в обмотке:

(3.9)

Плотность тока в обмотке статора выбирают исходя из того, что с её увеличением уменьшается расход обмоточной меди, но одновременно растет активное сопротивление обмотки статора, что ведет к росту электрических потерь, температуры обмотки, снижению КПД, а с уменьшением растет КПД двигателя и повышается надежность обмотки статора за счет снижения ее температуры [1, с.29, рисунок 10], А/мм²:

Площадь поперечного сечения эффективного проводника обмотки статора, мм²:

(3.10)

где - число параллельных ветвей.

Зададимся числом элементарных проводников в витке:

Площадь поперечного сечения элементарного проводника, мм²:

(3.11)

Выберем площадь поперечного сечения неизолированного провода марок ПЭТВ или ПЭТ-55, среднее значение диаметра изолированного провода и номинальный диаметр неизолированного провода из номенклатурного ряда выпускаемых промышленностью проводов[1, с.31, таблица 13]:

Суммарная площадь поперечного сечения элементарных проводников должна быть не меньше расчётного сечения эффективного проводника:

Число последовательных витков в обмотке фазы статора:

(3.12)

Определим толщину изоляции для полузакрытого паза по высоте и по ширине [1, с. 64, П.2.1], мм:

Площадь пазовой изоляции и прокладок между слоями обмотки с учетом крышки, закрывающей паз и толщины изоляционных прокладок, мм².

(3.13)

(3.14)

Площадь паза, занимаемая обмоткой статора, мм²:

 (3.15)

Коэффициент заполнения паза обмоткой статора:

(3.16)

Коэффициент заполнения паза обмоткой статора должен быть равен при машинной укладке обмотки статора.

Уточненная плотность тока в обмотке статора, А/мм²:

(3.17)

Уточненные значения электромагнитных нагрузок:

; ;

(3.18)

Отклонения не превышают 10%.

Размеры мягких катушек статора определяются следующим образом: среднее зубцовое деление статора, т. е. зубцовое деление, измеренное на окружности, проходящей по середине высоты зубцов статора, мм:

(3.19)

Ширина катушки, мм:

(3.20)

Средняя длина одной лобовой части катушки, мм:

(3.21)

Средняя длина витка обмотки статора, мм:

(3.22)

Длина вылета лобовой части обмотки при 160 мм, мм:

(3.23)

Активное сопротивление фазы обмотки статора, приведенное к расчетной рабочей температуре, Ом:

(3.24)

где =24,4•10^-9 - удельное сопротивление материала обмотки при рабочей температуре, Ом•м.

Активное сопротивление в относительных единицах:

(3.25)

В проектировании это значение находится в интервале .

Пазовое рассеяние обусловлено магнитным потоком рассеяния, направленным поперек паза и сцепленным с расположенными в этом пазу проводниками. Если обмотка выполнена с укороченным шагом, то потокосцепление этой обмотки с потоком пазового рассеяния ослаблено.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния при трапецеидальном полузакрытом пазе.

(3.26)

Определим коэффициенты и , учитывающие укорочение шага обмотки [1, с. 12, рисунок 12)]:

Дифференциальное рассеяние - это рассеяние, создаваемое высшими гармоническими составляющими магнитного поля в воздушном зазоре.

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора:

(3.27)

где значение и выбираются по [1, с. 35, таблицы 14 и 15]:

При полузакрытых пазах статора коэффициент воздушного зазора учитывает влияние зубчатости статора и ротора на магнитное сопротивление воздушного зазора:

(3.28)

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора:

(3.29)

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора

(3.30)

Индуктивное сопротивление рассеяния одной фазы обмотки статора, Ом:

(3.31)

В относительных единицах:

(3.32)

В реальных расчётах это значение должно лежать в пределах .

Построим схему укладки обмотки:

Полюсное деление : .

Шаг обмотки: .

Угол между соседними пазами: .

Расстояние между пазами: .

Каждая фаза состоит из катушечных групп.

Катушечная группа состоит из катушек.

Катушечные группы соединяются в фазы, сохраняя направление тока в фазе. Наиболее распространенным способом изображения схемы обмоток является развёртка окружности статора на плоскость. В двухслойных обмотках паз изображается двумя рядом расположенными линиями. Процесс выполнения схемы обмоток упрощается при использовании таблицы алгоритма укладки. На рисунке 3.3 представлена развертка схемы укладки обмотки статора.

4. Обмотка короткозамкнутого ротора

Целью расчета обмотки ротора является определение геометрических и электрических параметров обмотки. К электрическим параметрам относятся величины активного и индуктивного сопротивлений.

Номинальный ток в обмотке ротора, А:

(4.1)

Рабочий ток в стержне ротора при короткозамкнутой обмотке в номинальном режиме, А:

(4.2)

Плотность тока в стержне ротора, А/мм²:

, (4.3)

Значение плотности тока в стержне ротора находится в рекомендуемом интервале (2,5 - 3,5) А/мм².

Размеры короткозамкнутого кольца литой клетки определяются выражениями:

поперечное сечение, мм²:

(4.4)

высота кольца, мм:

(4.5)

длина кольца, мм:

(4.6)

средний диаметр кольца, мм:

(4.7)

Активное сопротивление стержня обмотки в рабочем режиме, приведенное к рабочей температуре 115 ^оС , Ом:

(4.8)

Активное сопротивление участка короткозамыкающего кольца между двумя соседними стержнями при расчетной рабочей температуре 115 ^оС, Ом:

(4.9)

Коэффициент приведения тока кольца к току стержня:

(4.10)

Активное сопротивление колец, приведенное к току стержня, Ом:

(4.11)

Активное сопротивление обмотки ротора, Ом:

(4.12)

Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора:

(4.13)

Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора в рабочем режиме, Ом:

(4.14)

В относительных единицах:

(4.15)

Полученное значение должно находиться в интервале 0,02 - 0,03, но в учебных целях разрешается.

Определение индуктивного сопротивления обмотки ротора.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния ротора в номинальном режиме рассчитывается для овального закрытого паза:

(4.16)

где

Определим коэффициент дифференциального рассеяния ротора [1, с.42, рисунок 16]:

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния:

(4.17)

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния короткозамыкающих колец литой клетки ротора:

(4.18)

Общий коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки ротора в номинальном режиме, при условии отсутствия скосов пазов на одно зубцовое деление:

 (4.19)

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора в номинальном режиме, Ом:

(4.20)

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к обмотке статора в номинальном режиме, Ом:

(4.21)

В относительных единицах

(4.22)

Полученное значение находиться в интервале 0,1 - 0,16.

5. Расчёт магнитной цепи

Магнитная цепь состоит из пяти последовательно соединенных участков: воздушного зазора , зубцовых слоев статора h_z1 и ротора h_z2, спинки статора L_c1 и ротора L_c2, поэтому МДС обмотки статора на пару полюсов F определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи: воздушного зазора F , зубцов статора F_z1 и ротора F_z2, спинки статора F_c1 и ротора F_c2, А:

F = 2F + 2F_z1 + 2F_z2 + F_c1 + F_c2. (5.1)

Магнитное напряжение в воздушном зазоре, А,

F = 0,8B k10³; (5.2)

F = 0,8 0,930,61,22610³ = 547,304 А.

Зубцовый слой статора. При трапецеидальных полузакрытых пазах статора магнитная индукция в зубце одинакова по высоте зубца, Тл:

B_z1 = B t₁/k_c1b_z1; (5.3)

B_z1 = 0,93 12,392/0,976,388 = 1,86 Тл.

По магнитной индукции в зубце определяем напряжённость магнитного поля в зубце [1, с. 67, таблица II.3.2], А/м:

Магнитное напряжение зубцового слоя статора, А:

F_z1 = H_z1 h_z110³; (5.4)

F_z1 = 234028,4510³ = 66,573 А.

Зубцовый слой ротора. При овальных полузакрытых и закрытых пазах зубцы имеют параллельные стенки и магнитная индукция в зубце постоянна, Тл:

B_z2 = B t₂/k_c2b_z2; (5.5)

B_z2 = 0,9315,865/0979,218 = 1,65 Тл.

По магнитной индукции в зубце определяем напряжённость магнитного поля в зубце [1, с. 67, таблица II.3.2], А/м:

Магнитное напряжение зубцового слоя ротора, А:

F_z2 = H_z2(h_z2 0,4d_п2)10³; (5.6)

F_z2 = 990?(43,034 0,4?1,871)10³ =41,863 А.

Спинка статора. Магнитная индукция в спинке статора, Тл:

B_с1 = 0,5_iB /k_c1h_c1; (5.7)

B_с1 = 0,5?0,64?111,527?0,93 /0,97?25,55 =1,339 Тл.

По магнитной индукции в спинке статора определяем напряжённость магнитного поля в спинке статора [1, с. 66, таблица II.3.1], А/м:

Длина средней силовой линии в спинке статора, мм:

L_с1 = (/2p)(D_1н h_с1); (5.8)

L_с1 = (3,14/4)(392 25,55) = 143,905 мм.

Магнитное напряжение спинки статора, А:

F_с1 = H_с1 L_с110³; (5.9)

F_с1 =391143,90510³ = 56,267 А.

Спинка ротора. Магнитная индукция в спинке ротора, Тл:

B_с2 = 0,5_iB /k_c2h_c2; (5.10)

B_с2 = 0,5?0,64?111,527?0,93 /0,97?48,876 = 0,7 Тл.

По магнитной индукции в спинке ротора определяем напряжённость магнитного поля в спинке ротора [1, с. 66, таблица II.3.1], А/м:

Длина средней силовой линии в спинке ротора, мм:

L_с2 = (/2p)(D₂ 2 h_z2 h_c2) + h_c2. (5.11)

L_с2 = (3,14/4)(282,8 2?43,034 -48,876)]+48,876 = 106,939 мм.

Магнитное напряжение спинки ротора, А:

F_с2 = H_с2 L_с210³; (5.12)

F_с2 = 111?106,93910³ =11,87 А.

F = 2?547,304 + 2?66,573 + 2? 41,863+ 56,267 + 11,87 = 1380 А.

Коэффициент насыщения магнитной цепи двигателя:

k = F/2F; (5.13)

k = 1380/2?547,304 =1,26.

Это значение находится в рекомендуемом интервале .

Намагничивающий ток, А:

I = pF/(0,9m₁w₁k_об1); (5.14)

I = 3?1380/(0,9?3?72?0,945) = 30,033 А.

относительно номинального тока

I = I/I_1н; (5.15)

I = 30,033/77,491=0,309.

Это значение находиться в пределах рекомендуемого интервала 0,18 - 0,35.

Главное индуктивное сопротивление обмотки статора, соответствующее основной гармонике, Ом,

x_m = k_ЕU₁/I; (5.16)

x_m = 0,98?220/30,033 = 7,179 Ом.

или в относительных единицах:

x_m = x_m I_1н /U₁ ; (5.17)

x_m = 7,179?77,491 /220 = 2,529.

Коэффициент магнитного рассеяния обмотки статора

= x₁/x_m ; (5.18)

= 0,21/7,179 = 0,029.

6. Потери и КПД асинхронного двигателя

Основные потери это потери, связанные с основными электромагнитными и механическими процессами, происходящими в электрической машине. Основные потери разделяются на магнитные, электрические и механические.

Основные магнитные потери. Расчетные массы стали, кг:

спинки статора - G_с1 = 7,810⁶l_i k_c1h_c1(D_1н h_c1) ; (6.1)

зубцового слоя - G_z1 = 7,810⁶l_i k_c1h_z1(D₁+ h_z1) S_п1Z₁. (6.2)

G_с1 = 7,810^-6?215?0,97?25,55?3,14?(39225,55) = 47,848 кг;

G_z1 = 7,810^-6?215?0,97?28,45?3,14? (284+28,45) 203,772?72 = 21,561 кг.

Основные магнитные потери в спинке статора при частоте переменного тока f₁ = 50 Гц, Вт:

P_м.с1 = k_м.т P_1,0/50B²_с1G_с1; (6.3)

P_м.с1 = 1,7?2,5?1,339²•47,848 = 364,628 Вт.

Основные магнитные потери в зубцовом слое статора, Вт:

(6.4)

Основные магнитные потери в асинхронном двигателе, Вт:

P_м = P_м.с1 + P_мz1; (6.5)

P_м = 364,628+316,948 = 681,577 Вт.

Основные электрические потери в обмотке статора, Вт:

P_э1 = m₁I²₁r₁. (6.6)

P_э1 = 3?77,491²?0,119 =2147 Вт.

Основные электрические потери в обмотке ротора, Вт:

P_э2 = m₂I²₂r₂ ; (6.7)

P_э2 = 56?494,123²?7,468?10^-5 =1021 Вт.

Основные механические потери для АД со степенью защиты IP23 и способом охлаждения IC01 без радиальных вентиляционных каналов с вентиляционными лопатками на короткозамыкающих кольцах, Вт:

Р_мех = k_т (n₁10³)²(D₁10³)⁴; (6.8)

Р_мех = 7? (75010³)²(28410³)⁴ = 0,02 Вт.

Мощность, подводимая к двигателю из сети, кВт:

P₁ = m₁I₁U_1н cos₁; (6.9)

P₁ = 3?77,491?220?0,795 = 40660 Вт.

Добавочные потери АД в соответствии с ГОСТ 11828-75 принимают равными 0,5% потребляемой двигателем мощности P₁ в номинальном режиме, Вт:

P_доб = 0,005P₁; (6.10)

P_доб = 0,005?40660/0,91 = 223,403 Вт.

Суммарные потери, Вт:

P = (P_м + P_э1 + P_э2 + P_мех + P_доб ); (6.11)

P = (681,577 + 2147 + 1021 +0,02 + 223,403 ) = 4073 Вт.

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя

= 1 P/P₁; (6.12)

= 1 4073/40660 = 0,9.

7. Аналитический расчёт рабочих характеристик

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимости тока статора I₁, потребляемой мощности Р₁, скольжения s, частоты вращения n₂, КПД, коэффициента мощности cos₁ и электромагнитного момента М_эм от полезной мощности двигателя Р₂.

На рисунке 7.1 представлена Г-образная схема замещения одной фазы асинхронного двигателя.



Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 7.1 - Г-образная схема замещения асинхронного двигателя

Для каждого значения коэффициента нагрузки рассчитаем требуемые параметры и занесём их в таблицу 7.1. Затем построим рабочие характеристики двигателя.

Расчетное сопротивление, Ом:

; (7.1)

Полная механическая мощность, Вт:

P₂ = P₂ + P_мех + P_доб . (7.2)

Значения А и В рассчитываются по следующим выражениям:

A = m₁U²_1н/(2P₂) - r₁; (7.3)

B = m₁U ²_1н/P₂ + R = 2A + R. (7.4)

Скольжение при различных нагрузках двигателя определяют по формуле:

(7.5)

где с₁ = 1+х₁/x_m = 1+0,21/7,179=1,029.

Эквивалентные сопротивления рабочей цепи схемы замещения определяются выражениями, Ом:

r_экв = c₁r₁ + c²₁r₂/s; (7.6)

x_экв = c₁x₁ + c²₁x₂; (7.7)

(7 .8 )

Ток в рабочей цепи схемы замещения, А:

I₂ = U_1н/z_экв. (7.9)

Приведенное значение тока обмотки ротора, А:

I₂ = c₁ I₂. (7.10)

Коэффициент мощности в рабочей цепи схемы замещения:

cos₂ = r_экв/z_экв. (7.11)

Активная составляющая тока ротора, А:

I_2а = I₂ cos₂. (7.12)

Реактивная составляющая тока ротора, А:

I_2р = I₂ sin₂. (7.13)

Активная составляющие тока статора идеального холостого хода, А:

I_0a = (m₁I_µ²r₁ + P_м)/m₁U_1н . (7.14)

Реактивная составляющие тока идеального холостого хода, А:

I_0р I . (7.15)

Активная составляющая тока статора, А:

I_1a = I_0a + I_2а . (7.16)

Реактивная составляющая тока статора, А:

I_1р = I_0р + I_2р . (7.17)

Ток статора асинхронного двигателя, А:

I₁ = I²_1a + I²_1р . (7.18)

Коэффициент мощности асинхронного двигателя:

cos₁ = I_1а/I₁. (7.19)

Потребляемая двигателем мощность, кВт:

P₁ = m₁U_1н I_1а10³ . (7.20)

Частота вращения ротора, об/мин:

n₂ = n₁(1 s). (7.21)

Электромагнитный момент, Нм:

M _эм = 9,55P_эм10³/ n₂, (7.22)

Критическое скольжение:

s_кр c₁r₂/(x₁ + c₁x₂); (7.23)

s_кр 1,029?0,074?/(0,21 + 1,029?0,453) = 0,113.

Сопротивление R_кр определяют по формуле:

R_кр = 2r₁s_кр/c₁r₂; (7.24)

R_кр = 2?0,119?0,113/1,029?0,074 =0,353 Ом.

Перегрузочная способность АД при постоянных параметрах схемы замещения рассчитывается по уравнению:

 (7.25)

Таблица 7.1 - Расчет рабочих характеристик двигателя

Расчетные значения	Значение коэффициента нагрузки
	0	0,25	0,5	0,75	1,0	1,25
P2, кВт	0	9,25	18,5	27,75	37	46,25
Pдоб, Вт	0	13,963	55,851	125,664	223,403	349,067
P2 , кВт	26•10-6	9,263	18,555	27,875	37,223	46,599
A	2,834?106	7,718	3,793	2,485	1,831	1,439
B	5,669?106	21,82	13,971	11,355	10,047	9,262
s	1,385?10-8	5,124?10-3	0,011	0,016	0,023	0,03
,rэкв, Ом	5,669?106	15,446	7,562	4,907	3,555	2,72
xэкв , Ом	0,696
zэкв ,Ом	5,669?106	15,462	7,594	4,956	3,623	2,808
cos2	1	0,999	0,996	0,99	0,981	0,969
I2 ,А	3,881?10-5	14,229	28,971	44,392	60,728	78,351
I2а ,А	3,881?10-5	14,214	28,849	43,952	59,597	75,906
I2р ,А	4,769?10-12	0,64	2,655	6,234	11,666	19,419
I1a ,А	1,521	15,735	30,37	45,473	61,118	77,427
I1р ,А	30,033	30,673	32,688	36,266	41,698	49,451
I1 ,А	30,071	34,474	44,619	58,164	73,987	91,872
cos1	0,051	0,456	0,681	0,782	0,826	0,843
P1 , кВт	1,004	10,39	20,04	30,01	40,34	51,1
з	0	0,891	0,923	0,925	0,917	0,905
Pэ1 ,Вт	323,292	424,887	711,757	1209	1957	3018
Pэм , Вт	-0,802	9278,96	18651	28121,1	37699,1	47402,81
n2 , об/мин	750	946,157	742,084	737,691	732,845	727,331
M эм ,Н?м	-0,01	118,761	240,023	364,05	491,272	622,409

Рабочие характеристики построены на рисунках 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6, 7.7,7.8

Рисунок 7.2 - Рабочая характеристика

Рисунок 7.3 - Рабочая характеристика

Рисунок 7.4 - Рабочая характеристика

Рисунок 7.5 - Рабочая характеристика



Рисунок 7.6 - Рабочая характеристика

Рисунок 7.7 - Рабочая характеристика



Рисунок 7.8 - Рабочая характеристика

8. Поверочный тепловой расчёт

Определим коэффициент теплоотдачи с поверхности сердечника статора, Вт/мм²?^оС [1, с. 56, рисунок 20]:

Определим коэффициент, учитывающий долю потерь в сердечнике статора, передаваемых воздуху внутри двигателя [1, с. 56, таблица 19]:

Определим коэффициент, определяющий отношение значений удельной электрической проводимости меди при расчётной температуре и при максимально допустимой температуре в соответствии с классом нагревостойкости: .

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя, С,

(8.1)

Периметр поперечного сечения условной поверхности обмотки статора для трапецеидального полузакрытого паза, мм:

П₁ = 2h_п1 + b_п1+ b_п1; (8.2)

П₁ = 2?26,324 +6,253 +8,487 =67,387 мм.

Среднее значение эквивалентного коэффициента теплопроводности изоляции обмотки в пазу _экв, учитывающего воздушные прослойки: для изоляции класса нагревостойкости F составляет 1610⁵ Вт/(ммС).

Определим эквивалентный коэффициент теплопроводности изоляции провода [1, с. 57, рисунок 21], Вт/мм²?^оС:

Перепад температуры в изоляции части пазовой обмотки статора, С:

; (8.3)

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя, °С:

; (8.4)

Периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки обмотки статора для трапецеидального полузакрытого паза, мм:

П_л1 2h_п1 + b_п1+ b_п1 (8.5)

П_л1 2?26,324 +6,253 +8,487 =67,387 мм;

Перепад температуры в изоляции лобовой части обмотки статора, °С,

; (8.6)

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя, °С,

(8.7)

Электрические потери в лобовых частях обмотки статора, Вт:

(8.8)

Электрические потери в пазовых частях обмотки статора, Вт:

(8.9)

Суммарные потери (за исключением потерь в подшипниках), отводимые в воздух внутри двигателя для двигателей со степенью защиты IP23, Вт:

P_в = P (1 k)(P_эл.л1 + P_м); (8.10)

где P = P (k 1)(P_э1 + P_э2).

P = 4073 (1,07 1)?(2147+1021) = 3851 Вт;

P_в = 3851 (1 0,76)?(1183 + 681,577) =3404 Вт.

Условная поверхность охлаждения двигателя для двигателей со степенью защиты IP23, мм²:

S_дв = D_1н(l₁ + 2l_в1); (8.11)

S_дв = 3,14?392?(215 + 2?88,527) =4,828*10⁵ мм².

Определим значение коэффициента подогрева воздуха, Вт/мм²?^оС [1, с. 60, рисунок 24]:

Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой охлаждающей среды, °С:

_в = УР_в/S_двб_в; (8.12)

_в = 3404/4,828•10⁵?75?10^-5 = 9,4 ^оС.

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой охлаждающей среды, °С,

₁ = ₁ +_в; (8.13)

₁ =66,453 +9,4 = 75,852 ^оС 95 ^оС.

Это значение не должно превышать допустимой величины, ограниченной классом нагревостойкости изоляции (рабочая температура для класса изоляции F - 115 ^oC), следовательно, с учетом температуры окружающей среды 20 °С ₁ ? 95 ^oC.

9. Вентиляционный расчёт

Потери мощности, возникающие в АД при его работе, переходят в теплоту, которую необходимо отводить для того, чтобы температура активных частей двигателя не превышала допустимых пределов. Для этих целей, как правило, применяется искусственная вентиляция, которая осуществляется вентилятором, размещенным на валу машины. Такой способ называют самовентиляцией.

Вентиляционный расчет проводится с целью определения расхода воздуха, необходимого для охлаждения двигателя и получаемого от вентилятора.

Получаемый объем должен превышать необходимый. Это служит гарантией того, что машины не будет перегреваться более расчетного превышения температуры.

У двигателей со степенью защиты IP23 и способом охлаждения IC01 (радиальная система вентиляции) необходимый расход воздуха, м³/с:

, (9.1)

где с_в = 1100 Дж/(м³· ^оС) - теплоемкость воздуха.

Расход воздуха, который может быть обеспечен радиальной вентиляцией, м³/с:m'



V.вш = 1,142 м³/с

Из расчёта видно, что радиальная вентиляция обеспечивает количество воздуха, которое больше необходимого количества(). Это означает, что двигатель не будет нагреваться до температур, при которых происходит разрушение изоляции обмотки двигателя.

10. Построение круговой диаграммы

Круговая диаграмма - это геометрическое место концов вектора тока статора во всех режимах работы асинхронной машины. Построим круговую диаграмму асинхронного двигателя по схеме замещения двигателя. Для построения диаграммы найдём ток холостого хода, А:

(10.1)

(10.2)

Зададимся масштабом по току, А/мм:

Зададимся масштабом по напряжению, В/мм:

Масштаб по мощности, Вт/мм:

(10.3)

Масштаб по моменту, Н?м/мм:

(10.4)

Диаметр круговой диаграммы, мм:

(10.5)

(10.6)

(10.7)

Изобразим линию полезной мощности и линию электромагнитной мощности.

Выбираем произвольно точку F на отрезке , тогда:

(10.8)

(10.9)

По этой круговой диаграмме можно определить любую рабочую характеристику.

Определим максимальный момент, используя круговую диаграмму. Через произвольную точку отрезка проводим перпендикуляр до пересечения с окружностью. Из точки пересечения опускаем перпендикуляр к до пересечения с прямой , тогда:

(10.10)

11. Выбор подшипников

Определим размер выступающего конца вала электродвигателя:



Выберем подшипник для выступающего вала:

Тип - роликоподшипники радиальные с короткими цилиндрическими роликами (средняя широкая серия) по ГОСТ 8328-75 (рисунок 10.1);

Условное обозначение подшипника -………….;

Выберем подшипник для не выступающего вала:

Тип - шарикоподшипники радиальные однорядные по ГОСТ 8338-75 (средняя серия) (рисунок 10.2);

Условное обозначение подшипника - ………….;

Заключение

В данной курсовой работе были рассчитаны: статор, ротор, намагничивающий ток, потери, рабочие характеристики, тепловой и вентиляционный расчеты.

Практически все основные параметры данных разделов находятся в интервалах, которые были указаны в использованной литературе для выполнения данной курсовой работы.

На основании полученных результатов были изображены: обмотка статора, паз статора, паз ротора, рабочие характеристики, круговая диаграмма, а также начерчен эскиз асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Данный расчет может быть использован для решения различного рода задач, связанных с разработками и использованием асинхронных двигателей, которые должны удовлетворять целому комплексу требований.

Список использованных источников

1. Расчёт асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: Учебное пособие / В.Д. Авилов, Л.Е. Серкова. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006, 94с.

2. СТП ОмГУПС-1.2-02. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов.

3. Проектирование электрических машин / под ред. И.П. Копылова. М.: Высшая школа, 2005. 757 с.

Размещено на Allbest.ru