Расчет асинхронного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Выбор и расчет основных параметров асинхронного двигателя с фазным ротором

1.1 Определение главных размеров асинхронной машины

1.2 Обмотка, пазы и ярмо статора

2. Расчет фазного ротора

3. Параметры двигателя

4. Проверочный расчет магнитной цепи

5. Схема развертки обмотки статора

6. Механическая характеристика асинхронного двигателя

7. Расчет пусковой диаграммы и пускових сопротивлений для автоматического пуска

7.1 Расчёт пусковых сопротивлений асинхронного двигателя с фазным ротором

7.2 Пусковая диаграмма асинхронного двигателя

7.3 Схема управления при помощи командоконтроллера

Заключение

Список литературы

Введение

асинхронный магнитный цепь статор

Асинхронные двигатели широко используются в промышленности благодаря простоте их конструкции, надежности в эксплуатации и сравнительно низкой себестоимости.

Наиболее простыми в отношении устройства и управления, надежными в эксплуатации, имеющими наименьшую массу, габариты и стоимость при определенной мощности, являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Их масса на единицу мощности в 1,5-2,0 раза ниже, чем у машин постоянного тока. Чаще всего асинхронные двигатели применяются при невысокой частоте включений, когда не регулируют частоту вращения или возможно ступенчатое её регулирование.

В установках, где требуется регулирование частоты вращения в относительно небольших пределах, необходимы плавный пуск, хорошие тормозные качества, ограничение токов в переходных процессах и т.д., находят широкое применение асинхронные двигатели с фазным ротором. Характерной особенностью этих двигателей является возможность уменьшения с помощью реостатов их пусковых токов при одновременном увеличении пускового момента.

При выборе двигателя по мощности следует исходить из необходимости его полного использования в процессе работы. В случае завышения номинальной мощности двигателя снижаются технико-экономические показатели электропривода, т.е. КПД и коэффициент мощности. Если же нагрузка на валу двигателя превышает номинальную, то это приводит к росту токов в его обмотках, а значит и потерь мощности выше соответствующих номинальных значений.

Задание на курсовую работу.

Ном. мощность, РН	Синхр. частота вращения, n1	Схема соединения обмоток статора	Линейное напряжение, Uл	Ммах /Mном	Ном. скольжениеSH
кВт	об./мин.		В.		%
9,0	3000	Y	220	2,7	4,0

1. Выбор и расчет основных параметров асинхронного двигателя с фазным ротором

1.1 Определение главных размеров асинхронной машины

К главным размерам машины относятся:

внутренний диаметр статора; расчётная длина воздушного зазора;

Если взять частоту сети 50Гц то число пар полюсов:

; , или

где - синхронная частота вращения магнитного поля статора.

Расчётная мощность:

;

где - коэффициент, показывающий какую часть от номинального напряжения составляет ЭДС в обмотке статора (принимается по графику, рис.1.1); - номинальная мощность на валу двигателя; - коэффициент полезного действия; - коэффициент мощности.

Приближенные значения и , принимаются по [1] табл. 1.2.



Рисунок 1.1 - График зависимости коэффициент от числа пар полюсов.

Предварительно по рис. 1.2 определяется высота оси вращения двигателя для заданной мощности.

Рисунок 1.2 - Графики зависимости высоты оси вращения двигателя от его параметров.

При заданной мощности , и высота оси вращения .

Выбирается высота оси вращения , и соответствующий диаметр статора по табл. 1.1.

Таблица 1. Высота оси вращения электрических машин (ГОСТ 13267-73) и соответствующие им наружные диаметры статоров асинхронных двигателей серии 4А.

h, мм	56	63	71	80	90	100	112	132
Dа, м	0.089	0.1	0.116	0.131	0.149	0.168	0.191	0.225
h, мм	160	180	200	225	355	280	315	355
Dа, м	0.272	0.313	0.349	0.392	0.660	0.530	0.590	0,660

Коэффициент для числа пар полюсов статора определяется по табл. 1.4 [1].

Внутренний диаметр статора:

;

Полюсное деление статора определяется из выражения:

;

Расчетная длина статора:

где - синхронная угловая частота вращения магнитного поля статора.

;

Коэффициенты полюсного перекрытия и формы поля принимаются из расчета синусоидального поля в воздушном зазоре.

Значение обмоточного коэффициента предварительно принимается

- для двухслойных обмоток , при .

Параметры и определяются по графикам, рис. 1.3.

Рисунок 1.3 - Зависимости магнитной индукции и линейной нагрузки от внешнего диаметра статора.

Принимаются и .

Тогда расчетная длина статора:

Так как , то конструктивная длина статора и ротора .

1.2 Обмотка, пазы и ярмо статора

Предварительный выбор зубцового деления осуществляется по рис. 1.4, где зона 2 определяет возможные значения для двигателей с высотой оси вращения .

Из рис. 1.4 выбираются пределы значений , .

Рисунок 1.4 - Зависимости величины зубцового шага от значения полюсного деления статора со всыпной обмоткой.

Тогда возможные числа пазов статора:

;

;

Окончательно число пазов статора принимается из полученных пределов с учетом, что число пазов, приходящееся на фазу и полюс, должно быть целым:

Тогда зубцовый шаг статора:

Число проводников в пазу.

Количество эффективных проводников вначале определяется при условии, что число параллельных ветвей в обмотке равно единице (), а номинальный ток обмотки статора:

;

;

Число округляем до целого. Величина зависит от типа обмотки и числа полюсов.

Число витков в фазе обмотки:

;

Окончательное значение линейной нагрузки:

;

Рассчитанное значение линейной нагрузки незначительно отличается от принятого ранее.

Сечение эффективных проводников определяется, исходя из допустимой плотности тока , которая для мягких секций принимается в пределах , для машин мощностью 1- 100 кВт (большая плотность для машин меньшей мощности).

При определении сечения обмоточных проводников следует учитывать, что для всыпных мягких обмоток, закладываемых в полузакрытые пазы, могут быть использованы провода круглого сечения диаметром не более 1,8 мм (в сечении этому диаметру соответствует площадь около , чтобы проводники легко проходили в паз через его щель).

;

Условие не выполняется, эффективный проводник разделяется на три элементарных в одном эффективном - .

Далее по табл. 1.5 [1], выбираются стандартное сечение проводника , ближайшее к ; марка провода; диаметры и сечения «голого» и изолированного проводов .

Выбирается провод ПЭТ-155, , , , .

Уточняется плотность тока:

;

Уточненное значение плотности тока лежит в рекомендуемых пределах .

Размеры паза зубца и пазовая изоляция.

Общее число проводников в пазу:

;

Площадь, занимаемая проводниками:

;

Свободная площадь паза:

;

где - коэффициент заполнения свободной площади паза изолированными проводниками.

Из таблицы 9.12 [2] находится значения магнитной индукции на участках цепи для :

Ярма статора .

Зубцы статора при постоянном сечении (круглый провод) .

Способ изолирования листов электротехнической стали - оксидирование, коэффициент заполнения сталью магнитопровода - .

Высота ярма статора:

;

где Ф - магнитный поток.

;

Высоту паза:

;

Ширина зубца статора:

;

При угол скоса паза принимается .

Угол между осями зубцов:

;

Расстояние между стенками зубцов:

Ширина шлица паза:

;

Высота шлица и высота клиновой части паза выполняется в пределах:

;

;

;

Рисунок 1.5 - Эскиз паза статора.

2. Расчет фазного ротора

Для нормальной работы асинхронного двигателя необходимо, чтобы фазная обмотка ротора имела столько же фаз и полюсов, сколько и обмотка статора, т.е. и .

Число пазов на полюс и фазу ротора , а также число пазов ротора должно отличаться от числа пазов статора и определяется по формуле:

;

;

Для определения числа витков:

; ;

В фазе роторов с катушечной обмоткой (когда ) устанавливается значение ЭДС фазы Е₂:

при соединении в звезду:

;

где - напряжение на контактных кольцах в момент пуска двигателя, которое должно находиться в пределах 150 - 200 В.

Число эффективных проводников в пазу:

;

Уточняется число витков в фазе:

;

и проверяется

;

Фазный ток ротора:

;

где - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение , принимается по рис. 2.1.

- коэффициент для приведения параметров неподвижного ротора к параметрам статора.

;

где , - обмоточные коэффициенты статора и ротора.

Значения коэффициентов для диаметральных обмоток приведены в табл. 1.7 [1].



Рисунок 2.1 - Зависимость коэффициента от коэффициента мощности.

Внешний диаметр ротора определяется по формуле:

;

где д - ширина воздушного зазора.

Для двигателей при размерах внутренних диаметров от 50 до 200 мм, воздушный зазор принимается в пределах 0,3...0,5мм.

Принимается воздушный зазор .

Зубцовое деление (зубцовый шаг) ротора:

;

Количество эффективных проводников вначале определяется при условии, что число параллельных ветвей в обмотке равно единице ().

Сечение эффективных проводников определяется, исходя из допустимой плотности тока , которая для мягких секций принимается в пределах , для машин мощностью 1-100 кВт (большая плотность для машин меньшей мощности).

Условие не выполняется, эффективный проводник разделяется на три элементарных в одном эффективном - .

Далее по табл. 1.5 [1], выбираются стандартное сечение проводника , ближайшее к ; марка провода; диаметры и сечения «голого» и изолированного проводов .

Выбирается провод ПЭТ-155, , , , .

Уточняется плотность тока:

Уточненное значение плотности тока лежит в рекомендуемых пределах .

Размеры паза зубца и пазовая изоляция.

Общее число проводников в пазу:

;

Площадь, занимаемая проводниками:

Свободная площадь паза:

где - коэффициент заполнения свободной площади паза изолированными проводниками.

Ширина и высота шлица паза:

;

В фазных роторах с катушечной обмоткой выполняют прямоугольные открытые пазы, ширину паза выбирают из соотношения:

;

Высоту паза можно определить из формулы :

, где

После предварительных расчетов необходимо уточнить размер зубца ротора в наиболее узком сечении и проверить соответствие индукции ее допустимому значению.

Рисунок 2.2 - Эскиз паза ротора.

3. Параметры двигателя

Параметрами асинхронного двигателя называют активное и индуктивное сопротивление обмоток статора R₁, X₁, ротора R₂, X₂, сопротивление взаимной индуктивности X₁₂ и расчетное сопротивление R₁₂ (R_м), введением которого учитывают потери мощности в стали статора.

Для расчета активного сопротивления необходимо определить среднюю длину витка обмотки, состоящую из суммы прямолинейных пазов и изогнутых лобовых частей катушки:

- для статора:

- для ротора:

Точный расчет длины лобовой части обмотки трудоемок, поэтому необходимо использовать эмпирические формулы. Ниже приводятся формулы для расчета лобовой части всыпных обмоток:

- для статора:

;

- для ротора:

;

где - коэффициент, принимаемый по таб. 1.8 [1], для ;

- длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части;

- средняя ширина катушки, определяется по дуге окружности, проходящей по серединам высот пазов:

- в статоре:

;

- в роторе:

;

- относительное укорочение шага обмотки, для диаметральных обмоток.

Общая длина проводников фазы обмотки:

- для статора:

- для ротора:

Активное сопротивление фазы обмотки:

где - удельное сопротивление медного материала обмотки; при расчетной температуре 75°С с изоляцией класса А, В, Е ; при расчетной температуре 115 ° С с изоляцией F, H .

- для статора:

- для ротора:

Используя приведённые выше выражения, определяется активное сопротивление фазы обмотки статора и неподвижного ротора с контактными кольцами.

Приведенное сопротивление ротора определяется по формуле:

4. Проверочный расчет магнитной цепи

Магнитный поток в воздушном зазоре определяется из выражения:

;

Магнитная индукция, в воздушном зазоре должна незначительно отличаться от предварительно принятой:

;

Магнитная индукция в зубце статора при постоянном сечении определяется по формуле:

;

Магнитная индукция в ярме статора рассчитывается по формуле:

;

Намагничивающий ток определяется после расчета магнитной цепи, т.е. после определения суммы магнитных напряжений на участках прохождения магнитного потока.

На этапе выполнения курсовой работы принимается для двигателей мощностью 2…50кВт.

5. Схема развертки обмотки статора

Обмотки машин переменного тока разделяются на всыпные из мягких катушек, полужесткие и жесткие Рассматриваемые обмотки, состоящие из катушек, также называют секциями, так как они имеют два вывода.

В крупных машинах используют стержневые обмотки статоров и роторов.

Всыпная обмотка укладывается в полузакрытые пазы, имеющие узкий шлиц, через который поочередно каждый из проводников катушки опускают, «всыпают» в пазы. Наибольший диаметр провода, применяемого для всыпных обмоток, не превышает 1,8 мм, так как провода большого диаметра имеют слишком большую жесткость и плохо уплотняются в пазах во время укладки.

Рисунок 5.1 - Схема развертки обмотки статора (Z=24, q₁=4, 2p=2.)

6. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Механической характеристикой двигателя называется зависимость его угловой частоты вращения от развиваемого момента щ=f(М). В технической литературе часто механическую характеристику представляют в виде зависимости числа оборотов в минуту от момента n=f(М). Так как щ и n связаны постоянным соотношением , то очертания обеих характеристик подобны.

Для трехфазного асинхронного двигателя зависимость частоты вращения ротора от электромагнитного момента выражается громоздкой функцией, неудобной для анализа. Поэтому широкое применение получила зависимость момента от скольжения М=f(S), причем частота вращения ротора и скольжения связаны простым соотношением n = n₁(1-S).

Расчет и построение механической характеристики.

Для расчета характеристики М=f(S) и механической характеристики щ=f(M) можно воспользоваться известной упрощенной формулой Клосса:

где М - развиваемый двигательный момент, Нм, при соответствующем скольжении S; S_кр - критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту М_max на механической характеристике.

Для номинального режима работы:

где S_H - скольжение в номинальном режиме двигателя.

Номинальный момент:

;

Угловая частота вращения ротора щ с угловой синхронной частотой магнитного поля щ ₁ связана соотношением , тогда в номинальном режиме :

;

Максимальный момент определяется из соотношения М_max/М_н, приведенного в задании.

;

Таким образом, неизвестным остается критическое скольжение S_кр, которое необходимо рассчитать, учитывая, что 0<S_кр< 1 и S_кр > Sн.

Критическое скольжение:

Далее, задаючись значениями скольжения S от 1 до 0, получают значения М для этих скольжений. И для них же определяют угловую частоту ротора .

В расчетно-пояснительной записке приводится расчет М для одного значения скольжения, для других значений скольжения расчет выполняется в табличной форме (табл. 6.1)

Таблица 6.1 Данные расчета механической характеристики.

S, о.е.	0	0,01	0,02	Sн	0,1	0,2	Sкр	0,4	0,6	0,8	1,0
М, Нм	0	7,42	14,74	28,66	60,44	77,32	77,38	63,35	47,89	37,69	30,86
щ , 1/с	314	310,86	307,72	301,44	282,6	251,2	248,7	188,4	125,6	62,8	0

По результатам расчета выполняется 2 рисунка: зависимость М = f(S) и механическая характеристика щ = f(M).

Рисунок 6.1 - Механическая характеристика асинхронного двигателя.



Рисунок 6.2 - Зависимость М = f(S).

7. Расчет пусковой диаграммы и пускових сопротивлений для автоматического пуска

7.1 Расчёт пусковых сопротивлений асинхронного двигателя с фазным ротором

Регулирование частоты вращения двигателя изменением скольжения нашло широкое применение для привода подъёмно-транспортных механизмов. Оно осуществляется путём введения в цепь фазного ротора регулировочных (добавочных) сопротивлений.

В момент пуска все сопротивления введены в цепь, и машина разгоняется до первой установившейся скорости. При переключении между сопротивлениями двигатель переходит на работу по следующей искусственной характеристике и разгоняется до следующей установившейся скорости. Таким образом, при большом моменте статического сопротивления рабочего механизма происходит плавный разгон двигателя до номинальных оборотов.

Расчёт добавочного сопротивления

;

где и - критическое скольжение естественной и искусственной механической характеристик, , , - активное сопротивление фазы обмотки ротора: .

7.2 Пусковая диаграмма асинхронного двигателя

Расчёт резисторов в цепи ротора, обеспечивающих заданную пусковую диаграмму, для асинхронного электропривода с фазным ротором является наиболее часто встречающейся задачей.

Под пусковой диаграммой понимают совокупность двух или более искусственных механических характеристик, которые используются при пуске АД в пределах от М₁ до М₂.

Пусковая диаграмма строится в предположении, что рабочий участок механических характеристик близок к линейному.

При построении пусковой диаграммы предельный момент М₁ не может быть больше критического и обычно принимается (0,8-0,9)М_max, а момент переключения М₂ должен составлять (1,1-1,25) М_с. М_с = М_н

Число ступеней пусковой диаграммы m (равно числу искусственных характеристик) и значение моментов М₁ и М₂ связаны между собой соотношением.

;

где - значение момента в относительных единицах.

;

;

Окончательно принимается m = 3.

Находится М'₂ с учётом, что m = 3 по формуле:

Рисунок 7.1 - пусковая диаграмма асинхронного двигателя.

После этого определяется отношение и величина сопротивления по ступеням по формуле:

;

;

;

Рассчитываются сопротивления по секциям:

;

;

;

Схема включения резисторов в цепи фазного ротора асинхронного двигателя, при m = 3 приведена на рис. 7.2

Рисунок 7.2 - Силовая схема управления трёхфазным асинхронным двигателем с фазным ротором.

7.3 Схема управления при помощи командоконтроллера

Управление двигателем осуществляется с помощью командоконтроллера, который представляет собой аппарат дистанционного управления.

Контроллер замыкает и размыкает цепи управления электромагнитных катушек контакторов, контакты последних замыкают и размыкают цепи двигателя.

Рисунок 7.3 - Нереверсивная схема управления на n = 3 позиций при помощи командоконтроллера.

Нереверсивная схема управления при помощи командоконтроллера на n = 4 позиции (рис. 7.3) включает в себя контакты SA1-SA4, электромагнитные контакторы KM-KM3, два встроенных тепловых реле защиты KK1 и KK2, а так же автоматический выключатель QF.

Схема обеспечивает пуск асинхронного двигателя (M), отключение его от сети в ручном и автоматическом режиме (SQ1), а также защиту от коротких замыканий (QF) и длительных перегрузок (KK1 и KK2).

В первом положении командоконтроллера замыкается контакт SA, подавая питание на катушку. Контактор KM подключает обмотки статора двигателя. Одновременно с включением приводного двигателя включается обмотка электромагнита YB и тяговым усилием на его якоре раздвигаются стойки, освобождая от колодок шкив. В цепь ротора электродвигателя при этом включено полное сопротивление R_g пускового реостата, и двигатель разгоняется по характеристике 1 до установившейся частоты вращения n_уст при заданном моменте сопротивления M₂.

Во втором положении замыкается контакт SA1 командоконтроллера и включается контактор KM1, который закорачивает часть R₁ сопротивления реостата. Двигатель переходит на работу по характеристике 2, разгоняется до частоты вращения n_уст2.

Таким образом, при переключении командоконтроллера последовательно замыкаются контакты SA -SA4, включающие соответственно контакторы KМ -KM3, которые закорачивают часть сопротивления реостата от R1 до R3, урезая его до нуля. В итоге двигатель работает на естественной характеристике 5 с частотой вращения n_уст4

Для выключения двигателя необходимо контроллер перевести в положение 0.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан асинхронный двигатель с фазным ротором, выбраны и рассчитаны его параметры, рассчитана магнитная цепь, построены схема развёртки статора и его механическая характеристика, выбраны пусковые сопротивления и разработана схема управления.

Управление двигателем осуществляется с помощью командоконтроллера. Контроллер замыкает и размыкает цепи управления электромагнитных катушек контакторов, контакты последних замыкают и размыкают цепи двигателя.

Частоту вращения ротора асинхронного электродвигателя с фазным ротором можно регулировать, изменяя величину сопротивления в роторной цепи.

Управлять такими электродвигателями возможно с помощью силовых и магнитных контроллеров. В настоящее время используются магнитные контроллеры, относящиеся к аппаратам дистанционного управления.

Список литературы

1.Асинхронные двигатели с фазным ротором и схемы управления. Методическое пособие по выполнению курсового проекта. Ющенко Л.В., Изд. ДВГУПС. Хабаровск 2015.

2.Проектирование электрических машин. Учебное пособие под редакцией Копылова И.П., Москва «Высшая школа» 2002.

Размещено на Allbest.ru