Расчет и проектирование синхронного генератора

Содержание

Введение

1. Магнитная цепь машины

1.1 Предварительные расчеты

1.2 Главные размеры

1.3 Сердечник статора

1.4 Сердечник ротора

1.5 Сердечник полюса и полюсный наконечник

2. Обмотка статора

2.1 Параметры, общие для обмоток

2.2 Обмотка статора с прямоугольными открытыми пазами

3. Демпферная обмотка

4. Расчет магнитной цепи

4.1 Воздушный зазор

4.2 Зубцы статора

4.2.1 Спинки статора

4.3 Зубцы полюсного наконечника

4.4 Полюсы

4.5 Спинка ротора

4.6 Воздушный зазор в стыке полюса

4.7 Параметры магнитной цепи

4.8 Характеристики намагничивания и х.х.

5. Активное и индуктивное сопротивление обмотки статора для установившегося режима

6. Расчет магнитной цепи при нагрузке

7. Обмотка возбуждения

8. Параметры обмоток и постоянные времени

8.1 Сопротивление обмотки статора для установившегося режима

8.2 Сопротивления обмотки возбуждения

8.3 Сопротивление демпферной обмотки

8.4 Переходные и сверхпереходные сопротивления обмотки статора

8.5 Сопротивление для токов обратной и нулевой последовательности

8.6 Постоянные времени

9. Потери и КПД

10.Характеристики машин

10.1 Угловые характеристики

11. Тепловой и вентиляционный расчеты

11.1 Тепловые расчеты

11.1.1 Обмотка статора

11.1.2 Обмотка возбуждения

11.2 Вентиляционный расчет

12.Масса и динамический момент инерции

12.1 Масса

12.2 Динамический момент инерции ротора

Список литературы

Введение

Синхронные машины применяют во многих отраслях народного хозяйства, в частности, в качестве генераторов в передвижных и стационарных электрических станциях, двигателей в установках, не требующих регулирования частоты вращения или нуждающихся в постоянной частоте вращения.

Наиболее распространена конструктивная схема синхронной машины с вращающимся ротором, на котором расположены явно выраженные полюсы. Иногда явнополюсные синхронные машины малой мощности (до 15 кВт) выполняют по конструктивной схеме машин постоянного тока, т.е. с полюсами, расположенными на статоре, коллектор заменяется контактными кольцами.

Синхронные генераторы серии СГ2 изготавливают мощностью от 132 до 1000 кВт, при высоте оси вращения до 450 мм, в защищенном исполнении IP23, с самовентиляцией IС01, с частотой вращения от 500 до 1500 об/мин.

Двигатели используют для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения и изготовляют на напряжения 380 и 6000 В, при частоте 60 и 60 Гц. Генераторы предназначены для выработки трехфазного переменного тока, напряжением 400 В, частотой 50 Гц на стационарных дизель-электрических станциях.

Электрические машины серий СД2 и СГ2 рассчитаны на продолжительный режим работы. Их возбуждение осуществляется от устройства, питающегося от дополнительной обмотки, заложенной в пазы статора. Нагревостойкость изоляционных материалов соответствует классу В. Ток возбуждения регулируют изменением угла зажигания тиристоров преобразователя возбудительного устройства, последние смонтированы в шкафах: в одном для двигателя и в двух для генератора. В шкафах размещены тиристорные преобразователи, элементы электронной системы управления, коммутационная аппаратура. Система управления двигателя осуществляет автоматическую подачу возбуждения при падении напряжения в главной цепи двигателя до 80-85% номинального. Отключается форсировка при увеличении напряжения цепи до 90-95% номинального значения.

Обмотка возбуждения синхронного генератора получает выпрямленный ток через тиристорный и диодный преобразователи, соединенные параллельно на стороне выпрямленного тока. Тиристорный преобразователь питается от дополнительной обмотки, заложенной в пазы статора синхронного генератора, и в номинальном режиме работы генератора несет на себе около 30% нагрузки возбуждения. Остальная часть мощности возбуждения обеспечивает диодный преобразователь, питаемый от компаундирующего трансформатора, включенного в цепь статора, который служит для поддерживания напряжения генератора при изменении нагрузки и в режиме короткого замыкания. Двигатели и генераторы имеют радиальную систему вентиляции, обеспечиваемую вентиляционным действием полюсов ротора и вентиляционными лопатками. Охлаждающий воздух при этом входит через вентиляционные окна в подшипниковых щитах, проходит по лобовым частям обмотки статора, через междуполюсное пространство ротора, радиальные каналы статора и выходит через боковые жалюзи станины.

1 Магнитная цепь машины

1.1. Предварительные расчеты

Проектирование синхронных машин начинают с определения главных размеров: внутреннего диаметра D₁ и длины l₁ сердечника статора.

Определяем число полюсов р:

(1.1)

где f - частота напряжения, n₁ - .частота вращения

по рис. 11-1 определяем [гольд]: о.е.

по рис. 11-2 определяем [гольд]:

1.2 Главные размеры

Расчетную мощность определяют по формуле (1.3) для этого определим значение коэффициента по формуле (1.2).

(1.2)

кВт (1.3)

Определим высоту оси вращения h по таблице 11-1. Для мощности Р₂ = 400 кВт и частоте вращения п₁ = 600 об/мин получаем высоту оси вращения h = 450 мм. По таблице 9-2 определим предельно допустимое значение наружного диаметра D_H1max для известной высоты оси вращения h = 450 мм - D_H1max = 850 мм. По той же таблице определяют припуски на штамповку , а так же ширина резаных лент h₁ и стандартной рулонной стали h₂, из которых штампуются листы сердечника. мм, h₁ = 9 мм, h₂ = 16 мм. [гольд ]

Исходя из условия D_H1max D_H1 , принимаем D_H1 = 850 мм. Для количества полюсов 2р = 10, внутренний диаметр сердечника статора определяется по формуле (1.4):

мм (1.4),

примем D₁ = 690 мм.

Определим наружный диаметр корпуса по формуле (1.5):

мм (1.5)

По рис. 11-3 определим предварительное значение линейной нагрузки статора, для D_H1 = 850 и 2р = 10 А/см

Так же по рис 11-4 и 11-5 определяем предварительное значение магнитной индукции в воздушном зазоре в номинальном режиме Тл индуктивное сопротивление машины по продольной оси о.е.

Определим индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси по формуле (1.6):

о.е. (1.6)

Определим полюсное деление по формуле (1.7):

мм (1.7)

Коэффициент, учитывающий наличие зазора в стыке полюса и сердечника ротора или полюсного наконечника и полюса, . Обычно , меньшее значение относятся к машинам большей мощности. Примем =1,05. Определим предварительное значение максимальной индукции в воздушном зазоре машины при х.х. по формуле (1.8):

Тл (1.8)

Определим величину воздушного зазора между полюсным наконечником и сердечником статора по формуле (1.9):

мм (1.9)

В машинах с h = 315-450 мм применяют эксцентричный воздушный зазор, при котором центры радиусов полюсной дуги и внутренней окружности сердечника статора не совпадают. В этом случае зазор имеет наименьшее значение под серединой полюса, постепенно увеличивающегося до к краям наконечника. Для рассматриваемых машин применяют

Определим значения и по формулам (1.10) и (1.11):

мм (1.10)

мм (1.11)

Определим коэффициент полюсной дуги для 2р=10 по формуле (1.12)

(1.12),

по рис. 11-9 для графика 2 определим значение расчетного коэффициента полюсной дуги и коэффициент формы поля возбуждения к_в =1,13 [гольд].

1.3 Сердечник статора

Сердечник статора собирают из отдельных отштампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, имеющих изоляционные покрытия для уменьшения потерь в стали от вихревых токов. Для высоты оси вращения 500-450 мм рекомендуется применять сталь 2411.Для этой стали изолирование листов обычно производят лакировкой (К_С = 0,95). При использовании двухслойной обмотки с укороченным шагом обмоточный коэффициент к_об = 0,91

Определим расчетную длину сердечника статора по формуле (1.13):

мм

(1.13),

примем мм.

При длине сердечника более 300-350 мм применяют радиальные вентиляционные каналы. В этом случае определяют по формуле (1.14):

(1.14),



где , количество вентиляционных каналов (1.16)

Примем длину пакета стали , при этом количество пакетов определяется по формуле (14):

(1.15)

Тогда количество радиальных вентиляционных каналов сердечника статора :

(1.16)

Для проверки размеров определим показатель :

(1.17)

По рис. 11-10 определим значение = 1. Условие выполняется. Определим количество пазов на полюс и фазу q₁ . Для h = 450 и 2р = 10 получаем q₁ = 3.

Определим количество пазов z₁ сердечника статора:

(1.18)

Проверим выполнения условия симметричной обмотки:

целое число. (1.19)

1.4 Сердечник ротора

В синхронных машинах с h = 315-450 мм сердечник ротора выполняют из стали марки Ст3 толщиной 1-2мм. Сердечник ротора собирают из штампованных многогранных листов без изоляционного покрытия. При этом к_с =0,98.

Определим длину сердечника ротора по оси h = 450 мм:

мм (1.20)

1.5 Сердечник полюса и полюсный наконечник

В синхронных машинах с h = 315-450 мм, выполняемых с эксцентричным воздушным зазором под полюсными наконечниками, полюса изготовляют из листов стали марки Ст3 толщиной 1-2 мм без изоляционного покрытия и крепят к остову с помощью выступов Т-образной формы, или в виде ласточкиного хвоста. При этом к_с =0,98.

Определим длину шихтованного сердечника полюса:

мм (1.21)

Примем магнитную индукцию у основания сердечника полюса В_п = 1,5 Тл. Определим предварительное значение магнитного потока :

Вб (1.22)

Определим ширину дуги полюсного наконечника

мм (1.23)

Радиус очертания полюсного наконечника при эксцентричном воздушном зазоре:

мм (1.24)

Ширина полюсного наконечника, определяемая хордой

мм (1.25)

Примем что мм, определим высоту полюсного наконечника по оси полюса для машин с эксцентричном зазором

мм

(1.26)

Поправочный коэффициент зависит от высоты полюсного наконечника и расчетного коэффициента полюсной дуги. При

(1.27)

Предварительное значение коэффициента магнитного рассеяния полюсов



(1.28)

Ширина сердечника полюса

мм (1.29)

Предварительная высота полюсного сердечника

мм (1.30)

Предварительно внутренний диаметр сердечника ротора

мм, (1.31)

где к_в = 22 определяется как зависимость от D₁.

Высота спинки ротора

мм

(1.32)

Расчетная высота спинки ротора с учетом прохождения части магнитного потока на валу

мм (1.33)



Магнитная индукция в спинке ротора

Тл (1.34)

2 Обмотка статора

2.1 Параметры, общие для обмоток

Для статора синхронной машины при высоте оси вращения h = 450 мм выбирают форму паза открытую прямоугольную, а так же двухслойную обмотку из жестких катушек. Обычно обмотку статора выполняют шестизонной, каждая зона равна 60 эл. град. При шестизонной обмотке коэффициент распределения:

(2.1)

Укорочение шага для 2р = 10 принимаем . Двухслойную обмотку выполняют с укороченным шагом.

(2.2)

Принимаем =8

Уточним укорочение шага

(2.3)

Определим коэффициент укорочения шага

(2.4)

Определим обмоточной коэффициент

(2.5)

Определим предварительное значение количества витков в обмотке фазы

(2.6)

Примем для 2р = 10 а₁ = 5. Определим количество эффективных проводников в пазу

(2.7),

примем . Для полученного значения определим количество витков в обмотке фазы

(2.8)

Уточним ряд параметров:

 Вб (2.9)

Тл (2.10)

А/см (2.11)

где I₁ предварительное значение номинального фазного тока

А (2.12)

По таблице 9-13 определим среднее значение магнитной индукции в спинке статора =1,2Тл.

Определим по аналогии количество витков дополнительной обмотки статора.

(2.13)

где N_Д количество эффективных проводников дополнительной обмотки, для h = 450мм N_Д = 1, а_Д =5

2.2 Обмотка статора с прямоугольными открытыми пазами

Достоинством прямоугольных открытых пазов статора является возможность размещения в них проводов прямоугольного сечения, что повышает коэффициент заполнения пазов медью, а так же надежность обмотки.

Определим предварительное значение магнитной индукции в узком месте зуба по табл. 9-16. Для защиты IP23 Тл.

Рекомендуется принять для класса нагревостойкости F провода марки ПЭТП-155.

Определим зубцовое деление статора

мм (2.14)

Определим предварительную ширину зуба

мм (2.15)

Определим предварительную ширину открытого паза в штампе

мм (2.16)

Высота спинки паза статора

мм (2.17)

Высота паза

мм (2.18)

По приложению 30 [гольд ] определим толщину изоляции по ширине 2b_и = 4,3 мм по высоте h_и = 14,2 мм. Припуски на сборку h_c =0,35мм u b_c =0,35мм. Высота шлица h_ш1 =1мм, высота клина h_k = 3мм. При этом количество эффективных проводников по ширине паза N_Ш = 1

Определим допустимую ширину эффективного проводника с витковой изоляцией

мм (2.19)

Количество эффективных проводников по высоте паза

(2.20)

Допустимая высота эффективного проводника с витковой изоляцией

мм (2.21)

Определим допустимую площадь эффективного проводника с витковой изоляцией

мм (2.22)

Определим меньший и больший размеры элементарного неизолированного провода

мм (2.23)

мм (2.24)

где -двусторонняя толщина изоляции для провода ПЭТВ-155, мм

По приложению 2 определяем стандартные размеры высоты и длины провода. а = 1,6 мм, b = 8,5мм u S = 13,39мм² Размер по ширине паза в штампе

мм (2.25)

Размеры и количество элементарных проводников основной и дополнительной обмоток, укладываемых по ширине и по высоте, выбирают с учетом рационального заполнения площади паза. Из этого следует что С_О.В = 1, С_О.Ш. =2, С_Д.В. = 2, С_Д.Ш. = 2

Размер основной и дополнительной обмоток статора по высоте паза

мм (2.26)

По приложению 30 определим толщину изоляции дополнительной обмотки. h_и.д.=1,8 мм

мм (2.27)

Проверка возможности размещения обмотки и уточнения высота паза статора в штампе

мм (2.28)

Среднее зубцовое деление статора

мм (2.29)

Средняя ширина катушки обмотки статора

мм (2.30)

Средняя длина одной лобовой части катушки

мм (2.31)

Средняя длина витка обмотки

мм (2.32)

Длина вылета лобовой части обмотки

мм (2.33)

Определим плотность тока в обмотке статора

А/мм² (2.34)

Уровень удельной тепловой нагрузки статора от потерь в обмотке в значительной мере определяет ожидаемое превышение температуры обмотки, этот уровень характеризуется произведением линейной нагрузки на плотность тока в обмотке А₁ J₁

А² /см мм² (2.35)

Средние допускаемые значения для обмотки статора с прямоугольными открытыми пазами находим по табл. 11-12. Получаем для 2р=10 АJ_ДОП =2000А² /см мм² [гольд ]

условие выполняется.

3 Демпферная обмотка

Демпферная обмотка полюсов синхронной машины выполняет ряд функций. В генераторах она служит для снижения уровня динамических перенапряжений в обмотке ротора при несимметричных коротких замыканиях, гашения обратного синхронного поля, улучшения формы ЭДС и симметрии напряжений при несимметричных нагрузках отдельных фаз, успокоения качаний и повышения динамической устойчивости работы. Генераторы, имеющие мощность больше 100кВт, имеют демпферную обмотку.

Суммарная площадь поперечного сечения стержней демпферной обмотки.

мм² (3.1)

Для уменьшения добавочных потерь и пульсаций ЭДС обмотки статора обмотки статора примем зубцовое деление наконечника ротора близким к зубцовому делению статора. t₂=24,1 мм.

Предварительное количество стержней демпферной обмотки на один полюс

(3.2)

примем

Предварительный диаметр стержня демпферной обмотки

 мм (3.3)

Принимаем мм, тогда мм².

Найдем уточненное значение зубцового деления полюсного наконечника.

мм (3.4)

где

Диаметр круглой части паза полюсного наконечника

мм (3.5)

Предварительная длина стержня демпферной обмотки

мм (3.6)

Размеры короткозамкнутых сегментов выбирают такими, что бы их высота мм, толщина мм. А площадь поперечного сечения стержней одного полюса

мм²

Окончательно размеры сегмента в поперечном сечении выбираем по приложению 2. мм и мм получаем мм².

4 Расчет магнитной цепи

4.1 Воздушный зазор

При Ф*=1 о.е.

Расчетная площадь поперечного сечения воздушного зазора

мм² (4.1)

Уточненное значение магнитной индукции в воздушном зазоре

Тл (4.2)

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения статора

(4.3)

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения статора с учетом ротора

(4.4)

Коэффициент, учитывающий уменьшение магнитного сопротивления воздушного зазора при наличии радиальных каналов на статоре

 (4.5)

Общий коэффициент воздушного зазора

(4.6)

МДС для воздушного зазора

А (4.7)

4.2 Зубцы статора

Зубцовое деление на 1/3 высоты зубца

мм (4.8)

Ширина зубца

мм (4.9)

Расчетная площадь поперечного сечения зубца

мм² (4.10)

Магнитная индукция в равновеликом поперечном сечении зубца

Тл (4.11)

По приложению 10 определим напряженность магнитного поля Н₃₁=7 А/см. Средняя длина пути магнитного тока

мм (4.12)

МДС зубцов

А (4.13)

4.2.1 Спинки статора

Расчетная площадь поперечного сечения спинки статора

мм² (4.14)

Магнитная индукция спинки статора

Тл (4.15)

Средняя длина пути магнитного потока

мм (4.16)



По приложению 13 определим напряженность магнитного поля для спинки статора Н_с1=1,88 А/см. МДС для спинки статора

А (4.17)

4.3 Зубцы полюсного наконечника

Магнитная индукция в зубцах полюсного наконечника

Тл (4.18)

Напряженность магнитного поля в зубцах полюсного наконечника находим из приложения Н_з2=11,7 А/см.

Средняя длина пути магнитного потока в зубцах полюсного наконечника

мм (4.19)

МДС для зубцов полюсного наконечника

А (4.20)

4.4 Полюсы

Величина выступа полюсного наконечника

мм (4.21)

Высота полюсного наконечника

мм (4.22)

Расстояние между боковыми поверхностями смежных полюсных наконечников

мм (4.23)

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния по внутренним поверхностям полюсного наконечника

(4.24)

Длина пути магнитного потока в полюсе при наличии демпферной обмотки

мм (4.25)

Коэффициент магнитной проводимости потоков рассеяния полюсов по сердечнику полюсов

(4.26)



Коэффициент магнитной проводимости потоков рассеяния полюсов по торцам полюсов

(4.27)

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния полюсов

(4.28)

МДС для статора и воздушного зазора

А (4.29)

Магнитный поток рассеяния полюсов

Вб (4.30)

Коэффициент рассеяния магнитного потока

Расчетная площадь поперечного сечения сердечника полюса

мм² (4.31)

При B_п=1,5 определим магнитный поток в сердечнике полюса



Вб (4.32)

Магнитная индукция в сердечнике полюса

Тл (4.33)

По приложению 21 определим напряженность магнитного поля в сердечнике полюса Н_п=23,7А/см. МДС для полюса

А (4.34)

4.5 Спинка ротора

Расчетная площадь поперечного сечения спинки ротора

мм² (4.35)

Среднее значение индукции в спинке ротора

Тл (4.36)

По приложению 21 находим напряженность магнитного поля в спинке ротора Н_с2=2,32А/см. Средняя длина пути магнитного потока в спинке ротора

мм (4.37)



МДС для спинки ротора

А (4.38)

4.6 Воздушный зазор в стыке полюса

Зазор в стыке

мм (4.39)

МДС для зазора в стыке между сердечником полюса и ротора

А (4.40)

4.7 Параметры магнитной цепи

Суммарная МДС магнитной цепи

А

(4.41)

Коэффициент насыщения магнитной цепи

(4.42)

4.8 Характеристики намагничивания и х.х.

Расчет характеристик намагничивания и х.х. выполнен в относительных единицах в пределах от 0,5 до 1,3 о.е. В качестве базового значения примем величину Ф =1 о.е. и =1 о.е. Все расчеты параметров представлены в таблице.

Таблица 1

Ф*, Е*	0,5	1	1,1	1,2	1,3
, А	1189,3	2581,5	3179,9	4743,6	7267
F*	0,47	1	1,24	1,86	2,84

Так же расчетные значения приведены графически на рис.1

Рис.1

5. Активное и индуктивное сопротивление обмотки статора для установившегося режима

Активное сопротивление обмотки фазы при 20^о С

Ом (5.1)

Относительное значение активного сопротивления обмотки фазы при 20^оС

о.е. (5.2)

Проверка правильности определения

о.е. (5.3)

Активное сопротивление дополнительной обмотки статора при 20^о С

Ом (5.4)

По таблице 9-21 определяем размеры частей обмоток и паза: h_k1=3,5мм; h₂=2,55мм; h₃=5мм

При этом определим размер обмотки

мм, (5.5)

где h_n1=43,25мм - высота паза статора, h_ш=1 - высота шлица, ширина паза статора b_n1=14,3мм

Коэффициенты учитывающие укорочение шага

(5.6)

(5.7)

Коэффициент проводимости рассеяния для прямоугольного открытого паза

(5.8)

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния

(5.9)

Коэффициент рассеяния между коронками зубцов

,

5.10)

где к_к коэффициент учитывающий влияние открытия пазов статора на магнитную проводимость рассеяния между коронками зубцов, определяется по рис. 11-16 в зависимости от коэффициента зубцовой зоны статора



(5.12)

получаем к_к=0,05. Коэффициент магнитной проводимости для лобовых частей

(5.13)

Суммарный коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния

(5.14)

Индуктивное сопротивление обмотки фазы ротора

Ом (5.15)

Индуктивное сопротивление обмоток фаз статора

о.е. (5.16)

Проверка правильности определения

о.е.

(5.17)

6. Расчет магнитной цепи при нагрузке

По таблице 1 строим частичные характеристики в относительных единицах , ,

Рис.2

Строим векторные диаграммы Блонделя по следующим исходным данным: u₁=1 , I₁=1, cos=0,8

т.е. =36,87⁰ (отстающий), о.е.

Рис.3

По векторной диаграмме определим ЭДС, индуктированная магнитным полем воздушного зазора о.е. По частичным характеристикам определим МДС для магнитной цепи воздушного зазора и статора а так же МДС для воздушного зазора для . Получаем о.е., о.е.

Предварительный коэффициент насыщения

(6.1)

По рис 11-17 определим поправочные коэффициенты насыщения магнитной цепи , ,

По табл. 11-4 определим для и получили и

Примем коэффициент формы поля реакции якоря

Амплитуда МДС обмотки статора

(6.2)

Амплитуда МДС обмотки статора в относительных единицах

(6.3)

Поперечная составляющая МДС реакции якоря, с учетом насыщения, отнесенная к обмотке возбуждения

 (6.4)

ЭДС обмотки статора, обусловленная действием МДС реакции якоря . По векторной диаграмме определим угол при этом ,.

Продольная МДС реакции якоря с учетом влияния поперечного поля при эксцентричном зазоре

(6.5)

Продольная составляющая ЭДС, наводимая в обмотке статора результирующим потоком по продольной оси определим по векторной диаграмме . По частичным характеристикам определим МДС по продольной оси, необходимой для создания ЭДС получим

Результирующее МДС по продольной оси

(6.6)

По частичным характеристикам определим значение . Определим результирующий магнитный поток

(6.7)

По частичным характеристикам определим значение . Определим МДС обмотки возбуждения при нагрузке

 (6.8)

Определим действительное значение МДС обмотки возбуждения при нагрузке

А (6.9)

7. Обмотка возбуждения

Напряжение дополнительной обмотки статора

В (7.1)

Предварительная средняя длина витка обмотки возбуждения

мм (7.2)

Предварительная площадь поперечного сечения проводника обмотки возбуждения

мм² (7.3)

По рис. 11-21 определим среднее значение , для P=315 кВт.

Предварительное количество витков одной полюсной катушки

(7.4)

Расстояние между катушками смежных полюсов

мм (7.5)

Принимаем неизолированный ленточный медный провод. Изоляция между витками - асбестовая бумага толщиной 0,3 мм, катушка однослойная.

Предварительный размер проводника обмотки из неизолированной полосовой меди, навиваемое на ребро, по ширине

мм (7.6)

Предварительный размер проводника обмотки из неизолированной полосовой меди, навиваемое на ребро, по толщине

мм (7.7)

По приложению 2 определим стандартные значения для ширины, толщины и площади проводника а=3мм; b=28мм; S=82,1мм².

Минимальный допустимый радиус закругления проводника

мм (7.8)

фактический средний радиус закругления проводника, навиваемого на ребро

мм (7.9)

Размер полюсной катушки по ширине мм, при этом раскладка витков по высоте катушки .

Размер полюсной катушки по высоте

мм (7.10)

Средняя длина витка катушки

мм

(7.11)

Ток возбуждения при номинальной нагрузке

А (7.12)

Уточненная плотность тока в обмотке возбуждения

А/мм (7.13)

Общая длина всех витков обмотки возбуждения

мм (7.14)

Масса меди обмотки возбуждения

кг (7.15)

Сопротивление обмотки возбуждения

Ом (7.16)

Максимальный ток возбуждения

А (7.17)

Коэффициент запаса возбуждения

(7.18)

Номинальная мощность возбуждения

кВт (7.19)

8. Параметры обмоток и постоянные времени

8.1 Сопротивление обмотки статора для установившегося режима

По табл. 11-4 определим для и получили и . Определим коэффициент насыщения при Е=0,5

(8.1)

МДС для воздушного зазора при Е=1 т.е. А. При этом индуктивное сопротивление продольной реакции якоря

(8.2)

Индуктивное сопротивление поперечной реакции якоря

(8.3)

Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси

(8.4)

Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси

(8.5)

8.2 Сопротивления обмотки возбуждения

Активное сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к обмотке статора, при рабочей температуре

(8.6)

Коэффициент магнитной проводимости потоков рассеяния обмотки возбуждения

Индуктивное сопротивление обмотки возбуждения

(8.7)

Индуктивное сопротивление обмотки возбуждения

(8.8)

8.3 Сопротивление демпферной обмотки

Относительное зубцовое деление демпферной обмотки

(8.9)

Коэффициент распределения демпферной обмотки

(8.10)

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния по зубцам полюсного наконечника

(8.11)

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния полюсов

(8.12)

По рис. 11-23 определим коэффициенты , . Коэффициенты магнитной проводимости рассеяния демпферной обмотки по продольной оси

(8.13)

Коэффициенты магнитной проводимости рассеяния демпферной обмотки по поперечной оси

(8.14)

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния демпферной обмотки по продольной оси

(8.15)

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния демпферной обмотки по поперечной оси

(8.16)

Индуктивное сопротивление полной демпферной обмотки по продольной оси

(8.17)

Индуктивное сопротивление полной демпферной обмотки по поперечной оси

(8.18)

Активное сопротивление стержней демпферной обмотки по продольной оси

Активное сопротивление стержней демпферной обмотки по поперечной оси

(8.19)

Активное сопротивление короткозамыкающих колец демпферной обмотки по продольной оси

(8.20)

Активное сопротивление короткозамыкающих колец демпферной обмотки по поперечной оси

(8.21)

Активное сопротивление полной демпферной обмотки по продольной оси

(8.22)

Активное сопротивление полной демпферной обмотки по поперечной оси

(8.23)



8.4 Переходные и сверхпереходные сопротивления обмотки статора

Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси

(8.24)

Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора по поперечной оси

(8.25)

Сверхпроводное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси при наличии демпферной обмотки

(8.26)

Сверхпроводное индуктивное сопротивление обмотки статора по поперечной оси при наличии демпферной обмотки

(8.27)



8.5 Сопротивление для токов обратной и нулевой последовательности

Индуктивное сопротивление обмотки статора для токов обратной последовательности при работе машины на малое внешнее сопротивление (близкое к к.з.)

(8.28)

Индуктивное сопротивление обмотки статора для токов обратной последовательности при работе машины при большом внешнем индуктивном сопротивлении (близкое к х.х.)

(8.29)

Индуктивное сопротивление двухслойной обмотки статора для токов нулевой последовательности

(8.30)



Активное сопротивление обмотки фазы статора для тока нулевой последовательности при рабочей температуре

(8.31)

8.6 Постоянные времени

Обмотка возбуждения при разомкнутых обмотках статора и демпферной

с (8.32)

Обмотка возбуждения при замкнутой обмотке статора

с (8.33)

Демпферная обмотка при разомкнутых обмотках статора и возбуждения по продольной оси

с (8.34)

Демпферная обмотка при разомкнутых обмотках статора и возбуждения по поперечной оси



с (8.35)

Демпферная обмотка по продольной оси при разомкнутой обмотке статора и замкнутой обмотке возбуждения

с (8.36)

Демпферная обмотка по продольной оси при короткозамкнутых обмотке статора и обмотке возбуждения

с (8.37)

Демпферная обмотка по поперечной оси при короткозамкнутой обмотке статора

с (8.38)

Обмотка статора при короткозамкнутых обмотках ротора

с (8.39)

9. Потери и КПД

Зубцовое деление статора в максимальном сечении зуба

мм (9.1)

Ширина зуба в наиболее широкой части

мм (9.2)

Ширина зуба в средней части

мм (9.3)

Расчетная масса стали зубцов статора при прямоугольных пазах

кг

(9.4)

Магнитные потери в зубцах статора

Вт (9.5)

Масса стали спинки статора



кг

(9.6)

Магнитные потери в спинки статора

Вт (9.7)

Амплитуда колебаний индукции

Тл (9.8)

Среднее значение поверхностных потерь отнесенных к 1 м² поверхности полюсного наконечника

Вт

(9.9)

Поверхностные потери машины

Вт

(9.10)

Суммарные магнитные потери

Вт (9.11)

Электрические потери в обмотке статора



Вт (9.12)

Потери на возбуждение синхронной машины при питании от дополнительной обмотки статора

Вт (9.13)

Добавочные потери в обмотке статора и стали магнитопровода при нагрузке

Вт (9.14)

Потери на трение в подшипниках и на вентиляцию при наличии радиальных каналов

Вт (9.15)

Потери на трение щеток о контактные кольца

Вт (9.16)

Суммарные потери

Вт (9.17)



КПД при нормальной нагрузке

% (9.18)

10.Характеристики машин

Изменение напряжения генератора при неизменных значениях тока возбуждения

(10.1)

Отношение короткого замыкания

(10.2)

Токи короткого замыкания

, (10.3)

где

Значение ударного тока короткого замыкания при U₁= 1,05 U_H

(10,4)

(10.5)

(10.6)

При этом значение коэффициента, учитывающее влияние реактивной мощности в зависимости от получаем

Статическая перегружаемость синхронной машины

(10.7)

10.1 Угловые характеристики

По характеристике х.х. определим значение Е для F_ПН = 3,27, по линейному участку характеристики, получаем Е_о*=3,4.

Угловую характеристику можно построить по уравнению

(10.8)

Рис.4

11. Тепловой и вентиляционный расчеты

11.1 Тепловые расчеты

11.1.1 Обмотка статора

Потери в основной и дополнительной обмотках статора

Вт (11.1)

Потери на возбуждение синхронной машины при питании от дополнительной обмотки статора

Вт (11.2)

Условная внутренняя поверхность охлаждения активной части статора

мм² (11.3)

Условный периметр поперечного сечения паза

мм (11.4)

Условная поверхность охлаждения пазов

мм² (11.5)



Условная поверхность охлаждения лобовых частей обмотки

мм² (11.6)

Условная поверхность охлаждения генератора без охлаждающих ребер

мм² (11.7)

Удельный тепловой поток от потерь и активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения пазов

Вт/мм² (11.8)

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки, отнесенных к поверхности охлаждения пазов

Вт/мм² (11.9)

Удельный тепловой поток от потерь в лобовых частях обмотки, отнесенных к поверхности охлаждения лобовых частей обмоток

Вт/мм² (11.20)



Окружная скорость ротора

м/с (11.21)

Превышение температуры внутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха машины

⁰С (11.22)

Перепад температур в изоляции паза и катушек или полукатушек

⁰С (11.23)

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри машины

⁰С (11.24)

Перепад температуры в изоляции лобовых частей из жестких катушек или полукатушек

⁰С (11.25)

Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри машины



⁰С (11.26)

Потери в машине со степенью защиты IP23, передаваемые воздуху внутри машины

Вт (11.27)

Среднее превышение температуры воздуха над температурой наружного воздуха без охлаждающих ребер

⁰С (11.28)

Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного воздуха

⁰C (11.29)

11.1.2 Обмотка возбуждения

условная поверхность охлаждения однослойных катушек обмотки из неизолированных проводов, намотанных на ребро

мм² (11.30)

Удельный тепловой поток от потерь в обмотке, отнесенных к поверхности охлаждения обмоток

Вт/мм² (11.31)

Превышение температуры наружной поверхности охлаждения обмотки

⁰С, (11.32)

где Вт/мм^{2 0}С (11.33)

Среднее превышение температуры в наружной обмотке над температурой воздуха внутри машины

⁰С (11.34)

Среднее превышение температуры в наружной обмотке над температурой наружного охлаждающего воздуха

⁰С (11.35)

11.2 Вентиляционный расчет

Принята радиальная система вентиляции. Необходимый расход воздуха у машин

м^3./с (11.36)

Коэффициент, зависящий от частоты вращения n₁

(11.37)

Приближенный расход воздуха обеспечиваемый радиальной вентиляцией

м^3./с (11.38)

Напор воздуха, развиваемый при радиальной системе

Па (11.39)

12.Масса и динамический момент инерции

12.1 Масса

Масса стали сердечника

кг (12.1)

Масса стали полюсов

кг (12.2)

Масса стали сердечника ротора

кг (12.3)

Суммарная масса активной стали статора и ротора

кг (12.4)

Масса меди обмотки статора

кг (12.5)



Масса меди обмотки возбуждения

кг (12.6)

Масса меди демпферной обмотки

кг (12.7)

Суммарная масса меди

кг (12.8)

Суммарная масса изоляции

кг (12.9)

Масса конструкционных материалов

кг (12.10)

Масса машины

кг (12.11)



12.2 Динамический момент инерции ротора

Радиус инерции полюсов с катушками

м (12.13)

Динамический момент инерции полюсов с катушками

кг м² (12.14)

Динамический момент инерции сердечника ротора

кг м² (12.15)

Масса вала

кг (12.16)

Динамический момент инерции вала

кг м² (12.17)

Суммарный динамический момент инерции ротора

кг м² (12.18)

Список литературы

1. Вольдек А.И. Электрические машины, М.: Энергия, 1974

2. Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин, М.: Высшая школа, 2001