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

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

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

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

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

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

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

Задание на курсовую работу

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

Часть 1.

Подготовка данных обмера магнитопровода.

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

а) полюса в воздушном зазоре (),

б) полюса в зубцовой зоне статора (),

в) поперечного сечения спинки статора (),

г) площади паза в свету (), мм².

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

Площадь полюса в воздушном зазоре.

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

,

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

м,

где - количество пар полюсов, шт.

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

м².

Площадь полюса в зубцовой зоне статора.

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

,

где - площадь одного зубца, м^2, - количество зубцов под полюсом, шт.

,

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

,

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

[табл.1 лит.1].

м.

- расчетная средняя ширина зубца, м.

,

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

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

м;

м;

м

м^2.

Количество зубцов под полюсом определяется из выражения:

м².

Площадь магнитопровода в спинке статора

Площадь паза в свету требуется для расчета сечения обмоточного провода.

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

,

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

мм.

Тогда

мм^2,

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

мм²;

мм²;

мм².

Выбор типа обмотки.

Выбор делается исходя из:

технической возможности выполнения обмотки в данных условиях;

минимального расхода обмоточного провода;

номинальной мощности и напряжения;

типа паза;

достоинств и недостатков обмоток;

экономической ценности.

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

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

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

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

Основные достоинства двухслойной обмотки по сравнению с однослойной:

Возможность любого укорочения шага, что позволяет:

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

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

Простота технологического процесса изготовления катушек (многие операции можно механизировать).

Возможность выполнения обмотки почти с любой добротностью q, что обеспечивает изготовление обмотки при ремонте асинхронных двигателей с изменением частоты вращения ротора. Кроме того, это является одним из способов приближения формы поля к синусоиде.

Возможность образования большого числа параллельных ветвей.

К недостаткам двухслойной обмотки следует отнести:

Некоторую сложность при укладке последних секций обмотки.

Меньший коэффициент заполнения паза (в следствии наличия межслоевой изоляции).

Необходимость поднимать целый шаг обмотки при повреждении нижней стороны секции.

Невозможность выполнения разъёмного статора без выема катушек из пазов.

Расчет обмоточных данных

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

Определяется по формуле:

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

цах);

- произвольное число меньше 1, доводящее расчетный шаг до целого

числа.

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

Укороченный шаг считается по формуле:

Число пазов на полюс и фазу.

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

- число фаз.

Число катушечных групп.

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

,

где - число катушечных групп в одной фазе однослойной обмотки.

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

.

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

,

где - число катушечных групп в одной фазе двухслойной обмотки.

На три фазы:

.

Число электрических градусов на один паз.

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

Рис.2. Изменение ЭДС проводника под полюсами АД.

При прохождении проводника под одной парой полюсов в расточке статора двухполюсного асинхронного двигателя за один оборот ЭДС в нём изменяется по синусоиде.

При этом происходит полный цикл изменения, который составляет 360 электрических градусов (рис.2.).

Число электрических градусов в расточке статора:

эл. град.

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

эл. град.

Число параллельных ветвей.

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

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

Соответственно, для нашего варианта принимаем .

Расчет однослойной петлевой обмотки.

Z=36; f=50; n=3000

Шаг обмотки:

Число пазов на полюс и фазу:

m - число фаз.

Число катушечных групп.

=1

где - число катушечных групп в одной фазе однослойной обмотки.

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

- число катушечных групп в 3-х фазах однослойной обмотки

Число электрических градусов приходящихся на один паз

Число параллельных ветвей принимаем a=1

Сведём обмоточные данные

y=18; q=6; N_1ф ⁽¹⁾ =1; N_3ф ⁽¹⁾ =3; б=10 ^? э

Принцип построения схемы статорной обмотки трехфазного асинхронного двигателя.

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

смещение в пространстве расточки статора АД фазных обмоток, одна относительно другой, на 120 электрических градусов;

смещение во времени токов, протекающих по этим обмоткам, на одну треть периода (следовательно, вектора, изображающие указанные токи на плоскости будут сдвинуты на 120 градусов).

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

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

Поэтому:

.

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

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

Для фазы С: пазов, т.к. сдвиг на 240.

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

А первые катушечные группы фаз В и С, соответственно:

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

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

Расчет оптимального числа витков в обмотке одной фазы.

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

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

Е_ф=Е_1в или ,

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

Кроме того, ток I_{х. х.} создаёт на активном и реактивном сопротивлениях обмотки r и X падения напряжения U.

Рис.3. Рис.4.

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

Из изложенного и векторной диаграммы следует, что

.

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

,

где Е_ф - ЭДС обмотки фазы, В;

U_ф - фазное напряжение, В

Тогда .

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

Магнитный поток изменяется по закону: Ф=Ф_мsin t, где Ф_м - амплитудное значение магнитного потока, Вб; - угловая частота вращения поля. Тогда е_1в=-Ф_м cos t = Ф sin .

Максимальное значение ЭДС одного витка будет, когда: , тогда (т.к. =2f) Е_1в=Ф_м=2fФ_м. Действующее значение отличается от максимального на :

Т.к. обмотка рассредоточенная, то часть магнитного потока Ф рассеивается, что учитывается коэффициентом распределения К_р:

Практически все двухслойные обмотки выполняются с укороченным шагом. Это приводит к тому, что на границах полюсов в секциях разных фаз, лежащих в одном пазу, направление токов будет встречное, что уменьшает общий магнитный поток Ф. Это явление учитывается коэффициентом укорочения К_у:

.

Обмоточный коэффициент К_об: .

Тогда, окончательно, ЭДС одного витка равна:

Е_1в=4,44f Ф К_об, и .

В полученном выражении U_ф и f заданы заказчиком, нужно знать для расчёта только Ф. Он под полюсом распределяется неравномерно (рис.5), однако при равенстве площадей прямоугольника со стороной (В_ср) и полуокружности с радиусом В величина магнитного поля под полюсом будет одинаковой. Отсюда:

,

где - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения магнитного потока под полюсом;

В_ср - среднее значение магнитной индукции в воздушном зазоре, Тл;

В - максимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре, Тл.

Рис.5.

Из таблицы "нормированных электромагнитных нагрузок асинхронных двигателей" для мощности машин от 1 до 10 кВт. В принимаем равным: В=0,6 Тл. Отсюда значение магнитного потока

Bб,

шт.

Условие равносекционности и выбор оптимального числа витков в обмотке одной фазы.

При делении числа витков фазной обмотки по секциям, необходимо распределить их равномерно, так, чтобы число витков во всех секциях обмотки W_сек было одинаковым. Такая обмотка называется равносекционной. Условие равносекционности выполняется исходя из выражения числа активных проводников в пазу:

,

где а - число параллельных ветвей; 2 - виток из двух активных проводников.

Число активных проводников в пазу определяем при двухслойной обмотке до целого и чётного значения.

шт.

Округляем до N_п=26 шт. Уточняем число витков в фазе:

шт.

Уточняем магнитный поток, т.к. он зависит от числа витков в фазе:

Вб.

Определяем значения магнитных индукций , , и сравниваем с табличными (нормированными):

Тл.

Тл.

Нагрузка магнитной цепи при данных W_ф.

Таким образом, по результатам расчётов, из таблицы видно, что наиболее оптимальный вариант 2, при котором рассчитываемый двигатель будет отдавать максимальную для его магнитной системы мощность. Индукции и находятся в приделах нормы, индукция ниже нормы, т.е. участок недогружен, в этом случае будет недоиспользована сталь магнитопровода АД, занижена её мощность. Однако варианты 1и 3 неприемлемы так как индукция превышает допустимые нормы этот участок перегружен в следствии чего двигатель будет перегревается, этот вариант принимать нельзя.

Число витков в секции.

При двухслойной обмотке в одном пазу лежат проводники двух секций, следовательно, число витков в секции двухслойной обмотки () равно половине числа проводников в пазу:

.

Выбор изоляции паза и лобовых частей обмотки.

Рис.6 Изоляция паза.

Целью этой изоляции является обеспечение требуемой электрической прочности между обмотками и магнитопроводом (корпусом) АД. Кроме того она должна отвечать требованиям нагревостойкости, химической стойкости, выносливости и др.

Изоляция паза (рис.6.) состоит из пазовой коробки 1, межслоевой прокладки 2 (если обмотка двухслойная), прокладки под клин 3 и пазового клина 4. Также устанавливаются межфазовые прокладки в лобовых частях секций или катушечных групп, изоляции внутримашинных соединений, а также под бандаж в пазовых и лобовых частях обмоток.

Электроизоляционные материалы выбираются в зависимости от номинального напряжения машины, класса нагревостойкости, условий работы АД, наличия диэлектрических материалов и по экономическим соображениям.

Изоляция класса А удовлетворяет условиям эксплуатации электрических машин без перегрузок в сравнительно сухих помещениях (относительная влажность 80 % при температуре 25 С), воздух которых не содержит агрессивных химических реагентов. Изоляция класса А находила и продолжает находить применение для электрических машин мощностью до 100 кВт. Всё большее применение в электрических машинах мощностью до 100 кВт и выше получает изоляция класса Е, основанная на новых синтетических материалах. Однако, в последнее время в электродвигателях серии 4А химического, с/х и влагостойкого исполнения в качестве пазовой изоляции применяется полиэтилентерефталантная плёнка типа ПЭТФ толщиной 20-35 мкм, обладающая высокими, как диэлектрическими, так и механическими характеристиками (эл. прочность 70-80 кВ/мм, глянцевая, без складок и заусенцев).

ПЭТФ и плёнкоэлектрокартон применяются для изготовления пазовой коробки и прокладок. При этом две полоски плёнкоэлектрокартона складываются плёнкой внутрь.

Пазовая коробка состоит из трёх слоёв диэлектриков:

первый слой, нужна высокая механическая прочность. Применяют электрокартон;

второй слой, от которого требуется высокая электрическая прочность. Применяют плёнку полиэтилентерефталантнум.

третий слой, механической прочный диэлектрик - электрокартон.

Пазовая коробка изготавливается из плёнкосинтокартона ПСКФ, состоящего из плёнки ПЭТФ, оклеенной с двух сторон бумагой из фенилового волокна (электрокартон), толщиной 0,37-0,4 мм, с одним слоем с электрической прочностью 40 кВ/мм.

Межслойную прокладку выполняют также из ПКСФ толщиной 0,5 мм одним слоем. Межфазную прокладку в лобовых частях выполняем материалами с повышенным коэффициентом трения, т.е. принимаем плёнкоасбекартон или ПСКФ толщиной 0,37-0,4 мм.

Изолирование внутримашинных соединений и выходных концов осуществляем электроизоляционными трубками. Применяем лакированные трубки марки ТЛВ, лакированные масляным лаком, с классом А для нормальных условий работы с толщиной стенок 0,5-0,9 мм, d_вн=0,5-1,0 мм.

Клин пазовый - из твёрдого дерева или стеклопластика СПП-Э, или стеклотекстилита СТЭФ-1. Под клин кладём прокладку из плёнкокартона толщиной 0,5 мм, одним слоем. Увязку и бондажировку в лобовых частях обмотки статора делаем хлапчатобумажным шнур-чулками при классе изоляции А или АСЭЧ (8) - 1,0 мм.

Для механической защиты и закрепления изоляции применяем хлапчатобумажные ленты или стеклянные ленты ЛЭС 0,1 мм толщиной. Разрывная нагрузка 294-1128 Н.

Выбор марки и расчет сечения обмоточного провода