Асинхронный двигатель 22 кВт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Аннотация
• Введение
• 1. Исходные данные для проектирования
• 2. Магнитная цепь двигателя. Размеры, конфигурация, материал
• 2.1 Главные размеры
• 2.2 Сердечник статора
• 2.3 Сердечник ротора
• 3. Обмотка статора
• 3.1 Обмотка статора с трапецеидальными полузакрытыми пазами
• 4. Обмотка короткозамкнутого ротора
• 4.1 Размеры овальных закрытых пазов
• 4.2 Размеры короткозамыкающего кольца
• 5. Расчет магнитной цепи
• 5.1 МДС для воздушного зазора
• 5.2 МДС для зубцов при трапецеидальных полузакрытых пазах статора
• 5.3 МДС для зубцов ротора при овальных закрытых пазах ротора
• 5.4 МДС для спинки статора
• 5.5 МДС для спинки ротора
• 5.6 Параметры магнитной цепи
• 6. Активное и индуктивное сопротивления обмоток
• 6.1 Сопротивление обмотки статора
• 6.2 Сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора с овальными полузакрытыми пазами
• 6.3 Сопротивление обмоток преобразованной схемы замещения двигателя
• 7. Режим холостого хода и номинальный
• 7.1 Режим холостого хода
• 7.2 Расчет параметров номинального режима работы
• 8. Круговая диаграмма и рабочие характеристики
• 8.1 Круговая диаграмма
• 8.2 Рабочие характеристики
• 9. Максимальный момент
• 10. Начальный пусковой ток и начальный пусковой момент
• 10.1 Активные и индуктивные сопротивления, соответствующие пусковому режиму
• 10.2 Начальные пусковые ток и момент
• 11. Тепловой и вентиляционный расчеты
• 11.1 Тепловой расчет
• 11.1.1 Обмотка статора
• 11.2 Вентиляционный расчет двигателя со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141
• 12. Масса двигателя и динамический момент инерции
• 13. Механический расчет вала
• 13.1 Расчет вала на жесткость
• 13.2 Определение критической частоты вращения
• 13.3 Расчет вала на прочность
• Список литературы
• Аннотация

Состояние и перспективы развития асинхронных электродвигателей (Авторы: Лазаревский Н.А., Мартынов С.А. - ЦНИИ СЭТ)

ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ «Я электрик!» Выпуск №8 Ноябрь-декабрь 2007 г.

Простота конструкции, надежность, высокое значение коэффициента полезного действия асинхронных двигателей (АД) мощностью от 0,025 до 350 кВт объясняют широкое применение в электроприводах. Известно, в частности, что приводы с использованием АД потребляют около 60% мирового производства электроэнергии.

Одной из задач ближайшей перспективы является изготовление опытных образцов оставшихся габаритов серии, проведение МВИ и выпуск технических условий (ТУ) на судовые электродвигатели, отвечающие требованиям PC Параллельно с разработкой серии 5А специалисты НИПТИЭМ занимались совершенствованием встроенной температурной защиты двигателей. Были разработаны устройства встроенной тепловой защиты, исполнительный блок которой размещается непосредственно на корпусе АД. Был разработан вариант с дистанционным управлением.

На каждом из этапов разработки были реализованы свои подходы к выбору оптимальных конструктивных решений. Во внимание принимались как новейшие достижения в области электротехнологии, так и неблагоприятные особенности актуального экономического состояния страны. К примеру, если раньше, в условиях планового хозяйства, стоимость трудовых, материальных и энергетических ресурсов нередко не соответствовала их потребительским свойствам, то в условиях рыночной экономики ситуация стала иной. К апрелю 1999 г. стоимость 1 т медных обмоточных проводов увеличилась с 1,5 до 75,0 тыс. рублей - в девяносто раз. Стоимость 1 т электротехнической стали возросла с 380 рублей до 5,7 тыс. рублей - в пятнадцать раз, 1 кВт-ч электроэнергии подорожал с 1,36 до 41 копейки - в тридцать раз.

Относительно низкая стоимость обмоточной меди, характерная для прошлых лет, позволяла делать “медными” АД всех разрабатывавшихся ранее серий - с относительно низкой магнитной индукцией в воздушном зазоре (0,65.. .0,75 Тл) и относительно большим воздушным зазором. Можно полагать, что в настоящее время, с учетом действия известных экономических факторов, оптимальными должны быть АД, на изготовление которых уходит меньше меди, так называемые “стальные” машины.

Исходя из этих обстоятельств, на Ярославском электромашиностроительном заводе (ОАО “ELDIN”) было освоено производство асинхронных двигателей новой серии RA. При ее разработке были выбраны следующие ориентиры: получение высоких энергетических показателей при снижении массы двигателя и достижении большей его компактности; увеличение пусковых моментов при снижении кратности пускового тока; улучшение виброакустических характеристик двигателей путем снижения магнитного, механического и вентиляционного шумов; обеспечение простоты и безопасности обслуживания таких двигателей; повышение конкурентоспособности новых АД. Сравнительные показатели трехфазных (2p = 2) АД с короткозамкнутым ротором для высоты оси вращения 90 мм единых серий АО, А02, Д, 4А, АИР, а также новой серии RA приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнительные показатели трехфазных АД с короткозамкнутым ротором (высота оси вращения 90 мм).

Асинхронные двигатели серии RA отвечают требованиям международных стандартов. Они успешно экспонировались на международных выставках в Ганновере (1995-1999 гг.). Их поставляют в промышленно развитые страны: в Германию, Италию, Францию и др. В ближайших планах- испытания их на соответствие требованиям PC, расширение области их применения (на морских и речных судах).

Показатели АД классической конструкции к настоящему времени доведены до уровней, практически обеспечивающих достижение предельных значений электромагнитных нагрузок при приемлемом расходе активных материалов. Дальнейшее развитие АД проводится по пути конструктивного сращивания электроприводов с техническими объектами, в которых они установлены. Возникают и специфические требования, предъявляемые к АД.

Так, в настоящее время развитие получил тяговый электропривод на базе АД с короткозамкнутым ротором, применяемый в наземном электрифицированном транспорте (трамвай, троллейбус), в метро, электропоездах.

Для управления тяговым электроприводом применяют преобразователи частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока, формирование выходных сигналов которых осуществляется на основе ШИМ. На выходе преобразователя формируется серия прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, но меняющейся длительности. Полезная составляющая имеет форму синусоиды заданной частоты и амплитуды.

В настоящее время, как правило, в качестве ключевого элемента применяют биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), имеющие длительность фронта импульсов в диапазоне 0,1-1,0 мкс. В результате, на обмотку АД поступают импульсы прямоугольной формы с высоким пиковым значением, следствием чего становятся значительные перенапряжения в обмотках. Величина амплитуды перенапряжений растет при увеличении несущей частоты ШИМ (с целью улучшения энергетических показателей и приближения полезной составляющей выходного напряжения ПЧ к синусоиде.)

Такие перенапряжения провоцируют быстрое старение изоляции, что в конечном итоге ведет к снижению надежности и срока службы АД [3]. Очевидно, что как при выдаче технического задания, так и при разработке АД необходимо учитывать требования по повышению прочности изоляции.

Важным специфическим требованием, применяемым к тяговому электроприводу, является требование обеспечения работы АД без перегрева в диапазоне частот до 150 Гц. Как правило, разгон АД в тяговом электроприводе транспорта осуществляется изменением частоты в диапазоне 0-50 Гц, выход на скорость до 70 км/час - в диапазоне 50-150 Гц. При проектировании специализированных АД для тягового электропривода необходимо предусматривать расширение диапазона рабочих частот до 150 Гц.

Введение

1. Исходные данные для проектирования

2. Магнитная цепь двигателя. Размеры, конфигурация, материал

2.1 Главные размеры

Принимаем высоту оси вращения двигателя h=180 мм ([1], таблица 9-1).

Принимаем наружный диаметр сердечника статора DН1=322 мм ([1], таблица 9-2).

Внутренний диаметр сердечника статора ([1], таблица 9-3):

(2.1)

Принимаем коэффициент ([1], рисунок 9-1).

Принимаем предварительное значение КПД ([1], рисунок 9-2)

Расчетная мощность

(2.2)

Принимаем предварительную линейную нагрузку А=350*1,1=385 А/см ([1], рисунок 9-4, таблица 9-5).

Принимаем предварительную индукцию в зазоре ([1], рисунок 9-4, таблица 9-5).

Принимаем предварительное значение обмоточного коэффициента ([1], страница 119).

Расчетная длина сердечника статора

(2.3)

Принимаем конструктивную длину сердечника статора .

Отношение длины сердечника к его диаметру

(2.4)

Максимальное значение отношения длины сердечника к его диаметру ([1], таблица 9-6)

(2.5)

где =0,95 - коэффициент ([1], таблица 9-7).

2.2 Сердечник статора

Принимаем марку стали - 2013. Принимаем толщину листа 0,5 мм. Принимаем вид изолирования листов - оксидирование.

Принимаем коэффициент заполнения стали kC=0,97.

Принимаем количество пазов на полюс и фазу ([1], таблица 9-8).

Количество пазов сердечника статора

(2.6)

2.3 Сердечник ротора

Принимаем марку стали - 2013. Принимаем толщину листа 0,5 мм. Принимаем вид изолирования листов - оксидирование.

Принимаем коэффициент заполнения стали kC=0,97.

Принимаем сердечник ротора без скоса пазов.

Принимаем воздушный зазор между статором и ротором ([1], таблица 9-9).

Наружный диаметр сердечника ротора

(2.7)

Внутренний диаметр листов ротора

(2.8)

Принимаем длину сердечника ротора равную длине сердечника статора, .

Принимаем количество пазов сердечника ротора ([1], таблица 9-12).

3. Обмотка статора

Принимаем двухслойную обмотку с укороченным шагом, укладываемую в трапецеидальные полузакрытые пазы ([1], таблица 9-4).

Коэффициент распределения

(3.1)

где =12

Принимаем относительный шаг обмотки .

(3.2)

(3.3)

(3.4)

Предварительное значение магнитного потока

(3.5)

Предварительное количество витков в обмотке фазы

(3.6)

(3.7)

где - число параллельных ветвей обмотки статора.

Принимаем

(3.8)

(3.9)

(3.10)

 (3.11)

(3.12)

(3.13)

Принимаем среднее значение магнитной индукции в спинке статора ([1], таблица 9-13).

(3.14)

3.1 Обмотка статора с трапецеидальными полузакрытыми пазами

Принимаем среднее значение магнитной индукции в зубцах статора ([1], таблица 9-14).

(3.15)

Принимаем bз1=7 мм

Высота спинки статора

(3.16)

Принимаем .

Высота паза

(3.17)

 (3.18)

(3.19)

(3.20)

где - высота шлица ([1], страница 131).

Проверка правильности определения и исходя из требования

(3.21)

(3.22)

 (3.23)

где - припуски на сборку сердечников статора и ротора соответственно по ширине и по высоте ([1], страница 131).

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции

(3.24)

где - среднее значение односторонней толщины корпусной изоляции ([1], страница 131).

Площадь поперечного сечения прокладок между верхней и нижней катушками в пазу, на дне паза и под клином

(3.25)

(3.26)

Произведение

(3.27)

где - допускаемый коэффициент заполнения паза для ручной укладки ([1]. страница 132).

Принимаем количество элементарных проводов в эффективном .

Диаметр элементарного изолированного провода

(3.28)

Принимаем диаметры элементарного изолированного и неизолированного (d) провода ([1], приложение 1)

Принимаем площадь поперечного сечения провода ([1], приложение 1).

Уточненный коэффициент заполнения паза

(3.29)

Значение уточненного коэффициента заполнения паза удовлетворяет условиям ручной укладки и машинной (при машинной укладке допускаемый ).

Уточненная ширина шлица

(3.30)

Принимаем , так как .

(3.31)

Произведение линейной нагрузки на плотность тока

(3.32)

Принимаем допустимое значение произведения линейной нагрузки на плотность тока ([1], рисунок 9-8).

Расчетное произведение линейной нагрузки на плотность тока не превышает допустимое значение.

Среднее зубцовое деление статора

(3.33)

(3.34)

(3.35)

 (3.36)

(3.37)

4. Обмотка короткозамкнутого ротора

Принимаем пазы ротора овальной формы, закрытые.

4.1 Размеры овальных закрытых пазов

Пазы ротора изображены на рисунке 2.

Принимаем высоту паза . ([1], рисунок 9-12).

Расчетная высота спинки ротора

(4.1)

где - диаметр круглых аксиальных вентиляционных каналов в сердечнике ротора, в проектируемом двигателе они не предусматриваются.

(4.2)

(4.3)

Принимаем магнитную индукцию в зубцах ротора ([1], таблица 9-18).

(4.4)

(4.5)

(4.6)

где - высота шлица ([1], страница 142);

- ширина шлица ([1], страница 142);

для полузакрытого паза ([1], страница 142).

Расстояние между центрами радиусов

(4.7)

Проверка правильности определения и исходя из условия

(4.8)

(4.9)

4.2 Размеры короткозамыкающего кольца

Принимаем литую клетку.

Короткозамыкающие кольца ротора изображены на рисунке 3.