Расчет двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание на курсовой проект

Спроектировать асинхронный двигатель с к.з. ротором серии 4А со следующими номинальными данными:

- типоразмер……………………………………………4А90L6У3

- номинальная мощность ……………………………Р_ном = 1,5 кВт

- номинальное напряжение…………………………..U_ном = 220 В

- синхронная частота вращения……………………n₁ = 1000 об/мин

- частота сети…………………………………………f₁ = 50 Гц

- число фаз ………………………………………………m₁ = 3

- конструктивное исполнение……………………….М101

- исполнение по способу защиты……………………IP 44

- класс нагревостойкости изоляции……………….F

- машина должна удовлетворять требованиям ГОСТ 183-74

- способ охлаждения……………………………………IC0141

- схема соединения обмоток………………………….звезда

- Mmax/Mном……………………………………………. 2,2

- Мп / Мном…………………………………………………2

- Мmin/Мном………………………………………………1,6

- Iп/Iном……………………………………………………. 5,4

- з……………………………………………………………75%

- cosц………………………………………………………0,74

- высота оси вращения……………………………….h=90 мм

- тип обмотки………………………………………….однослойная

Введение

Виды электрической защиты асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели трехфазного переменного тока напряжением до 500 в при мощностях от 0,05 до 350 - 400 кВт являются наиболее распространенным видом двигателей, применяемых в электроприводах самых различных отраслей экономики. Надежная и бесперебойная работа двигателей обеспечивается в первую очередь надлежащим выбором их по номинальной мощности, режиму работы и форме исполнения.

Не меньшее значение имеет также соблюдение необходимых требований и правил при составлении электрической схемы, выборе пускорегулирующей аппаратуры, проводов и кабелей, монтаже и эксплуатации электропривода. Однако, зачастую даже для правильно спроектированных и эксплуатируемых электроприводов при их работе всегда остается вероятность появления режимов, аварийных или ненормальных для двигателя и другого электрооборудования.

К таким режимам относятся:

1) многофазные (трех- и двухфазные) и однофазные короткие замыкания в обмотках двигателя; многофазные короткие замыкания в выводной коробке двигателя и во внешней силовой цепи (в проводах и кабелях, на контактах коммутационных аппаратов, в ящиках сопротивлений); короткие замыкания фазы на корпус или нулевой провод внутри двигателя или во внешней цепи - в сетях с заземленной нейтралью; короткие замыкания в цепи управления; короткие замыкания между витками обмотки двигателя (витковые замыкания). Короткие замыкания являются наиболее опасными аварийными режимами в электроустановках. В большинстве случаев они возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции. Токи короткого замыкания иногда достигают величин, в десятки и сотни раз превосходящих значения токов нормального режима, а их тепловое воздействие и динамические усилия, которым подвергаются токоведу-щие части, могут привести к повреждению всей электроустановки;

2) тепловые перегрузки двигателя из-за прохождения по его обмоткам повышенных токов: при перегрузках рабочего механизма по технологическим причинам, особо тяжелых условиях пуска двигателя под нагрузкой или его застопоривании, длительном понижении напряжения сети, выпадении одной из фаз внешней силовой цепи или обрыве провода в обмотке двигателя, механических повреждениях в двигателе или рабочем механизме, а также тепловые перегрузки при ухудшении условий охлаждения двигателя.

Тепловые перегрузки вызывают в первую очередь ускоренное старение и разрушение изоляции двигателя, что приводит к коротким замыканиям, т.е. к серьезной аварии и преждевременному выходу двигателя из строя. Для того чтобы защитить электродвигатель от повреждений при нарушении нормальных условий работы, а также своевременно отключить неисправный двигатель от сети, предотвратив или ограничив тем самым развитие аварии, предусматриваются средства защиты. Главным и наиболее действенным средством является электрическая защита двигателей, выполняемая в соответствии с «Правилами устройства электроустановок».

В зависимости от характера возможных повреждений и ненормальных режимов работы различают несколько основных наиболее распространенных видов электрической защиты асинхронных двигателей. Защита от коротких замыканий отключает двигатель при появлении в его силовой (главной) цепи или в цепи управления токов короткого замыкания. Аппараты, осуществляющие защиту от коротких замыканий (плавкие предохранители, электромагнитные реле, автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем), действуют практически мгновенно, т.е. без выдержки времени. Защита от перегрузки предохраняет двигатель от недопустимого перегрева, в частности и при сравнительно небольших по величине, но продолжительных тепловых перегрузках. Аппараты защиты от перегрузки (тепловые и температурные реле, электромагнитные реле, автоматические выключатели с тепловым расцепителем или с часовым механизмом) при возникновении перегрузки отключают двигатель с определенной выдержкой времени, тем большей, чем меньше перегрузка, а в ряде случаев, при значительных перегрузках, - и мгновенно.

Защита от понижения или исчезновения напряжения (нулевая защита) выполняется с помощью одного или нескольких электромагнитных аппаратов, действует на отключение двигателя при перерыве питания или снижении напряжения сети ниже установленного значения и предохраняет двигатель от самопроизвольного включения после ликвидации перерыва питания или восстановления нормального напряжения сети. Специальная защита от работы на двух фазах предохраняет двигатель от перегрева, а также от «опрокидывания», т.е. остановки под током вследствие снижения момента, развиваемого двигателем, при обрыве в одной из фаз главной цепи.

Защита действует на отключение двигателя. В качестве аппаратов защиты применяются как тепловые, так и электромагнитные реле. В последнем случае защита может не иметь выдержки времени. Кроме того, существуют и некоторые другие, реже встречающиеся виды защиты (от повышения напряжения, однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, увеличения скорости вращения привода и т.п.).

Аппараты электрической защиты могут осуществлять один или сразу несколько видов защиты. Так, некоторые автоматические выключатели обеспечивают защиту от коротких замыканий и от перегрузки. Одни из аппаратов защиты, например плавкие предохранители, являются аппаратами однократного действия и требуют замены или перезарядки после каждого срабатывания, другие, такие как электромагнитные и тепловые реле, - аппараты многократного действия. Последние различаются по способу возврата в состояние готовности на аппараты с самовозвратом и с ручным возвратом.

Выбор того или иного вида защиты или нескольких одновременно производится в каждом конкретном случае с учетом степени ответственности привода, его мощности, условий работы и порядка обслуживания (наличия или отсутствия постоянного обслуживающего персонала). Большую пользу может принести анализ данных по аварийности электрооборудования в цехе, на строительной площадке, в мастерской и т.п., выявление наиболее часто повторяющихся нарушений нормальной работы двигателей и технологического оборудования.

Всегда следует стремиться к тому, чтобы защита была по возможности простой и надежной в эксплуатации. Для каждого двигателя независимо от его мощности и напряжения должна быть предусмотрена защита от коротких замыканий. Здесь нужно иметь в виду следующие обстоятельства. С одной стороны, защиту нужно отстроить от пусковых и тормозных токов двигателя, которые могут в 5 - 10 раз превышать его номинальный ток. С другой стороны, в ряде случаев коротких замыканий, например при витковых замыканиях, замыканиях между фазами вблизи от нулевой точки статорной обмотки, замыканиях на корпус внутри двигателя и т.п., защита должна срабатывать при токах, меньших пускового тока.

Как правило, система защиты низковольтных асинхронных двигателей строится при сознательном допущении, что при некоторых отмеченных выше повреждениях в двигателе последний отключается защитой не сразу, а лишь в процессе развития этих повреждений, после того как значительно возрастет ток, потребляемый двигателем из сети. Проверка аппаратов защиты по отключающей способности (т.е. по предельному току, который они могут надежно отключить) производится для случая трехфазного короткого замыкания в начале защищаемого ответвления к двигателю (точка КЗ).

Защита от перегрузки должна применяться только для двигателей тех рабочих механизмов, у которых возможны ненормальные увеличения нагрузки при нарушениях рабочего процесса. (Следует помнить, что нагрузка двигателя определяется величиной преодолеваемого им момента сопротивления механизма - статического момента на валу двигателя). Стоит отметить, что двигатель требует защиты не от любых перегрузок, а лишь от таких, которые не были предусмотрены технологическими условиями при выборе мощности двигателя и его перегрузочной способности. При регулярных отключениях двигателя защитой от перегрузки нужно в первую очередь проверить загрузку двигателя, при которой срабатывает защита. Нередки случаи, когда после такой проверки выясняется, что двигатель выбран недостаточной мощности. Одно из важнейших требований к устройствам защиты двигателей - четкое действие ее при аварийных и ненормальных режимах работы двигателей и вместе с тем недопустимость ложных срабатываний. Поэтому аппараты защиты должны быть правильно выбраны и тщательно отрегулированы [2].

1. Главные размеры двигателя

Число пар полюсов

(1)

где:

- частота сети [техническое задание на курсовой проект];

- номинальная частота вращения асинхронного двигателя [техническое задание на курсовой проект];

В зависимости от высоты оси вращения двигателя, определяем наружный и внутренний диаметры сердечника статора:

[1; 55, Табл. 5.4.]

[1; 55, Табл. 5.4.]

Определяем предварительное значение КПД и коэффициента мощности, в зависимости от мощности двигателя:

[1; 56, рис. 5.1 а.]

[1; 56, рис. 5.1 б.]

Расчетная мощность двигателя:

(2)

где:

- номинальная мощность двигателя [техническое задание на курсовой проект];

- отношение ЭДС обмотки статора к напряжению на обмотке статора [1; 57];

- предварительное значение КПД двигателя [1; 56, рис. 5.1 а.];

- предварительное значение коэффициента мощности двигателя [1; 56, рис. 5.1 б.]

Предварительные значения магнитной индукции B'_д и линейной нагрузки A'₁, в зависимости от наружного диаметра сердечника статора:

[1; 58, рис. 5.2 а.]

[1; 58, рис. 5.2 а.]

Предварительное значение обмоточного коэффициента, в зависимости от числа слоев обмотки и числа полюсов (2 р) [1; 57]:

Расчетная длина сердечника статора:

(3)

принимаем

где:

- расчетная мощность двигателя (2);

- предварительное значение обмоточного коэффициента [1; 57];

- номинальная частота вращения асинхронного двигателя [техническое задание на курсовой проект];

- внутренний диаметр сердечника статора [1; 55, Табл. 5.4.];

- предварительное значение магнитной индукции [1; 58, рис. 5.2 а.];

- предварительное значение линейной нагрузки [1; 58, рис. 5.2 а.].

Коэффициент длины.

2. Размеры активной части двигателя

Воздушный зазор между статором и ротором принимаем в зависимости от высоты оси вращения ротора, h=160 мм [техническое задание на курсовой проект]:

[1; 60, рис. 5.3.]

Наружный диаметр сердечника ротора:

(4)

где:

- внутренний диаметр сердечника статора [1; 55, Табл. 5.4.];

- воздушный зазор между статором и ротором [1; 60, рис. 5.3.].

Внутренний диаметр сердечника ротора:

[1; 60] (5)

Конструктивная длина сердечника статора равна принятому расчетному значению [1; 60]:

Число пазов в сердечниках статора и ротора, в зависимости от h, мм и 2 р:

- число пазов в сердечнике статора [1; 62, Табл. 5.8.];

- число пазов в сердечнике ротора [1; 62, Табл. 5.8.];

Принимаем трапецеидальную полузакрытую форму паза статора и овальную закрытую - для ротора [1; 63,67; рис. 5.6 а., рис. 5.7 б.]:

 

Рисунок 1. Формы пазов статора и ротора

Размеры полузакрытого паза статора:

Зубцовое деление статора:

(6)

где:

- внутренний диаметр сердечника статора [1; 55, Табл. 5.4.];

- число пазов в сердечнике статора [1; 62, Табл. 5.8.].

Ширина зубца статора:

(7)

где:

- зубцовое деление статора (5);

- предварительное значение магнитной индукции [1; 58, рис. 5.2 а.];

- коэффициент заполнения сердечника сталью [1; 59];

- допустимое значение магнитной индукции в зубце статора [1; 64, Табл. 5.9.].

Высота спинки статора:

(8)

где:

- коэффициент полюсного перекрытия [1; 57];

[1; 65];

- предварительное значение магнитной индукции [1; 58, рис. 5.2 а.];

- коэффициент заполнения сердечника сталью [1; 59];

- допустимая величина магнитной индукции в спинке статора [1; 64, Табл. 5.9.].

Высота зубца статора:

(9)

где:

- внутренний диаметр сердечника статора [1; 55, Табл. 5.4.];

- внешний диаметр сердечника статора [1; 55, Табл. 5.4.];

- высота спинки статора (7).

Наименьшая ширина паза в штампе:

(10)

где:

- ширина зубца статора (6);

[1; 65].

Наибольшая ширина паза в штампе:

(11)

где:

- ширина зубца статора (6);

[1; 65].

Высота клиновой части паза:

(12)

где:

- наименьшая ширина паза в штампе (9);

- ширина шлица паза статора [1; 65].

Высота части паза, занимаемой обмоткой:

(13)

где:

- высота зубца статора (8);

- высота шлица [1; 66];

- высота клиновой части паза (11).

Размеры закрытого овального паза ротора:

Зубцовое деление ротора:

(14)

где:

- наружный диаметр ротора (4);

- число пазов ротора (п. 2.5.).

Ширина зубца ротора:

(15)

двигатель обмотка ротор магнитный

где:

- зубцовое деление ротора (13);

- предварительное значение магнитной индукции [1; 58, рис. 5.2 а.];

- коэффициент заполнения сердечника сталью [1; 59];

- допустимое значение магнитной индукции в зубце ротора [1; 68, Табл. 5.10.].

Высота спинки сердечника ротора:

(16)

где:

- коэффициент полюсного перекрытия [1; 57];

[1; 65];

- предварительное значение магнитной индукции [1; 58, рис. 5.2 а.];

- коэффициент заполнения сердечника сталью [1; 59];

- допустимая величина магнитной индукции в спинке ротора [1; 64, Табл. 5.9.].

Высота зубца ротора:

(17)

где:

- наружный диаметр ротора (4);

- внутренний диаметр ротора (5);

- высота спинки сердечника ротора (16).

Диаметр в верхней части паза ротора:

 (18)

где:

- наружный диаметр ротора (4);

- число пазов ротора (п. 2.5.).

- ширина зубца ротора (15);

- высота шлица [1; 68].

Диаметр в нижней части паза ротора:

(19)

где:

- наружный диаметр ротора (4);

- число пазов ротора (п. 2.5.).

- ширина зубца ротора (15);

- высота зубца ротора (17).

Расстояние между центрами окружностей овального паза ротора:

(20)

где:

- высота зубца ротора (17);

- высота шлица [1; 68];

- диаметр в верхней части паза ротора (18);

- диаметр в нижней части паза ротора (19).

Площадь поперечного сечения овального паза в штампе:

 (21)

где:

- диаметр в верхней части паза ротора (18);

- диаметр в нижней части паза ротора (19);

- расстояние между центрами окружностей овального паза ротора (20).

3. Обмотка статора

Принимаем тип обмотки статора - однослойная всыпная, с числом параллельных ветвей [1; 70].

Число пазов на полюс и фазу:

(22)

где:

- число пазов в сердечнике статора [1; 62, Табл. 5.8.];

- число пар полюсов (1);

- число фаз [техническое задание на курсовой проект].

Обмоточный коэффициент:

[1; 77, Табл. 5.16.]

Шаг по пазам:

[1; 77, Табл. 5.16.]

Ток статора в номинальном режиме работы двигателя:

(23)

где:

- номинальная мощность двигателя [техническое задание на курсовой проект];

- число фаз [техническое задание на курсовой проект];

- номинальное напряжение в обмотке статора [техническое задание на курсовой проект];

- предварительное значение КПД двигателя [1; 56, рис. 5.1 а.];

- предварительное значение коэффициента мощности двигателя [1; 56, рис. 5.1 б.].

Число эффективных проводников в пазу статора:

(24)

где:

- зубцовое деление статора (5);

- предварительное значение линейной нагрузки [1; 58, рис. 5.2 а.];

- число параллельных ветвей [1; 70];

- ток статора в номинальном режиме работы двигателя (23).

Число последовательных витков в обмотке статора:

(25)

где:

- число пар полюсов (1);

- число пазов на полюс и фазу (22);

- число эффективных проводников в пазу статора (24);

- число параллельных ветвей [1; 70].

Плотность тока в обмотке статора принимаем в зависимости от наружного диаметра сердечника статора [1; 78, рис. 5.11.]:

Сечение эффективного проводника обмотки статора:

(26)

где:

- ток статора в номинальном режиме работы двигателя (23);

- плотность тока в обмотке статора [1; 78, рис. 5.11.];

- число параллельных ветвей [1; 70].

В соответствии с классом нагревостойкости F [техническое задание на курсовой проект], принимаем провод марки ПЭТ-155 с эффективным сечением и [1; 333, П. 1.1.]

Толщина изоляции при полузакрытом пазе (см. п. 2.6.), классе нагревостойкости F [техническое задание на курсовой проект] и однослойной обмотке (см. п. 3.1.):

[1; 74, Табл. 5.12.]

Площадь изоляции в пазу:

(27)

где:

- наименьшая ширина паза в штампе (9);

- высота части паза, занимаемой обмоткой (13).

Площадь паза в свету, занимаемая обмоткой:

(28)

где:

- наибольшая ширина паза в штампе (11);

- наименьшая ширина паза в штампе (9);

- высота части паза, занимаемой обмоткой (13);

- площадь изоляции в пазу (27);

- площадь межкатушечной прокладки [1; 79].

Коэффициент заполнения паза статора изолированными проводниками:

(29)

где:

- число эффективных проводников в пазу статора (24);

- толщина изоляции [1; 333, П. 1.1.];

- площадь паза в свету, занимаемая обмоткой (28).

Уточненное значение плотности тока в обмотке статора:

(30)

где:

- ток статора в номинальном режиме работы двигателя (23);

- число параллельных ветвей [1; 70];

- эффективное сечение проводника [1; 333, П. 1.1.];

- количество элементарных проводников в одном эффективном [1; 78]

Уточненные значения магнитных параметров статора:

Уточненное значение электромагнитных нагрузок:

(31)

где:

- ток статора в номинальном режиме работы двигателя (23);

- число эффективных проводников в пазу статора (24);

- число пазов в сердечнике статора [1; 62, Табл. 5.8.];

- внутренний диаметр сердечника статора [1; 55, Табл. 5.4.];

- число параллельных ветвей [1; 70].

Основной магнитный поток статора:

(32)

где:

- отношение ЭДС обмотки статора к напряжению на обмотке статора [1; 57];

- номинальное напряжение в обмотке статора [техническое задание на курсовой проект];

- число последовательных витков в обмотке статора (25);

[1; 127];

(33)

где:

- относительный шаг обмотки [1; 76];

- число пазов в сердечнике статора [1; 62, Табл. 5.8.];

- число пар полюсов (1);

- число пазов на полюс и фазу (22).

Уточненное значение максимальной магнитной индукции статора:

(34)

где:

- основной магнитный поток статора (32);

- коэффициент полюсного перекрытия [1; 57];

[1; 65];

- конструктивная длина сердечника статора (см. п. 2.4.).

Размеры катушек статора:

Среднее зубцовое деление:

 (35)

где:

- внутренний диаметр сердечника статора [1; 55, Табл. 5.4.];

- высота зубца статора (8);

- число пазов в сердечнике статора [1; 62, Табл. 5.8.].

Средняя ширина катушки:

(36)

где:

- шаг по пазам [1; 77, Табл. 5.16.];

- среднее зубцовое деление (35).

Средняя длина лобовой части катушки:

(37)

где:

- число пар полюсов (1);

- средняя ширина катушки (36).

Средняя длина витка обмотки статора:

(38)

где:

- конструктивная длина сердечника статора (см. п. 2.4.);

- средняя длина лобовой части катушки (37).

Длина вылета лобовой части обмотки:

(39)

где:

- число пар полюсов (1);

- средняя ширина катушки (36).

Активное сопротивление одной фазы обмотки статора, приведенное к рабочей температуре:

(40)

где:

- число последовательных витков в обмотке статора (25);

- средняя длина витка обмотки статора (38);

- эффективное сечение проводника [1; 333, П. 1.1.];

- число параллельных ветвей [1; 70];

- количество элементарных проводников в одном эффективном;

- удельное сопротивление меди, приведенное к рабочей температуре двигателя, соответствующей классу нагревостойкости изоляции F [1; Табл. 2.1.].

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния:

(41)

где:

- [1; 128];

- наименьшая ширина паза в штампе (9);

- коэффициенты, в зависимости от типа шага обмотки статора [1; 127];

- высота шлица [1; 66];

- высота клиновой части паза [1; 66];

- высота шлица клиновой части паза [1; 66];

- ширина шлица полуоткрытого паза [1; 66].

Коэффициент воздушного зазора:

(42)

где:

- ширина шлица полуоткрытого паза [1; 66];

- зубцовое деление статора (5);

- воздушный зазор между статором и ротором [1; 60, рис. 5.3.].

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора:

(43)

где:

- зубцовое деление статора (5);

- воздушный зазор между статором и ротором [1; 60, рис. 5.3.];

- коэффициент воздушного зазора (42);

(33);

- коэффициент, учитывающий демпфирующую реакцию токов, наведенных в обмотке короткозамкнутого ротора высшими гармониками поля статора [1; 82, Т.5.18.]

- коэффициент, учитывающий влияния открытия пазов статора на проводимость дифференциального рассеяния [1; 82];

- коэффициент дифференциального рассеяния обмотки статора [1; 83, Табл. 5.19.].

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора:

(44)

где:

- число пазов на полюс и фазу (22);

- конструктивная длина сердечника статора (см. п. 2.4.);

- средняя длина лобовой части катушки (37);

- относительный шаг обмотки [1; 76];

[1; 65].

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора:

(45)

где:

- коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния (41);

- коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора (43);

- коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора (44).

Индуктивное сопротивление рассеяния одной фазы обмотки статора:

двигатель обмотка ротор магнитный

(46)

где:

- частота сети [техническое задание на курсовой проект];

- конструктивная длина сердечника статора (см. п. 2.4.);

- число последовательных витков в обмотке статора (25);

- число пар полюсов (1);

- число пазов на полюс и фазу (22);

- коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора (45).

Размещено на Allbest.ru