Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электрических станций, сетей и систем

Курсовая работа

по дисциплине: Электрические машины

на тему: Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором

Выполнил

ст. гр. Э-12-09

Гараев Е. Т.

Руководитель

проф. Шидерова Р. М.

Алматы 2014



Содержание

• Введение
• 1. Определение главных размеров и выбор электромагнитных нагрузок
• 2. Определение числа пазов статора Z₁ и расчет обмотки статора
• 3. Расчет размеров пазов статора
• 4. Расчет размеров сердечника, числа пазов и обмотки короткозамкнутого ротора
• 5. Расчет размеров пазов ротора
• 6. Короткозамыкающие кольца
• 7. Расчет магнитной цепи
• 8. Активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора
• 9. Потери в стали, механические и добавочные потери
• 10. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
• Заключение
• Список литературы


Введение

Асинхронные машины получили наиболее широкое применение в современных электрических установках переменного тока.

Асинхронная машина обратима и может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Однако преобладающее применение имеют асинхронные двигатели, составляющие основу современного электропривода. двигатель статор электромагнитный ротор

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличье колесо» из-за внешней схожести конструкции, состоит из алюминиевых (реже медных, латунных) стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. Сердечники ротора и статора имеют зубчатую структуру. В машинах малой и средней мощности обмотку обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьего колеса» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. В машинах большой мощности «беличье колесо» выполняют из медных стержней, концы которых соединяют с короткозамыкающими кольцами при помощи сварки.

Наибольшее применение имеют трехфазные асинхронные двигатели, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты (50 Гц). Асинхронные двигатели специального применения изготовляются на повышенные частоты переменного тока (200, 400 Гц и боле).

Целью данной курсовой работы является применение студентами теоретических знаний при проектировании электрической машины: асинхронного двигателя с фазным ротором. Проектирование начинается с определения главных размеров(внутреннего и внешнего диаметров статора, длины воздушного зазора и т.д.), заканчивая определением рабочих характеристик спроектированного асинхронного двигателя и их построения, а также определения перегрузочной способности полученной машины.

Исходные данные

Начальная буква фамилии студента	Г
Номинальная мощность (кВт) Р2н	2,8
Предпоследняя цифра шифра	5
Линейное напряжение питающей сети (В)	380
Соединение обмотки статора	?
Последняя цифра шифра	4
Синхронная частота вращения, n1 (об/мин)	750
Примечание - В задании приведено линейное напряжение - U1Л фазное напряжение - U1ф зависит от способа соединения обмотки статора.



1. Определение главных размеров и выбор электромагнитных нагрузок

Число пар полюсов

Высоту оси вращения h предварительно выбирают по таблице 1.1 для заданных значений P_2н и 2р в зависимости от исполнения двигателя.

Таблица 1.1 - Увязка мощности и высоты оси вращения двигателей серии 4А

Высота оси вращения h, (мм)	Условная длина сердченика	Номинальная мощность P2н кВт при числе полюсов 2р
		8
112	МА(B)	2 (3)

Наружный диаметр сердечника статора по таблице 1.2

Таблица 1.2 - Внешние диаметры статоров асинхронных двигателей для различных высот оси вращения

h, мм	112
Da, м	0,191-0,197

Внутренний диаметр сердечника D:

,

где коэффициент K_D определяется по таблице 1.3

.



Таблица 1.3 - Значение коэффициента K_D

2р	4
KD	0,72-0,75

Полюсное деление ф, м

Расчетная мощность асинхронного двигателя P', (кВА)

Где K_E=0,92; з=85%; cos?=0,75;

.

Значение индуктивности и линейной нагрузки:

В_д=0,85 Тл, А=26·10³ А/м

Значение коэффициента полюсного перекрытия а_д и коэффициента формы поля к_В предварительно принимают равными:

Тип обмотки выбирается по таблице 2.1. Предварительное значение обмоточного коэффициента K_об1 выбирают в зависимости от типа обмотки статора. Для однослойных обмоток - K_об1=0,95…0,96.



Таблица 2.1 - Рекомендуемая форма паза, тип обмотки статора, значения q₁, a₁

h, мм	2р	Форма пазов статора	Тип обмотки статора	q1	a1 число параллельных ветвей	Плотность тока J1, А/мм2
						Закрытое исполнение	Защищенное исполнение
71-112	2 4	Трапецеидальная	Однослойная всыпная	4;2 3	1;2	6,3-6,5	6,5-8

Для двигателя мощностью меньшей 20 кВт выбираем закрытое исполнение

Синхронная угловая частота двигателя Щ, рад/сек:

,

где n₁ - синхронная частота вращения, об/мин

f₁ - частота питания, Гц.

Расчетная длина магнитопровода, м:

м.

Критерием правильности выбора главных размеров D и l_д служит отношение л=l_д/ф=1,879, что соответствует указанным пределам.

Для расчета магнитной цепи помимо l_д необходимо определить полную конструктивную длину и длину стали сердечника статора (l₁ и l_ст1) и ротора (l₂ и l_ст2). В асинхронных двигателях, длина сердечников статоров которых не превышает 250…300 мм, радиальных вентиляционных каналов не делают. Для такой конструкции:



2. Определение числа пазов статора Z₁ и расчет обмотки статора

Число витков фазы обмотки должно быть таким, чтобы линейная нагрузка А и индукция В_д в воздушном зазоре как можно ближе совпадали с их значениями, принятыми предварительно при определении главных размеров, а число паз статора обеспечивало достаточно равномерное распределение катушек обмотки.

Тип обмотки и форма пазов статора выбирается по таблице 2.1. Тип обмотки статора - однослойная всыпная, форма пазов статора - трапецеидальная.

Число пазов статора:

.

где m₁ - число фаз статора;

q₁ - число пазов на полюс и фазу (выбирается по таблице 2.1)

Зубцовое деление статора t_z1, мм

.

Номинальный фазный ток обмотки статора I_1н, А:

,

где m₁ - число фаз статора;

U_1ф - фазное напряжение.

Число эффективных проводников на паз:



.

где a - число параллельных ветвей (выбирается по таблице 2.1)

Число витков в фазе обмотки статора:

.

Однослойная обмотка выполняется с диаметральным шагом:

.

где в=y₁/ф - укорочение шага (для однослойной обмотки в=1)

Обмоточный коэффициент:

.

где коэффициент укорочения обмотки k_y1 и коэффициент распределения обмотки k_p1:

.

Магнитный поток Ф, Вб:

.



Уточненное значение магнитной индукции в воздушном зазоре B_д, Тл:

.

Уточненное значение линейной нагрузки А, А/м:

.

Плотность тока в обмотке статора (предварительно) выбирается в соответствии с таблицой 2.1:

Для закрытого исполнения: J₁=6.3 А/мм²

Сечение эффективного проводника фазы (предварительно) q_эф1,мм²

Для закрытого исполнения:

;

Qel1=0.611.

3. Расчет размеров пазов статора

Выбор формы сделан в соответствии с таблицей 2.1. Если форма паза трапецеидальная, то расчет следует вести по пункту А.

А) Расчет размеров трапецеидального полузакрытого паза всыпной обмотки статора.

Сначала определяется ширина зубца b_z1 мм по рекомендуемому значению индукции в зубцах B_z1, мм:



.

Где K_с=0,97 для h=86 мм; B_z1 выбирается из таблицы 3.1

Таблица 3.1 - Рекомендуемые значения индукции в ярме и зубцах статора

Ba(Тл)	Bz1(Тл)	BZmax(Тл)
	Закрытое	Закрытое
1,4-1,65	1,6-1,9	1,75-1,95

Высота ярма статора h_a1, м:

.

где B_a1 выбирается в таблице 3.1

Высота зубца h_z1, м:

.

Высота паза h_П1=h_z1=0,016 м

Ширина шлица b_ш1 должна быть такой, чтобы можно было уложить в пазы катушки по одному проводу. Отсюда ширина шлица:

.

где d_из1 для провода сечением 1,16 мм² равен 1,14 мм.

Высота клина h_К=3-3,5 мм в машинах средней мощности.

Наименьшая ширина паза в штампе b₁, мм:



;

;

.

Наибольшая ширина паза в штампе , мм:

;

.

Высота шпица h_ш1=0,8-1,2 мм. Угол в=45^о - при высоте оси вращения h?250 мм

Размеры паза в свету с учетом припусков на сборку:

;

;

.

Где значения Дh_П и Дb_П выбираются согласно таблице 3.2

Таблица 3.2 - Припуски на шихтовку

Высота оси вращения h, (мм)	Припуски (мм)
	По ширине паза - ДbП	По высоте паза - ДhП
50-132	0,1	0,1

Площади поперечного сечения паза в свету определяется с учетом припусков на шихтовку и сборку сердечников , мм²:



;

;

,

где S_пр.ш. - площадь припусков на шихтовку

Выбираем класс изоляции обмотки статора: в двигателе с высотой оси вращения h = 112 мм рекомендуется применять систему изоляции класса нагревостойкости В.

Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой, S_П1 мм²:

,

-

площадь поперечного сечения изоляции;

b_из - толщина изоляции (для изоляции нагревостойкости класса B и h = 112 мм b_из = 0,25 мм)

Коэффициент заполнения паза:

Полученное значение K_з1 должно быть в рекомендуемых пределах 0,69…0,71

После окончательного определения размер паза необходимо пересчитать индукцию в зубце:



.

Предварительная ширина зубца статора в наиболее узком месте b_z1min, мм:

.

Индукция в ярме статора, Тл:

.

4. Расчет размеров сердечника, числа пазов и обмотки короткозамкнутого ротора

Выбор воздушного заз

Для двигателей мощностью меньше 20 кВт, воздушный зазор при 2p?4 равен:

.

Число пазов ротора

2р	Число пазов статора	Число пазов ротора
		без скоса пазов	со скосом пазов
8	48	(34), 36, 44, 62, 64	35, 44, 61, 63, 65

В скобках указаны числа пазов, при которых возможно повышение вибрации двигателей.

Внешний диаметр ротора, м

.

Длина магнитопровода ротора, мм

.

Зубцовое деление ротора, мм

Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал:

.

где к_в выбирается по таблице 4.2

Таблица 4.2

h, мм	71-250
2p	2-8
кв	0,23

Ток в обмотке ротора, А:

.



где k_i коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания на отношение I₁/I₂. Его приближенное значение может быть рассчитано в зависимости от номинального коэффициента мощности cosц:

Коэффициент привидения токов для двигателей с короткозамкнутым ротором:

Площадь поперечного сечения стержня, мм²:

Плотность тока в стержнях ротора машин закрытого обдуваемого исполнения при заливке пазов алюминием выбирается в пределах J₂=(2,5…3,5)10⁶ А/м²

5. Расчет размеров пазов ротора

В большинстве случаев асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором с высотой оси вращения h ? 250 мм выполняют трапецеидальные пазы и литую обмотку на роторе. Размерные соотношения пазов b₁, b₂, h₁ обеспечивают параллельность боковых граней зубцов. В двигателях с h = 160…250 мм выполняют трапецеидальные закрытые пазы с размерами шлица b_ш = 1,5 мм, h_ш = 0,75 мм. Высота перемычки над пазом в двигателях с 2p>4 выполняют равной .

Допустимая ширина зубца, мм:

Наибольшая ширина зубца:

.

Наименьшая ширина зубца:

.

Высота зубца, м

Уточняем ширину зубцов ротора, мм:



Полная высота паза, мм:

Площадь поперечного сечения стержня, мм²:

Плотность тока в стержне, А/м:

6. Короткозамыкающие кольца

Размеры h_кл и b_кл берут приближенно, исходя из конфигурации поперечного сечения кольца. Высоту сечения кольца выбирают h_кл?1,2h_п2

Площадь поперечного сечения кольца:

.

Токи в кольце:

,

.



Плотность тока кольца:

.

Ширина замыкающих колец:

.

Высота сечения кольца:

.

Сечение замыкающих колец:

.

Средний диаметр замыкающих колец:

.

7. Расчет магнитной цепи

МДС на магнитную цепь на пару полюсов определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи:

.



Магнитное напряжение воздушного зазора на пару полюсов (А):

,

где коэффициент воздушного зазора:

;

;

.

Магнитное напряжение зубцового слоя статора (А):

;

.

напряженность магнитного поля в зубцах статора определяется при трапецеидальных пазах непосредственно по приложению С (при высоте оси вращения h ? 250 мм применяется сталь 2013).,3

Магнитное напряжение зубцового слоя ротора (А):

;

.

- напряженность магнитного поля в зубцах ротора определяется при трапецеидальных пазах по приложению С для индукции по п.5.1. Магнитное напряжение ярма статора:



;

.

определяется по приложению для индукции по п.3.21.

Магнитное напряжение ярма ротора (А):

;

.

А/м определяется по приложению для индукции по п.5.14.

Суммарное магнитное напряжение магнитной цепи:

Коэффициент насыщения магнитной цепи двигателя:

, ().

Намагничивающий ток (А):

;

В процентах от номинального тока статора:



.

Активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора

А. Сопротивление обмотки статора.

Среднее значение зубцового деления статора (м):

.

Средняя ширина катушки (секции) статора (м):

,

где - среднее значение шага обмотки статора.

Средняя длина лобовой части статора (м) для обмотки с мягкими катушками:

.

Средняя длина витка обмотки статора (м):

.

Длина вылета лобовой части обмотки статора для обмотки с мягкими катушками (м):

.



Активное сопротивление обмотки статора, приведенное к рабочей температуре 75⁰ С (для класса изоляции В), в Ом:

,

где .

Активное сопротивление обмотки статора в относительных единицах (о.е.):

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора состоит из трех частей: пазового рассеяния, дифференциального рассеяния и рассеяния лобовых частей.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора при трапецеидальном пазе:

и , ;

;

.

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния статора:



; ;

.

Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора:

.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора:

.

Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора (Ом):

.

Индуктивное сопротивление в относительных единицах:

В. Сопротивление обмотки ротора.

Среднее значение зубцового деления ротора (м):



.

Средняя ширина катушки обмотки ротора (м):

,

где . Средняя длина лобовой части катушки (м):

;

.

Средняя длина витка обмотки ротора (м):

.

Вылет лобовой части обмотки ротора (м):

.

Активное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом):

.

Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора:



.

Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к статору (Ом):

;

В относительных единицах:

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора при трапецеидальном пазе:

.

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния ротора:

;

,

Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки ротора:



.

Коэффициент проводимости рассеяния обмоток:

.

Индуктивное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом):

.

Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом):

.

Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора (о.е.):

9. Потери в стали, механические и добавочные потери

Потери в стали (магнитные потери) и механические не зависят от нагрузки, поэтому они называются постоянными потерями и могут быть определены до расчета рабочих характеристик.

Расчетная масса стали зубцов статора при трапецеидальных пазах (кг):



Магнитные потери в зубцах статора для стали 2013 (Вт):

,

для трапецеидальных пазов - .

Масса стали ярма статора:

Магнитные потери в ярме статора для стали 2013 (Вт):

.

Суммарные магнитные потери в сердечнике статора, включающие добавочные потери в стали (Вт):

Механические потери (Вт) при степени защиты IP44:

.

Дополнительные потери (Вт) при номинальной нагрузке:

.



10. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости:

.

Сопротивление взаимной индукции обмоток статора и ротора (Ом):

.

Коэффициент приведения параметров Т - образной схемы замещения к Г - образной:

.

Активная составляющая тока холостого хода при S=0:

.

Реактивная составляющая тока холостого хода при S=0:

.

Дальнейшие формулы для расчета рабочих характеристик сведены в табл. 9.1.: Расчет производится для ряда скольжений: , где .при этом номинальное скольжение 0,078.



Таблица 10.1 - Итоговые расчеты рабочих характеристик

Расчетная формула	Ед.	Скольжение S
		0,0156	0,0312	0,0468	0,0624	SH= 0,078	0,0936
1		Ом	578,9103	289,4551	192,9701	144,7276	115,7821	96,4850
2		Ом	588,3633	298,9081	202,4231	154,1806	125,2351	105,9380
3		Ом	14,782	14,782	14,782	14,782	14,782	14,782
4		Ом	588,5489	299,2734	202,9621	154,8876	126,1044	106,9644
5		А	0,6457	1,2697	1,8723	2,4534	3,0134	3,5526
6			0,9997	0,9988	0,9973	0,9954	0,9931	0,9904
7			0,0251	0,0494	0,0728	0,0954	0,1172	0,1382
8		А	0,9165	1,5392	2,1383	2,7132	3,2636	3,7895
9		А	2,9852	3,0317	3,1054	3,2031	3,3222	3,4600
10		А	2,1227	2,4001	2,7704	3,1978	3,6571	4,1314
11		А	0,6992	1,3751	2,0277	2,6570	3,2635	3,8474
12		Вт	1044,755	1754,679	2437,660	3093,041	3720,5054	4320,0273
13		Вт	255,3014	302,6633	372,1781	461,3500	567,8213	689,3865
14		Вт	11,2887	43,6590	94,9250	162,9962	245,8950	341,7686
15		Вт	11,3465	12,3542	13,6997	15,2529	16,9216	18,6452
16		Вт	358,6057	439,3455	561,4718	720,2680	911,3070	1130,4693
17		Вт	686,1497	1315,333	1876,188	2372,773	2809,1984	3189,5581
18			0,7568	0,8496	0,8697	0,8671	0,8551	0,8383
19			0,2935	0,4527	0,7184	0,7192	0,7404	0,7412
20		об/мин	738,3	726,6	714,9	703,2	691,5	679,8
21		Н·м	8,8754	17,2880	25,0631	32,2241	38,7966	44,8077

По результатам расчетов, выполненных согласно таблице 9.1, производится построение рабочих характеристик асинхронного двигателя.

После построения рабочих характеристик на оси абсцисс откладывается номинальная мощность (точка А), через точку А проводится параллельно оси ординат линия АВ, точками пересечения линии АВ с кривыми рабочих характеристик и определяются номинальные значения потребляемой мощности , тока , вращающего момента М_2Н, коэффициента мощности , коэффициента полезного действия, скорости вращения ротора и скольжения S_H.

Скольжение, соответствующее максимальному моменту:

.

Перегрузочная способность асинхронного двигателя:

;

.



Заключение

В ходе выполнения курсовой работы ознакомился с расчетом геометрических, магнитных параметров асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Рассчитал размеры, сопротивления статора, ротора, потери в стали и механические потери. По результату проделанной работы построил графики рабочих характеристик АД.



Список литературы

1. Копылов И. П. «Проектирование электрических машин» - М. Энергия, 2011 г.

2. Кацман М. М. «Справочник по электрическим машинам» - М. Высшая школа, 2008 г.

3. Алиев И. И. Асинхронные двигатели в трехфазном и однофазном режимах. Москва, Издательское предприятие РадиоСофт, 2004 г.

4. Р. М. Шидерова, А. Н. Бестерекова «Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (расчет геометрических размеров и обмоток). Методические указания к курсовой работе» - Алматы, 2014 г.

5. Р. М. Шидерова, А. Н. Бестерекова «Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (расчет параметров и рабочих характеристик). Методические указания к курсовой работе» - Алматы, 2014 г.

Размещено на Allbest.ru