Проектирование асинхронного электродвигателя

Проектирование асинхронного электродвигателя

Астраханский государственный технический университет

Кафедра «электрооборудования и автоматики судов»

Курсовой проект

по предмету электрические машины

на тему:

«Проектирование асинхронного электродвигателя»

Вариант № 11

Выполнил:

ст.гр. ДТЭА-31с

Нгуен Динь Хуен

Проверил:

Доц. Мащенко А. И.

Астрахань 2013

I. Введение

Главной целью данной курсового проекта является проверка знаний полученных студентами в курсе судовых электрических машин, и способность применять их к проектированию электрических машин.

Электрические машины применяются во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве и в быту. Во многих случаях электрические машины определяют технический уровень изделий, в которых они используются в качестве генераторов и двигателей.

В качестве объекта проектирования мне был предложен асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Принцип действия асинхронного двигателя заключается в следующем: При подключении трёхфазного питания к обмотке статора в ней протекает переменный ток, этот ток вызывает магнитный поток. В итоге в воздушном зазоре образуется переменное магнитное поле, которое вращается с определённой частотой (в моём случае 1000 об/мин)-Синхронной скоростью. Вращающийся магнитный поток пересекает обмотку ротора и наводит в ней ЭДС, т.к. обмотка ротора короткозамкнута, то в ней протекает ток. Ток ротора образует магнитный поток ротора, который в свою очередь при вращении ротора наводит противо ЭДС статора. Если частота вращения ротора превысит синхронную скорость, то асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.

Расчёт асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Исходные данные:

II. Выбор главных размеров

Число пар полюсов

Гц

Высота оси вращения (предваорительно) h=0,32 м (по рис. 6-7,а)

Принимаем ближайшее значение из табл.6-6: h= 0,315 м и

D_a=0,59м

Внутренний диаметр статора:

К_D=0.57 из табл. 6-7

Полюсное деление статора:

Расчетная мощность:

По рис 6-8:

По рис 6-9:

ð  ==215 (kBT)

Электромагнитные нагрузки:

A=50.

Обмоточный коэффициент для двухслойной обмотки:

Расчётная длина воздухного зазор

Где: Ω =

Отношение

Поперечное значение  меньше рекомендуемых пределов (рис 6-14,а) поэтому принимаем следующую меньшую из стандарного ряда (табл. 6-6) высоты оси вращения h=280 мм. Повторяем расчёты от 2 до 9

D_a=0,53 м

D=0,302 м

A=49.A/M

Значение  находится в рекомендуемых пределах

III. Определение числа пазов, числа витков в фазе и поперечного сечения проводов обмотки статора

Зубцовое деление статора асинхронного двигателя с полужёсткой обмоткой из прямоугольного провода:

предварительные значения из( табл. 6-9)

Число пазов статора

Принимаем Z1=42, тогда число пазов на полюс и фазу:

Обмотка двухслойная.

Зубцовое деление статора (окончательно):

предварительное число эффективных проводников в пазу (при условии, что а=1)

Где:

принимаем a = 2

Принимаем

Окончательное значение линейной нагрузки:

Поток в воздушном зазоре:

 (Вб)

Где:

По табл. 3-13б для q = 7:

Для q=7 принимаем ;

Индукция в воздушном зазоре:

Плотность тока в обмотке статора (предварительно):

 A/

По рис. 6-16в:  

Сечение эффективного проводника (предварительно):

)

Выберем число элементарных проводников в одном эффективном nэл=2, провод прямоугольный, тогда площадь поперечного сечения неизолированного провода qэл равна:

Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора.

В этом случае, номинальное напряжение мощностью боле 100кВТ не превышает 660 В, то принимаем полужесткую обмотку. Катушки этой обмотки наматываются из прямоугольного провода. Пазы, где помещаютя эти провода, являются полузакрытым.

Минимальная ширина зубца

Допустимая индукция в зубце статора :  (табл. 6-10)

Принимаем ,

Ширина паза (предварительно)

Ширина провода

 =0,5(13,59-2,5)=5,55 мм

Где

По табл. 3-7                

Окончательно по табл. П-29, выбираем провод ПЭПТ

С учётом табл. 3-7 состабляем таблицу заполнения паза. Размеры паза в штампе принима с учётом припусков Δ и Δ

Предварительно

Где

По табл. 6-10:

Таблица 1. Заполнение паза статора

ширина шлица паза

 мм

Высота шлица паза

 мм

Высота клиновой части паза

 м

Высота паза и зубца

Ширина зубца

Максимальная:

15,21 мм

Минимальная:

22,59-13,94 = 8,65 мм

На расстоянии 1/3 его высоты от наиболее узком части:

IV. Расчет ротора

Воздушный зазор

Число пазов ротора:

Пазы ротора без скоса

Внешний диаметр ротора:

Длина магнитопровода ротора:

 =207+5 = 212 мм

Зубцовое деление ротора:

Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал, и может быть определен по формуле:

По 6-101

Ток в стержне ротора:

 по рис 6-22

0,93.2,675.329 = 818,47 А;

Площадь поперечного сечения стержня:

Плотность тока в стержнях ротора машин закрытого обдуваемого исполнения при заливке пазов алюминием выбирается в пределах J2=(2.5 - 3.5)*10^6 А/м2 .

 А/м2

таким образом

Паз ротора.

Закрытые бутылочные пазы

Допустимое значение индукции зубца ротора в наиболее уском сечении

Тл

Принимаем высоту перемычки над пазом ;

Ширина зубца на нижнем участке

 =

Большой диаметр закругления нижней части стержня

Ширина верхней части

Принимаем

Требуемое сечение нижней части

Где сечение верхней части

Меньший диаметр закругления нижней части

 =

Расстояние между центрами закруглений нижней части стержня

 мм

Уточняем плошадь сечения стержня

) + (

 =62,24+=233,85

Высота паза

 =18+

Где:

Размеры верхней части зубца

Рамеры нижней части

бутылочный паз ротора

Плотность тока в стержне ротора (окончательно):

А/м2

Ток в короткозамыкающем кольце

Где

Плотность тока в короткозамыкающем кольце

 А/м2

Размеры короткозамыкающего кольца

.

Уточняем сечение колец

.Расчет магнитной цепи

Значения индукции

Расчётная индукция в зубцах статора

Расчётная индукция в зубцах ротора

В верхней части зубца

 = 0,93 Тл

 = 0,99 Тл

В нижней части зубца

 = 1,69 Тл

Расчётная индукция в ярме статора

Где

Расчётная индукция в спинке ротора

Где

Аксиальные каналы: ;

Магнитное напряжение воздушного зазора

Где:  = 1,279.1 = 1,279

=0  

Магнитные напряжения зубцовых зон

Статора

По табл. П20 для сталя 2312, соответственно :

Ротора

Верхняя часть

  450 А/м

= 360 А/м

 А/м

 А/м

Нижняя часть

А/м

= 89,748 A

Коэффициент насыщения зубцовых зон

 = 1,22

Магнитные напряжения ярм

Статора

Где:

 при

Ротора

435= 42,33 A

Где

 при

Суммарное магнитное напряжение магнитной цепи машины (на пару полюсов):

Коэффициент насыщения магнитной цепи:

Намагничивающий ток

Отношение

VI. Параметры рабочего режима

Активное сопротивление фазы обмотки статора

Для класса нагревостойкости изоляции F расчётная температура

Для меди Ом/м.

 _ длина проводников фазы обмотки

= .0,444+2.0,025+0,0438 =0,576 м

Где

m=

B=0,025 м

0,576)24,5 = 38,359 м

Вылет лобовых частей

0,5=0,215.0,44+0,025+0,5.0,0438 =0,145 м

Где . m =  1,095.0,408 = 0,224

= 0,015 Ом

Относительное значение

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния

=1,2

Где мм

мм

мм

При

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния

=0,207 м

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния:

По рис. 6-39,д:

Активное сопротивление клетки ротора

Принимаем литую обмотку и алюминиевый сплав с повышенным удельным сопротивлением АКМ12-4. Данный сплав обладает высокими линейными свойствами и пригоден для заливки в узкую часть паза. Удельное сопротивление данного сплава при рабочей температуре 115 равно  Ом/м

Активное сопротивление стержня

Активное сопротивление короткозамыкающего кольца

Приводим  к числу витков обмотки статора

Индуктивное сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора:

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния

Коэффициент магнитной проводимости диффиренциального рассеяния

Так как  принимаем

По рис. 6-39,а:

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния нижней части клетки

_ Коэффициент, характеризующий уменьшение проводимости пазового рассеяния части клетки вследствие явления вытеснения тока. При этом случае, принимаем

Приведённый коэффициент  к статору

Индуктивное сопротивление пазового рассеяния нижней части клетки, приведённое к статору

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния взаимной индукции нижней и верхней частей стержня

Коэффициент проводимости магнитного рассеяния общей цепи ротора

Приведённое коэффициент  к статору

Индуктивное сопротивление рассеяния общей цепи ротора, приведённое к статору

Результирующее индуктивное сопротивление рассеяния ротора к статору

=

Относительное значение

VII. Расчет потерь

Потери в стали основные

Для стали 2312:

Показатель

Для машины мощностью меньше 250 кВт: ;

Масса стали ярма и зубцов статора:

=

Где

Основные потери в стали статора:

 +

Поверхностные потери в роторе

Приходящаяся на 1 потерь поверхности головок зубцов ротора

= 2253 Вт/

Где

 _ Коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов статора (ротора) на удельные потери. Для машин мощностью больше 160кВт:

Найдем по ( рис. 6-41,б):

Полные поверхностные потери в роторе

2253.18,85.450,14 Вт

Пульсационные потери в зубцах ротора

Амплитуда пульсации индукции в среднем сечении зубцов ротора

Где

Масса стали зубцов ротора

 = 36,277 Кг

Где

Пульсационные потери в зубцах ротора:

 = 0,11.

Сумма добавочных потерь в стали

Полные потери в стали

  =

Механические потери

Для двигателя большой мощностью (0,5<<0,9)

Добавочные потери при номинальном режиме

Холостой ход двигателя

Активная составляющая тока холостого хода:

Где .=3.

=

Ток холостого хода:

Коэффициент мощности при холостом ходе:

VII. Расчет рабочих характеристик

Г-образная схема замещения асинхронной машины (а) и соответствующая ей векторная диаграмма (б).

Рассчитаем сопротивления:

Значение коэффициента:

a =

b =

Таблица №2

Данные расчёта рабочих характеристик

Номинальные данные спроектированного двигателя:

; ; ;

;

IX. Расчет пусковых характеристик

Расчёт пусковых характеристик Рассчитываем точки характеристик, соответствующие скольжениям s=1; 0,8; 0,5; 0,2; 0,1.

Подробный расчёт риведен для скольжения s=1. Данные расчёта других точек сведены в табл. 2.

Параметры с учётом вытеснения тока

Где

Для  находим  по рис. 6-46 и

Глубина проникновения вытеснения тока

Cечение проникновения вытеснения тока

Приведённое активное сопротивление ротора с учётом действия эффекта вытеснения тока:

Индуктивное сопротивление ротора

Где =

Поэтому:

По 6-239:

Индуктивное сопротивление ротора с учётом влияния вытеснения тока

Ом

Ток ротора приближенно без учёта влияния насыщения принимаем

Учёт влияния насыщения нп параметры. Принимаем для s=1, коэффициент насыщения ;

Средняя МДС обмотки, относительная к одному пазу обмотки статора

По 6,252:

Фиктивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре

По 6-253:

Где

По рис. 6-50 для  :

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения:

Индуктивное сопротивление обмотки статора с учётом влияния насыщения

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока:

Для закрытого бутылочного паза ротора:

Где:

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учётом влияния насыщения:

Прведённое индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока:

Сопротивление взаймной индукции обмоток в пусковом режиме:

По 6-267:

Расчёт токов и моментов:

По 6-268

= 0,05

По 6-269

По 6-271

Красность начальных пусковых токов и моментов

Таблица 3

Данные расчёта пусковых характеристик двигателя

X. Тепловой расчет

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя

В этой формуле:

По табл. 6-30: К = 0,22

По рис. 6-59:

Электрические потери в обмотке статора в пазовой части:

Для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости F:

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмоток статора по 6-315:

В этой формуле:

Для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости F:

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины

Где:

Электрические потери в обмотке статора в лобовых частях:

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины

Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды

Где  по рис. 6-59,в

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды

Расчёт вентиляции. Требуемый для расхода воздуха

Где:

Для h > 160 мм: m = 2,5

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором

Вывод о проделанной работе делается путем сравнения параметров рассчитанного в ходе курсового проекта двигателя с параметрами стандартного двигателя, имеющимися в справочнике.

В результате расчета были получены следующие параметры двигателя:

Мощность - 180,1 кВт

КПД - 91,6%

Коэффициент мощности - 0,914

Кратность начального пускового момента - 1,21

Кратность пускового момента при критическом скольжении - 3,863

Кратность начального пускового тока - 4,622

XI. Индивидуальное задание

Анализ влияния выбора плотности тока в обмотки ротора на характеристики и техн. экон. показатель

Для анализа влияния выбора плотности тока в обмотки ротора на характеристики мы рассматриваем что, значения плотности тока в роторе обратно пропорционально площади сечения стержня клетки ротора:

Чем больше плотность тока, тем меньше сечение стержня

А при расчёте активного сопротивления ротора, проявляется такая формула:

Где:  - активного сопротивления стержня клетки ротора и

Из таких формул, следует что, значение плотности тока непосредственно влияет на значение активного сопротивления ротора, т.е. чем больше плотность тока, тем больше активное сопротивление ротора

Рассматриваем влияние активного сопротивления на характеристики машины

Пусковой момент машины

Ясно видно что, чем больше активное сопротивление, тем больше пусковой момент машины, т.е машина будет быстро запускать.

У нас есть график, который показывает влияния активного сопротивления обмотки ротора на механическую характеристику асинхронного двигателя

Технико-экономические показатели - размеры, масса и стоимость электродвигателя - зависят от его главных размеров - внутреннего диаметра сердечника якоря и его длины. В свою очередь главные размеры зависят от мощности двигателя, частоты вращения, а также основных электромагнитных нагрузок в номинальном режиме - индукции в воздушном зазоре и линейной нагрузки.

Величина плотности тока  не входит в основное уравнение, однако, легко показать, что она весьма значительно влияет на основные размеры машины.

Действительно при возрастании  размеры паза уменьшаются и в соответствии с этим зубцы получаются шире, что даёт возможность соответственного увеличения магнитной индукции в воздушном зазоре . Таким образом, увеличение  дает возможность повысить степень использования машины.

При увеличении плотности тока часто приходится идти на некоторое уменьшение линейной нагрузки для того, чтобы потери в меди, пропорциональные произведению , удержать при этом в допустимых пределах и избежать перегрева обмоток. Здесь следует добавить, что уменьшение  при одновременном увеличении  дает экономию меди, влечет за собой уменьшение сечения пазов и увеличение сечения зубцов, что как было отмечено выше, позволяет соответственным образом увеличить магнитную нагрузку машины , т. е. повысить использование стали.

Список используемой литературы

1.       «Проектирование электрических машин»: Учеб.пособие для вузов/ И. П. Копылов, В. П. Морозкин, Б. Ф. Токарев; Под редакцией Копылова. - 2-е изд., перераб и доп. - М.: Энергоатоммздат, 1980.

2.      «Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования» :Учеб.пособие для вузов/ О. Д. Гольдберг, О. Б. Буль, И. С. Свериденко, С. П. Хелемская; Под ред. Гольдберга О. Д. - М.: Высш. шк., 2001.

.        А.В. Беспалов «проектирование асинхронного двигателя общего назначения с короткозамкнутым ротором»: учебное пособие для курсового проектирования. -Нижневартоск: Изд-во нижневарт. гуманит. уни-та, 2012.-154с.

.        Кацсман М.М. «Расчёт и проектирование элетрических машин»: учебное пособие для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 360с