Перевірочний розрахунок асинхронних електродвигунів с короткозамкненим ротором

«Перевірочний розрахунок асинхронних електродвигунів с короткозамкненим ротором»

асинхронний двигун ротор

Зміст Вступ Завдання на курсовий проект Розрахункова частина

1. Визначення додаткових параметрів

2. Розрахунок магнітного ланцюга

3. Параметри обмоток двигуна

4. Втрати і КПД асинхронного двигуна

5. Робочі характеристики двигуна

6. Розрахунок механічної характеристики

7. Тепловий розрахунок

8. Розрахунок масовартівних показників Висновки Список літератури

ВСТУП Асинхронною машиною називається двохобмоткова електрична машина перемінного струму, у котрій одна обмотка (первинна) одержує живлення від електричної мережі з постійною частотою f1, а вторинна замикається накоротко або на електричний опір.

На долю асинхронних двигунів (АД) припадає до 90% усіх електродвигунів, що випускаються. Широке їхнє поширення обумовлене простотою конструкції, надійністю в роботі, добрими експлуатаційними властивостями, невисокою вартістю та простотою обслуговування.

Галузі застосування АД досить широкі - від побутових електроприладів до великих верстатів і агрегатів, підйомних пристроїв, транспортних засобів і т.п. Відповідно до цього одинична потужність випуску АД становить від часток вата до тисяч кіловатів.

Широкому використанню АД в сучасному електроприводі сприяє розробка ряду електронних пристроїв, що дозволяють розширити регулювальні властивості двигуна.

В даний час асинхронний електропривод одержує усе більш широке поширення у всіх областях життєдіяльності людини, а тому що автоматизовані системи проектування, аналізу й оптимізації займають невід'ємну частину при розробці тих або інших систем і механізмів, отже виникає необхідність у написанні подібних програмних комплексів для проектування, аналізу й оптимізації асинхронного електропривода. Найбільш перспективним є тиристорний асинхронний електропривод, що забезпечує регулювання частоти обертання, інтенсивні динамічні і повторно-короткочасні режими роботи, плавний пуск або розгін великих махових мас, часті гальмування, реверси, повторні включення і т.п.

До недоліків АД слід віднести споживання з мережі реактивного струму, необхідного для створення магнітного потоку.

АД мають відносно високі ККД і cosц. При потужностях більш ніж 1кВт: з = 0,7 — 0,95, cosц = 0,7 — 0,9.

Трифазні, двофазні, однофазні АД випускаються таких модифікацій:

* з підвищеним пусковим моментом;

* з підвищеним ковзанням;

* багато швидкісні двигуни;

* на частоту 60 Гц;

* мало шумні;

* для роботи від тиристорного перетворювача;

* тропічного, влагоморозостійкого;

* хімостійкого;

* вибухозахищеного виконань.

ЗАВДАННЯ НА КУРСОВИЙ ПРОЕКТ Вихідні дані до курсового проекту приведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Для даної асинхронної машини, що має висоту осі обертання Ho=132 см застосовується ізоляція класу F.

Магнитопровод виконаний з аркушів електротехнічної сталі типу СТ-2013.

Рис 2. Трапеціідальний паз статора (Js=4)

Рис. 3. Напівзакритий паз ротора (Jr=1)

РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

1.Розрахунок додаткових параметрів Визначення розмірів пазів статора:

hk1 = b2/2

hk1=0,81/2=0, 405 см

h2 = 2hік

h2=2• 0,025=0,05 см де hик — корпусна ізоляція по висоті паза (hик =0.04)

Трапецоїдні пази статора:

h1 = hп1 — hш1 — hк1 — h2

h1=1,26 — 0,05 — 0,405 — 0,05 = 0,755 см Визначення розмірів провідників обмотки статора Відповідно до заданого значення діаметра голого провідника визначається діаметр ізольованого елементарного провідника і його перетин:

dг = 0,08 см; dиз = 0,0865 см; Qэл = 0,503 мм²

Визначення розмірів пазів ротора:

h12 = hп2 — hш2 — hм — b/2 — b''/2

h12=1,6 — 0,05 — 0 — 0,68/2 — 0,34/2 = 1,04 см Розрахунок перетину стрижня паза ротора:

мм2

Визначення довжини сердечників статора і ротора:

Тому що Ho < 250 мм, то довжину сердечника ротора приймають рівній розрахунковій довжині L1=L2=L=10 см.

Визначення внутрішнього діаметра ротора

DB = KB D

де KB=0.23;

DB = 0,23 • 8,4 = 1,932 см Вибір кількості (Кка) і діаметра (Dка) аксіальних каналів:

Кка = 0 Dка = 0

Nка = 0

2. Розрахунок магнітного кола У результаті виконання даних розрахунків визначаються магнітна індукція і напруженність на всіх ділянках магнітного кола, знаходяться коефіцієнти насичення і намагнічувальний струм.

Розрахунок основного магнітного потоку:

Вб де коефіцієнт Ке = 0,98;

W1- число витків, послідовно з'єднаних у фазі обмотки статора;

витків

W1=304 — число витків, послідовно з'єднаних у фазі обмотки статора;

К01=КРКуКск — обмотувальний коефіцієнт статорної обмотки.

К01 = 0,9577 · 0,96 579 · 0,99 676 = 0,9219

Кр — коефіцієнт розподілу

q1 — число пазів на полюс і фазу

паза Ку — коефіцієнт скорочення

в — відносне укорочення кроку обмотки Кск — коефіцієнт скосу пазів ротора ф — полюсний розподіл:

см Величина індукції в повітряному зазорі:

Тл де бд= 2/р=0,637 — коефіцієнт полюсного перекриття

Магнітна напруга повітряного зазора:

Fд = 1,59 • 0,04 • 1,188 • 0,71 139 • 104 = 534,504 А де Кд=Кд1•К д2 — коефіцієнт повітряного зазору, що враховує вплив зубцевостатора Кд1 і ротора К д2

Кд = 1,152 · 1,031 = 1,188

тут t1 і t2 — зубцові ділення статора і ротора Розрахунок величини індукції в зубцях статора:

де bz1ср — середня ширина зубця статора, що дорівнює половині суми найменшого і найбільшого розмірів зубців у штампі.

Кс-коефіцієнт заповнення пакета сталлю, що дорівнює для АД з висотою осі обертання H<250мм (Кс=0,97)

Магнітна напруга зубцевого шару статора:

Fz1=2• 1900 •1,26•10−2 = 47,88 А При >1,8 Тл величина напруженості магнітного поля в зубцях статора визначається за кривими намагнічування залежно від марки електротехнічної сталі і коефіцієнта Кп1

— розрахункова висота паза статора:

Для трапецеїдального паза:

Величина напруженості магнітного поля в зубці статора (Hz1) визначається в залежності від марки електротехнічної сталі(2013) і величини індукції. У даному випадку Hz1= 1900 A/м Розрахунок величини індукції в зубцях ротора:

де bz2ср — середня ширина зубця ротора, що дорівнює половині суми найменшого і найбільшого розмірів зубців у штампі.

для напівзакритого:

Магнітна напруга зубцевого шару ротора:

Fz2 = 2•1700 • 1,566· 10−2= 53,24 см Величина напруженості магнітного поля в зубці ротора Нz2 визначається за кривими намагнічування з урахуванням коефіцієнта Кп2

h?п2 — розрахункова висота паза ротора

h?п2 = hп2 — 0,1•b"

h?п2= 1,6 — 0,1• 0,34= 1,566 см Величина напруженості магнітного поля в зубці статора (Hz2) визначається аналогічно величині Hz1. У даному випадку Hz2=1700 A/м.

Магнітна індукція в спинці статора:

Тл де hс — розрахункова висота спинки статора

см Магнітна напруга спинки статора:

Fc = 610 · 20,279 • 10−2 = 123,7 А

lc — довжина середньої магнітної лінії спинки статора

см Магнітна індукція в спинці ротора:

Тл

hp — розрахункова висота спинки ротора

Магнітна напруга спинки ротора:

Fp = 309 • 3,19 • 10−2 = 9,851 А

lp — довжина середньої магнітної лінії спинки ротора см Розрахункове значення висоти спинки ротора:

см Сумарна МРС магнітного кола машини (на пару полюсів):

Fкола = 534,504 + 47,88 + 53,24 + 123,7 + 9,851 = 769,175 А Намагнічувальний струм статора:

А Значення I1 порівнюється з припустимими значеннями:

А Коефіцієнт насичення магнітного ланцюга:

Протокол № 1 роботи на етапі розрахунку магнітного ланцюга АМ

3. Параметри обмоток двигуна У цьому розділі визначаються активний і реактивний опір обмоток статора і ротора, індуктивний опір галузі намагнічування схеми заміщення двигуна змінного струму.

Розрахунок коефіцієнта заповнення паза статора:

Коефіцієнт заповнення площі паза голою міддю:

де Sп — площа паза у світлі. Розрахунок Sп проводиться з обліком того, що відповідно до умови паз має трапеціідальну форму (мал.2.2)

Технологічний коефіцієнт заповнення вільної площі паза ізольованим провідниковим матеріалом Де S`п — вільна площа паза

S`п = 113,3 — 10,95 — 21,465 = 80,885 мм²

де Sіз — площина корпусної ізоляції

Sіз = 4,38 • 0,025 • 102 = 10,95 мм²

де bік — однобічна товщина ізоляції в пазу статора, см Периметр трапеціідального паза Пп1=2 •1,26 + 1,01 + 0,81 = 4,38 см Площа паза під клин, мм2

мм2

Активний опір фази обмотки статора, приведений до розрахункової робочої температури:

Ом де м — питомий електричний опір міді при розрахунковій робочій температурі. Для обмоток з ізоляцією класу нагрівостійкості B (tp=75C) приймається рівної 0.0217 Оммм2/м

lcp1 — середня довжина витка обмотки статора; lл1 — середня довжина однієї лобової частини котушки;

lср1 = 2 • (lд +lл1)

•(10 + 20,077) = 60,154 см Середня довжина однієї лобової частини котушки:

см Коефіцієнт магнітної провідності пазового розсіювання обмотки статора:

Для напівзакритого трапецеїдального паза:

При діаметральному кроці двошарових обмоток і для всіх одношарових обмоток

Коефіцієнт магнітної провідності диференціального розсіювання обмотки статора:

де q1, t1, K01, K — визначені раніше

Kpt1 — коефіцієнт, що враховує реакцію струмів, що демпфірує, наведених в обмотці короткозамкненого ротора вищими гармоніками поля статора. Kpt1=0,84; q1=4; t1=1,099 c.; K01=0,9219; Kд1=1,188;

Kш1 — коефіцієнт, що враховує вплив відкриття пазів статора на провідність диференціального розсіювання

Kд1=0,0089 — коефіцієнт диференціального розсіювання обмотки статора;

Коефіцієнт магнітної провідності розсіювання лобової частини обмотки статора:

Для петльових, хвильових двошарових обмоток, одношарових петльових і шаблонових в розвал :

Індуктивний опір розсіювання однієї фази обмотки статора:

Ом Активний опір стрижня ротора, приведений до робочої температури:

де al — питомий електричний опір литий алюмінієвої обмотки.

al=0,044 см· мм2/м

Ом Рис. 4. Розміри короткозамикаючого кільця ротора з литою кліткою Активний опір ділянки короткозамикаючого кільця між двома сусідніми стрижнями при розрахунковій робочій температурі, приведене до струму статора де Dk — середній діаметр короткозамикаючого кільця

qk — перетин кільця

qк = 1,7 • 1,41 • 102 = 239,7 мм²

Dk = 8,4 — 2• 0,04- 1,7 = 6,62 см Активний опір обмотки ротора:

r2= rc + rk

r2 = 5,81 • 10−5 + 3,898 • 10−5 = 9,708 • 10−5 Ом Активний опір обмотки ротора, приведений до обмотки статора:

r'2=Kпр1r2

r`2 = 47 433,469 • 9,708 •10−5 = 4,6048 Ом

де Кпр1 — коефіцієнт приведення опору обмотки ротора до обмотки статора Коефіцієнт магнітної провідності пазового розсіювання ротора для напівзакритого паза:

Попереднє значення номінального струму в стрижні ротора:

А Коефіцієнт магнітної провідності диференціального розсіювання ротора:

де Кд2 = 0,0075 — коефіцієнт диференціального розсіювання обмотки ротора, в залежності від:

Коефіцієнт магнітної провідності розсіювання короткозамикаючих кілець литої клітки ротора:

Коефіцієнт магнітної провідності скосу пазів:

Індуктивний опір розсіювання обмотки ротора:

Х2 = 7,9 • 50 • 10 •(1,4197+0,6516+2,1616+1,425) • 10−8 = 2,235 • 10−4 Ом приведене до обмотки статора:

Х?2 = Х2 • Кпр1

Х?2 = 2,235 • 10−4 • 47 433,469 = 10,601 Ом Опір взаємної індукції:

Ом Протокол № 2 роботи на етапі розрахунку параметрів асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором

4. Втрати і КПД асинхронного двигуна У даному розділі виробляється розрахунок і визначення величини складових втрат в асинхронному двигуні з короткозамкненим ротором при номінальному навантаженні.

Основні магнітні втрати в спинці статора:

Вт де Gc1 — розрахункова маса спинки статора, P1/50 — питомі магнітні втрати (залежать від марки сталі). Др1/50=1,75;

кг Основні магнітні втрати в зубцях статора:

Вт де Gz1 — розрахункова маса зубцевого шару

кг Основні магнітні втрати в двигуні:

Вт Електричні втрати в обмотці статора:

Вт Електричні втрати в обмотці ротора:

Вт Механічні втрати для двигуна типу IP-44:

Вт де Кт=1

Додаткові втрати при номінальному навантаженні:

Вт Сумарні втрати:

кВт Споживана двигуном потужність:

кВт Коефіцієнт корисної дії:

Протокол № 3 роботи на етапі розрахунку робочого режиму АМ

5. Робочі характеристики двигуна В основу аналітичного методу розрахунку робочих характеристик асинхронного двигуна покладена схема заміщення з винесеним контуром, що намагнічує, (Г-образна схема). Розрахунок виконується для номінального навантаження.

Рис. 5. Схема заміщення з винесеним контуром, що намагнічує (Г-подібна схема) Повна механічна потужність при обраному навантаженні:

P2'=P2н103 + Pдоб + Рмех

P2' = 3 •103 + 15 + 4,48 = 3019,48 Вт Ковзання при обраному навантаженні:

де, А — функція повної механічної потужності

і - розрахункові опори

Ом Ом Еквівалентний опір робочого ланцюга схеми заміщення, по якій проходить струм I2''=I2'/C1

Ом де С1 = 1 + x1/xм — коефіцієнт приведення.

C1 =

Ом

Ом Приведене значення струму в обмотці ротора:

I2' = C1I2''

I2' = 1,025 2,975 = 3,05 А

де — струм у робочому ланцюзі схеми заміщення

А Коефіцієнт потужності в робочому ланцюзі схеми заміщення:

Активна складова струму I''2 :

А Реактивна складова струму I''2 :

А Активна складова струму статора:

А де — активна складова струму ідеального холостого ходу

А Реактивна складова струму статора:

А де I0p=I — реактивна складова струму ідеального неодруженого ходу Струм статора асинхронного двигуна:

А Коефіцієнт потужності двигуна:

Споживана двигуном потужність:

Pэ1=3I1H2r1

Pэ1=3 • 3,42 • 7,889 = 273,63 Вт

Pэ2=3I2??2С12r2'

Pэ2=3 • 2,9752 • 1,0252 • 4,6048 = 128,456 Вт

P1Н = P2Н103 + Pс1 + Pэ1 + Pэ2 + Pмех + Pдоб

P1Н = 3 • 103 + 74,761 + 273,63 + 128,456 + 4,48 + 15 = 3496,327 Вт Частота обертання ротора:

об/хв КПД при обраному навантаженні:

%

Електромагнітний момент:

Нм Номінальний момент на валові двигуна:

Нм

6. Побудова механічної характеристики М=f (s)

У результаті виконання пунктів даного розділу отримана залежність електромагнітного моменту від ковзання, що характеризує пуск і розгін двигуна.

Максимальний електромагнітний момент:

Критичне ковзання:

Механічна характеристика по формулі Клосса:

Струм споживаний двигуном у режимі пуску:

Розрахунок і побудова механічної характеристики М'=f (s) :

Нехай U' = 342 В де — максимальний момент, що відповідає напрузі U'

Скориставшись «новими», зміненими параметрами живильної мережі і розрахувавши всі зміни моменту, виробляється побудова механічної характеристики з напругою живильної мережі даного електродвигуна = 342 В.

По отриманим розрахунковим даним будується механічна характеристика асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. Графік залежності представлений на мал. 6

7. Тепловий розрахунок Задача теплового розрахунку складається у визначенні перевищення температури різних частин машини. Результати теплового розрахунку показують правильність вибору електромагнітних навантажень, підтверджують можливість застосування в машині електроізоляційних матеріалів прийнятого класу нагрівостійкості.

Фізична картина теплових процесів в електричних машинах дуже складна, точне визначення розподілу температури шляхом теплового розрахунку практично неможливо, тому при проектуванні звичайно обмежуються наближеним тепловим розрахунком із застосуванням ряду коефіцієнтів, значення яких установлені досвідом практики.

Спрощений тепловий розрахунок, виконуваний для номінального навантаження, визначає середнє перевищення температури обмотки статора (як найбільш нагріваємої частини машини) над температурою навколишнього середовища.

Перевищення температури внутрішньої поверхні сердечника статора над температурою повітря усередині двигуна:

ъС де — електричні втрати в пазовій частині обмотки статора

Вт Кр — коефіцієнт збільшення втрат порівняно з отриманими для розрахункової температури;

Кр = 1,15;

К — коефіцієнт, враховуючий частку втрат в осерді статора, переданих повітрям усередину двигуна;

К = 0,22

&1 — коефіцієнт тепловіддачі з поверхні осердя статора в залежності від виконання; &1 = 152 ;

Перепад температури в ізоляції пазової частини обмотки статора:

ъС де ПП1 — розрахунковий периметр поперечного переріза паза статора

— середня еквівалентна провідність пазової ізоляції

— середнє значення коефіцієнта теплопровідності внутрішньої ізоляції котушки всипної обмотки:

лекв = 0,16; л’екв = 1,05;

Перепад температури по товщині ізоляції лобових частин:

ъС

де Плоб1 — периметр умовної поверхні охолодження лобової частини однієї котушки, Плоб1 =Пп1

Вт Перевищення температури зовнішньої поверхні лобових частин над температурою повітря усередині машини:

ъС де lвил1 — довжина вильоту лобової частини обмотки

lвил1 = Kвил1bкг + В

lвил1 = 0,26 • 14,273 + 1 = 4,702 см Середня ширина котушки:

bкг = (Da + 2hп1) • /2p

bкг = = 14,237 см

— відносне укорочення кроку, Квил1 = 0,26;

Середнє перевищення температури обмотки статора над температурою повітря усередині машини:

ъС Середнє перевищення температури повітря усередині двигуна над температурою охолодного середовища:

ъС де В — коефіцієнт підігріву повітря (В = 20 Вт/м2С)

— сума втрат, що відводяться в повітря усередині двигуна

Вт

Вт де УДp-сума усіх втрат у двигуні при номінальному режимі і розрахунковій температурі

де Прумовний периметр поперечного переріза ребер станини м2

Середнє перевищення температури обмотки статора і температури стали над температурою навколишнього середовища:

С

С Протокол № 4 роботи на етапі теплового розрахунку

8. Розрахунок масовартісних показників У даному розділі здійснюється розрахунок мас активних матеріалів, вартостей втрат активної енергії і компенсації реактивної енергії.

Маса обмотувального проводу обмотки статора без ізоляції:

де Nп — число ефективних провідників у пазу, Nэл — число елементарних провідників в ефективному, qэл — перетин елементарного провідника, lcp=lcp½ — середня довжина половини витка обмотки статора, m — питома маса міді 8,9г/см3

Маса алюмінію короткозамкненого ротора (складається з мас стрижнів і мас короткозамикаючих кілець):

де qc — перетин стержня, мм2;

Dк — середній діаметр коротко замикаючого кільця, см;

г а1 = 2,6 г/см — питома маса алюмінію

Заготівельна вага електротехнічної сталі:

кг де Daзовнішній діаметр статора, см;

— припуск на штампування (прийняти рівним 0,7 см);

lд — розрахункова довжина статора, см;

г ст =7,9 г/см3 — питома маса стали Вартість втрат активної енергії, виконувана при номінальному навантаженні:

грн.

де = 0,35 грн — середня собівартість 1 кВтгод електроенергії протягом терміну служби електродвигуна, грн.;

n — число годин роботи двигуна в плині року (n=1500ч);

t — число років роботи до капітального ремонту (t = 5 років)

Р2Н — номінальна потужність двигуна, квт;

— КПД двигуна при заданому коефіцієнті завантаженню =Р2/Р2Н;

а — відносна величина втрат у розподільній мережі споживача (а = 0,04)

Вартість компенсації реактивної енергії:

грн де =13,5 грн. — вартість 1 кВАр реактивної потужності пристроїв, що компенсують, грн.;

Кму — коефіцієнт участі двигуна в максимумі навантаження системи (Кму =0,25);

— тангенс, що відповідає коефіцієнтові потужності (cos=0.9), при якому споживана реактивна енергія не вимагає додаткової оплати.

Протокол № 5 роботи на етапі розрахунку вартості

Висновки У ході проробленої роботи був виконаний перевірочний розрахунок ром потужністю 3 кВт із висотою осі обертання 90 мм. Був виконаний розрахунок магнітного ланцюга, параметрів обмоток, енергетичних показників, механічних характеристик, теплових і вагововартівних показників.

Зроблено аналіз ручного розрахунку, розрахунку на ЕОМ і досвідченого даних діючого асинхронного привода з короткозамкненим ротором. У ряді аналізованих величин спостерігалася розбіжність за значеннями, що обумовлено поруч причин:

розрахунок вироблявся на лічильно-обчислювальній апаратурі, що дає хоч і не значну погрішність, але при перерахуваннях допускалися округлення до 2-х, 3-х знаків дробової частини чисел. Сумарна погрішність для конкретних величин не перевищила 10%, що допускається умовами розрахунку.

більшість використовуваних залежностей носять чисто емпіричний характер, що прямо пов’язано c точністю розрахунку.

У ході розрахунку магнітного ланцюга значних відхилень у значеннях розрахункових величин не спостерігалося. Розрахункові значення магнітних індукцій не цілком відповідають межам, зазначеним у.

При розрахунках втрат у двигуні спостерігалася розбіжність з експериментальними даними, це також може бути зв’язане з тим, що не були враховані усі втрати, що виникають в електродвигуні.

У процесі роботи машина нагрівається, це впливає на опір її обмоток. Тому при розрахунку утрат випливає значення опорів обмоток приводити до цілком визначеної температури.

Розбіжність механічних характеристик порозумівається тим, що формула Клосса носить чисто емпіричний характер, і може застосовуватися тільки для спрощеного розрахунку механічних характеристик.

Список літератури:

1. Методичні вказівки до курсового проектування «Перевірочний розрахунок асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором потужністю 0.6…100 квт» для бакалаврів-електротехніків /Сост. Петрушин В. С., Шевченко В. П., Мамзелев В. А. — Одеса, ОГПУ, 1994. — 66 с.

2. Контрольно-прикладна програма «AM», склав доц. Шевченко В.И.

3. «Проектування електричних машин» /Сост. Копилов И. П., Горяинов Ф. А., Жмутів Б.К. і ін.; під ред. И. П. Копилова.- М.: Енергія, 1980. -496c .