14.3. Расчет обмоток асинхронного двигателя при капитальном ремонте

Заданными величинами для расчета являются геометрические размеры сердечника статора и ротора. Их получают при подготов­ке исходных данных к расчету в результате обмера.

Подготовка исходных данных к расчету. Геометрические разме­ры статора и ротора, полученные в результате обмера, приведены далее:

Площадь паза в штампе определяют расчетным путем или по оттиску паза. По имеющимся фрагментам обмотки восстанавлива­ют тип обмотки, схему соединения фазных обмоток, шаг обмотки, а по шагу определяют число полюсов обмотки, число элементар­ных проводов в катушке.

На основании результатов обмера по справочнику [2] опреде­ляют тип рассчитываемого электродвигателя. В целях упрощения данные обмера приводят к расчетным данным магнитопровода. На основании данных обмера определяют следующие величины.

Чистая длина сердечника статора, м,

где Ад — коэффициент, учитывающий уменьшение длины сердечника статора из- за изоляции листов стали (для электродвигателей четвертой серии при изоляции листов стали лаком IQ = 0,95 [1], а при изоляции листов стали оксидной пленкой Ас = 0,97; для электродвигателей серии АИР А^ принимают равным 0,97).

После проведенных расчетов выбирают главную изоляцию паза и тип обмотки [2]. Обмотки машин переменного тока принято подразделять на однослойные (концентрические, шаблонные и цепные) и двухслойные (концентрические и петлевые).

Однослойные обмотки при укладке в пазы полностью занима­ют площадь паза и поэтому имеют более высокий коэффициент заполнения, они просты в изготовлении и при ремонте. В электро­двигателях серий 4А и АИР с высотами оси вращения 50... 160 мм включительно на все числа полюсов, за исключением двухполюс­ных с высотами оси вращения 160 мм, обмотки выполняют одно­слойными.

Электродвигатели на все числа полюсов с высотами оси враще­ния 180...355 мм и двухполюсные электродвигателя с высотами оси вращения 160 мм выполняют со всыпными двухслойными обмотками. Двухслойная обмотка является шаблонной и может быть выполнена с любым шагом. Шаг двухслойной обмотки, как правило, выбирают укороченным. Степень укорочения при четы­рех и более полюсах принимают в диапазоне 0,75...0,85, а для об-

моток, имеющих два полюса, — 0,56...0,75. Более подробно с дос­тоинствами и недостатками обмоток асинхронных электродвига­телей, их схемами и методиками их составления можно ознако­миться в [2].

Расчет обмоточного коэффициента. Прежде всего для определе­ния обмоточного коэффициента необходимо знать шаг Yдля выб­ранного типа обмотки:

для однослойных обмоток

для двухслойных обмоток

Полученное расчетное значение шага должно быть целым чис­лом, поэтому дробное округляют до ближайшего целого числа. Число катушек в катушечной группе

Пазовый угол

Коэффициент укорочения

Коэффициент распределения

результате получают обмоточный коэффициент:

Расчет числа витков обмотки, приходящихся на фазу. Для опре­деления числа витков в фазной обмотке статора необходимо знать магнитный поток Ф, который зависит от индукции на отдельных участках магнитной цепи электродвигателя и прежде всего в воз­душном зазоре (В_δ), в зубцах (B_z) и в спинке статора (В_а). Опреде­лим магнитный поток по индукции в воздушном зазоре В_δ:

Индукция в воздушном зазоре В₆ зависит от наружного диамет­ра сердечника статора D_a и числа полюсов статорной обмотки элек­тродвигателя 2р. Ее определяют по графикам, приведенным в [1]. Правильность выбора индукции в воздушном зазоре проверяют по расчетным значениям индукций в спинке и зубцах.

Расчетная индукция в зубцах

Расчетная индукция в спинке статора

Для всех полученных значений магнитного потока определяют Вар и Вф, сравнивая их с допустимыми, приведенными в [2]. Они не должны превышать допустимые значения более чем на 5 %. Сравнив их, принимают значение магнитного потока Ф.

Зная магнитный поток, определяют число витков в фазной об­мотке статора:

Число витков в фазной обмотке должно быть целым. Определение диаметра обмоточного провода. Независимо от типа обмотки число эффективных проводников в пазу рассчитывают по формуле:

Число витков в катушке для обмоток:

однослойных W_кат = S_п

двухслойных W_Kат = 0,5S_п.

Расчетное число витков в катушке округляют до ближайшего целого числа.

Расчетное сечение проводника с изоляцией

Расчетный диаметр проводника с изоляцией

Если расчетный диаметр проводника с изоляцией (d_и3) больше 1,7 мм, для уменьшения диаметра проводника катушечные группы фазной обмотки включают параллельно, образуя а параллельных ветвей. Рекомендуется принимать число параллельных ветвей, равное числу пар полюсов. Уменьшить диаметр проводника мож­но и за счет изменения числа параллельных проводников в одном эффективном витке п, поэтому в общем случае число проводников в пазу можно записать:

Тогда расчетное сечение проводника с изоляцией

Расчетный диаметр проводника с изоляцией

Выбор стандартного размера и марки обмоточного провода. В за­висимости от класса нагревостойкости по таблицам, приведенным в [1], выбирают марку обмоточного провода и марку выводных проводов.

Для выбранного типа обмоточного провода на основании ре­зультатов, полученных в ходе расчетов по выражениям (14.18) и (14.19) или (14.21) и (14.22), принимают ближайшее стандартное значение размеров проводника с изоляцией и без изоляции

(d_{из госи} d_гол, q_гол) (ГОСТ 26606-85 «Провода обмоточные с эмале­во-волокнистой, волокнистой, пластмассовой и пленочной изоля­цией»).

Расчет полезной мощности асинхронного электродвигателя. При

известном сечении проводника без изоляции силу номинального фазного тока определяют по формуле:

Имеется техническое противоречие: плотность тока должна быть выбрана как можно большей, но при этом растут потери электрической мощности в обмотках ∆Р_эл1 и ∆Р_эл2, что приводит к увеличению температуры обмоток и к уменьшению коэффициен­та полезного действия электродвигателя. Для контроля правиль­ности выбора плотности тока определяют линейную нагрузку на единицу длины диаметра внутренней расточки статора по следую­щему выражению, А/м:

Полученное значение линейной нагрузки сравнивают с допус­тимым значением для данного электродвигателя, которое опреде­ляют из графиков, приведенных в [2]. Принимают такое значение фазного тока, при котором линейная нагрузка отличается от допу­стимых значений не более чем на ±5 %. Это значение фазного тока используют при дальнейших расчетах.

Полезную мощность электродвигателя рассчитывают по фор­муле:

Цель конструкторского расчета обмоток — определение гео­метрических размеров катушек, расчет сопротивления фазной об­мотки статора и определение веса обмоточного провода.

Определение геометрических размеров катушек. Средняя шири­на катушки обмотки статора равна ее среднему шагу, м:

Все величины, подставляемые в выражение (14.26), должны из­меряться в системе СИ.

Длина лобовой части витка, м,

Значения К и l_п приведены в [9].

Средняя длина витка, м,

Расчет сопротивления фазной обмотки статора и определение веса обмоточного провода. Сопротивление фазы обмотки статора опре­деляют по выражению

Масса обмоточного провода без изоляции (голого), кг,

Масса обмоточного провода с изоляцией

Приведенная методика позволяет пересчитать обмоточные данные электродвигателя на новое напряжение или новую частоту вращения, используя для этой цели железо базового электродвига­теля. При пересчете на другую частоту вращения необходимо все­гда проверять соотношение числа пазов статора, ротора и числа пар полюсов [1].

4. РАСЧЕТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИ КАПИТАЛЬНОМ РЕМОНТЕ

При полных исходных данных трансформатора для ремонта обмо­ток за образец берут старую обмотку и выписывают ее основные данные: тип обмотки, число витков в слое, число слоев и т. д. и по указанным данным восстанавливают обмотку. В этом случае ка­-

кой-либо расчет практически не нужен. Весь расчет сводят к оп­ределению расхода проводниковых материалов.

При частичных данных, например отсутствии паспортных дан­ных трансформатора, но наличии данных старой, вышедшей из строя обмотки, расчет обмоток сводят к определению типоразмера трансформатора и основных его параметров: мощности, напряже­ния, номинального тока, и проверке работоспособности транс­форматора в условиях эксплуатации.

Наиболее сложным является расчет при отсутствии паспорт­ных данных и данных старой обмотки. Расчет в этом случае сводят к электрическому и конструкторскому расчету обмоток по извест­ным геометрическим размерам магнитной системы. В результате расчета определяют типоразмер трансформатора и основные его параметры. Полученные данные сравнивают с аналогичными па­раметрами типового электрооборудования того же класса напря­жения и той же мощности.

На стадии проектирования не удается точно предвидеть усло­вия эксплуатации трансформатора и приходится ориентироваться на среднестатистические данные. Они могут существенно отли­чаться от фактических условий. Такое же несовпадение может быть между расчетными и фактическими режимами работы транс­форматора. Кроме того, в процессе эксплуатации трансформатора может происходить изменение его характеристик за счет износа отдельных элементов. Поэтому при эксплуатации часто возникает необходимость расчета обмоток трансформатора с учетом конкре­тизации условий эксплуатации трансформатора с дальнейшим восстановлением эксплуатационных показателей при капиталь­ном ремонте.

Иногда заказчик требует изменить паспортные данные транс­форматора для использования его в новых условиях. Поэтому при капитальном ремонте приходится выполнять пересчет обмоток на другое напряжение или на другую мощность.

В процессе эксплуатации могут измениться условия эксплуа­тации трансформатора — увеличиться или уменьшиться нагруз­ка на трансформатор. При малой нагрузке трансформатор име­ет низкие значения КПД, cos ср. Увеличение нагрузки приводит к улучшению энергетических показателей, но при этом возни­кают отрицательные последствия — перегрев и снижение надеж­ности трансформатора. Поэтому для оптимизации эксплуатаци­онных показателей трансформатора приходится рассчитывать обмотки, приспосабливая трансформатор к новым условиям экс­плуатации.

Расчет обмоток при известных данных магнитной системы сво­дят к определению данных электрической системы, мощности и основных параметров. Так как геометрические размеры заданы, то мощность зависит от электромагнитных нагрузок — магнитной индукции и плотности тока. Поэтому их выбор считают самым от-

ветственным этапом расчета. Он основан на рекомендациях, вы­работанных в практике проекти­рования электрооборудования. Для этого по основным парамет­рам магнитной системы опреде­ляют ориентировочную мощ­ность и по ней выбирают элект­ромагнитные нагрузки.

По выбранной индукции и исходным данным определяют необходимое число витков обмо­ток и по известной площади оп­ределяют сечение провода об­мотки. Выбрав плотность тока в обмотке, рассчитывают ток фазы, а затем мощность транс­форматора. Для проверки пра­вильности расчета мощности рассчитывают основные пара­метры трансформатора и сравни­вают их с аналогичными пара­метрами типового трансформа­тора того же класса напряжения

и той же мощности.

При изготовлении и ремонте трансформаторов применяют электротехнические стали марок: 1511, 1512, 3411, 3413. С целью получения исходных данных для расчетов проводят обмер магни­топровода трансформатора, в процессе которого определяют раз­меры, показанные на рисунках 14.1 — 14.3.

Расчет обмоточных данных трансформатора. По геометрическим размерам магнитопровода определяют сечение и диаметр стержня D_ст. Сечение стержня, м²,

Сечение ярма без изоляции, м²,

Диаметр стержня, м,

После проведения этих расчетов можно приступить к опреде­лению числа витков первичной и вторичной обмоток трансформь - тора. Для этого определяют электродвижущую силу первичной об­мотки трансформатора, В:

Примечание. Допустимую индукцию в стержнях трансформаторов при диа­метре стержня более 0,14 м принимают равной 1,7 Тл.

Из выражения (14.32) определяют число витков первичной об­мотки трансформатора, зная остальные величины:

Число витков вторичной обмотки рассчитывают аналогично:

При соединении вторичной обмотки трансформатора в зигзаг число витков определяют по формуле:

Рассчитанное число витков первичной и вторичной обмоток * следует округлить до целого числа.

Сечение обмоточного провода для первичной обмотки. Для опре­деления размеров обмоточного провода необходимо знать сечение окна трансформатора Q_ок = C_0KL_CT и сечение окна трансформато­ра, приходящееся на одну обмотку Q_об

Расчетное сечение проводников обмотки с изоляцией, мм²,

Расчетный диаметр проводника с изоляцией, мм,

Расчетный диаметр проводника без изоляции, мм,

При изготовлении обмоток трансформатора применяют прово­да марок: ПБ, АПБ, ПСД, ПСДК. Рассмотрим характеристики этих проводов.

ПБ — провод медный с изоляцией из кабельной бумаги. Вы­пускают диаметром 1,32...8 мм, а прямоугольный провод этой марки имеет следующие размеры: меньший — 0,80...6,00 мм; боль­ший — 2,00...20,00 мм.

АПБ — провод алюминиевый, изолированный лентами кабель­ной бумаги. Класс нагревостойкости А. Выпускают тех же разме­ров, что и провод ПБ.

ПСД — провод медный с изоляцией из бесщелочного стекла, наложенного двумя слоями с подклейкой и пропиткой нагрево­стойким лаком. Класс нагревостойкости «В».

ПСДК — провод медный с той же изоляцией, но с подклейкой и пропиткой кремнийорганическим лаком.

Провода ПСД и ПСДК применяют обычно при изготовлении и ремонте сухих трансформаторов. Стандартное значение диаметра проводника без изоляции можно найти в ГОСТ 26606-85.

Сечение обмоточного провода для вторичной обмотки. Расчетное сечение проводника с изоляцией, мм²,

Обычно в силовых трансформаторах для вторичных обмотки используют проводники прямоугольного сечения. Высоту h₂ и ширину вторичной обмотки Ь₂ выбирают таким образом, чтобы выполнялось следующее условие:

Из соотношения S=mU_1фI_1ф определяют фазный ток в первич­ной обмотке, А:

Рассчитывают плотность тока в первичной обмотке, А/мм²:

Полученную плотность тока в первичной обмотке сравнивают с допустимой. Если плотность тока находится в допустимых преде­лах, то продолжают расчет параметров трансформатора, если нет, то уменьшают допустимую плотность тока или принимают мень­шее значение мощности трансформатора из стандартной шкалы мощностей. После этого рассчитывают конструктивные размеры об­моток. Под обмоткой высшего напряжения (ВН) будем понимать первичную обмотку, а под обмоткой низшего напряжения (НН) — вторичную обмотку. Этот расчет заключается в следующем.

Определяют число витков в одном слое для обмоток ВН и НН:

Число слоев обмоток ВН и НН

Радиальные размеры обмоток ВН r_o61 и НН r _об2

При этом межслоевое напряжение, необходимое для опреде­ления толщины материала изоляции, вычисляют следующим об­разом:

После этого проверяют правильность размещения обмоток в окне трансформатора, при этом должно выполняться условие:

Если это условие выполнено, то определяют дальнейшие пара­метры трансформатора.

М

Тогда средняя величина диаметров обмоток равна:

асса обмоток высшего и низшего напряжений. Ее можно опре­делить,

зная внутренний и наружный диаметры обмоток:

Зная эти размеры, можно определить массу обмоток из медных или алюминиевых проводов соответственно:

Коэффициент полезного действия трансформатора

Реактивная составляющая тока холостого хода

Активная составляющая тока холостого хода

Тогда полное значение тока холостого хода

Для проверки правильности расчетов находят удельную тепло­вую нагрузку трансформатора и сравнивают ее с допустимыми значениями, приведенными в [1]. Удельная тепловая нагрузка первичной обмотки, Вт/м²,

Удельная тепловая нагрузка вторичной обмотки, Вт/м²,