Синхронные генераторы и двигатели

Параметры		Последняя цифра шифра
		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Номинальная мощность, Р2кВт	СГ	30	45	55	75	90	132	160	250	400	630
	СД	400	500	315	250	400	315	160	132	200	75
Количество фаз статора m1		3	3	3	3	3	3	3	3	3	3
Способ соединения фаз статора		Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
Частота напряжения f, Гц		50	50	50	50	50	50	50	50	50	50
Коэффициент мощности Cosφ		СГ -0.8 (отстающий) СД– 0,9 (опережающий)
Номинальное линейное напряжение Uл, кВ	СГ	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4
	СД	6	10	6	6	6	6	0,38	0,38	0,38	0,38
Способ возбуждения		От специальной обмотки, заложенной в пазы статора
Степень защиты от внешних воздействий		Защищенное - IP 23
Способ охлаждения		Самовентиляция - IC 01
Способ монтажа		IM 1001
Климатические условия		СГ - У2 СД – У4
Класс нагревостойкости изоляции		F

Для всех вариантов форма выступающего конца вала – цилиндрическая, способ соединения с приводным двигателем – упругая муфта.

Частоту вращения ротора следует выбирать по предпоследней цифре шифра. Для синхронных генераторов: для четных – 1000 об/мин, для нечетных – 1500 об/мин.

Для синхронных двигателей: для четных - 750 об/мин, для нечетных – 600 об/мин.

Пояснительная записка проекта (работы) синхронной машины должна содержать следующие разделы:

1. Электромагнитный расчет (выбор электромагнитных нагрузок, типа обмотки, выбор размеров пазов, расчет кривой намагничивания и т.п.).

2. Определение параметров машины (активных и индуктивных сопротивлений установившегося режима, а также переходного и сверхпереходного процессов).

3. Определение постоянных времени переходных процессов, кратностей токов короткого замыкания, ударного тока к.з.

4. Построение векторных диаграмм ЭДС Блонделя или МДС Потье (на выбор).

5. Построение характеристик холостого хода, трехфазного короткого замыкания, регулировочной и угловой.

Целью выполнения проекта (работы) является закрепление знаний, полученных при изучении теоретического курса электрических машин, и ознакомление с основными элементами расчета и конструкции синхронных машин.

Используя рекомендуемую литературу, необходимо определить главные размеры машины. По расчетной мощности генератора определяются высота оси вращения, наружный диаметр корпуса, наружный и внутренний диаметры сердечника статора, предварительные значения линейной нагрузки статора, магнитной индукции в воздушном зазоре в номинальном режиме и при холостом ходе.

Необходимо иметь в виду, что под длиной машины понимается физическая длина стали статора, включая вентиляционные каналы и изоляцию. Статор нужно разбить на пакеты таким образом, чтобы общая длина пакетов и вентиляционных каналов соответствовала условиям расчета.

Далее рассчитывается полюсное деление статора и индуктивные сопротивления машины и реакции якоря по продольной оси. Коэффициент, учитывающий наличие зазоров в стыке полюса и сердечника ротора или полюсного наконечника и полюсов принимают K’=1,04-1,08. С учетом этого коэффициента рассчитывается величина воздушного зазора между полюсными наконечниками и сердечником статора и определяется форма зазора.

Следует обратить внимание на важность правильного выбора электромагнитных нагрузок А (задается током и размерами) и В_δ (задается напряжением и размерами). Чем большие значения принимают величины А и В_δ, тем меньше главные размеры и выше использование активных материалов в машине. Но увеличение электромагнитных нагрузок, сопровождаемое повышением температуры активных частей машины, ограничивается классом нагревостойкости изоляции. При выборе электромагнитных нагрузок следует учитывать, что отношение А/ В_δ должно находится в определенных пределах, так как его значение влияет на технико-экономические показатели - КПД, Cosφ, пусковую характеристику, массу. В главе 11 /2/ приведены рекомендуемые значения А и В_δ.

Также стоит обратить особое внимание на соотношение λ=L/D, так как оптимальные размеры L₁ и D₁ определяют такие показатели машины, как массу, динамический момент инерции вращающейся части, энергетические и технические показатели. Конструктивная длина сердечника статора L₁ при отсутствии в сердечнике радиальных каналов равна расчетной длине, округленной до ближайшего целого числа (при длине менее 100мм) и до ближайшего числа, кратного пяти (при длине более 100мм); соответственно изменится и значение L₁. При длине сердечника более 300-350 мм применяются радиальные вентиляционные каналы. В этом случае L₁ определяется по формуле (1-33) /2/ с округлением до ближайшего целого числа, кратного пяти.

Следует помнить, что магнитная цепь синхронной машины включает в себя пять участков - воздушный зазор, зубцы статора, спинка статора, полюсы, спинка ротора. Зная сечения этих участков, определяют индукции В в них. Затем по кривым намагничивания для данных сортов стали находят соответствующие напряженности поля Н. Умножив Н на длины участков, получают магнитные напряжения, сумма которых определяет МДС обмотки возбуждения. Наибольшее магнитное напряжение здесь приходится на воздушный зазор – оно составляет 86 – 92 % от МДС обмотки возбуждения при Е_о = U_н.

Для того чтобы построить частичные характеристики намагничивания в о.е. необходимо произвести расчет магнитной цепи при различных значениях потока (желательно полученные расчетные данные свести в таблицу).

По окончании всех необходимых расчетов, определяют все магнитные, электрические, механические потери. Рассчитав суммарные потери, определяют КПД при номинальной нагрузке.

Определив повышение напряжения на зажимах генератора или двигателя, рассчитывается ОКЗ, кратность установившегося тока к.з. и ударный ток. Необходимо построить угловые характеристики с объяснением построения.

Тепловой расчет производится для обмотки статора и обмотки возбуждения в соответствии с расчетом, изложенным в используемой литературе. Вентиляционный расчет служит для выбора системы вентиляции.

Также производится полный расчет массы машины, исходя из суммы масс отдельных элементов. Динамический момент инерции ротора так же определяется суммарным значением динамического момента инерции полюсов с катушками, сердечника ротора, вала.

2. Расчет и конструирование асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели – наиболее распространенный вид электрических машин из-за простоты, надежности, меньшего в сравнении с другими машинами веса, габарита, стоимости и иных достоинств. Они потребляют около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Практически нет отрасли техники и быта, где бы использовались асинхронные двигатели.

Потребности народного хозяйства удовлетворяются двигателями основного исполнения единых серий общего назначения. Вместе с тем, требования, предъявляемые к асинхронным двигателям различны, следовательно, в единых сериях предусмотрены различные модификации (электрические, конструктивные, для различных условий окружающей среды и т.д.).

В последнее время в России освоен выпуск новых серий асинхронных двигателей серий RA(0,37-100кВт), 5А(0,37-400кВт) и 6А. Разработка 4А, АИ, RA, 5А и 6А базировалась, кроме отечественных стандартов, на рекомендациях МЭК (Международной электротехнической комиссии). В серии 4А 17 габаритов, число ступеней мощности 33, высоты осей вращения 50-355 мм.

Асинхронные двигатели разделяются по степени защиты (например: IP 23, IP 44), способу охлаждения (IC 01, IC 0141), способу монтажа (IM 1001). Машины подразделяются по климатическим условиям эксплуатации. /Алиев,128/ , /Гольдберг,112/.

Для всех вариантов: 1) номинальный режим работы – продолжительный (S1); 2) частота сети – 50 Гц; 3) исполнение по способу монтажа -IM1001; 4) форма выступающего конца вала – цилиндрическая; 5) способ соединения с приводным механизмом – упругая муфта; 6) климатическое исполнение – У3.

В таблицах № приведены данные для расчета асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Таблица№ - данные двигателей серии 4А исполненные по степени защиты IP 44, способ охлаждения IC 0141.

Параметры	Предпоследняя цифра шифра
	0, 2, 4, 6, 8
	Последняя цифра шифра
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Номинальная отдаваемая мощностьР2, кВт	55	90	45	15	37	11	22	18,5	4,0	2,20
Количество фаз статора	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3
Синхронная частота вращения, об/мин	3000	1500	1000	1500	1500	1000	3000	1000	1500	1000
Номинальное линейное напряжение, В	220/380	220/ 380	220/ 380	220/ 380	220/ 380	220 /380	220/ 380	220/ 380	220/ 380	220 380
Схема соединений обмотки статора	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y

Таблица№ - данные двигателей серии 4А исполненные по степени защиты IP 23, способ охлаждения IC 01.

Параметры	Предпоследняя цифра шифра
	1, 3, 5, 7, 9
	Последняя цифра шифра
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Номинальная отдаваемая мощностьР2, кВт	55	37,0	30,0	22,0	110	160	90	45	132	75
Количество фаз статора	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3
Синхронная частота вращения, об/мин	3000	1000	1500	750	1500	1500	1000	750	1000	1500
Номинальное линейное напряжение, В	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660
Схема соединений обмотки статора	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y

В таблице № приведены данные для расчета асинхронных двигателей с фазным ротором исполнения IP 23, способ охлаждения IC 01.

Параметры	Последняя цифра шифра
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Номинальная отдаваемая мощностьР2, кВт	55	30	22	110	160	75	55	90	37	22
Количество фаз статора	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3
Синхронная частота вращения, об/мин	1500	1000	750	1500	1000	750	600	500	1500	1000
Напряжение ротора, В	200	140	140	250	291	190	185	222	160	330
Схема соединений обмотки статора	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y

Расчетная записка должна содержать следующие разделы:

1. Выбор главных размеров двигателя.

2. Электромагнитный расчет.

3. Построение круговой диаграммы.

4. Расчет рабочих характеристик.

5. Расчет пусковых характеристик с учетом вытеснения тока и насыщения зубцов ротора (для короткозамкнутых двигателей).

6. Расчет потерь и КПД.

7. Тепловой и вентиляционный расчет.

8. Механический расчет вала и выбор подшипников.

9. Определение удельных весов и сравнение энергетических и весовых показателей с показателями серийных машин.

Расчет асинхронного двигателя начинается с выбора главных размеров: диаметра расточки статора D и расчетной длины пакета статора L_δ. При расчете и выборе главных размеров, необходимо руководствоваться следующими соображениями. Одним из основных стандартизированных МЭК и СЭВ параметров асинхронных двигателей, наряду с номинальной мощностью, является высота оси вращения. Поэтому главные размеры должны быть выбраны так, чтобы можно было обеспечить высоту оси вращения, /Гольд,115/.

Далее производится выбор обмотки, размеров и числа пазов на статор. При этом следует обратить внимание на правильный выбор числа пазов на полюс и фазу q; от величины q во многом зависят параметры и характеристики двигателя. Необходимо также иметь в виду, что двигатели мощностью свыше 5 кВт, как правило, выполняются с двухслойной обмоткой, применение которой позволяет получить лучшую форму кривой МДС и уменьшить расход обмоточного материала. Коэффициент заполнения паза должен выбираться в пределах от 0,65 до 0,75.

Обмотку статора электродвигателей с высотами оси вращения до 225 мм выполняют всыпной, а с высотой оси вращения 250 мм и выше – с жесткими секциями из прямоугольного эмальпровода.

По технологическим соображениям для статора с трапецеидальными полузакрытыми пазами выбирают круглый обмоточный провод диаметром не более 1,71 мм (с изоляцией) при ручной укладке и 1,33 мм при машинной. Для статора с прямоугольными полуоткрытыми пазами выбирают провод прямоугольного сечения площадью не более 10 мм², шириной не более 4,7 мм, а для статора с прямоугольными открытыми пазами выбирают провод прямоугольного сечения площадью не более 18 мм², шириной не более 7,4 мм. При этом высота эффективного проводника а_эф ограничена (для низковольтных машин - не более 2,12 мм, для высоковольтных машин – не более 2,5мм). Следует отметить, что один эффективный проводник может состоять из нескольких элементарных.

Для повышения использования электродвигателей, т.е. снижения удельного расхода материалов на единицу мощности (кг/кВт) при проектировании электродвигателей с высотой оси вращения до 160 мм применяют изоляцию класса В, а электродвигателей с большей высотой оси вращения - изоляцию класса F.

При выборе числа пазов короткозамкнутого ротора следует учитывать рекомендованные соотношения чисел пазов статора и ротора при прямых и скошенных пазах.

Расчет магнитной цепи производят в следующем порядке: определяются размеры и сечения магнитной цепи, средние длины магнитных силовых линий, индукции в расчетных сечениях на каждом участке, намагничивающие силы на отдельных участках и суммарную намагничивающую силу (МДС). Магнитная цепь асинхронной машины включает в себя следующие участки – воздушный зазор, зубцы статора, зубцы ротора, спинку статора, спинку ротора. Для асинхронных двигателей не требуется строить характеристику Ф=f(F_m), так как он при U= const работает при практически постоянном магнитном потоке, соответствующем постоянной намагничивающей силе холостого хода.

Затем рассчитывают параметры двигателя для рабочего режима (активные и индуктивные сопротивления) и по ним рассчитывают и строят круговую диаграмму. По круговой диаграмме следует определить и построить рабочие характеристики I₁, Cosφ, η, s=f (P₂) и определить величину максимального момента. Допускается аналитический расчет рабочих характеристик. Должны быть рассчитаны все составляющие потерь.

Получаемые в результате расчета значения кратности максимального момента должны быть не менее 2,2 (для электродвигателей с высотой оси вращения более 160 мм допускается М_м/М_н ≥ 1,9). Величина кратности начального пускового момента для электродвигателей мощностью до 7,5 кВт должна быть не менее 2,0; от 11 до 110 кВт не менее 1,2 и свыше 110 кВт не менее 0,9. номинальные значения кратности пускового тока должны быть не более 7,5.

Тепловой расчет следует проводить в соответствии с указаниями пособия для продолжительного номинального режима работы.

Заданием предусмотрены два конструктивных исполнения электродвигателей по способу защиты от воздействия окружающей среды: защищенное (IP23) и закрытое (IP44).

Валы и подшипники рассчитывают в соответствии с рекомендациями литературы /гольд/. Выводное устройство электродвигателей должно быть в виде коробки выводов закрытого исполнения. Коробка выводов электродвигателей с высотами оси вращения до 250 мм располагается сверху, а с высотами оси вращения 280-355 – с правой стороны свободного конца вала. Коробка выводов должна иметь доску зажимов, быть поворотной с фиксацией через каждые 90⁰. в коробке выводов предусматривается болт для присоединения заземляющей жилы, второй болт должен быть в станине двигателя.

Конструкция асинхронных двигателей должна соответствовать в основном конструкции машин серии RA, 4A, 5A, 6A, АИ /Алиев/.

2. Расчет и конструирование машин постоянного тока

Параметры	Последняя цифра шифра
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Номинальная мощность, кВт	4,5	8	11	14	19	25	42	75	125	200
Возбуждение	Параллельное со стабилизирующей последовательной обмоткой
Источник и условия питания	Тиристорные преобразователи с коэффициентом пульсации не более 1,1
Степень защиты	IP44					IP22
Способ охлаждения	IC0141					IC01
Исполнение по монтажу	IM1001
Климатические условия	У4
Форма выступающего конца вала	Цилиндрическая
Способ соединения	Упругая муфта
	Предпоследняя цифра шифра
	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Номинальная скорость вращения, об/мин	3000	2200	1500	1000	750	3000	2200	1500	1000	750
Напряжение, В	220	440	220	440	220	440	220	220	220	440

Примечание: если сочетание предпоследней и последней цифр шифра дают варианты, по которым двигатели мощностью 75, 125 и 200 кВт следует выполнять на скорость вращения 2200 и 3000 об/мин, то надо считать, что задана скорость вращения 1500 об/мин.

Пояснительная записка проекта должна содержать следующие разделы:

1. Выбор главных размеров машины с расчетом вариантов.

2. Электромагнитный расчет.

3. Расчет потерь и КПД.

4. Тепловой расчет.

5. Механический расчет вала и выбор подшипников.

6. Определение удельных весов, сравнение полученных показателей с показателями серийных машин.

Расчет начинается с выбора главных размеров (диаметра D и длины l). Между объемом активной части электрической машины, ее мощностью и скоростью вращения существует определенная зависимость. Коэффициент пропорциональности между этими важнейшими параметрами электрической машины называется «машинной постоянной», а коэффициент, обратный «машинной постоянной», называется коэффициентом использования. Величина «машинной постоянной» определяется выбором основных электромагнитных нагрузок: магнитной индукции в воздушном зазоре и линейной нагрузки якоря А. Рекомендации по выбору величин электромагнитных нагрузок приведены в указанной литературе.

Выбор диаметра якоря производится по заданной мощности и скорости вращения. При этом надо учесть, что диаметры листов сердечника якоря стандартизированы, чтобы иметь минимальные отходы при штамповке из стандартных листов электротехнической стали. Для выбранного диаметра якоря рассчитывается длина его активной части.

Электрическая машина заданной мощности и скорости вращения может быть выполнена на разных диаметрах якоря и соответственно с разной длиной сердечника якоря. Однако существует оптимальное отношение длины сердечника к его диаметру или полюсному делению, рекомендуемое в учебной литературе. Поэтому расчет и выбор главных размеров электрической машины следует производить в двух – трех вариантах.

Для двух – трех значений диаметров якоря найти соответствующие длины сердечника. Выбор оптимального варианта должен быть произведен по наилучшему отношению λ=L/D.

Далее следует выбрать обмотку якоря и способ укладки проводников в пазу, наметить размеры паза. При этом исходя из связи магнитного потока с электродвижущей силой и скоростью вращения выявить число эффективных проводников обмотки якоря. Так как все современные машины постоянного тока, как правило, выполняют с двухслойной обмоткой якоря, число эффективных проводов обязательно должно быть числом четным. Выбрав число полюсов 2р и число параллельных ветвей обмотки якоря 2а и задавшись числом пазов якоря, можно найти приходящееся на один паз число эффективных проводников. Число витков катушки должно состоять из двух сомножителей. Один сомножитель должен быть равным числу элементарных пазов (другими словами, числу сторон элементарных секций), приходящихся на один реальный паз, а другой – числу витков якорной секции.

Чтобы избежать в четырехполюсной машине (2р=4) при простой волновой обмотке «мертвых» проводников, необходимо выбрать нечетное число реальных пазов и элементарных пазов в одном реальном.

Во всех случаях (при петлевой, волновой и других обмотках) следует применять равносекционные шаблонные обмотки. Иначе говоря, шаг по реальным пазам должен быть целым числом.

Число элементарных пазов в якоре, равное числу коллекторных пластин, не должно быть слишком малым, так как иначе среднее напряжение между смежными коллекторными пластинами может превзойти допускаемый предел (около 18 В). С другой стороны, не следует выбирать и слишком большое число коллекторных пластин, так как это может привести к недопустимо малой ширине коллекторной пластины, в которую невозможно будет впаять концы якорных проводников.

В машинах с добавочными полюсами необходимо произвести расчет обмотки добавочных полюсов. Для этого определить МДС поперечной реакции якоря на полюс и, задавшись отношением МДС обмотки добавочного полюса к МДС поперечной реакции якоря, найти число витков на один добавочный полюс.

Одним из важнейших разделов является расчет магнитной цепи, который производится в следующем порядке: определяются размеры и сечения магнитной цепи, средние длины магнитных силовых линий, индукции в расчетных сечениях на каждом участке, намагничивающие силы на отдельных участках и суммарная МДС. По результатам расчета строится характеристика намагничивания и переходная характеристика. В результате расчета магнитной цепи определяются необходимые данные для расчета обмоток возбуждения.

Далее следует произвести расчет коммутационных параметров, выбрать щетки. Для расчета КПД машины надо определить все составляющие суммарных потерь.

Тепловой расчет должен дать представление о превышении температуры обмоток машины и коллектора. Можно пользоваться упрощенным методом теплового расчета. Полученные значения превышений температуры отдельных частей машины должны быть сравнены с допустимыми превышениями температуры для примененного класса изоляции (ГОСТ).

Конструкция машин постоянного тока должна соответствовать конструкциям машин серии 2П, 4П.

Литература

1. Тихомиров В.Н. Расчет трансформаторов. Учебное пособие для вузов. - М: Энергоатомиздат, 1986.

2. Гольдберг О.Д. , Гурин Я.С., Свириденко Проектирование электрических машин.

3. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов.- 2-е изд., перераб. – М.: Высш.шк., Логос; 2000.

4. Гончарук А.И. Расчет и конструирование трансформаторов. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

5. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. – М.: Энергоатомиздат,1989.

6. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию: Учебное пособие для вузов.- 2-е изд.,доп. – М.: Высш. шк., 2000.

7. Кацман М.М. Электрические машины: Учеб. для студентов сред. проф. учебных заведений. – 3-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия»; 2001.

8. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. – М.: Высшая школа, 1994.

9. Проектирование электрических машин. В 2-х кн./ И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. М.: Энергоатомиздат, 1993.

10. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства./ Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. И.Н. Орлов). – М.: Издательство МЭИ,1998.

11. Антонов М.В. Технология производства электрических машин. – М.: Энергоатомиздат, 1993.