Министерство образования Российской Федерации.
Орский гуманитарно-технологический институт (филиал)
Государственного образовательного учреждения высшего
профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
Механико-технологический факультет
Кафедра: Электроснабжения и электропривода.
Курсовой проект по дисциплине «Электрические машины»
Расчет асинхронного двигателя с фазным ротором.
Пояснительная записка.
ОГТИ 00ЭП022
Руководитель проекта
________ Шахматов Ю.В.
«__»______________2003г
Исполнитель
Студент гр. ЭП-31
________ Пивашов А.
Срок защиты проекта
«__»______________2003г
Орск 2003 г
Содержание.
Стр.
Аннотация.
Введение.
Главные размеры.
Сердечник статора.
Сердечник ротора.
Обмотка статора.
Размеры элементов обмоток.
Обмотка фазного ротора.
Расчет магнитной цепи.
Активные и индуктивные сопротивления обмоток
Расчет режима холостого хода.
Расчет параметров номинального режима работы.
Круговая диаграмма и рабочие характеристики.
Максимальный момент.
Начальный пусковой ток и начальный пусковой момент.
Тепловой и вентиляционный расчет.
Масса двигателя и динамический момент инерции ротора.
Механический расчет вала.
Расчет подшипников.
Список использованной литературы.
Аннотация.
Данный курсовой проект содержит 37 страниц, 2 таблицы, 3 рисунка и графическую часть выполненную на одном формате А1.
В курсовом проекте приведен расчет асинхронного двигателя с фазным ротором номинальной мощностью 75 кВт и номинальной частотой вращения 1500 об/мин , питающийся от источника трехфазного синусоидального напряжением 220/380 В частотой 50 Гц.
Введение.
Ускорение научно-технического прогресса требует всемерной автоматизации производственных процессов. Для этого необходимо создавать электрические машины, удовлетворяющие по своим показателям и характеристикам весьма разнообразным требованиям различных отраслей народного хозяйства.
В настоящее время отечественной электропромышленностью изготовляются асинхронные двигатели мощностью от 0,12 до 1000 кВт, синхронные двигатели мощностью от 132 до 1000 кВт серий СД2 и СД32 и машины постоянного тока мощностью от 0,37 до 1000 кВт серии 4П. Машины, выпускаемые в нашей стране, обладают высокими технико-экономическими показателями, находящимися на уровне современных ведущих зарубежных фирм.
1 Главные размеры.
1.1 Определяем количество пар полюсов
.
Предварительно принимаем исполнение по защите IP23, со способом охлаждения ICO1.
h=225 мм (по условию)
1.2 По таблицаице 9-2 [1,117] выбираем наружный диаметр сердечника
Dн1=406 мм.
1.3 Для определения внутреннего диаметра сердечника статора используем зависимость D1=f(Dн1), приведенную в таблица. 9-3 [1,117] в зависимости от числа полюсов:
D1=0,68·Dн1-5=0,68·406-5=271 мм (при 2р=4).
1.4 Расчетная мощность электродвигателя:
,
где kн=0,975 –принимаем по рис 9-1[1,117]
η'=0,925-0,005=0,92 – предварительное значение КПД двигателя
при номинальной нагрузке (принимаем по рис 9-2 [1,118])
cos φ'=0,895-0,01=0,885 – предварительное значение коэффициента
мощности двигателя (принимаем по рис 9-3 [1,119])
.
По таблица. 9-4 [1,119] принимаем форму пазов и тип обмотки статора
Форма паза – трапецеидальная полузакрытая
Тип обмотки – двухслойная
1.5 Предварительное значение электромагнитных нагрузок (определяем по рис 9-4 [1,120]):
.
.
1.6 Предварительное значение обмоточного коэффициента:
.
1.7 Расчетная длина сердечника статора:
.
1.8 Конструктивная длина сердечника статора:
l1=200 мм.
1.9 Отношение длины сердечника статора к внутреннему диаметру сердечника статора:
.
1.10 Предельно допускаемое отношение длины сердечника статора к внутреннему диаметру сердечника статора(определяем по
таблице 9-6 [1,122]):
.
2 Сердечник статора.
Сердечник статора собираем из отдельных отштампованных листов холоднокатаной изотропной электротехнической стали марки 2013
(т.к. h=225 мм) толщиной 0,5 мм, имеющих изоляционные покрытия для уменьшения потерь в стали, от вихревых токов.
Для стали 2013 используем изолирование листов оксидированием.
2.1 Коэффициент заполнения стали :
kc=0,97.
2.2 Количество пазов на полюс и фазу (принимаем по таблица 9-8 [1,123])
q1=4.
2.3 Количество пазов сердечника статора:
.
3 Сердечник ротора.
Сердечник ротора собираем из отдельных отштампованных листов холоднокатаной изотропной электротехнической стали марки 2013
(т.к. h=225 мм) толщиной 0,5 мм, имеющих изоляционные покрытия для уменьшения потерь в стали от вихревых токов.
Для стали 2013 используем изолирование листов оксидированием.
3.1 Коэффициент заполнения стали:
kc=0,97.
3.2 Величину воздушного зазора выбираем по таблица 9-9 [1,124]:
.
3.3 Наружный диаметр сердечника ротора:
Dн2=D1-2·δ=271-2·0,85=269,3 мм.
3.4 Внутренний диаметр листов ротора:
D2≈0,23·Dн1=0,23·406=93,4 мм.
3.5 Длина сердечника ротора:
l2=l1=200 мм.
3.6 Количество пазов ротора:
,
где m2=m1=3;
q2=q1+0,5=4+1=5.
Принимаем: z2=66/
4 Обмотка статора
Для двигателя принимаем двухслойную обмотку из провода марки ПЭТ-155 (класс нагревостойкости F), укладываемую в трапециидальные полузакрытые пазы.
Обмотку статора выполняем шестизонной; каждая зона равна 60 эл.град.
4.1 Коэффициент распределения при шестизонной обмотки:
;
где .
4.2 Двухслойную обмотку выполняем с укорочением шага:
.
4.3 Диаметральный шаг по пазам:
.
4.4 Коэффициент укорочения:
.
4.5 Обмоточный коэффициент:
.
4.6 Предварительное значение магнитного потока:
.
4.7 Предварительное количество витков в обмотке фазы:
.
4.8 Предварительное количество эффективных проводников в пазу:
;
где а1=2 – количество параллельных ветвей обмотки статора/
4.9 Уточненное количество витков в обмотке фазы:
.
4.10 Уточненное значение магнитного потока:
.
4.11 Уточненное значение индукции в воздушном зазоре:
.
4.12 Предварительное значение номинального фазного тока:
.
4.13 Уточненная линейная нагрузка статора:
.
4.14 Среднее значение магнитной индукции в спинке статора принимаем по таблица 9-13[1,130]:
Вс1=1,7 Тл.
4.15 Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора:
.
4.16 Среднее значение магнитной индукции в зубцах статора (принимаем по таблица 9-14 [1,130]:
Вз1=1,8 Тл.
4.17 Ширина зубца:
.
4.18 Высота спинки статора:
.
4.19 Высота паза:
.
4.20 Большая ширина паза:
.
4.21 Меньшая ширина паза:
;
где hш1=0,5 мм – высота шлица;
- ширина шлица.
4.22 Проверка правильности определения b1 и b2 :
4.23 Площадь поперечного сечения паза в штампе:
.
4.24 Площадь поперечного сечения в свету:
где bc=0,1 мм – припуски на сборку сердечника статора и ротора по
ширине;
hc=0,1 мм – припуски на сборку сердечника статора и ротора по
высоте.
4.25 Площадь поперечного сечения корпусной изоляции:
;
где bи.1=0,4 мм – среднее значение односторонней толщины корпусной
изоляции.
4.26 Площадь поперечного сечения прокладок между верхней и нижней катушками в пазу, на дне и под клином:
.
4.27 Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой:
.
4.28 Предварительный коэффициент заполнения паза:
kп=0,75;
;
где с=7 – количество элементарных проводов в эффективном.
4.29 Диаметр элементарного изолированного провода:
.
По приложению 1 [1,384] находим ближайший стандартизованный диаметр, соответствующий ему диаметр неизолированного провода и площадь поперечного сечения
4.30 Уточненный коэффициент заполнения паза :
.
4.31 Уточняем ширину шлица:
.
Принимаем .
4.32 Плотность тока в обмотке статора:
.
4.33 Уровень удельной тепловой нагрузки статора от потерь в обмотке:
A1·J1=472,48·5,64=2664,78 .
4.34 Допустимый уровень удельной тепловой нагрузки статора от потерь в обмотке определяем по рис 9-8 [1,133]:
(A1·J1)ДОП=3200 .
5 Размеры элементов обмотки
5.1 Среднее зубцовое деление статора:
.
5.2 Средняя ширина катушки обмотки статора:
.
5.3 Средняя длина одной лобовой части катушки:
.
5.4 Средняя длина витка обмотки:
.
5.5 Длина вылета лобовой части обмотки :
.
6 Обмотка фазного ротора.
Для фазного ротора выбираем прямоугольные полузакрытые пазы. В роторе применяем двухслойную волновую обмотку из медных изолированных стержней прямоугольного поперечного сечения. В пазу располагаем по два стержня.
Следовательно количество проводников в пазу Nп2=2,
количество параллельных ветвей а2=1
6.1 Количество последовательно соединенных витков обмотки одной фазы:
.
6.2 Шаг обмотки с передней и задней стороны соответственно:
6.6 Шаг в конце обхода ротора:
.
6.7 Коэффициент распределения при шестизонной обмотки:
;
где .
6.8 Укорочение шага:
.
6.9 Коэффициент укорочения:
.
6.10 Обмоточный коэффициент:
.
6.11 Коэффициент трансформации ЭДС и тока:
.
6.12 ЭДС обмотки:
.
6.13 При соединение обмотки ротора в звезду напряжение на кольцах:
.
6.14 Предварительное значение высоты паза ротора( принимаем по таблица 9-20 [1,147]):
.
6.15 Предварительное значение высоты спинки ротора:
.
6.16 Предварительная магнитная индукция в спинке ротора:
.
6.17 Зубцовое деление по наружному диаметру ротора:
.
6.18 Значение индукции в наиболее узком месте зубца (принимаем по таблица 9-19 [1,147]):
.
6.19 Ширина зубца в наиболее узком месте:
.
6.20 Ширина паза:
.
6.21 Размеры стержня по высоте:
;
где hи.2=4,3 мм – толщина изоляции в пазу ротора по высоте;
hк.2=2 мм – высота клина;
hш.2=1 мм – высота шлица;
hс=0,3 мм .
6.22 Размеры стержня по ширине:
;
где 2bи.2.=1,4 мм – толщина изоляции в пазу ротора по ширине;
bс.=0,3 мм.
6.23 По приложению 2 [1,386] выбираем ближайшие стандартные размеры стержня и его сечение:
hст=16,8 мм;
bст.=1,25·2 мм;
S=20,7·2 мм2 .
6.24 Уточненная высота паза:
.
6.25 Уточненная ширина паза:
.
6.26 Уточненное значение высоты спинки ротора:
.
6.27 Уточненная магнитная индукция в спинке ротора:
.
6.28 Уточненная ширина зубца в наиболее узком месте:
.
6.29 Уточненная магнитная индукция в наиболее узком месте:
.
6.30 Уточненное среднее зубцовое деление ротора:
.
6.31 Уточненная средняя ширина катушки обмотки:
.
6.32 Средняя длина лобовой части катушки обмотки:
.
6.33 Средняя длина витка обмотки:
.
6.34 Вылет лобовой части обмотки:
.
7 Расчет магнитной цепи.
7.1 МДС для воздушного зазора.
7.1.1 Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения статора:
.
7.1.2 Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения ротора:
.
7.1.3 Общий коэффициент воздушного зазора:
.
7.1.4 МДС для воздушного зазора:
.
7.2 МДС для зубцов трапецеидальных полузакрытых пазах статора
7.2.1 Зубцовое деление на высоты зубца:
.
7.2.3 Коэффициент зубцов:
.
7.2.4 Напряженность магнитного поля находим из приложения 8 [1,395]:
Нз.1=15,2 .
7.2.5 Средняя длина пути магнитного потока:
Lз.1=hп.1=32,9 мм.
7.2.6 МДС для зубцов:
.
7.3 МДС для зубцов при прямоугольных пазах ротора.
7.3.1 Зубцовое деление ротора:
.
7.3.2 Зубцовое деление ротора в минимальном сечении зубца:
.
7.3.3 Ширина зубца:
В наиболее узкой части: .
В наиболее широкой части: .
В средней части :.
7.3.4 Магнитная индукция в зубцах ротора:
В наиболее узкой части : .
В наиболее широкой части : .
В средней части :.
7.3.5 Коэффициент зубцов :
В наиболее узкой части : .
В наиболее широкой части : .
В средней части : .
7.3.6 Напряженность магнитного поля :
В наиболее узкой части: Нз2.макс=50 Тл.
В наиболее широкой части : Нз2.мин=5,86 Тл.
В средней части : Нз2.ср=25 Тл.
7.3.7 Среднее значение напряженности магнитного поля в зубцах:
.
7.3.8 Средняя длина пути магнитного потока:
.
7.3.9 МДС для зубцов:
.
7.4 МДС для спинки статора.
7.4.1 Напряженность магнитного поля находим по приложению 11 [1,393]:
Нс1=11,5 .
7.4.2 Средняя длина пути магнитного потока:
.
7.4.3 МДС для спинки статора:
.
7.5 МДС для спинки ротора.
7.5.1 Напряженность магнитного поля находим по приложению 11 [1,393]:
Нс2=1,81 .
7.5.2 Средняя длина пути магнитного потока:
.
7.5.3 МДС для спинки статора:
.
7.6 Параметры магнитной цепи.
7.6.1 Суммарная МДС магнитной цепи на один полюс:
.
7.6.2 Коэффициент насыщения магнитной цепи :
.
7.6.3 Намагничивающий ток :
.
7.6.4 Намагничивающий ток в относительных единицах:
.
7.6.5 ЭДС холостого хода:
E=kH·U1=0,975·220=214,5 B.
7.6.6 Главное индуктивное сопротивление:
.
7.6.7 Главное индуктивное сопротивление в относительных единицах:
.
8 Активные и индуктивные сопротивления обмоток.
8.1 Сопротивление обмотки статора.
8.1.1 Активное сопротивление обмотки фазы при 200С :
;
где - удельная электрическая проводимость
меди при 200С .
8.1.2 Активное сопротивление обмотки фазы при 200С в относительных единицах:
.
8.1.3 Проверка правильности определения :
.
8.1.4 Коэффициенты, учитывающие укорочение шага:
;
.
8.1.5 Размеры паза статора
где hk1 , h2 – размеры частей обмоток и паза (определяем по
таблица. 9-21 [1,159]);
h1 – размер обмотки.
8.1.6 Коэффициент проводимости рассеяния:
8.1.7 Коэффициент дифференциального рассеяния статора(принимаем по таблица 9-23 [1,159]):
kд1=0,0062.
8.1.8 Коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов статора на проводимость дифференциального рассеяния:
.
8.1.9 Коэффициент, учитывающий демпфирующую реакцию токов, наведенных в обмотке короткозамкнутого ротора высшими гармониками поля статора(определяем по таблица.9-22 [1,159]):
kp1=0,69.
8.1.10 Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния:
.
8.1.11 Полюсное деление:
.
8.1.12 Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки:
.
8.1.13 Коэффициент проводимости рассеяния обмотки статора:
.
8.1.14 Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора:
.
8.1.15 Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора в о.е. :
.
8.1.16 Проверка правильности определения :
.
8.2 Сопротивление обмотки фазного ротора.
8.2.1 Активное сопротивление обмотки фазы при 200С :
.
8.2.2 Коэффициент приведения обмотки ротора к обмотке статора :
.
8.2.3 Активное сопротивление обмотки фазы ротора, приведенное к обмотке статора:
.
8.2.4 Активное сопротивление обмотки фазы ротора, приведенное к обмотке статора в о.е. :
.
8.2.5 Коэффициенты, учитывающие укорочение шага:
;
.
8.2.6 Размеры паза ротора:
8.2.7 Коэффициент проводимости рассеяния паза:
8.2.8 Коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов ротора на проводимость дифференциального рассеяния:
.
8.2.9 Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния:
;
где - коэффициент дифференциального рассеяния ,
определяем по рис 9-19 [1,164] .
8.2.10 Полюсное деление:
.
8.2.11 Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки:
.
8.2.12 Коэффициент проводимости рассеяния обмотки:
.
8.2.13 Индуктивное сопротивление обмотки фазы ротора:
.
8.2.14 Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора:
.
8.2.15 Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора в о.е. :
.
8.2.16 Проверка правильности определения :
.
8.3 Сопротивления обмоток преобразованной схемы замещения двигателя.
8.3.1 Коэффициент рассеяния статора:
.
8.3.2 Коэффициент сопротивления статора:
.
8.3.3 Преобразованные сопротивления обмоток:
9 Расчет режима холостого хода.
9.1 Реактивная составляющая тока статора при синхронном вращении:
.
9.2 Электрические потери в обмотке статора при синхронном вращении:
.
9.3 Расчетная масса стали зубцов статора:
.
9.4 Магнитные потери в зубцах статора:
.
9.5 Масса стали спинки статора:
9.6 Магнитные потери в спинке статора:
.
9.7 Суммарные потери в сердечнике статора, включающие добавочные потери в стали:
9.8 Механические потери:
.
9.9 Активная составляющая тока холостого хода:
.
9.10 Ток холостого хода:
.
9.11 Коэффициент мощности при холостом ходе:
.
10 Расчет параметров номинального режима работы.
10.1 Активное сопротивление короткого замыкания:
.
10.2 Индуктивное сопротивление короткого замыкания:
.
10.3 Полное сопротивление короткого замыкания:
.
10.4 Добавочные потери при номинальной нагрузке:
.
10.5 Механическая мощность двигателя:
.
10.6 Эквивалентное сопротивление схемы замещения:
10.7 Полное сопротивление схемы замещения:
.
10.8 Проверка:
.
10.9 Скольжение:
.
10.10 Активная составляющая тока статора при синхронном вращении:
.
10.11 Ток ротора:
.
10.12 Ток статора:
Активная составляющая :
реактивная составляющая:
фазный:
.
10.13 Коэффициент мощности:
.
10.14 Линейная нагрузка статора:.
.
10.15 Плотность тока в обмотке статора:
.
10.16 Линейная нагрузка ротора:
10.17 Ток фазного ротора :
10.18 Плотность тока в обмотке фазного ротора:
10.19 Электрические потери в обмотке статора и ротора соответственно:
;
.
10.20 Суммарные потери в электродвигателе :
.
10.21 Подводимая мощность :
.
10.22 Коэффициент полезного действия:
.
10.23 Проверка:
подводимая мощность: .
мощность Р2 : .
11 Круговая диаграмма и рабочие характеристики.
Таблица 1.
Результаты расчета рабочих характеристик.
Условные обозначения |
Отдаваемая мощность в долях от номинальной Р2 | ||||
0,25 |
0,5 |
0,75 |
1 |
1,25 | |
Р2 ,кВт |
18,75 |
37,5 |
56,25 |
75 |
93,75 |
Рд , Вт |
101,8 |
203,6 |
305,4 |
407,6 |
509 |
,Вт |
19463 |
38315 |
57167 |
76019 |
94870 |
RH , Ом |
7,23 |
3,54 |
2,27 |
1,61 |
1,2 |
zH .Ом |
7,35 |
3,66 |
2,4 |
1,75 |
1,35 |
S |
0,0085 |
0,0172 |
0,0266 |
0,037 |
0,049 |
, А |
29,93 |
60,11 |
92 |
125,71 |
163 |
Ia1, А |
32,96 |
62,04 |
93,4 |
125,76 |
160,5 |
Ip1, А |
35,17 |
39,1 |
46 |
57,49 |
74,1 |
I1, А |
48,2 |
73,3 |
104,11 |
138,3 |
176,8 |
Cos φ |
0,68 |
0,846 |
0,897 |
0,91 |
0,9 |
PM1, Вт |
313,6 |
725,34 |
1463,25 |
2582 |
4219,86 |
PM2, Вт |
166,62 |
672,06 |
1574,3 |
2939 |
4941,83 |
PΣ, Вт |
2398,86 |
3417,84 |
5159,79 |
7745,44 |
11487,53 |
P1, Вт |
21148,86 |
40917,84 |
61409,79 |
82745,44 |
105237 |
η ,% |
88,6 |
91,6 |
91,59 |
91 |
89 |