Электродвигатель асинхронный
с короткозамкнутым ротором
мощностью 200 КВт
Содержание
Введение
1. Расчет и конструирование двигателя
1.1 Выбор главных размеров
1.2 Расчет обмотки статора
1.3 Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора
1.4 Расчет ротора
1.5 Расчет магнитной цепи
1.6 Расчет параметров рабочего режима
1.7 Расчет потерь
1.8 Расчет рабочих характеристик
1.9 Расчет пусковых характеристик
1.10Тепловой и вентиляционный расчет
1.11 Механический расчет
2. Моделирование двигателя
3. Конструкторская часть
4. Выбор схемы управления двигателем
Заключение
Список литературы
Введение
Электрические машины применяются во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве и в быту. Они выпускаются большими сериями и в индивидуальном исполнении. Во многих случаях электрические машины определяют технический уровень изделий, в которых они используются в качестве генераторов и двигателей. Проектирование электричесиких машин требует глубоких знаний и высокого профессионального мастерства.
Впервые электрические машины получили применение в промышленности более ста лет назад. Тогда же появились и первые рекомендации по их расчету. В конце прошлого века в Европе и Америке возникли крупные электротехнические фирмы «Сименс», «Вестингауз» и другие, на которых сложились крупные конструкторские и расчетные отделы.
Обычно электрические машины выпускают сериями. Серия – ряд машин возрастающей мощности, имеющих одну конструкцию и единую технологию производства на больших участках серии и предназначенных для массового производства. При проектировании серий машин важнейшее значение имеют вопросы унификации деталей, конструктивных узлов и нормализации ряда размеров. Все это связано с рациональной организацией производства как внутри завода, так и в объединении, выпускающем единую серию машин. При этом необходимо заботиться об экономической эффективности целой серии машин, а не одной машины.
При проектировании серий асинхронных машин выбирают внешние диаметры статора таким образом, чтобы при одном и том же внешнем диаметре при изменении длины машины получить несколько машин на различные мощности и частоты вращения. Для машин постоянного тока выбирают одинаковым диаметр якоря и, изменяя длину машины, проектируют на нем несколько машин различной мощности и на разные частоты вращения.
Такое построение серий приводит к сокращению количества штампов, уменьшению количества моделей для отливки станин и подшипниковых щитов, сохранению одних и тех же диаметров валов, унификации подшипниковых щитов, сокращению количества оснастки и измерительного инструмента. Широкая унификация облегчает применение гибких автоматизированных производств, облегчает кооперацию между заводами.
Начиная с 1950 г. асинхронные двигатели выпускаются в виде единых серий. Первой была серия А (АО), заменившая серии И2, АД, «Урал» и др.
В настоящее время выпускается единая серия асинхронных двигателей 4А и АИ. В серии 4А 17 габаритов, число ступеней мощности составляет 33, диапазон мощностей 0,06–400 кВт; высоты осей вращения 50–355 мм.
На базе единых серий изготовляются двигатели различных исполнений, предназначенные для работы в специальных условиях. Так, на базе арии 4А выпускаются следующие электрические модификации: с повышенным пусковым моментом, с повышенным скольжением, 10-полюсные и 12-полюсные, многоскоростные, на частоту сети 60 Гц, однофазные, с фазным ротором и другие, специализированные по таким конструкциям: встраиваемые, с встроенным электромагнитным тормозом, малошумные, с встроенной температурой защитой, с повышенной точностью но установочным размерам, высокоточные; специализированные по следующим условиям окружающей среды: влагоморозостойкие, химостойкие, тропические; узкоспециализированного исполнения: для сельского хозяйства, для судов морского флота, для холодного климата, лифтовые, фреономаслостойкие, полиграфические, швейные и др.
Справочные данные.
Тип двигателя 4A315М4У3, где
4 – номер серии, А – серия, h = 315 мм – высота оси вращения, М – меньший,
Р = 200 кВт, Un =380/660 B, n = 1500 об/мин,sном
= 0,013, Xm
= 4,1,R1
¢
=0,014, R2
¢¢
=0,014, KПД = 94% сos(j) = 0,92, Bd
= 0,79 Тл, A = 462 A/см, J = 3,8 A/мм2
, X1
¢
=
0,086,
X2
¢¢
=
0,12
В абсолютных единицах:
Xm
= 7,6799Ом, R1
= 0,02622Ом, R2
=0,02622Ом, X1
=
0,161Ом,
X2
=
0,22478Ом.
Перевод в абсолютные единицы:
Xm
= 4,1× 1,87316 =7,6799 Ом; R1
= 0,014 × 1,87316 = 0,02622 Ом; R2
= 0,014 × 1,87316 = 0,02622 Ом; Х1
= 0,086 × 1,87316 = 0,161 Ом; Х2
= 0,12 × 1,87316 = 0,22478 Ом
1
. Расчет и конструирование двигателя
1
.1 Выбор главных размеров
Все расчеты выполняем по формулам из [1].
Высота оси вращения h = 315 мм. Определяем внешний диаметр статора Da
по табл. 8.6 в зависимости от h: Da
=0,52 м.
Внутренний диаметр статора по (8.2.):
, где kD
– коэффициент, характеризующий отношение внутреннего и внешнего диаметров сердечника статора, определяем по табл. 8.7:
kD
=0.64423 D = 0.64423 × 0.52 = 0.335 м.
Полюсное деление по (8.3.): t = pD / (2p) = p× 0.335 / 4 = 0.263 м.
Расчетная мощность по (8.4.), где kE
– отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, определяем kE
= 0.9723 по рис. 8.20, h = 0,94 и cosj=0.92 по рис. 8.21, а.
P¢
= (P2
×kE
) / (h×cosj) = (200 × 103
× 0,9723) / (0,94 × 0,92) = 2,249*105
В × А
Электромагнитные нагрузки (предварительно по рис. 8.22, б).
А = 462 × 102
А/м Bd
= 0,79 Тл.
Обмоточный коэффициент (предварительно для двухслойной обмотки): kоб1
=0.874.
Расчетная длина магнитопровода по (8.6.):
Ld
= P¢
/ (kb
×D2
×W×kоб1
× А ×Bd
) = 224900 / (1.11 × 0.3352
× 157,08 × 0.874 × 462 × 102
× 0.79) = 0.36 м.
где синхронная угловая скорость по (8.5.):
W = 2pf / p = 2p× 50 / 2 = 157,08 рад/с
Число пакетов равно 3
Отношение l = Ld
/ t = 0,36 / 0,263 = 1,368. Значение l = 1,368 находится в допустимых пределах по рис. 8.25.
Аналог |
Расчет |
cosj |
0,92 |
0,92 |
h, % |
0,94 |
0,94 |
1.2 Расчет обмотки статора
Предельные значения tZ
1
по рис. 8.26. в зависимости от высоты оси вращения и полюсного деления:
tZ
1
min
=0.017 м tZ
1
max
=0.022 м.
Число пазов статора по (8.16):
Z1min
=pD / tZ1max
=p× 0.335 / 0.017 = 61,9;
Z1max
=pD / tZ1min
=p× 0.335 / 0.022 = 47,8.
Принимаем Z1
= 60, тогда q1
= Z1
/ 2рm = 60 / 2*(2 × 3) = 5. Обмотка двухслойная.
Зубцовое деление статора (окончательно):
tZ
1
= pD / 2рmq = p× 0,335 / (4 × 3 × 5) = 17,54*10-3 м.
Число эффективных проводников в пазу (предварительно, при условии а = 4) по (8.17):
u¢
п
= pD × A / (I1
ном
× Z1
) = p× 0.335 × 46,2 × 103
/ (202,866 × 60) = 3,999;
по (8.18):
I1
ном
= P2
/ (mU1
ном
× cosj×h) = 200 × 103
/ (3 × 380 × 0,92 × 0,94) = 202,866 A.
Принимаем а = 4, тогда uп
=а u¢
п
= 16 проводников.
Окончательные значения:
число витков в фазе по (8.20.)
w1
= (uп
×Z1
) / 2аm = (16 × 60) / (2 × 4 × 3) = 40;
линейная нагрузка по (8.21.)
А = 2 I1ном
×w1
m / pD = (2 ×202,866 × 40 × 3) / (p× 0,335) = 46,25 × 103
А/м;
магнитный поток по (8.22)
Ф = (kЕ
×U1ном
) / (4kB
×w1
×kоб1
×f1
) = (0,97226 × 380) / (4 × 1,11 × 40 × 0,874 × 50) = 47,56 × 10-3
Вб;
(для двухслойной обмотки kоб1
=0,874);
индукция в воздушном зазоре по (8.23)
Bd
= (p× Ф) / (D×Ld
) = (3 × 47,56 × 10-3
) / (0.3335 × 0.36) = 0.79 Тл;
Значения А и Вd
находятся в допустимых пределах.
Плотность тока в обмотке статора (предварительно) по (8.25):
J1
= (AJ1
) / A = 180 × 109
/ 46,25 × 103
= 3,892 × 106
А/м2
;
(AJ1
= 180 ×109
А/м2
по рис. 8.27, б).
Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно) по (8.24):
qэф
= I1ном
/ а J1
= 202,866/ 4 × 3,892 × 106
= 13,03 × 10-6
м2
.
Сечение эффективного проводника (окончательно): принимаем nэл
= 4, тогда qэл
= qэф
/ nэл
= 13,03/ 4 = 3,257 мм2
. Принимаем обмоточный провод марки
ПЭМП, а*b = 1*3,55 мм, qэл
= 3,335 мм2
, qэлср
= nэл
×qэл
= 4 × 3,335 = 13,34 мм2
.
Плотность тока в обмотке статора (окончательно) по (8.27):
J1
= I1ном
/ а qэл
nэл
= 202,866/ 4× 13,34 × 4 = 3,801 А/мм2
.
Аналог |
Расчет |
Z1
|
60 |
60 |
q1
|
5 |
5 |
А, А/м |
46,2 × 103
|
46,25 × 103
|
Bd
, Тл |
0,79 |
0,79 |
J1
, А |
3,8 |
3,801 |
1.3 Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора
Паз статора определяем по рис. 8.28, б с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.
Принимаем предварительно по табл. 8.10: BZ
1
=1,909 Тл; Ba
=1,4985 Тл, тогда (8.37):
bz
1
min
= (Bd
×tz
1
×Ld
) / (Bz
1
×Lст1
×kc
) = (0,79 × 17,54 × 10-3
× 0,36) / (1,909 × 0,36 × 0,95) = 7,64 × 10-3 м = 7,64 мм.
(по табл. 8.11 для оксидированной марки стали 2312 kc
=0,95).
hа
= Ф / (2Ba
×Lст1
×kc
) = 47,56 × 10-3
/ (2 × 1,4985 × 0,36 × 0,95) = 46,4 × 10-3 м
= 46,1 мм.
Размеры паза в штампе: bш
= 5,7 мм; hш
= 1,1 мм; hк
= 1 мм.
По (8.38):
hп
= (Da
– D) / 2 – hа
= (0,52 – 0,335) / 2 – 0,0464 = 0,0461 м = 46,1 мм.
По (8.40):
bп = tz
1
– bz
1
= 17,54 – 7,64 = 9.9 мм.
Паз и зубец статора показан на рисунке 1.
Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку по (8.42):
Dbп
= 0,3 мм, Dh = 0,3 мм.
Заполнение паза статора
Наименование |
Размер, мм |
по ширине паза |
по высоте паза |
Обмоточный провод изолированный 1,15*3,7 |
3,7*2=7,4 |
1,15*16*2=36,8 |
Пазовая изоляция и допуск на укладку |
2,5 |
9,3 |
Всего: на паз без клина |
9,9 |
46,1 |
Рис. 1 Паз и зубец статора
Минимальная и максимальная ширина зубца:
1.4 Расчет ротора
Воздушный зазор (по рис. 8.31) d = 0,9 мм.
Число пазов ротора (по табл. 8.16) ZZ
2
= 50.
Внешний диаметр ротора: D2
= D– 2d = 0,335 – 2 × 0,9 × 10-3
= 0,3332 мм
Длина магнитопровода ротора: l2
= 0,39 м.
Зубцовое деление ротора: tZ
2
= pD2
/ Z2
= p*0,3332 / 50 = 0,0209 = 20,9 мм.
Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал Dj
= DB
= kB
×Dа
= 0,23 × 0,52 = 0,120 м = 120 мм, kB
= 0,23 по табл. 8.17).
Ток в обмотке ротора по (8.57):
I2
= ki
× I1
×nI
= 0,936 × 202,866 × 4,196 = 796,6 А
Где (8.58): ki
= 0,2 + 0,8cosj = 0,2 + 0,8 × 0,92 = 0,936
[по (8.66): vi
= (2m1
×w1
×kоб
1
) / (Z2
×kск
) = (2 × 3 × 40 × 0,874) / 50 = 4,196
(пазы ротора выполняем без скоса – kск
= 1)].
Площадь поперечного сечения стержня (предварительно) по (8.68):
qс
= I2
/ J2
= 796,6 / 4,3 × 106
= 185 × 10-6
м2
= 185 мм2
(плотность тока в стержне клетки со вставными стержнями принимаем J2
=4,3 × 106
А/м).
Паз ротора определяем по рис. 8.41, а. Принимаем
= 0,5 мм.
Допускаемая ширина зубца по (8.75):
bz
2доп
= (Bd
×tz
2
×ld
) / (Bz
2
×lст2
×kс
) = (0,79 ×20,9 × 10-3
× 0,36) / (1,8 × 0,36 × 0,97) = 9,5 × 10-3 м = 9,5 мм
(принимаем ВZ
2
= 1,8 Тл по табл. 8.10).
Размеры паза:
b1
= 4 мм
b2
= 7 мм
hП
= 40.5 мм
Рис. 2 Паз и зубец ротора
Площадь поперечного сечения стержня по (8,79):
qс
= p/8 × (b1
2
+ b2
2
) + 0,5 × (b1
+ b2
) ×h1
= p/8 × (42
+ 72
) + 0,5 × (4 + 7) ×40,5 = 185,025 мм.
Плотность тока в стержне: J2
= I2
/ qc
= 796,6 / 185,025 × 10-6
= 4,305 × 106
А/м2
.
Короткозамыкающие кольца. Площадь поперечного сечения кольца по (8.72):
qкл
= Iкл
/ Jкл
= 3251 / 4,09 × 106
= 795 мм2
;
Iкл
= I2
/ D = 796,6 / 0,245 = 1626,27 А;
D = 2sin(pp/ Z2
) = 2sin(2p / 50) = 0,245;
Jкл
= 0,95J2
= 0,95 × 4,09 × 106
= 4,09 ×106
А/м.
Размеры размыкающих колец:
hкл
= 1,1hП2
= 1,1 × 40 = 44 мм;
bкл
= qкл
/ hкл
= 795 / 44 = 18 мм;
qкл
= hкл
×bкл
= 44 × 18 = 795 мм2
;
Dк.ср
= D2
– hкл
= 333,2 – 44 = 289,2 мм.
Аналог |
Расчет |
d, мм |
0,9 |
0,9 |
D2
, мм |
0,3332 |
0,3332 |
Dj
, мм |
0,12 |
0,12 |
b1
, мм |
4 |
4 |
b2
, мм |
7 |
7 |
hП
, мм |
40 |
40 |
1.5 Расчет магнитной цепи
Магнитопровод из стали 2312, толщина листов 0,5 мм.
Магнитное напряжение воздушного зазора по (8.103):
Fd
= 2/m0
×Bd
×d×kd
= 1,59 × 106
× 0,79 ×1,222 × 0,9 × 10-3
= 1383 А;
kd
= tz
1
/ (tz
1
– g1
×d) = 17,54 / (17,54 – 3,539 × 0,9) = 1,222;
g1
= [(bш1
/ d)2
] / (5 + bш1
/ d) = [(5,7 / 0,9)2
] / (5 + 5,7 / 0,9) = 3,539.
Магнитное напряжение зубцовой зоны статора по (8.104):
Fz
1
= 2hz1
×Hz
1
= 2 × 46,1 × 10-3
× 1442 = 132,9 А
где hZ
1
= hП1
= 46,1 мм;
[расчетная индукция в зубцах по (8.105):
Bz
1
max
¢
= (Bd
×tz
1
×ld
) / (bz
1
min
×lст1
×kс1
) = (0,79 × 17,54 × 0,36) / (7,86 × 0,36 × 0,97) =1,86 Тл;
bZ
1
min
= 7,86 мм; kc
= 0,97 по табл. П1.7 [2] для ВZ
1
max
= 1,86 Тл находим HZ
1
min
= =3490 A/м
Bz
1
min
¢
= (Bd
×tz
1
×ld
) / (bz
1
max
×lст1
×kс1
) = (0,79 × 17,54 × 0,36) / (12,5 × 0,36 × 0,97)= =1,17 Тл;
bZ
1
max
= 12,5 мм; kc
= 0,97 по табл. П1.7 [2] для ВZ
1
min
= 1,17 Тл находим HZ
1
min
= 559 A/м.
Bz
1ср
¢
= (Bz
1
min
+ Bz
1
max
) / 2 = (1,86+1,17) /2 =1,51 Тл
для ВZ
1ср
= 1,51 Тл находим HZ
1ср
= 1150 A/м
Hz1
=1/6*(HZ1min
+4 HZ1
ср
+ HZ1max
)=1442 A/м].
Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по (8.108):
Fz
2
= 2hz2
×Hz
2
= 2 × 0,0405 × 1129 = 90,36 А
(hZ
2
= hП2
= 40,5 мм);
[индукция в зубце по (8.109):
Bz
2
max
¢
= (Bd
×tz
2
×ld
) / (bz
2
min
×lст2
×kс2
) = (0,79 × 20,9 × 0,36) / (9,35 × 0,37 × 0,97)= =1,77 Тл;
bZ
2
min
= 9,35 мм; kc
= 0,97 по табл. П1.7 [2] для ВZ
1
max
= 1,77 Тл находим HZ
1
max
=2700 A/м
Bz
2
min
¢
= (Bd
×tz
2
×ld
) / (bz
2
max
×lст2
×kс2
) = (0,79 × 16,6 × 0,36) / (16,6 × 0,36 × 0,97)= =1 Тл;
bZ
2
max
= 16,6 мм; kc
= 0,97 по табл. П1.7 [2] для ВZ
2
min
= 1 Тл находим HZ
2
min
= =409 A/м.
Bz
2ср
¢
= (Bz
2
min
+ Bz
2
max
) / 2 = (1,77+1) /2 =1,39 Тл
для ВZ
2ср
= 1,39 Тл находим HZ
2ср
= 917 A/м
Hz2
=1/6*(HZ2min
+4 HZ2
ср
+ HZ2max
)=1129 A/м].
Коэффициент насыщения зубцовой зоны по (8.115):
kz
= 1 + [(Fz
1
+ Fz
2
) / Fd
] = 1 + [(132,9 + 90,36) / 1383] = 1,2
Магнитное напряжение ярма статора по (8.116):
Fa
= La
× Ha
= 0,372 ×905 = 336,6 А;
La
= [p(Da
– ha
)] / 2p = [p(0,52 – 0,0464)] / 4 = 0,372 м;
ha
= [(Da
– D) / 2] – hп
1
= [(0,52 – 0,335) / 2] – 46,1 × 10-3
= 46,4 × 10-3м
;
Ва
= Ф / (2ha
¢
× lст
1
× kс
1
) = 47,56 × 10-3
/ (2 × 46,4 × 10-3
× 0,36 × 0,95) = 1,5 Тл;
(для Ва
= 1,42 Тл по табл. П1.6 [2] находим На
= 40 А/м).
Магнитное напряжение ярма ротора по (8.121):
Fj
= Lj
×Hj
= 125 × 10-3
×2100 = 262,45 А;
Lj
= [p(Dj
+ hj
)] / 2p = [p(120+ 39,12) × 10-3
] / 4 = 125× 10-3 м;
hj
= 39,12 × 10-3 м;
Вj
= Ф / (2hj
¢
×lст2
×kс2
) = 47,56 × 10-3
/ (2 ×39,12 × 10-3
× 0,37 × 0,97) = 1,69 Тл;
(для Вj
= 1,69 по табл. П1,6 [2] находим Нj
= 2100 А/м).
Магнитное напряжение на пару полюсов по (8.128):
Fц
= Fd
+ FZ
1
+ FZ
2
+ Fa
+Fj
= 1383 + 132,9 + 90,36 + 336,6 + 262,45 = 2205 А
Коэффициент насыщения магнитной цепи по (8.129):
km
= Fц
/ Fd
= 2205 / 1383 = 1,595
Намагничивающий ток по (8.130):
Im
= (p×Fц
) / (0,9m×w1
×kоб1
) = (2 × 2205) / (0,9 × 3 ×40 × 0,874) = 46,7 А
Относительное значение
Im
*
= Im
/ I1ном
= 46,7/ 202,86 = 0,23. (допустимо)
1.6 Расчет параметров рабочего режима
Активное сопротивление обмотки статора
по (8.132):
r1
= kR
×r115
× (L1
/ qэф
а) = 1/43 × 10-6
*(60,5 / 4 ×13,34 × 10-6
) = 0,02637 Ом,
для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура vрасч
= 120º
С;
для медных проводников r = 10-6
/ 43 Ом × м
Длина проводников фазы обмотки по (8.134):
L1
= lср
×w1
= 1,513 × 40 = 60,5 м
по (8.135): lcp
= 2 (lп1
+ lл1
) = 2 × (0,38 + 0,376) = 1,513 м; lп1
= l1
= 0,38 м;
по (8.136): lл1
= (Kл
×bкт
) + 2В = (1,276 × 0,219) + (2 × 0,025) = 0,376 м;
где В = 0,025 м
bкт
=[p(D+hп1
)/2p]×b=[p(0,335+0,0461)/4]×1=0,219 м
Относительное значение
r1*
= r1
× (I1ном
/ U1ном
) = 0,02637 × (202,86 / 380) = 0,01407 Ом.
Активное сопротивление фазы обмотки ротора
по (8.168):
r2
= rc
+ (2rкл
/ D2
) = 78 × 10-6
+ (2 ×0,8466 × 10-6
/ 0,2452
) = 83 × 10-6
Ом;
rc
= r115
× (l2
/ qс
) = (10-6
/ 41) × (0,39 / 185 × 10-6
) = 78 × 10-6
Ом;
rкл
= r115
× [pDклср
/ (Z2
×qкл
)] = (10-6
/ 41) ×(p0,2892 / 50 × 795 × 10-6
)] = =0.8466 × 10-6
Ом;
где для вставной медной обмотки ротора р115
= 10-6
/ 41 Ом × м.
Приводим r2
к числу витков обмотки статора по (8.172) и (8.173):
r2
¢
= [r2
× 4m× (w1
×kоб1
)2
] / (Z2
×kск
2
) = [0,83 × 10-6
× 4 × 3 × (40 × 0,874)2
] / 50 = =0,02436 Ом.
Относительное значение:
r2*
¢
= r2
¢
× (I1ном
/ U1ном
) = 0,02436 × (202,86 / 380) = 0,013 Ом.
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора по (8.152):
x1
= 15,8 × (f1
/ 100) × (w1
/ 100)2
× [ld
¢
/ (p×q)] × (lп1
+ lл1
+ lд1
) = 15,8 × (50 / 100) × (40 / 100)2
× [0,36 / (2 × 5)] × (1,1 + 1,194 + 1,232) = 0,16044 Ом;
где
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния
Относительное значение:
x1*
= x1
× (I1ном
/ U1ном
) = 0,16 × (202,86 / 380) = 0,08563 Ом.
Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора
по (8.177):
x2
= 7,9 ×f1
×ld
¢
× (lп2
+ lл2
+ lд2
) × 10-6
= 7,9 × 50 × 0,36 × (3,1 + 0,64 + 1,626) = 763 × 10-6
Ом
где
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния
Коэффициент проводимости скоса
Аналог |
Расчет |
r1
, Ом |
0,014 |
0,01407 |
r2
, Ом |
0,014 |
0,013 |
х1
, Ом |
0,086 |
0,08563 |
х2
, Ом |
0,22478 |
0,22383 |
1.7 Расчет потерь
Потери в стали основные по (8.187):
Pстосн
= P1.0/50
× (f1
/ 50)b
[(kда
×Bа
2
×mа
) + (kд
z
1
×Bz1
2
×mz1
)] = 1,75 × [(1,6 × 1,422
× 194,4) + (1,8 × 1,5132
× 79,165)] = 1668 Вт;
mz
1
= hz
1
×bz
1ср
×Z1
×lст1
×kc
1
×nc
= 46,1 × 10-3
× 10,164 × 10-3
× 60 × 0,38 × 0,95 × 7,8 × 103
= 79,165 кг;
ma
=π×(Da
– ha
) ×ha
×lст
1
×kc1
×nc
= π× (0.52– 0.0464) × 0.0464 × 0.36 × 0.95 × 7,8 × 103
=194,4
kда
= 1,6; kд
z
1
= 1,8
(P1.0/50
= 1,75 Вт/кг для стали 2312 по табл. 8.26; nc
– удельная масса стали,
;
- масса стали ярма и зубцов статора)
Поверхностные потери в статоре по (8.194):
Pпов1
= pпов1
× (tz
1
– bш1
) × 10-3
×Z1
×lст1
= 847,25 × (20.9 – 5,7) × 60 × 0,36 × 10-3
= 228,73 Вт.
Удельные поверхностные потери по (8.192):
pпов1
= 0,5 ×k0.1
× [(Z2
×n2
) / 10000]1,5
× (b0.1
×tz
2
× 103
)2
= 0,5 × 1,8 × [(50 × 1500) / 10000]1,5
× (0,323 × 20.9)2
= 847,25 Вт/м2
.
Принимаем k02
= 1,8
b0.1
= b0.1
×kd
×Bd
= 0,335 × 1,222 × 0,79 = 0,323 Тл;
bш
/ d = 5,7 / 0,9 = 6,333 по рис. 8.53 b0.1
= 0,32.
Пульсационные потери в зубцах ротора по (8.200):
Pпул2
= 0,11 × [(Z1
×n×Bпул2
) / 1000]2
×mz
1
= 0,11 × [(50 × 1500 × 0,105/ 1000)2
× 72,7 = 720,466 Вт.
Bпул2
= (g1
×d×Bz
2ср
) / 2tz
2
= (3,539 × 0,9 × 10-3
× 1,386) / (2 × 20,9 × 10-3
) = =0,105 Тл;
mz
2
= Z2
×hz
2
×bz
2ср
×lст2
×kс2
×gс
= 50 × 40,5 × 10-3
× 12,985 × 10-3
× 0,37 × 0,97 × 7800 =72,7 кг.
Расчет пульсационных потерь в статоре и поверхностных в роторе не производим, так как они малы.
Сумма добавочных потерь в стали по (8.202):
Pст.доб
= Pпов1
+ Pпул1
+ Pпов2
+ Pпул2
= 228,73+ 720,466 = 949,2 Вт.
Полные потери в стали по (8.203):
Рст
= Рст.осн
+ Рст.доб
= 1793 + 949,2 = 2742,1 Вт.
Механические потери по (8.210):
Холостой ход двигателя
Iх.х.
= Ö(Iх.х.а
2
+ Im
2
) = Ö(3,5542
+ 46,72
) = 46,84 А;
Iх.х.а
= (Pст
+ Pмех
+ Pэ1хх
) / (m×U1ном
) = (2742,1+ 1136,55 + 172,565) / (3 × 380) = 3,554 А;
здесь Pэ1хх
» 3 ×Im
2
×r1
= 3 ×46,72
× 0,0264 = 172,565 Вт.
cosj = Iх.х.а
/ Iх.х.
= 3,554 / 46,84 = 0,076
1.8 Расчет рабочих характеристик
Параметры по (8.184), (8.185), (8.223):
r12
= Pст
.
осн
/ (m × Im
2
) = 1793 / (3 × 46,72
) = 0,1462 Ом;
x12
= (U1
ном
/ Im
) – x1
= (380 / 46,7) – 0,16044 = 7,975 Ом;
c1
= 1 + (x1
/ x12
) = 1 + (0,160444 / 7,975) = 1,02
Активная составляющая тока синхронного холостого хода по (8.226):
I0a
= [Pст
.
осн
+ 3Im
2
r1
] / 3U1
= [1793 + (3 × 46,72
× 0,02637)] / (3 × 380) = 1,724 А;
a¢
= c1
2
= 1,022
= 1,04; b¢
= 0;
a = c1
× r1
= 1,02 × 0,02637 = 0,0269 Ом;
b = c1
× [x1
+ (c1
× x2
¢
)] = 1,02 × [0,16 + (1,02 × 0,224)] = 0,397 Ом.
Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения,
Рст
+ Рмех
= 2742+ 1137 = 3878,6 Вт.
56. Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений s=0,005; 0,010; 0,015; 0,020; 0,025, принимая предварительно, что sном
0,014. Результаты расчетов сводим в табл. 1.
Таблица 1. Данные расчета рабочих характеристик
Номинальные данные спроектированного двигателя:
Pном2
= 200 кВт; Uном1
= 380 В; Iном1
= 202,67 А; cosj = 0,912; h = 0,9486
1.9 Расчет пусковых характеристик
а) Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета влияния насыщения от полей рассеяния)
Расчет проводится по формулам табл. 8.30 в целях определения токов в пусковых режимах для дальнейшего учета влияния насыщения на пусковые характеристики двигателя. Расчет проводим для точек характеристик, соответствующих s=1; 0.8; 0.5; 0.1; 0,05; 0.064. Данные расчета пусковых характеристик с учетом влияния вытеснения тока сведены в табл. 2.
Определим критическое сопротивление без учёта влияния эффекта вытеснения тока и влияния насыщения от полей рассеяния.
Активное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока:
nрасч.
= 115 °С; r115
= 10-6
/ 41 Ом × м; bc
/ bп
= 0,9 (bс
– ширина стержня, bп
– ширина паза).
hc
= hп
– hш
¢
= 40,5 – 0,5 = 40 мм.
x = 2p×hc
×Ö[(bc
/ bп
) × (f2
/ r115
) × 10-7
] = 85,344 ×hc
×Ös= 3,4;
для x = 3,4 по рис. 8.57 находим j = 2,4.
Глубина проникновения тока по (8.246):
hr
= hc
/ (1 + j) = 0,04 / (1 + 2,4) = 11,76 мм.
Площадь сечения qr
при b1
/2 £hr
£h1
+ b1
/2
4/2 £ 11,76£ (44,5 + 4/2)
2£ 11,76 £ 46,5
по (8.253) qr
= (pb1
2
/ 8) + [(b1
+ br
)/2 × (hr
– b1
/2)] = [(p× 42
) / 8] + [(4 + 4,015)/2 × (11,76 – 4/2)] = 45,41 мм2
, где br
= b1
+ [(b2
– b1
) / h1
× (hr
– b1
/2)] = 4 + [(7 – 4) / 44,5× (11,76 – 4/2)] = 4,015 мм.
Коэффициент kr
по (8.247):
Коэффициент общего увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока по (8.257):
KR
= 1 + [rc
× (kr
– 1)]/ r2
= 1 + [51,41 × 10-6
× (2,974 – 1)] /83 × 10-6
= 2,223,
где rc
¢
= rc
= 51,41 × 10-6
Ом и r2
= 83 × 10-6
Ом.
Приведённое сопротивление ротора с учётом вытеснения эффекта тока по (8.260):
r2
x
¢
= KR
×r2
¢
= 2,223 × 0,02436 = 0,05415 Ом.
Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока по рис. 8.58 для x = 3,4; j¢
= kд
= 0,45:
по табл. 8.25, рис. 8.52а, ж и по (8.26)
Kx
= (lп2
x
+ lл2
+ lд2
) / (lп2
+ lл2
+ lд2
), где lп2
= 3,1, lл2
= 0,64, lд2
= 1,626, lп2
x
– коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния с учётом эффекта вытеснения тока.
lп2
x
= lп2
– Dlп2
x
, здесь Dlп2
x
= lп2
¢
× (1 – kд
) = [(h0
/ 3b1
) × (1 – pb1
2
/8qс
)2
+ 0,66 – hш
/2b1
] × (1 – kд
) = [(45,3 / (3 × 4)) × (1 – (p42
/ (8 × 185)))2
+ 0,66 – (0,5 / (2 × 4))] × (1 – 0,45) = 2,31. Тогда lп2
x
= 3,1 – 2,31 = 0,79. Следовательно,
Kx
= (0,79 + 0,64+ 1,626) / (3,1 + 0,64+1,626) = 0,57.
По (8.261) X2
x
¢
= x2
¢
×Kx
= 0,57 × 0,224 = 0,127.
Пусковые параметры по (8.277) и (8.278):
X12п
= km
×x12
= 1,595 ×7,975 = 12,719 Ом, где km
= kr
= 1,595 и x12
= 7,975 Ом;
c1п
= 1 + (x1
/ X12п
) = 1 + (0,16 / 12,719) = 1,013, x1
= 0,16 Ом.
Расчёт токов с учётом влияния эффекта вытеснения тока:
по (8.280) для s = 1
Rп
= r1
+ (r2
x
¢
×c1п
) / s = 0,026 + (0,054 × 1,013) = 0,081 Ом, где r1
= 0,026 Ом и r2
x
¢
= 0,054 Ом.
Xп
= x1
+ (c1п
×x2
x
¢
) = 0,16 + (1,013 × 0,127) = 0,29 Ом, где x2
x
¢
= 0,127 Ом.
По (8.281) ток в обмотке ротора:
I2
¢
= U1
/ Ö(Rп
2
+ Xп
2
) = 380 / Ö(0,0812
+ 0,292
) = 1264 А, где U1
= 380 В.
По (8.283): I1
= I2
¢
× [Ö{Rп
2
+ (xп
+ X12п
)2
} / (c1п
×X12п
)] = 1264× [Ö(0,0812
+ (0,29 + 12,719)2
) / (1,013 × 12,719)] = 1276 А.
б) Расчет пусковых характеристик с учетом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния.
Расчет проводим для точек характеристик, соответствующих s=1; 0.8; 0.5; 0.1; 0,05; 0,064, при этом используем значения токов и сопротивлений для тех же скольжений Расчет проводим для точек характеристик, соответствующих s=1; 0.8; 0.5; 0.2; 0. 1,0,064, при этом используем значения токов и сопротивлений с учетом влияния вытеснения тока. Данные расчета сводим в табл. 3. Пусковые характеристики представлены на рис. 4
Индуктивные сопротивления обмоток. Принимаем kнас
= 1,2.
Средняя МДС обмотки, отнесенная к одному пазу обмотки статора по (8.263):
Fп.ср.
= 0,7 × [(I1
×kнас
×uп1
) / a] × [kb
¢
+ (kу1
×kоб1
×Z1
/Z2
)], где
I1
– ток статора, I1
= 1276 А;
а – число параллельных ветвей обмотки статора, а = 4;
uп1
– число эффективных проводников в пазу статора, uп1
= 16;
kb
¢
– коэффициент, учитывающий уменьшение МДС паза, вызванное укорочением шага обмотки, kb
¢
= 0,8;
kу1
– коэффициент укорочения шага обмотки, kу1
= 1.
Тогда, Fп.ср.
= 0,7 × [(1276× 1,2 ×16) / 4] × [0,8 + (1 × 0,798 × 60/50)] = 1882,5 А.
По средней МДС рассчитывают фиктивную индукцию потока рассеяния в воздушном зазоре по (8.264):
BФ
d
= (Fп.ср.
× 10-6
) / (1,6d×CN
), где коэффициент CN
по (8.265): CN
= 0,64 + 2,5 ×Ö[0,9 / (tZ
1
+ tZ
2
)] = 0,64 + 2,5 ×Ö[0,7 / (17,54 + 20,9)] = 1,022; d = 0,9 мм.
Тогда, BФ
d
= (1882,5 × 10-6
) / (1,6 × 0,9 × 10-3
× 1,022) = 1,279 Тл.
По полученному значению BФ
d
определяем отношение потока рассеяния при насыщении к потоку рассеяния ненасыщенной машины, характеризуемое коэффициентом kd
, значение которого находят по кривой рис. 8.61. Для BФ
d
= 1,279 Тл kd
= 0,94.
Далее рассчитываем значения дополнительного эквивалентного раскрытия пазов статора и ротора (cэ1
и cэ2
), магнитные напряжения которых будут эквивалентны МДС насыщенных участков усиков зубцов.
Для пазов статора его принимают равным по (8.266):
cэ1
= (tZ
1
– bш1
) × (1 – kd
) = (17,54 – 5,7) × (1 – 0,94) = 0,71 мм,
где bш1
= 5,7 мм.
Вызванное насыщением от полей рассеяния уменьшение коэффициента магнитной проводимости рассеяния паза статора по (8.269):
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния при насыщении определяют для статора из выражения (8.272):
lп1нас
= lп1
– Dlп1нас
, где lп1
– проводимость, рассчитанная без учёта насыщения lп1
= 1,87. Тогда lп1нас
= 1,1 – 0,021 = 1,079.
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния при насыщении участков зубцов статора по (8.274):
lд1нас
= lд1
×kd
= 1,232 × 0,94 = 1,158, где lд1
= 1,232.
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учётом насыщения от полей рассеяния определяется по отношению сумм коэффициентов проводимости, рассчитанных без учёта и с учётом насыщения от полей рассеяния, по (8.275):
X1нас
= x1
× (Sl1нас
/ Sl1
) = x1
× (lп1нас
+ lд1нас
+ lл1
) / (lп1
+ lд1
+ lл1
) = 0,16 × (1,079 + 1.158+ 1.194) / (1,1 + 1,232 + 1.194) = 0,157 Ом.
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока по (8.271):
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учётом влияния насыщения по (8.274):
lд2нас
= lд2
×kd
= 1.626× 0,94 = 1.529, где lд2
= 1.626.
Приведённое индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения по (8.276):
X¢
2
xнас
= x2
× (Sl2нас
/ Sl2
) = x2
× (lп2
xнас
+ lд2нас
+ lл2
) / (lп2
+ lд2
+ lл2
) = 0,224 × (0.588+ 1.529+ 0.64) / (3,1 + 1.626+ 0.64) = 0.115 Ом.
По (8.278): c1пнас
= 1 + (x1нас
/ X12п
) = 1 + (0,157 / 12.719) = 1,012.
Расчёт токов и моментов (при s = 1).
Rп
= r1
+ (r2
x
¢
×c1пнас
) / s = 0,026 + (0.054× 1,012) = 0.081 Ом, где r1
= 0,026 Ом и r2
x
¢
= 0,054 Ом.
Xпнас
= x1нас
+ (c1пнас
×x¢
2
x
нас
) = 0,157 + (1,012 × 0.121) = 0,28 Ом, где x¢
2
x
нас
= =0.121 Ом.
Ток в обмотке ротора по (8.281):
I¢
2нас
= Uном1
/ Ö(R2
пнас
+ X2
пнас
) = 380 / Ö(0.0812
+ 0,282
) = 1305.504 А, где Uном1
= 380 В.
По (8.283): I1нас
= I¢
2нас
× [Ö{R2
пнас
+ (xпнас
+ X12п
)2
} / (c1пнас
×X12п
)] = 1305.504× [Ö{0,0812
+ (0,28 + 12.719)2
} / (1,012 × 12.719)] = 1317.944 А.
Кратность пускового тока с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения по (8.284): Iп*
= I1нас
/ Iном
= 1317.944/ 202,86 = 6,499.
Кратность пускового момента с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения по (8.284): Mп*
= (I¢
2нас
/ I¢
2ном
)2
×KR
× (sном
/ s) = (1305.504/ 190.468)2
× 2,223 × 0,0129 = 1.344.
Полученный в расчёте коэффициент насыщения:
k¢
нас
= I1пнас
/ I1
= 1317.944/ 1276= 1,033
Таблица 2. Данные расчета пусковых характеристик двигателя без учета влияния насыщения
№
п/п
|
Расчетная формула |
Размернос
ть
|
Скольжение |
1 |
0,8 |
0,5 |
0,1 |
0,05 |
|
1 |
|
- |
3,414 |
3.05 |
2,414 |
1.08 |
0.763 |
0,862 |
2 |
|
- |
2,4 |
2,0 |
1,35 |
0,11 |
0.302 |
0.491 |
3 |
|
м |
0,0118 |
0,0133 |
0,017 |
0,036 |
0.0307 |
0,027 |
4 |
|
- |
2,974 |
2,478 |
1,681 |
1 |
1 |
1 |
5 |
|
- |
2,223 |
1,915 |
1,422 |
1 |
1 |
1 |
6 |
|
Ом |
0,0542 |
0,0467 |
0,0346 |
0,024 |
0.024 |
0,024 |
7 |
|
- |
0,45 |
0,5 |
0,625 |
0,95 |
0.975 |
0,97 |
8 |
|
- |
0,57 |
0,609 |
0,706 |
0,961 |
содержание ..
325
326
327 ..
|
|