Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Белорусский Национальный Технический  Университет

ФИТР

Кафедра “ЭАПУ и ТК”

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине “ Электрические  машины ”

Расчет асинхронного двигателя  с короткозамкнутым ротором

  

 

 

                                                                            Разработал:           ст.гр.107610

Бартош В.В.

                                                                      Проверил: Лобусь А.Н.

 

 

 

 

Минск 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….3

1 ВЫБОР ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ДВИГАТЕЛЯ………………………4

2 РАСЧЕТ ОБМОТОК СТАТОРА И РОТОРА

2.1 РАСЧЕТ ОБМОТКИ СТАТОРА………………………………………...5

2.2 РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СТАТОРА………………7

2.3 РАСЧЕТ РОТОРА………………………………………………………....8

3 РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ И ПОТЕРЬ

3.1 РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ..............................................................10

3.2 РАСЧЁТ ПОТЕРЬ………………………………………………………..16

4. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ РАБОЧИХ И ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

4.1 РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК.............................................18

4.2 РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК…..22

5.Расчет прямого пуска АД с использованием системы нелинейных ДУ пакетом Matlab………………………………………………………...29

6 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ……………………………………………………...30

7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ МАТЕРИАЛОВ  И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ…………………………………………………………..33

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….35

СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………..36

 

Введение

 

 Машины переменного  тока применяют в электроприводах, требующих широкого, плавного и экономичного регулирования частоты вращения, высоких перегрузочных пусковых и тормозных моментов.

Такие машины хорошо используются для привода различных механизмов. Двигатели небольшой мощности применяют  во многих системах автоматики. В связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных и транзисторных преобразователей частоты и напряжения, позволяющих питать электродвигатели переменного тока регулярным напряжением от сети переменного тока.

В данном курсовом проекте рассчитывается асинхронный двигатель 4А160М4У3. Данный двигатель имеет следующие параметры:

• номинальная мощность Р_н = 11,0 кВт;
• номинальный КПД η_н =87,5 ;
• номинальная частота n_н =50Гц ;
• номинальное напряжение U_н = 380 В;
• коэффициент мощности cos φ= 0,87;
• кратность  максимального момента М_max/M_ном=3,0;
• I_max/I_ном=7.5;
• М_пуск/M_ном=2.2;
• Число пар полюсов р=2;
• скольжение S=2%;

В процессе расчета будем  ориентироваться на выписанные данные, но, возможно, спроектированный двигатель будет иметь небольшие отклонения от данных, вследствие выбора различных коэффициентов, погрешностей в расчете, использования графического материала.

За основу при расчете  принят способ, предложенный в [1].

К данному курсовому  проекту прилагается графический  материал: чертежи и характеристики.

2 ВЫБОР ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ДВИГАТЕЛЯ

 

Высота оси вращения (предварительно) по рис.9.18, а[1]. Принимаем ближайшее стандартное значение h=132мм; D_а=0,225м (см.табл. 9.8) [1]

h – высота оси вращения;

D_а – наружный  диаметр статора.

Внутренний диметр статора:

D=K_D·D_a, где K_D=0,68 (берется из табл. 9,9).

D=0,68·0,225=0,153м.

Полюсное деление:

.

Расчетная мощность: 

,

где k_E=0,97  из  рис. 9,20, h=87,5% и cosj=0,87.

        Электромагнитные  нагрузки (предварительно по рис. 9,22, а):

А=28,2·10³ А/м.

В_δ=0,89 Тл.

Обмоточный коэффициент (предварительно для однослойной обмотки)

k_об1=0,96.

Расчетная длина воздушного зазора:

,

где Ω-синхронная угловая  скорость двигателя, рад/c

;

Отношение . Значение λ=0,688 находится в допустимых пределах (рис. 9,25).

 

3 РАСЧЕТ ОБМОТОК СТАТОРА И  РОТОРА

3.1 Расчет обмотки статора

Определяем предварительно зубцовое деление t₁ в зависимости от типа обмотки, номинального напряжения и полюсного деления машины. Диапазон возможных значений берем из рисунку 9.26 [1]:

t_1min=0,012 м,

t_1max=0,014 м.

Число пазов статора:

;

C учетом выбранных значений t:

Примем Z₁=48, тогда, тогда , где m-число фаз (m=3).

Зубцовое деление статора (окончательно):

.

Это значение находится в заранее  выбранных пределах.

Для дальнейших расчетов определим  номинальный ток обмотки статора:

Число эффективных проводников  в пазу (предварительно):

где А – принятое ранее  значение линейной нагрузки, А/м;

    I_1н – номинальный ток обмотки статора, А.

Принимаем а=2, тогда проводников.

Определяем окончательное  число витков в фазе обмотки:

Окончательное значение линейной нагрузки:

Уточняем значение потока по формуле:

,

где  f₁-частота сети (f₁=50 Гц);

k_E=0,97 (рис. 9.20);

k_об1-обмоточный коэффициент, k_об1= k_р1=0,95 (табл.3,16).

Тогда:

.

Определяем индуктивность  в воздушном зазоре:

 .

Значения А и В_δ находятся в допустимых пределах.

Определим предварительно плотность тока в обмотке статора:

где (А·J₁) принимаем по рис. 9,27 б [1] (А·J₁=290·10⁹ А²/м³):

Определяем предварительное  сечение эффективного проводника:

Сечение эффективного проводника (окончательно): принимаем n_эл=2, тогда Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ (см. приложение 3):

d_эл=1,12 мм (номинальный диаметр неизолированного провода);

d_из=1,3 мм (среднее значение диаметра изолированного провода);

q_эл=0,963·мм² (площадь поперечного сечения неизолированного провода).

q_э.ср=n_элq_эл=2·0,963=1,926 мм².

Плотность тока в обмотке  статора (окончательно):

.

Данная плотность тока практически совпадает с ранее принятой.

3.2 Расчет  размеров зубцовой зоны статора

 

Принимаем  предварительно по табл. 9,12 B_z1=2.0 Тл, B_a=1,7Тл

k_c-коэффициент заполнения сердечника сталью, из табл. 9,13 для оксидированных листов стали k_c=0,96.

Определяем высоту ярма статора:

Принимаем размеры паза в штампе:

b_ш-средняя ширина шлица паза статора b_ш=3мм (табл. 9,16);

h_ш-высота шлица паза, h_ш=1мм.

Определяем размеры  паза в штампе:

;

;

при β=45⁰

  ;

.

Размеры паза в свету  с учетом припуска на сборку:

Δb_п-припуск по ширине паза, Δb_п=0,1 мм, по табл. 9.14;

Δh_п-припуск по высоте паза, Δh_п=0,1 мм, по табл. 9.14.

площадь поперечного  сечения паза для размещения проводников:

,

где площадь поперечного сечения прокладок равна S_пр=0

площадь поперечного  сечения корпусной изоляции в  пазу:

S_из=b_из(2h_П+b₁+b₂)=0,5·(2·19+9,16+7,07)=27,3 мм²,

односторонняя толщина  изоляции в пазу принята в соответствии с табл.3,1 b_из=0,5мм.

Для проверки правильности размещения обмотки в пазах рассчитаем коэффициент заполнения паза:

Полученное значение к_з допустимо для механизированной укладки обмотки.

3.3 Расчет ротора

 

Определяем воздушный  зазор по рис. 9,31:

δ=0,4мм.

Определяем число пазов  ротора по табл. 9,18:

Z₂=56.

Определяем внешний  диаметр:

D₂=D - 2d=185-2·0,4 =184,2 мм;

Длина l₂=l₁=0,1 м.

Определяем зубцовое деление ротора:

;

Определяем внутренний диаметр ротора D_j; при непосредственной посадке на вал D_j равен диаметру вала D_в:

D_j=D_B=k_BD_a=0,23·272=62,6 мм,

где k_B=0,23 (по табл. 9.19).

Ток в обмотке ротора:

I₂=k_iI₁n_i= 0,9·21,894·14,657=288,811 A,

где k_i-коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение I₁ /I₂.

k_i=0,9

ν_i-коэффициент приведения токов, определенный по формуле:

.

Площадь поперечного  сечения стержня (предварительно):

мм²;

(плотность тока в  стержне литой клетки принимаем  J₂=6·10⁶ А/м²).

Паз ротора определяем по рис. 9.40,а. Принимаем b_ш=1,5мм, h_ш=0,7, h'_ш=0,3мм.

Допустимая ширина зубца:

;

(принимаем B_z2=1,52 Тл по табл.9,12).

Размер паза:

;

.

.

Полная высота паза:

_мм.

Площадь поперечного сечения стержня:

 мм²;

Плотность тока в стержне:

Произведем расчет короткозамкнутых колец.

Площадь поперечного  сечения короткозамыкающих колец:

 мм²

 А,

где

0.85·6=5,1 А/мм².

Размеры замыкающих колец:

4.РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ И ПОТЕРЬ

4.1 Расчет магнитной цепи.

 

Расчет магнитной цепи проводится для режима холостого  хода двигателя, при котором для  асинхронных машин характерно относительно сильное насыщение стали зубцов статора и ротора.

Магнитное напряжение воздушного зазора:

- коэффициент воздушного зазора,

где .

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора:

2·16,1·10^-3·2010=64,722 А,

где  h_z1=H_П1=16,1 мм ;

расчетная индукция в зубцах:

;

где для  =1,8 Тл по табл. П1.7

Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора:

2·9,293·10^-3·696=12,936 А

при зубцах из табл. 9.20 h_z2=h_П2-0,1·b₂=9,293мм;

индукция в зубце ротора:

по табл. П.1.7. B_z2=2,103 Тл  находим

Коэффициент насыщения  зубцовой зоны:

Магнитное напряжение ярма статора:

;

,

где ;

Тл

для Ba=1,5mТл по табл. П.1.6. находим =1150А/м.

Магнитное напряжение ярма ротора:

;

,

где для машин с 2p=4:

 

где  для  =0,714Тл по табл. П.1.6. находим =104 А/м, m_k2=0.

Магнитное напряжение на пару полюсов:

.

Коэффициент насыщения магнитной  цепи:

Намагничивающий ток:

относительное значение:

.

Параметры рабочего режима

Активное сопротивление  фазы обмотки статора

для класса нагревостойкости изоляции F расчетная J_расч=115 °С

для меди r₁₁₅=10^-6/41 Ом/м

;

Длина проводников фазы обмотки

;

;

;

, где B=0,01, по табл. 9.23 К_Л=1,3;

м,

₁ – относительное укорочение шага обмотки статора.

Длина вылета лобовой части катушки:

,

где по табл. 9.23 =0,4.

Относительное значение активного  сопротивления фазы обмотки статора:

.

Активное сопротивление фазы обмотки  ротора для литой алюминиевой  обмотки ротора:

;

;

приводим к числу  витков обмотки статора:

;

относительное значение:

.

Индукционное сопротивление  фазы обмотки статора:

где по табл. 9.26 коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния:

где:

.

Коэффициент магнитной  проводимости лобового рассеивания: