Министерствообразования и науки Российской Федерации
Федеральноеагентство по образованию
ГОУ ВПО«Уральский государственный технический университет – УПИ»
Кафедра электрическихмашин
КУРСОВОЙПРОЕКТ
Двигательсинхронный вертикальный
ВДС 2–325-24мощностью 4000 кВт
Руководитель, ассистент
И.Е. Родионов
Екатеринбург2008
Задание на проектирование
Рассчитать испроектировать электромагнитное ядро ВДС 2-325-24 со следующими данными:
Исходные данныеНоминальнаямощность, кВт Р н =4000
Номинальная частотанапряжения сети, Гц f н =50Номинальныйкоэффициент мощности (опережающий) cosfн =0.9
Внешний диаметр статора, мD а =3.25Номинальнаячастота вращения ротора, об/мин n н =250Номинальноелинейное напряжение, кВ U н =6
Схема обмотки статора: звезда
Изоляция обмотки статора:термореактивная
Возбудитель: статический,тиристорныйТехнические требованияКратностьпускового момента М п /М н ³0.7Кратностьмаксимального момента М m/М н ³2.1Кратностьвходного момента М вх /М н ³1.2Кратностьпускового тока I п /I н £5,5
Реферат
двигательсинхронный электромагнитный ядро
В курсовом проектерассмотрен и выполнен расчет электромагнитного ядра явнополюсного синхронноговертикального двигателя типа ВДС 2-325-24 мощностью 4000кВт.
В главе 1 описаны назначение,принцип действия, основные характеристики и элементы конструкции синхронноговертикального двигателя, область применения.
Задача синтезаосуществляется в два этапа.
На первом этапе в ходеручного расчета получаем первоначальный вариант параметров двигателя, которыйприводится в главе 2. Ручной расчет был выполнен с помощью программы MathCAD.
На втором этапе, спомощью ЭВМ и полученных данных в ручном расчете, находим оптимальный вариантпараметров двигателя, который приводится в главе 3 данной работы. Оптимизация параметровдвигателя была произведена с помощью программы «OPTCD».
Задачей проектированияявляется синтез электромагнитного ядра и определение таких его параметров, при которыхдвигатель удовлетворял бы требованиям ГОСТа и технического задания. При такой постановкезадачи мы имеем большое количество вариантов двигателя. Оценка вариантов и выборлучшего двигателя производится по ряду эксплутационных показателей, которые рассматриваютсяв качестве критериев оптимальности.
Содержание
Техническое задание
Реферат
Содержание
Введение
1. Описание конструкции синхронногодвигателя
1.1 Общие сведения
1.2 Основные конструкционныеособенности
2. Расчет электромагнитного ядраявнополюсного синхронного двигателя
2.1 Расчет номинальных величин
2.2 Расчет сердечника статора
2.3 Расчет обмотки статора
2.4 Коррекция главных размеровстатора по уровню индукции в воздушном зазоре, зубцах и спинке статора
2.5 Выбор величины воздушного зазора
2.6 Расчет полюса и демпфернойобмотки
2.7 Расчет магнитной цепи
2.8 Расчет перегрузочной способности
2.9 Расчет обмотки возбуждения
3. Оптимизация электромагнитного ядрана ЭВМ
3.1 Поиск приемлемого варианта
3.2 Оптимизация ядра по минимуму приведеннойстоимости
3.3 Оптимизация по минимуму резервов
3.4 Выбор оптимального варианта
Заключение
Библиографический список
Приложение
Введение
В настоящее время широкое распространение получили крупныевертикальные электродвигатели типа ВДС 2-325-24 мощностью 4000 киловатт и частотой вращения до 250 оборотов в минуту. Вэнергетике их применяют качестве генераторов на элктростанциях. В промышленныхустановках синхронные двигатели также находят большое применение.
Синхронная машина данноготипа – это электрическая машина переменного тока, частота вращения роторакоторой n находится в строгом соответствии счастотой сети f1. В соответствии с этим запишем аналитическоевыражение:/>, где р — число пар полюсов
Синхронной машинойназывается электрическая машина переменного тока, у которой частота вращенияротора n находится в строгом соответствии счастотой сети.
Синхронные двигатели –это бесколлекторные машины переменного тока. По своему устройству ониотличаются от асинхронных машин лишь конструкцией ротора, который может бытьявнополюсным или неявнополюсным. Синхронные машины отличаются синхроннойчастотой вращения ротора (n1=n2=const) при любойнагрузке, а также возможностью регулирования коэффициента мощности,устанавливая такое его значение, при котором работа синхронной машиныстановится наиболее экономичной.
В настоящее время широкоераспространение получили вертикальные электродвигатели переменного токамощностью от нескольких десятков ватт до десятков мегаватт, а частотой вращенияот нескольких до десятков тысяч оборотов в минуту.
Синхронные двигателибольшой мощности экономически выгоднее, чем двигатели другого типа. Такжецелесообразно применять их в качестве привода устройств, в местах стабильнойнагрузки, где не требуются частые пуски и двигатель должен работать спостоянной частотой вращения, например: компенсаторы, насосы, воздухоустановки,нагнетатели.
Весьма удобно, когдаэлектрическая машина удалена от центра питания, так как при питании такогосинхронного двигателя можно регулировать реактивную мощность в узле и тем самымподдерживать постоянное напряжение.
Насосные агрегаты сприводом от асинхронного двигателя устанавливаются на электростанциях. Припитании двигателя, находящегося на электростанции, нет потерь мощности на передачуреактивной энергии по ЛЭП, не требуется от электродвигателя выдача реактивнойэнергии в сеть. В этих условиях асинхронные короткозамкнутые двигатели имеютзначительные преимущества перед синхронными, в части удобства и простотыобслуживания, а также стоимости. Стоимость асинхронного короткозамкнутогодвигателя в среднем на 20% меньше стоимости синхронного двигателя сэлектромашинным возбудителем.
В настоящее время вэксплуатации находится большое количество крупных вертикальныхэлектродвигателей переменного тока. В ирригационных и оросительных системах, нанасосных станциях городского и промышленного водоснабжения устанавливаются насосныеагрегаты с вертикальными электродвигателями, преимущественно синхронными,мощностью от 500 до 25000 кВт.
На гидроаккумулирующихстанциях, где агрегаты работают то как насосы, создавая запасы воды вводохранилищах, то как турбины, расходуя запасенную воду в часы пиковэлектронагрузки, мощность синхронных двигателей-генераторов доходит до 100 МВти более.
Таким образом, синхронныйдвигатель в сравнении с другим двигателем имеет следующие преимущества:
1. возможностьгенерирования, поглощения и регулирования реактивной мощности;
2. меньшаязависимость перегрузочной способности от напряжения;
3. возможностькратковременно увеличивать перегрузочную способность за счет форсировкивозбуждения.
4. стабильнаячастота вращения, что обеспечивает технологичность процесса.
И следующиенедостатки:
1. сложностьизготовления, дороговизна, меньшая надежность;
2. сложность в управлениии регулировании скорости вращения;
3. довольно сложный пуск.
1. Описаниеконструкции синхронного двигателя.
1.1 Общиесведения
Следует выделить двеосновные части синхронной машины: статор и ротор. Статор представляет собойнеподвижный полый шихтованный сердечник с продольными пазами внутри, в которыхрасположена обмотка статора. Во внутренней полости статора расположенавращающаяся часть машины – ротор, который может иметь явно полюсное и неявнополюсное исполнение. В неявно полюсной машине зазор между ротором и статоромпостоянный. В роторе крепится обмотка возбуждения и демпферная клетка, котораяслужит для пуска и успокоения ротора при резком изменении режимных параметров.Обмотка возбуждения создает неподвижное поле. К валу ротора подводитсянагрузка.
Синхронная машина можетработать в двух различных режимах: в автономном и параллельно с сетью. Вавтономном режиме машина является единственным источником энергии дляпотребителей, то есть работает только в генераторном режиме. При работе от сетиили параллельно сети она может работать в режимах синхронного генератора,двигателя, компенсатора. Рассмотрим принцип действия синхронной машины, котораяимеет питание как обмотки возбуждения, так и обмотки статора от независимыхисточников: обмотка возбуждения — от возбудителя, обмотка статора – оттрехфазной сети. Если подать постоянное напряжение на обмотку возбуждения, топо ней потечет постоянный ток, который будет создавать неподвижное,относительно ротора, поле. При подключении фаз обмотки статора, которыесдвинуты в пространстве на 1200 к трехфазной сети, то будет созданавращающееся с синхронной скоростью поле. Если ротор привести во вращение ссинхронной скоростью, то эти поля, относительно друг друга станут неподвижными.
/>
Рисунок 1 – Насоснаястанция с синхронным двигателем.
В зависимости отположения ротора возникнет момент — тормозящий или двигательный. Таким образом,синхронная машина при подключении к сети, в зависимости от положения ротора,может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. В режимедвигателя ротор отстает от поля статора, в отличии от генераторного, где роторопережает. Под действием электромагнитного момента, который совпадает снаправлением вращения и противонаправлен внешнему нагрузочному моменту,происходит синхронное вращение ротора. Степень загруженности оценивают рабочимуглом q — угол между ротором и осью поля статора. Чем больше нагрузка, тем больше q.
/>
Рисунок 2 – Общий видвертикального синхронного двигателя.
1.2 Основныеконструкционные особенности
/>Исполнение вертикального электродвигателя – подвесноес подпятником, расположенным выше корпуса ротора, идвумя направляющими подшипниками в верхней и нижнейкрестовинах и с фланцевым концом вала для присоединения к насосу. Двигательвыполнен с подпятниками и направляющими подшипниками скользящего трения.
Синхронный вертикальныйэлектродвигатель оснащен статическими тиристорными возбудителями с питаниемчерез согласующий трансформатор от сети собственных нужд или бесщеточнымивозбудителями переменного тока с вращающимся диодным преобразователем.
/>
Рисунок 3 –Принципиальная схема тиристорного возбуждения.
Тиристорный возбудитель управляет пускоми остановкой двигателя. При пуске, когда в обмотке ротора индуктируетсяпеременная э.д.с., обмотка должна быть включена на резистор, чтобы создатьзамкнутую цепь для отрицательной полуволны тока. При пуске синхронногодвигателя тиристорный преобразователь заперт, обмотка возбуждения включена наразрядный резистор через тиристорный ключ, который представляет собой двавстречно-параллельных тиристора. К концу пуска, когда напряжение на обмотке роторападает, включается тиристорный преобразователь, а тиристоры ключа запираются.Управление тиристорным ключом производится стабилитронами.
Корпус статора вертикального электродвигателя имееткруглую форму и выполнен сварным из листовой стали. Он состоит из горизонтальнорасположенных круглых фланцев, промежуточных рам, распорных ребер ицилиндрической обшивки с отверстиями для выхода нагретого воздуха.
Сердечник статора синхронного электродвигателя состоитиз гладких штампованных сегментов из электротехнической стали толщиной 0,5 мм с выштампованными по внутреннему диаметру открытыми пазами для катушек обмотки, сегментов свентиляционными распорками и концевых сегментов с нажимными пальцами. Сегментысобраны в пакеты и стянуты посредством нажимных фланцев и шпилек в корпусестатора. Сегменты штампуют из электротехнической стали марки 1512 и покрывают собеих сторон лаком горячей сушки.
Пакеты сердечникаразделяют между собой сегментами с вентиляционными распорками, образующимирадиальные вентиляционные каналы. Сегмент с вентиляционными распоркамипредставляет собой два сложенных штампованных листа электротехнической сталимарки, к которым прикреплены стальные полоски из специального нормализованногопрофиля двутаврового сечения. Концевые сегменты крайних пакетов выполняются снажимными пальцами. Для повышения эффективности вентиляции и обеспечения болееравномерного охлаждения сердечника и обмотки статора крайние пакеты сердечникавыполняются большей ширины, чем средние.
Сердечник статора выполнен из штампованных сегментов иразделен радиальными каналами на ряд пакетов. Пакеты собираются в остов сварнойконструкции, выполненный из стального листа и состоящий из двух рам, ряда ребери нажимного фланца. Сердечник закрепляется в остове посредством стяжных шпилек,пропущенных через отверстия в спинке сегментов, в раме и нажимном фланце.
Вертикальный синхронныйдвигатель выполнен с катушечными петлевыми двухслойными обмотками сукороченным шагом. Катушки состоят из ряда витков обмоточной медипрямоугольного сечения марки ПСД с двусторонней изоляцией толщиной 0,33 мм. Каждый виток состоит из одного или нескольких проводников, по ширине паза располагается неболее двух проводников. Для катушек обмоток необходимо на каждый витокнакладывать витковую изоляцию.
В вертикальномэлектродвигателе для изоляции катушечных статорных обмотокприменена изоляция высоковольтных машин на термореактивных связующих. Изоляциякатушек выполнена из стеклослюдинитовой ленты, пропитанной эпоксиднымкомпаундом горячего отвердения. На катушку после наложения витковой изоляциинакладывается многими слоями вполнахлеста сухая стеклослюдинитовая лентатолщиной 0,13 мм, представляющая собой слюдинитовый материал на стеклотканевойоснове. Сверху на стеклослюдинитовую ленту накладываются слои стеклоленты толщиной 0,1 мм вполнахлеста. Изолированные катушки в холодном состоянии укладываются воткрытые пазы сердечника статора а заклиниваются клиньями. Дальнейший процесспроизводится в специальной вакуум — пропиточной установке с обогреваемымикотлами.
Катушки, заложенные в пазы, удерживаются в них посредствомстеклотекстолитовых клиньев со скошенными на протяжении вентиляционного каналакраями для улучшения вентиляции.
Изоляция бандажных колец выполняется из слюдопластоленты истеклолакоткани. Крепление междукатушечных соединений обмотки выполнено спомощью шнура. Выводные концы соседних катушек скреплены между собой шнуром,образуя общее кольцо.
От обмотки статора к коробке выводов выведены четыре конца.Нулевые выводы обмотки соединяются в звезду внутри корпуса статора и подключаютсяк четвертому выводу коробки обычной конструкции со сварным стальным корпусом.
Концы обмотки статора подключены к медным контактнымшпилькам, встроенным в центральные отверстия опорных фарфоровых изоляторов,установленных на корпусе коробки. Кабельные концы, подключаемые к сети,присоединены к другим концам медных шпилек, расположенным с противоположной стороныопорных изоляторов. Корпус коробки выводов сварной конструкции выполняется изстального листа и закрывается стальной крышкой. Внизу корпус имеет уплотняющееустройство для выводного кабеля и снабжен фланцем для прикрепления кабельноймуфты.
Остов ротора выполнен в виде сварной конструкции,состоящей из кованой стальной втулки, двух круглых рам из толстого листа ипоперечных ребер прямоугольного сечения. Кроме приварки, рамы закрепляются навтулке стальными цилиндрическими штифтами.
Обмотка возбуждения синхронного двигателя выполнена изотдельных полюсных катушек с открытыми наружной и внутренней поверхностями.
Катушка полюсаизготовлена из шинной меди специального профиля. Применением подобной медидостигается увеличение наружной поверхности катушки и улучшение съема тепла скатушки.
Синхронный вертикальныйдвигатель имеют демпферную (пусковую) обмотку, состоящую из круглыхстержней, припаянных концами к медным пластинам (сегментам). Стержнизафиксированы по центру полюсного башмака с помощью чеканки для обеспеченияравномерного удлинения от торцов башмака при нагреве. Сегменты демпферныхобмоток выполнены из меди и припаяны к стержням тугоплавким припоем. Сегментырасположены в горизонтальной или вертикальной плоскости.
В вертикальном синхронномдвигателе токоподвод от контактных колец к обмотке возбуждения выполнениз изолированных кабелей и помещен в центральном отверстии вала.
Вал вертикального электродвигателяизготовлен кованным из стали марки 35.
Для сопряжения с приводом вал выполнен с фланцевым концом длянепосредственного сопряжения. На вал насаживаются наглухо втулка нижнегонаправляющего подшипника и съемная втулка подпятника. Для обеспечения соосностивтулок и вала и параллельности опорной поверхности втулки подпятника и фланцаокончательная обработка вала производится с уже насаженными втулками.
Для укладки токоподвода от обмотки ротора до контактных колецверхняя часть вала выполняется с центральным отверстием.
Для закрепления на валу остова ротора, контактных колец,втулок и других деталей применяются стальные призматические шпонки. Вэлектродвигателе для закрепления остова ротора могут применяться также иклиновые шпонки. В вертикальном электродвигателе валы передают только вращающиймомент. Вертикально расположенные валы испытывают относительно небольшойизгибающий момент от сил одностороннего магнитного притяжения при неравномерномзазоре между статором и ротором электродвигателя. Кроме того, незначительныеизгибающие усилия испытывают валы от небаланса вращающихся частейэлектродвигателя.
2.Синтезэлектромагнитного ядра синхронного двигателя типа ВДС 2-325-24. Расчёт ккурсовой работе
2.1 Расчетноминальных величин:
2.1.1 Номинальнаяполная мощность
/>=/>
2.1.2 Номинальныйфазный ток статора:
/>
2.2Расчетсердечника статора:
2.2.1 Число парполюсов
/>
2.2.2 Внутреннийдиаметр статора:
/>
2.2.3 Полюсноеделение:
/>
2.2.4 Длина сердечникастатора:
/>
2.2.5 Высота спинкисердечника статора
/>
2.2.6 Высота пазастатора:
/>
2.2.7 Ширина пазастатора:
/> при />=4000 кВт >1000 кВт;
при термореактивнойизоляций: />0;
/>
Для полученияудовлетворительного варианта двигателя нужно обеспечить выполнение соотношений:
/>; /> и />; />
Соотношения сошлись путемкоррекций высоты спинки сердечника статора />
2.2.8 Числопараллельных ветвей:
По техническим причинамток одной катушки не должен превышать 250-275 А. Если номинальный ток статорапревышает эти значения, то обмотку выполняют из нескольких параллельных ветвей.Число параллельных ветвей -а- выбирается из ряда чисел кратных числу полюсов: /> =>(24,12,6,4,3,2,1);
Выбираю /> так как выполняетсяусловие
/>;
/>;
2.2.9 Минимальноезубцовое деление:
/>
2.2.10 Максимальноевозможное число пазов статора:
/>
2.2.11 Число пазов наполюс и фазу:
/>;
Округляем число пазов наполюс до целого />4
2.2.12 Число пазовстатора:
/>;
2.2.13 Число пазов всегменте:
/> (Выбирается в диапазоне/>=6-18 и должно бытькратным Z)
/>
Проверка: А=0,860/4; />
Хорда должна быть меньшеширины А на 5-10мм, то есть должно удовлетворять условию (0.005
2.2.14 Зубцовоеделение
/>
2.3 Расчет обмоткистатора:
2.3.1 Линейнаянагрузка
/>/>
2.3.2 Числоэффективных проводников в пазу
/>
2.3.3 Числоэлементарных проводников в одном эффективном:
Предварительное значениеплотности тока в ОС:
/>
/> — предварительная площадь сеченияэлементарного проводника />
/> округляем до целого числа />=3;
2.3.4 Ширинаэлементарного проводника:
/>толщина витковой изоляций/> ( Маркапровода: ПСД/>)
/>толщина корпусной изоляций /> (Тип изоляции:термореактивный />)
/>число элементарных проводников поширине паза />, т.к./> нечетное;
/>
/>
/>
Значения />и /> примерно соответствуютпределам /> />
2.3.6 Уточнениеразмеров паза
По найденным значениям />и /> определяютсяразмеры стандартного проводника и его сечения />, /> /> /> затем рассчитываем размеры паза
/>
/>
/>Размеры паза должны удовлетворятьсоотношениям:
/> />
/> />;
2.3.7 Проверкасреднего перепада температуры:
Плотность тока в обмоткестатора:
/>
Теплопроводностьизоляций:/>(так как тип изоляций: термореактивный);
/>
Средний перепадтемпературы /> недолжен превышать/>;
2.3.8 Число витков вфазе:
/>
2.3.9 Шаг обмотки (округляется до ближайшего целого):
/> число фаз
/> округляем до y=10
2.3.10 Укорочение шага
/>
2.3.11 Коэффициентукорочения
/>
2.3.12 Коэффициентраспределения
/>
2.3.13 Обмоточныйкоэффициент
/>
2.4 Коррекцияглавных размеров статора по уровню6 индукции в воздушном зазоре, зубцах испинке статора:
2.4.1 Числовентилируемых каналов (округляется до ближайшего целого):
/> Ширина пакета статора; />
/> Ширина вентиляционного канала; />
/> округляем до />
2.4.2 Длина сердечникастатора:
/>
Пересчитываем
/> округляем да />
2.4.3 Индукция в воздушном зазоре надсерединой полюса:
Коэффициент полюсногоперекрытия
/>
/>
2.4.4 Индукция вспинке статора:
/>высота спинки статора; />
/> — суммарная длина пакетов статора;/>
/>
2.4.5 Индукция взубцах на высоте 1/3 от основания паза:
/> ширина зубца на высоте 1/3 отоснования паза:
/>
/>
Так как полученныезначения индукций не подходят в пределы:
/>;
/>;
/>
Выполняем коррекциюглавных размеров:Проектные показатели Вариант коррекций 1 2 3
Di 2.943 2.923 2.933
nb 8 8 7
br 0.04 0.04 0.04
/> 0.44 0.44 0.39
/> 0.36 0.36 0.32
/> 0.032 0.032 0.032
/> 0.385 0.383 0.384
/> 0.082 0.092 0.087
/> 0.019 0.019 0.019
/> 0.661 0.665 0.748
/> 1.447 1.316 1.566
/> 1.468 1.485 1.661
Третий вариант коррекцийподошел в пределы путем изменения внутреннего диаметра и числа вентилируемыхканалов.
2.5 Выбор величинывоздушного зазора:
2.5.1 Линейнаянагрузка
/>
2.5.2 Величина воздушногозазора под серединой полюса
/>/>
/>
Найденное значение /> не должно бытьменьше граничного />
/>
одновременно проверимусловие /> /> и округляем />до требуемойточности:
/>м
2.6 Расчет полюса идемпферной обмотки:
2.6.1 Ширина полюсногонаконечника
/>
2.6.2 Высота полюсногонаконечника:
так как мы выбираемшихтованные полюса
/>
2.6.3 Ширинасердечника полюса
/>
2.6.4 Высотасердечника полюса
/>
2.6.5 Число стержнейдемпферной обмотки (округляетсядо ближайшего целого):
/> округляем до />
2.6.6 Сечение стержнядемпферной обмотки:
/>
2.6.7 Диаметр стержнядемпферной обмотки:
/>
округляем с точность до />/> размеры демпфернойобмотки корректируется по условию термической устойчивости: />
/>;
113.04/>10>0.05/>56282.391/>0.384; 1130.4>1080.622условие выполняется;
2.6.8 Шаг демпфернойобмотки
/>
Для уменьшения добавочныхпотерь и исключения прилипания ротора при пуске /> и их шаг /> корректируются так, чтобывыполнялось условие
/>
(10-1) />(1-0,027/0,032)=1,406>0,75условие выполняется;
2.6.9 Площадьпоперечного сечения короткозамкнутых колец:
так как полюсашихтованные то выбираем:
/>
2.6.10 Поперечныеразмеры короткозамкнутых колец:
/>;
/>
По стандартным значениямшинной меди выбираем />=11/>; />=45/>;
2.6.11 Ширина шлицапаза демпферной обмотки
/>
2.6.12 Высота шлицапаза демпферной обмотки
/>
2.7 Расчетмагнитной цепи:
Схема замещениямагнитной цепи синхронного двигателя
/>
/>-МДС обмотки статора
/>-магнитное напряжение воздушногозазора
/>-магнитное напряжение зубцов статора
/>-магнитное напряжение спинки статора
/>-магнитное напряжение участкерассеяния
/>-магнитное напряжение полюса ротора
/>-МДС обмотки возбуждения
Спинка статора:
Длина участка:/>Ширина участка: />
Площадь участка: />
Длина силовой линии:
/>
Зубцы статора:
Длина участка: />
Ширина участка: />
Площадь участка: />
Длина силовой линии: />
Зазор:
Длина участка:/>
Ширина участка: />
Площадь участка: />
Коэффициент Картера />:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Длина силовой линии/>
/>
Полюс ротора:
Длина участка: />
Ширина участка: />
Площадь участка
/>
Длина силовой линии:
/>
Первая гармоникаосновного магнитного потока на холостом ходу:
/>
МДС обмотки статора попродольной оси:
Коэффициент приведенияобмотки статора по продольной оси:
/>
/>
/>
Коэффициент формыполя:
/>/>
/>
Поток, приходящийся наполюсный наконечник:
/>
/>
/>
/>
/>
Коэффициентпроводимости />:
/>
/>
/>
/>
/>/>=/>
/>/>
/>
Коэффициенты /> и/>:
Для режима холостого хода/>; и режиманоминальной нагрузки />;
Расчет магнитной цепи:
Активное сопротивлениеОС:
/>
/>
/>
Расчет магнитной цепидля режима х.х. (i = 1):
Выбираем ЭТСсреднелегированную марки 3413
Спинка статора:
Магнитный поток:
/>
Индукция:
/>
Напряженность (по кривымнамагничивания)
/>
Магнитное напряжение
/>
Зубцы статора:
Магнитный поток:
/>
Индукция
/>
Напряженность (по кривымнамагничивания)
/>
Магнитное напряжение
/>
Зазор:
Магнитный поток
/>
Индукция
/>
Напряженность (по кривымнамагничивания)
/>
Магнитное напряжение
/>
Для полюса используеммарку/>
Полюс ротора:
Магнитное напряжение научастке рассеяния полюсов:
/>
Коэффициент рассеяния:
/>
Магнитный поток
/>
Индукция
/>
Напряженность (по кривымнамагничивания)
/>
Магнитное напряжение
/>
Результирующеемагнитное напряжение в режиме холостого хода:
/>
/>
Индуктивноесопротивление рассеяния ОС:
/>
/>
/>
/>
Расчет E и магнитногопотока при номинальной нагрузке:
/>
/>
Расчет магнитной цепидля режима номинальной нагрузки (i = 2):
Выбираем ЭТСсреднелегированную марки 3413
Спинка статора:
Магнитный поток
/>
Индукция
/>
Напряженность (по кривымнамагничивания)
/>
Магнитное напряжение
/>
Зубцы статора:
Магнитный поток
/>
Индукция
/>
Напряженность (по кривымнамагничивания)
/>
Магнитное напряжение
/>
Зазор
Магнитный поток
/>
Индукция
/>
Напряженность (по кривымнамагничивания)
/>
Магнитное напряжение
/>
Для полюса используеммарку/>
Полюс ротора
Магнитное напряжение научастке рассеяния полюсов:
/>
Коэффициент рассеяния:
/>
Магнитный поток
/>
Индукция
/>
Напряженность (по кривымнамагничивания)
/>
Магнитное напряжение
/>
Результирующеемагнитное напряжение при номинальной нагрузке:
/>
/>
МДС обмотки возбуждения вноминальном режиме:
/>
2.8 Расчетперегрузочной способности:
2.8.1 МДС обмоткивозбуждения в режиме трехфазного К.З. при номинальном токе статора:
/>
2.8.2Проверкакратности максимального синхронного момента:
/>; /> /> условие выполняется.
2.9 Расчет обмоткивозбуждения:
2.9.1 Ширина проводаОВ:
/>
/>
/>
Ширина провода обмоткивозбуждения ограничивается:
1). условием ееразмещения в межполюсном пространстве />:
/>так как число пар полюсов р=24 >2;
/>
/>; 27,281
2).Условиемнадежного крепления обмотки возбуждения на полюсе />:
/>
/>; 27.281
Полученные значениядолжны соответствовать пределам:/> и />
2.9.2 Высота проводаОВ:
/>
Приводим размеры проводаобмотки возбуждения в соответствие со стандартными размерами шинной меди иопределим сечение провода />:
/>3,53 />;
/> =32 />;
/> =110,3 />
2.9.3 Средняя длинавитка обмотки возбуждения:
так как/>;/>товыбираем формулу:
/>
2.9.4 Номинальноенапряжение возбуждения:
/>
2.9.5 Число витков ОВ:
/> округляется до/> 46
2.9.6 Ток возбуждениях.х.:
/>
2.9.7 Ток возбужденияпри номинальной нагрузке:
/>
2.9.8 Плотность тока вобмотке возбуждения при номинальной нагрузке:
/>
2.9.9 Перегрев обмоткивозбуждения:
/>
Номинальные значениянапряжения и тока обмотки возбуждения приводим в соответствие с номинальнымиданными возбудителей:
/>140 В;
/>450 А.
Окончательный выборразмеров проводника обмотки возбуждения должен удовлетворять условиям
/>; />;
/>; />;
/>; />;
Все условия выполняются.
3. Синтез иоптимизация электромагнитного ядра на ПК
Параметрическая оптимизацияпроводится на основе результатов аналитического ручного расчета, приведенного вглаве 2. Процесс оптимизации имеет пошаговый характер и осуществляется припомощи программы “OPTCD”. На каждомшаге производится корректировка по одному или нескольким параметрам.
Данная глава содержитописание процесса направленного перебора значений с целью корректировкиосновных показателей двигателя. Основными этапами параметризации являются:
1. Поиск приемлемоговарианта;
2. Оптимизация поминимуму приведенной стоимости (метод деформируемого многогранника);
3. Оптимизация поминимуму резервов (метод ЛП/tau);
Номинальные данные:
Номинальная мощность Pн=4000кВт
Номинальное линейноенапряжение Uн=6кВ
Номинальный коэффициентмощности cosφн=0.9
Номинальная частота напряжениясети fн=50Гц
Число пар полюсов p=12
Номинальный токвозбудителя Iвн=450А
Исходные значенияконструктивных параметров:
Внутренний диаметрстатора Di=2.933м
Число пазов статора Z=288
Число эффективныхпроводников в пазу Uп=8
Длина сердечника статора lt=0.39м
Величина воздушногозазора δ=0.009м
Ширина паза статора bп=0.013м
Высота паза статора hп=0.071м
Ширина сердечника полюса bm=0.208м
Высота сердечника полюса hm=0.208м
Ширина полюсногонаконечника bpm=0.278м
Высота проводника обмоткивозбуждения aem=3.53мм
Ширина проводника обмоткивозбуждения bem=32мм
Число стержней демпфернойобмотки nc=10
3.1 Поиск приемлемоговарианта
Оптимизация параметров двигателяпроизводится с помощью программы поисковой оптимизации двигателя «OPTCD». В таблице 1 приведены результатыручного расчета двигателя по исходным данным. В первых двух колонках приводятсяисходные значения, другие две – рассчитанные значения основных показателейдвигателя. При выполнении всех ограничений целевая функция CF должна быть равна приведеннойстоимости двигателя CД.
Таблица1 — Экспресс – информация по данным, полученным при ручном расчете.
/>
Израсчета видно, что двигатель с такими параметрами не удовлетворяет условиям,заданным в начале работы:
1. Каквидим отношение Ms/Mн= 1.2 слишком мало.
2. Перегревобмотки статора слишком велик.
3. Целеваяфункция CF больше приведеннойстоимости двигателя, что говорит о наложении штрафов за несоблюдениеограничений.
Еслимы увеличим высоту проводника обмотки возбуждения aem,уменьшим число стержней демпферной обмотки nс,и уменьшим внутренний диаметр статора, то получим следующие результаты (таблица2):
Таблица2 — Экспресс – информация по скорректированным данным.
/>
Как мы можем видеть,программа не налагает штрафов на двигатель с данными параметрами, но в этомслучае получены не наилучшие значения удельных расходов меди и железа, КПД иотносительно высокой для заданной номинальной мощности двигателя приведеннойстоимостью.
3.2 Оптимизация поминимуму приведенной стоимости
Произведем расчет впрограмме OPTCD по методу деформируемогомногогранника и получим минимум приведенной стоимости и оптимальные показатели Uп и Z(таблица 3):
Таблица 3 — Экспресс –информация по данным, полученным в методе деформируемого многогранника.
/>
3.3.Оптимизацияпо минимуму резервов
Произведем расчет впрограмме OPTCD по методу ЛП/tau и получим минимум расхода активныхматериалов и оптимальные показатели Uп и Z:
Таблица 4 — Экспресс–информацияпо данным, полученным в методе ЛП/tau.
/>
Впоследних двух таблицах представлены данные, рассчитанные компьютером,направленные на уменьшение приведенной стоимости и снижение расходов активныхматериалов. Также компьютер просчитал оптимальную комбинацию числа пазовстатора Z и числа эффективных проводниковв пазу Uп. Примем эти две величины как постоянные и попробуем улучшитьхарактеристики нашего двигателя.
Как можно увидеть изТаблицы 2, программа не налагает штрафы на двигатель с данными параметрами, ноперегрев демпферной обмотки необходимо поднять для более результативной работы.
Длядостижения этой цели и для увеличения КПД чуть увеличим внутренний диаметрстатора, уменьшим ширину проводника обмотки возбуждения bem, уменьшим число стержней демпферной обмотки nc,иизменим длину сердечника статора. Также увеличим ширину полюсного наконечника ивысоту паза статора. Получим следующие результаты(таблица 5 ):
Таблица 5 — Экспресс–информацияпо скорректированным данным.
/>
3.4Выбор оптимального варианта
Таккак в нашем расчете мы больше опираемся на технико – физические характеристикидвигателя, а не на экономические, то более оптимальным вариантом машиныявляется тот, который приведен в Таблице 5. Основные его преимущества передостальными вариантами оптимизации, в том числе вариантами автоматическойкомпьютерной оптимизации, это почти идеальные температурные показатели длямашин этого класса, существенно меньший удельный расход меди (даже присравнении оптимизацией по минимуму резервов), относительно невысокой общейстоимостью двигателя и приемлемыми параметрами конструкции.
Таблица6 — Оптимальный вариант параметров.
/>
Такимобразом, Таблица 6 отображает оптимальный вариант синхронного двигателя призаданных ограничениях. Дальнейшие действия, направленные на увеличение КПД илиуменьшение стоимости приводят к перегреву обмотки возбуждения несоответствиязаданной кратности входного момента.
Сведемвсе варианты оптимизации в единую сводную таблицу:
Таблица7 — Сводная таблица. параметры 1 2 3 4 5 Di 2.93 2.8 2.805 2.820
2.82 lt 0.39 0.39 3.363 0.376
0.376 hп 0.071 0.071 0.072 0.075
0.075 bп 0.013 0.013 0.013 0.013
0.013 Uп 8 8 8 8
8 Z 288 288 288 288
288 a 2 2 2 2
2 δ 0.009 0.009 0.0073 0.0072
0.009 GFeуд 0.638 0.929 0.871 0.839
0.839 GCuуд 0.539 0.530 0.433 0.456
0.423 КПД 95.38 95.27 95.47 95.61
95.14 Iвн 343,3 390,2 287,6 331,8
353,1 AS 56435 59056 58950 58637
58637 Bm 1.766 1.592 1.486 1.527
1.498 Bz 1.629 1.730 1.813 1.851
1.815 Bj 1.766 1.014 1.069 1.125
1.152 J1 6.68 6.68 6.31 5.73
6.31 J2 3.02 3.44 3.82 3.78
4.50 DtOB 42.9 58.4 53.7 53.0
68.2 DtOC 78,1 77,6 74,6 65,6
71,3 CF 151.17 30.67 29.29 29.35
30.72 CD 57110.6 58165.3 55642.8 57817.2
56487.7 Mп/Mн 0,72 0,77 0,98 0,72
0,73 Iм/Iн 5,07 5,15 5,11 4,81
4,94 Mм/Mн 2,23 2,53 2,11 2,14
2,25 Ms/Mн 1,20 1,21 1,20 1,20
353,1
Заключение
По данным технического заданиябыл вручную рассчитан вариант синхронного двигателя, который был использован какисходные данные для расчета на ЭВМ. Расчет этих данных показал, что данный вариантдвигателя отвечает не всем требованиям заказчика и требует оптимизации. Оптимизацияпроводилась на ЭВМ с использованием программы «OPTCD», что значительно ускорило и облегчило выполнение заданияи позволило учесть особенности синхронного двигателя, которых не было при ручномрасчете. В результате проведенной работы был получен предлагаемый вариант двигателя.
Полученный вариант двигателяотличается хорошо сбалансированным температурным режимом, наличием небольших запасовпо показателям, средней ценой и КПД = 95.14, что характерно для машин этого классамощности. Двигатель может нести нагрузки несколько превышающие номинальные, чтопозволяет говорить о высокой надежности и экономичности. В целом, для данных параметров,получился оптимальный двигатель, отвечающий необходимым технико — экономическим требованиям, что делаетего конкурентоспособным и дает возможность его широкого использования в народномхозяйстве.
Библиографическийсписок
1. Новиков Н.Н., Родионов И.Е., ШутькоВ.Ф. Параметрическая оптимизация явнополюсных синхронных двигателей на ЭВМ.Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1994.
2. Новиков Н.Н., Родионов И.Е., ШутькоВ.Ф. Синтез электромагнитного ядра явнополюсной синхронной машины.Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1994.
3. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С.,Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. /Под ред. О.Д. Гольдберга:М: 1984.
4. Новиков Н.Н., Родионов И.Е., ШутькоВ.Ф. Конструктивное устройство вертикальных электродвигателей переменного тока:методические указания: УГТУ – УПИ, 2001. – 38с.
5. Копылов И.П., Клоков Б.К., МорозкинВ.П. Проектирование электрических машин. / Под ред. Копылова И.П. М: 2002. -757 с.
6. Иванов – Смоленский А.В.Электрические машины. М: 1980-928 с.
Приложение
Таблица 1 — Расчетный формуляр (дляоптимального варианта параметров):
/>
Таблица 1(продолжение)
/>
/>
Таблица 1(продолжение)
/>
Таблица 2 — Таблица вариантов.
/>
/>
Таблица 2(продолжение)
/>
/>
Таблица 2(продолжение)
/>
/>