Міністерство освіти інауки України
Державний вищийнавчальний заклад
Донецький національнийтехнічний університет
Кафедра Електромеханіки і теоретичних основелектротехніки
Курсовий проект
Тема: Трифазний асинхронний двигун типу4А112М4У3 з коротко замкнутим ротором
Донецьк – 2010
Об'єктом розрахунку і конструювання є трифазний асинхроннийдвигун типу 4А112М4У3 з коротко замкнутим ротором. Вихідними даними дорозрахунку є: номінальна потужність Рн=5.5 кВт, номінальна напруга Uн=220/380В, номінальний коефіцієнт потужності cosjн=0.85, синхронна частотаобертання n1=1500 об/хв, частота напруги мережі f=50 Гц, номінальний коефіцієнткорисної дії hн=0.855. Мета роботи: сконструювати і розрахувати асинхронний двигун 4А112М4У3з короткозамкненим ротором по заданих вихідних характеристиках, установленимвідповідно до вимог державних і галузевих стандартів. Як базова модельприймається асинхронний двигун серії 4А з короткозамкненим ротором.Конструктивне виконання по способу монтажу IM1001. Виконання по ступені захисту- IP44, категорія кліматичного виконання — У3, ізоляція класу нагрівостійкостіВ, режим роботи – тривалий. Для даного двигуна застосовується сталь марки 2013відповідно до ДСТ 21427.3-83. Осереддя статора і ротора зібрано із штампованихлистів електротехнічної сталі товщиною 0.5•10-3 м. Обмотка короткозамкненого ротора і закорачивающі кільця виконуються алюмінієвими, обмоткастатора – мідна. При проектуванні були обрані головні розміри (висота осіобертання h=112 мм, зовнішній діаметр статора Dа=0.191 м, внутрішній діаметрстатора D=0.126 м, розрахункова довжина повітряного зазору Ld=0.125м), електромагнітні навантаження (А=26*103 А/м, Вd=0.855 Тл).
Перелік скорочень і умовнихпозначень
р – число пар полюсів;
D – внутрішній діаметр статора;
Da – зовнішній діаметр статора;
Р' – розрахункова потужність;
m – число фаз;
n1 – синхронна частота обертання;
f – частота живлення;
Z1,2 – число пазів статора, ротора;
ω – синхронна кутова швидкість;
δ – повітряний зазор;
t — полюсний розподіл;
lд – розрахункова довжина повітряного зазору;
t1,2 – значення зубцевого розподілу;
I1н – струм статора при номінальному навантаженні;
А – значення лінійного навантаження;
Вδ – індукція в повітряному зазорі;
j1 – щільність струму в обмотці статора;
qэф – перетин ефективного провідника;
hа – висота ярма статора;
Кз – коефіцієнт заповнення;
D2 – зовнішній діаметр ротора;
qc – площа поперечного переріза стрижня;
j2 – щільність струму в стрижнях ротора;
qкл – площа поперечного переріза замикаючих кілець;
Fz1,2 – магнітні напруги зубцевих зон статора, ротора;
Kz – коефіцієнт насичення зубцевих зон;
Lа – довжина середньої магнітної лінії статора;
K – коефіцієнт насичення магнітного ланцюга;
R1 – активний опір фази обмотки статора;
Кr – коефіцієнт збільшення активного опору фази обмотки статоравід дії ефекту витиснення струму;
а – число рівнобіжних галузей обмотки;
lср – середня довжина витка обмотки;
Rкл – опір короткозамикаючого кільця;
Х1 – індуктивний опір обмотки статора;
Х2 — індуктивний опір обмотки короткозамкнутого ротора;
Рэ1,2 – електричні втрати в обмотці статора, ротора;
Рст – загальні втрати в сталі статора;
η – коефіцієнт корисної дії;
Іо – струм холостого ходу двигуна;
Qв –витрата повітря необхідна для охолодження двигуна;
Вступ
Асинхронні двигуни одержали найбільше широке застосування всучасних електричних установках і є самим розповсюдженим видом безколлекторнихелектричних двигунів перемінного струму. Пояснюється це простотою конструкції,надійністю в роботі і задовільних робочих характеристиках. Області застосуванняасинхронних двигунів, що складають основу сучасного електропривода, досить широкі– від привода пристрою автоматики і побутових електроприладів до приводавеликого гірського устаткування. Відповідно до цього потужність асинхронних двигунів,що випускаються електромашинобудівною промисловістю, складає діапазон відчасток ватів до тисячі кіловатів при напрузі живильної мережі від десятківвольтів до 10 кіловольтів. Найбільше застосування мають трифазні асинхронні двигунисерії 4А, розраховані на роботу від мережі промислової частоти. Серія 4А буласпроектована в 1969 – 1971 р. і через кілька років була впроваджена увиробництво. В основу побудови серії покладені висоти осі обертання ротора (длямашин з горизонтальною віссю обертання) до настановної поверхні. Серія 4Аохоплює діапазон потужностей від 0.06 до 400 квт і виконана на 17 стандартнихвисотах осі обертання, причому шкала потужностей містить 33 ступіні. Основнимивиконаннями є закрите, що обдувається (4А), і захищене (4АН). Застосуванняізоляції класу нагрівостійкості F і нових сортів електротехнічної сталі даломожливість підвищити електромагнітні навантаження. Це дозволило збільшити потужністьдвигунів при тих же висотах осі обертання, що й у колишніх серіях, поліпшитиїхні техніко-економічні показники. Двигуни виконуються на наступні номінальнінапруги:
220/380 В – при потужностях від 0.06 до 0.37 кВт, 220/380 і380/660 В – при потужностях від 0.55 до 110 кВт, 380/660 В – при потужностяхбільш 132 кВт. Спроектований двигун може бути застосований для приводамеханізмів з незмінною частотою обертання: привода вентиляторів, насосів,транспортерів і обробних верстатів або інших пристроїв, не потребуючірегулювання частоти обертання приводного двигуна.
1. Вибір головних розмірів
Геометричні розміри проектируємої машини вибираємо залітературою такі ж як і у двигуна 4А112М4У3.
Число пар полюсів:
/>
Висота осі обертання:
/>
Зовнішній діаметр статора:
/> /2, стор.164, рис.6-7/
Внутрішній діаметр статора:
/>
/>/2, стор.165, табл.6-7/
/>
Полюсний розподіл:/>
/>
Розрахункова потужність:
/>
де Ке – відношення ЭДС обмотки статора до номінальноїнапруги, Ке=0.968 /2, стор. 164, рис.6-8/ cosφ=0,85 η =85.5 /1,стор.28,
табл.2-1/ Електромагнітне навантаження та індукція вповітряному зазорі по /2, стор. 166, рис.6-11/:
лінійне навантаження:
А=26∙103 А/м
індукція в повітряному зазорі:
Вd=0.855 Тл
Обмотувальний коефіцієнт для одношарової обмотки(попередньо):
Коб1=0.95
Розрахункова довжина повітряного зазору:
/>
де /> — кутова швидкість вала:
/>
Відношення між діаметром D і довжиною повітрянного зазору />:
/>
Зрівнявши отримане значення відношення між діаметром D ідовжиною повітрянного зазору /> з рекомендованим значенням, якевизначається з графіків /2, стор. 168, рис.6-14/ можемо зробити висновки що /> знаходиться врекомендованому проміжку.
Розмір повітряного зазору:
/>
/>
Рисунок 1.1 – Основні геометричні розміри двигуна
2. Розрахунок обмоток статора
Вид обмотки: однослойнаконцентрична рис. 2.1
/>
Рисунок 2.1 – Розгортка одношарової концентричної обмоткистатора
Число пазів статора:
/> /2, стор. 166, рис.6-11/:
/>
Вибираємо />шт.
Число пазів статора на полюс і фазу:
/>
де m – число фаз статорної обмотки. Обмотка одношарова.
Зубцевий розподіл статора:
/>
Число ефективних провідників у пазу (попередньо, а=1):
/>
де I1н – струм в обмотці статора:
/>
Приймаємо а=1, число ефективних провідників у пазу:
/>
Тоді остаточне значення:
— число витків обмотки статора:
/>
— число витків обмотки однієї фази:
/>
- число витків паралельної вітки фази:
/>
- число витків однієї фази статора:
/>
- значення лінійного навантаження:
/>
- магнітний потік:
/>
де /> /> /2, стор. 69, рис.3-11/: /> /2, стор. 71, табл.3-13/:
Значення А и Вd знаходиться в припустимих межах / 2,стор. 166, рис.6-11 /
Індукція в повітряному зазорі:
/>
Відхилення від табличного значення не перевищує 1%
Щільність струму в обмотці статора (попередньо):
/>
де
/> / 2., стор. 173, рис. 6-16 /
Перетин ефективного провідника (попередньо):
/>
Приймаємо число елементарних провідників n=1, тоді перетин:
/>
Тоді обмотувальний провід / 2, стор. 470, П-28 / приймаємоПЭТМ:
/>
/>
/>
Щільність струму в обмотці статора (остаточно):
/>
3. Розрахунок розмірів зубцевоїзони статора
Тип паза статора, рис.3.1, приймаємо з літератури /1, стор.182, рис.6-1/
/>
Рисунок 3.1 – Форма та розміри паза статора
По вибраному значенню індукції оприділяється попередньовисота ярма статора:
/>
де /> коефіцієнт заповнення сталлюмагнітопровода
/>/ 2, стор. 176, табл. 6-11/
/>
Ширина зубца статора:
/>
Розміри паза в штампі:
Глубина паза
/>
Ширина пазу
/>
/>
Де, bш=3.5∙10-3 м
hш=0.5∙10-3 м / 2, стор. 179, табл. 6.12/:
Розміри паза у світлі з урахуванням припусків на зборку:
/>
/>
/>
де припуски по ширині паза Db і по висотіDh приймаємо 0,1мм / 2, стор. 177/.
Площа поперечного переріза паза для розміщення провідників:
/>
де Sпр – площа поперечного переріза прокладок
/> Sиз – площа поперечного перерізакорпусної ізоляції
/>
де bиз – однобічна товщина ізоляції, bиз=0,25∙10-3/2,стор. 61, табл. 3.8/
Коефіцієнт заповнення паза:
/>
Кз знаходиться в припустимих межах 0.70-0.75 при ручнійукладці обмоток по /2, стор. 66, табл. 3-12/
4. Розрахунок короткозамкнутого ротора
Повітряний зазор:
δ=0,3∙10-3м /1, стор.202, табл. 6.1/
Число пазів ротора:
Z2=34 шт. /2, стор.185, табл. 6.15/
Зовнішній діаметр:
/>
Довжина ротора та статора:
L2=L1=0. 125 м
Зубцевий розподіл:
/>
Внутрішній діаметр ротора дорівнює діаметрові вала, тому щосердечник безпосередньо насаджений на вал:
/>
де />=0.23/2, стор. 191, табл. 6.16/ Струму стрижні ротора:
/>
де КI – коефіцієнт враховуючого впливу струму намагнічуванняй опори обмоток, КI=0,88 /2, стор. 183, рис. 6-22/
nI – коефіцієнт приведення струмів:
/>
Тип паза ротора, рис.4.1, приймаємо з літератури /1, стор.183, рис. 6.2/
Площа поперечного перерізу стрижня /1, (6-69)/:
/>
де J2 – щільність струму, приймаємо J2=3∙106 А/м2 /2,стор. 186/
Паз ротора (рис. 4.1). Для двигуна з h
Для напівзакритого грушоподібного паза короткозамкненогоротора при висоті осі обертання h=112÷132 мм:
bШ = 1,5 мм = 0,0015 м
hШ = 0,75 мм = 0,00075 м
/>
Рисунок 4.1 – Форма та розміри паза ротора
Припустима ширина зубця /2, (6-77)/:
/>
де ВZ2 – індукція в зубцях, ВZ2=1,8 Тл /2, стор. 174, табл.6-10/
Розміри паза /3, с. 20/:
/>
/>
де hП2 – повна висота паза, hП2=0,022м /2, рис. 11/
/>
Приймаємо:
b1=5,8∙10-3 м
b2=1,8∙10-3 м
h1=21,66∙10-3 м
Повна висота пазу:
/>
Остаточне значення площі перетину стрижня:
/>
Щільність струму в стрижні:
/>
Струм у замикаючих кільцях:
/>
Щільність струму в замикаючих кільцях:
/>
Короткозамикаючі кільця. Площа поперечного перерізу /2,(6-73)/:
/>
Розміри замикаючих кілець:
bкл=1.1∙ hп =1.1∙22.3∙10-3 =24.5∙10-3 м
акл=9.8∙10-3 м
Розміри замикаючих кілець наведені на рис.4.2
/>
Рисунок 4.2 – Форма та розміри замикаючих кілецькороткозамкнутого ротора з литою обмоткою
5. Розрахунок намагничуючогоструму
Для визначення намагнічующого струму проводиться розрахунокмагнітного кола:
/>
Рисунок 5.1 – Елементарнемагнітне коло асинхронної машини з 2р=4 Коефіцієнт повітряного зазору:
/>
де γ знаходиться заформулою:
/>
Коефіцієнт повітряного зазорувідносно статора:
/>
Ширина зубця статора:
/>/>
де bz1’ та bz1” ширина зверху тазнизу зубця статора
/>
/>
Ширина зубця ротора:
/>/>
де bz2’ та bz2” шширина зверху тазнизу зубця ротора
/>
/>
Значення магнітної індукції:
— у зубцях статора:
/>
Що задовільняє допустимому середньому значенню якезнаходиться в межах
/>
— у зубцях ротора:
/>
Що задовільняє допустимому середньому значенню якезнаходиться в межах />
— у ярмі статора:
/>
де /> — розрахункова висота ярма статора
/>
Що задовільняє допустимому середньому значенню якезнаходиться в межах />
— у ярмі ротора:
/>
де /> — розрахункова висота ярма ротора
/>
Що задовільняє допустимому середньому значенню якезнаходиться в межах />
Магнітна напруга повітряного зазору:
/>
Магнітна напруга зубцевих зон:
- статора:
/>
де HZ1=1680A/м при ВZ1=1.832 Тл для сталі 2013 по кривій намагничуваннядля зубців АД/2, стор. 461, П-17/ hz1=h+e=(14.3+0.5)∙10-3=14.8∙10-3 м
- ротора:
/>
де HZ2=1448 A/м при ВZ2=1.782 Тл для сталі 2013 по кривій намагничуваннядля зубців АД/2, стор. 461, П-17/
/>
Коефіцієнт насичення зубцевої зони:
/>
Коефіцієнт насичення лежить уприпустимих межах
/> /2, стор.194/.Магнітнінапруги:
- ярма статора:
/> де Ha=632 A/м /2, стор. 460,П-16/ La
– довжина середньої магнітної лінії ярма статора:
/>
- ярма ротора:
/>
де HJ=222 A/м /2, стор. 460,табл. П-16/ LJ– довжина середньої магнітної лінії ярма ротора:
/>
Сумарна магнітна напруга
/>
/>Коефіцієнт насичення магнітноголанцюга:
/>
Намагнічуючий струм:
/>
Відносне значення:
/>
/>являється критерієм правильностівибору розмірів і обмотки двигуна.
Так як /> знаходиться в рекомендованомупроміжку />можна зробити висновки що вибір розмірів та обмотки зроблений вірноі остаточно прийняти для подальших розрахунків отримані значення.
6. Параметри робочого режиму
Параметри робочого режиму знаходимо для еквівалентноїзаступної схеми однієї фази двигуна з нерухомим приведеним ротором, якаприведена на рис.6.1
/>
Рисунок 6.1 – Т-образна заступна схема асинхронного двигуна
асинхронний двигун трифазний ротор
Активний опір фази обмотки статора:
/>
де Кr – коефіцієнт збільшення активного опору фази обмоткивід дії ефекту витиснення струму, Кr=1
/> - питомий опір матеріалу обмоткипри розрахунковій температурі, Vрасч.=1150С, для міді />=10-6/41 Ом∙м
L1 – довжина провідника фази обмотки:
/>
де Lср1 – середня довжина витка обмотки:
/>
Lп1 – довжина стрижня статора, Lп1=0, 125 м Lл1 – довжина лобової частини секції
/>
де /> /2, стор.197, табл. 6-19/
b – довжина вильоту прямолінійної частини котушок з пазавід торця сердечника до початку відгину лобової частини, приймаємо b=0,01м bкт– середня ширина котушки, визначається по дузі окружності минаючої по серединахвисоти пазів:
/>
де b1 — відносне укорочення кроку b1=0.809при /> цілечисло.
Довжина вильоту лобової частини котушки:
/>
де Квыл=0,4 /2, стор.197, табл. 6-19/
Відносне значення:
/>
Що задовільняє допустимому середньому значенню якезнаходиться в межах />
Активний опір фази короткозамкнутого ротора:
/>
/>
де rc — опір стрижня:
/>
де rc – питомий опір матеріалу стрижня й алюмінієвихкороткозамикаючих кілець при t0=1150С, r115=10-6/20,5 Ом∙м
Опір замикаючих кілець:
/>
де Dкл.ср – діаметр середньої лінії замикаючого кільця:
/>
Приводимо R2 до числа витків обмотки статора:
/>
Відносне значення:
/>
Що задовільняє допустимому середньому значенню якезнаходиться в межах />
Індуктивний опір фази обмотки статора:
/>
/>
де λп1- коефіцієнт магнітної провідності пазовогорозсіювання статора /2, стор. 200, табл. 6.22 /:
/>
/>
Кb =1та />
— по /2, стор. 200, табл. 6-22/ λл1 — коефіцієнтмагнітної провідності лобового розсіювання статора:
/>
λд1 — коефіцієнт магнітної провідностідиференціального розсіювання статора:
/>
/>
Відносне значення:
/>
Що задовільняє допустимому середньому значенню якезнаходиться в межах />
Індуктивний опір фази обмотки ротора:
/>
/>
де λп2- коефіцієнт магнітної провідності пазовогорозсіювання ротора:
/>
/>
λл2 — коефіцієнт магнітної провідності лобовогорозсіювання ротора
/>
/>
λд2 — коефіцієнт магнітної провідностідиференціального розсіювання ротора
/>
/>
/>
Приведемо x2 до числа витків статора:
/>
Відносне значення:
/>
Що задовільняє допустимому середньому значенню якезнаходиться в межах />
Активний опір, для врахування втрат в сталі:
/>
Відносне значення:
/>
Індуктивний опір взаємної індукції:
/>
Відносне значення:
/>/>
Що задовільняє допустимому середньому значенню якезнаходиться в межах />
7. Втрати та ККД
Електричні втрати в обмотках статора:
/>
Електричні втрати в обмотках ротора:
/>
Основні втрати в сталі:
/>
/>
де Р1,0/50 – питомі втрати в сталі, Р1,0/5,0=2,5 Вт/кг,β=1.5 /2, стор.206, табл. 6-24/ mА – маса стали ярма:
/>
gс – питома маса стали, gз=7,8·103 кг/м3 /2, стор. 266/ mz — маса зубців статора:
/>
Поверхневі втрати в роторі і статорі:
/>
/>
де рПОВ2 і рПОВ1– втрати приходяться на 1м2 поверхніголівок зубців ротора і статора:
/>
/>
/>
/>
де к01 та к02 – коефіцієнт для неопрацьованих поверхоньголівок зубців, к01=к02=1,5
Амплітуда пульсації індукції в повітряному зазорі надкрайками зубців ротора і статора:
/>
/>
де bО1=0,42 /1, стор. 207, рис. 6-41/ bО2=0,3/1, стор. 207, рис. 6-41/
Пульсаційні втрати в зубцях ротора і статора:
/>
/>
де Впул2 – амплітуда пульсації індукції в середньомуперетині зубців ротора
/>
Впул1 – амплітуда пульсації індукції в середньому перетинізубців статора:
/>
/>
/>
m2 – маса сталі зубців ротора:
/>
Сума додаткових втрат у сталі:
/>
Повні втрати в сталі:
/>
Механічні втрати:
/>
/>
Додаткові втрати при номінальному режимі:
/>
Повні втрати в двигуні:
/>/>
Струм холостого ходу двигуна:
/>
де Iхх, а – активна складового струму
/>
де РЭ1хх – електричні втрати в статорі при холостому ході:
/>
Коефіцієнт потужності при холостому ході:
/>
Коефіцієнт корисної дії двигуна:
/>
Отриманий коефіцієнт корисної діїдвигуна перевищує табличне значення, яке дорівнює />, на 1.9% .
8. Розрахунок робочих характеристик
Для розрахунку робочих характеристик використовуєтьсяуточнена Г‑образна заступна схема. Розрахунок наведений у табл. 8.2.Докладний розрахунок наведений для ковзання S=Sн=0,033, яке визначено методом інтерполяціїза допомогою MatLab Робочі характеристики спроектованого двигуна наведені наРисунку 8.2.
/>
Рисунок 8.1 – Уточнена Г-образна заступна схема асинхронноїмашини
Параметри заступної схеми /2, (6-179), (6-180)/:
/>
/>
Відносні значення параметрів /2, c. 205/:
/>
/>
/>
|γ| не перевищує 1, тому реактивною складовоюкоефіцієнта можна знехтувати /2, c. 210/, тоді приблизно за /2, (6-218)/:
/>
Активна складового струму синхронного холостого ходу:
/>
Враховуючи значення |γ|, яке не перевищує 1, можнавикористати приблизний метод за [1, (6-223)]:
/>; />
/>; />
Втрати не змінні при зміні ковзання:
/>
Приймемо попередньо: /> По формулам /2, табл. 6-26/розрахуємо робочі характеристики за допомогою MatLab та знайдемо Sн:
/>
/>
/>
/>
/>/>
/>
Активна складова струму:
/>
Реактивна складова струму:
/>
Повний струм:
/>
Приведений струм ротора:
/>
Електричні втрати в статорі:
/>
Електричні втрати в роторі:
/>
/>
Додаткові втрати:
/>
Сумарні втрати:
/>
Номінальна потужність:
/>
Коефіцієнт корисної дії:
/>
/>
Таблиця 8.1 – Вхідні данні для розрахунку робочиххарактеристикПараметр Значення Од. вимір. Параметр Значення Од. вимір. Параметр Значення Од. вимір. P2н 5500 Вт I0a 0,22 А a' 1,053 Ом U1н 220 В I0p=Iμ 3,314 А a 0,91 Ом I1н 11,47 А r1 0,89 Ом b' Ом 2p 4 r2' 0,697 Ом b 4,194 Ом Pст+Pмех 196,07 Вт c1 1,026 Ом Pдоб.н. 32,164 Вт
Таблиця 8.2 – Данні розрахунку робочих характеристик
Розрахункова
величина
Од.
вимір. Ковзання 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,033 0,035 0,04 a' r2'/s Ом 109,04 54,52 36,35 27,26 21,81 20,97 21,12 15,58 13,63 b 'r2'/s Ом 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 R Ом 147,6 74,2 49,8 37,6 30,2 25,4 23,15 21,9 19,2 X Ом 4,192 4,192 4,192 4,192 4,192 4,192 4,192 4,192 4,192 Z Ом 147,6 74,4 50,0 37,8 30,5 25,7 23,53 22,3 19,7 I2'' А 1,49 2,958 4,402 5,818 7,204 8,559 9,354 9,881 11,168 cosφ2' - 0,999 0,998 0,997 0,994 0,991 0,987 0,984 0,982 0,977 sinφ2' - 0,0284 0,0564 0,0839 0,111 0,127 0,163 0,178 0,188 0,213 I1a А 1,709 3,174 4,606 6,002 7,356 8,665 9,424 9,925 11,133 I1р А 3,356 3,481 3,683 3,959 4,303 4,71 4,982 5,175 5,691 I1 А 4,71 5,898 7,19 8,52 9,862 10,162 10,66 12,503 12,897 I2' А 1,528 3,036 4,515 5,968 7,39 8,78 9,598 10,136 11,456 P1 Вт 1128,2 2094,5 3040,1 3961,3 4855,1 5718,8 6432,75 6750,1 7347,5 PЕ1 Вт 37,9 59,2 92,9 138 193,9 259,7 351,27 384,5 417,4 PЕ2 Вт 4,9 19,3 42,6 74,5 114,2 161,2 219,07 244,8 274,4 Pдоб Вт 5,6 10,5 15,2 19,8 24,3 26,2 32,164 33,8 36,7 ∑P Вт 244,5 285 346,8 428,4 528,5 645,5 798,57 858,1 924,6 P2 Вт 883,8 1809,5 2693,3 3533 4326,6 5073,2 5634.18 5772 6422,9 η - 0,783 0,864 0,886 0,892 0,89 0,883 0,876 0,874 0,872 cosφ - 0,454 0,674 0,781 0,835 0,863 0,879 0,884 0,887 0,89
Для наочності побудова характеристик виконана в умовниходиницях
9. Розрахунок пускових характеристик
Скористаємося заступною схемою для розрахунку пусковиххарактеристик, яка представлена на рисунку 9.1. Розрахунок характеристикнаведений у табл. 9.2. проводиться аналогічно з п. 8 за допомогою MatLab.Докладний розрахунок наведений для ковзання S=1. Пускові характеристикиспроектованого двигуна наведені на рисунку 9.2.
/>
Рисунок 9.1 – Заступна схема для розрахунку пусковиххарактеристик
Параметри з урахуванням витиснення струму для литоїалюмінієвої обмотки (qрасч=1150С) /1, (6-235)/:
/>
де hc – висота стрижня в пазу ротору:
/>
/>j=0,25 /2, с.216, рис. 6-46/
Глибина проникнення струму в стрижень /2, (6-236)/:
/>
Коефіцієнти, враховуючі вплив ефекту витиснення струму наопори стрижнів, аналітично за /2, (6-230)/, чи практично за /2, (6-242)/ згіднодо /2, рис. 6-48, в/та /2, рис. 6-46, 6-47/:
/>
де:
/>
/>
/>
/>/>
Коефіцієнт загального збільшення опору фази ротора підвпливом ефекту витиснення струму /2, (6-247)/:
/>/>
Приведений активний опір ротора з урахуванням дії ефектувитиснення струму /2, (6-249)/:
/>
Індуктивний опір обмотки ротора /1, табл. 6-23, рис.6-40, а/:
/>
/>
Коефіцієнт зміни індуктивного опору фази обмотки ротора віддії ефекту витиснення струму /2, (6-251)/:
/>
/>
Струм ротора приблизно без урахування впливу насичення,приймаючи с1п=1 по /2, (6-269)/:
/>
Урахування впливу насичення на параметри. Приймаємо для S=1коефіцієнти насичення kнас=1,35 /2, с. 219/, приймаємо />
/> Середня МРС обмотки, віднесена доодного паза обмотки статора /2, (6‑252)/:
/>
/>
Реактивна індукція потоку розсіювання в повітряному зазорі:
/>
/>
Коефіцієнт характеризуючий відношення потоку розсіюванняпри насиченні до потоку розсіювання ненасиченої машини:
/> /2, с. 219, рис. 6-50/
Коефіцієнт магнітної провідності пазового розсіюванняобмотки статора з урахуванням впливу насичення /2, (6‑255)/:
/>
/> /2, (6‑258)/
/> /2, (6‑261)/
Коефіцієнт магнітної провідності диференціальногорозсіювання обмотки статора з урахуванням впливу насичення /2, (6‑263)/:
/>
Індуктивний опір фази обмотки статора з урахуванням впливунасичення /2, (6‑264)/:
/>
де:/>
/>
/>
Коефіцієнт магнітної провідності пазового розсіюванняротора з урахуванням впливу насичення і витиснення струму /2, (6‑260)/:
/>
/>
Провідність пазового розсіювання ротора /2, (6‑262)/:
/>
Коефіцієнт магнітної провідності диференціальногорозсіювання ротора з урахуванням впливу насичення /2, (6‑263)/:
/>
Приведений індуктивний опір фази обмотки ротора зурахуванням впливу витиснення і насичення струму /2, (6‑265)/:
/>
/>
/>
Опір взаємної індукції обмотки в пусковому режимі /2, (6‑265)/:
/>
/>
Розрахунок струмів і моментів /2, (6‑268)/:
/>
/> по /2, (6‑269)/
/>
/>
Отримане значення струму І1 складає 96,1% прийнятого прирозрахунку впливу насичення на параметри, що припустимо. Похибка при іншихзначеннях ковзання також не перевищує припустимі 10-15%. /1, c. 223/
Відносні значення:
/>
/>
/>
Отримані значення відносних величин лежать в межах, щосвідчить про допустиму величину пускових характеристик.
/>
/>
Кратність пускового моменту і пускового струму спроектованогодвигуна задовольняють вимогам ГОСТ 19523-74.
Таблиця 9.1 – Вхідні дані розрахунку пускових характеристикПараметр Значення Одиниця вимірювання Примітка P2н 5500 Вт U1н 220 В I'2н 10,24 А I1н 11,47 А x12п 96,47 - x1 1,667 Ом x'2 2,359 Ом sn 0,033 - r1 0,89 Ом r'2 0,697 Ом b1 1,80 10-3 м b2 5,80 10-3 м h1 21,66 10-3 м Висота стрижня в пазу ротора h1 17,00 10-3 м Висота по центрах кіл пазів ротора hc 21,55 10-3 м h'ш - 10-3 м hш=hш2 0,75 10-3 м Розміри ротору [1, рис. 6-48, в] bш=bш2 1,50 10-3 м b 6,10 10-3 м rc 62,99 10-6 Ом r2 97,947 10-6 Ом λп2 1,725 - λл2 1,958 - λд2 2,257 - λп1 1,469 - λл1 0,462 - λд1 2,57 - Z1 36 - Z2 34 - Kнас 1,3 - uп1 25 - a 1 - kу 1 - kобм 0,96 - δ 0,3 10-3 м t1 11,00 10-3 м t2 11,60 10-3 м bш1 3 10-3 м Статор [1, рис. 6-51, в] hш1 0,5 10-3 м h' 1,5 10-3 м kμ 1,35 - x12 64,718 Ом
Таблиця 9.2 – Пускові характеристикиРозрахункова величина Одиниці вимір. Ковзання 1 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,15 0,1 0,033 ξ - 1,37 1,21 1,13 1,04 0,95 0,85 0,74 0,66 0,52 0,43 0,22 φ - 0,250 0,150 0,120 0,100 0,073 0,047 0,026 0,017 0,007 0,003 0,0002 hr мм 17,24 18,4 18,9 19,3 19,7 20,2 20,7 20,8 21,1 21,1 21,2 br мм 3,0 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,1 2,1 2,0 qc мм2 96,8 qr мм2 47,62 48,0 49,3 50,2 51,3 52,5 53,4 53,8 54,2 54,4 54,5 kr - 2,03 2,02 2,01 2,00 1,99 1,98 1,97 1,96 1,96 1,96 1,96 KR - 1,66 1,65 1,64 1,63 1,62 1,61 1,60 1,59 1,59 1,59 1,59 r'2ξ Ом 1,66 1,538 1,532 1,528 1,522 1,517 1,513 1,511 1,509 1,509 1,508 kд - 0,93 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00 λп2ξ - 1,66 1,67 1,68 1,69 1,70 1,71 1,72 1,72 1,72 1,73 1,73 Kx - 0,99 0,991 0,992 0,993 0,994 0,995 0,996 0,997 0,997 0,997 0,997 x'2ξ Ом 2,335 2,339 2,343 2,346 2,349 2,351 2,353 2,355 2,356 2,356 2,356 I'2 А 48,93 47,7 47,4 46,8 46,1 44,9 43,0 41,0 35,4 29,2 10,4 kнас - 1,35 1,35 1,35 1,30 1,30 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 1,10 kнас∙I1 А 66,05 64,8 63,9 60,9 59,9 58,4 53,7 49,2 40,7 32,1 11,5 Fп.ср А 2330,8 2317 2297 2277 2239 2181 2098 1921 1588 1252 447 CN - 0,928 0,928 0,928 0,928 0,928 0,928 0,928 0,928 0,928 0,928 0,928 Bфδ Тл 5,23 5,13 5,09 5,01 4,94 4,80 4,60 3,37 3,03 2,39 0,85 χδ - 0,48 0,50 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,57 0,60 0,70 0,97 c1 мм 4,16 4,02 3,92 3,84 3,76 3,68 3,60 3,44 3,20 2,40 0,24 ∆λп1нас - 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21 0,20 0,20 0,19 0,16 0,02 λп1нас - 1,296 1,296 1,296 1,296 1,296 1,296 1,30 1,30 1,31 1,34 1,38 λд1нас - 1,234 1,237 1,23 1,27 1,34 1,38 1,44 1,50 1,57 1,65 1,74 x1нас - 1,108 1,11 1,11 1,125 1,14 1,155 1,175 1,229 1,304 1,455 1,880 c2 мм 5,252 5,24 5,24 5,05 4,92 4,80 4,67 4,42 4,04 3,78 0,38 ∆λп2нас - 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40 0,39 0,39 0,36 0,10 λп2ξнас - 1,327 1,264 1,277 1,291 1,303 1,314 1,323 1,330 1,339 1,368 1,626 λд2нас - 1,083 1,086 1,086 1,09 1,093 1,096 1,099 1,15 1,24 2,02 2,79 x'2ξнас Ом 1,735 1,751 1,755 1,766 1,777 1,788 1,798 1,808 1,815 1,991 2,268 c1пнас - 1,0115 1,0115 1,0115 1,012 1,012 1,012 1,013 1,013 1,013 1,016 1,022 aп - 2,063 2,183 2,278 2,457 2,628 2,884 3,316 3,650 4,660 6,419 21,514 bп - 2,863 3,013 3,016 3,043 3,069 3,095 3,121 3,169 3,241 3,481 4,201 I'2 А 48,93 47,3 46,4 44,9 43,0 40,4 36,5 32,7 28,8 21,1 10,0 I1 А 63,48 62,0 61,2 60,6 58,7 56,2 52,2 48,4 39,4 30,7 10,66 Iп* - 5,53 5,40 5,34 5,28 5,12 4,9 4,55 4,22 3,44 2,68 0,93 M* - 2,03 2,09 2,13 2,2 2,3 2,37 2,53 2,63 2,66 2,41 1,03 I1/I1нас % 99,14 97,81 97,24 99,65 98,09 96,14 97,18 98,32 96,78 95,68 93,02
/>
Рисунок 9.2 – Пускові характеристики спроектованого двигуна
10. Тепловий розрахунок
Перевищення температури внутрішньої поверхні осереддястатора над температурою повітря усередині двигуна:
/>/>
Де К – коефіцієнт враховуючу передачу частини енергіїбезпосередньо в навколишнє середовище, К=0,20 /2, стор. 237, табл. 6-30/ /> - електричнівтрати в обмотках статора в пазовій частині:
/>
/> - коефіцієнт збільшення втрат дляобмоток класу нагрівостійкості
/> /> - коефіцієнт тепловіддачі зповерхні,
/>
Перепад температури в ізоляції пазової частини обмотокстатора:
/>
/>
де Пп1 – розрахунковий периметр поперечного перерізапаза статора
/>
/> - коефіцієнт теплопровідностівнутрішньої ізоляції котушки всипної обмотки з емальованих провідників,
/>
/> - середня еквівалентнатеплопровідність пазової ізоляції,
/>
Перепад температури по товщині ізоляції лобової частини:
/>
де /> - електричні втрати в обмоткахстатора в лобовій частині котушок:
/>
/>
/>
Перевищення температури зовнішньої поверхні лобових частиннад температурою повітря усередині машини:
/>
Середнє перевищення температури обмотки статора надтемпературою повітря усередині машини:
/>
/>
Перевищення температури повітря усередині машини надтемпературою навколишнього середовища:
/>
де /> - сума утрат відводяться вповітря усередині двигуна
/>
/>
Sкор – еквівалентна поверхня охолодження корпуса:
/>
/> - умовний периметр поперечногопереріза ребер станини, Пр=0.2 м2 /2, стор. 239, мал. 6-63/
/> - коефіцієнт підігріву повітря,
/>
Середнє перевищення температури обмотки статора надтемпературою навколишнього середовища:
/>
У такий спосіб перевищення температури, що допускається,відповідає прийнятому класові нагрівостійкості B.
11. Вентиляційний розрахунок
Необхідний для охолодження витрата повітря:
/>
Де Км – коефіцієнт враховуюча зміна умов охолодження подовжині поверхні корпуса, що віддається зовнішнім вентилятором
/>
де м=1,8 /2, стор.240/
Витрата повітря забезпечуваний зовнішнім вентилятором:
/>
/>
Виконання умови /> забезпечує нормальну роботумашини.
/>12. Маса активних матеріалів і показники їхнього використання
Розрахуємо попередні значення маси, необхідні для оцінкиекономічної ефективності спроектованого варіанта двигуна.
Маса ізольованих проводів обмотки статора круглогопоперечного переріза:
/>
/>
Маса алюмінієвого короткозамкнутого ротора з литою кліткою:
/>
/>
де Nл – число лопаток вентилятора, Nл=34
/>/> - розміри лопаток
/>
/>
/>
Маса стали сердечників статора і ротора:
/>
/>
Маса ізоляції статора з трапецеїдальними напівзакритимипазами:
/>
/>
Для попередньої оцінки маси конструкційних матеріаліввикористовуємо з достатнім наближенням наступні залежності.
Двигун зі ступенем захисту IP44 для h=0,112м із чавунноюстаниною і щитами:
/>
Маса двигуна:
/>
Питома матеріалоємність машини:
/>
Висновки
В результатівиконання курсового проекту було розроблено асинхронний двигун на основідовідникових параметрів серійного двигуна 4А112М4У3. Аналізуючи побудовані характеристик можнавідмітити, що спроектована працездатна машина. Розрахована величина повітряногозазору />ммтому двигун не має радіальних вентиляційних каналів. Двигун має всипнуодношарову обмотку з круглого проводу ПЕТВ. В двигунах серії 4А застосовуютьсятрапецієподібні пази. Коефіцієнт заповнення пазу />лежить в допустимому інтервалі /> для ручноїукладки обмоток. Усі відносні значення параметрів робочого режиму лежать вдопустимому інтервалі, що свідчить про правильність проведених розрахунків. Метоюпроектування асинхронного двигуна є отримання підвищеного пускового моменту,при зменшенні пускового струму. Мною було отримано відносне значення пусковогоструму /> у.о.та відносне значення пускового моменту /> у.о. Застосована ізоляція класуВ, якій відповідає допустима температура 120оС. Середнє перевищення температуриобмотки статора над температурою навколишнього середовища />, що допустимо класомізоляції. Витрати повітря, що забезпечується зовнішнім вентилятором набагатобільше необхідної для охолодження витрати повітря. Маса двигуна – 42.28 кг. Питома матеріалоємність машини />.
Список використаних джерел
1. Асинхронныедвигатели серии 4А: Справочник/А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А.Соболенская. — М.: Энергоиздат, 1982.-504 с.
2. И.П Копилов.Проектирование электрических машин. – М.: Энергия, 1980. –496с.
3. Методическиеуказания к курсовому проекту по электрическим машинам “Расчет и консруированиеасинхронного двигателя” (длястудентов энергетическихспециальностей)/Сост.: М.З.Дудник, К.П.Донченко.-Донецк: ДПИ, 1992.-52с.
4. Электрическиемашины: В 2-х ч. Ч.1: Учеб. для электротехн. спец. вузов.-2-е изд. перераб. идоп. /Д.Э.Брускин, А.Е. Зорохохович, В.С. Хвостов.-М.: Высш.шк., 1987.-319 с.:ил.