Материал: Расчет синхронного двигателя

Расчет синхронного двигателя

Курсовой проект

Расчет синхронного двигателя

Введение

статор ротор двигатель асинхронный

Прогресс современной науки и техники неразрывно связан с применением электроэнергии в различных производственных процессах и устройствах.

Электрические машины являются основными элементами энергетических установок, различных и механизмов, технологического оборудования, современных транспортных средств, связи. Они вырабатывают электроэнергию, осуществляют высокоэкономичное преобразование её в механическую.

Электрические машины широко применяются во всех отраслях народного хозяйства. Их преимущества - высокий КПД, достигающий в мощных машинах 95-99%, сравнительно малая масса и габариты, а так же экономичное использование материалов. Они характеризуются высокой надёжностью и долговечностью, простотой управления и обслуживания, удобством подвода и отвода электроэнергии, небольшой стоимостью при массовом и крупносерийном производстве и являются экологически чистыми.

Проектирование электрических машин - это искусство, соединяющее знание процессов и устройства электрических машин, преобразование энергии. Процесс проектирования электрических машин требует глубоких, профессиональных знаний не только в электромеханике, но и в теплофизике, механике и экономике.

При проектировании электрической машины рассчитываются размеры статора и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, изоляция, материалы активных и конструктивных частей машины. Отдельные части машины должны быть сконструированы так, чтобы при изготовлении машины трудоёмкость и расход материалов были наименьшими, а при эксплуатации машина обладала наилучшими энергетическими показателями. При этом электрическая машина должна соответствовать условиям применения её в электрических приводах.

Синхронные машины используют главным образом в качестве источника электроэнергии переменного тока. Их устанавливают на мощных тепловых, атомных и гидроэлектростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках. Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности и регулирования её напряжения применяют синхронные компенсаторы.

В бытовых электрических приборах (магнитофонах, проигрывателях, киноаппаратуре) и в системах управления широко применяют синхронные микромашины: с постоянными магнитами, индукторные, реактивные, гистерезисные, шаговые.

Основная электромагнитная схема синхронных машин с момента изобретения осталась неизменной, но усовершенствовалось их конструктивное исполнение и выросли электромагнитные нагрузки, что позволило улучшить массогабаритные и нагрузочные показатели и нагрузочную способность синхронных машин. Особенно большие выгоды в этом отношении дало применение в крупных машинах водородного и водяного охлаждения.

1. Номинальные величины

Проектирование синхронных машин, как, впрочем, и любой другой электрической машины, начинаем с выбора главных размеров. Для этого сначала необходимо определить номинальные параметры.

. Номинальное фазное напряжение (предполагаем, что обмотка статора будет соединена в звезду):

(1.1)

. Номинальная полная мощность:

          (1.2)

где P_н - номинальная активная мощность, Вт;

cosφ_н = 0.9 - коэффициент мощности;

η_н - КПД синхронного двигателя. По таблице 10.3 [1] принимаем согласно номинальным данным машины η_н=0.952.

. Номинальный фазный ток:

(1.3)

. Число пар полюсов:

         (1.4)

5. Расчётная мощность:

        (1.5)

где k_E - коэффициент, представляющий собой отношение ЭДС в якоре при номинальной нагрузке к номинальной нагрузке. При работе синхронного двигателя с опережающим током и cosφ=0.9, можно принимать k_E в пределах 1.05 - 1.06. Принимаем k_E = 1.05.

2. Размеры статора

По рисунку 10.8 [1] для S'=686.3·10³ ВА, p=3 предварительно находим внутренний диаметр статора D=0.605 м.

. Внешний диаметр статора по (10.3) [1]:

   (2.1)

где k_D - коэффициент, который в зависимости от числа полюсов по таблице 10.6 [1] имеет значение k_д=1.4÷1.45.

По таблице 10.7 [1] ближайший нормализированный внешний диаметр статора D_а=850 мм (14-ый габарит).

Высота оси вращения h =500 мм = 0.5 м.

. Полюсное деление:

    (2.2)

9. Расчётная длина статора. Линейную нагрузку А и индукцию B_ddн для машин мощностью более 100кВт выбираем по рисунку 10.9 [1]. При номинальном напряжении 6000 В.

Для t=0.317 м, при p= 3 находим А=475·10² А/м, B_ddн=0.72 Тл.

Задаемся aa_dd=0.65, k_B=1.2, aa_dd·k_B=0.78, k_обм =0.92.

 (2.3)

где aa_dd - расчётный коэффициент полюсного перекрытия;

k_B - коэффициент формы поля;

k_обм - обмоточный коэффициент обмотки статора;

А - линейная нагрузка статора, А/м;

B_ddн - максимальное значение индукции в воздушном зазоре при номинальной нагрузке, Тл.

. Находим ll по (10.6) [1]:

        (2.4)

По рисунку 10.11 устанавливаем, что полученное значение ll лежит в пределах, ограниченных кривыми при p=3.

. Действительная длина статора:

     (2.5)

. Число вентиляционных каналов определяется при ширине канала b_к=0.01 м:

     (2.6)

Принимаем n_k= 8.

. Длина пакета:

    (2.7)

. Суммарная длина пакетов сердечника:

   (2.8)

. Зубцовая зона статора

Для статоров синхронных машин находят применение петлевые обмотки, состоящие из многовитковых катушек и волновые обмотки с числом эффективных проводников в пазу не более двух. Применение волновых обмоток имеет определённые преимущества при токах в параллельной ветви более 1000 А. Для статоров синхронных машин общего назначения находят применение двухслойные катушечные петлевые обмотки с числом эффективных проводников в пазу более двух.

. Число параллельных ветвей обмотки статора:

a=1, так как I_нф =62.96 А < 200 А

16. Зубцовое деление для tt =0.317. По кривым [1] рисунка 10.13:

17. Максимальное число пазов (зубцов) магнитопровода статора:

(3.1)

. Минимальное число пазов (зубцов) магнитопровода статора:

   (3.2)

. Число пазов магнитопровода статора:

Так как D_а не больше 990 мм, то статор выполняем несегментированнным.

Из диапазона числа пазов выбирается такое число Z₁, при котором выполняются нижеследующие требования. Примем Z₁=72.

1) Z₁ должно быть кратным числу фаз m и числу параллельных ветвей a, то есть  .

2) число пазов на полюс и на фазу:

 - причем d не может быть кратно m и должно быть меньше числа пар полюсов,       

) Число параллельных ветвей и число полюсов должно быть связано следующими соотношениями:

при целом q₁

при дробном q₁

 - целое число

    (3.3)

20. Число эффективных проводников в пазу:

        (3.4)

По найденному значению U_n уточняем линейную нагрузку:

   (3.5)

4. Пазы и обмотка статора

21. Ширина паза (предварительно):

       (4.1)

. Поперечное сечение эффективного проводника обмотки статора:

      (4.2)

где J₁ - допустимая плотность тока;

           (4.3)

где AJ₁=2700·10⁸ - определяется по рисунку 10.16 [1] при tt=0.317 м.

. Ширина изолированного проводника:

         (4.4)

В синхронных машинах от 100 кВт и выше, выпускаемых промышленностью, применяется непрерывная изоляция класса нагревостойкости B, спецификация которой дана в таблице 3.5 [1]. Двухсторонняя толщина изоляции составляет dd_из.п=4.7 мм при U_н=6 кВ.

. Размеры проводников обмоток статора. Принимаем, что эффективный проводник состоит из одного элементарного (q_эф=11.1 мм² < 18 мм²). Марка провода при U_н=6000 В-ПЭТВСД. Двухсторонняя толщина изоляции 0.5 мм. По таблице П3.4 размеры медного проводника a₁×b₁=1.5×8 мм, q_эф=11.79 мм², a_1из×b_1из=2×8.5 мм.

. Ширина паза (уточнённая):

      (4.5)

где n_ш=1 - число элементарных проводников по ширине паза;

dd_из.п=4.7 мм - двусторонняя толщина паза;

dd_р.ш=0.05∙n_ш - допуск на разбухание изоляции;

dd_ш=0.2 мм - технологический допуск на укладку.

. Высота паза:

  (4.6)

где h_к=4-5 мм - высота клина;_из=12.4 мм - суммарная толщина изоляции по высоте паза по

таблице 3.5 [1];

dd_рв=0.05·n_в·U_п - допуск на разбухание;

dd_в=0.2 мм - допуск на укладку;

Эскиз паза

27. Плотность тока в проводнике в проводнике обмотки статора:

     (4.7)

. Проверка индукции в зубе (приближённо):

   (4.8)

где k_с=0.93 - коэффициент заполнения пакета стали (таблица 2.1) [1].

Индукция B_z1 лежит в пределах 1.6÷2 Тл, что удовлетворяет условию.

. Проверка индукции в ярме статора (приближённо):

      (4.9)

где  - высота спинки статора.

B_a находятся в допустимых пределах (B_a =1.2¸1.45 Тл).

. Перепад температуры в изоляции паза:

         (4.10)

где k_ф=1.1 - коэффициент добавочных потерь;_из=2.2∙10^-5 Вт/(м∙С) - теплопроводность изоляции по способу монолит.

. Градиент температуры в пазовой изоляции:

       (4.11)

Проведённая проверка показала, что размеры паза выбраны удачно.

32. Витки фазы обмотки статора:

    (4.12)

. Шаг обмотки:

   (4.13)

где tt_п=3·q₁=3·4=12;

. Коэффициент укорочения шага:

          (4.14)

35. Коэффициент распределения обмотки статора:

        (4.15)

. Обмоточный коэффициент:

  (4.16)

. Воздушный зазор и полюса ротора

Воздушный зазор в основном определяет технико-экономические показатели машины. При увеличении зазора возрастают размеры полюсов, обмотки возбуждения и потери в этой обмотке. С другой стороны, при малых зазорах повышаются добавочные потери на поверхности полюсных наконечников, а также повышается опасность деформации ротора при задевании его о статор. От зазора зависит возможность кратковременных перегрузок синхронных машин по моменту и мощности.

Как известно на P_m и M_m большое влияние оказывает синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси X_d. Чем больше зазор, тем меньше X_d и тем больше M_m/M и P_m/P.

Исходя из заданного соотношения M_m/M=1.75 по рисунку 10.18 [1] находим x_d*=1.9.

. Приближённое значение воздушного зазора:

     (5.1)

где B_dd0=0.95·B_ddн=0.95·0.72=0.684 Тл - максимальная индукция в зазоре при холостом ходе.

. Принимаем воздушный зазор под серединой полюса 0,0034 м (3,4 мм). Зазор под краями полюса dd_m=1.5·dd=1.5·3.36=4.76 мм:

 (5.2)

. Ширина полюсного наконечника:

       (5.3)

где aa=0,7 - коэффициент полюсного перекрытия по § 10.9 [1].

. Радиус дуги полюсного наконечника:

  (5.4)

. Высота полюсного наконечника по таблице 10.9 при t =0.317 м:

h_р=0.4 м.

42. Длина сердечника полюса и полюсного наконечника:

    (5.5)

. Расчётная длина сердечника полюса:

(5.6)