а б
Р и с. 5. Заполнение пазов фазного ротора обмоткой:
а - открытые пазы; б - полузакрытые прямоугольные пазы
Обмотка двухслойная равнокатушечная с укорочением шага, примерно равным укорочению обмотки статора. Грушевидные полузакрытые пазы ротора выполнены со скосом. Толщина пазовой изоляции соответствует изоляции якоря машин постоянного тока серии 4П . При расчете числа пазов Z2 обычно задаются числом пазов ротора на полюс и фазу: q2 = q1 ± 1 или q2 = q1 ± Ѕ. Для асинхронных машин мощностью P2Н > 100 кВт обычно принимают Z2 > Z1.
Немаловажным параметром при расчете фазной обмотки ротора является величина ЭДС фазы E2, при которой напряжение на контактных кольцах UК.К должно находится в допустимых пределах: UК.К ? U1Л или UК.К < 800…1000 В. Схема трехфазной обмотки ротора при этом, обычно соединяется в звезду. При необходимости определения числа эффективных проводников в пазу ротора uП с наименьшей погрешностью иногда применяется схема соединения в треугольник.
Расчет и определение размеров пазов асинхронных машин с фазным ротором серий 4А и АИ подробно описаны в [4, с. 368-371, 384-385]. Если обмотка фазного ротора выполняется круглым изолированным проводом, размер пазов определяется по методике расчета пазов якоря машин постоянного тока, описанной в [4, с. 610-613].
После определения размеров пазов ротора определяют высоту ярма ротора и принимают решение о количестве и размерах аксиальных каналов (в машинах с h ? 280 мм). Если же эта величина отрицательная, необходимо произвести пересчет размеров пазов ротора. Это можно сделать за счет принятия одного или одновременно нескольких решений: увеличения допустимой магнитной индукции в зубцах ротора BZ2; увеличения допустимой плотности тока в обмотке ротора J2; увеличения соотношения внутреннего и внешнего диаметров статора kD с последующим пересчетом параметров обмотки и зубцовой зоны статора.
Если определенные параметры не будут изменяться по результатам поверочного расчета, строится развернутая схема обмотки фазного ротора [4, с.118-132, 140-145].
7. Некоторые особенности поверочного расчёта
Целью поверочного расчета является определение характеристик проектируемого двигателя и установление их соответствия изначально принятым параметрам: I1Н, зН, cos цН. По результатам поверочного расчета принимаются решения об изменении некоторых размеров машины вплоть до изменения главных размеров и полного пересчета проекта. Порядок и методика проведения поверочного расчета асинхронной машины подробно описаны в [4, с. 385-456].
Расчет магнитной цепи проектируемой машины проводится по [4, с. 385-396]. При его проведении необходимо учитывать, что для изготовления магнитопровода асинхронной машины используется листовая электротехническая сталь с нелинейными магнитными характеристиками [4, П1-П2, с. 692-712].
Толщина листов электротехнической стали в асинхронных машинах серий 4А и АИ - 0,5 мм. Однако в некоторых случаях (при наличии специального указания) могут применяться листы толщиной 0,35 мм. В зависимости от серии и высоты оси вращения применяется электротехническая сталь различных марок (табл. 9), или марка стали может быть указана в специальном задании на проектирование.
Таблица 9. Рекомендуемые к использованию марки электротехнической стали
|
Серия |
Высота оси вращения h, мм |
|||
|
45…63 |
71…250 |
280…355 |
||
|
4А |
2013 |
2312 |
||
|
АИ |
2013 |
2214 |
2412 |
По результатам расчета магнитных напряжений определяют коэффициент насыщения зубцовой зоны, который должен находиться в пределах 1,2 ? kZ ? 1,6. Если по расчету этот коэффициент больше указанных пределов, зубцовая зона чрезмерно насыщена. При этом необходимо либо уменьшить ширину пазов статора и ротора (с увеличением высоты пазов), либо, что менее желательно, увеличить величину воздушного зазора д. Если kZ меньше указанных пределов, необходимо несколько уменьшить величину д (но не более чем до 0,2 мм), или увеличить ширину пазов статора и ротора.
Конечным результатом расчета магнитной цепи является определение величины необходимого тока намагничивания Iм и его относительного значения, приведенного к номинальному току проектируемой асинхронной машины: Iм* = Iм / I1Н. Относительное значение тока намагничивания для машин серий 4А и АИ находится в пределах, указанных в табл. 10. Если проектируемый двигатель находится строго в пределах вышеуказанных серий асинхронных машин, то полученное в ходе проектирования значение Iм* не должно превышать указанных в табл. 10 максимальных значений более чем на 20% (но не более 1,0).
Таблица 10. Отношение Iм / I1Н для асинхронных машин серий 4А и АИ
|
Мощность P2Н, кВт |
Число полюсов асинхронной машины |
||||
|
2p = 2 |
2p = 4 |
2p = 6, 8 |
2p ? 10 |
||
|
< 1 |
0,3…0,4 |
0,4…0,6 |
0,45…0,7 |
0,5…0,9 |
|
|
1…10 |
0,2…0,3 |
0,25…0,4 |
0,3…0,45 |
0,35…0,5 |
|
|
> 10 |
0,1…0,2 |
0,1…0,25 |
0,1…0,3 |
0,1…0,35 |
При проектировании асинхронной машины, отличающейся, согласно специальным указаниям технического задания, по электротехническим параметрам от машин серий 4А и АИ, относительное значение тока намагничивания не должно превышать значений, приведенных в табл. 11 [9].
Таблица 11. Максимально допустимое отношение Iм / I1Н для асинхронных машин
|
Мощность P2Н, кВт |
Число полюсов асинхронной машины |
||||||
|
2p = 2 |
2p = 4 |
2p = 6 |
2p = 8 |
2p = 10 |
2p ? 12 |
||
|
< 0,5 |
0,60 |
0,75 |
0,85 |
0,90 |
0,95 |
0,95 |
|
|
0,51…1,0 |
0,50 |
0,70 |
0,75 |
0,80 |
0,85 |
0,90 |
|
|
1,1…5,0 |
0,45 |
0,65 |
0,70 |
0,75 |
0,80 |
0,85 |
|
|
5,1…10,0 |
0,40 |
0,60 |
0,65 |
0,70 |
0,75 |
0,80 |
|
|
10,1…25,0 |
0,30 |
0,55 |
0,60 |
0,60 |
0,70 |
0,75 |
|
|
25,1…50,0 |
0,20 |
0,50 |
0,55 |
0,55 |
0,65 |
0,70 |
|
|
50,1…100 |
0,17 |
0,40 |
0,45 |
0,50 |
0,60 |
0,60 |
|
|
> 100 |
0,15 |
0,30 |
0,35 |
0,40 |
0,50 |
0,50 |
Если значение Iм* завышено, необходимо увеличить ширину тех участков магнитной цепи, на которых происходит наибольшее падение МДС (с изменением ширины и высоты пазов), или увеличить длину пакетов статора и ротора (л и Bд должны находиться в допустимых пределах). В крайнем случае допускается несколько уменьшить величину воздушного зазора д. После пересчета коэффициент kZ также должен оставаться в допустимых пределах. Если применение вышеперечисленных методов не приводит к положительному результату, необходимо произвести полный пересчет проекта с уменьшением предварительно принимаемых значений зН и cos цН.
Расчёт рабочих характеристик проектируемой асинхронной машины проводится по [4, с. 396-425].
При определении активного сопротивления обмотки статора r1 необходимо учесть, что для однослойных концентрических обмоток, выполненных «вразвалку», среднее укорочение катушек составляет вКТ = 0,83…0,85. Для других типов обмотки статора вКТ = в.
Расстояние между сторонами последовательно соединенных стержней определяется по формуле bКТ = р (D2 - hП2) / 2p.
Значения удельного сопротивления в зависимости от расчетной температуры и материала обмотки приведены в табл. 12.
Определение активного и индуктивного сопротивлений обмотки ротора r2, x2 необходимо проводить с учетом влияния скоса пазов ротора. Скос пазов ротора по технологическим причинам не делают только в машинах, у которых обмотка ротора выполнена медными прямоугольными проводниками или стержнями, а также в машинах с магнитопроводом, разбитым на отдельные пакеты. При этом увеличение индуктивного сопротивления x2 учитывается коэффициентом проводимости лСК.
Таблица 12. Удельное электрическое сопротивление материала обмотки
|
Материал обмотки |
Удельное сопротивление, мкОм·м, для разного класса изоляции |
|||||||||
|
с20є |
Номинальный режим |
Предельно допустимый режим работы, увеличение по сравнению с номинальным |
||||||||
|
B |
F, H |
B |
F |
H |
||||||
|
75є |
115є |
120є |
kс |
140є |
kс |
165є |
kс |
|||
|
Медь |
1 ---- 56,7 |
1 ---- 46,4 |
1 ---- 41,0 |
1 ---- 40,5 |
1,15 |
1 ---- 38,3 |
1,07 (1,21) |
1 ---- 35,9 |
1,15 (1,30) |
|
|
Алюминий литой |
1 ---- 28,6 |
1 ---- 23,3 |
1 ---- 20,5 |
1 ---- 20,2 |
1 ---- 19,1 |
1 ---- 17,9 |
Примечание. В скобках указано увеличение удельного сопротивления с учетом расчета номинального режима по классу нагревостойкости B.
При расчете активного сопротивления r2 учитывают увеличение длины проводника в пазовой части по формуле
. (14)
При определении рабочих характеристик асинхронных машин, в том числе малой мощности, предпочтение необходимо отдавать аналитическому методу расчета. Отправной точкой для расчета рабочих характеристик является определение номинального скольжения, которое предварительно допустимо принимать равным относительному значению приведенного активного сопротивления фазы ротора: SН ? rґ2*. По результатам расчета параметров машины для номинального режима работы полученное значение полезной мощности P2 может отличаться от значения номинальной мощности P2Н, указанного в техническом задании. Если разница составляет более 3%, необходимо уточнить значение SН и повторить расчет для номинального режима работы.
По результатам расчета номинального режима работы определяется соответствие изначально принятым параметрам. Полученное значение I1Н не должно превышать значения, полученного в самом начале проектирования, более чем на 5%. зН не должен быть меньше более чем на 2%, а cos цН - более чем на 5% от изначально принятых значений. Увеличение зН при уменьшении cos цН от изначально принятых значений - более оптимальный вариант, чем наоборот.
На данном этапе расчета параметры для режима холостого хода (S ? 0) проектируемого двигателя уже определены, поэтому для более точного построения графиков рабочих характеристик необходимо повторить расчет для значений скольжения S = 0,2·SН; 0,4·SН; 0,6·SН; 0,8·SН; 1,2·SН или S = 0,25·SН; 0,5·SН; 0,75·SН; 1,25·SН. Результаты расчета, в том числе для холостого хода и номинального режима, заносятся в таблицу, аналогичную, после чего строятся графики рабочих характеристик проектируемого двигателя: n = f(P2), M = f(P2), I1 = f(P2), P1 = f(P2), з = f(P2), cos ц = f(P2).
При этом необходимо либо уменьшить ширину пазов статора и ротора (с увеличением высоты пазов), либо, что менее желательно, увеличить величину воздушного зазора д. - немаловажная часть поверочного расчета. По пусковым характеристикам определяются перегрузочная способность проектируемой машины и способность ее запуска под нагрузкой. Подробно методика расчета с учетом эффекта вытеснения тока из проводников и эффекта насыщения некоторых участков магнитопровода при пуске описана в [4, с. 425-448].
Для упрощения расчетов сначала производят учет вытеснения тока, после чего по полученным предварительно параметрам определяют необходимость учета влияния насыщения стали магнитопровода на характеристики машины. Критерием необходимости учета насыщения является величина полного тока паза статора в пусковом режиме с учетом вытеснения тока:
I1ПАЗА = I1ПУСК uП / a > 400 А. (15)
При необходимости учета эффекта насыщения стали перед началом расчета задаются величиной коэффициента насыщения kНАС для режима пуска (S = 1), который может быть предварительно определен по формуле
kНАС ? 1 + I1ПАЗА / 5000 . (16)
Если полученное после расчета значение kґНАС отличается от предварительно принятого kНАС более чем на 15%, принимается среднее предварительное значение kНАС и расчет повторяется.
После определения параметров начального момента пуска при скольжении S = 1 аналогично производят расчет при других значениях скольжения, например: S = 0,8; 0,5; 0,35; 0,2; 0,1; SКР. Предварительное значение критического (максимального) скольжения можно получить по формуле [4, (9.286)], а значения kНАС при различных значениях скольжения - по формуле