Асинхронный двигатель

Содержание
Техническое задание на разработку асинхронного двигателя
Основные требования к проектируемому двигателю
Введение
1. Выбор главных размеров асинхронного двигателя
2. Выбор типа обмотки статора. Расчет, составление расчетной схемы , таблицы укладки обмотки в пазы и чертежа схемы обмотки
3. Расчет размеров зубцовой зоны статора
4. Выбор воздушного зазора. Расчет короткозамкнутого ротора
5. Расчет магнитной цепи асинхронно двигателя
6. Расчет параметров асинхронного двигателя для номинального режима
7. Расчет потерь и КПД асинхронного двигателя
8. Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя
9. Физическая суть явлений вытеснений тока и насыщения в асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором и использование этих явлений для улучшений пусковых свойств двигателя. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя
10. Тепловой и вентиляционный расчеты асинхронного двигателя
11. Составление таблицы сравнения основных размеров, параметров, рабочих и пусковых характеристик расчётного двигателя с основными размерами, параметрами, рабочими и пусковыми характеристиками однотипного серийного двигателя. Выводы по таблице сравнения.
12. Обоснование и описание конструкции расчетного асинхронного двигателя: установочно-присоединительные размеры, сердечник и обмотка статора, сердечник и обмотка ротора, вентилятор, станина, подшипниковые щиты и подшипники, выводное устройство
Заключение
Список литературы

Асинхронный двигатель

.
Для по таблице П-9 [2] находим .
Тогда
.
На этом расчет магнитных напряжений участков магнитной цепи двигателя заканчивается. Суммарное магнитное напряжение магнитной цепи на пару полюсов:
.
Получим
.
Коэффициент насыщения магнитной цепи:
.
Тогда
.
Намагничивающий ток:
.
Окончательно
Относительное значение намагничивающего тока [1]:
, поэтому можно сделать вывод о том, что размеры машины выбраны правильно.
6. Расчет параметров асинхронного двигателя для номинального режима
Активное сопротивление обмотки статора:
,
где – коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока (в проводниках обмотки статора асинхронных машин эффект вытеснения тока проявляется незначительно из-за малых размеров элементарных проводников, поэтому );
– общая длина эффективных проводников фазы обмотки, м:
,
где – средняя длина витка обмотки, м;
– число витков фазы.
Среднюю длину витка находят как сумму прямолинейных пазовых и изогнутых лобовых частей катушки:
.
Длина пазовой части равна конструктивной длине сердечников машины: .
Длина лобовой части катушки, м:
.
Окончательно
;
;
;
.
Вылет лобовых частей катушки, м:
.
В этих формулах – средняя ширина катушки, м, определяемая по дуге окружности, проходящей по серединам высоты пазов:
,
где – укорочение шага обмотки, для двухслойной обмотки выполненной без укорочения шага, принимаем ;
и – коэффициенты, значения которых берем из таблицы 6-19 [1], , ;
– длины вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части, м, [1].
Тогда
;
.
Относительное значение
.
Находим активное сопротивление фазы обмотки ротора:
,
где – сопротивление стержня:
,
– сопротивление участка замыкающего кольца, заключенного между двумя соседними стержнями:
,
где для литой алюминиевой обмотки ротора .
Окончательно
;
;
.
Приводим к числу витков обмотки статора:
.
Имеем
Относительное значение:
.
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:
,
где – расчетная длина при отсутствии радиальных вентиляционных каналов [1].
По таблице 6-24 [1]:
,
где;
;
;
(проводники заполнены пазовой крышкой);
;
;
.
Тогда
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:
,
где и – число пазов на полюс и фазу и длина лобовой части витка обмотки.
Поэтому
.
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния определяем по формуле:
,
в которой находим следующим образом, учитывая, что при полузакрытых или полуоткрытых пазах статора с учетом скоса пазов:
,
Окончательно
;
;
.
Относительное значение
.
Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:
,
где
,
;
;
;
;
.
Тогда
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния в роторах с литыми обмотками при замыкающих кольцах, прилегающих к торцам сердечника ротора:
.
Имеем
.
В этих формулах – средний диаметр замыкающих колец; – коэффициент приведения токов в кольце к току в стержне; и – средние высота и ширина колец.
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора:
,
где
По кривым рисунка 6.51, а [1] принимаем .
Тогда
.
Окончательно
.
Приводим к числу витков обмотки статора:
.
Тогда
Относительное значение
.
Сравнение параметров проектируемого АД, полученных в данном разделе, с теми же параметрами аналога (таблица 6).
Таблица 6
Сравнение параметров проектируемого АД с аналогом
Величина
Проектируемый АД
0,017
0,156
0,142
0,035
Аналог
0,062
0,045
0,1
0,16
7. Расчет потерь и КПД асинхронного двигателя
Потери в асинхронных машинах подразделяют на потери в стали (основные и добавочные), электрические, вентиляционные, механические о добавочные при нагрузке.
Основные потери в стали статоров асинхронных машин по формуле:
.
где для стали 2212 – удельные потери при индукции 1 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц;
– показатель степени, учитывающий зависимость потерь в стали от частоты перемагничивания;
и – коэффициенты, учитывающие влияние на потери в стали неравномерности распределения потока по сечениям участков магнитопровода и технологических факторов [1, с.348];
и – индукция в ярме и средняя индукция в зубцах статора, Тл;
и – масса стали ярма и зубцов статора, кг:
;
;
– высота ярма статора, м;
– расчетная высота зубца статора, м;
– удельная масса стали, в расчетах принимаем .
Тогда
;
;
Поверхностные потери в роторе:
.
.
В этих выражениях – коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери.
Для определения поверхностных потерь вначале находят амплитуду пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов статора и ротора, Тл:
.
Для зубцов ротора – это отношение ширины шлица пазов статора к воздушному зазору:
.
Для по рисунку 6-53 [1] .
Окончательно для поверхностных потерь:
;
;
Пульсационные потери в зубцах ротора:
.
Для определения пульсационных потерь вначале находиться амплитуда пульсаций индукций в среднем сечении зубцов для зубцов ротора, Тл:
.
и были рассчитаны ранее.
В формуле : – масса стали зубцов ротора, кг:
.
Тогда
;
;
.
Сумма добавочных потерь в стали:
.
Тогда
Полные потери в стали:
.
Тогда
.
Механические потери на трение в подшипниках и вентиляционные потери в двигателях с радиальной системой вентиляции без радиальных вентиляционных каналов, с короткозамкнутым ротором и вентиляционными лопатками на замыкающих кольцах, Вт:
,
где при .
.
Ток холостого хода двигателя:
,
где – реактивная составляющая тока холостого хода.
При определении активной составляющей холостого хода принимают, что потери на трение и вентиляцию и потери в стали при холостом ходе двигателя такие же, как и при номинальном режиме.
При этом условии:
.
Электрические потери в статоре при холостом ходе приближенно принимают равными:
.
Тогда
;
;
.
Коэффициент мощности при холостом ходе:
.
Окончательно
.
8. Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя
Расчет рабочих характеристик начинается с расчета следующих величин:
,
,
.
Получим
;
;
Используем приближенную формулу, так как :
.
Тогда
.
Активная составляющая тока синхронного холостого хода:
.
Имеем
При можно использовать приближенный метод, так как в этом случае и .
Тогда
;
;
.
Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения:
Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений ; ; ; ; ; , принимая предварительно, что .
Номинальные данные спроектированного двигателя:
, , , , .
Данные расчета сведены в таблицу 6.
В качестве примера расчета приведены вычисления для скольжения :
1) ;
2) ;
;
3) ;
4) ;
5) ;
6) ;
7) ;
8) ;
9) ;
10) ;
11) ;
12) ;
13) ;
14) ;
15) ;
16) ;
17) .
Рабочие характеристики представлены на рисунке 7.
Таблица 7
Рабочие характеристики асинхронного двигателя
№ п/п
Расчетные формулы
Размерность
Скольжение s
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,0105
1
Ом
42,058
21,029
14,019
10,514
8,412
7,01
20,924
2
Ом
42,452
22,377
15,367
11,862
9,76
8,358
4,343
3
Ом
4,343
4,343
4,343
4,343
4,343
4,343
21,370
4
Ом
42,673
22,795
15,969
12,632
10,683
9,419
17,782
5
А
8,905
16,671
23,796
30,082
35,572
40,344
0,979
6
–
0,995
0,982
0,962
0,939
0,914
0,887
0,203
7
–
0,102
0,191
0,272
0,344
0,407
0,461
18,929
8
А
10,378
17,883
24,417
29,766
34,017
37,317
14,030
9
А
11,306
13,592
16,888
20,759
24,878
29,018
23,561
10
А
15,347
22,462
29,688
36,290
42,143
47,272
20,645
11
А
10,339
19,355
27,627
34,925
41,299
46,839
21,579
12
кВт
11,831
20,387
27,836
33,934
38,780
42,542
0,565
13
кВт
0,24
0,513
0,896
1,339
1,806
2,273
4,089
14
кВт
1,026
3,594
7,323
11,703
16,363
21,048
3,456
15
кВт
0,59
0,102
0,139
0,170
0,194
0,213
0,108
16
кВт
2,665
5,549
9,698
14,552
19,704
24,874
6,102
17
кВт
9,166
14,838
18,137
19,382
19,076
17,668
15,477
18
–
0,775
0,728
0,652
0,571
0,492
0,415
0,717
19
–
0,676
0,796
0,822
0,820
0,807
0,789
0,803
После построения рабочих характеристик уточняем значение номинального скольжения – .
Рисунок 7 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
9. Физическая суть явлений вытеснений тока и насыщения в асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором и использование этих явлений для улучшений пусковых свойств двигателя. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя
9.1. Физическая суть явлений вытеснений тока и насыщения в асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором и использование этих явлений для улучшений пусковых свойств двигателя
Известно, что для достижения хорошего к. п. д. асинхронные двигатели должны иметь малое скольжение, в соответствии с чем активное сопротивление обмоток ротора г2 у них должно быть достаточно мало. Однако, как было установлено там же, пусковой момент двигателя с таким сопротивлением обмотки ротора будет значительно меньше номинального. Это исключает возможность пуска таких двигателей с короткозамкнутым ротором под нагрузкой, а искажение кривой момента под воздействием высших гармоник поля может вызвать затруднения даже при пуске с небольшой нагрузкой. Для получения достаточного пускового момента необходимо увеличить г2. Таким образом, возникает задача создания таких асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, у которых активное сопротивление обмотки ротора при пуске достаточно велико и уменьшается при переходе к нормальному режиму работы. Эту задачу решают путем использования эффекта вытеснения тока в обмотке ротора, применяя обмотку специальной конструкции.
Одной из разновидностей таких двигателей являются двигатели с глубокими пазами на роторе и высокими стержнями беличьей клетки. Вытеснение тока в стержнях клетки происходит в результате действия э. д. с, индуктируемых пазовыми потоками рассеяния Фа. Можно представить себе, что стержень ) состоит из множества волокон, включенных параллельно. Нижние волокна охватываются большим, а верхние волокна — малым количеством линий потока Фо. При пуске, когда частота в роторе велика (/2 = /х), в нижних волокнах стержня индуктируется большая э. д. с. самоиндукции, чем в верхних, и> плотность тока распределяется по высоте проводника весьма неравномерно. Можно также сказать, что такое неравномерное распределение тока обусловлено тем, что нижние волокна стержня имеют большее индуктивное сопротивление, чем верхние. Таким образом, ток в стержне вытесняется по направлению к воздушному зазору, что в сущности и есть проявление поверхностного эффекта в проводниках, утопленных в ферромагнитную среду.
Под влиянием вытеснения тока, или поверхностного эффекта, активное сопротивление стержня при пуске двигателя становится большим.
Несколько упрощенно можно представить себе, что при пуске работает только верхняя часть стержня и его рабочее сечение уменьшается. Одновременно при вытеснении тока уменьшается также индуктивное сопротивление рассеяния стержня, так как поток Фа в нижней части стержня вследствие уменьшения в ней тока ослабляется. В результате увеличения при пуске активного сопротивления стержня гст и уменьшения его сопротивления рассеяния гост уменьшается угол сдвига фаз между э. д. с. стержня, индуктируемой "вращающимся полем, и током стержня, что и приводит к увеличению пускового момента.
По мере разбега двигателя при его пуске частота тока в роторе уменьшается и по достижении номинальной скорости вращения становится весьма малой равномерно по сечению стержня. Активное сопротивление стержня при этом становится малым, и двигатель работает с хорошим к. п. д.
9.2. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя
Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета влияния насыщения от полей рассеяния).
Учитывая, что индуктивное сопротивление взаимной индукции с уменьшением насыщения магнитопровода увеличивается, в расчете пусковых характеристик для скольжений , оно может быть принято равным:
.
Тогда
.
Не внося большой погрешности, в расчетных формулах пусковых режимов пренебрегают сопротивлением . Это оправдано при токах, заметно превышающих номинальный, так как электрические потери в обмотках, возрастающие пропорционально квадрату тока, многократно превышают потери в стали, для учета которых в схему замещения введен параметр .
При этом допущениях коэффициент
.
Имеем
.
Максимальный момент двигателя вначале определяем по приближенному значению критического скольжения:
.
Получим
.
По рисунку 2 определяем:
.
Данные расчета остальных точек сведены в таблицу 7.
В качестве примера приведен расчет для :
1. ;
2. : по кривой рисунка 6-46 [1] ;
3. ;
4. ,
где
где
5. ;