Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Федеральное агентство по образованию

Российский государственный профессионально-педагогический университет

Кафедра автоматизированных систем электроснабжения

Курсовой проект

Расчет асинхронного двигателя серии 4А180
S
4У3

Выполнил:

Проверил:

Екатеринбург 2008

Содержание

Задание 3

Введение 4

1. Выбор главных размеров 5

2. Определение Z1
, W1
и сечение провода обмотки статора 6

3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора 8

4. Расчет ротора 10

5. Расчет намагничивающего тока 14

6. Параметры рабочего режима 16

7. Расчет потерь 20

8. Расчет рабочих характеристик 22

9. Расчет пусковых характеристик 28

10. Тепловой расчет 35

11. Расчет вентиляции 37

Список литературы 38

Задание.

Курсовой проект по электрическим машинам

Тип машины – асинхронный двигатель 4А180S4У3

1. Номинальная мощность, 22 кВт

2. Номинальное фазное напряжение, 220 В

3. Число полюсов, 2р = 4

4. Степень защиты, IP44

5. Класс нагревостойкости изоляции, F

6. Кратность начального пускового момента, 1,4

7. Кратность начального пускового тока, 6,5

8. Коэффициент полезного действия, η = 0,9

9. Коэффициент мощности, cosφ = 0,9

10. Исполнение по форме монтажа, М 1001

11. Воздушный зазор, δ = 0,5 мм

12. Частота сети f1, 50 Гц

Введение

Асинхронный двигатель является преобразователем электриче­ской энер­гии в механическую и составляет основу большинства ме­ханизмов использую­щихся во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время асинхронные двигатели потребляют более 40% выра­ба­тываемой электрической энергии, на их изготовление расходуется большое коли­чество дефицитных материалов: обмоточ­ные меди, изоляции, электриче­ской стали и других затрат.

На ремонт и обслуживание асинхронных двигателей в эксплуата­ции сред­ства составляют более 5% затрат из обслуживания всего ус­тановленного оборудо­вания.

Поэтому создание серии высокоэкономичных и надежных асин­хронных двигателей является важнейшей народно-хозяйственной за­дачей, а правильный выбор двигателей, их эксплуатации и высокока­чественный ремонт играют пер­во­очередную роль в экономике мате­риалов и трудовых ресурсов.

В серии 4А за счет применения новых электротехнических мате­риалов и рациональной конструкции, мощность двигателей при дан­ных высотах оси вра­щения повышена на 2-3 ступени по сравнения с мощностью двигателей се­рии А2, что дает большую экономию дефи­цитных материалов.

Серия имеет широкий ряд модификации, специализированных ис­полне­ний на максимальных удовлетворительных нужд электропри­вода.

1. Выбор главных размеров

1.1 Синхронная скорость вращения поля:

1.2 Высота оси вращения:

( двигатель 4А180S4У3)

Внешний диаметр Da = 0,313 м

1.3 Внутренний диаметр статора:

1.4 Полюсное деление:

1.5 Расчетная мощность:

1.6 Электромагнитные нагрузки:

A/м

Тл

1.7 Принимаем обмоточный коэффициент для двухслойной обмотки:

1.8 Расчетная длина воздушного зазора:

1.9 Отношение значение находится в рекомендуе­мых пределах (0,65-1,3)

2. Определение , и сечение провода обмотки статора

2.1 Предельные значения :

2.2 Число пазов статора

Принимаем тогда

Обмотка двухслойная

2.3 Зубцовое деление статора

2.4 Число эффективных проводников в пазу (предварительно при ус­ловии а=1)

2.5 Принимаем а = 2, тогда

принимаем

2.6 Окончательные значения

Число витков в фазе:

Линейная нагрузка:

Магнитный поток:

Для двухслойной обмотки:

при

Значения А и находятся в допустимых пределах

2.7 Плотность тока в обмотке статора (предварительно)

по п. 2.6:

=

2.8 Сечение эффективного проводника (предварительно):

2.9 Сечение эффективного проводника (окончательно):

принимаем тогда

обмоточный провод ПЭТВ ,

2.10 Плотность тока в обмотке статора (окончательно):

3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Рис.1 К расчету размеров зубцовой зоны статоров с прямоугольной конфигурацией пазов

3.1 Принимаем предварительно

;

=

для оксидированных листов стали

=

3.2 Размеры паза в штампе принимаем:

3.3 Размеры паза в свету с учетом припуска на cборку:

Площадь поперечного сечения паза «в свету» для размещения провод­ников:

Площадь поперечного сечения прокладок:

(для двухслойной об­мотки)

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу:

- односторонняя толщина изоляции в пазу

3.4 Коэффициент заполнения паза:

Полученное значение допустимо для двигателей с (0,72÷0,74).

4. Расчет ротора

4.1 Воздушный зазор (по заданным данным):

4.2 Число пазов ротора :

4.3 Внешний диаметр ротора:

4.4 Длина магнитопровода ротора:

4.5 Зубцовое деление ротора:

4.6 Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердеч­ник непо­средственно насажен на вал.

4.7 Ток в стержне ротора

4.8 Площадь поперечного сечения стержня (предварительно):

Плотность тока в стержне литой клетки принимаем:

4.9 Паз ротора определяем по рис.9.40, б :

Принимаем

Допустимая ширина зубца:

Размеры паза:

Принимаем:

Полная высота паза:

4.10 Площадь поперечного сечения стержня:

4.11 Плотность тока в стержне:

4.12 Короткозамыкающие кольца.

Площадь поперечного сечения кольца:

Размеры замыкающих колец:

На рис.2 представлены размеры замыкающих колец

Рис.2 Размеры замыкающих колец

Рис.3 К расчету трапецеидальных закрытых пазов ротора

Рис.4 Пазы статора и ротора

Поз.	Материал	Толщина материала, мм	Число слоев	Односторонняя толщина, мм
1	Имидофлекс	0,35	1	0,35
2	Имидофлекс	0,25	1	0,25
4	Провод ПЭТВ 1,12/1,2	-	-	-

5. Расчет намагничивающего тока

5.1 Значение индукций:

Расчетная высота ярма ротора при 2р=4, :

5.2 Магнитное напряжение воздушного зазора:

5.3 Магнитные напряжение зубцовых зон:

статора:

ротора:

[ по табл. П1.7,1] для стали 2013:

при ВZ
1
=1,9 Тл, НZ
1
=2070 А/м;

при ВZ
2
=1,9 Тл, НZ
2
=2070 А/м;

hZ
1
=hп1
=25,9 мм;

hZ
2
=hп2
-0,1∙в2
=24,7-0,1∙6,1=24,1 мм

5.4 Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

5.5 Магнитные напряжения ярм статора и ротора:

[по табл. П1.6, 1] при Ва
=1,55 Тл, НА
=630 А/м

при ВJ
=0,88 Тл, НJ
=146 А/м

где

при 2р=6 :

где

5.6 Магнитное напряжение на пару полюсов:

5.7 Коэффициент насыщения магнитной цепи:

5.8 Намагничивающий ток:

относительное значение:

6. Параметры рабочего напряжения

6.1 Активное сопротивление фазы обмотки статора:

Для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура =115˚С;

Для медных проводников

Длина проводников фазы обмотки:

Длина вылета лобовой части катушки:

Относительное значение:

6.2 Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора:

где для алюминиевой обмотки ротора:

Приводим r2
к числу витков обмотки статора:

Относительное значение:

6.3 Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

где

где:

где:

Относительное значение:

Рис.5 К расчету коэффициентов магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора

6.4 Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:

где по табл. 9.27 с. 408, 1:

где kд
=1 -для номинального режима

Так как то без заметной погрешности можно при­нять:

Приводим Х2
к числу витков статора:

Относительное значение:

Рис.6 К расчету коэффициентов магнитной проводимости пазового рассеяния короткозамкнутого ротора

7. Расчет потерь

7.1 Основные потери в стали:

- удельная масса стали

7.2 Поверхностные потери в роторе:

7.3 Пульсационные потери в зубцах ротора:

7.4 Сумма добавочных потерь в стали:

7.5 Полные потери в стали:

7.6 Механические потери:

для двигателей с 2р ≥ 4:

7.7 Добавочные потери при номинальном режиме:

7.8 Холостой ход двигателя:

8. Расчет рабочих характеристик

8.1 Параметры:

Используем приближенную формулу, так как :

Потери , не меняющиеся при изменении скольжения:

Принимаем и рассчитываем рабочие характеристики,

задаваясь скольжением S равным:

s=0,002; 0,008; 0,012; 0,016; 0,02; 0,024; 0,028

Результаты таблицы приведены в таблице 1.

Характеристики представлены на рис.7

№	Расчетная формула	Единица из­мере­ния	Скольжение
			0,002	0,008	0,012	0,016	0,02	Sном= 0,024	0,028
1.		Ом	67,86	16,96	11,31	8,48	6,78	5,65	4,84
2.		Ом	0	0	0	0	0	0	0
3.		Ом	68,06	17,16	11,51	8,68	6,98	5,85	5,04
4.		Ом	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2
5.		Ом	68,07	17,2	11,57	8,76	7,08	5,97	5,18
6.		А	3,23	12,79	19,01	25,1	31,07	36,85	42,47
7.		-	0,999	0,997	0,994	0,99	0,985	0,979	0,973
8.		-	0,017	0,069	0,103	0,136	0,169	0,2	0,231
9.		А	4,88	13,41	19,55	25,51	31,26	36,73	41,98
10.		А	10,25	11,08	12,15	13,61	15,45	17,57	20,0
11.		А	11,35	17,39	23,01	28,91	34,86	40,7	46,5
12.		А	3,3	13,06	19,42	25,64	31,74	37,6	43,39
13.		кВт	3,22	8,85	12,9	16,83	20,63	24,242	27,7
14.		кВт	0,075	0,176	0,308	0,486	0,707	0,964	1,258
15.		кВт	0,004	0,066	0,147	0,256	0,392	0,55	0,734
16.		кВт	0,009	0,021	0,038	0,06	0,087	0,119	0,156
17.		кВт	0,752	0,927	1,157	1,466	1,85	2,297	2,812
18.		кВт	2,468	7,923	11,74	15,36	18,78	21,944	24,888
19.		-	0,76	0,89	0,91	0,912	0,91	0,905	0,898
20.		-	0,429	0,771	0,849	0,882	0,896	0,902	0,902

Таблица 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рис.7 Рабочие характеристики спроектированного двигателя

8.2 Расчет и построение круговой диаграммы.

Масштаб тока:

Масштаб мощности:

Ток синхронного холостого хода :

где

8.3 После построения круговой диаграммы рассчитаем рабочие характеристики при номинальном режиме

Ток статора:

Ток ротора:

Первичная мощность:

Электромагнитная мощность:

Полезная мощность:

КПД:

Коэффициент мощности:

Скольжение двигателя:

9. Расчет пусковых характеристик

9.1 Расчет пусковых характеристик. Рассчитываем точки характери­стик,

соответствующие скольжению S = 1.

Пусковые характеристики спроектированного двигателя представ­лены на рис.8.

Параметры с учетом вытеснения тока ()

<

p>

Для [стр. 428, рис. 9.57, 1]

[стр.428, рис. 9.58, 1]

Активное сопротивление обмотки ротора:

где

Приведенное сопротивление ротора с учетом действия эффекта вытес­нения тока:

9.2 Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учетом действия эффекта вытеснения тока:

9.4 Пусковые параметры

9.5 Расчет токов с учетом влияния эффекта вытеснения тока для :

9.3 Учет влияния насыщения на параметры. Принимаем для S=1 ко­эффици­ент насыщения

и

[по рис. 9.61, с.432, 1 для ]

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния об­мотки ста­тора с учетом влияния насыщения:

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рас­сея­ния обмотки статора с учетом влияния насыщения:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влия­ния насыщения:

где

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ро­тора с учетом влияния насыщения и вытеснения тока:

Для закрытых пазов ротора:

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рас­сея­ния обмотки ротора с учетом влияния насыщения:

Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с уче­том влияния вытеснения тока и насыщения:

где

Расчет токов и моментов:

Критическое скольжение определяем после расчета всех точек пусковых характеристик (табл. 3) по средним значениям сопротивлений , соответствующим скольжениям :

Таблица 2. Расчет токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с коротко­замкнутым ротором с учетом влияния эффекта вытеснения тока

№	Расчетная формула	Размерность	Скольжение
			1	0,8	0,5	0,2	0,1	0,137
1.		-	1,5	1,35	1,06	0,67	0,47	0,557
2.		-	0,33	0,23	0,11	0,02	0,005	0,01
3.		мм	17,8	19,2	21,3	23,23	23,58	23,46
4.		-	1,24	1,15	1	1	1	1
5.		-	1,16	1,098	1	1	1	1
6.		Ом	0,15	0,16	0,13	0,13	0,13	0,13
7.		-	0,87	0,92	0,95	0,975	0,985	0,98
8.		-	2,86	2,91	2,94	2,973	2,984	2,979
9.		-	0,97	0,985	0,99	0,995	0,997	0,996
10.		Ом	0,68	0,689	0,693	0,696	0,698	0,697
11.		Ом	0,34	0,396	0,457	0,853	1,51	1,156
12.		Ом	1,14	1,158	1,162	1,165	1,167	1,166
13.		А	186,4	179,7	176,1	152,3	115,3	134
14.		А	190,5	183,8	180,1	155,8	118,1	137,2

Для расчета других точек характеристики зададимся , уменьшенным в зависимости от тока (см.табл. 2):

Таблица 3. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя с коротко­замкнутым ротором с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

№	Расчетная формула	Размерность	Скольжение
			1	0,8	0,5	0,2	0,1	0,137
1.		-	1,4	1,3	1,2	1,1	1,05	1,069
2.		А	4175	3740	3383	2682	1941	2295
3.		Тл	5,6	4,97	4,5	3,56	2,58	3,05
4.		-	0,42	0,48	0,52	0,64	0,79	0,72
5.		мм	5,6	5	4,6	3,5	2	2,7
6.		-	1,09	1,108	1,121	1,162	1,237	1,198
7.		-	0,69	0,792	0,858	1,056	1,303	1,188
8.		Ом	0,32	0,335	0,344	0,37	0,404	0,388
9.		-	1,0102	1,0107	1,011	1,0118	1,0129	1,012
10.		мм	8,9	8	7,4	5,5	3,2	4,3
11.		-	2,29	2,348	2,385	2,449	2,53	2,484
12.		-	0,97	1,113	1,206	1,484	1,832	1,67
13.		Ом	0,45	0,483	0,498	0,537	0,587	0,563
14.		Ом	0,34	0,396	0,456	0,85	1,508	1,154
15.		Ом	0,77	0,823	0,847	0,913	0,998	0,957
		А	261,9	241	228,7	176,4	121,7	146,7
		А	265,7	244,7	232,4	179,5	124,1	149
		-	1,39	1,33	1,29	1,15	1,05	1,086
		-	6,52	6,1	5,74	4,54	3,15	3,66
		-	1,35	1,39	1,77	2,64	2,51	2,66

Рис. 8 Пусковые характеристики

10. Тепловой расчет

10.1 Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя.

10.2 Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:

где

10.3 Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:

10.4 Повышение температуры наружной поверхности лобовых частей над темпера­турой воздуха внутри машины:

10.5 Среднее превышение температуры обмотки статора над температу­рой воз­духа внутри машины:

10.6 Превышение температуры воздуха внутри машины над температу­рой окру­жающей среды:

Среднее превышение температуры обмотки статора над температу­рой окру­жающей среды:

11. Расчет вентиляции

11.1 Расчет вентиляции, требуемый для охлаждение расходов воздуха:

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором:

Список литературы

1. Проектирование электрических машин: Учеб. для ву­зов / П79 И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш.шк., 2002. – 757 с.: ил.

2. Методические указания к выполнению курсового проекта по электриче­ским машинам. №11, 1990г. (№128, 1984).