Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок

 

 

 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

 (определение  параметров и рабочих характеристик)

Методические указания к курсовой работе

для студентов специальности 5В071800 – Электроэнергетика

 

 

Алматы 2012 

Составители: П.И. Сагитов, Р.М. Шидерова, А.Н. Бестерекова  Электрические машины. Асинхронные двигатели с фазным ротором (определение параметров и рабочих характеристик). Методические указания к выполнению курсовой работы (для студентов всех форм обучения специальности 5В071800 – Электроэнергетика).- Алматы: АУЭС, 2012.–22с.

 

Методические указания содержат расчет параметров и характеристик асинхронного двигателя и включают в себя необходимые справочные материалы и таблицы.

Методические указания предназначены для студентов специальности 5В071800 – Электроэнергетика.

Ил. 5, табл. 6, библ. – 10 назв.

 

Рецензент: доцент Кузембаева Р.М

 

Печатается по плану издания НАО «Алматинского университета энергетики и связи» на 2012 г.

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2012

 

Введение

Курсовая работа должна научить студента применять полученные теоретические знания при решении конкретной инженерной задачи - проектировании асинхронного двигателя с фазным ротором общепромышленного назначения.

Курсовая работа должна содержать:

а)  задание на курсовую работу;

б) расчетную записку, содержащую электромагнитный расчет, эскизы, поясняющие основные решения, таблицы, в которые сводятся основные и расчетные данные. Текст должен содержать расчетные формулы в общем виде. У каждой величины, являющейся результатом вычислений, должна быть указана размерность.

При выполнении курсовой работы следует пользоваться рекомендуемой литературой.

Курсовая работа, выполненная не по заданию, соответствующему цифрам шифра и первой букве фамилии, должна быть выполнена заново. На обложке пояснительной записки обязательно должен быть указан шифр.

Данные методические указания являются продолжением первой части методических указаний, где определены основные геометрические размеры и обмоточные данные асинхронного двигателя, также были приведены варианты для выполнения курсовой работы. Для выполнения дальнейших расчетов необходимо воспользоваться величинами, которые были рассчитаны в первой части.

Расчет характеристик выполняется на ЭВМ с использованием приложения Mathcad.

 

1 Расчет магнитной цепи

Расчет магнитной цепи проводится для определения МДС и намагничивающего тока статора, необходимого для создания в двигателе требуемого магнитного потока. На рисунке 1.1 представлена расчетная часть магнитной цепи четырехполюсной машины, которая состоит из пяти последовательно соединенных участков: воздушного зазора, зубцовых слоев статора и ротора, спинки статора и спинки ротора.

1.1 МДС на магнитную цепь на пару полюсов  определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи

 

.                                      (1.1)

 


         1.2 Магнитное напряжение воздушного зазора на пару полюсов (А)

 

                           ,                                              (1.2)

где    коэффициент воздушного зазора;

 

               ,      .                   (1.3)

 

 

1.3 Магнитное напряжение зубцового слоя статора (А):

 

, .

 

Напряженность магнитного поля в зубцах статора HZ1 определяется:

а) при трапецеидальных пазах непосредственно по приложению А для выбранной марки стали, для индукции рассчитанной в п.3.14 в первой части курсовой работы (при высоте оси вращения мм применяется сталь 2013, при  - сталь 2312);

б) при прямоугольных пазах индукция в различных сечениях зубца различна, поэтому расчет напряженности производится по трем сечениям

 

                   ,                                     (1.4)

 

где Hz1max, Hz1min определяется по приложению А для индукции по п. 3.21 в первой части курсовой работы;

        Hz1срдля  индукции.

 

1.4 Магнитное напряжение зубцового слоя ротора (А):

 

                                   .                                   (1.5)

 

Напряженность магнитного поля в зубцах ротора  определяется:

а) при трапецеидальных пазах по таблицам приложения А для индукции – по 5.1 в первой части курсовой работы;

б) при прямоугольных пазах – по трем сечениям аналогично (1.3)

 

               ,                                  (1.6)

где  определяются по таблицам приложения А для    индукций по п.5.13 в первой части курсовой работы;

   

 для  .

 

1.5 Магнитное напряжение ярма статора:

 

,                         (1.7)

 

определяется по приложению Б для индукции по п. 3.21 в первой части курсовой работы.

1.6 Магнитное напряжение ярма ротора (А):

 

                 (1.8)

                

определяется по приложению Б для индукции по п.5.14 в первой части курсовой работы.

 

1.7 Суммарное магнитное напряжение магнитной цепи определяется по п.6.1 в первой части курсовой работы.

1.8 Коэффициент насыщения магнитной цепи двигателя

 

,     (km=1,2÷1,6).                                 (1.9)

1.9 Намагничивающий ток (А):

 

                                                 (1.10)

 

а в процентах от номинального тока статора

                                                    (1.11)

 

2 Активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора

 

 Сопротивление обмотки статора

 

2.1 Среднее значение зубцового деления статора (м)

 

.                                                (1.1)

2.2 Средняя ширина катушки (секции) статора (м):

                                                   (2.2)

где уср1 – среднее значение шага обмотки статора (для двухслойной      обмотки уср11 (п. 2.7 в первой части курсовой работы).

 

2.3 Средняя длина лобовой части статора (м) для обмотки с мягкими катушками:

,                                           (2.3)

 

для обмотки с жесткими катушками

 

                                         (2.4)

где    ;

 - двухсторонняя толщина изоляции в (мм).

 

2.4 Средняя длина витка обмотки статора (м):

 

.                                                (2.5)

2.5 Длина вылета лобовой части обмотки статора (м):

-для обмотки с мягкими катушками

 

;                                       (2.6)

-для обмотки с жесткими катушками

 

                                     (2.7)

2.6 Активное сопротивление обмотки статора, приведенное к рабочей температуре 1150 С (для класса изоляции F), в Ом:

 

,                                    (2.8)

где =0,0244 Ом·мм2 – удельное сопротивление меди при 1150С.

 

2.7 То же в относительных единицах (о.е.)

 

,                                                    (2.9)

где - номинальные значения фазных тока и напряжения.

2.8 Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора состоит из трех частей: пазового рассеяния, дифференциального рассеяния и рассеяния лобовых частей.

 

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора:        

1) при трапецеидальном пазе (см. рисунок 2.1, а)

                           (2.10)

2) при прямоугольном полуоткрытом пазе (см. рисунок 2.1, б)

    ,            (2.11)

3) при прямоугольном открытом пазе (см. рисунок 2.1, в)

 

,                         (2.12)

 

где  и - коэффициенты, учитывающие укорочение шага обмотки , по рисунку 2.1, г.

 

2.9 Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния статора

 

,                   (2.13)

 

где - коэффициент дифференциального рассеяния, определяется по таблице 1;

      - коэффициент, учитывающий влияние открытия паза.

 

 

 

Таблица 1 - Коэффициент дифференциального рассеяния

 

q1

Коэффициент

Однослойная обмотка с диаметральным шагом

Двухслойная обмотка с укороченным шагом

1,5

-

0,0470

2,0

0,0285

0,0235

2,5

-

0,0180

3,0

0,0141

0,0111

4,0

0,0089

0,0062

5,0

0,065

0,0043

6,0

0,0052

0,0030

8,0

-

0,0021

 

2.10 Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора:

                       .                                  (2.14)

2.11 Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора

 

.                                         (2.15)

2.12 Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора (Ом):

 

.                           (2.16)

 

2.13 Индуктивное сопротивление в относительных единицах

 

.                                        (2.17)

 

 Сопротивление обмотки ротора

 

2.14 Среднее значение зубцового деления ротора (м):

 

.                                    (2.18)

 

2.15 Средняя ширина катушки обмотки ротора (м):

,

где - для петлевой обмотки,  средний шаг обмотки ротора;

         - для стержневой волновой.

2.16 Средняя длина лобовой части катушки (м):

,        (2.19)

   

где  - двухсторонняя толщина изоляции паза ротора (мм).

 

2.17 Средняя длина витка обмотки ротора (м):

.                                         (2.20)

2.18 Вылет лобовой части обмотки ротора (м):

.                                             (2.21)

2.19 Активное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом)

.                               (2.22)

2.20 Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора

.                               (2.23)

2.21 Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к статору (Ом):

,                                         (2.24)

то же в относительных единицах

.                                    (2.25)

2.22 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора

при трапецеидальном пазе (см. рисунок 2.2, а)

 

     ,             (2.26)

 

при прямоугольном пазе (см. рисунок 2.2, б)

 

     ,          (2.27)

 

где коэффициенты, учитывающие укорочение шага  обмотки,    по рисунку 2.1, г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.23 Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния ротора

 

,                            (2.28)

 где       ;                                                                       

      по таблице 2.

 

2.24 Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки ротора

.                                 (2.29)

  Таблица 2 – Коэффициент дифференциального рассеяния

q2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

kД2

0,018

0,011

0,008

0,006

0,005

0,0043

0,0036

0,003

 

2.25 Коэффициент проводимости рассеяния обмоток ротора

 

.                                     (2.30)

2.26 Индуктивное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом):

.                                    (2.31)

2.27 Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора (Ом)

.                                             (2.32)

2.28 Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора (о.е.)

 .                                         (2.33)

 

3 Потери в стали, механические и добавочные потери

 

Потери в стали (магнитные потери) и механические не зависят от нагрузки, поэтому они называются постоянными потерями и могут быть определены до расчета рабочих характеристик.

 

3.1 Расчетная масса стали зубцов статора при трапецеидальных пазах (кг):

,                                    (3.1)

то же при прямоугольных пазах

 

,                                   (3.2)

 

 

3.2 Магнитные потери в зубцах статора (Вт):

а) для стали 2013

;                                                (3.3)

б) для стали 2312

.                                                (3.4)

(для трапецеидальных пазов - ,

для прямоугольных - ).

 

 

3.3 Масса стали ярма статора

.                                 (3.5)

 

3.4 Магнитные потери в ярме статора (Вт):

а) для стали 2013

;                                                  (3.6)

 

б) для стали 2312

.                                                 (3.7)

 

3.5 Суммарные магнитные потери в сердечнике статора, включающие добавочные потери в стали (Вт):

.                     (3.8)

 

3.6 Механические потери (Вт) при степени защиты IP23, при радиальной системе вентиляции без радиальных каналов, при способе охлаждения 1COI

,                                   (3.9)

 

с радиальными каналами

                        ,                      (3.10)

 

при степени защиты IP44 и способе охлаждения ICO141

 

.

 

3.7 Дополнительные потери (Вт) при номинальной нагрузке (под дополнительными потерями понимаются потери, возникающие от вытеснения тока в проводниках, от потока рассеяния и т.д.) определяются по эмпирической формуле:

.

 

 4 Рабочие характеристики асинхронного двигателя

 

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости

.

Рабочие характеристики могут быть рассчитаны аналитическим методом на основе данных Г- образной схемы замещения асинхронного двигателя (см. рисунок 4.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопротивление взаимной индукции обмоток статора и ротора (Ом):

.                                                     (4.1)

4.2 Коэффициент приведения параметров Т-образной схемы замещения к Г- образной

.                                                  (4.2)

4.3 Активная составляющая тока холостого хода при S=0

.                                           (4.3)

4.4 Реактивная составляющая тока холостого хода при S=0

.                                                          (4.4)

4.5 Дальнейшие формулы для расчета рабочих характеристик сведены в таблицу 3.

Расчет производится для ряда скольжений

                                     ,                               (4.5)

где    при этом номинальное скольжение  .

Таблица 3 - Расчет рабочих характеристик

Расчетная формула

Едини-цы

Скольжение S

1

Ом

 

 

 

 

 

 

2

Ом

 

 

 

 

 

 

3

Ом

 

 

 

 

 

 

4

Ом

 

 

 

 

 

 

5

А

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

8

А

 

 

 

 

 

 

9

А

 

 

 

 

 

 

10

А

 

 

 

 

 

 

11

А

 

 

 

 

 

 

12

кВт

 

 

 

 

 

 

13

Вт

 

 

 

 

 

 

14

Вт

 

 

 

 

 

 

15

Вт

 

 

 

 

 

 

16

кВт

 

 

 

 

 

 

17

кВт

 

 

 

 

 

 

18

-

 

 

 

 

 

 

19

 

 

 

 

 

 

 

20

об/мин

 

 

 

 

 

 

21

Н·м

 

 

 

 

 

 

 

4.6 По результатам расчетов, выполненных согласно таблице 3, производиться построение рабочих характеристик асинхронного двигателя (см. рисунок 4.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.2 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя

 

4.7 После построения рабочих характеристик на оси абсцисс откладывается номинальная мощность (точка А), через точку А проводится параллельно оси ординат линия АВ, точками пересечения линии АВ с кривыми рабочих характеристик и определяются номинальные значения потребляемой мощности , тока , вращающего момента , коэффициента мощности , коэффициента полезного действия, скорости вращения ротора   и скольжения .

4.8 Скольжение, соответствующее максимальному моменту

 

.                                                   (4.6)

 

4.9 Перегрузочная способность асинхронного двигателя

 

,                        (4.7)

 

где  

                          .                                              (4.8)

 

После построения рабочих характеристик и после определения перегрузочной способности,  курсовой проект заканчивается.

 

Приложение А

 

Таблица А. 1- Кривая намагничивания для зубцов асинхронных двигателей. Сталь 2013

В, Тл

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

Н,

0,4

124

127

130

133

136

138

141

144

146

150

0,5

154

157

160

164

167

171

174

177

180

184

0,6

188

191

194

198

201

205

208

212

216

220

0,7

223

226

229

233

236

240

243

247

250

253

0,8

256

259

262

265

268

271

274

277

280

283

0,9

286

290

293

297

301

304

308

312

316

320

1,0

324

329

333

338

342

346

350

355

360

365

1,1

370

375

380

385

391

396

401

406

411

417

1,2

424

430

436

442

448

455

461

476

473

479

1,3

486

495

504

514

524

533

536

547

584

585

1,4

586

598

610

622

634

646

658

670

683

696

1,5

709

722

735

749

736

777

791

805

820

835

1,6

850

878

906

934

962

990

1020

1050

    1080

1110

1,7

1150

1180

1220

1250

1290

1330

1360

1400

1440

1480

1,8

1520

1570

1620

1670

1720

1770

1830

1890

1950

2010

1,9

2070

2160

2250

2340

2430

2520

2640

2760

2890

3020

2,0

3150

3320

3500

3680

3860

4040

4260

4480

4700

4920

2,1

5140

5440

5740

6050

6360

6670

7120

7570

8020

8470

2,2

8920

9430

9940

10460

10980

11500

12000

12600

13200

13800

2,3

14400

15100

15800

16500

17200

18000

18800

19600

20500

21400


Таблица А. 2- Кривая намагничивания для зубцов асинхронных двигателей.Стали 2211 и 2312

В, Тл

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

Н,

0,4

140

143

146

149

152

155

158

161

164

171

0,5

174

177

180

184

186

190

192

196

198

202

0,6

204

209

213

216

221

224

229

233

237

241

0,7

245

249

253

257

262

267

272

277

282

287

0,8

292

297

302

306

311

316

322

326

331

337

0,9

342

347

353

360

366

372

379

384

390

396

Подпись: 191,0

403

409

417

425

433

440

450

460

470

477

1,1

488

497

509

517

527

537

547

559

570

582

1,2

593

608

613

626

638

651

663

677

695

710

1,3

724

738

755

770

790

804

820

840

857

879

1,4

897

917

986

955

977

1000

1020

1040

1060

1090

1,5

1120

1150

1170

1210

1240

1270

1310

1330

1370

1410

1,6

1450

1490

1530

1560

1610

1650

1690

1780

1790

1840

1,7

1900

1840

2000

2070

2140

2220

2300

2380

2500

2600

1,8

2700

2800

2920

3060

3220

3330

3490

3610

3710

4000

1,9

4160

4350

4600

4800

5030

5330

5430

5790

6130

6420

2,0

6750

7170

7400

7790

8150

8520

9000

9400

9750

10200

2,1

10600

11000

11500

12100

12600

13000

13500

14100

14700

15400

2,2

15900

16500

17300

17400

17800

18500

19100

19600

20300

21100

2,3

23100

24300

2550

26800

28100

29500

30900

32400

33900

36400

 


Приложение Б 

          Таблица Б. 1 – Кривая намагничивания для ярма асинхронных двигателей. Сталь 2013

В, Тл

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

Н,

0,4

52

53

54

55

56

58

59

60

61

62

0,5

64

65

66

67

69

71

72

74

76

78

0,6

80

81

83

85

87

89

91

93

95

97

0,7

100

102

104

106

108

111

113

115

118

121

0,8

124

126

129

132

135

138

140

143

146

149

Подпись: 200,9

152

155

158

161

164

168

171

174

177

181

1,0

185

188

191

195

199

203

206

209

213

217

1,1

221

225

229

233

237

241

245

249

253

257

1,2

262

267

272

277

283

289

295

301

307

313

1,3

320

327

334

341

349

357

365

373

382

391

1,4

400

410

420

430

440

450

464

478

492

506

1,5

520

542

564

586

608

630

654

678

702

726

1,6

750

788

826

864

902

940

982

1020

1070

1110

1,7

1150

1220

1290

1360

1430

1500

1600

1700

1800

1900

1,8

2000

2160

2320

2490

2650

2810

2960

3110

3270

3420

1,9

3570

3800

4030

4260

4490

4720

4930

5140

5350

5560

2,0

5770

6000

6300

6600

7000

7400

7900

8400

9000

9700

 

          Таблица Б. 2 - Кривая намагничивания для ярма асинхронных двигателей. Стали 2211 и 2312

В, Тл

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

Н,

0,4

89

91

93

94

96

98

100

102

104

106

0,5

108

110

113

115

118

120

122

124

126

128

0,6

131

134

136

139

141

144

147

150

153

156

0,7

159

162

166

169

172

176

180

183

186

190

0,8

194

198

201

204

208

212

216

220

223

227

0,9

231

235

239

243

248

252

255

260

265

269

Подпись: 211,0

274

279

284

289

295

300

306

311

318

323

1,1

332

338

344

351

357

367

374

382

390

398

1,2

410

418

426

435

444

455

466

475

487

498

1,3

509

521

533

546

558

572

585

600

618

635

1,4

656

675

696

717

740

763

789

815

843

870

1,5

905

934

965

1000

1040

1090

1120

1190

1240

1290

1,6

1370

144

1520

1590

16610

1720

1820

1910

2010

2110

1,7

2180

2310

2410

2550

2610

2720

2840

2980

3130

3290

1,8

3460

3630

3800

3970

4140

4310

4490

4670

4850

5400

1,9

5220

5600

6000

6400

6900

7400

7900

8500

9100

9700

2,0

10400

11100

11800

12500

13300

14100

14900

15800

16700

17600

 


Список литературы

1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. – М.: Энергия,  2002.

2. Копылов И.П. Электрические машины. – М.: Высшая школа, Логос, 2000. – 607с.

3. Лихачев В.А. Электродвигатели асинхронные. – М.: 2002.

4. Кацман М.М. Расчет и конструирование электрических машин. – М.: Энергоатомиздат, 1984.

5. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. – М.: Высшая школа, 1984.

6. Кравчук А.Э., Шлаф М.М., Афонин Е.И., Соболевская Е.А. Справочник. Асинхронные двигатели серии 4А. – М.: Энергоиздат, 1982.

7. Государственные стандарты на электрические машины.

8. Жерве Г.К. Расчет асинхронного двигателя при перемотке. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1980.

9. Рубо Л.Г. Пересчет и ремонт асинхронных двигателей мощностью до 160 кВт. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1970.

10 Шидерова Р.М., Бестерекова А.Н Асинхронные двигатели с фазным ротором (Расчет геометрических размеров и обмоток).- Алматы.: АУЭС, 2011г.

Содержание

1

Введение

3

2

Расчет магнитной цепи

4

3

Активные и индуктивные сопротивления обмотки статора и ротора

6

 4

Потери в стали, механические и добавочные потери

13

5

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

15

6

Приложения

19

 

Список литературы

22