Реферат: Расчет обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя при наличии магнитопровода с применением ЭВМ

Реферат: Расчет обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя при наличии магнитопровода с применением ЭВМ

Белорусский Государственный Аграрный Технический

Университет

Кафедра электроснабжения сельского хозяйства

РЕФЕРАТ

“РАСЧЕТ ОБМОТКИ СТАТОРА ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО

ДВИГАТЕЛЯ ПРИ НАЛИЧИИ МАГНИТОПРОВОДА”

С применением ЭВМ

Исполнитель:  Студент III курса 17эл группы

Чистяков П.В.

Руководитель: Апетёнок  В.М.

Минск 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Задание к курсовому проекту

2 Подготовка данных обмера магнитопровода

3 Выбор типа обмотки

4 Расчёт обмоточных данных

5 Расчёт оптимального числа витков в обмотке одной фазы

6 Расчёт числа витков в одной секции

7 Выбор изоляции паза и лобовых частей обмотки

8 Выбор марки и расчёт сечения обмоточного провода

9 Расчёт размеров секции (длины витка)

10 Расчёт массы обмотки

11 Электрическое сопротивление обмотки одной фазы постоянному току в холодном состоянии

12 Расчёт номинальных данных

13 Задание обмотчику

14 Расчёт однослойной обмотки

Вывод

Литература

Аннотация

ВВЕДЕНИЕ

Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов, используемых во всех отраслях народного хозяйства.

Асинхронные двигатели общего назначения мощностью от 0,06 до      400 кВт напряжением до 1000 В – наиболее широко применяемые электрические машины. В народнохозяйственном парке электродвигателей они составляют по количеству 90%, по мощности – примерно 55%. Потребность, а, следовательно, и производство асинхронных двигателей на напряжение до 1000 В в РБ растёт из года в год.

Асинхронные двигатели потребляют более 40% вырабатываемой в РБ электроэнергии, на их изготовление расходуется большое количество дефицитных материалов: обмоточной меди, электротехнической стали и др., а затраты на обслуживание всего установленного оборудования уменьшаются. Поэтому создание серий высокоэкономичных и надёжных АД являются важнейшими задачами, а правильный выбор двигателей их эксплуатацией и высококачественный ремонт играют роль в экономии материальных и трудовых ресурсов.

Сроки жизни электрооборудования довольно длительные (до 20 лет). За этот срок в процессе эксплуатации одни из элементов электрооборудования (изоляция) стареют, другие (подшипники) изнашиваются.

Процессы старения и износа выводят электродвигатель из строя. Эти процессы зависят от многих факторов: условий и режима работы, технического обслуживания и т.д. Одна из причин выхода электрооборудования из строя аварийные режимы: перегрузка рабочей части машины, попадание в рабочую машину посторонних предметов, неполнофазные режимы работы  и т.п.

Электрооборудование, вышедшее из строя, восстанавливают. Особенность ремонта в том, что до ремонта двигатель рассчитывают. Это необходимо для проверки соответствия имеющихся обмоточных данных электродвигателя каталожными.

Полученные данные сравниваются с каталожными. Только в случае полного совпадения всех необходимых величин или при малых расхождениях между ними можно приступать к ремонту электродвигателя.

1 Задание к курсовому проекту

Таблица 1. Исходные данные к проекту.

Размеры магнитопровода и его паза:

D – Внутренний диаметр сердечника статора, мм.

Da – Внешний диаметр сердечника статора, мм.

l – полная длина сердечника статора, мм.

Z– число пазов, шт.

b – большой размер ширины паза, мм.

b' – меньший размер ширины паза, мм.

bш – ширина шлица паза, мм.

h – полная высота паза, мм.

e – высота усика паза, мм.

δ – толщина листов стали, мм, и род изоляции даны цифрами.

Технические условия заказчика:

n – частота вращения магнитного поля статора, мин-1.

Uф – фазное напряжение обмотки статора, В.

U/Δ – схема соединения обмоток фаз, звезда/треугольник.

f – частота тока, Гц.

2 Подготовка данных обмера магнитопровода

Подготовка данных обмера магнитопровода проводится для удобства выполнения последующих расчётов и включает в себя расчёт:

а) площади полюса в воздушном зазоре (Qd),

б) площади полюса в зубцовой зоне статора (Qz),

в) площади поперечного сечения спинки статора (Qc),

г) площади паза в свету (Qп), мм2.

Первые три площади необходимы для расчёта магнитных нагрузок, последняя для расчёта сечения обмоточного провода.

1. Площадь полюса в воздушном зазоре.

В воздушном зазоре сопротивление магнитному потоку по всей площади равномерное:

 (м2)

где lp – расчётная длина магнитопровода, м

t - полюсное деление

 (м)

 (м)

 где nк – число каналов охлаждения

lк – длина канала охлаждения

р – количество пар полюсов

 (шт)

;

;

м2

2. Площадь полюса в зубцовой зоне.

В зубцовой зоне статора магнитный поток протекает по листам электротехнической стали, следовательно, площадь полюса будет равна произведению активной площади зубца на их количество в полюсе:

 (м2)

где Nz – количество зубцов на один полюс, шт

Q1z – площадь одного зуба, м2

 (шт)

 (м2)

где la – активная длина зуба

bz – средняя ширина зуба

м

 (м)

где Кз – коэффициент заполнения стали, зависит от толщины листа электротехнической стали и рода изоляции

b’z – меньший размер зуба

b’’z – больший размер зуба

 ширина зуба в узком месте

 (м)

 (м)

м

м

; м2; м2

3. Площадь магнитопровода в  спинке статора.

Площадь спинки статора, перпендикулярная магнитному потоку, равна произведению её высоты на активную длину магнитопровода:

 (м2)

где hс – высота спинки статора

 (м2)

м; м2

4. Площадь паза в свету.

Площадь паза в свету требуется для расчёта сечения обмоточного провода. Для определения площади паза его сечение разбивается осевыми линиями на простые фигуры:

 (мм2)

где Qb, Qb’ – площади полуокружностей с диаметрами, соответственно b и b’

QТ – где основания b и b’, а высота:

(мм)

 (мм2);  (мм2); (мм2)

мм2; мм2; мм2

мм2

3 Выбор типа обмотки

Выбор делается исходя из:

-            технические возможности выполнения обмотки в данных условиях;

-            минимального расхода обмоточного провода;

-            номинальных мощности и напряжения;

-            типа паза;

-            достоинств и недостатков обмоток;

-            экономической целесообразности.

Схема статорных обмоток трёхфазных электрических машин разделяют:

-            по числу активных сторон секций в пазу на однослойные (у которых активная сторона одной катушки занимает весь паз) и двухслойные (активная сторона занимает половину паза),

-            по размеру шага на обмотки с полным шагом (при y=y’) и с укороченным шагом (при y<y’),

-            по частоте вращения магнитного поля статора на  односкоростные  и многоскоростные,

-            по числу секций в катушечных группах (фазных катушек) на обмотки с  одинаковым числом секций в группе (q равно целому числу) и равным (q равно дробному числу).

По способу выполнения обмоток их ещё разделяют на:

-            шаблонно рассыпные (или всыпные), они же называются обмотками с мягкими секциями. У таких обмоток секции укладываются по одному проводнику через прорезь (шлиц) полузакрытого паза. Применяется для машин малой мощности, напряжением до 500 В;

-            протяжные, выполняются протяжкой провода через пазы, используются для машин напряжением до 10000 В при закрытых или полузакрытых пазах. Способ укладки обмоток трудоёмок. В настоящее время используются в основном при частичном ремонте обмоток.

-            обмотки с жёсткими секциями, готовые, изолированные секции, несущие на активных частях пазовую изоляцию, укладываются в открытые пазы. Используются для машин средней и большой мощности с напряжением до 5000 – 10000 В и более.

По способу размещения секций катушечных групп  в расточке статора, а так же размещения лобовых частей подразделяются на:

концентрические, с размещением катушек (секций) одна внутри другой и расположением лобовых частей в двух или трёх плоскостях, такие обмотки выполняются вразвалку;

шаблонные,  с одинаковыми секциями катушечных групп. Они могут выполняться и простыми и вразвалку. Если в шаблонной однослойной обмотке развалку выполнить не по полугруппам, а по отдельным катушкам получим схему цепной обмотки.

Однослойные обмотки главным образом выполняются простыми шаблонами, шаблонными в «развалку», цепными, концентрическими.

Основные достоинства однослойной обмотки:

1.         Отсутствие межслоевой изоляции, что повышает коэффициент заполнения паза, а следовательно, ток и мощность двигателя.

2.         Простота изготовления.

3.         Большая возможность применения автоматизации при укладке обмоток.

Недостатки:

1.         Повышенный расход проводникового материала.

2.         Сложность укорочения шага, а следовательно, компенсации высших гармоник магнитного потока.

3.         Ограничение возможности построения обмоток дробным числом пазов на полюс и фазу.

4.         Более трудоёмкое изготовление и монтаж катушек для крупных электродвигателей высокого напряжения.

Двухслойные обмотки  в основном выполняются с одинаковыми секциями: петлевые и цепные, реже принимают концентрические.

Основные достоинства двухслойной обмотки по сравнению с однослойной:

1.         Возможность любого укорочения шага, что позволяет:

а) снизить расход обмоточного провода за счет уменьшения длины лобовой части секции;

б) уменьшить высшие гармонические составляющие магнитного потока, то есть снизить потери в магнитопроводе двигателя.

2.         Простота технологического процесса изготовления катушек (многие операции можно механизировать).

3.         Возможность выполнения обмотки почти с любой дробностью q, что обеспечивает изготовление обмотки при ремонте асинхронных двигателей с изменением частоты вращения ротора. Кроме того, это является одним из способов приближения формы поля к синусоиде.

4.         Возможность образования большего числа параллельных ветвей.

К недостаткам двухслойных обмоток следует отнести:

1.         Меньший коэффициент заполнения паза (вследствие  наличия межслоевой изоляции).

2.         Некоторая сложность при укладке последних секций обмотки.

3.         необходимость поднимать целый шаг обмотки при повреждении нижней стороны секции.

По приведенным соображениям, в настоящее время, в ремонтной практике машин переменного тока двухслойные обмотки получили наибольшее применение. Следовательно выбираем двухслойную петлевую обмотку.

4 Расчёт обмоточных данных

Обмотка асинхронного двигателя, размещённая в магнитопроводе его статора состоит из трёх самостоятельных фазных обмоток (А, В, С). Обмотка трёхфазной машины переменного тока характеризуется следующими обмоточными данными:

у – шаг обмотки;

q – число пазов на полюс и фазу (равно числу секций в катушечной группе);

N – число катушечных групп;

a - число электрических градусов, приходящихся на один паз;

а – число параллельных ветвей.

1. Шаг обмотки

Шаг обмотки (у) – это расстояние выраженное в зубцах (или пазах), между активными сторонами одной и той же секции:

где y’ - расчётный шаг (равен полюсному делению, выраженному в зубцах);

x - произвольное число меньше единицы, доводящая расчётный шаг (y’) до целого числа.

На практике принято шаг определять в пазах, поэтому при раскладке вторая сторона секции ложится в паз у+1.

Двухслойные обмотки выполняют с укорочением шага.

у=у’×Ку

где Ку – коэффициент укорочения шага обмотки

На практике и расчётами установлено, что наиболее благоприятная кривая изменения магнитного потока получается при укорочении диаметрального (расчётного) шага на Ку=0,8:

у=0,8×9=7,2 принимаем у=7

2. Число пазов на полюс и фазу.

Число пазов на полюс и фазу (q) определяет число секций в катушечной группе:

где m - число фаз

Каждая катушка обмотки участвует в создании двух полюсов, так как активные проводники одной её стороны имеют одно направление тока, а другие - противоположные.

При q>1, обмотка называется рассредоточенной, при этом фазные катушки должны быть разделены на секции, число которых равно q.

3. Число катушечных групп

В двухслойных обмотках число катушечных групп механически увеличивается в два раза, однако по сравнению с однослойной обмоткой с числом витков в каждой секции меньшим в два раза, тогда:

2×2=4

где N1ф(2) - число катушечных групп в одной фазе двухслойной обмотке. Так как каждую пару полюсов создают все три фазы переменного тока, следовательно:

4. Число электрических градусов на один паз

В расточке статора асинхронного двигателя одна пара полюсов составляет 3600эл. Это наглядно видно на рисунке 1.

При прохождении проводника под одной парой полюсов в расточке статора полностью за один оборот ЭДС в нём (возникает) изменяется по синусоиде. При этом происходит полный цикл изменения, который составляет 360 электрических градусов (рисунок 1 ).

Число электрических градусов, приходящихся на паз, или угловой сдвиг между рядом лежащими пазами:

5. Число параллельных ветвей

Параллельные ветви в обмотке асинхронного двигателя делаются для сокращения сечения обычного провода, кроме того, это даёт возможность лучше загрузить магнитную систему машины.

При их параллельном подключении число параллельных ветвей в принципе может равняться числу катушечных групп в одной фазе N1ф.

Катушечные группы фазы можно соединить и комбинированно (часть последовательно и часть параллельно), но при этом, в любом случае число катушечных групп в каждой параллельной ветви должно быть одинаковым, а=2.

Число параллельных ветвей вводится тогда, когда необходимо уменьшить сечение провода. Максимальное число параллельных ветвей:

аmax=2×p=2×2=4, принимаем а=1.

6. Принцип построения схемы статорной обмотки трёхфазного асинхронного двигателя

Для получения вращающегося магнитного поля трёхфазного асинхронного двигателя, при любой схеме обмотки, требуется:

1. Смещение в пространстве расточки статора асинхронного двигателя фазных обмоток, одна относительно другой на 1200эл.

2. Смещение во времени токов, протекающих по этим обмоткам,   на  периода.

Первое условие выполняется соответствующей укладкой катушечных групп трёхфазной обмотки, второе – подключением асинхронного двигателя к сети трёхфазного тока.

При построении схемы, обмотка первой фазы может в общем начинаться с любого паза. Поэтому первую активную сторону секции помещаем в первый паз. Вторую активную сторону секции помещаем через семь зубцов в восьмой паз.

Число катушечных групп одной фазы будет четыре.

В однослойной обмотке первая катушечная группа участвует в создании первой пары полюсов, вторая – должна создавать вторую пару полюсов, следовательно, расстояние между ними должно быть равно одной паре полюсов, т. е. 360 электрических градусов.

В отличие от однослойных в двухслойных обмотках катушечные группы одной и той же фазы сдвигаются не на 360 электрических градусов,  а на 180.

Поэтому:

.

Следовательно, вторая катушка фазы «А» начинается с 10-го паза.

Обмотка фаз «В» и «С» выполняется аналогично, но они сдвинуты, соответственно, на 120 и 240 электрических градусов относительно обмотки фазы «А», т. е. В пазах это будет:

;

5 Расчёт оптимального числа витков в обмотке одной фазы

Рис. 2. а) Схема замещения обмотки асинхронного двигателя;

б) Векторная диаграмма асинхронного двигателя.

При подаче напряжения Uф на обмотку, по ней потечёт ток холостого хода (рис. 2). Так как  напряжение изменяется по синусоидальному закону, ток будет переменным. В свою очередь создаст в магнитной системе машины магнитный поток Ф, который также будет переменный.

Переменный магнитный поток Ф индуцируется в витках обмотки, которая его создала ЭДС (ЕФ), направленную встречно преложенному напряжению (закон электромагнитной индукции).

ЭДС фазной обмотки ЕФ будет слагаться из суммы ЭДС отдельных витков E1в

Еф=å E1в или Еф= E1в×Wф

где  Wф - количество витков в обмотке одной фазы.

Кроме того, ток Iхх создаёт на активном и реактивном сопротивлении обмотки падение напряжения DU .

Таким образом, приложенное к обмотке напряжение Uф уравновешивается ЭДС ЕФ и падение напряжение в обмотке DU. Всё это в векторной форме приведено в упрощённой векторной диаграмме (рисунок 2).

Из изложенного и векторной диаграммы следует, что

Падение напряжения составляет 2,5…4% от Uф  то есть  в среднем около 3%, без ущерба для точности расчёта можно принимать:

Еф=0,97× Uф;

где Еф – ЭДС обмотки фазы, В

Uф - фазное напряжение, В

Тогда

Мгновенное значение ЭДС одного витка:

где t - время, с

Магнитный поток изменяется по закону:

Ф=Фм×sin×w×t,

где Фм - амплитудное значение магнитного потока, Вб;

w - угловая частота вращения поля;

Тогда   

Максимальное значение ЭДС одного витка будет,когда , тогда (так как):

.

Действующее значение отличается  от максимального на .

Так как обмотка рассредоточена, то часть магнитного потока Ф рассеивается, что учитывает коэффициент распределения Кр :

Практически все двухслойные   обмотки выполняются с укороченным шагом. Это приводит к тому, что  на границах полюсов секциях разных фаз, лежащих в одном пазу, направление токов будет встречное. Следовательно суммарный поток от этих секций будет равен нулю, что уменьшит общий магнитный поток Ф. Это явление учитывает коэффициент укорочения Ку :

Обмоточный коэффициент:

Коб=Кр×Ку=0,96×0,94=0,9

тогда окончательно ЭДС одного витка равно:

Число витков в фазе:

В полученном выражении Uф  и f заданы заказчиком, нужно знать для расчета только Ф. Он под полюсом распределяется равномерно (рисунок 3), однако при равенстве площадей прямоугольника со стороной  Вср и полуокружности с радиусом Вd величина магнитного поля под полюсом будет одинаковой.

Рис. 3. Магнитное поле полюса.

Величина средней магнитной индукции:

(Вб)

где  - коэффициент учитывающий равномерность распределения магнитного потока под полюсом.

Вср – среднее значение магнитной индукции а воздушном зазоре, Тл

Вб – максимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре, Тл

Из таблицы «нормированных электромагнитных нагрузок асинхронных двигателей» для мощности  от 1 до 10 кВт. Принимаем Вб=0,7

Отсюда значение магнитного потока:

Вб

Число витков в фазе:

          шт

Предварительное число витков в фазе 104 шт.

При  делении числа витков фазной обмотки по секциям, необходимо распределить их равномерно, так чтобы число витков во всех секциях обмотки Wсек было одинаковым, такая обмотка называется равносекционной.

Условие равносекционности выполняется исходя из выражения числа активных проводников в пазу:

шт

где а– число параллельных ветвей.

В формуле двойка в числителе показывает, что виток имеет два активных проводника. Чтобы число витков в секциях было одинаковым, необходимо число активных проводников в пазу округлить:

-            при однослойной обмотке до целого значения,

-            при двухслойной – до целого чётного.

Округляем число проводников в пазу до целого чётного и принимаем Nп=18

После округления числа проводников в пазу, уточняем число витков в фазе

шт

Уточняем магнитный поток, так как он зависит от числа витков в фазе

Вб

Уточняем значение магнитных индукций  Вd, Вz, Вc.  

Магнитная индукция в воздушном зазоре:

Тл

Магнитная индукция в зубцовой зоне статора:

Тл

Магнитная индукция в спинке статора:

Тл

Сравниваем их с предельно допустимыми значениями. Все варианты расчёта магнитных индукций сводим в таблицу 2 :

Таблица 2

Нагрузки магнитной цепи при числе витков .