Расчет и проектирование судового асинхронного электродвигателя

Министерство транспорта Российской Федерации

Государственная Морская Академия имени адмирала С.О. Макарова

Кафедра ЭДАС

Вариант № 10

Задание на курсовое проектирование по дисциплине:

“Судовые электрические машины”

Рассчитать и спроектировать судовой асинхронный двигатель по следующим данным:

1.   Номинальная мощность:

2.   Номинальная частота вращения (синхронная): =1500 об/мин

3.   Схема статора: “звезда”;

4.   Номинальное напряжение питания:

5.   Исполнение: брызгозащищенная;

6.   Исполнение ротора: короткозамкнутый;

7.   Частота сети

Выполнил: к-т гр. Э-332

Попаденко Н.С.

Проверил:

Сюбаев М.А.

Санкт-Петербург

2005

1.Электромагнитный расчет и определение основных размеров двигателя

Определение размеров двигателя

При заданной номинальной мощности  

Задаемся предварительными значениями КПД

Определяем фазный ток статора по выражению:

 - номинальная мощность машины, кВт.

Определяем расчетную (внутреннюю) мощность двигателя по выражению:

Зная расчетную мощность и число пар полюсов, по графику  устанавливаем предварительное значение диаметра расточки статора

Далее определяем окружную скорость ротора:

В результате имеем предварительное значение

Расчет обмотки статора

Определяем магнитный поток машины:

 

 м;

 Вб;

Находим предварительно число последовательно соединенных витков фазы статора:

Задаемся числом пазов на полюс и фазу

Предварительное значение числа последовательно соединенных проводников в пазу:

Округляем до ближайшего целого четного числа

Окончательное число последовательно соединенных витков фазы статора

Для полученного значения  определяем значение магнитного потока:

 Вб.

Линейная нагрузка для

Машинная постоянная Арнольда:

Для диаметра расточки статора  окончательно определим значения:

Длина статора :    см;

Конструктивная длина статора:  см;

Аксиальная длина чистой стали статора: 

Определяем внешний диаметр магнитопровода статора по формуле:

 см;

Найдем ближайший меньший нормализованный диаметр статора: 

Установим вид паза – прямоугольный. Задаемся высотой паза

Находим высоту сердечника статора:

сечение сердечника статора:

Определяем магнитную индукцию в сердечнике статора:

  Соблюдено условие

Выбор воздушного зазора

Для машин с мощностью

 

Диаметр ротора:

Определяем число пазов статора:

Расчетное значение провода статорной обмотки:

 

Пусть

 - округляем до ближайшего стандартного значения

Выбираем размеры:

высота  - для прямоугольной меди;

Для проверки правильности расчетов определим коэффициент заполнения паза:

 - площадь сечения паза,

при прямоугольном пазе

В качестве обмотки статора применим двухслойную укороченную обмотку.

Определяем элементы обмотки:

шаг секции по пазам:

шаг по пазам между началами фаз k=0,1,2,3…

k=2

полюсное деление в шагах по пазам:

коэффициент распределения обмотки:

коэффициент укорочения обмотки:

Обмоточный коэффициент:

Расчет обмотки ротора

Число пазов ротора выбираем в определенной зависимости от числа пазов статора

Определяем ток фазы ротора, т.е ток стержня:

Для обмотки типа “беличья клетка”:

 А;

Сечение стержня ротора:

   - плотность тока в медных стержнях;

Ток в короткозамыкающем кольце:

Сечение короткозамыкающего кольца:

 

Размеры короткозамыкающего кольца:

Расчет магнитной цепи

Зубцовый шаг на расточке статора:

Ширина зубца статора на расточке:

 - ширина щели прямоугольного паза статора;

МДС зубцового слоя статора:

 - расчетная высота зубца в радиальном направлении;

 - расчетная напряженность поля;

Для прямоугольных пазов принимается:

Зубцовый шаг статора на 1/3 высоты:

 Ширина зубца статора на 1/3 высоты зубца:

Напряженность  определим по кривым намагничивания стали, зная величину индукции в этом сечении:

МДС зубцового слоя статора:

МДС сердечника статора:

  где  - напряженность магнитного поля в сердечнике статора, определяемая по кривым намагничивания на основе полученного ранее значения магнитной индукции

 - средняя длина магнитной цепи статора:

МДС зубцового слоя ротора:

Зубцовые шаги ротора по трем сечениям:

Ширина зубца ротора по трем сечениям:

Ширина зубца ротора на расточке:

Магнитная индукция в зубцах ротора по трем сечениям:

Магнитная индукция в зубцах не должна превышать 1,9 Тл.

По кривым намагничивания на основании рассчитанных индукций находятся напряженности магнитного поля по трем сечениям зубца:

             

Средняя напряженность магнитного поля в зубцах ротора:

Сечение сердечника ротора:

Высота сердечника ротора:

МДС сердечника ротора:

 определяется по кривой намагничивания, задавшись магнитной индукцией в сердечнике ротора:     

МДС воздушного зазора:

полная МДС магнитной цепи на пару полюсов:

Коэффициент насыщения двигателя:

Определение сопротивлений обмоток двигателя

Определение активных сопротивлений

Активное сопротивление фазы статорной обмотки при 75

Омическое сопротивление одной фазы при 15

 - расчетное значение провода статорной обмотки;

      - длина лобовой части,  

 Ом;

 Ом;

Активное сопротивление стержня при 75

Удельное сопротивление для медных стержней

Активное сопротивление двух колец, приведенное к сопротивлению стержня:

 - удельное сопротивление кольца;

 Ом;

Активное сопротивление ротора

Приведенное к статору активное сопротивление обмотки ротора:

Определение индуктивных сопротивлений

Индуктивное сопротивление обмотки статора

Пазовая магнитная проводимость открытого паза:

Магнитная проводимость дифференциального рассеяния для открытого паза:

Магнитная проводимость рассеяния лобовых частей:

Полная магнитная проводимость рассеяния обмотки статора:

Индуктивное сопротивление обмотки статора:

Индуктивное сопротивление обмотки типа “беличья клетка”:

Пазовая магнитная проводимость для круглого стержня:

Магнитная проводимость дифференциального рассеяния:

Магнитная проводимость рассеяния лобовых частей при кольцах, прилегающих к стали ротора:

 - соответственно толщина и ширина сечения короткозамыкающего кольца.

Полная магнитная проводимость рассеяния ротора:

Приведенное к статору индуктивное сопротивление ротора:

2. Расчет параметров и характеристик двигателя.

Ток холостого хода

Фазная индуктивная составляющая тока холостого хода:

Потери в стали статора состоят из потерь в сердечнике статора и зубцах:

Для электротехнической стали Э11 с толщиной листов 0,5 мм удельные потери

Масса сердечника статора:

 - плотность электротехнической стали.

Масса зубцов статора:

Поверхностные потери статора, Вт:2:

Поверхностные потери ротора, Вт:

2:

Суммарные поверхностные потери:

Пульсационные потери в статоре, Вт:

Пульсационные потери в роторе:

Амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубца ротора:

 Тл, где

Масса зубцов ротора:

Суммарные пульсационные потери:

Механические потери:

Ориентировочно механические потери

Электрические потери в обмотке статора при холостом ходе:

Намагничивающий ток:

Суммарные потери в асинхронном двигателе при холостом ходе:

Активная составляющая тока холостого хода:

Ток холостого хода (фазный):

Кратность тока холостого хода:

Коэффициент мощности при холостом ходе:

Пусковые характеристики:

Индуктивное сопротивление холостого хода:

Комплексный коэффициент:

Параметры короткого замыкания:

активное сопротивление:

индуктивное сопротивление:

полное сопротивление:

Приведенный ток короткого замыкания ротора:

Ток короткого замыкания статора 

Коэффициент мощности при коротком замыкании:

Кратность тока короткого замыкания должна составлять:

Кратность пускового вращающего момента:

Номинальное скольжение:

Для судовых двигателей начальный (пусковой) момент должен быть не ниже 0,9 номинального момента:

3.Тепловой расчет

Удельные тепловые нагрузки в статоре:

от потерь в стали

от потерь в меди статора:

от изоляции:

 - периметр паза статора.

Превышение температуры над входящим воздухом:

а) стали статора:

 - окружная скорость вентилятора.

б) лобовых частей обмотки:

в) в изоляции статорной обмотки:

Среднее превышение температуры статорной обмотки:

Превышение температуры обмоток асинхронных двигателей морского исполнения не должно быть более: 75  для класса изоляции В.

Расчет рабочих характеристик двигателя:

При расчете будем применять аналитический метод. Задаемся 6-ю значениями скольжения S в пределах номинального скольжения (0,2…1,3)

Само номинальное скольжение:

В таблице:  - реактивная составляющая тока статора;  - электрические потери в статоре;  - электрические потери в роторе;  - суммарные потери в стали;  - активная мощность при номинальной нагрузке;  - комплексный коэффициент;  - фазное напряжение.

№ п/п

Скольжение

0,005

0,01

0,015

0,02

0,0235

0,025

1

13,67

6,8897

4,6293

3,4991

2,994

2,821

2

0,3416

0,3416

0,3416

0,3416

0,3416

0,3416

3

13,674

6,898

4,64189

3,51575

3,0134

2,8416

4

0,999

0,99879

0,99728

0,99526

0,99356

0,99275

5

0,02498

0,0495

0,07359

0,09716

0,11336

0,1202

6

16,32

32,35

48,0768

63,4766

74,0585

78,536

7

16,073

31,855

47,2655

62,2789

72,537

76,8598

8

22,732

23,9087

25,8177

28,4098

30,606

31,636

9

27,84

39,829

53,857

68,4527

78,7295

83,116

10

0,577

0,7998

0,8776

0,9098

0,92134

0,92473

11

10,608

21,0243

31,195

41,104

47,8744

50,7275

12

0,2488

0,5092

0,93108

1,054

1,98966

2,21755

13

0,0526

0,20689

0,45696

0,7965

1,0843

1,21939

14

1,337

1,337

1,337

1,337

1,337

1,337

15

0,0303

0,06208

0,1135

0,18339

0.24259

0,27038

16

1,6687

2,11517

2,83854

3,82098

4,65355

5,04432

17

0,8426

0,8994

0,909

0,90704

0,90279

0,90056

18

8,939

18,909

28,3564

37,2830

43,22

45,683

19

1492,5

1485

1477,5

1470

1464,75

1462,5

20

0,057

0,12

0,18

0,24

0,28

0,299

Максимальный момент:

Критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту:

Участок зависимости  рассчитаем по формуле Клосса:

Для построения графика зависимости  расчеты удобно свести в таблицу:

M, кНм

0,057

0,12

0,18

0,24

0,28

0,299

0,45

0,39

0,33

0,29

0,23

0,188

S

0,005

0,01

0,015

0,02

0,0235

0,025

0,3

0,4

0,5

0,6

0,8

1

n

1492

1485

1477

1470

1464

1462

1050

900

750

600

300

0