Федеральное агенство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Расчёт асинхронного двигателя при ремонте

Дисциплина: «Электрические машины»

Выполнил студент Томашполь Р. С.

Уч. шифр ­­­­­13-ЭТ-339

Санкт-Петербург 2016

Курсовая работа

Расчёт асинхронного двигателя при ремонте

Исходные данные. Вариант № 40.

По данному варианту из приложения 1 выбираем тяговый электродвигатель (ТЭД) по следующим параметрам:

Число пар полюсов (2р) – 6;

Степень защиты (IP) – 44;

Мощность () – 11 кВт;

Определим синхронную частоту вращения двигателя по формуле:

Где f – частота (50 Гц);

p – число пар полюсов ().

Под эти параметры подходит ТЭД 4А160S6У3, который имеет следующие характеристики:

· Индукция в воздушном зазоре – 0,75 Тл.;

· Линейная нагрузка (А) – 293 А/см;

· Плотность тока в проводнике обмотки(J) – 6,9 А/мм²;

· Номинальный кпд (η_н) при 100% нагрузке - 0,85;

· Cos φ при 100% нагрузке - 0,86;

· Напряжение () – В;

·

· полная длина сердечника статора – 145 мм;

· величина воздушного зазора (δ) – 0,45 мм;

·

Статор:

· Обмотка – однослойная концентрическая;

·

·

· Открытие паза статора - 3,7 мм.;

· Число эффективных проводников в пазу – 46 мм²;

· ;

· – ;

· Сечение элементарного проводника – 1,094 мм²;

· Обмоточный коэффициент – 0,96;

Ротор:

· Открытие паза ротора – 1,5 мм.

По исходным данным выполним расчёт и построение обмотки статора.

Для начала определим полюсное деление по формуле:

Наибольший шаг наружной катушки:

Где q – число катушек в катушечной группе, определяемая по формуле:

Где m – число фаз в машине .

Наименьший шаг внутренней катушки:

Средний шаг обмотки:

Фазная зона:

1. Поверочный расчёт двигателя при неизвестной индукции

в воздушном зазоре, с заменой диаметра провода в большую и меньшую сторону

«Чистая» длина активной стали статора, мм:

Где - полная длина сердечника статора, мм;

- коэффициент заполнения пакета сталью.

Выполним расчёт геометрии зубцовой зоны.

Зубцовое деление статора, мм:

Где – наружный диаметр расточки статора, мм;

- число пазов статора.

Зубцовое деление ротора, мм:

- число пазов ротора,

- величина воздушного зазора, мм.

Расчётная высота ярма статора, мм:

Где - высота зубца статора, мм (см. исходные данные).

Средняя длина силовой линии в ярме статора, мм:

Коэффициент воздушного зазора:

Где , – ширина зубца статора и ротора со стороны воздушного зазора, мм;

и - открытие паза статора и ротора соответственно.

Индукция в воздушном зазоре при известных обмоточных данных и расчётной частоте питающей сети 50 Гц, Тл:

Где p – число пар полюсов, определяемое по синхронной или номинальной частоте вращения;

– номинальное фазное напряжение;

– число параллельных ветвей обмотки статора;

- обмоточный коэффициент статора;

- число эффективных проводников в пазу.

Индукция в зубцах статора, Тл:

Где – ширина зубца статора, мм;

Индукция в ярме статора, Тл:

Магнитное напряжение воздушного зазора, А:

Магнитное напряжение в зубцах статора, А:

Где - напряжённость магнитного поля в зубцах, А/м, по таблицам кривых намагничивания для стали зубцов. По таблице при

Магнитное напряжение в ярме статора, А:

Где - напряжённость магнитного поля в ярме статора, А/м. По таблице при

Суммарное магнитное напряжение, А:

Намагничивающий ток, А:

Где - число витков обмотки статора;

Ток холостого хода, А:

Ток холостого хода, %:

Сравним полученное значение тока холостого хода с данными, приведёнными на рисунке. , значит, диаметр провода следует увеличивать.

Коэффициент заполнения паза проводниками:

Где - диаметр изолированного провода (элементарного проводника), мм;

- свободная от изоляции площадь паза, мм².

Расчёт размеров паза статора под обмотку

При поверочных расчётах асинхронной машины, поступающей в ремонт, определение размеров паза для размещения обмотки является одним из важных этапов. Некоторые размеры паза можно определить прямым измерением крайнего листа магнитопровода статора, когда из пазов удалена обмотка и изоляция; другие следует определить с помощью расчёта.

К размерам, определяемым прямым измерением (размеры паза «в штампе») можно отнести величины , , , , e (рис.), причём последние две величины, как правило, стандартизирова-ны (табл. 1).

Высота клиновой части паза, мм:

Где для двигателей с высотой оси вращения до 250 мм включительно, для двигателей с высотой оси вращения свыше 250 мм. Данный ТЭД имеет высоту оси вращения 160 мм, значит

Размеры паза «в свету» с учётом припусков на шихтовку, мм:

· Ширина в узкой части:

· Ширина в широкой части:

· Высота:

Где припуски по ширине и высоте паза , выбираются по табл. 1 в зависимости от высоты оси вращения.

Таблица 1. Припуски по ширине и высоте паза, мм

Высота оси вращения, мм	160…250
	0,2
	0,2

Высота паза «в свету» без клина и шлица, мм:

Площадь поперечного сечения паза «в свету», мм²:

Площадь поперечного сечения корпусной изоляцией, мм²:

Где - односторонняя толщина пазовой изоляции, мм, выбирается по табл. 2.

Таблица 2. Изоляция обмоток из круглого провода статоров асинхронных двигателей напряжением до 660 В и высотой оси вращения до 250 мм.

В однослойных обмотках

Площадь поперечного сечения паза для размещения обмотки, мм²:

В однослойных обмотках

Для двигателей с должен находиться в пределах 0,72…0,74. Данное условие здесь выполняется.

Плотность тока в проводнике обмотки, А/мм²:

Где - сечение провода без изоляции (элементарного проводника), мм²;

- сечение эффективного проводника, мм².

Линейная нагрузка, А/м:

Сделаем заключение о тепловой напряжённости машины, выполнив произведение и сравнив его результат с рекомендациями, приведёнными в приложении 3.

Данный результат выше значений, рекомендованных в приложении 3, а значит и тепловая напряжённость машины выше нормы. Для решения этой проблемы и для повышения тока холостого хода следует увеличить диаметр обмоточного провода.

При условии по табл. П1.2 приложения 1 выбираем ближайший больший диаметр элементарного проводника и определяем новое предварительное число эффективных проводников в пазу:

Где и - старое (исходное) значение числа эффективных проводников в пазу и сечение элементарного проводника (если );

- новое (измененное) сечение элементарного проводника.

Данное значение имеет небольшую погрешность. Поэтому его целесообразно округлить, не выполняя расчёт ряда вариантов , когда изменяется число параллельных ветвей методом подбора:

По новому окончательному значению определим индукцию в воздушном зазоре:

Далее выполним расчёт магнитной цепи до получения значения тока холостого хода, после чего полученное значение тока холостого хода сравним с данными, приведёнными на рисунке

Индукция в зубцах статора, Тл:

Индукция в ярме статора, Тл:

Магнитное напряжение воздушного зазора, А:

Магнитное напряжение в зубцах статора, А:

Где - напряжённость магнитного поля в зубцах, А/м, по таблицам кривых намагничивания для стали зубцов. По таблице при

Магнитное напряжение в ярме статора, А:

Где - напряжённость магнитного поля в ярме статора, А/м. По таблице при

Суммарное магнитное напряжение, А:

Намагничивающий ток, А:

Ток холостого хода, А:

Ток холостого хода, %:

Сравним полученное значение тока холостого хода с данными, приведёнными на рисунке. , значит данный ток холостого хода не превышает предельное значение максимального тока холостого хода.

Затем рассчитаем коэффициент заполнения паза , плотность тока, линейную нагрузку и коэффициент пропорциональности перегрева . Значение сравним с величинами, приведёнными в приложении 3.

Коэффициент заполнения паза проводниками:

Данный коэффициент входит в допустимый предел.

Плотность тока в проводнике обмотки, А/мм²:

Требуется, чтобы данная плотность тока отличалась не более, чем на 10% от рассчитанной ранее. Проверяем:

Линейная нагрузка, А/м:

Данный результат ниже значений, рекомендованных в приложении 3, а значит и тепловая напряжённость машины ниже нормы.

При ремонте рассматриваемой машины допускается использовать провод большего диаметра, поскольку его замена не приведёт к превышению максимальных (предельных) значений тока холостого хода и превышении нормы тепловой напряжённости машины.

2. Поверочный расчёт двигателя при отсутствии

обмоточных и паспортных данных

В качестве известных величин принимаем: номинальное напряжение, частота питающей сети, частота вращения (или число полюсов), геометрические размеры магнитопровода, количество пазов (зубцов) статора и ротора, марка стали магнитопровода и толщина её листов (параметры аналога). Расчёт выполним графоаналитическим методом в следующей последовательности:

1. Зададимся 3-мя значениями индукции в воздушном зазоре: Тл. По ним определим соответствующие этим значениям числа эффективных проводников в пазу по формуле:

При расчёте делаем допущение о том, что берём из исходных данных, а полученные значения не округляем.

2. При 3-х известных значениях делаем расчёт магнитной цепи в соответствии с рекомендациями, изложенными в п. 1 до расчёта тока холостого хода.

Индукция в зубцах статора, Тл:

Индукция в ярме статора, Тл:

Магнитное напряжение воздушного зазора, А:

Магнитное напряжение в зубцах статора, А:

Где - напряжённость магнитного поля в зубцах, А/м, по таблицам кривых намагничивания для стали зубцов. По таблице при при при

Магнитное напряжение в ярме статора, А:

Где - напряжённость магнитного поля в ярме статора, А/м. По таблице при

Суммарное магнитное напряжение, А:

Намагничивающий ток, А:

3. Сечение эффективного проводника, мм²:

Где - коэффициент для проводов с эмалевой изоляцией,

- площадь паза «в свету», мм².

4. Номинальный ток для каждого из 3-х вариантов, А:

Где - средняя плотность тока в обмотке статора, при расчётах принимаем

После этого определим относительные значения тока холостого хода

Ток холостого хода, А:

Ток холостого хода, %:

5. По аналогу выбираем и определяем номинальные мощности двигателя при различных значениях индукции в воздушном зазоре

Построим зависимость предельного тока для 3-х найденных значений (рис. 2). На этом же графике построим расчётные зависимости , , (рис. 2). По точке пересечения зависимостей и определим мощность , при которой магнитные нагрузки двигателя становятся оптимальными. Для этой мощности по графику определим предварительное число эффективных проводов в пазу .

6. По графику получили значение . Данное число не является дробным, потому округлять его не будем.

Таким образом значения и

7. После округления определим окончательное значение по формуле:

Затем определим сечение эффективного проводника по формуле:

Диаметр элементарного проводника примем 1,685 мм, которому соответствует сечение элементарного проводника Число элементарных проводников Тогда:

Определим номинальный ток, номинальную мощность и проверим :

Данный коэффициент не входит в допустимый предел.

Определим ток холостого хода и сравним его с допустимыми значениями:

Индукция в зубцах статора, Тл:

Индукция в ярме статора, Тл:

Магнитное напряжение воздушного зазора, А:

Магнитное напряжение в зубцах статора, А:

Где - напряжённость магнитного поля в зубцах, А/м, по таблицам кривых намагничивания для стали зубцов. По таблице при

Магнитное напряжение в ярме статора, А:

Где - напряжённость магнитного поля в ярме статора, А/м. По таблице при

Суммарное магнитное напряжение, А:

Намагничивающий ток, А:

Ток холостого хода, А:

Ток холостого хода, %:

Сравним полученное значение тока холостого хода с данными, приведёнными на рисунке. , значит данный ток холостого хода не превышает предельное значение максимального тока холостого хода.

Определим плотность тока и линейную нагрузку и сравним с допустимыми значениями:

Данный результат ниже значений, рекомендованных в приложении 3, а значит и тепловая напряжённость машины ниже нормы.

По исходным данным По данной методике была определена мощность Погрешность составляет

4. Пересчёт двигателя на другое напряжение

Пересчёт двигателей на другое напряжение производится с 220/380 В на 380/660 В либо на 127/220 В.

При пересчёте известными считаем обмоточные и паспортные данные двигателей и геометрические размеры, которые соответствуют аналогу.

Число эффективных проводников в пазу, соответствующее новому напряжению:

Где - вновь принятое и исходное фазные напряжения, В.

Полученное предварительное значение в случае необходимости округляем.

Новое сечение эффективного проводника, мм²:

Затем производим разделение эффективного проводника на элементарные:

Диаметр элементарного проводника примем , которому соответствует сечение элементарного проводника Число элементарных проводников Тогда:

Проверяем

Данный коэффициент не входит в допустимый предел.

В итоге после пересчёта двигателя на другое напряжение имеем следующие данные:

· Число эффективных проводников в пазу – 9 мм²;

·

· –

Проверим разницу при округлении значений и подборке :

5. Пересчёт двигателя на другую частоту питающей сети.

Пересчёт аналога производим исходя из частоты на частоту Полагаем известными все обмоточные и паспортные данные, а также геометрические размеры двигателей, подлежащих пересчёту. Поскольку изменение частоты вращения при пересчёте не превышает 20%, проверку механической прочности вращающихся узлов не проводим.

В связи с тем, что напряжение питания предполагается неизменным, новое число эффективных проводников в пазу определяется при допущении о том, что индукция в воздушном зазоре постоянна:

Произведём округление :

По полученной величине рассчитываем сечение эффективного проводника с последующим разбиением его на элементарные и проверяем коэффициент заполнения паза .

Диаметр элементарного проводника примем , которому соответствует сечение элементарного проводника Число элементарных проводников Тогда:

Проверяем

Данный коэффициент не входит в допустимый предел.

Индукция в воздушном зазоре для частоты 60 Гц, Тл.:

Мощность двигателя после перехода на новую частоту питания, кВт:

Где - новое значение линейной нагрузки, А/м;

Ток двигателя при том предположении, что энергетические параметры не изменяются, А:

6. Пересчёт двигателя на более высокую частоту вращения

за счёт уменьшения числа полюсов

Считаем известными обмоточные данные двигателей, подлежащих пересчёту (аналога), и их геометрические размеры, напряжение и частота питающей сети после пересчёта остаются также неизменными. Пересчёт производим на ближайшее меньшее число пар полюсов . Порядок расчёта следующий. Проводим проверку механической прочности ротора по его окружной скорости, м/с:

Где - частота питающей сети, Гц;

- полюсное деление, мм;

Т. к. , то расчёт продолжаем.

Минимально возможное число полюсов, при котором возможен пересчёт без изменения индукции в воздушном зазоре:

Где - высота ярма сердечника статора, мм.

Полученное значение округляем до ближайшего большего чётного, т. е. Сравним с новым числом пар полюсов значит дальнейшие расчёты производим при уменьшенном значении индукции, Тл:

Где - максимальное значение индукции в ярме статора;

- исходное значение магнитной индукции.

По значению определим новое предварительное значение числа эффективных проводников в пазу (считаем, что обмоточный коэффициент при пересчёте остаётся неизменным):

Полученное число округлим:

Далее определим новое сечение эффективного проводника с последующим разбиением его на элементарные и расчётом коэффициента заполнения паза.

Новое сечение эффективного проводника, мм²:

Затем производим разделение эффективного проводника на элементарные:

Диаметр элементарного проводника примем , которому соответствует сечение элементарного проводника Число элементарных проводников Тогда:

Проверяем

Данный коэффициент не входит в допустимый предел.

При дальнейших расчётах делаем допущение о том, что электрические нагрузки двигателя остаются неизменными, т. е. перегрев обмотки статора не увеличивается.

Мощность после пересчёта в предположении постоянства энергетических показателей, Вт:

Где - линейная нагрузка после пересчёта на другое число полюсов, А/м;

- исходное число пар полюсов.

Тогда ток двигателя после пересчёта, А:

Плотность тока в проводнике обмотки, А/мм²:

Данный результат выше значений, рекомендованных в приложении 3, а значит и тепловая напряжённость машины выше нормы.

Определим ток холостого хода и сравним его с допустимыми значениями:

Индукция в зубцах статора, Тл:

Индукция в ярме статора, Тл:

Магнитное напряжение воздушного зазора, А:

Магнитное напряжение в зубцах статора, А:

Где - напряжённость магнитного поля в зубцах, А/м, по таблицам кривых намагничивания для стали зубцов. По таблице при

Магнитное напряжение в ярме статора, А:

Где - напряжённость магнитного поля в ярме статора, А/м. По таблице при

Суммарное магнитное напряжение, А:

Намагничивающий ток, А:

Где - число витков обмотки статора;

Ток холостого хода, А:

Ток холостого хода, %:

Сравним полученное значение тока холостого хода с данными, приведёнными на рисунке. , значит данный ток холостого хода не превышает предельное значение максимального тока холостого хода.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что пересчёт двигателя на другую частоту вращения невозможен, поскольку будет превышена норма тепловой напряжённости машины.

Т. к. число пар полюсов изменилось, изменится и схема обмотки статора. Выполним по новым исходным данным расчёт и построение обмотки статора.

Определим шаг обмотки по формуле:

Для определения реального шага используем коэффициент . Принимаем его Тогда, реальный шаг равен:

Определим число катушек в катушечной группе:

По данным значениям составим наглядную таблицу для каждой фазы:

Фаза A

Фаза B

Фаза C

На рисунке 3 изобразим схему одной фазы (фазы А) двухслойной трёхфазной обмотки статора.

7. Пересчёт двигателя на более низкую частоту вращения

за счёт увеличения числа полюсов

Полагаем, что обмоточные и паспортные данные двигателя и его геометрические размеры известны. Напряжение и частота питающей сети остаются при пересчёте неизменными.

Корректируем индукцию в воздушном зазоре, индукция в зубцах повышается до максимального значения по формуле:

Где - максимальное значение индукции в зубцах статора;

- исходное значение магнитной индукции.

Рассчитаем новое предварительное значение числа эффективных проводов в пазу соответствующее индукции

Полученное число округлим (в большую сторону):

Далее определим новое сечение эффективного проводника с последующим разбиением его на элементарные и расчётом коэффициента заполнения паза.

Новое сечение эффективного проводника, мм²:

Затем производим разделение эффективного проводника на элементарные:

Диаметр элементарного проводника примем , которому соответствует сечение элементарного проводника Число элементарных проводников Тогда:

Проверяем

Данный коэффициент не входит в допустимый предел.

При дальнейших расчётах делаем допущение о том, что электрические нагрузки двигателя остаются неизменными, т. е. перегрев обмотки статора не увеличивается.

Мощность после пересчёта в предположении постоянства энергетических показателей, Вт:

Тогда ток двигателя после пересчёта, А:

Плотность тока в проводнике обмотки, А/мм²:

Данный результат выше значений, рекомендованных в приложении 3, а значит и тепловая напряжённость машины выше нормы.

Определим ток холостого хода и сравним его с допустимыми значениями:

Индукция в зубцах статора, Тл:

Индукция в ярме статора, Тл: