Учебная работа. Проектирование электрических машин

Учебная работа. Проектирование электрических машин

32

4

Введение

В почти всех отраслях народного хозяйства используют синхронные машинки, а именно, в качестве генераторов в передвижных и стационарных электронных станциях, движков в установках, не требующих регулирования частоты вращения либо нуждающихся в неизменной частоте вращения.

процесс сотворения электронных машин содержит в себе проектирование, изготовка и испытание.

Под проектированием электронной машинки понимается расчет размеров отдельных ее частей, характеристик обмоток, рабочих и остальных черт. машинки, конструирование машинки в целом, также ее отдельных деталей и сборочных единиц, оценка технико-экономических характеристик спроектированной машинки, включая характеристики надежности.

В истинное время электронные машинки проектируются в виде серий с неотклонимым внедрением ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) для расчетного исследования и автоматического рационального проектирования.

Шкала мощностей выпускаемых генераторы определяется в согласовании с ГОСТ 8585-68 и ГОСТ 8704-70. Генераторы выпускают с номинальными напряжениями 380, 6000 и 10000 В.

В отдельных вариантах допускается изготовка генераторы на напряжение 3000 В для мощностей, обозначенных в ГОСТ 8585-68 и ГОСТ 8704-70 для генераторы с номинальным напряжением 6000 В.

Основное выполнение синхронных машин общепромышленного внедрения — с горизонтальным расположением вала. По способу защиты и вентиляции — защищенные либо закрытые с самовентиляцией. Остывание — воздушное.

Синхронные машинки общего предназначения выпускают в виде ряда серий. Любая серия содержит в себе машинки в определенном спектре мощностей и частот вращения, их делают на нескольких нормализованных наружных поперечниках статора, которые определяют габарит машинки. При одной и той же частоте вращения две — четыре машинки близких мощностей имеют схожую поперечную геометрию и различаются длиной.

1. Выбор главных размеров

Начальные данные к проекту:

Номинальное фазное напряжение (предполагается, что обмотка статора будет соединена в звезду).

Номинальная полная мощность

Номинальный фазный ток

Число пар полюсов

Расчетная мощность

По рис.10.8 для при р=4 за ранее находим внутренний поперечник статора D=1,25 м.

Наружный поперечник статора

По табл.10.7 ближний нормализованный наружный поперечник статора Da=1,73 м (18-й габарит). Высота оси вращения h=0,63 м.

Полюсное деление

Расчетная длина статора

По рис.10.9 для =0,49м при р=4 находим . Задаемся =0,67, kв=1,16; kв=0,75; kоб1=0,92.

Определим расчетную длину статора

Находим по (10.6)

По рис.10.11 устанавливаем, что отысканные значения лежат в границах, ограниченных кривыми при р=4.

Действительная длина статора по (10.7)

Число вентиляционных каналов по (10.8) при bк=0,01м

Принимаем

Длина пакета по (10.9)

Суммарная длина пакетов сердечника по (10.10)

2. Расчет обмотки статора

Число параллельных веток обмотки статора. Потому что то избираем

Из рис.10.13 (кривые 3) для находим и

Наибольшее число пазов (зубцов) магнитопровода статора

Малое число пазов (зубцов) магнитопровода статора

Число пазов магнитопровода статора. Потому что то статор исполняем сегментированным. В спектре требованиям п.1-4 §10.6 удовлетворяют число пазов

72: ,

Расчет числа проводников в пазу по (10.15), числа частей и хорды по (10.20), уточнённое А по (10.16), сводим в таблицу 3.1.

Таблица 2.1

№ варианта

Число пазов

Z1

Число частей sст

Хорда H,

мм

Число пазов в секторе Zs=Z1/s

Число пазов на полюс и фазу q1

Число параллельных веток а

Число проводов в пазу uп

Пазовое (зубцовое) деление tz1, мм

Линейная перегрузка А, А/м

1

72=22233

6

865

12

1

14

0,055

56456

2

72=22233

8

662

9

3

1

14

0,055

56456

3

72=22233

9

592

8

3

1

14

0,055

56456

4

72=22233

12

488

6

3

1

14

0,055

56456

5

72=22233

18

300

3

3

1

14

0,055

56456

Лучший итог дает вариант 3, который и принимаем для последующих расчетов

(сегменты штампуются из листов );

Ширина паза (за ранее) по (10.21)

Поперечное сечение действенного проводника обмотки статора (за ранее) по (10.22)

где (AJ1 по рис.10.16 кривая 3).

Число простых проводников

Вероятная ширина изолированного проводника по (10. 25)

Обоесторонняя толщина изоляции

Подготовительная ширина простого проводника с изоляцией

.

Ширина этого проводника без изоляции

Избираем изоляцию катушек класса нагревостойкости В по табл. 3.5.

размеры проводников обмотки статора. Принимаем, что действенный проводник состоит из 4 простых (). Марка провода ПСД.

По табл. П.3.2 размеры медного проводника (с изоляцией .

Ширина паза (уточненная) по (10.27).

Высота паза по (10.28)

где

Масштабный эскиз паза представлен на рис.2.1.

Рис. 2.1 — Паз статора

Плотность тока в проводнике обмотки статора (уточнённое значение)

Проверка индукции в зубе (приближенно) по (10.31)

лежит в границах

Проверка индукцию в спинке статора (приближенно) по (10.32)

лежит в границах

Bz1 и Bб находятся в допустимых границах.

Перепад температуры в изоляции паза по (10.33)

Таблица 2.1 — Спецификация паза (изоляция класса нагревостойкости В)

Позиция на рис.3.1

Наименование

Число слоев

Толщина, мм

по ширине

по высоте

по ширине

по высоте

1

Провод ПСД

2

28

2

Лента теклослюдитинитовая ЛС

9 слоев

Впол-нахлеста

6

6

3

Лента стеклянная ЛЭС

( покровная )

Обоесторонняя толщина изоляции одной катушки

2 слоя

Встык

0,4

6,2

0,4

6,2

4

Стеклолист СТ1 шириной 1мм

—

2

—

2

5

Стеклолист СТ шириной 0,5мм

Общая толщина изоляции на паз

Разбухание изоляции

Допуск на укладку

—

—

—

—

2

—

—

—

—

6,2

0,1

0,2

2

15,83

1,2

0,2

6

Клин

—

—

—

5,0

Всего

21,4

81,6

градиент температуры в пазовой изоляции

Произведённая проверка показала, что размеры паза выбраны успешно.

Витки фазы обмотки статора по (10.37)

Шаг обмотки по (10.38)

(из 1-го в 9-ой паз).

,

Коэффициент укорочения шага по (10.39)

Коэффициент распределения обмотки статора по (10.40)

Обмоточный коэффициент

Исходя из данного дела Mm/Mн?2,2 по рис. 10.18 находим xd?1,3.

Приближённое

Принимаем воздушный зазор под серединой полюса 0,0065м (6,5 мм). Зазор под краями полюса Среднее

Ширина полюсного наконечника по (10.47)

Примем (§ 10.9)

Радиус дуги полюсного наконечника по (10.45)

Высота полюсного наконечника по табл. 10.9 при

Длина сердечника полюса и полюсного наконечника

Расчётная длина сердечника полюса по (10.52).

Принимаем

Подготовительная высота полюсного сердечника по (10.48)

Коэффициент рассеяния полюсов по (10.50). Из табл.

Ширина полюсного сердечника по (10.51).

Задаемся (полюсы выполнены из стали Ст3 шириной 1мм)

Избираем

Эскиз полюсов дан на рис. 2.2.

Рис. 2.2 — Полюсы ротора

Потому что то принимаем крепление полюсов при помощи хвостом к шихтованному остову.

Длина ярма (обода) ротора по (10.53)

Выбрано=0,05м.

Малая высота ярма ротора по (10.54)

Принято — уточняется по чертежу.

3. Расчет демпферной обмотки

Число стержней пусковой обмотки на полюсе

Nc=8.

Поперечное сечение стержня демпферной обмотки по (10.55)

Поперечник стержня по (10.56) [материал стержня Ї медь]

Избираем dc=14,5·10-3 м, тогда qc=164,7·10-6 м2.

Зубцовый шаг на роторе по (10.57)

Принимаем z=0,005

Проверяем условия (10.60)

Пазы ротора избираем круглые, полузакрытые.

Поперечник паза ротора

Раскрытие паза bshs=3,52,5мм.

Длина стержня по (10.61)

Сечение короткозамыкающего сектора

По табл. П3.5 избираем прямоугольную медь 1065 мм (сечение qк,з=649мм2)

4. Расчёт магнитной цепи

Для магнитопровода статора избираем сталь 1511 (ГОСТ 214273-75) шириной 0,5 мм. Полюсы ротора делают из стали Ст3 шириной 1 мм. Крепление полюсов к ободу магнитного колеса осуществляем при помощи хвостовиков к шихтованному ободу. Толщину обода (ярма ротора) принимаем hj=117мм.

Магнитный поток в зазоре находим по (10.62), Вб

По рис. 10.21 при , б=0,7 и

находим кВ=1,145, бд=0,66.

Уточнённое

индукция в воздушном зазоре по (10.63), Тл

Коэффициент воздушного зазора статора по (10.67)

Коэффициент воздушного зазора ротора по (10.67)

Коэффициент воздушного зазора по (10.66)

Магнитное напряжение воздушного зазора по (10.65), А

Ширина зубца статора на высоте hп1 от его коронки по (10.70)

индукция в сечении зубца на высоте hп1 по (10.69), Тл

Магнитное напряжение зубцов статора по (10.68), А

индукция в спинке статора по (10.74), Тл

Магнитное напряжение спинки статора по (10.72), А

— по рис. 10.22.

Высота зубца ротора по (10.76)

Ширина зубца ротора на высоте от его коронки по (10.78)

индукция в зубце ротора по (10.77), Тл

Магнитное напряжение зубцов ротора по (10.75), А

Удельная магнитная проводимость рассеяния меж внутренними поверхностями сердечников полюсов по (10.81)

Удельная магнитная проводимость меж внутренними поверхностями полюсных наконечников по (10.82)

где

Удельная магнитная проводимость рассеяния меж торцевыми поверхностями по (10.83)

Удельная магнитная проводимость для потока рассеяния

Магнитное напряжение ярма статора, зазора и зубцов полюсного наконечника

.

Поток рассеяния полюса по (10.80), Вб

Поток в сечении полюса у его основания, Вб

индукция в полюсе по (10.84), Тл

Магнитное напряжение полюса по (10.79), А

где

Магнитное напряжение стыка меж полюсом и ярмом ротора по (10.86), А

индукция в ободе магнитного колеса (ярме ротора) по (10.88), Тл

Магнитное напряжение в ободе магнитного колеса по (10.87)

Магнитное напряжение сердечника полюса , ярма ротора и стыка меж полюсом и ярмом, А

Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения на один полюс по (10.89)

Результаты расчёта магнитной цепи сводим в табл. 5.1.

При переводе магнитных напряжений Fдza , Fmj и потока Фm в относительные единицы за базисные значения соответственно приняты МДС FB0 и Ф при Е1=1.

По табл. 5.1 на рис. 4.1. построена в относительных единицах черта холостого хода.

Рис. 4.1 — Черта холостого хода: 1 — расчетная черта; 2 — обычная черта

Таблица 4.1

Параметр

Е1 и Ф

0.5

1

1.1

1.2

1.3

Е1 , В

Ф=0,548·10-4Е1 , Вб

Вд=1,8175·10-4Е1 , Тл

Fд=1,06·Е1 , А

Вz1=2,73·10-4Е1 , Тл

Нz1 , А/м

Fz1=0,1265·Нz1 , А

Вб=2,31·10-4Е1 , Тл

Нб , А/м

Fб=37,7?10-2оНб , А

Вz2=2,65·10-4Е1 , Тл

Нz2 , А/м

Fz2=1,71·10-2Нz2 , А

Fдzб=Fд+Fz1+Fб+Fz2 , А

Фу=4,27·10-6Fдzб , Вб

Фm=Ф+Фу=0,548·10-4Е1+

+4,27·10-6Fдzб , Вб

Вm=0,267·10-3Е1+0,208·10-4Fдzб , Тл

Нm , А/м

Fm=25,5·10-2Нm , А

Fдmj=250·Вm , А

Вj=0,24·10-3Е1+0,1881·10-4Fдzб , Тл

Нj , А/м

Fj=20,27·10-2Нj ,А

Fmj=Fm+Fдmj+Fj , А

FВ0=Fдzб+Fm+Fдmj+Fj , А

FВ0

Фm

Fдzб

Fmj

3031

0,083

0,456

2905

0,898

325

26,53

0,599

0,63

148

28,77

0,698

345

5,9

2967

0,009

0,093

0,724

345

79,6

181

0,61

295

38,1

260,7

3266

0,37

0,56

0,34

0,029

6062

0,167

0,912

5811

1,797

23000

1878

1,198

0,5

780

120,35

1,396

1490

25,5

7834

0,025

0,192

1,496

2270

523,9

374

1,26

960

124,1

897,9

8856

1

1,15

0,89

0,101

6668

0,183

1,004

6392

1,976

55600

4539

1,318

0,4

1200

148,12

1,536

2880

49,2

11130

0,035

0,219

1,708

4750

1096

427

1,44

1700

219,7

1523

12870

1,45

1,31

1,257

0,172

7275

0,2

1,095

6973

2,156

111000

9062

1,438

0,33

2500

254,59

1,676

6230

106,2

16400

0,052

0,252

1,969

14000

3231

492

1,66

5950

768,9

3723

20890

2,36

1,51

1,851

0,42

7881

0,217

1,186

7554

2,336

336000

27430

1,558

0,31

5300

507,02

1.815

13000

222,3

35710

0,113

0,330

2,578

70000

16160

644

2,17

13000

1680

16800

54190

6,12

1,98

4,03

1,9

Средняя длина витка обмотки статора

Длина лобовой части обмотки статора по (9.139)

Активное сопротивление обмотки статора

при =15С.

при =75С

Активное сопротивление обмотки статора в относительных единицах по (10.96)

;

где

Индуктивное сопротивление рассеяния по (10.97)

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния по (10.98)

Коэффициент магнитной проводимости меж стенами паза по табл. 10.22

размеры паза определяем по рис. 10.44 и 3.1: h2=65мм; bп1=21мм; h1=11мм; h0=6,5 мм.

При =y1/п=0,889 по (9.156)

Коэффициент магнитной проводимости по коронкам зубцов по (10.99)

к=.

при из рис. 10.26

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния по (9.159)

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния по (10.100)

Индуктивное сопротивление рассеяния в относительных единицах

Индуктивное сопротивление продольной реакции якоря в относительных единицах по (10.102)

kad определяем из по рис. 10.23. По характеристике холостого хода табл. 5.1 для E1*=1 FB0=5811; для E*=0,5

Индуктивное сопротивление поперечной реакции якоря в относительных единицах по (10.103)

kaq=0,42 по рис.10.24.

Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси в относительных единицах

Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси в относительных единицах

По данным табл.5.1 на рис.5.2 построены частичные свойства намагничивания, а на рис.5.3 зависимость E*=.

Рис. 4.2 -Частичные свойства намагничивания

Из векторной диаграммы (рис. 5.4) по Iн,ф ,Uн,ф, cos определяем E*=1,06; находим , а потом по (рис.10.25) kq=0,77,kd=0,94, k=0,0022.

Рис. 4.3 — Зависимость E*=

Находим МДС:

где

По отысканной МДС из свойства определяем ЭДС отложив которую на векторной диаграмме, получим направление, а потом и модуль

Находим

Из свойства по находим

Рис. 4.4 — Векторная диаграмма для номинальной перегрузки

Магнитодвижущая сила продольной реакции якоря

По сумме из свойства определяем

Поток полюса

Из свойства по сгустку определяем

Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения в относительных единицах при номинальной перегрузке

Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения

5. Расчет обмотки возбуждения

Избираем однорядную обмотку с лобовой частью в виде полуокружности. изоляция нагревостойкости класса В.

Средняя длина витка обмотки возбуждения по (10.109)

где

Для питания обмотки возбуждения из табл.10.10 избираем тиристорное возбудительное устройство ТВУ-65-320 (). Напряжение на кольцах с учетом переходного падения напряжения в щеточном контакте принимаем

Сечение проводников обмотки возбуждения (предварительное

где

ток возбуждения по (10.111)

Принимаем

Число витков обмотки возбуждения по (10.112)

Наименьший размер прямоугольного проводника обмотки по (10.114)

Принимаем

По табл. П-29 избираем проводник с размерами

Расстояние меж катушками примыкающих полюсов по (10.116)

Плотность тока в обмотке возбуждения (уточненное значение)

Превышение температуры обмотки возбуждения по (10.119)

Уточненное значение высоты полюса

Потому что расхождение с ранее избранной высотой составляет -2.7, то перерасчет магнитного напряжения полюса не производим.

Активное сопротивление обмотки возбуждения по (10.120)

Напряжения на кольцах возбуждения при номинальной перегрузке и по (10.121)

Коэффициент припаса возбуждения по (10.122)

Находится в границах 1.1-1.2

6. Расчет характеристик и неизменных времени

Индуктивное сопротивление обмотки возбуждения по (10.123)

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения по (10.124)

Индуктивное сопротивление рассеяния пусковой обмотки по продольной оси по (10.125).

По отношению при из рис.10.37 определяем

Из рис.10.36:

Тогда

Индуктивное сопротивление рассеяния пусковой обмотки по поперечной оси по (10.126)

Активное сопротивление обмотки возбуждения при =75C по (10.135)

Активное сопротивление пусковой обмотки по продольной оси при =75C по (10.136)

cc =cк,з=1.

Активное сопротивление пусковой обмотки по поперечной оси при =75C по (10.137)

Неизменная времени обмотки возбуждения при разомкнутых обмотках статора демпферной (пусковой) по (10.139)

где =2f.

Неизменная времени обмотки возбуждения при замкнутой обмотке статора по (10.140)

где

Неизменные времени демпферной (пусковой) обмотки при разомкнутых обмотках статора и возбуждения:

по продольной оси по (10.141)

по поперечной оси по (10.142)

Неизменные времени демпферной (пусковой) обмотки по продольной оси при замкнутой накоротко обмотке возбуждения и разомкнутой обмотке статора по (10.143)

Неизменная времени демпферной (пусковой) обмотки по продольной оси при замкнутых накоротко обмотке возбуждения и обмотке статора по (10.144)

где

Неизменная времени демпферной (пусковой) обмотки по поперечной оси полюсов при замкнутой накоротко обмотке статора по (10.145)

где

Неизменная времени обмотки статора при короткозамкнутых обмотках ротора

где

при работе машинки на маленькое наружное сопротивление (куцее замыкание)

Приобретенные результаты сводим в табл. 6.1.

статор обмотка движок цепь

Таблица 6.1 — Неизменные времени синхронной машинки

Td0,c

Td’, c

Tkd0, c

Tkq0,c

T»kdв, c

T»kd, c

T»kq, c

Ta, c

2,54

0,52

0,183

0,165

0,038

0,02

0,028

0,08

7. Масса активных материалов

Масса зубцов статора по (10.147)

где

Масса ярма статора по (10.148)

Масса меди обмотки статора по (10.149)

Масса меди обмотки возбуждения по (10.150)

Масса меди стержней демпферной обмотки по (10.151)

Масса меди короткозамыкающих колец по (10.152)

Масса стали полюсов по (10.153)

Масса стали обода ротора по (10.154)

Полная масса меди по (10.155)

Полная масса активной стали по (10.156)

8. Потери и КПД

Главные электронные утраты в обмотке статора по (10.159)

Утраты на возбуждение по (10.161)

Магнитные утраты в ярме статора по (10.162)

Магнитные утраты в зубцах статора по (10.163)

Механические утраты по (10.164)

Поверхностные утраты в полюсных наконечниках по (10.165)

где

Дополнительные утраты при перегрузке

где

Общие утраты при номинальной перегрузке по (10.166)

Коэффициент полезного деяния по (10.168)

Удельный термический поток на 1м2 внутренней поверхности статора по (10.169)

Превышение температуры наружной поверхности статора над температурой охлаждающего воздуха по (10.170)

Плотность термического потока с наружной поверхности лобовых частей по (10.171)

(удельная проводимость меди при 750С периметр паза по рис. 3.1 )

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой охлаждающего воздуха по (10.172)

Перепад температуры в пазовой изоляции обмотки статора (см п.30)

.

Среднее превышение температуры обмотки статора по (5-83)

9. Свойства синхронного мотора

Рабочие характеристики машинки определяются ее чертами. Для генераторов главными чертами являются наружная, регулировочная, нагрузочная, также свойства холостого хода и недлинного замыкания.

Наружная черта.

Наружные свойства могут быть построены с помощью регулировочных черт. Если наружная черта обязана быть построена при Iвн=const и cosн=const, то её две точки Uн при I=Iн и U0 при I=0 известны. Для определения промежных точек нужно выстроить две-три регулировочные свойства при Uн<U<U0(довольно взять маленькие пределы конфигурации I) и провести прямую линию от Iвн параллельную оси абсцисс. Точки пересечения данной нам полосы с регулировочными чертами для разных U дают, как следует, значения U при соответственных токах I.

Регулировочная черта.

Для построения регулировочной свойства нужно задаться значениями тока статора I при U=const и cos=const и отыскать с помощью векторных диаграмм надлежащие им значения тока возбуждения Iв. Если требуется выстроить регулировочную характеристику при Uн=const и cosн =const, то довольно отыскать две-три промежные точки ( при I<Iн), потому что её последние точки Iво при I=0 и при I=Iн известны из расчета машинки.

Нагрузочная черта.

Описывает зависимость U=f(i*f) при I=const, cos=const и f=const указывает, как меняется напряжение генератора U c конфигурацией тока возбуждения if при условии всепостоянства тока перегрузки I и cos. Из числа различных нагрузочных черт больший практический Энтузиазм представляет так именуемая индукционная нагрузочная черта, которая соответствует чисто индуктивной перегрузке генератора, когда cos=0. Обычно она снимается для I=Iн=const.В нашем случае cosн=0.8=const.

Черта холостого хода.

Описывает зависимостьU=f(if) при I=0 и f=fн. Разумеется, что в режиме холостого хода U=E. Если х.х.х. разных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах, полагая: U* =U/Uн; i*f = if / ifно

Где ifно — ток холостого хода при U=Uн, то эти х.х.х. будут не много различаться друг от друга. Потому при расчетах разных режимов работы энергетических систем, в каких работает много генераторов, для упрощения расчетов принимается, что х.х.х. всех турбогенераторов, также х.х.х. всех гидрогенераторов, выраженные в относительных единицах, схожи и соответствуют неким средним данным настоящих черт генераторов. Такие свойства именуются нормальными.

Черта недлинного замыкания.

Черта недлинного замыкания (х.к.з.) снимается при замыкании зажимов всех фаз обмотки якоря накоротко ( симметричное кз ) и описывает зависимость I=f(if ) при U=0 и f=f.

Если пренебречь очень незначимым активным сопротивлением якоря (Ra=0), то сопротивление цепи якоря в режиме недлинного замыкания будет чисто индуктивным.

Литература

1. Проектирование электронных машин: Учеб. пособие для вузов / И.П. Копылов, Ф.А. Горяинов, Б.К. Клоков и др.; Под ред. И.П. Копылова. — М.: Энергия, 1980.- 496 с.

2. Проектирование электронных машин: Учеб. пособие для вузов/ И.П. Копылов, Б.К. Клоков и др.; Под ред. И.П. Копылова. — М.: Высш. Шк., 2005.-767 с.

]]>