Глава 11.

РАСЧЕТ СИНХРОННЫХ МАШИН

§ 11-1. Единые серии синхронных машин

Общие сведения. Синхронные машины применяют во многих отраслях народного хозяйства, в частности, в качестве генератора в передвижных и стационарных электрических станциях, двигателей в установках, не требующих регулирования частоты вращения или нуждающихся в постоянной частоте вращения.

Наиболее распространена конструктивная схема синхронной машины с вращающимся ротором, на котором расположены явновыраженные полюсы. Иногда явноолюсные синхронные машины малой мощности (до 15 кВт) выполняют по конструктивной схеме машин постоянного тока, т. е. с полюсами, расположенными на статоре, заменяется контактными кольцами. Сейчас отечественная промышленность выпускает несколько общепромышленных и специальных серий синхронных машин.

Серия ЕСС. Трехфазные синхронные генераторы серии ЕСС изготовляют мощностью от 5 до 50 кВт при высоте оси вращения мм, в защищенном исполненииIР23, с самовентиляцией IС01, с частотой вращения 1500 об/мин. Эти генераторы предназначены для продолжительного режима работы в передвижных и стационарных электроустановках и в качестве источников трехфазного переменного тока напряжением 230 и 400 В, с частотой 50 Гц, с коэффициентом мощности, равным 0,8 (при отстающем токе), в условиях умеренного или тропического климата.

Генераторы серии ЕСС выполняют явнополюсными с самовозбуждением через полупроводниковые выпрямители и снабжают аппаратурой для автоматического регулирования напряжения, которая состоят из блока регулирования напряжения, корректора и потенциометра установки. Эта аппаратура обеспечивает точность поддержания напряжения на зажимах в пределах ±2% от среднерегулируемого значения при изменении нагрузки от нуля до номинальной величины и коэффициенте мощности в пределах от 1,0 до 0,8, при отклонении частоты вращения первичного двигателя от номинальной величины не более ±3 % и при неизменной нагрузке не более ±1 %. Схема регулирования позволяет изменять установку напряжения в пределах от 100 до 95% .

Серии СД2 и СГ2. Синхронные двигатели серии СД2 и генераторы серии СГ2 изготовляют мощностью от 132 до 1000 кВт, при высоте оси вращения 450 мм, в защищенном исполнении IP23, с самовентиляцией IC01, с частотой вращения от 500 до 1500 об/мин.

Двигатели используют для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения (насосов, вентиляторов и др.), и изготовляют на напряжения 380 и 6000 В, при частоте 50 и 60 Гц. Генераторы предназначены для выработки трехфазного переменного тока, напряжением 400 В, частотой 50 Гц на стационарных дизель-электрических станциях.

Электрические машины серий СД2 и СГ2 рассчитаны на продолжительный режим работы. Их возбуждение осуществляется от устройства, питающегося от дополнительной обмотки, заложенной в пазы статора. Нагревостойкость изоляционных материалов соответствует классу В. Ток возбуждения регулируют изменением угла зажигания тиристоров преобразователя возбудительного устройства. Последние смонтированы в шкафах: в одном для двигателя и в двух для генератора. В шкафах размещены тиристорные преобразователи, элементы электронной системы управления, коммутационная аппаратура. Система управления двигателя осуществляет автоматическую подачу возбуждения в процессе пуска при спадании тока статора до установленной величины, а также обеспечивает форсировку возбуждения при падении напряжения в главной цепи двигателя до 80—85% номинального. Отключается форсировка при увеличении напряжения сети до 90—95% номинального значения.

Обмотка возбуждения синхронного генератора получает выпрямленный ток через тиристорный и диодный преобразователи, соединенные параллельно на стороне выпрямленного тока. Тиристорный преобразователь питается от дополнительной обмотки, заложенной в пазы статора синхронного генератора, и в номинальном режиме работы генератора несет на себе около 30% нагрузки возбуждения. Остальную часть мощности возбуждения обеспечивает диодный преобразователь, питаемый от компаундирующего трансформатора, включенного в цепь статора, который служит для поддержания напряжения генератора при изменении нагрузки и в режиме короткого замыкания. Двигатели и генераторы имеют радиальную систему вентиляции, обеспечиваемую вентиляционным действием полюсов ротора и вентиляционными лопатками. Охлаждающий воздух при этом входит через вентиляционные окна в подшипниковых щитах, проходит по лобовым частям обмотки статора, через междуполюсное пространство ротора, радиальные каналы статора и выходит через боковые жалюзи станины.

Двигатели и генераторы допускают правое и левое направление вращения. Двигатели рассчитаны на прямой пуск при номинальном напряжении сети и допускают два пуска подряд из холодного состояния и один из нагретого.

§ 11-2. Исходные данные для проектирования.

Для проектирования синхронных машин должны быть заданы следующие исходные данные: 1. Назначение — генератор или двигатель. 2. Номинальный режим работы по ГОСТ I83. 3. Номинальная отдаваемая мощность по ГОСТ 12139. 4. Количество фаз статора. 5. Способ соединения фаз статора (λ;Δ). 6. Частота напряжения 7. Коэффициент мощности по ГОСТ 20550, 22407, ГОСТ 18200. 8. Номинальное линейное напряжение по ГОСТ 21128. 9. Частота вращения по ГОСТ 10683. 10. Способ возбуждения. 11. Степень защиты от внешних воздействий по СТ 247. 12. Способ охлаждения по ГОСТ 20459. 13. Исполнение по способу монтажа во СТ 246. 14. Климатические условия и категория размещения по ГОСТ 15150 и 15543. 15. Форма выступающего конца вала. 16. Способ соединения с приводным механизмом (для двигателей) или с приводным двигателем (для генераторов).

Кроме того, дополнительно используют данные о высоте оси вращения по ГОСТ 13267, установочно-присоединительных размерах по ГОСТ 18709 или 20839. Содержание перечисленных предписаний стандартов приведено в § 1-2. Во всем не оговоренном в исходных данных машины должны удовлетворять требованиям ГОСТ 183.

Источник

Расчет параметров синхронного двигателя

Расчет характеристик синхронного трехфазного двигателя
с многополюсным ротором на постоянных магнитах

1. Введение

Появление высококоэрцитивных постоянных магнитов и, в особенности, редкоземельных магнитов с высокими значениями магнитной энергии позволяет в ряде случаев избавиться от токовых обмоток на роторе электрической машины без ухудшения ее характеристик. Электромашина с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, что позволяет существенно повысить ее надежность и время работы без обслуживания и ремонта. Одной из частных задач является конструирование синхронных трехфазных исполнительных двигателей с многополюсным ротором, обладающих достаточно высоким значением момента на валу, что позволяет использовать их непосредственно в качестве привода, обходясь без редуктора.

2. Конструкция двигателя

Поперечное сечение двигателя показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Поперечное сечение синхронного трехфазного двигателя с 16-полюсным ротором на постоянных магнитах.

Двигатель состоит из ротора и статора. В конструкцию ротора входит стальной цилиндр (внешний диаметр 140 мм, толщина стенки 10 мм), на котором крепятся 16 постоянных магнитов состава неодим-железо-бор (Ne-Fe-B, остаточная индукция примерно 1.2 Тл, коэрцитивная сила по намагниченности примерно 1000 кА/м) в виде подковообразных сегментов высотой 10 мм с чередующимся направлением намагниченности. Внешний диаметр ротора 160 мм. Высота ротора 50 мм. Статор представляет собой стальной цилиндр (набран из листовой электротехнической стали) с 12-ю внутренними прорезями, в которые помещаются обмотки (3 фазы по 4 последовательно включенных обмотки в каждой фазе). Внутренний диаметр статора 162 мм. Внешний диаметр статора 210 мм. Высота статора 50 мм. Частота вращения двигателя до 1000 об./мин. Для управления двигателем используется трехфазная последовательность импульсов напряжения переменной полярности.

3. Расчет магнитных характеристик

Таблица 3.1. Зависимость статического момента от угла поворота ротора.

Рис. 3.2. График зависимости статического момента на валу двигателя от угла поворота ротора.

4. Расчет допустимой плотности тока в обмотках

Для провода с электрическим током удельная мощность P_V (мощность на единицу объема), рассеиваемая в проводе из-за наличия электрического сопротивления и превращающаяся в тепло, может быть найдена по формуле:

При плотности тока в обмоточном проводе, равной 5 А/мм 2 (если фактор упаковки равен 0.6, то плотность тока в самой обмотке будет 3 А/мм 2 ), максимальный перегрев провода (превышение температуры провода над температурой окружающей двигатель воздушной среды) будет равен примерно 50 0 C.

При плотности тока в обмоточном проводе, равной 8.3 А/мм 2 (если фактор упаковки равен 0.6, то плотность тока в самой обмотке будет 5 А/мм 2 ), максимальный перегрев провода будет равен примерно 120 0 C. При этом дополнительным фактором, который следует принять во внимание, является максимально допустимая рабочая температура постоянных магнитов, для Ne-Fe-B-магнитов равная примерно 100 0 C, поэтому может возникнуть необходимость принудительного охлаждения ротора двигателя.

5. Расчет активного сопротивления и индуктивности обмотки

Активное сопротивление R обмотки может быть найдено по формуле:

Число витков N может быть выражено следующим образом:

где S_W – площадь окна обмотки.

Для расчета индуктивности обмотки L воспользуемся соотношением F = LI, где F – магнитный поток, пронизывающий обмотку, I – величина тока в обмоточном проводе:

Величину тока в обмоточном проводе можно найти таким образом:

Тогда получаем выражение для индуктивности обмотки:

Реактивное сопротивление обмотки Z_L на частоте f :

А полное сопротивление обмотки Z на частоте f:

Таблица 5.1. Зависимость активного, реактивного и полного сопротивления и индуктивности обмотки от диаметра обмоточного провода.

Диаметр обмоточного провода выбирается в зависимости от напряжения источника питания, прикладываемого к обмотке, таким образом, чтобы максимальная плотность тока в проводе не превышала значения, определяемого теплостойкостью изоляции (5 А/мм 2 для 100 0 C и 8.3 А/мм 2 для 160 0 C).

По вопросам расчета конкретных схем электрических двигателей обращайтесь к автору (см. раздел Контактная информация ).

Ссылки:

Источник

Расчет синхронного двигателя

Расчет и обоснование номинальной величины асинхронного двигателя. Размеры и зубцовая зона статора. Воздушный зазор и полюса ротора. Определение основных паромеров магнитной цепи. Превышение температуры обмотки статора. Характеристики синхронной машины.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет синхронного двигателя

статор ротор двигатель асинхронный

Прогресс современной науки и техники неразрывно связан с применением электроэнергии в различных производственных процессах и устройствах.

Электрические машины являются основными элементами энергетических установок, различных и механизмов, технологического оборудования, современных транспортных средств, связи. Они вырабатывают электроэнергию, осуществляют высокоэкономичное преобразование её в механическую.

При проектировании электрической машины рассчитываются размеры статора и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, изоляция, материалы активных и конструктивных частей машины. Отдельные части машины должны быть сконструированы так, чтобы при изготовлении машины трудоёмкость и расход материалов были наименьшими, а при эксплуатации машина обладала наилучшими энергетическими показателями. При этом электрическая машина должна соответствовать условиям применения её в электрических приводах.

Синхронные машины используют главным образом в качестве источника электроэнергии переменного тока. Их устанавливают на мощных тепловых, атомных и гидроэлектростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках. Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности и регулирования её напряжения применяют синхронные компенсаторы.

В бытовых электрических приборах (магнитофонах, проигрывателях, киноаппаратуре) и в системах управления широко применяют синхронные микромашины: с постоянными магнитами, индукторные, реактивные, гистерезисные, шаговые.

Основная электромагнитная схема синхронных машин с момента изобретения осталась неизменной, но усовершенствовалось их конструктивное исполнение и выросли электромагнитные нагрузки, что позволило улучшить массогабаритные и нагрузочные показатели и нагрузочную способность синхронных машин. Особенно большие выгоды в этом отношении дало применение в крупных машинах водородного и водяного охлаждения.

1. Номинальные величины

Проектирование синхронных машин, как, впрочем, и любой другой электрической машины, начинаем с выбора главных размеров. Для этого сначала необходимо определить номинальные параметры.

1. Номинальное фазное напряжение (предполагаем, что обмотка статора будет соединена в звезду):

2. Номинальная полная мощность:

3. Номинальный фазный ток:

4. Число пар полюсов:

5. Расчётная мощность:

По рисунку 10.8 [1] для S’=686.3·10 3 ВА, p=3 предварительно находим внутренний диаметр статора D=0.605 м.

7. Внешний диаметр статора по (10.3) [1]:

По таблице 10.7 [1] ближайший нормализированный внешний диаметр статора D_а=850 мм (14-ый габарит).

Высота оси вращения h =500 мм = 0.5 м.

8. Полюсное деление:

9. Расчётная длина статора. Линейную нагрузку А и индукцию B_dн для машин мощностью более 100кВт выбираем по рисунку 10.9 [1]. При номинальном напряжении 6000 В.

10. Находим l по (10.6) [1]:

По рисунку 10.11 устанавливаем, что полученное значение l лежит в пределах, ограниченных кривыми при p=3.

11. Действительная длина статора:

12. Число вентиляционных каналов определяется при ширине канала b_к=0.01 м:

14. Суммарная длина пакетов сердечника:

Для статоров синхронных машин находят применение петлевые обмотки, состоящие из многовитковых катушек и волновые обмотки с числом эффективных проводников в пазу не более двух. Применение волновых обмоток имеет определённые преимущества при токах в параллельной ветви более 1000 А. Для статоров синхронных машин общего назначения находят применение двухслойные катушечные петлевые обмотки с числом эффективных проводников в пазу более двух.

15. Число параллельных ветвей обмотки статора:

23. Ширина изолированного проводника:

В синхронных машинах от 100 кВт и выше, выпускаемых промышленностью, применяется непрерывная изоляция класса нагревостойкости B, спецификация которой дана в таблице 3.5 [1]. Двухсторонняя толщина изоляции составляет d_из.п=4.7 мм при U_н=6 кВ.

25. Ширина паза (уточнённая):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

27. Плотность тока в проводнике в проводнике обмотки статора:

28. Проверка индукции в зубе (приближённо):

Индукция B_z1 лежит в пределах 1.6ч2 Тл, что удовлетворяет условию.

29. Проверка индукции в ярме статора (приближённо):

B_a находятся в допустимых пределах (B_a =1.21.45 Тл).

30. Перепад температуры в изоляции паза:

31. Градиент температуры в пазовой изоляции:

Проведённая проверка показала, что размеры паза выбраны удачно.

32. Витки фазы обмотки статора:

34. Коэффициент укорочения шага:

35. Коэффициент распределения обмотки статора:

36. Обмоточный коэффициент:

5. Воздушный зазор и полюса ротора

Воздушный зазор в основном определяет технико-экономические показатели машины. При увеличении зазора возрастают размеры полюсов, обмотки возбуждения и потери в этой обмотке. С другой стороны, при ма лых зазорах повышаются добавочные потери на поверхности полюсных наконечников, а также повышается опасность деформации ротора при зад е вании его о статор. От зазора зависит возможность кратковременных перегрузок си н хронных машин по моменту и мощности.

37. Приближённое значение воздушного зазора:

39. Ширина полюсного наконечника:

40. Радиус дуги полюсного наконечника:

41. Высота полюсного наконечника по таблице 10.9 при = 0.317 м :

42. Длина сердечника полюса и полюсного наконечника:

43. Расчётная длина сердечника полюса:

44. Предварительная высота полюсного сердеч ника :

45. Коэффициент рассеяния полюсов:

47. Длина ярма (обода) рото ра:

48. Минимальная высота ярма ротора:

Принято =1. 2 Тл; уточняется по чер тежу.

6. Демпферная обмотка

Демпферную (пусковую) обмотку размещают в пазах полюсных наконечников ротора. Эта обмотка в двигателях необходима для асинхронного пуска и успокоения качания ротора. Расчёт демпферной обмотки заключается в определении количества и размеров стержней обмотки, а также размеров короткозамыкающих сегментов.

Короткозамыкающие сегменты замыкают все стержни с торцов полюса и соединяются с сегментами соседних полюсов, образуя кольцо. В этом случае демпферная обмотка называется продольно-поперечной. Если сегменты соседних полюсов не соединены, то обмотка называется продольной. Наиболее часто применяются продольно-поперечные обмотки. Стержни выполняются из меди или латуни круглого сечения. Чаще всего пусковую обмотку выполняют из медных стержней.

49. Число стержней пусковой обмотки на полюсе N_c=7.

50. Поперечное сечение стержня пусковой обмотки:

52. Зубцовый шаг на роторе:

53. Проверяем условие:

Пазы ротора выбираем круглые, полузакрытые.

54. Диаметр паза ротора:

56. Сечение короткозамыкающего сегмента:

По таблице П3.4 выбираем прямоугольную медь 855 мм (q_кз=429.1 мм 2 ).

7. Расчёт магнитной цепи

Расчёт магнитной цепи проводят с целью определения МДС обмотки возбуждения F_fо, необходимой для создания магнитного потока машины Ф на холостом ходу. При вращении ротора этот поток наводит в обмотке статора ЭДС. Таким образом в результате расчёта магнитной цепи может быть построена зависимость E=f(F_fо), которая называется характеристикой холостого хода.

Для магнитопровода статора выбираем сталь 1511 (ГОСТ 214273-75) толщиной 0.5 мм. Полосы ротора выполняют из стали Ст3 толщиной 1 мм. Крепление полюсов к ободу магнитного колеса осуществляют с помощью шпилек и гаек.

57. Магнитный поток в зазоре:

58. Расчётная длина статора (уточнённая):

59. Индукция в воздушном зазоре:

60. Коэффициент воздушного зазора статора:

62. Коэффициент воздушного зазора:

63. Магнитное сопряжение воздушного зазора:

64. Ширина зубца статора на высоте 1/3 h_п1 от его коронки:

65. Индукция в сечении зубца на высоте 1/3 h_п1:

66. Магнитное напряжение зубцов статора, А:

67. Индукция в спинке статора:

68. Магнитное напряжение спинки статора, А:

Длина магнитной линии в спинке статора:

69. Высота зубца ротора:

70. Ширина зубца ротора по высоте от его коронки:

71. Индукция в зубце ротора:

72. Магнитное напряжение зубцов ротора:

73. Удельная магнитная проводимость рассеяния между внутренними поверхностями сердечников полюсов:

74. Удельная магнитная проводимость между внутренними поверхностями полюсных наконечников:

75. Удельная магнитная проводимость рассеяния между торцевыми поверхностями:

76. Удельная магнитная проводимость для потока:

77. Магнитное напряжение ярма статора, зазора и зубцов полюсного наконечника:

78. Поток рассеяния полюса:

79. Поток в сечение полюса у его основания:

80. Индукция в полюсе, Тл:

81. Магнитное напряжение полюса:

82. Магнитное напряжение стыка между полюсом и ярмом ротора, А:

83. Индукция в ободе магнитного колеса (ярма ротора), А:

84. Магнитное напряжение в ободе магнитного колеса:

85. Магнитное напряжение сердечника полюса, ярма ротора, и стыка между полюсом и ярмом, А:

86. Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения на один полюс:

Источник