Курсовой проект "Расчет синхронной машины"
Автор: student | Категория: Технические науки / Механика | Просмотров: 3292 | Комментирии: 0 | 06-03-2014 20:02

 

СКАЧАТЬ:  poyasnitelnaya_zapiska_2007-avtosohranennyy.zip [632,13 Kb] (cкачиваний: 131)

 

 

Оглавление

Введение. 4

1.Данные для проектирования.. 5

2. Магнитная цепь машины. Размеры, конфигурация, материалы.. 6

2.1 Конфигурация. 6

2.2 Главные размеры.. 6

2.4 Сердечник ротора. 9

3 Обмотка статора.. 12

4 Демпферная (пусковая) обмотка.. 18

5 Расчет магнитной цепи.. 20

5.1 Воздушный зазор. 20

5.2 Зубцы статора. 21

5.3 Спинка статора. 21

5.4 Зубцы полюсного наконечника. 22

5.5 Полюсы.. 22

5.6 Спинка ротора. 24

5.7 Воздушный зазор в стыке полюса. 25

5.8 Общие параметры магнитной цепи. 25

6 Активное и индуктивное сопротивление обмотки статора для установившегося режима.. 28

7 Расчет магнитной цепи при нагрузке. 30

8 Обмотка возбуждения.. 35

9 Параметры обмоток и постоянные времени.. 38

9.1 Сопротивления обмоток статора при установившемся режиме. 38

9.2 Сопротивления обмотки возбуждения. 39

9.3 Сопротивления демпферной обмотки. 39

9.4 Переходные и сверхпереходные сопротивления обмотки статора. 42

9.5 Сопротивления для токов обратной и нулевой последовательности  42

9.6    Постоянные времени обмоток. 43

10 Потери и КПД.. 45

11.1 Характеристики машин.. 47

11.2 Пусковые характеристики при S=1. 48

12 Тепловой и вентиляционный расчеты.. 51

12.1 Тепловой расчет обмотки статора. 51

12.2 Тепловой расчет обмотки возбуждения. 53

12.3 Вентиляционный расчет. 54

13 Масса и динамический момент инерции.. 56

13.1 Масса. 56

13.2 Динамический момент инерции ротора. 57

Заключение. 58

Список литературы.. 59

 

Введение

Синхронные машины имеют широкое распространение и выпускаются в большом диапазоне мощностей и частот вращения. В энергетике их применяют в качестве турбогенераторов и гидрогенераторов на электростанциях. В промышленных установках большое применение находят синхронные двигатели и генераторы.

Синхронные двигатели предназначаются для приводов не требующих регулирования частоты вращения, таких как насосы, компрессоры, шаровые мельницы, вентиляторы, двигатель генераторные установки и т.п.

Двигатели изготавливаются как с явнополюсными, так и с неявнополюсными роторами.

В неявнополюсном исполнении двигатели − турбодвигатели выпускают с частотой вращения 3000 об/мин на мощности от 630 до 12500 кВт. Более широкое распространение имеют явнополюсные синхронные двигатели с диапазоном частот вращения от 1500 до 100 об/мин при мощностях от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч киловатт.

Основное исполнение синхронных машин общепромышленного применения − с горизонтальным расположением вала. По способу защиты и вентиляции − защищенные или закрытые с самовентиляцией. Охлаждение − воздушное.

Синхронные машины общего назначения выпускают в виде ряда серий. Каждая серия включает в себя машины в определенном диапазоне мощностей и частот вращения, их выполняют на несколько нормализованных внешних диаметров статора, которые определяют габарит машины.

Как уже отмечалось, серии синхронных машин выпускают чаще всего в защищенном исполнении с горизонтальным исполнением вала. Поэтому в приведенной методике будут рассматриваться машины такого типа.

Все расчеты в курсовом проекте произведеныпо [1]. О.Д. Гольдберг, Я.С. Гурин, И.С. Свириденко Проектирование электрических машин: Учеб.для втузов – М.: Высш. шк., 1984.

 

1.     Данные для проектирования 

 

Наименование заданных параметров и их условные обозначения

Синхронный двигатель серии СД-2

1         

Номинальный режим работы

Продолжительный

2         

Номинальная мощность Р2, кВт

315

3         

Номинальное напряжение (линейное) Uл.н, В

6000

4         

Номинальная частота вращения n, об/мин

750

5         

Частота f, Гц

50

6         

Коэффициент мощности cos φ

0,8

7         

Способ соединения фаз статора

Звезда

8         

Способ возбуждения

От специальной обмотки вложенной в пазы статора

9         

Степень защиты от внешних воздействий

IP 23

10    

Способ охлаждения

IC01

11    

Исполнение по способу монтажа

IM1001

12    

Климатические условия и категория размещения

У2, У4

13    

Форма выступающего конца вала

Цилиндрическая

14    

Способ соединения с приводным механизмом

Цилиндрическая упругая муфта

 

2. Магнитная цепь машины. Размеры, конфигурация, материалы 

2.1 Конфигурация

Принимаем изоляцию класса нагревостойкостиF

2.1.1    Количество пар полюсов (9.1)

р=60f/n1=60∙50/750=4.

2.1.2    Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора (рисунок 11.1)

хσ*=0,14о.е.

2.1.3    Коэффициент мощности нагрузки (11.1)

кн=

2.1.4    Предварительное значение КПД (рисунок 11.2)

η'=0,94о.е.

2.2 Главные размеры

2.1.5    Расчетная мощность (1.11)

Р'=кнР2/(η'·cosφ)=1,09∙315/0,94·0,8=456582 Вт

2.1.6    Высота оси вращения (таблица 11.1)

h=450 мм

2.1.7    Допустимое расстояние от корпуса до опорной поверхности (таб 9.2)

h1=9 мм.

2.1.8    Наружный диаметр корпуса (1.27)

Dкорп=2∙(h-h1)=2∙(450-9)=882 мм.

2.1.9    Максимально допустимый наружный диаметр сердечника статора  (таблица 9.2)

Dн1max=850 мм.

2.1.10   Выбираемый диаметр сердечника статора (§ 11.3)

Dн1=850 мм.

2.1.11   Внутренний диаметр сердечника статора (§ 11.3)

D1=43+0,72∙ Dн1≈43+0,72∙850=655 мм

                     Примем D1=629 мм (уменьшение на 4%)

 

2.1.12   Предварительное значение линейной нагрузки статора (рис. 11.3)

А'1=485 А/мм.

2.1.13   Предварительное значение магнитной индукции в воздушном зазоре и номинальном режиме (рисунок 11.4)

В'б=0,8 Тл.

2.1.14   Предварительное значение максимальной магнитной индукции в воздуш­ном зазоре    машины при х.х. (11.3)

В'б0=В'бн=0,8/1,09=0,734 Тл.

2.1.15   Полюсное деление статора (1.5)

 

2.1.16   Индуктивное сопротивление машины по продольной оси (рис. 11.5)

хd*=2,2о.е.

2.1.17   Индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси (11.4)

Хadd* - хσ*=2,2-0,14=2,06о.е.

2.1.18   Коэффициент, учитывающий наличие зазоров в стыке полюса и сердечника ротора или полюсного наконечника и полюса (§ 11.3)

к'=1,06.

2.1.19                       Расчетная величина воздушного зазора между полюсным наконечником и   сердечником статора (11.2)

 

2.1.20                       Форма зазора эксцентричная по рисунку 11.8

2.1.21                       Отношение максимальной величины зазора к минимальной (§ 11.3)

'/ ''=1,5

2.1.22                       Расчетный воздушный зазор (11.13)

=0,75∙ '+0,25∙ ''=0,75·2,5+0,25·3,8=2,7 мм.

2.1.23                       Коэффициент полюсной дуги действительный (§ 11.3)

α=0,73-3,33∙10­-5∙Dн1=0,73-3,33∙10-5∙850=0,702.

2.1.24                       Коэффициент полюсной дуги расчетный (рисунок 11.9)

α'=0,66.

2.3 Сердечник статора

Марка стали 2411, изолировка листов лакировка, толщина стали 0,5 мм.

2.1.25    Коэффициент заполнения сердечника статора сталью (§ 9.3)

кс=0,95.

2.1.26    Коэффициент формы поля возбуждения (рисунок 11.9)

кв=1,15.

2.1.27    Обмоточный коэффициент (§ 9.3)

коб1=0,91

2.1.28    Расчетная длина сердечника статора (1.31)

 

2.1.29    Конструктивная длина сердечника статора (1.33)

1 = ℓ1+nк1 ∙ℓк1=330+5,4∙10=404 мм.

2.1.30    Отношение конструктивной длины к внутреннему диаметру сердечника статора  (9.2)

λ=ℓ1/D1=404/629=0,642

2.1.31    Проверка по условию λ< λmax (рисунок 11.10)

λmax=1,02.

 

2.1.32    Количество пазов на полюс и фазу (§ 11.3)

q1=3

2.1.33    Количество пазов сердечника статора (9.3)

z1=2рm1q1=2∙4∙3∙3=72

2.1.34    Проверка правильности выбора значения z1 (11.15)

z1/gm1=72/(4∙3)=6- целое число.

2.4 Сердечник ротора

Марка стали Ст 3, толщина листов 1,5 мм, листы без изоляционного покрытия и  насаживаются непосредственно на вал, кс=0,98.

2.1.35                       Длина сердечника ротора (11.20)

2=ℓ1+(10÷20)=404+15=419 мм.

2.1.36                       Сердечник полюса и полюсный наконечник

Марка стали Ст 3, толщина листов 1,5 мм, листы без изоляционного покрытия и   насаживаются непосредственно на вал кс=0,98.

2.1.37                       Длина шихтованного сердечника полюса (11.19)

п=ℓ1+(10÷15)=419 мм.

2.1.38                       Магнитная индукция в основании сердечника полюса (§ 11.3)

В'п=1,5 Тл.

2.1.39                       Предварительное значение магнитного потока (9.14)

Ф'=В'бD1ℓ'110-6/р=0,8∙629∙350∙10-6/4=0,044Вб.

2.1.40                       Ширина дуги полюсного наконечника (11.25)

bн.п=ατ=0,702∙247=173 мм.

 

2.1.41    Радиус очертания полюсного наконечника при эксцентричном воздушном зазоре  (11.26)

 

2.1.42    Высота полюсного наконечника (§ 11.3)

h'н.п=17 мм.

2.1.43    Высота полюсного наконечника по оси полюса для машин с эксцентрич­ным зазором (11.29)

hн.п=h'н.п+Rн.п -

2.1.44    Поправочный коэффициент (11.24)

кσ=1,3∙hн.п+30=1,3∙30+30=69

2.1.45    Предварительное значение коэффициента магнитного рассеяния полюсов (11.22)

σ'=1+кσ35 /τ2=1+69∙35∙2,7/2472=1,107.

2.1.46    Ширина сердечника поюса (11.21)

bп=σ'Ф'∙106/(кспВ'п)=1,107∙0,042∙106/(0,98∙395*1,5)=82 мм.

2.1.47    Высота выступа у основания сердечника (11.32)

h'п=10,5· δ`+0,18· D1=139,47 мм.

Примем h'п=140 мм

2.1.48    Предварительный внутренний диаметр сердечника ротора (11.33)

D'2=dвв

Примем исходя из таб.3-1 D2=92 мм

2.1.49    Высота спинки ротора (11.34)

hс2=0,5D1- -h'п-0,5D'2=0,5∙629-2,7-140-30-0,5∙170=57 мм.

 

2.1.50    Расчетная высота спинки ротора с учетом прохождения части магнитногопотока по валу (11.35)

h'с2=hс2+0,5D'2=57+0,5∙170=142 мм.

2.1.51    Магнитная индукция в спинке ротора (11.36)

Вс2=  Тл.

 

3 Обмотка статора 

 

3.1 По [табл. 9-4, § 9-4] принимаем двухслойную петлевую обмотку с жесткими секциями из про­вода марки ПЭТП-155, укладываемую в прямоугольные открытые пазы.

 

3.2Коэффициент распределения [9-9]

 

кр1= ,

где  α=60/q1.

 

3.3  Укорочение шага [§ 9-4]

 

при 2p≥4 принимаем β'1=0,8.

 

3.4Шаг обмотки [9-11]

 

уп1= β1∙z1/(2∙p) = 0,8∙72/8 = 7,2.

Принимаем уп1= 8

 

3.5Укорочение шага обмотки статора по пазам  [11-37]

 

β1=2∙р∙уп1/z1=8∙8/72=0,889.

 

3.6Коэффициент укорочения [9-12]

 

ку1=sin(β1∙90˚)=sin(0,889∙90)=0,985.

 

3.7Обмоточный коэффициент [9-13]

 

коб1р1∙ку1=0,96∙0,985=0,945.

 

3.8Предварительное количество витков в обмотке фазы [9-15]

 

w'1= .

 

3.9Количество параллельных ветвей обмотки статора [§ 9-3]

 

а1=1.

 

3.10Предварительное количество эффективных проводников в пазу [9-16]

 

N'п1= .

 

Принимаем Nп1=36.

 

3.11Уточненное количество витков [9-17]

 

.

 

3.12Количество эффективных проводников дополнительной обмотки в пазу [§ 11-4]

Nд=1.

 

3.13Количество параллельных ветвей фазы дополнительной обмотки     [§ 11-4]

 

ад=4.

 

3.14Количество витков дополнительной обмотки статора [11-38]

 

.

 

3.15Уточненное значение магнитного потока  [9-18]

 

Ф=Ф'(w'1/w1)= 0,042·(433/433)= 0,042Вб.

 

3.16Уточненное значение индукции в воздушном зазоре  [9-19]

 

Вб=В'б(w'1/w1)= 0,8∙(433/433)= 0,8 Тл.

 

3.17Предварительное значение номинального фазного тока  [11-40]

 

 А.

 

3.18Уточненная линейная нагрузка статора  [9-21]

 

 А/см.

Отклонение 8%

 

3.19Среднее значениемагнитной индукции в спинке статора  [табл.9-13]

 

Вс1=1,5 Тл.

 

3.20  Обмотка статора с прямоугольными открытыми пазами  [табл. 9-16]

 

В'з1max= 1,8 Тл.

 

3.21Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора  [9-22]

 

t1 = π∙D1/z1 = 3,14∙629/72 = 27,445 мм.

 

3.22Предельная ширина зубца в наиболее узком месте  [9-47]

 

b'з1min=  мм.

 

3.23Предварительная ширина открытого паза в штампе  [9-48]

 

b'п1=t1min-b'з1min= 27,445 – 13,113= 14,333 мм.

 

3.24Высота спинки статора  [9-24]

 

hc1=  мм.

 

3.25Высота паза  [9-25]

 

hn1=  мм.

 

3.26 Общая толщина изоляции обмотки в пазу по высоте  [прил. 28]

 

hи= 14,2 мм.

 

3.27Общая толщина изоляции обмотки в пазу по щирине  [прил. 28]

 

2bи=4,3 мм.

 

3.28Высота шлица  [§ 9-4]

 

hш=1,0 мм.

3.29Высота клина  [§ 9-4, стр. 135]

 

hк=3,5 мм.

 

3.31Припуск на сборку сердечника по ширине  [§ 9-4]

 

bc=0,35 мм.

 

3.32 Припуск на сборку сердечника по высоте  [§ 9-4]

 

hc=0,35 мм.

 

3.33Количество эффективных проводников по ширине паза [§ 9-4]

 

Nш=1.

 

3.34Допустимая ширина эффективного проводника с витковой изоляцией [9-50]

 

b'эф= (b'n1-2bи1-bc)/Nш = (14,333-4,3-0,35)/1 = 9,883 мм.

 

3.35Количество эффективных проводников по высоте паза [9-52]

 

Nв = Nп1/Nш = 36/1 = 36.

 

3.36Допустимая высота эффективного проводника [11-49] (с0=0,9)

 

а'эф=(с0∙hn1-hи-hk-hш-hс)/Nв=(0,9∙72-14,2-3,5-1-0,35)/36=1,27 мм.

 

3.37Площадь эффективного проводника  [9-53]

 

S'эф = а'эф∙ b'эф = 1,27∙9,883 = 12,57 мм2.

 

3.38Количество элементарных проводников в одном эффективном [§ 9-4]

 

с=2.

 

3.39Меньший размер неизолированного элементарного провода  [9-54]

 

а' = (а'эфа)-Δи=1,27/1–0,28= 0,993 мм;

 

где Δи=0,28мм – двухсторонняя толщина изоляции провода [прил. 3].

 

3.40Больший размер неизолированного элементарного провода  [9-55]

 

b'=(b'эфb)-Δи=9,883/2-0,28= 9,663 мм.

 

3.41Размеры провода  [прил. 2]

 

а × b = 0,9 ×7,1 мм;

 

S= 6,551 мм2.

 

3.42Размер по ширине паза в штампе  [9-57]

 

bn1 = Nш∙сb(b+Δи)+2∙bи1+bс = 1∙1(7,1+0,28)+4,3+0,35 = 12,03 мм.

 

3.43Уточненная ширина зубца в наиболее узкой части  [9-58]

 

bз1min=t1min-bn1=27,445-12,03 = 15,415 мм.

 

3.44Уточненная магнитная индукция в узкой части зубца статора [9-59]

 

Вз1max=t1∙Bб/(bз1minkc)=27,445∙0,8/(15,415∙0,95)=1,503 Тл.

 

3.45Размер основной обмотки статора по высоте паза  [11-50]

 

hп.о=Nв.осо.в(а+Δи.а)+hи.о=36∙1(0,9+0,28)+12,4 = 52,72 мм.

 

3.46Размер дополнительной обмотки статора по высоте паза  [11-51]

 

hп.д=Nв.дсд.в(а+Δи.а)+hи.д=1∙1(0,9+0,28)+1,8=4,04 мм.

 

3.47Уточненная высота паза статора в штампе [11-52]

 

hп1=hп.о+hп.д+hк+hш+hс=52,72+4,04+3,5+1,0+0,35 = 61,61 мм.

3.48Среднее зубцовое деление статора  [9-40]

 

tср1=π(D1+hп1)/z1=3,14·(629+61,61)/72= 30мм.

 

3.49Средняя ширина катушки обмотки статора  [9-41]

 

bср1 = tср1∙уп1 = 30∙8 = 240 мм.

 

3.50Средняя длина одной лобовой части обмотки  [9-60]

 

л1= 1,2∙bср1+hп1+90= 1,2∙240+61,61+90 = 440 мм.

 

3.51Длина вылета лобовой части обмотки   [9-63]

 

в1=0,35∙bср1+hп1/2+45 = 0,35∙240+61,61/2+45 = 160 мм.

 

3.52Плотность тока в обмотке статора  [9-39]

 

J1 = I1/(S∙c∙a1) = 40,307/(2∙6,551∙1) = 3,076 А/мм2.

 

3.53Определяем значение А1J1

 

А1·J1 = 528,707∙3,076 = 1672A2/(cм∙мм2).

 

3.54Допустимое значение (А1J1)доп  [рис. 11-12]

 

1J1)доп= 2240A2/(cм∙мм2).

 


4 Демпферная (пусковая) обмотка 

4.1 Суммарная площадь поперечного сечения стержней демпферной обмотки на один по­люс  [11-53]

 

S= 0,015∙τ∙А1/J1 = 0,015∙247∙528,707/3,076 = 636,757 мм2.

 

4.2Зубцовое деление полюсного наконечника ротора  [§ 11-5]

 

t'2= 27,5 мм.

 

4.3Предварительное количество стержней демпферной обмотки на один по­люс [11-54]

 

N'2 = 1+(bн.п-20)/t'2 = 1+(636,757-20)/27,5 ≈ 8.

 

4.4Предварительный диаметр стержня демпферной обмотки  [11-55]

 

d'с=1,13·  мм.

 

4.5Диаметр и сечение стержня  [§ 11-5]

 

dс= 10 мм;  S= 79 мм2.

 

4.6Определяем отношение h'н.п/d  [§ 11-5]

 

h'н.п/dс = 17/10 = 1,7 ≥ 1,7.

 

4.7Минимальная ширина крайнего зубца  полюсного наконечника [§ 11-5]

 

bз2min= 8 мм.

 

4.8Уточненное значение зубцовогоделения полюсного наконечника

[11-56]

 

t2 = (bн.п– dc– 2bз2min)/(N2-1) = (173-10-2∙8)/(8-1) = 21 мм.

 

4.9Диаметр круглой части паза полюсного наконечника  [11-57]

 

dп2=dс+0,1=10+0,1=10,1 мм.

 

4.10   Размеры шлица паза демпферной обмотки  [§ 11-5]

 

bш2×hш2=6 мм.

 

4.11Предварительная длина стержня демпферной обмотки  [11-58]

 

ℓ'ст= ℓ1+0,2∙τ = 380+0,2∙247 = 430 мм.

 

4.12Площадь поперечного сечения  [11-59]

 

S'с = 0,5·S= 0,5∙636 = 318 мм2.

 

4.13Высота короткозамыкающего сегмента  [§ 11-5]

 

h'с≥2∙dс=2∙10=20 мм.

 

4.14Ширина короткозамыкающего сегмента  [§ 11-5]

 

ℓ'с≥0,7∙dс=0,7∙10 = 7 мм.

 

4.15Уточненные размеры и сечение короткозамыкающего сегмента

[прил. 2]

 

hc×ℓс = 20×7 мм;

 

Sс = 198,1 мм2.

 

5 Расчет магнитной цепи 

 

5.1 Воздушный зазор

 

5.1.1Расчетная площадь поперечного сечения воздушного зазора  [11-60]

 

Sб = α'∙τ(ℓ'1+2∙б) = 0,66∙247∙(330+2∙2,7) = 54678,617 мм2.

 

5.1.2Уточненное значение магнитной индукции в воздушном зазоре

[11-61]

 

Вб= Ф∙106/Sб = 0,042∙106/54678,617 = 0,761 Тл.

 

5.1.3 Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения статора  [9-116]

 

кб1=1+ .

 

5.1.4Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения ротора [9-117]

 

кб2=1+ .

 

5.1.5Коэффициент, учитывающий уменьшение магнитного сопротивления воздушного зазора при наличии радиальных каналов  [§ 9-7]

 

.

 

5.1.6Общий коэффициент воздушного зазора [9-120]

 

кб = кб1∙кб2∙кк = 1,309∙1,027∙0,989 = 1,329.

 

5.1.7МДС для воздушного зазора  [9-121]

 

Fб = 0,8∙ δ∙кб∙Вб∙103 = 0,8∙2,7∙1,329·0,761∙103 = 2184,6 А.

5.2 Зубцы статора

 

5.2.1      Зубцовое деление статора в минимальном сечении зубца [9-46]

 

мм.

 

5.2.2Ширина зубца [9-126]

 

bз1 (1/3) = t1 (1/3) – bп1 = 29,5–12 = 17, 5 мм.

 

5.2.3Магнитная индукция в зубце статора на расстоянии 1/3 его высоты от окружности [9-136]

 

ВЗ 1(1/3) = Ф∙106/S1(1/3) = 0,042·106/32588,325 = 1,277 Тл.

 

5.2.5Напряженность магнитного поля в зубцах  [прил. 10]

 

Hз1 = 6,9 А/см.

 

5.2.6                      Средняя длина пути магнитного потока

 

Lз1 = hп1 = 61,61 мм.

 

5.2.7МДС для зубцов  [9-125]

 

Fз1 = 0,1∙Нз1∙Lз1 = 0,1∙6,6∙61,61 = 42,511 А.

 

5.3 Спинка статора

 

5.3.1Расчетная площадь поперечного сечения спинки статора  [11-66]

 

Sc1 = hc1∙ℓc1∙kc= 38,4∙380∙0,95 = 13870 мм2.

 

5.3.2Расчетная магнитная индукция  [11-67]

 

Вс1= Ф∙106/2(Sc1) = 0,042∙106/(2∙13870) = 1,5 Тл.