Расчёт генератора

Расчёт генератора

Полюсное деление статора (1.5)

мм.

Индуктивное сопротивление машины по продольной оси (рис. 11.5)

хd*=2,5 о.е.

Индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси (11.4)

хad*=хd* - х?*=2,5-0,12=2,38 о.е.

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

к'=1,05

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

мм.

Уточненная величина воздушного зазора (§ 11.3)

б=2,0 мм.

Воздушный зазор под краем полюсного наконечника (11.14)

б''=б/0,75=2/0,75=2,7

Коэффициент полюсной дуги действительный (§ 11.3)

?=0,73-3,33•10 -5•Dн1=0,73-3,33•10 -5•660=0,7.

Коэффициент полюсной дуги расчетный (рисунок 11.9)

?'=0,66.

Коэффициент формы поля возбуждения (рисунок 11.9)

кв=1,17.

Расчетная длина сердечника статора (1.31)

.

2.3.5 Конструктивная длина сердечника статора (§ 11.3)

?1 = ?'1 =300 мм.

Отношение конструктивной длины к внутреннему диаметру сердечника статора (9.2)

?=?1/D1=300/518,2=0,58.

Количество пазов на полюс и фазу (§ 11.3)

q1=4.

Количество пазов сердечника статора (9.3)

z1=2рm1q1=2•3•3•4=72.

Проверка правильности выбора значения z1 (11.15)

z1/gm1=72/(3•3)=8 - целое число.

Магнитная индукция в основании сердечника полюса (§ 11.3)

В'п=1,45 Тл.

Предварительное значение магнитного потока (9.14)

Ф'=В'бD1•?'110-6/р=0,79•518,2•300•10-6/3=40,9•10-3 Вб.

Ширина дуги полюсного наконечника (11.25)

bн.п=??=0,7•271,2=190 мм.

Радиус очертания полюсного наконечника при эксцентричном воздушном зазоре (11.26)

 мм.

Ширина полюсного наконечника (11.28)

b'н.п=2Rн.пsin (0.5bн.п/Rн.п)= 2•246•sin (0,5•190/246)=185 мм.

Высота полюсного наконечника (§ 11.3)

h'н.п=15 мм.

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

hн.п=h'н.п+Rн.п - мм

Поправочный коэффициент (11.24)

к?=1,25hн.п+25=1,25•33+25=66.

Предварительное значение коэффициента магнитного рассеяния полюсов (11.22)

?'=1+к?35б/?2=1+66•35•2/271,22=1,06.

Ширина сердечника полюса (11.21)

bп=?'Ф'•106/(кс?пВ'п)=1,06•40,9•10-3•10 6/(0,98•310•1,45)=98,4 мм.

Высота выступа у основания сердечника (11.32)

h'п=10,5б'+0,18D1=10,5•1,8+0,18•518,2=112 мм.

Предварительный внутренний диаметр сердечника ротора (11.33)

D'2=dв=кв мм.

Высота спинки ротора (11.34)

hс2=0,5D1-б-h'п-0,5D'2=0,5•518,2-2-112-33-0,5•140=42 мм.

Расчетная высота спинки ротора с учетом прохождения части магнитного потока по валу (11.35)

h'с2=hс2+0,5D'2=42+0,5•140=112 мм.

Магнитная индукция в спинке ротора (11.36)

Вс2= Тл.

Рисунок 1 - Эскиз ротора

3. Обмотка статора

3.1 Принимаем двухслойную петлевую обмотку с жесткими секциями из провода марки ПЭТВП, укладываемую в прямоугольные полуоткрытые пазы

3.2 Коэффициент распределения (9.9)

кр1=;

где ?=60/q1.

3.4 Шаг обмотки (9.11)

уп1=?1z1/(2p)=0,8•72/(2•3)=9,6;

Принимаем уп1=10.

3.5 Укорочение шага обмотки статора по пазам (11.37)

?1=2руп1/z1=2•3•10/72=0,833.

3.6 Коэффициент укорочения (9.12)

ку1=sin(?1•90?)=sin (0,833•90)=0,966.

3.7 Обмоточный коэффициент (9.13)

коб1=кр1•ку1=0,96•0,966=0,93.

3.8 Предварительное количество витков в обмотке фазы (9.15)

w'1=.

3.9 Количество параллельных ветвей обмотки статора (§ 9.3)

а1=3.

3.10 Предварительное количество эффективных проводников в пазу (9.16)

N'п1=;

Принимаем N'п1=8.

3.11 Уточненное количество витков (9.17)

.

3.12 Количество эффективных проводников в пазу (§ 11.4)

Nд=1.

3.13 Количество параллельных ветвей фазы дополнительной обмотки

ад=2.

3.14 Количество витков дополнительной обмотки статора (11.38)

.

3.15 Уточненное значение магнитного потока (9.18)

Ф=Ф'(w'1/w1)= 40,9•10-3 (29,4/32)= 38,3•10-3 Вб.

3.16 Уточненное значение индукции в воздушном зазоре (9.19)

Вб=В'б(w'1/w1)=0,83•(29,4/32)=0,74 Тл.

3.17 Предварительное значение номинального фазного тока (9.20)

А.

3.18 Уточненная линейная нагрузка статора (9.21)

.

Полученное значение А1 не отличается от предварительно принятого А'1=425 А/см более чем на 10%.

3.19 Среднее значение магнитной индукции в спинке статора (т. 9.13)

Вс1=1,65 Тл.

3.23 Предварительная ширина полуокрытого паза в штампе (9.48)

b'п1=t1min-b'з1min=22,99-9,95=13,04 мм.

3.24 Высота спинки статора (9.24)

hc1= мм.

3.25 Высота паза (9.25)

hn1=(Dн1-D1)/2-hc1=(660-518,2)/2-40,7=30,2 мм.

3.26 Изоляция обмотки статора (приложение 28)

hи=4,5 мм.

3.27 Двусторонняя толщина корпусной изоляции (§ 9.4)

2bи=2,2 мм.

3.29 Высота клина (§ 9.4)

hк=3,5 мм.

3.30 Припуск на сборку сердечника по ширине (§ 9.4)

bc=0,3 мм.

3.31 Припуск на сборку сердечника по высоте (§ 9.4)

hc=0,3 мм.

3.32 Количество эффективных проводников по ширине паза (§ 9.4)

Nш=2.

3.33 Допустимая ширина эффективного проводника с витковой изоляцией (9.50)

b'эф=(b'n1-2bи1-bc)/Nш=(13,01-2,2-0,3)/2=5,27 мм.

3.34 Количество эффективных проводников по высоте паза (9.52)

Nв=Nп1/Nш=8/2=5.

3.35 Допустимая высота эффективного проводника (11.49)

а'эф=(с0hn1-hи-hk-hш-hс)/Nв=(0,85•30,2-4,5-3,5-1-0,3)/4=4,09 мм.

3.36 Площадь эффективного проводника (9.53)

S'эф=а'эф•b'эф=4,09•5,27=21,55 мм2.

3.37 Количество элементарных проводов в эффективном (§ 9.4)

с=4.

3.38 Меньший размер неизолированного элементарного провода (9.54)

а'=(а'эф/са)-?и=4,09/2-0,15=1,9 мм,

где ?и=0,15 мм - двухсторонняя толщина изоляции провода (приложение 3).

3.39 Больший размер неизолированного элементарного провода (9.55)

b'=(b'эф/сb)-?и=5,27/2-0,15=2,49 мм.

3.40 Размеры провода (приложение 2)

а х b=1,8 х 2,8;

S=4,677 мм2.

3.41 Размер по ширине паза в штампе (9.57)

bn1=Nшсb(b+?и)+2bи+bс=2•2 (2,8+0,15)+2,2+0,3=14,3 мм.

3.42 Уточненная ширина зубца в наиболее узкой части (9.85)

bз1min=t1min - bn1=22,99-14,3=8,69 мм.

3.43 Уточненная магнитная индукция в узкой части зубца статора (9.59)

Вз1max=t1Bб/(bз1minkc)=22,6•0,839/(8,69•0,95)=2,3 Тл.

3.44 Размер основной обмотки статора (11.50)

hп.о=Nв.осо.в(а+?и.а)+hи.о=4•2 (1,8+0,15)+4,5=20,1 мм,

где со.в=2 - количество элементарных проводников основной обмотки в одном эффективном по высоте пазе.

3.45 Изоляция обмотки статора (приложение 30)

hи.д=0,6+1,1+1=2,7 мм.

3.46 Размер дополнительной обмотки статора (11.51)

hп.д=Nв.дсд.в(а+?и.а)+hи.д=1•1 (1,8+0,15)+2,7=4,65 мм,

где сд.в=2 - количество элементарных проводников дополнительной обмотки в одном эффективном по высоте пазе.

3.47 Уточненная высота паза статора в штампе (11.52)

hп1=hп.о+hп.д+hк+hш+hс=20,1+4,65+3,5+1+0,3=29,55 мм.

3.48 Среднее зубцовое деление статора (9.40)

tср1=?(D1+hп1)/z1=3,14 (518,2+30,2)/72=23,92.

3.49 Средняя ширина катушки обмотки статора (9.41)

bср1=tср1•уп1=23,9•10=239,2.

3.50 Средняя длина одной лобовой части обмотки (9.60)

?л1=1,3bср1+hп1+50=1,3•239,2+30,2+50=391,2 мм.

3.51 Средняя длина витка обмотки (9.43)

?ср1=2 (?1+?л1)=2 (300+391,2)=1382,4 мм.

3.52 Длина вылета лобовой части обмотки (9.63)

?в1=0,4bср1+hп1/2+25=0,4•239,2+30,2/2+25=135,8 мм.

3.53 Плотность тока в обмотке статора (9.39)

J1=I1/(S•c•a1)=360,8/(4,677•4•3)=6,44 А/мм2.

3.54 Определяем значение А1J1 (§ 11.4)

А1J1=425,7•6,44=2742 А2/см•мм2.

3.55 Допустимое значение А1J1 (рисунок 11.12)

(А1J1) доп=2750 > 2742 А2/см•мм2.

Рисунок 2 - Эскиз статора

Зубцовое деление полюсного наконечника ротора (§ 11.5)

t'2=20 мм.

Предварительное количество стержней демпферной обмотки на один полюс (11.54)

N'2=1+(bн.п-20)/t'2=1+(190-20)/20=10 шт.

Предварительный диаметр стержня демпферной обмотки (11.55)

d'с=1,13 мм.

Диаметр и сечение стержня (§ (11.5)

dс=6 мм; S=26,26 мм2.

Определяем отношение (§ 11.5)

h'н.п/d=15/6=2,5 > 1,7.

Минимальная ширина крайнего зубца полюсного наконечника

bз2min=5 мм.

Уточненное значение зубцового деления полюсного наконечника (11.56)

t2=(bн.п - dc - 2bз2min)/(N2-1)=(190-6-2•5)/(10-1)=19,3 мм.

Диаметр круглой части паза полюсного наконечника (11.57)

dп2=dс+(0,1-0,15)=6+0,1=6,1 мм.

Размеры шлица паза демпферной обмотки (§ 11.5)

bш2 х hш2=2,5 х 3 мм.

Предварительная длина стержня демпферной обмотки (11.58)

?'ст=?1+0,2•?=300+0,2•271,2=355 мм.

Площадь поперечного сечения (11.59)

S'с=0,5S2?=0,5•269=135 мм2.

Высота короткозамыкающих сегментов (§ 11.5)

h'с=2•dс=2•6=12 мм.

Ширина короткозамыкающих сегментов (§ 11.5)

?'с=0,7•dс=4,2 мм.

Определяем размеры и сечение короткозамыкающих сегментов.

hc х ?с=4,25 х 12,5 мм;

Sс=52,27 мм2.

Уточненное значение магнитной индукции в воздушном зазоре (11.61)

Вб=Ф•106/Sб=38,3•103/54414=0,7 Тл.

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного зазора, вследствие зубчатого строения статора (9.116)

кб1=.

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного зазора, вследствие зубчатого строения ротора (9.117)

кб2=1+.

Общий коэффициент воздушного зазора (9.120)

кб=кб1•кб2=1,187•1,027=1,219.

МДС для воздушного зазора (9.121)

Fб=0,8бкбВб•103=0,8•2•1,219•0,7•103=1365 А.

5.2 Зубцы статора

Зубцовое деление на 1/3 высоты зубца (9.122)

t1(1/3)=?(D1+(2/3) hп1)/z1=3,14 (518,2+(2/3)•30,2)/72=21,7 мм.

Ширина зубца (9.126)

bз1(1/3)=t1(1/3)-bп1=21,7-14,3=7,4 мм.

Расчетная площадь поперечного сечения зубцов статора (11.64)

Sз1(1/3)= мм2.

Магнитная индукция в зубце статора (11.65)

Вз1(1/3)=Ф•106/Sз1(1/3)=38,3•103/(30,89•103)=1,24 Тл.

Напряженность магнитного поля (приложение 9)

Нз1=14,01 А/см.

Средняя длина пути магнитного потока (9.124)

Lз1=hп1=30,2 мм.

МДС для зубцов (9.125)

Fз1=0,1Нз1Lз1=0,1•14,01•30,2=42 А.

5.3 Спинка статора

Расчетная площадь поперечного сечения спинки статора (11.66)

Sc1=hc1?c1kc=40,7•300•0,9=11600 мм2.

Расчетная магнитная индукция (11.67)

Вс1=Ф•106/(2Sc1)= 38,3•103/(2•11600)=1,65 Тл.

Напряженность магнитного поля (приложение (12)

Нс1=17,2 А/см.

Средняя длина пути магнитного потока (9.166)

Lс1=?(Dн1-hс1)/4 р=3,14 (660-40,7)/(4•3)=162 мм.

МДС для спинки статора (11.68)

Fс1=0,1•Нс1Lс1=0,1•17,2•162=279 А.

5.4 Зубцы полюсного наконечника

Магнитная индукция в зубцах полюсного наконечника (11.69)

Вз2= Тл.

Напряженность магнитного поля в зубцах полюсного наконечника.

Нз2=9,53 А/см.

Средняя длина пути магнитного потока в зубцах полюсного наконечника (11.70)

Lз2=hш2+dп2=3+6,1=9,1

МДС для зубцов полюсного наконечника (11.71)

Fз2=0,1Hз2Lз2=0,1•9,53•9,1=9 А.

5.5 Полюсы

Величина выступа полюсного наконечника (11.72)

b''п=0,5 (b'н.п - bп)=0,5 (185-98,4)=43,3 мм.

Высота широких полюсных наконечников (11.83)

hн=(2hн.п+h'н.п)/3=(2•33+15)/3=27 мм.

Расстояние между боковыми поверхностями смежных полюсных наконечников (11.84)

ан.п=[?(D1-2б''-h'н.п)/2 р] - b'н.п=[3,14 (518,2-2•2,7-15)/(2•3)] - 185=75,5 мм.

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния (11.85)

.

Длина пути магнитного потока (11.87)

Lп=h'п+0,5hн.п - Lз2=112+0,5•33 - 9,1=119,4 мм.

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния по сердечникам полюсов (11.88)

.

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния по торцам полюсов (11.89)

?п.в=37bп/?п=37•98,4/310=11,74.

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния полюсов (11.90)

?п=?н.п+?п.с+?п.в=57,39+79,4+11,74=148,53.

МДС для статора и воздушного зазора (11.91)

Fбзс=Fб+Fз1+Fс1=1365+42+279=1686 А.

Магнитный поток рассеяния полюсов (11.92)

Ф?=4?п?н.пFбзс•10-11=4•148,53•1686•310•10-11=3,1•10-3 Вб.

Коэффициент рассеяния магнитного потока (11.93)

?=1+Ф?/Ф=1+3,1•10-3 /38,3•10-3 =1,08.

Расчетная площадь поперечного сечения сердечника полюса (11.94)

Sп=кс?пbп=0,98•310•98,4=29,89•103 мм2.

Магнитный поток в сердечнике полюса (11.95)

Фп=Ф+Ф?=(38,3+3,1) 10-3 =41,4•10-3 Вб.

Магнитная индукция в сердечнике полюса (11.96)

Вп=Фп/(Sп•10-6)= 41,4•10-3/(29,89•103•10-6)=1,39 Вб.

Напряженность магнитного поля в сердечнике полюса.

Нп=20,3 А/см.

Длина пути магнитного потока в полюсе (11.87)

Lп=h'п+0,5hн.п - Lз2=112+0,5•33 - 9,1=119,4 мм.

МДС для полюса (11.104)

Fп=0,1•Lп•Нп=0,1•119,4•20,3=242 А.

5.6 Спинка ротора

Расчетная площадь поперечного сечения спинки ротора (11.105)

Sс2=?2h'с2кс=310•112•0,98=34025,6 мм2.

Среднее значение индукции в спинке ротора (11.106)

Вc2=?Ф•106/(2Sс2)=1,08•38,3•10-3•106/(2•34025,6)=0,61 Тл.

Напряженность магнитного поля в спинке ротора (приложение 21)

Нc2=4,97 А/см.

Средняя длина пути магнитного потока в спинке ротора (11.107)

Lс2=[?(D2+2hc2)/(4p)]+0,5h'с2=[3,14 (140+2•42)/(4•3)+0,5•112=115 мм.

МДС для спинки ротора (9.170)

Fc2=0.1•Lc2•Hc2=0,1•115•4,97=57 А.

5.7 Воздушный зазор в стыке полюса

Зазор в стыке (11.108)

бп2=2?п•10-4+0,1=2•310•10-4+0,1=0,162 мм.

МДС для зазора в стыке между сердечником полюса и полюсным наконечником (11.109)

Fп2=0,8бп2Вп•103=0,8•0,162•1,39•103=180 А.

Суммарная МДС для полюса и спинки ротора (11.170)

Fпс=Fп+Fс2+Fп2+Fз2=242+57+180+9=488 А.

5.8 Общие параметры магнитной цепи

Суммарная МДС магнитной цепи (11.111)

F?(1)= Fбзс+Fпс=1686+488=2174 А.

Коэффициент насыщения (11.112)

кнас=F?/(Fб+Fп2)=2174/(1365+180)=1,4.

6. Активное и индуктивное сопротивление обмотки статора для установившегося режима

Активное сопротивление обмотки фазы (9.178)

r1= Ом.

Активное сопротивление в относительных единицах (9.179)

r1*=r1I1/U1=0,01•360,8•/400=0,0216 о.е.

Проверка правильности определения r1* (9.180)

r1*= о.е.

Активное сопротивление демпферной обмотки (9.178)

rд= Ом.

Размеры паза

bп1=14,3 мм; hш1=1 мм; hк1=3 мм; h2=1,9 мм; hп1=30,2 мм; h3=h4=1 мм;

h1= hп1 - h4 - h2 - hк1 - hш1 =30,2-1-1,9-3-1=23,3 мм.

Коэффициенты, учитывающие укорочение шага (9.181, 9.182)

к?1=0,4+0,6?1=0,4+0,6•0,833=0,9;

к'?1=0,2+0,8?1=0,2+0,8•0,833=0,87.

Коэффициент проводимости рассеяния (9.187)

?п1=

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния (11.118)

?д1=.

Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки (9.191)

?л1=0,34.

Коэффициент зубцовой зоны статора (11.120)

квб=.

Коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов статора на магнитную проницаемость рассеяния между коронками зубцов (§ 11.7)

кк=0,04.

Коэффициент проводимости рассеяния между коронками зубцов (11.119)

.

Суммарный коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния обмотки статора (11.121)

?1=?п1+?л1+?д1+?к=0,9681+0,4956+1,12+0,175=2,7587.

Индуктивное сопротивление обмотки статора (9.193)

х?=1,58f1•?1w21•?1/(pq1•108)=1,58•50•300•322•2,7578/(3•4•108)=0,0558 Ом.

Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора (9.194)

х?*=х1•I1/U1=0,0558•360,8•/400=0,09 о.е.

Проверка правильности определения х1*(9.195)

х?*= о.е.

7. Расчет магнитной цепи при нагрузке

Строим частичные характеристики намагничивания Ф=f(Fбзс), Ф?=f(Fбзс), Фп=f(Fп2) (о.е.).

Строим векторные диаграммы Блонделя по следующим исходным данным: U1=1; I1=1; cos ?=0,8; ?=36,87(отстающий); x=0,069

Рисунок 5 - Диаграмма Блонделя

ЭДС, индуктированная магнитным потоком воздушного зазора

Eб=1,022 о.е.

МДС для воздушного зазора

Fб=0,91 о.е.

МДС для магнитной цепи воздушного зазора и статора

Fбзс=1,043 о.е.

Предварительный коэффициент насыщения магнитной цепи статора

к'нас=Fбзс/Fб=1,043/0,91=1,15.

Поправочные коэффициенты, учитывающие насыщение магнитной цепи

хd=0,95;

хq=0,75;

кqd=0,0029.

Коэффициенты реакции якоря

каd=0,86;

каq=0,4.

Коэффициент формы поля реакции якоря

кфа=1.

Амплитуда МДС обмотки статора (11.125)

Fa=0,45m1w1•коб1•I1кфа/р=0,45•3•32•0,93•360,8•1/3=4832 А.

Амплитуда МДС обмотки статора в относительных единицах (11.127)

Fф*= о.е.

Поперечная составляющая МДС реакции якоря, с учетом насыщения, отнесенная к обмотке возбуждения (11.128)

Faq/cos?=хqkaqFa*=0,75•0,4•2,22=0,67 о.е.

ЭДС обмотки статора, обусловленная действием МДС

Eaq/cos?=0,77 о.е.

Направление вектора ЭДС Ебd, определяемое построением вектора Еaq/cos?

?=60,36?;

cos?=0,495;

sin?=0,869.

Продольная МДС реакции якоря с учетом влияния поперечного поля (11.130)

F'ad=xdkadFa*sin?+kqdFa*cos??/?=

=0,95•0,86•2,22•0,869+0,0029•2,22•0,495•271,2/2=2 о.е.

Продольная составляющая ЭДС

Eбd*=Фбd=0,95 о.е.

МДС по продольной оси

Fбd*=0,95 о.е.

Результирующая МДС по продольной оси (11.131)

Fба*=Fбd*+F'ad*=0,95+2=2,93 о.е.

Магнитный поток рассеяния

Ф?*=0,24 о.е.

Результирующий магнитный поток (11.132)

Фп*=Фбd*+Ф?*=0,95+0,24=1,19 о.е.

МДС, необходимая для создания магнитного потока

Fп.с=0,29 о.е.

МДС обмотки возбуждения при нагрузке (11.133)

Fп.н*=Fбф*+Fпс*=2,93+0,29=3,22 о.е.

МДС обмотки возбуждения при нагрузке (11.134)

Fп.н=Fп.н*F?(1)=3,22•2174=7000 А.

8. Обмотка возбуждения

Напряжение дополнительной обмотки (1.135)

Ud=U1wd/w1=400•6/32=75 В.

Предварительная средняя длина витка обмотки возбуждения (11.136)

?'ср.п=2,5 (?п+bп)=2,5 (310+98,4)=1021 мм.

Предварительная площадь поперечного сечения проводника обмотки возбуждения (11.173)

S'= мм2.

Предварительное количество витков одной полюсной катушки (11.138)

w'п=.

Расстояние между катушками смежных полюсов (11.139)

ак= мм.

По таблице 10-14 принимаем изолированный медный провод марки ПСД (класс нагревостойкости изоляции F) прямоугольного сечения с двусторонней толщиной изоляции 0,27х0,48 мм, катушка многослойная.

Размеры проводника без изоляции:

а х b=1,35 х 12,5.

Размеры проводника с изоляцией

а' х b'=1,62 х 12,98.

Площадь поперечного сечения проводника (приложение 2)

S=16,5 мм2.

Предварительное наибольшее количество витков в одном слое

Nв'=(hп-hпр)/(1,05b')= (112-2•5)/(1,05•12,98)=7,5.

Предварительное количество слоев обмотки по ширине полюсной катушки

Nш'= w'п/ Nв'=114/7,5=15,2

Выбираем Nш =16 слоев обмотки по ширине полюсной катушки

6 слоев по 8 витков

5 слоев по 7 витков

5 слоя по 6 витков

Уточненное наибольшее количество витков в одном слое (рис 11.22)

Nв =8

Уточненное количество витков одной полюсной катушки (рис. 11.22)

wп=113

Размер полюсной катушки по ширине

bк.п=1,05Nш а'=1,05•16•1,62=27,2 мм

Размер полюсной катушки по высоте (11.150)

hк.п=1,05Nв b'=1,05•8•12,98=109 мм

Средняя длина витка катушки (11.144)

?ср.п=2 (?п+ bп)+ ?(bк+2 (bз+bи).)=2 (310+98,4)+ 3,14 (27,2+7)=924 мм

Ток возбуждения при номинальной нагрузке (11.153)

Iп.н=Fп.н/wп=7000/113=61,4 А.

Количество параллельных ветвей в цепи обмотки возбуждения (§ 11.9)

ап=1.

Уточненная плотность тока в обмотке возбуждения (11.154)

Jп=Iп.н/(апS)=61,4/(1•16,5)=3,72 А/мм2.

Общая длина всех витков обмотки возбуждения (11.155)

Lп=2рwп?ср.п•10-3=2•3•113•924•10-3=632 м.

Массам меди обмотки возбуждения (11.156)

mм.п=?м•8,9LпS•10-3=8,9•632•16,5•10-3=92,8 кг.

Сопротивление обмотки возбуждения при температуре 20? С (11.157)

rп=Lп/?м20апS=632/(57•1•16,5)=0,672 Ом.

Максимальный ток возбуждения (11.158)

Iпmax=Uп/rпmт=(75-2)/(0,672•1,38)=78,72 А.

Коэффициент запаса возбуждения (11.159)

Iпmax/Iп.н=1,28.

Номинальная мощность возбуждения (11.160)

Рп=(75-2)•78,72=5747 Вт.

Рисунок 6 - Эскиз полюса ротора

9. Параметры обмоток и постоянные времени. Сопротивления обмоток статора при установившемся режиме

9.1 Сопротивления обмоток статора при установившемся режиме

Коэффициент продольной реакции якоря (таблица 11.4)

=0,86

Коэффициент насыщения при Е=0,5

кнас(0,5)=.

МДС для воздушного зазора

Fб(1)=1365 А.

Индуктивное сопротивление продольной реакции якоря (11.162)

хad*= о.е.

Коэффициент поперечного реакции якоря (таблица 11.4)

кaq=0,4.

Индуктивное сопротивление поперечной реакции якоря (11.163)

хaq*=о.е.

Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси (11.164)

хd*=хad*+х?*=2,46+0,0558=2,516 о.е.

Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси (11.165)

хq*=хaq*+х?*=1,27+0,0558=1,326 о.е.

9.2 Сопротивление обмотки возбуждения

Активное сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к обмотке статора (11.166)

о.е.

Коэффициент магнитной проводимости потоков рассеяния обмотки возбуждения (11.167)

?п?=?н.п+0,65?пс+0,38?п.в=57,39+0,65•79,4+0,38•11,74=113,5.

Индуктивное сопротивление обмотки возбуждения (11.168)

хп*=1,27кadхad*(1+о.е.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения (11.169)

хп?*=хп* - хad*=2,85-2,46=0,39 о.е.

9.3 Сопротивления пусковой обмотки

Относительное зубцовое деление демпферной обмотки (11.170)

t2*=?t2/?=3,14•19,3/271,2=0,223 о.е.

Коэффициент распределения демпферной обмотки (11.171)

кр2=.

Коэффициент магнитной проводимости потока рассеяния по зубцам полюсного наконечника (11.172)

?дз=t2/(gdб)=22,6/(16,5•2)=0,585.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния полюсов (11.173)

?dп=(0,785-.

Коэффициенты (рисунок 11.23)

Сd=1;

Cq=3,25.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей демпферной обмотки по продольной оси (11.174)

?длd=0.019?Cd/N2=0,019•271,2•1/10=0,515.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей демпферной обмотки по поперечной оси (11.175)

?длq=0., 019?Cq/N2=0,019•271,2•3,25/10=1,675.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния демпферной обмотки по продольной оси (11.176)

?дd=.

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния демпферной обмотки по поперечной оси (11.177)

?дq=.

Индуктивной сопротивление полной демпферной обмотки по продольной оси (11.178)

хдd*=о.е.

Индуктивной сопротивление полной демпферной обмотки по поперечной оси (11.179)

хдq*=о.е.

Активное сопротивление стержней демпферной обмотки по продольной оси (11.181)

rcd*=о.е.;

где ?0=4?•10-7 Гн/м - магнитная проницаемость воздуха.

Активное сопротивление стержней демпферной обмотки по поперечной оси (11.182)

rcq*=0,75rcd*=0,1 о.е.

Активное сопротивление короткозамыкающих колец демпферной обмотки по продольной оси (11.183)

rkd*= о.е.

Активное сопротивление короткозамыкающих колец демпферной обмотки по поперечной оси (11.184)

rkq*=1,5rkd*=0,068 о.е.

Активное сопротивление полной демпферной обмотки по продольной оси (11.185)

rдd*=rcd*+rkd*=0,133+0,068=0,178 о.е.

Активное сопротивление полной демпферной обмотки по поперечной оси (11.186)

rдq*=rcq*+rkq*=0,1+0,068=0,168 о.е.

9.4 Переходные и сверхпереходные сопротивления обмотки статора

Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси (11.188)

x'd*=x?*+ о.е.

Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора по поперечной оси (11.189)

х'q*=xq*=1,326 о.е.

Сверхпереходное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси (11.190)

x''d*=x?*=о.е.

Сверхпереходное индуктивное сопротивление обмотки статора по поперечной оси (11.191)

x''q*=x?*+о.е.

9.5 Сопротивления для токов обратной и нулевой последовательности

Индуктивное сопротивление обмотки статора для токов обратной последовательности при работе машины на малое внешнее сопротивление (11.194)

х2*=о.е.

Индуктивное сопротивление обмотки статора для токов обратной последовательности при большом внешнем индуктивном сопротивлении (11.195)

х2*=0,5 (х"d*+х"q*)=0,5 (0,141+0,122)=0,132 о.е.

Индуктивное сопротивление двухслойной обмотки статора для токов нулевой последовательности (11.196)

Активное сопротивление обмотки фазы статора для тока нулевой последовательности при рабочей температуре (11.197)

r0*=r1*(20)•mт=0,0216•1,38=0,03 о.е.

9.6 Постоянные времени обмоток

Обмотка возбуждения при разомкнутых обмотках статора и демпферной (11.198)

Тd0=xa*/w1rп*=2,85/(2•?•50•0,005)=1,82 с.

Обмотка возбуждения при замкнутых обмотках статора и демпферной (11.199)

Т'd=Td0x'd*/xd*=1,82•0,427/2,516=0,31 с.

Демпферная обмотка при разомкнутых обмотках статора и возбуждения по продольной оси (11.200)

Tдd0=с.

Демпферная обмотка при разомкнутых обмотках статора и возбуждения по поперечной оси (11.201)

Tдq0= с.

Демпферная обмотка по продольной оси при разомкнутой обмотке возбуждения (11.202)

T''d0=с.

Демпферная обмотка по продольной оси при короткозамкнутых обмотке возбуждения и статора (11.203)

T"d=T"d0x''d*/x'd*=0.007•0.141/0.427=0.002 с.

Демпферная обмотка по поперечной оси при короткозамкнутой обмотке статора (11.204)

T"q=Tдq0x"q*/xq*=0.025•0.122/1.326=0.0023 с.

Обмотка статора при короткозамкнутых обмотках ротора (11.205)

Ta=x2*/w1r1*=0.131/(2•3.14•50•0.0138)=0.03 с.

10. Потери и КПД

Зубцовое деление статора в максимальном сечении зубца (9.128)

t1max=?(D1+2hп)/z1=? (518.2+2•30.2)/72=25.2 мм.

Расчетная масса стали зубцов статора (9.260)

mз1=7,8z1bз1срhn1?1kc•10-6=7.8•72•13,4•30,2•330•0.95•10-6=64,8 кг.

Магнитные потери в зубцах статора (9.251)

Pз1=3В2з1срmз1=3•1,242•64,8=299 Вт.

Масса стали спинки статора (9.261)

mc1=7.8?(Dн1-hc1) hc1?1kc•10-6=7.8•3.14 (660-40,7) 40,7•300•0.95•10-6=176 кг.

Магнитные потери в спинке статора (9.254)

Рс1=3В2с1mc1=3•1.652•176=1552 Вт.

Амплитуда колебаний индукции (11.206)

В0=?0кбВб=0,33•1,219•0,7=0,28 Тл.

Среднее значение удельных поверхностных потерь (11.207)

рпов=к0(z1n1•10-4)1.5(0.1В0t1)2=6 (72•1000•10-4) 1.5(0.1•0.28•22,6)2=46,4 Вт/м2.

Поверхностные потери машины (11.208)

Рпов=2р???прповкп•10-6=2•3•271,2•0,7•310•46,4•0,6•10-6=9,83 Вт.

Суммарные магнитные потери (11.213)

Рс?=Рс1+Рз1+Рпов=1437+299+9,83=1746 Вт.

Потери в обмотке статора (11.209)

Рм1=m1I21r1mт+m1(I'пн/)2rdmт=

=3•360,82•0,0138•1,38+3 (61,4/)20,0039•1,38=7458 Вт.

Потери на возбуждение синхронной машины при питании от дополнительной обмотки статора (11.214)

Рп=I2пнrп+2Iпн=61,42•0,733+2•61,4=3936 Вт.

Добавочные потери в обмотке статора и стали магнитопровода при нагрузке (11.216)

Рдоб=0,005Рн =0,005•200000=1000 Вт.

Потери на трение в подшипниках и на вентиляцию (11.210)

Р'мх=Рт.п+Рвен=8 ()2()3=8 ()2()3=1113 Вт.

Потери на трение щеток о контактные кольца (11.212)

Рт.щ=2,6IпнD1n1•10-6=2.6•61,4•518,2•1000•10-6=83 Вт.

Механические потери (11.217)

Рмх=Р'мх+Ртщ=1113+83=1196 Вт.

Суммарные потери (11.218)

Р?=Рс?+Рм1+Рдоб+Рп+Рмх=

=1746+7458+1000+3936+1196=15336 Вт.

КПД при номинальной нагрузке (11.219)

?=1-Р?/(Р2н+Р?)=[1-15336/(200000+15336)] •100=92,9%.

11. Характеристики машин

11.1 Изменение напряжения генератора

<30%

11.2 Отношение короткого замыкания

Значение ОКЗ (11.227)

ОКЗ=Е'0*/хd*=1.18/2.516=0.47 о.е.

Кратность установившегося тока к.з. (11.228)

Ik/I1н=ОКЗ•Iпн*=0,47•3,22=1,51 о.е.

Наибольшее мгновенное значение тока (11.229)

iуд=1,89/х''d*=1.89/0.141=13,4 о.е.

Статическая перегружаемость (11.223)

S=E'00*kp/xdcos?н=3,8•1,02/2,516•0,8=1,93 о.е., где

E'00*= E'0* Iпн*=1,18•3,22=3,8 о.е.,

11.3 Угловые характеристики

Определяем ЭДС (рис. 11.15 а)

Е'0*=3,8 о.е.

Определяем уравнение (11.221)

Р*=(Е'0*/хd*) sin?+0.5 (1/хq*-1/xd*) sin2?=

=3.8/2.516•sin?+0.5 (1/1.326-1/2.516) sin2?=1.51sin?+0.18sin2?.

12. Тепловой и вентиляционный расчеты

12.1 Тепловой расчет

Потери в основной и дополнительной обмотках статора (11.247)

Р'м1=m1m'[I'2r1+(Iпн/) rd]=

=3М1,48 [360,82•0,0138+(61,4/)2•0,0039)=7998 Вт;

где m'т=1,48 - коэффициент для класса нагревостойкости изоляции В (§ 5.1).

Потери на возбуждение синхронной машины при питании от дополнительной обмотки статора

P П= Iпн2М r П+2 Iпн=61,42М0,733+2•61,4=4213 Вт

Условная внутренняя поверхность охлаждения активной части статора (9.379)

Sn1=?D1?1=?М518,2М300=4,88•105 мм2.

Условный периметр поперечного сечения (9.381)

П1=2 (hn1+bп1)=2 (30,2+14,3)=89 мм.

Условная поверхность охлаждения пазов (9.382)

Sи.п1=z1П1?1=72М89М300=19,22•105 мм2.

Условная поверхность охлаждения лобовых частей обмотки (9.383)

Sл1=4?D1?1=4М?М518,2М135,8=8,84•105 мм2.

Условная поверхность охлаждения двигателей с охлаждающими ребрами на станине (9.384)

Sмаш=?Dн1(?1+2?В1)=?М660 (300+2М135,8)=11,85•105 мм2.

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения активной части статора (9.386)

рп1= Вт/мм2,

где к=0,76 - коэффициент (таблица 9.25).

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к поверхности охлаждения пазов (9.387)

ри.п1= Вт.

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к поверхности охлаждения лобовых частей обмотки (9.388)

рл1= Вт.

Окружная скорость ротора (9.389)

v2= м/с.

Превышение температуры внутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха внутри машины (9.390)

?tп1=46,5С,

где ?1=17,5М10-5 Вт/мм2Мград - коэффициент теплоотдачи поверхности статора.

Односторонняя толщина изоляции в пазу статора (§ 9.13)

bи1=(bп1-Nшb)/2=(14,3-1•2,8)/2=4,35 мм.

Перепад температуры в изоляции паза и катушек из круглых проводов (9.392)

?tи.п1=С.

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри двигателя (9.393)

?tл1=рл1/?1=5,12•10-3/17,5М10-5=29С.

Перепад температуры в изоляции лобовых частей катушек из круглых проводов (9.395)

?tи.л1=рл1=5,12•10-338,4 С.

Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри двигателя (9.396)

?t'1=(?tп1+?tи.п1)+(?tл1+?tи.п1) =(46,5+49,2)+(29+38,4)С.

Потери в двигателе, передаваемые воздуху внутри машины (9.397)

Р'?=к(Р'м1+Рс?)+Р'м1+Р'м2+Рмх?+Рд=0,76 (7998Вт.

Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха (9.399)

?tв=С.

Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного воздуха (9.400)

?t1=?t'1+?tв=79,7+10,4=90,1С.

12.2 Обмотка возбуждения

Условная поверхность охлаждения многослойных катушек из изолированных проводов (11.249)

Sп2=2р?ср.пhк=2•2•924•130=72,1•104 мм2.

Удельный тепловой поток от потерь в обмотке, отнесенных к поверхности охлаждения обмотки (11.250)

рп=кРп/Sп2=0,9•4213/72,1•104=52,6•10-4 Вт/мм2.

Коэффициент теплоотдачи катушки (§ 11.13)

?Т=(3+0,42•26,9)•10-5=14,3•10-5 Вт/(мм2 ?С).

Превышение температуры наружной поверхности охлаждения обмотки (11.251)

?tпл=рп/?Т=52,6•10-4/(14,3•10-5)=36,8 ?С.

Перепад температуры в наружной и внутренней изоляции многослойных катушек из изолированных проводов

?tип= рп=52,6•10-4=13,2 ?С.

Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри машины (11.253)

?tB2=?t'n+?tип=60 ?С.

Среднее превышение температуры обмотки над температурой охлаждающего воздуха (11.254)

?tп=?t'п+?tв=60+10,4=70,4? С.

12.3 Вентиляционный расчет

Необходимый расход воздуха (5.28)

Vв= м3/с.

Расход воздуха (5.44)

V'в=к1(Dн2/100)2М10-2=3,5 (514,2/100)2 М10-2=0,93 м3/с;

где к1=3,5 - коэффициент, зависящий от частоты вращения.

Напор воздуха (5.41)

Н=7,85 (n1/1000)2(Dн2/100)2=7,85 (1000/1000)2(514,2/100)2=208 Па.

13. Масса и динамический момент инерции

13.1 Масса

Масса стали сердечника статора (11.255)

mс1?=mз1+mс1=64,8+176=240,8 кг.

Масса стали полюсов (11.256)

mсп=7,8•10-6кс?п(bпh'п+ккbнпhнп) 2 р=7,8•10-6•0,98•310 (98,4•112+0,8•185•33)•6=37,7 кг.

Масса стали сердечника ротора (11.257)

mс2=6,12кс10-6?1[(2,05hс2+D2)2-D2]=6,12•0,98•10-6•300 [(2,05•42+140) 2-140]=56,7 кг.

Суммарная масса активной стали статора и ротора (11.258)

mс?=mсз?+mсп+mс2=240,8+37,7+56,7=335,2 кг.

Масса меди обмотки статора (11.259)

mм1=8,9•10-6m1(a1w1?ср1S0+adwd?срдSэфд)=8,9•10-6•3 (3•32•1382,4•4,677+2•6•1382,4•4,677)=18,6 кг.

Масса меди демпферной обмотки (11.260)

mмд=8,9•10-62 р(N'2S?'ст+b'нпSс+0,6SсСп)=8,9•10-6•6 (10•26,26•355+185•52,27+0,6•52,27•2)=5,5 кг.

Суммарная масса меди (11.261)

mм?= mм1+ mмп + mмд =18,6+92,8+5,5=116,9 кг.

Суммарная масса изоляции (11.262)

mи=(3,8D1.5н1+0,2Dн1?1) 10-4=(3,8•6601,5+0,2•660•300)•10-4=10,4 кг.

Масса конструкционных материалов (11.264)

mк=АDн1+В=0,32•660+400=611,2 кг.

Масса машины (11.265)

mмаш=mс?+mм?+mи+mк=335,2+116,9+10,4+611,2=1073,7 кг.

13.2 Динамический момент инерции ротора

Радиус инерции полюсов с катушками (11.266)

Rп.ср=0,5 [(0,5D21+(0.85?0.96) (0.5D2+hc2)2]•106=0.5 [(0.5•518,22+0.85 (0.5•140+42)2]•10-6=0.072 м.

Динамический момент инерции полюсов с катушками (11.267)

Jп=(mсп+mмп+mмd) 4R2п.ср=(37,7+83+5,5) 4•0,0722=2,6 кг/м2.

Динамический момент инерции сердечника ротора (11.268)

Jс2=0,5mс2•10-6[(0,5D2+hс2)2 - (0,5D2)2]=0,5•56,7•10-6[(0,5•140+42)2 - (0,5•140)2]=0,22 кг/м2.

Масса вала (11.269)

mв=15•10-6?1D22=15•10-6•300•1402=88,2 кг.

Динамический момент инерции вала (11.270)

Jв=0,5mв(0,5D2)210-6=0,5•88,2 (0,5•140)2•10-6=0.22 кг/м2.

Суммарный динамический момент инерции ротора (11.271)

Jи.д=Jn+Jc2+Jв=2,6+0,22+0,22=3,04 кг/м2.

Список литературы

1. Антонов М.В. Технология производства электрических машин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. -590 с.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. - М.; Машиностроение. 1978

3. Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин - М.: Высшая школа, 2001

4. Копылов И.П. Проектирование электрических машин - М.: Высшая школа, 2002

5. Электротехнический справочник - Под ред. Орлова И.Н. - М.; Энергоатомиздат 1986

6. Проектирование синхронных машин средней мощности: Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Инженерное проектирование и САПР электромагнитных устройств и электромеханических преобразователей» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. Н.Л. Бабикова. Уфа, 2008. - 38 с.

7. Введение в конструирование электромеханических преобразователей энергии: учеб. пособие / Исмагилов Ф.Р., Афанасьев Ю.В., Стыскин А.В. - М.: Изд-во МАИ, 2006. - 130 с.