Проектирование электрической машины

 

 

 

 

Содержание

 

1. Введение . . . . . . . . . . . .3 

2. Выбор основных размеров   . . . . . . . .4

3. Расчет  обмотки статора   . . . . . . . .6

4. Расчет основных размеров  ротора . . . . . .13

5. Расчет магнитной  цепи . . . . . . . .15

6. Расчет обмотки возбуждения . . . . . . .17

7. Расчет параметров и постоянных времени . . . . .22

8. Масса активных материалов . . . . . . .25

9. Потери и КПД . . . . . . . . . .26

10. Характеристики синхронной  машины . . . . . .30

      Литература . . . . . . . . . .34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение.

 

Проектирование электрической машины включает в себя выбор и расчет размеров её статора и ротора, обмоток, изоляции, конструктивных деталей, объединение их в конструктивные узлы и общую компоновку всех её частей. При этом также выбираются материалы для отдельных частей машины.

Материалы, размеры и формы конструктивных деталей должны быть выбраны и отдельные детали объединены так, чтобы машина наилучшим образом, по возможности, соответствовала своему назначению и была наиболее экономичной  в работе и исполнении.

При этом из всего множества вариантов проектирования необходимо выбрать оптимальный или близкий  к нему. В основу выбора вариантов должны быть положены экономические показатели.

Имея в виду общее определение, можно считать, что оптимальным вариантом проекта будет вариант, при котором удовлетворяются все технические требования при наименьших общих затратах, где под последними следует понимать не только стоимость материалов и изготовления машины, но и стоимость её эксплуатации.

 

 

2. Выбор основных размеров.

 

а) Номинальные величины:

1. Номинальное фазное напряжение при соединении обмотки статора звездой:

                               (2.1)

2) Номинальная полная  мощность:

                                       (2.2)

3. Номинальный фазный ток:

                                                                                  (2.3)

 

б) Главные размеры.

1. Число пар полюсов:

 (2.4)

2. Внутренний диаметр статора:

По таблице 14.1 с.496 [1] находим для Рн=1 МВт при косвенном воздушном охлаждении: Д=0.50 м;

3. Линейная нагрузка:

По таблице 14.1 с.496 [1]  А=43500  А/м;

4. Максимальная индукция в воздушном зазоре:

    По таблице 14.1 с.496 [1]  Bdн=0.7 Тл.;

5. Полюсное деление:

                                (2.5)

6. Расчетная мощность:

                              (2.6)

    где kE=1.08 - по таблице 14.6 с.503 [1]

 

 

7. Расчетная длина статора:

                               (2.7)

     где аd -расчетный коэффициент полюсного перекрытия.

    Принимаем аd=2/p=0.68;

    kB –коэффициент формы поля, принимаем kB=1.11;

    k01 –обмоточный коэффициент обмотки статора.

    Принимаем для  статора катушечную обмотку с  шагом y»(0.5¸0.6)t.

    При этом k01»0.7

8. Длина пакета статора:

Принимаем l’=4 см.;

9. Ширина вентиляционного канала:

 Принимаем bВ=1 см.;

10) Полная длина статора:

                          l1»1.06*ld=1.06*0.5=0.55 м.        (2.8)

11. Число вентиляционных каналов:

      (2.9)

12. Суммарная длина пакетов сердечника:

                lст1=l’(nB+1)=0.04(10+1)=0.46 м.    (2.10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет обмотки статора.

      а) Обмотка, пазы и ярмо статора.

1. Магнитный поток в зазоре:

        (3.1)

2. Число последовательно соединённых витков фазы:

        (3.2)

3. Число пазов на полюс и на фазу:

     Принимаем q1=6;

     Для статора  турбогенератора применяем двухслойную  обмотку, имеющую шесть катушечных  групп с шестью катушками в  каждой.

На фазу приходится две катушечные группы, соединяемые последовательно (а1=1).

4. Число эффективных проводников на паз:

       откуда:     (3.3)

     Принимаем  U П1=8,

      Число  последовательно соединённых витков  фазы:

               (3.4)

5. Уточнённые значения магнитного потока и магнитной индукции в зазоре:

               (3.5)

               (3.6)

   где: k’01=0.7;   B’dH=0.7 Тл.; 

     k01=kP*kУ;            (3.7)

    kP -коэффициент распределения обмотки.

 

 

Для шестизонной обмотки:

            (3.8)

    kУ -коэффициент укорочения шага обмотки статора.

    Принимая шаг  обмотки 10 пазов имеем:

   

6. Линейная нагрузка:

         (3.10)

7. Полное число пазов статора:

    z1=6pq1=6*1*6=36          (3.11)

8. Пазовое деление:

           (3.12)

9. Предварительная ширина паза статора:

                               bП1»(0.4¸0.48)t1       (3.13)

    Принимаем bП1=0.46t1=0.46*0.044=20*10-3 м.

10. Предварительное сечение эффективного проводника:

              (3.14)

   где: nЭЛ -число элементарных проводников в эффективном проводнике;

   SC -сечение элементарного проводника;  DC -плотность тока.

    Принимаем  DC=3.0 А/мм2 (см.[1] c.518)

   

    Принимаем nЭЛ=12, тогда SC=6.34 мм2

11. Размеры проводника, изоляции и паза статора.

    Из таблиц  приложения IV [1] находим ближайшее к SC сечение с          

     размерами a x b и aиз х bиз (провод марки ПСД)

     Для этого  из равенства:

       kш*bиз=bП1-2dиз1;        (3.15)

      где: kш - число элементарных проводников по ширине паза.

    Принимаем  kш=2.

    2dиз1- двухсторонняя толщина изоляции по ширине паза. По таблице 

10. с.512 [1]: 2dиз1=5.6 мм.

    

    Принимаем bиз=7.2мм.;  аиз=1.5 мм.

    

    (см [1] приложение  IV).

     Уточнённая  плотность тока:

         (3.16)

     Высота паза  статора:

           (3.17)

    где:  dиз -суммарная толщина изоляции по высоте паза. dиз=12.4 мм.

    (см [1] таблица 14.10 с.512);

     hK -высота клина;

     hK»(0.9¸1.1)bП1;            (3.18)

     Принимаем hK=1.0*bП1=5мм;

     

     Уточнённая ширина паза

     bП1=2dИ1+kшbиз=7.0+2*7.40=19.35 мм;       (3.19)

     Паз статора  с проводниками и изоляцией  изображен на рис. 3.1.

Непрерывная микалентная компаундированная изоляция обмотки 

        статора. Класс В.

 

Рис. 3.1  Паз статора с проводниками и изоляцией.

 

Таблица 3.1: Изоляция обмотки статора.

 

Позиция На	Наименование	Двухсторонняя толщина изоляции, мм
Рис.3.1		по ширине	по высоте
1       2 3   4     5	Витковая изоляция Микалента, один слой, вполуперекрой Разбухание изоляции Корпусная изоляция Микалента Хлопчатобумажная лента, один слой, впритык Электрокартон ЭВ промасленный (толщина 0,5мм) То же (толщина 2,5)	0,75 0,2   3,2   0,4   ---   ---	6,75 0,9   6,4   0,4   1.0   2,5
	Всего на паз	7,0	32,5
	Витковая изоляция Разбухание изоляции Корпусная изоляция Микалента Хлопчатобумажная лента, в  полуперекрой Лакировка	1,5   5,6   0,8 0,2	1.8   5,6   0,8 0,2
	Всего на катушечную сторону	8,9	15,2

12. Температурный перепад в пазовой изоляции:

              (3.20)

где:  Kf - коэффициент, учитывающий добавочные потери в проводниках от протекания вихревых токов. Предварительно принимаем Kf»1.2;

  lИ - теплопроводность изоляции.

 При изоляции класса  В:

  lИ=0.16 Вт/(м0С);     jQ=4.02*107 1/Ом*м

  

13. Градиент температуры в пазовой изоляции:

              (3.21)

 

14. Высота ярма статора

                 (3.22)

где:  ВС - магнитная индукция в ярме статора. Принимаем ВС=1.5 Тл (материал статора сталь 2013, толщина 0.5мм)

КС - коэффициент заполнения пакета сталью.

Принимаем КС=0.93 (см. табл. 2.4  с.22 [1])

       

15. Внешний диаметр пакетов статора:

     ДА=Д+2(hп1+hC)=0.75+2(0.188+0.276)=1.678 м;    (3.23)

 

б) Воздушный зазор.

   При определении  величины воздушного зазора будем исходить из условия статической перегружаемости  (S³1.7).

1. Предварительно индуктивное сопротивление рассеяния (в о.е.):

     Xs*»XП*+XЛ*+(0.005¸0.01) о.е.       (3.24)

где: индуктивное сопротивление пазового рассеяния:

           (3.25)

Индуктивное сопротивление рассеяния лобовых частей:

     XЛ*=kX*km*0.43*lЛ1*k201        (3.26)

Величина (0.005¸0.01)о.е. взята для приближённого учёта дифференциального рассеяния и рассеяния между коронками зубцов.

В приведенных формулах при f=50 Гц имеем:  (3.27)

   kb=1.5b-0.25=1.5*0.555-0.25=0.583;   (3.28)

   km=0.32 (для немагнитных бандажей)

 Длина лобовой части:

   lЛ1»(1.6¸1.8)(2UНЛ+bt);      (3.29)

   lЛ1=1.8(2*6.3+0.555*117.8)=140 cм=1.40м;

   l’d=l1-0.2nB*bB=2.494 -0.2*49*0.01=2.396  м;  (3.30)

                                                              

          

  XЛ*=1.89*10-3*0.32*0.43*140*(0.731)2=0.0195 о.е.;

  Xs*=0.036+0.0195+0.01=0.066 о.е.

2. Индуктивное сопротивление Потье:

   XP*= Xs*+0.02=0.086 о.е.;          (3.31)

3. Величина воздушного зазора:

      По кривым  рис. 14.24  с.527 [1] для величины статической  перегружаемости S=2.0 и XP*=0.086 о.е. находим Xad*=1.40 о.е.

    Тогда:

           (3.32)

 где:           (3.33)

                   (3.34)

  Из (3.33) и (3.34) следует:

    (3.35)

 

   

    Принимаем d=16 мм.

 

 

4. Расчет основных  размеров ротора.

      а) Демпферная обмотка.

    Принимаем турбогенератор без успокоительной обмотки.

      б) Зубцы и ярмо ротора.

1. Внешний диаметр ротора:

  Д’=Д-2d=0.75-0.016*2=0.718 м.      (4.1)

2. Длина ротора:

  l2=l1+(0.1¸0.15) м.         (4.2)

   Принимаем l2=l1+0.1=2.494+0.1=2.594 м.

На поверхности ротора выфрезировываются пазы для укладки в них проводников обмотки возбуждения, при этом часть его полюсного деления оставляется без пазов и образует большой зубец.

3. Число пазов ротора:

 z2’»(0.45¸0.55) Д’;         (4.3)

 Принимаем z2’=42 ; j=0.667, тогда z2=28      (см. [1] с.530)

4. Глубина паза ротора с клином:

   hП2=(0.185¸0.170) Д’;        (4.4)

Принимаем hП2=0.14 м.

5. Пазовое деление по основаниям зубцов:

      (4.5)

6. Пазовое деление по сечениям зубцов на высоте  их 0.2hП2 от дна паза:

           (4.6)

где: ДZ 0.2= Д’-1.6hП2=0.718-1.6*0.14=0.494 м.    (4.7)

7. Ширина паза:

        (4.8)

где sН-коэффициент рассеяния ротора, принимаем sН=1.1;

Принимаем BZ 0.2=1.9 Тл.

По таблице 14.10а с.531 [1] SCШ=6.69;

 

Принимаем bП2=0.022 м.;

  Выбираем ширину  проводника обмотки возбуждения  из условия:

      b2= bП2-2dИ2          (4.9)

где dИ2=0.2 см.

      b2=0.022-0.004=0.018 м.

8. Наименьшая ширина зубца (в его основании):

          (4.10)

9. Высота пазового клина:

    hК2=(0.9¸1.1)bП2;         (4.11)

   Принимаем hК2= bП2=0.022 м.

10. Диаметр центрального отверстия:

     Д0=0.05 м.  (см. с.531 [1]). 

11. Пазовое деление по вершинам зубцов:

             (4.12)

5. Расчет  магнитной цепи.

Расчёт магнитной цепи произведём на ЭВМ по программе «xxxturbo.bas». Вводятся следующие данные:

 

     Магнитная  система генератора-неявнополюсная

     Магнитные  материалы:     статор-сталь 2013

ротор-кованая сталь

     Номинальная  мощность ,kBA              SN= 12500

     Номинальное  фазн.напряжение(ЭДС),В ENOM= 3637

     Число пар  полюсов                        P= 1

     Частота, Гц                                 FRQ= 50

     Наружный  диаметр статора ,M                   DA= 1.678

     Внутренний  диаметр статора,M                     D= .75

     Длина статора,M                                          L1= 2.456

     Расчетная  длина статора,M                           LD= 2.317

     Коэфф.заполнения стали статора               KST= .93

     Высота зубца  статора                                     HZ= .188

     Ширина зубца статора в расч. сеч.,M             BZ= .025

     Высота ярма  статора,M                                 HA= .276

     Ширина открытия паза статора,M          BSH1= .025

     Число витков  фазы обмотки статора          W1= 16

     Число пазов  статора                                         Z1= 48

     Коэффициент  формы поля                             KB1= 1.11

     Обмоточный  коэфф.статора                       KO1= .731

     Воздушный  зазор,M                                          DLT= .016