Готовая курсовая: Расчет асинхронного двигателя

ВВЕДЕНИЕ	3
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ЗАДАНИЕ	5
1 ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ ПО НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ	7
2 ВЫБОР ТИПА ОБМОТКИ СТАТОРА	9
3 РАСЧЕТ ОБМОТОЧНЫХ ДАННЫХ	11
4 ПОСТРОЕНИЕ РАЗВЕРНУТОЙ СХЕМЫ ОБМОТКИ СТАТОРА	14
5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ФАЗНОЙ И ЛИНЕЙНОЙ ЭДС ПЕРВОЙ, ТРЕТЬЕЙ, ПЯТОЙ ГАРМОНИК	16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	20
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	21

Современное промышленное производство невозможно представить без широкого применения электрических машин, среди которых особое место занимают асинхронные электродвигатели. Их популярность обусловлена простотой конструкции, надежностью в эксплуатации, высоким КПД, а также относительно низкой стоимостью изготовления и обслуживания. Асинхронные двигатели применяются в самых различных областях техники — от бытовых приборов до сложных производственных агрегатов и грузоподъемных механизмов.
В условиях интенсификации производства и автоматизации технологических процессов повышаются требования к электроприводам, в частности к их точности, экономичности и надежности. Правильный выбор и точный расчет параметров асинхронного электродвигателя становятся важнейшими этапами при проектировании электрических приводов, поскольку от этого напрямую зависят эффективность работы оборудования, его долговечность и безопасность эксплуатации.
Цель данной курсовой работы — провести расчет основных параметров асинхронного электродвигателя для привода подъемного механизма, работающего в кратковременном режиме S2. В ходе выполнения работы производится выбор двигателя по номинальной мощности с учетом заданных исходных данных, обоснование выбора типа обмотки статора, расчет обмоточных данных и построение развернутой схемы трехфазной двухслойной обмотки. Кроме того, определяется значение фазной и линейной электродвижущей силы (ЭДС) для различных гармоник, что позволяет оценить качество полученной системы и ее пригодность для эксплуатации в условиях промышленного производства.
Выполнение данной работы способствует формированию у студентов навыков инженерных расчетов, анализа технической документации и проектирования элементов электрических машин, что является важной составляющей подготовки квалифицированных специалистов в области электроэнергетики и электротехники.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ЗАДАНИЕ
Вариант - 6А.
Таблица 1
Задания для курсового проекта (работы)
1. Выбрать двигатель для кратковременного режима работы S2 при подъеме груза. Условия подъема и характеристики груза приведены в таблице 1.
2. Рассчитать параметры и начертить развернутую схему трехфазной двухслойной обмотки статора по данным, приведенным в таблице 1.
Выбрать укорочение шага обмотки, чтобы уничтожалась 7-я высшая гармоника в кривой индуцированной ЭДС обмотки.
Соединение катушечных групп последовательное, фазы обмотки соединить звездой, катушки одновитковые.
3. Используя данные и результаты расчетов по пунктам 1 и 2, определить эффективные значения фазной и линейной ЭДС первой, третьей, пятой и седьмой гармоник, приняв частоту тока 50 Гц.
Рассчитать значения этих ЭДС, если бы шаг обмотки был полным.
1 Выбор двигателя по номинальной мощности
Определим мощность кВт асинхронного двигателя для подъема груза:
где 	k – коэффициент, учитывающий действие противовеса,
k = 0,5 (по заданию);
v – скорость подъема груза,
v = 0,1 м/с (по заданию);
m – масса груза,
m = 12000 кг (по заданию);
g – ускорение свободного падения,
g = 9,81 м/с2;
η – КПД подъемника;
η = 0,9 (по заданию);
KP – коэффициент увеличения мощности,
KP = 1,5 (по заданию);
По полученному значению мощности по [3, табл. 2.1] выбираем двигатель серии 4А с ближайшим большим значением мощности – 4А112М4.
Технические данные двигателя приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Технические данные двигателя 4А112М4
Определяем его номинальный момент
Максимальный момент:
Мм=2,2Мн=2,2*36,7=80,7 Н м.
Асинхронные электродвигатели широко применяются в различных областях промышленности, в том числе и в электроприводах грузоподъемных механизмов.
2 Выбор типа обмотки статора
Для статора асинхронной машины переменного тока используются различные виды обмоток:
- однослойные и двухслойные;
- с полным и укороченным шагом;
- односкоростные и многоскоростные;
- с одинаковым и различным числом секций в пазу.
Поэтому, выбирая тип обмотки необходимо рассмотреть экономическую целесообразность применения, сравнить достоинства и недостатки различных типов обмоток, определить технические возможности выполнения.
Сравним достоинства и недостатки однослойной и двухслойной обмоток.
Основные достоинства однослойной обмотки:
- отсутствие межслоевой изоляции, что повышает коэффициент заполнения паза, а следовательно, ток и мощность двигателя;
- простота изготовления;
- возможность автоматической укладки обмоток.
Недостатки однослойной обмотки:
- повышенный расход проводникового материала;
- сложность укорочения шага, а следовательно, повещенная сложность компенсации высших гармоник магнитного потока;
- ограничение возможности построения обмоток с дробным числом пазов на полюс и фазу.
- трудоемкое изготовление и монтаж катушек для крупных электродвигателей высокого напряжения.
Двухслойные обмотки в основном выполняются с одинаковыми секциями: петлевые и цепные, реже принимают концентрические.
Основные достоинства двухслойной обмотки:
- возможность укорочения шага обмотки, что позволяет:
а) снизить расход обмоточного провода за счет уменьшения длины лобовой части секции;
б) уменьшить высшие гармонические составляющие магнитного потока, то есть снизить потери в магнитопроводе двигателя;
- высокая технологичность изготовления катушек, т.к. большинство операций можно механизировать;
- возможность выполнения обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу, что обеспечивает изготовление обмотки при ремонте асинхронных двигателей с изменением частоты вращения ротора. Кроме того, это является одним из способов приближения формы поля к синусоиде;
- возможность создания большего числа параллельных ветвей.
Недостатки двухслойных обмоток:
- сниженный   коэффициент заполнения паза, из-за межслоевой изоляции;
- затрудненность укладки последних секций обмотки.
- необходимость поднимать целый шаг обмотки при повреждении нижней стороны секции.
Рассмотрев все выше сказанное выбираем двухслойную петлевую обмотку.
3 Расчет обмоточных данных
Расчет обмоточных данных состоит в определении основных данных:
N – число катушечных групп;
y – шаг обмотки, расстояние выраженное в зубцах (или пазах), между активными сторонами одной и той же секции;
q – число пазов на полюс и фазу;
α – число электрических градусов, приходящихся на один паз;
а – число параллельных ветвей.
Определим расчетный шаг (полюсное деление, выраженное в зубцах) обмотки:
где 	Z – число пазов,
Z = 36 пазов (по заданию);
2р – число полюсов электродвигателя,
2р = 4 (по заданию);
 – произвольное число меньше 1, доводящее расчётный шаг до целого числа;
Т.к. по заданию необходимо подавить действие 5 гармоники ЭДС катушки, определяем уточненный шаг обмотки:
где 	kу – коэффициент укорочения шага обмотки,
kу = 0,8 [5, стр. 13];
y1 = 9*0,8 = 7,2 пазов
окончательно принимаем у = 7 пазов.
Определим число пазов на полюс и фазу:
где	m – число фаз,
m = 3;
так как q > 1, то обмотка - рассредоточенная, при этом фазные катушки разделены на секции, число которых равно q=3	.
Определим число катушечных групп в одной фазе двухслойной обмотки:
Так как каждую пару полюсов создают все три фазы переменного тока, следовательно,
Число электрических градусов на один паз:
Угол сдвига между осями фазных обмоток в пазах:
Катушечные группы фаз соединяют последовательно, параллельно и комбинированно.
Для рассматриваемого двигателя применяем последовательное соединение,
a = 1.
4 Построение развернутой схемы обмотки статора
Рассмотрим порядок построения развернутой схемы трехфазной двухслойной обмотки статора на примере обмотки, имеющей следующие данные: число фаз m1 = 3, число полюсов 2р = 4, число пазов в сердечнике статора Z1 = 36, шаг обмотки по пазам диаметральный, т. е. у1 =1.
Шаг обмотки у1 = Z1/(2р) = 36/4 = 9 пазов; число пазов на полюс и фазу       q1 = Z1/(т1 2р) =36/(3 · 4) = 3 пазов; пазовый угол α= 360р/Z1 = 360 · 2/36 = 20 эл. град. Угол сдвига между осями фазных обмоток составляет 120 эл. град, поэтому  сдвиг  между  началами фазных обмоток А, В и С, выраженный в  пазах, λ =120/α =120/20 = 6 пазов.
На развернутой поверхности статора размечаем пазы (Z1 = 36) и полюсные деления (2р = 4), а затем размечаем зоны по q1 = 3 паза для всех фаз (рис. 1; а); при этом расстояние между зоной какой-либо фазы в одном полюсном делении и зоной этой же фазы в другом полюсном делении должно быть равно шагу обмотки у1 = 9 пазов.
Далее отмечаем расстояние между началами фазных обмоток λ пазов. Изображаем на схеме верхние (сплошные линии) и нижние (пунктирные линии) пазовые стороны катушек фазы А. Верхнюю сторону катушки 1 (паз 1) лобовой частью соединяем с нижней стороной этой же катушки, которую, в свою очередь, присоединяем к верхней стороне катушки 2. Верхнюю сторону катушки 2 также лобовой частью соединяем с нижней стороной этой же катушки и получаем первую катушечную группу обмотки фазы А (Н1А-К1А).
Аналогично получаем вторую катушечную группу фазы А.
На рисунке 2 соответствии с ГОСТом выводы трехфазных обмоток статора обозначаются следующим образом: первая фаза: начало U1 – конец U2;  вторая фаза: начало V1 – конец V2;  третья фаза: начало W1 – конец W2.
Рисунок 2 - Порядок построения развернутой схемы трехфазной двухслойной обмотки статора: Z1 = 36, 2р = 4
5 Определение эффективных значений фазной и линейной ЭДС первой, третьей, пятой гармоник
Для определения ЭДС обмотки статора необходимо ЭДС катушки умножить на число последовательно соединенных катушек в фазной обмотке статора. Так как число катушек в катушечной группе равно q1, а число катушечных групп в фазной обмотке равно 2р, то фазная обмотка статора содержит 2pq, катушек. Имея в виду, что число последовательно соединенных витков в фазной обмотке w1 = 2pq1wK (К=1), получим ЭДС фазной обмотки статора (В) ν-й гармоники:
где
Величина магнитного потока Ф определяется как
где Bδ – величина максимальной индукции в воздушном зазоре (принимаем равной 0,85 Тл);
где τ – полюсное деление (ширина полюса в воздушном зазоре), м;
– длина сердечника статора, м.
В этом выражении ko6.ν - обмоточный коэффициент для ν – ой гармоники, учитывающий уменьшение ЭДС ν-ой гармоники, наведенной в обмотке статора, обусловленное укорочением шага обмотки и ее распределением. Значение обмоточного коэффициента определяется произведением коэффициента укорочения kуν и распределения kpν,
kоб.  kу  kр
Коэффициенты укорочения и распределения выбираются из таблицы 2 и таблицы.3, соответственно.
Таблица 2
Коэффициенты укорочения
Таблица 3
Коэффициенты распределения
Обмоточные коэффициенты:
Получаем при w=84 витка (Справочник обмотчика электрических двигателей, Лихачев В.Л.):
Для обмоток с диаметральным шагом kоб = k рν.
Определим значение фазной ЭДС обмотки статора:
Выражение (10) определяет значение фа зной ЭДС обмотки статора. Что же касается линейной ЭДС, то ее значение зависит от схемы соединения обмотки статора: при соединении звездой Е1Л=√3Е1, а при соединении треугольником Е1Л = Е1.
Полученные значения соответствуют соединению звездой и треугольником.

В ходе выполнения курсовой работы была проведена комплексная разработка и расчет параметров асинхронного электродвигателя, предназначенного для привода грузоподъемного механизма. На основании исходных данных был произведен выбор конкретного типа двигателя, соответствующего заданной мощности и режиму работы. Проведенный анализ показал, что выбранный двигатель серии 4А обладает необходимыми эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими надежную и безопасную работу подъемного устройства.
Особое внимание было уделено выбору и расчету обмотки статора, так как от ее конструкции и параметров напрямую зависят энергетические показатели и эффективность работы машины. В ходе расчетов была разработана развернутая схема трехфазной двухслойной петлевой обмотки статора, определены основные геометрические и электрические параметры обмотки, а также рассчитаны эффективные значения фазной и линейной ЭДС для первой, третьей и пятой гармоник. Это позволило оценить влияние высших гармоник и подтвердить правильность выбранного шага обмотки для их компенсации.
Полученные результаты демонстрируют, что проектируемый электродвигатель соответствует техническим требованиям, предъявляемым к электрическим приводам грузоподъемных механизмов. Выполненные расчеты и построения могут быть использованы как база для дальнейших инженерных разработок, модернизации и оптимизации электрических машин, а также для закрепления теоретических знаний и развития практических навыков студентов в области электротехники и электромашиностроения.

Ванурин В.Н. Электрические машины: Учебник / В.Н. Ванурин. – Санкт-Петербург: Лань, 2016. – 304 с.
Ванурин В.Н. Статорные обмотки асинхронных электрических машин: Учебное пособие / В.Н. Ванурин. – Санкт-Петербург: Лань, 2014. – 176 с.
Справочник энергетика деревообрабатывающего предприятия / Под общ. ред А. А. Пижурина и А. Б. Левина. – М.: «Лесная промышленность», 1982. - 399 с.
Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ А.Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболенская. – М.: Энергоиздат, 1982. – 504 с.
Электрические машины: Методические указания по выполнению курсовых работ. М.: Московский технологический институт, 2021. – 24 с.