Курсовая работа: проектный расчет асинхронного двигателя для подъемного механизма

ВВЕДЕНИЕ	3
ЗАДАНИЕ	4
1 ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ ПО НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ	5
2 ВЫБОР ТИПА ОБМОТКИ	8
2.1 Расчет обмоточных данных	12
2.2 Построение развернутой схемы обмотки статора	15
3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ФАЗНОЙ И ЛИНЕЙНОЙ ЭДС ПЕРВОЙ, ТРЕТЬЕЙ, ПЯТОЙ И СЕДЬМОЙ ГАРМОНИК	17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	20
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	21

Асинхронные электродвигатели занимают одно из ведущих мест среди электрических машин, применяемых в промышленности и энергетике. Их популярность обусловлена простотой конструкции, высокой надежностью, сравнительно низкой стоимостью и удобством эксплуатации. На сегодняшний день такие двигатели широко используются в электроприводах различных установок, в том числе подъемно-транспортных механизмов, что делает их изучение особенно актуальным для будущих специалистов в области электроэнергетики.
Целью данной курсовой работы является расчет параметров асинхронного электродвигателя, необходимых для обеспечения заданного режима работы подъемного механизма. В ходе работы рассматриваются вопросы выбора двигателя по номинальной мощности, определения типа обмотки и ее параметров, а также анализа гармонических составляющих электродвижущей силы.
Решение этих задач позволяет закрепить теоретические знания, приобрести практические навыки в области электрических машин и понять закономерности, влияющие на эффективность работы асинхронных двигателей. Полученные результаты имеют важное значение для проектирования и эксплуатации современных электроприводов, что напрямую связано с развитием энергоэффективных технологий.
ЗАДАНИЕ
Целью данной курсовой работы является изучение основных принципов и применений электрических машин, анализ их конструктивных особенностей, эффективности и управления. В рамках исследования будет уделено внимание как классическим, так и инновационным методам улучшения эффективности и экологической устойчивости электрических машин, а также рассмотрены актуальные тенденции в области развития электромеханических технологий.
Анализ электрических машин представляет собой неотъемлемую часть современной инженерной науки и техники, поскольку эти устройства являются основой для создания эффективных систем энергоснабжения и передачи, а также играют ключевую роль в разработке новых технологий и устойчивых энергетических решений.
Таблица 1 – Исходные данные.
1 ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ ПО НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ
Выбор двигателя по номинальной мощности является ключевым этапом в проектировании электрических систем и установок. Номинальная мощность двигателя определяется как максимальная мощность, которую двигатель может постоянно вырабатывать при заданных условиях работы.
При выборе двигателя по номинальной мощности необходимо учесть несколько важных аспектов:
1) Требования к нагрузке: характеристики нагрузки, которую должен обеспечивать выбранный двигатель. Это может включать в себя момент инерции, тип нагрузки (постоянная, переменная, пульсирующая) и другие факторы, влияющие на работу двигателя.
2) Эффективность: эффективность двигателя при различных условиях работы. Выбор эффективного двигателя может существенно повлиять на энергопотребление системы в целом.
3) Условия окружающей среды: условия, в которых будет эксплуатироваться двигатель, такие как температура окружающей среды, влажность и возможные вибрации. Это поможет определить необходимость защиты двигателя и его надежность в различных условиях.
4) Система управления: совместимость выбранного двигателя с системой управления. Важно, чтобы выбранный двигатель легко интегрировался в общую систему и обеспечивал стабильное управление процессами.
5) Тип двигателя: подходящий тип двигателя в соответствии с требованиями. Например, это может быть индукционный двигатель, синхронный двигатель или шаговый двигатель, в зависимости от конкретных задач.
Исходя из этих факторов, правильный выбор двигателя по номинальной мощности поможет обеспечить эффективную и надежную работу системы в целом.
Для расчета мощности, кВт асинхронного двигателя для подъема груза следует пользоваться формулой:
где k - коэффициент, учитывающий действие противовеса;
v - скорость подъема груза в м/с;
m - масса груза, кг;
g - ускорение свободного падения в м/с2;
η - КПД подъемника.
Мощность двигателя:
Полученное значение мощности увеличиваем до ближайшего каталожного значения.
Ближайший по мощности двигатель 4А132S6 (Р=5,5 кВт, n=969 об/мин).
Определяем его номинальный момент
Максимальный момент:
Мм=2,8Мн
Мм =2,8*54,2=151,8 Н м.
Асинхронные электродвигатели широко применяются в различных областях промышленности, в том числе и в электроприводах грузоподъемных механизмов.
2 ВЫБОР ТИПА ОБМОТКИ
На практике применяются различного рода типы обмотки (однослойные и двухслойные; с полным и укороченным шагом; односкоростные и многоскоростные; с одинаковым и различным числом секций в пазу), и для того чтобы сделать выбор нужно рассмотреть: экономическую целесообразность, достоинства и недостатки, технические возможности выполнения.
К обмоткам машин переменного тока следует отнести обмотки статора и ротора. Обмотки ротора в синхронных и асинхронных машинах совершенно различны, а обмотки статоров одинаковы. Их мы и будем рассматривать.
К обмоткам статоров предъявляются следующие требования:
1) э.д.с. в фазах должны быть равны и сдвинуты на  электрических градусов, где m – число фаз обмотки;
2) активные и реактивные сопротивления отдельных фаз должны быть соответственно одинаковы;
3) схема обмотки должна быть рассчитана на получение максимальной э.д.с. при минимальном расходе проводникового материала;
4) обмотка должна быть удобна (технологична) в производстве и по возможности в ремонте.
Катушкой называют также несколько секций при наличии общей изоляции.
Обмотки подразделяются:
1) по числу фаз:
- 2хфазные;
- 3хфазные.
2) по характеру исполнения:
- катушечные;
- стержневые;
- специальные.
3) по приему исполнения катушек:
- шаблонные;
- полушаблонные;
- ручные.
4) по расположению в пазу:
- однослойные;
- двухслойные.
5) по виду соединения элементов обмотки:
- петлевые;
- волновые.
Секции укладываются в пазы, которые бывают следующих форм:
а) открытые, допускающие укладку обмотки из заранее заготовленных
секций (шаблонная обмотка). Применяется в статорах машин большой мощности.
б) полуоткрытые. Применяется в статорах машин до 250…300 кВт. Сторону секции закладывают через открытие паза. Обмотка насыпная.
в) полузакрытые. Применяется в статорах машин малой и средней мощности.
Обмотка всыпная или протягивают через отверстие паза.
Основное требование к выполнению нормальной симметричной обмотки – это одинаковое число пазов в каждой из фаз. Отсюда следует, что каждая фаза трехфазного статора (ротора) должна занимать в целом 1/3 всей окружности и, соответственно, 1/3 каждого полюсного деления. Мы будем рассматривать обмотки, у которых число пазов на полюс-фазу (q) – целое число, т.к. обмотки с дробным q применяются редко.
Так как каждая фаза занимает 1/3 полюсного деления, а фазы отстоят друг от друга на угол 120° эл., то начала каждой фазы пространственно сдвинуты друг относительно друга на 2/3 полюсного деления. Таким образом, между началами двух фаз лежит конец третьей фазы. Порядок чередования фаз может быть охарактеризован шестилучевой звездой.
Трехфазная обмотка с другим числом пазов q на полюс-фазу может отличаться конструкцией выполнения лобовых частей, но принцип распределения катушек фаз на двойном полюсном делении будет оставаться тем же.
Основные достоинства однослойной обмотки:
1 Отсутствие межслоевой изоляции, что повышает коэффициент заполнения паза, а следовательно, ток и мощность двигателя.
2 Простота изготовления.
3 Большая возможность применения автоматизации при укладке обмоток.
Недостатки:
1 Повышенный расход проводникового материала.
2 Сложность укорочения шага, а следовательно, компенсации высших гармоник магнитного потока.
3 Ограничение возможности построения обмоток дробным числом пазов на полюс и фазу.
4 Более 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 по сравнению с однослойной:
Возможность любого укорочения шага, 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.
Простота технологического процесса изготовления катушек (многие операции можно механизировать).
Возможность выполнения обмотки почти с любой дробностью q, 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 образования большего числа параллельных ветвей.
К недостаткам двухслойных обмоток следует отнести: Меньший   коэффициент   заполнения паза (вследствие наличия межслоевой изоляции).
Некоторая сложность при укладке последних секций обмотки.
Необходимость поднимать целый шаг обмотки при повреждении нижней стороны секции.
По приведенным соображениям, в настоящее время, в ремонтной практике машин переменного тока двухслойные обмотки получили наибольшее применение. Следовательно, выбираем двухслойную петлевую обмотку.
Обмотки электродвигателей могут быть реализованы в виде однослойных или двухслойных, в зависимости от расположения проводников внутри обмотки. Вот их краткое описание:
1 Однослойная обмотка:
- структура: в однослойной обмотке все витки или проводники размещаются в одном слое, образуя единственный виток обмотки.
- применение: этот тип обмотки часто используется в случаях, когда необходимо простое конструктивное решение, и когда место ограничено. Однослойные обмотки могут быть более экономичными в производстве.
2) Двухслойная обмотка:
- структура: в двухслойной обмотке проводники распределены между двумя слоями. Это означает, что второй слой проводников уложен поверх первого, что создает два параллельных слоя проводников.
- применение: двухслойные обмотки обеспечивают более компактное распределение проводников, что может быть важно при работе с ограниченным пространством. Они также могут снижать взаимоиндукцию между проводниками и, таким образом, улучшать электрические характеристики обмотки.
Выбор между однослойной и двухслойной обмоткой зависит от конкретных требований и ограничений конструкции электродвигателя. Экономия места и эффективное управление электромагнитными свойствами являются основными факторами, влияющими на решение о применении одного типа обмотки перед другим.

В ходе выполнения курсовой работы были рассмотрены основные этапы расчета параметров асинхронного электродвигателя. Проведен выбор двигателя по номинальной мощности, что позволило определить оптимальный вариант для работы в составе подъемного механизма. Изучены различные типы обмоток и обоснован выбор двухслойной петлевой обмотки как наиболее рациональной с точки зрения конструкции и эксплуатационных характеристик.
Были выполнены расчеты обмоточных данных, построена развернутая схема обмотки статора, а также определены эффективные значения фазной и линейной ЭДС для гармоник различных порядков. Полученные результаты подтвердили соответствие выбранного двигателя предъявляемым требованиям и показали его работоспособность в условиях заданной нагрузки.
Таким образом, поставленные в курсовой работе задачи успешно решены. Выполненные расчеты демонстрируют практическую значимость методов анализа электрических машин, а также подтверждают необходимость глубокого изучения процессов, происходящих в асинхронных двигателях, для дальнейшего совершенствования электроприводов и повышения их энергетической эффективности.

1 Епифанов, А. П. Электрические машины / А. П. Епифанов, Г. А. Епифанов. — Санкт-Петербург : Лань, 2023. — 300 с. — ISBN 978-5-507-48370-9.
2 Ванурин, В. Н. Электрические машины / В. Н. Ванурин. — 3-е изд., испр. — Санкт-Петербург : Лань, 2022. — 304 с. — ISBN 978-5-507-44500-4.
3 Кобозев, В. А. Электрические машины : учебное пособие / В. А. Кобозев. — Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. — 480 с. — ISBN 978-5-9729-0873-8.
4 Зарандия, Ж. А. Электрические машины : учебное пособие / Ж. А. Зарандия, А. В. Кобелев. — Тамбов : ТГТУ, 2020. — 192 с. — ISBN 978-5-8265-2214-1.