Курсовая работа: выбор и расчет асинхронного двигателя для подъема груза

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение	3
Задание на курсовой проект	4
1	Расчет и выбор электродвигателя	5
2	Определение параметров обмотки статора	7
2.1	Выбор типа обмотки	7
2.2	Расчет обмоточных данных	8
2.3	Число катушечных групп.	10
2.4	Построение развернутой схемы обмоток статора	11
3	Расчет эффективных значений линейной и фазной ЭДС	13
Заключение	16
Список использованной литературы	17
Приложение 1	18

Электрические двигатели используются на электростанциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического управления и управления, в повседневной жизни.
Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями.
В зависимости от типа мощности электрической установки, в которой должны работать электрические машины, они подразделяются на машины постоянного и переменного тока.
Машины переменного тока могут быть однофазными или многофазными. Наиболее широко используются трехфазные асинхронные и асинхронные машины, а также катетерные машины переменного тока, которые позволяют экономично регулировать скорость вращения в больших пределах.
В настоящее время асинхронные двигатели являются наиболее распространенными электрическими машинами. Потребитель около 50% электроэнергии, вырабатываемой электростанциями страны. Асинхронные двигатели получили такое широкое распространение благодаря своей конструктивной простоте, низкой стоимости и высокой эксплуатационной надежности. Они обладают довольно высоким КПД: при мощности более 1 кВт КПД составляет 0,7-0,95, и только у микродвигателей он снижается до 0,2-0,65.
Задание на курсовой проект
Выбрать двигатель для кратковременного режима работы S2 при подъеме груза. Условия подъема и характеристики груза приведены в таблице.1.
Рассчитать параметры и начертить развернутую схему трехфазной двухслойной обмотки статора по данным, приведенным в таблице 1. Выбрать укорочение шага обмотки, чтобы уничтожалась ν-я высшая гармоника в кривой индуцированной ЭДС обмотки. Соединение катушечных групп последовательное, фазы обмотки соединить звездой, катушки одновитковые.
Используя данные и результаты расчета п.1 и п.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.
Таблица 1 Исходные данные курсовой работы
Расчет и выбор электродвигателя
Для расчета мощности, кВт асинхронного двигателя для подъема груза следует пользоваться формулой:
(1)
где k – коэффициент, который учитывает противовес;
v – скорость при которой поднимается груз в м/с;
m – масса груза, кг;
g – ускорение свободного падения равняется 9,8 в м/с2;
η – коэффициент полезного действия подъемника.
Мощность электродвигателя:
.
По полученной мощности выберем электродвигатель АД132S6 со следующими параметрами: номинальная мощность РН=5,5 кВт, Номинальный ток, при U=380 В, IН=12 А, частота вращения n=952 об/мин, КПД η=84%, коэффициент мощности cos φ=0,8, масса m=64 кг, отношение пускового тока к номинальному IП/IН=6, отношение пускового момента к номинальному mП=2,5, отношение максимального момента к номинальному mk=2,8.
Найдем номинальный момент на валу двигателя по формуле:
,						(2)
.
Максимальный момент на валу двигателя по формуле:
,						(3)
.
Толщина медного провода, масса меди – это устойчивость к перегрузкам. Разница количества меди может достигать 30%.
Материалы обмотки дешевых электромоторов – алюмоцинк или медь с большим содержанием других металлов, как следствие – низкая нагревостойкость и несоответствие заявленной мощности.
Подшипниковые щиты – массивность и качество металла в зоне посадочных мест под подшипник определяют устойчивость электромотора АД90L4 к вибрациям, продольным и радиальным нагрузкам на вал. Возможна просадка посадочных мест и проворот подшипника, трещины и крошение крышек.
Материал корпуса – чугунные массивные корпуса добротней алюминиевых, но тяжелей и легче крошатся – оба материала приемлемы. Дешевые электрические двигатели 3 кВт 1400 оборотов в минуту могут идти с некачественными корпусами с прессованного порошка втормета.
Подшипники – определяют виброшумовые показатели, стойкость к продольным нагрузкам, вибрации, ударам. Электрика и изоляция – низкое качество изоляции и пропитки обмотки в дешевых моторах, может привести к короткому или межвитковому замыканию. Также распространено оплавление изоляции выводных концов и замыкания в клеммной коробке низкокачественных двигателей.
Определение параметров обмотки статора
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.
Основные достоинства однослойной обмотки:
Отсутствие межслоевой изоляции, что повышает коэффициент заполнения паза, а следовательно, ток и мощность двигателя.
Простота изготовления.
Большая возможность применения автоматизации при укладке обмоток.
Недостатки:
Повышенный расход проводникового материала.
Сложность укорочения шага, а следовательно, компенсации высших гармоник магнитного потока.
Ограничение возможности построения обмоток дробным числом пазов на полюс и фазу.
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:
снизить расход обмоточного провода за счет уменьшения длины лобовой части секции;
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.
Расчет обмоточных данных
Расчет обмоточных данных состоит в определении основных данных:
N – число катушечных групп;
y – шаг обмотки;
q – число пазов на полюс и фазу;
α – число электрических градусов, приходящихся на один паз;
а – число параллельных ветвей.
Шаг обмотки (у1) – это расстояние, выраженное в зубцах (или пазах), между активными сторонами одной и той же секции:
(4)
где y1 – расчетный шаг (равен полюсному делению, выраженному в зубцах).
ξ – произвольное число меньше 1, доводящее расчетный шаг (y1) до целого числа.
На практике принято шаг определять в пазах, поэтому при раскладке вторая сторона секции ложится в паз у+1.
.
Двухслойные обмотки выполняют с укорочением шага.
(5)
где kу – коэффициент укорочения шага обмотки.
Для подавления пятой гармоники ЭДС катушки выбирают kу=0,8. Если необходимо подавить седьмую гармонику, то kу = 0,857.
. Принимаем y=9 пазов.
Число пазов на полюс и фазу:
(6)
где m – число фаз.
.
Так как q > 1, то обмотка называется рассредоточенной, при этом фазные катушки должны быть разделены на секции, число которых равно q. Дробное значение числа пазов на полюс и фазу можно представить в виде:
(7)
.
Обмотку с дробным q обычно выполняют из малых и больших катушечных групп, отличающихся количеством катушек. В малой катушечной группе число катушек равно a, т. е. целой части числа q, в большой — на одну больше, т. е. a+1. Эти катушечные группы, для получения одинакового числа витков и пазов в фазах, должны при укладке чередоваться в определенном порядке. Для полученного числа q следующий порядок чередования катушечных групп: 3.4.3.
Число катушечных групп.
В двухслойных обмотках число катушечных групп механически увеличивается в два раза, однако, по сравнению с однослойной обмоткой, с числом витков в каждой секции меньшим в два раза, тогда:
(8)
где  – число катушечных групп в одной фазе двухслойной обмотке.
шт.
Так как каждую пару полюсов создают все три фазы переменного тока, следовательно,
(8)
шт.
Число электрических градусов на один паз:
,						(9)
электрических градусов.
Катушечные группы фаз можно соединять последовательно (а = 1), параллельно (а = q) и комбинированно (1 < а < q).
Для нашего случая применяем, а = 1.
Построение развернутой схемы обмоток статора
Статор является основной частью двигателя и перемещает магнитное поле, необходимое для вращения ротора.
Развернутая схема обмотки статора состоит из нескольких слоев проводов, которые образуют витки, соединенные между собой в соответствии с определенной конфигурацией. Каждый слой обмотки состоит из проводов, которые проходят через много отверстий в статоре.
За каждый виток отвечает своя пара проводников, которые образуют закрытый контур. При подаче электрического тока на этот контур между проводниками возникает магнитное поле, которое разумеется перемещает ротор, стартуя работу двигателя.
Построение обмотки статора начинается с проектирования геометрии статора и его намотки. Затем проводники обмотки протаскиваются через каждое отверстие в статоре и соединяются с другими проводниками, как указано в развернутой схеме обмотки. Важно понимать, что обмотка статора должна быть рассчитана с учетом мощности двигателя и электрического тока, который будет протекать через неё.
Рассмотрим следующую последовательность построения развернутой схемы трехфазной двухслойной обмотки статора по рассчитанным ранее данным: количество фаз м=3, количество полюсов 2р=6, количество пазов в сердечнике статора Z1=60, шаг обмотки по пазам укороченный, т.е. y1=9.
Расстояние по пазам между обмотками y1 = 9 паза; количество канавок на полюс и фазу q =  пазов. Дробное значение числа пазов на полюс и фазу можно представить в виде (7). Обмотку с дробным q обычно выполняют из малых и больших катушечных групп, отличающихся количеством катушек. В малой катушечной группе число катушек равно a, т. е. целой части числа q, в большой — на одну больше, т. е. a+1. Эти катушечные группы, для получения одинакового числа витков и пазов в фазах, должны при укладке чередоваться в определенном порядке. Для полученного числа q следующий порядок чередования катушечных групп: 3.4.4.Угол наклона канавки α= 120 эл. градусов. Угол смещения между осями фазных обмоток составляет 120 градусов, то есть смещение между началами фазных обмоток A, B и C, выраженное в пазах, 
λ = 120/ α = 120/18≈6 пазов.
Отмечаются пазы (Z1 = 60) и деления полюсов (2p = 6) на развернутой поверхности статора, а затем отмечаются области после q = 3 или 4 паза для всех фаз. В этом случае расстояние между зоной фазы со ступенью одного полюса и областью, на которой расположен полюс, должно быть равным расстоянию между зоной фазы со ступенью одного полюса и зоной, на которой расположен полюс. Быть зоной той же фазы на другом полюсе с одной ступенью, равной ступени обмотки y1 = 9 пазов.
Аналогичным образом мы получаем вторую группу фазных катушек A, состоящую из последовательно соединенных катушек. Мы соединяем группы катушек последовательно. Подключаем первую группу катушек к выходу обмотки и запускаем вторую группу катушек - в результате мы получим фазную обмотку А.
Мы начнем с соединения боковых сторон пазов катушек фазы B.
Проделав то же самое с катушками фазной обмотки и соединив группы катушек этих фазных обмоток, мы получим фазные обмотки фазы В и фазы С.
Развёрнутая схема трёхфазной двухслойной обмотки статора с заданными Z1, p, y1, q изображена на отдельном листе А3 приложения 1.
Расчет эффективных значений линейной и фазной ЭДС
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 = 2∙p∙q1∙wк=0,97*Uф/(4,44∙f∙Ф∙kоб) (wК – число витков в катушке), получим ЭДС фазной обмотки статора (В) ν-й гармоники:
(10)
где Фν – расчетный шаг (равен полюсному делению, выраженному в зубцах);
fν – частота соответствующей гармоники;
– число витков в фазной обмотке;
– 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:
(11)
Частота любой гармоники рассчитывается по формуле:
(12)
где f –частота сети 50 Гц.
Магнитный поток ν-гармонической составляющей определяется как:
(13)
Величина магнитного потока определяется как:
(14)
где Bδ – величина максимальной индукции в воздушном зазоре (для двигателя АД132S6 принимаем 0,8 Тл);
(15)
где τ – полюсное деление (ширина полюса в воздушном зазоре), м;
lp – длина сердечника статора, м (для двигателя АД132S6 данная величина составляет 0,14 м).
При расчете Фv, полюсное деление τ следует измерять в линейных единицах, м:
(16)
где D – внутренний диаметр статора, м (для двигателя АД132S6 данная величина составляет 0,21 м).
Определяем количество витков из формулы (10) для первой гармоники:
Принимаем w11=160 витков.
Согласно (13), (12) и (10) определяем ЭДС для 5 и 7 гармонических составляющих:
,
,
Так как токи и ЭДС третьей гармоники во всех фазах трёхфазной обмотки совпадают во времени (по фазе), поэтому в линейной ЭДС при схемах соединения обмоток звездой или треугольником третья гармоника отсутствует.
Действующее значение фазной ЭДС обмотки с учетом высших гармонических составляющих:
(17)

Результатом выполнения данного курсового проекта является выбор асинхронного двигателя на лифтовую нагрузку. Выбор обмотки асинхронного двигателя, расчёт и определение её основных значений. Наиболее полезно для меня как результат выполнения данного курсового проекта является закрепление знаний, полученных при изучении дисциплины «Электрические машины», а также получение опыта подборки асинхронного двигателя, выбора и расчета типа обмотки асинхронного двигателя, определения величины ЭДС гармонических составляющих асинхронного двигателя, составление обмоточных схем.
Список использованной литературы
Ванурин В.Н. Электрические машины [Электронный ресурс]: учебник / В.Н. Ванурин. – Санкт-Петербург: Лань, 2016. – 304 с.  –
Баклин, В.С. Электрические машины. расчет двухполюсных турбогенераторов. практикум.: Учебное пособие для прикладного бакалавриата / В.С. Баклин. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 137 c.
Беспалов, В.Я. Электрические машины: Учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования / В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленец.. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 320 c.
Битюцкий, И.Б. Электрические машины. Двигатель постоянного тока. Курсовое проектирование: Учебное пособие / И.Б. Битюцкий, И.В. Музылева. - СПб.: Лань, 2018. - 184 c.
Брускин, А.Э. Электрические машины и микромашины: Учебник / А.Э. Брускин, А.Е. Зохорович, В.С. Хвостов. - М.: Альянс, 2016. - 528 c.
Брускин, Д.Э. Электрические машины Ч.2. / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвост. - М.: Альянс, 2016. - 304 c.
Методические указания по выполению курсовых работ Электрические машины. - Москва, 2022.-24.
https://samelectric.ru/wp-content/uploads/downloads/2019/12/setz-air-katalog-220-380-www.samelectric.ru_.pdf.
https://esbk.ru/products_info/ed/101_ed_as_obprom/elektrodvigatel_air_180s4.html
https://www.elp.ru/digest/Elektrodvigateli-Elektricheskie-mashiny-Generatory/Elektrodvigateli-peremennogo-toka/Elektrodvigateli-asinhronnye-serii/Elektrodvigateli-serii-AD132
Приложение 1