Мощностью от десятков ватт до нескольких киловатт нашли достаточно широкое применение в различного рода бытовых приборах, приводах вентиляторов бытового и производственного назначения, деревообрабатывающих станков, насосов, компрессоров, транспортеров а также небольших станков. Их преимущество - возможность использования в таких местах и помещениях, где нет трехфазной сети, но подведена двухпроводная однофазная сеть.

Значительная часть однофазных асинхронных электродвигателей изготавливается на базе серийных трехфазных двигателей. к примеру, однофазные двигатели серии ABE изготавливаются на базе трехфазных встраиваемых двигателей АВ и т. д. В конструкции механической части и магнитопроводов таких двигателей нет каких-либо существенных отличий в сравнении с асинхронными электродвигателями трехфазного тока .

Конденсаторные эл. двигатели

Главное отличие - в конструкции, выполнении и подключении статорной обмотки. Для пуска однофазных асинхронных электродвигателей часто используют специальную пусковую обмотку, находящуюся на статоре вместе с основной рабочей обмоткой, но смещенной на некоторый угол по отношению к ней. Пусковая обмотка зачастую подключается к сети через конденсатор , а после пуска и разгона двигателя отключается. В ряде конструкций обе обмотки являются рабочими и для повышения эффективности использования и улучшения характеристик однофазных двигателей можно пусковую обмотку с включенными в ее цепь конденсаторами оставить подсоединенной к сети на весь период работы. В этом случае подбором емкости конденсаторов можно добиться в рабочем режиме машины кругового или почти кругового вращающегося магнитного поля, когда обратная составляющая поля будет отсутствовать полностью или будет в значительной мере ослаблена. В результате этого улучшатся характеристики машины и повысится эффективность ее использования. Если при работе однофазного двигателя обе его обмотки остаются постоянно подсоединенными к сети, а последовательно с одной из них включен конденсатор, то такой двигатель называется конденсаторным (см. рис.).

У конденсаторного двигателя обе обмотки являются рабочими. Из условия получения кругового поля их числа витков в общем случае различны. Выбор конденсатора может показаться достаточно сложной задачей. Для этого существует, как минимум, два способа.

Первый способ - подбор емкости конденсатора опытным путем. Критерии для оценки оптимального выбора емкости ток холостого хода и пусковой момент. Момент должен быть максимальный, а ток холостого хода минимальный. Обычно достаточно оценки по току холостого хода.

Второй способ выбора емкости конденсатора - метод расчета. Остановимся на этом подробнее. В этом случае напряжения на обмотках должны быть сдвинуты по фазе на 90о, поэтому

jUa = Uβ kwawa/kwβwβ . (1)

Токи в обмотках Ia и Iβ также будут сдвинуты по фазе на 90° и будут создавать МДС

jIakwawa =Iβkwβwβ (2),

где wa и wβ - числа витков обмоток α и β ;

kwa и kwβ обмоточные коэффициенты для обмоток α и β .

Перемножая левые и правые части равенств (1) и (2), получаем

UαIα = UβIβ

Т. е. полные мощности обеих обмоток будут равны. Так как обмотки находятся в одинаковых условиях по отношению к ротору, то развиваемые ими активные мощности также будут равны, т. е.

UαIαcosφα = UβIβcosφβ

откуда следует, что φα = φβ .

Кроме того, согласно рис.

Uα = U1 Uβ+Uс = U1

и угол сдвига между током Iβ и напряжением на конденсаторе Uс составляет 90°. Этим условиям соответствует векторная диаграмма. Согласно этой диаграмме

Uс = Uβ /sinφβ

Емкость, необходимая для создания кругового поля, определяется из соотношения

Iβ = Uс /xc = (Uβ / sinφβ) ωC

Откуда

C = Iβ sinφβ / (ωUβ)

Мощность конденсатора составляет

QC = Uс Iβ = Uβ Iβ / sinφβ

Таким образом, мощность конденсатора равна полной мощности двигателя, Т. е. относительно велика. Следует обратить внимание, что при заданном значении емкости C круговое поле создается только при одной определенной нагрузке двигателя (при одном значении тока). При других нагрузках поле является эллиптическим и работа двигателя ухудшается. Можно регулировать емкость с изменением нагрузки, но это будет усложнять схему двигателя. Чтобы получить круговое поле при пуске и при какой-либо нагрузке, иногда конденсаторы включают в две параллельные ветви; при нагрузке работает одна ветвь, а при пуске включают обе. У конденсаторных двигателей использование материалов почти такое же, как у трехфазного двигателя равной мощности, КПД их также примерно равны, а cosφ несколько выше у конденсаторных двигателей.

У многих однофазных асинхронных двигателей в цепь обмотки, включенной в сеть через конденсатор, на время пуска подключается дополнительный (пусковой) конденсатор.

Принцип работы и конструкция однофазного электродвигателя.

Стандартный однофазный статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° по отношению друг к другу. Одна из них считается главной обмоткой, другая – вспомогательной, или пусковой. В соответствии с количеством полюсов каждая обмотка может делиться на несколько секций.

На рисунке приведен пример двухполюсной однофазной обмотки с четырьмя секциями в главной обмотке и двумя секциями во вспомогательной.

Ограничения однофазных электродвигателей.

Следует помнить, что использование однофазного электродвигателя – это всегда, своего рода, компромисс. Конструкция того или иного двигателя зависит, прежде всего, от поставленной задачи. Это значит, что все электродвигатели разрабатываются в соответствии с тем, что наиболее важно в каждом конкретном случае: например, КПД, вращающий момент, рабочий цикл и т.д. Из-за пульсирующего поля однофазные электродвигатели могут иметь более высокий уровень шума по сравнению с двухфазными электродвигателями, которые работают на много тише, так как в них используется пусковой конденсатор. Конденсатор, через который производится пуск электродвигателя, способствует его плавной работе.

В отличие от трёхфазных для однофазных электродвигателей существуют некоторые ограничения. Однофазные электродвигатели ни в коем случае не должны работать в режиме холостого хода, так как при малых нагрузках они сильно нагреваются , так же не рекомендуется эксплуатировать электродвигатель при нагрузке меньшей 25% от полной нагрузки.

Асинхронные эл. двигатели с экранированными полюсами

Статор асинхронного двигателя с экранированными полюсами имеет явнополюсную конструкцию (см. рис.). На полюсах размещается однофазная обмотка, которая подключается в однофазную сеть. Часть полюса охватывает короткозамкнутый виток К. На роторе двигателя имеется обычная короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки.

Магнитный поток одного полюса двигателя можно представить в виде двух составляющих. Часть полюса, не охваченную короткозамкнутым витком, пронизывает поток Ф1m , созданный током обмотки статора I1 . Другую часть полюса можно рассматривать как трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка статора, а вторичной - короткозамкнутый виток. Результирующий поток этой части полюса Ф2m равен геометрической сумме потока Ф"2m созданного током обмотки статора I1 , и потока Фк,m от тока Iк , индуктируемого в короткозамкнутом витке потоком Ф"2m .

Как следует из векторной диаграммы (см. рис.), которая аналогична векторной диаграмме трансформатора, между потоками двух частей полюса Ф1m и Ф2m из-за экранирующего действия короткозамкнутого витка существует сдвиг по фазе во времени на угол β . Кроме того, оси этих потоков смещены на определенный угол в пространстве. Поэтому магнитное поле в машине будет вращающимся. Так как магнитные потоки Ф1m и Ф2m не равны между собой и угол сдвига между ними меньше 90°, то магнитное поле будет эллиптическим. Вследствие этого двигатели с экранированными полюсами имеют ряд недостатков: большие габаритные размеры, небольшой пусковой момент , низкий коэффициент мощности (cos φ ≈ 0,4 ÷ 0,6) и невысокий КПД из-за больших потерь в короткозамкнутом витке (ή ≈ 0,25 ÷ 0,4).

Некоторое улучшение их пусковых и рабочих характеристик удается получить путем применения между полюсами магнитных шунтов из листовой стали, увеличения воздушного зазора под неэкранированной частью полюсов, расположения на каждом полюсе двух-трех короткозамкнутых витков разной ширины. Двигатели с экранированными полюсами выпускаются серийно на мощности от долей ватта до 300 Вт и применяются в вентиляторах, проигрывателях, магнитофонах и пр

Формулы для пересчёта трёхфазного электродвигателя в однофазный конденсаторный.

• При данном пересчете трёхфазного электродвигателя в однофазный не учитывается количество параллельных ветвей, в итоге получается количество параллельных ветвей в рабочей и пусковой обмотках равно количеству параллельных ветвей в обмотке трёхфазного электродвигателя.

Пример пересчета трёхфазного электродвигателя в однофазный конденсаторный.

• Для примера пересчета трёхфазного в однофазный конденсаторный возьмем двигатель 5АИ100S2У3 мощность 4,0 кВт. 3000 оборотов в минуту, напряжение питания U=220/380, ток A=14,6/8,15. Электродвигатель имеет следующие обмоточные данные: диаметр провода d=0,8×2 (в два провода), витков в пазу n=25, количество параллельных ветвей a=1, шаг обмотки по пазам у=11;9, количество пазов статора Z 1 =24.

• Сначала нужно рассчитать схему укладки однофазной обмотки , для однофазного конденсаторного электродвигателя лучше выбрать схему укладки в которой рабочая обмотка занимает 2/3 пазов сердечника статора, а пусковая 1/3 пазов сердечника статора рисунок №1. Шаг: рабочей обмотки у=11;9;7;5, пусковой обмотки у=11;9.

• Пересчет трёхфазного электродвигателя в однофазный конденсаторный завершен. Получился однофазный электродвигатель с следующими обмоточными данными: рабочая обмотка - количество витков в пазу Nr=13, диаметр провода d=1,56; пусковая обмотка - количество витков в пазу Nп=26, диаметр провода d=1,12, количество параллельных ветвей в рабочей и пусковой обмотках а=1.

• Для запуска и нормальной работы однофазного двигателя питающая сеть должна выдерживать пусковой ток, а ток при пусковом моменте будет примерно семикратным току в рабочей обмотке 15,6×7=109,2 А. Напряжение конденсаторов не менее 450 вольт.

1. Подбирать емкость рабочего (Ср) и пускового (Сп) конденсаторов электродвигателя на холостом ходу (без нагрузки).
2. Увеличивая или уменьшая емкость конденсатора, добейтесь хорошего запуска двигателя. Если электродвигатель не запускается (обычно такое происходит у электродвигателей на 3000 об. мин.), придётся проточить на токарном станке алюминиевые короткозамыкающие кольца ротора. Сечение короткозамыкающих колец нужно уменьшить на 20-50%, тем самым увеличатся сопротивление ротора и скольжение. Обычно после увеличения сопротивления ротора электродвигатель запускается легко.
3. После того как двигатель запустился замерьте ток холостого хода в рабочей обмотке электродвигателя. Ток холостого хода в однофазных и трёхфазных асинхронных электродвигателях зависит от частоты вращения. Чем меньше обороты электродвигателя, тем ближе ток холостого хода к номинальному току электродвигателя. Если ток холостого хода электродвигателя на 3000 об/мин. примерно 40-60% от номинального, то ток холостого тока электродвигателя на 250 об/мин. будет примерно 80-95% от номинального тока указанного на табличке. Так как мы подбираем рабочий конденсатор для однофазного двигателя 3000 об/мин., то ток на холостых оборотах должен быть 40-60% от максимального тока в рабочей обмотке. После расчета максимальный ток в рабочей обмотке однофазного электродвигателя 15,6 А, ток при холостом ходе должен быть от 6 до 9 А.
4. Что делать если двигатель запускается хорошо, но ток в рабочей обмотке при холостом ходе близок или превышает 15,6 А. Запустите двигатель и после разгона отключите часть конденсаторов, в работе оставить примерно 30-50% от общей емкости. Уменьшая или увеличивая емкость рабочего конденсатора, подбираем ток холостого хода однофазного электродвигателя от 6 до 9 А. Конденсатор который всегда остается в цепи обмотки однофазного электродвигателя называется рабочим (Ср) , конденсатор используемый только для запуска электродвигателя - пусковой (Сп) . После установки электродвигателя на оборудование возможна корректировка пускового конденсатора в сторону увеличения емкости, емкость рабочего конденсатора изменять запрещено.
5. Ток холостого хода однофазного электродвигателя в норме, ток в пусковой обмотке не должен превышать 7,8 А.

Литература по данной теме:
Девотченко Ф.С. "Переделка трёхфазных электродвигателей на однофазные с заменой обмотки." 1991 г.
Кокорев А.С. "Справочник молодого обмотчика электрических машин" 1979 г.
Мещеряков В.В., Ченцов И.М. "Пересчет электрических машин и таблицы обмоточных данных" 1950 г.

Введение

1. Задание к курсовому проекту

2. Подготовка данных обмера магнитопровода

3. Выбор типа обмотки

4. Расчёт обмоточных данных

5. Расчёт оптимального числа витков в обмотке одной фазы

6. Расчёт числа витков в одной секции

7. Выбор изоляции паза и лобовых частей обмотки

8. Выбор марки и расчёт сечения обмоточного провода

9. Расчёт размеров секции (длины витка)

10. Расчёт массы обмотки

11. Электрическое сопротивление обмотки одной фазы постоянному току в холодном состоянии

12. Расчёт номинальных данных

13. Задание обмотчику

14. Расчёт однослойной обмотки

15. Пересчёт асинхронного двигателя на другие параметры

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов, используемых во всех отраслях народного хозяйства.

Асинхронные двигатели потребляют более 40% вырабатываемой в РБ электроэнергии, для их изготовления требуется большое количество дефицитных материалов: электротехнической стали, обмоточной меди, и др., но уменьшаются затраты на обслуживание установленного оборудования. Поэтому создание серий высокоэкономичных и надёжных АД являются важнейшими задачами, а правильный выбор двигателей, их эксплуатация и высококачественный ремонт играют роль в экономии материальных и трудовых ресурсов.

Асинхронные двигатели общего назначения мощностью от 0,06 до 400 кВт напряжением до 1000 В – наиболее широко применяемые электрические машины. В народнохозяйственном парке электродвигателей они составляют по количеству 90%, по мощности – примерно 55%. Потребность, а, следовательно, и производство асинхронных двигателей на напряжение до 1000 В в РБ растёт из года в год.

Сроки жизни электрооборудования довольно длительные (до 20 лет). За этот срок в процессе эксплуатации одни из элементов электрооборудования (изоляция) стареют, другие (подшипники) изнашиваются.

Процессы старения и износа выводят электродвигатель из строя. Эти процессы зависят от многих факторов: условий и режима работы, технического обслуживания и т.д. Одна из причин выхода электрооборудования из строя – аварийные режимы: перегрузка рабочей части машины, попадание в рабочую машину посторонних предметов, неполнофазные режимы работы и т.п. Отказ электродвигателей, при невозможности быстрой замены, приводит к остановке линий переработки продукции и часто к большим материальным потерям

Электрооборудование, вышедшее из строя, восстанавливают. Особенность ремонта в том, что до ремонта двигатель рассчитывают. Это необходимо для проверки соответствия имеющихся обмоточных данных электродвигателя каталожным данным.

Полученные данные сравниваются с каталожными. Только в случае полного совпадения всех необходимых величин или при малых расхождениях между ними можно приступать к ремонту электродвигателя. Ремонт обмоток, особенно при модернизации, требует достаточно глубоких знаний методик расчётов, умения рационально использовать электротехнические материалы, находить самые экономичные решения.

1. ЗАДАНИЕ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ.

Таблица 1. Исходные данные к проекту.

Размеры магнитопровода и его паза:

D – Внутренний диаметр сердечника статора, мм.

D a – Внешний диаметр сердечника статора, мм.

l – полная длина сердечника статора, мм.

Z– число пазов, шт.

b – большой размер ширины паза, мм.

b" – меньший размер ширины паза, мм.

b ш – ширина шлица паза, мм.

h – полная высота паза, мм.

e – высота усика паза, мм.

δ – толщина листов стали, мм, и род изоляции даны цифрами.

Технические условия заказчика:

n – частота вращения магнитного поля статора, мин -1 .

U ф – фазное напряжение обмотки статора, В.

U/Δ – схема соединения обмоток фаз, звезда/треугольник.

f – частота тока, Гц.

Рис. 1. Эскиз сердечника статора асинхронного двигателя и контур паза.

2. ПОДГОТОВКА ДАННЫХ ОБМЕРА МАГНИТОПРОВОДА

Подготовка данных обмера магнитопровода проводится для удобства выполнения последующих расчётов и включает в себя расчёт:

а) площади полюса в воздушном зазоре (Q d),

б) площади полюса в зубцовой зоне статора (Q z),

в) площади поперечного сечения спинки статора (Q c),

г) площади паза в свету (Q п), мм 2 .

Первые три площади необходимы для расчёта магнитных нагрузок, последняя для расчёта сечения обмоточного провода.

1. Площадь полюса в воздушном зазоре.

В воздушном зазоре сопротивление магнитному потоку по всей площади равномерное:

(м 2)

где l p – расчётная длина магнитопровода, м

t - полюсное деление

Каналов охлаждения нет, следовательно

(м) (м)

р – количество пар полюсов

(шт) ; ; м 2

2. Площадь полюса в зубцовой зоне.

В зубцовой зоне статора магнитный поток протекает по листам электротехнической стали, следовательно, площадь полюса будет равна произведению активной площади зубца на их количество в полюсе:

(м 2)

где N z – количество зубцов на один полюс, шт

Q 1 z – площадь одного зуба, м 2

(шт) (м 2)

где l a – активная длина зуба

b z – средняя ширина зуба

м (м)

где Кз – коэффициент заполнения стали, зависит от толщины листа электротехнической стали и рода изоляции

b’ z – меньший размер зуба

b’’ z – больший размер зуба

ширина зуба в узком месте

(м) (м) м м ; м 2 ; м 2

3. Площадь магнитопровода в спинке статора.

Площадь спинки статора, перпендикулярная магнитному потоку, равна произведению её высоты на активную длину магнитопровода:

(м 2)

где h с – высота спинки статора

(м 2) м; м 2

4. Площадь паза в свету.

Площадь паза в свету требуется для расчёта сечения обмоточного провода. Для определения площади паза его сечение разбивается осевыми линиями на простые фигуры:

(мм 2)

где Qb, Qb’ – площади полуокружностей с диаметрами, соответственно b и b’

Q т – где основания b и b’, а высота:

(мм) (мм 2); (мм 2); (мм 2) мм 2 ; мм 2 ; мм 2 мм 2

3. ВЫБОР ТИПА ОБМОТКИ

Выбор делается исходя из:

Технические возможности выполнения обмотки в данных условиях;

Минимального расхода обмоточного провода;

Номинальных мощности и напряжения;

Типа паза;

Достоинств и недостатков обмоток;

Экономической целесообразности.

Схема статорных обмоток трёхфазных электрических машин разделяют:

По числу активных сторон секций в пазу на однослойные (у которых активная сторона одной катушки занимает весь паз) и двухслойные (активная сторона занимает половину паза),

По размеру шага на обмотки с полным шагом (при y=y’) и с укороченным шагом (при y

По частоте вращения магнитного поля статора на односкоростные и многоскоростные,

По числу секций в катушечных группах (фазных катушек) на обмотки с одинаковым числом секций в группе (q равно целому числу) и равным (q равно дробному числу).

По способу выполнения обмоток их ещё разделяют на:

Шаблонно рассыпные (или всыпные), они же называются обмотками с мягкими секциями. У таких обмоток секции укладываются по одному проводнику через прорезь (шлиц) полузакрытого паза. Применяется для машин малой мощности, напряжением до 500 В;

Протяжные, выполняются протяжкой провода через пазы, используются для машин напряжением до 10000 В при закрытых или полузакрытых пазах. Способ укладки обмоток трудоёмок. В настоящее время используются в основном при частичном ремонте обмоток.

Обмотки с жёсткими секциями, готовые, изолированные секции, несущие на активных частях пазовую изоляцию, укладываются в открытые пазы.

Используются для машин средней и большой мощности с напряжением до 5000 -10000 В и более.

По способу размещения секций катушечных групп в расточке статора, а так же размещения лобовых частей подразделяются на:

концентрические, с размещением катушек (секций) одна внутри другой и расположением лобовых частей в двух или трёх плоскостях, такие обмотки выполняются вразвалку;

шаблонные, с одинаковыми секциями катушечных групп. Они могут выполняться и простыми и вразвалку. Если в шаблонной однослойной обмотке развалку выполнить не по полугруппам, а по отдельным катушкам получим схему цепной обмотки.

Однослойные обмотки главным образом выполняются простыми шаблонами, шаблонными в «развалку», цепными, концентрическими.

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 трудоёмкое 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:

1. 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.

2. Простота технологического процесса изготовления катушек (многие операции можно механизировать).

3. 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.

4. Возможность образования большего числа параллельных ветвей.

К недостаткам двухслойных обмоток следует отнести:

1. Меньший коэффициент заполнения паза (вследствие наличия межслоевой изоляции).

2. Некоторая сложность при укладке последних секций обмотки.

3. 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.

4. РАСЧЁТ ОБМОТОЧНЫХ ДАННЫХ

Обмотка асинхронного двигателя, размещённая в магнитопроводе его статора состоит из трёх самостоятельных фазных обмоток (А, В, С). Обмотка трёхфазной машины переменного тока характеризуется следующими обмоточными данными:

у – шаг обмотки;

q – число пазов на полюс и фазу (равно числу секций в катушечной группе);

N – число катушечных групп;

a - число электрических градусов, приходящихся на один паз;

а – число параллельных ветвей.

1. Шаг обмотки

Шаг обмотки (у) – это расстояние выраженное в зубцах (или пазах), между активными сторонами одной и той же секции:

где y’ - расчётный шаг (равен полюсному делению, выраженному в зубцах);

x - произвольное число меньше единицы, доводящая расчётный шаг (y’) 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.

где Ку – коэффициент укорочения шага обмотки

На практике и расчётами установлено, что наиболее благоприятная кривая изменения магнитного потока получается при укорочении диаметрального (расчётного) шага на Ку=0,8: у=0,8×18=14,4 , принимаем у=14

2. Число пазов на полюс и фазу.

Число пазов на полюс и фазу (q) определяет число секций в катушечной группе:

где m - число фаз

Каждая катушка обмотки участвует в создании двух полюсов, так как активные проводники одной её стороны имеют одно направление тока, а другие - противоположные.

При q>1, обмотка называется рассредоточенной, при этом фазные катушки должны быть разделены на секции, число которых равно q.

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:

2×1=2

где N 1ф (2) - число катушечных групп в одной фазе двухслойной обмотке. Так как каждую пару полюсов создают все три фазы переменного тока, следовательно:

4. Число электрических градусов на один паз

В расточке статора асинхронного двигателя одна пара полюсов составляет 360 0 эл. Это наглядно видно на рисунке 2.

Рис. 2. Изменение ЭДС под полюсами.

При прохождении проводника под одной парой полюсов в расточке статора полностью за один оборот ЭДС в нём (возникает) изменяется по синусоиде. При этом происходит полный цикл изменения, который составляет 360 электрических градусов (рисунок. 2).

Число электрических градусов, приходящихся на паз, или угловой сдвиг между рядом лежащими пазами:

5. Число параллельных ветвей

Параллельные ветви в обмотке асинхронного двигателя делаются для сокращения сечения обычного провода, кроме того, это даёт возможность лучше загрузить магнитную систему машины.

Все катушечные группы данной фазы мы соединяем последовательно, тогда число параллельных ветвей 1 (а=1) (рис. 3). На рисунке буквами Н и К обозначены соответственно начала и концы катушечных групп.

Рис. 3. Соединение катушечной группы

При их параллельном подключении число параллельных ветвей в принципе может равняться числу катушечных групп в одной фазе N 1ф.

Катушечные группы фазы можно соединить и комбинированно (часть последовательно и часть параллельно), но при этом, в любом случае число катушечных групп в каждой параллельной ветви должно быть одинаковым, а=2.

Число параллельных ветвей вводится тогда, когда необходимо уменьшить сечение провода. Максимальное число параллельных ветвей:

а max =2×p=2×1=2,

принимаем а=1.

6. Принцип построения схемы статорной обмотки трёхфазного асинхронного двигателя

Для получения вращающегося магнитного поля трёхфазного асинхронного двигателя, при любой схеме обмотки, требуется:

1. Смещение в пространстве расточки статора асинхронного двигателя фазных обмоток, одна относительно другой на 120 0 эл.

2. Смещение во времени токов, протекающих по этим обмоткам, на

периода.

Первое условие выполняется соответствующей укладкой катушечных групп трёхфазной обмотки, второе – подключением асинхронного двигателя к сети трёхфазного тока.

При построении схемы, обмотка первой фазы может в общем начинаться с любого паза. Поэтому первую активную сторону секции помещаем в первый паз. Вторую активную сторону секции помещаем через десять зубцов в одиннадцатый паз.

Одна катушечная группа имеет четыре секции, тогда вторая и последующие секции занимают соответственно 2 и 12, 3 и 13, 4 и 14 пазы.

Число катушечных групп одной фазы будет четыре (просчитано выше)

В однослойной обмотке первая катушечная группа участвует в создании первой пары полюсов, вторая – должна создавать вторую пару полюсов, следовательно, расстояние между ними должно быть равно одной паре полюсов, т. е. 360 электрических градусов.

В отличие от однослойных в двухслойных обмотках катушечные группы одной и той же фазы сдвигаются не на 360 электрических градусов, а на 180.

.

Следовательно, вторая катушка фазы «А» начинается с 19-го паза.

Обмотка фаз «В» и «С» выполняется аналогично, но они сдвинуты, соответственно, на 120 и 240 электрических градусов относительно обмотки фазы «А», т. е. В пазах это будет:

;

5. РАСЧЁТ ЧИСЛА ВИТКОВ В ОБМОТКЕ ОДНОЙ ФАЗЫ

Рис. 4. а) Схема замещения обмотки асинхронного двигателя;

б) Векторная диаграмма асинхронного двигателя.

При подаче напряжения U ф на обмотку, по ней потечёт ток холостого хода (рис. 4). Так как напряжение изменяется по синусоидальному закону, ток будет переменным. В свою очередь создаст в магнитной системе машины магнитный поток Ф, который также будет переменный.

Переменный магнитный поток Ф индуцируется в витках обмотки, которая его создала ЭДС (Е Ф), направленную встречно преложенному напряжению (закон электромагнитной индукции).

ЭДС фазной обмотки Е Ф будет слагаться из суммы ЭДС отдельных витков E 1в

Е ф =å E 1в или Е ф = E 1в ×W ф

где W ф - количество витков в обмотке одной фазы.

Кроме того, ток I хх создаёт на активном и реактивном сопротивлении обмотки падение напряжения DU .

Таким образом, приложенное к обмотке напряжение U ф уравновешивается ЭДС Е Ф и падение напряжение в обмотке DU. Всё это в векторной форме приведено в упрощённой векторной диаграмме (рисунок 4). Из изложенного и векторной диаграммы следует, что

.

Падение напряжения составляет 2,5…4% от U ф то есть в среднем около 3%, без ущерба для точности расчёта можно принимать:

Е ф =0,97× U ф;

где Е ф – ЭДС обмотки фазы, В

U ф - фазное напряжение, В

Мгновенное значение ЭДС одного витка:

где t - время, с

Магнитный поток изменяется по закону:

Ф=Ф м ×sin×w×t,

где Ф м - амплитудное значение магнитного потока, Вб;

w - угловая частота вращения поля;

Максимальное значение ЭДС одного витка будет, когда

,

тогда (так как

): .

Действующее значение отличается от максимального на

.

Так как обмотка рассредоточена, то часть магнитного потока Ф рассеивается, что учитывает коэффициент распределения К р:

Практически все двухслойные обмотки выполняются с укороченным шагом. Это приводит к тому, что на границах полюсов секциях разных фаз, лежащих в одном пазу, направление токов будет встречное. Следовательно суммарный поток от этих секций будет равен нулю, что уменьшит общий магнитный поток Ф. Это явление учитывает коэффициент укорочения К у:

Обмоточный коэффициент:

К об =К р ×К у =0,96×0,94=0,9

тогда окончательно ЭДС одного витка равно:

Число витков в фазе:

В полученном выражении U ф и f заданы заказчиком, нужно знать для расчета только Ф. Он под полюсом распределяется равномерно (рисунок 5), однако при равенстве площадей прямоугольника со стороной В ср и полуокружности с радиусом В d величина магнитного поля под полюсом будет одинаковой.

Рис. 5. Магнитное поле полюса.

Величина средней магнитной индукции:

(Вб) - коэффициент учитывающий равномерность распределения магнитного потока под полюсом.

В ср – среднее значение магнитной индукции а воздушном зазоре, Тл

В б – максимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре, Тл

Из таблицы «нормированных электромагнитных нагрузок асинхронных двигателей» для мощности от 1 до 10 кВт. Принимаем В б =0,7

Отсюда значение магнитного потока:

Вб

Число витков в фазе:

шт

Предварительное число витков в фазе 94,52 шт, такая обмотка не выполнима так как часть витка не возможно уложить в пазы статора.

С другой стороны, при делении числа витков фазной обмотки по секциям, необходимо распределить их равномерно, так чтобы число витков во всех секциях обмотки W сек было одинаковым, такая обмотка называется равносекционной.

Условие равносекционности выполняется исходя из выражения числа активных проводников в пазу:

шт

где а– число параллельных ветвей.

В формуле двойка в числителе показывает, что виток имеет два активных проводника. Чтобы число витков в секциях было одинаковым, необходимо число активных проводников в пазу округлить:

При однослойной обмотке до целого значения,

При двухслойной – до целого чётного.

Округляем число проводников в пазу до целого чётного и принимаем Nп=16

После округления числа проводников в пазу, уточняем число витков в фазе

шт

Уточняем магнитный поток, так как он зависит от числа витков в фазе

Вб

Уточняем значение магнитных индукций В d , В z , В c .

Магнитная индукция в воздушном зазоре:

Тл

Магнитная индукция в зубцовой зоне статора:

Тл

Магнитная индукция в спинке статора:

Тл

Сравниваем их с предельно допустимыми значениями. Все варианты расчёта магнитных индукций сводим в таблицу 2.

Таблица 2. Нагрузки магнитной цепи

Наименование		Расчётная формула	Варианты расчёта			Допустимые пределы
Число проводников в пазу, N п
Число витков в обмотке одной фазы, W ф
Величина магнитного потока Ф при W ф
Индукция в воздушном зазоре, В d
Индукция в зубцах, В z
Индукция в спинке статора, В c

По результатам расчёта, из таблицы видно, что наиболее оптимальный вариант 2, при котором рассчитываемый двигатель будет отдавать максимальную для его магнитной системы мощность. Если максимальная нагрузка в норме то это и будет оптимальны вариант. Если магнитная индукция на каком-то участке ниже нормы, то есть участок недогружен (3) и в этом случае будет недоиспользована сталь магнитопровода асинхронного двигателя, занижена его мощность.

Если магнитные нагрузки выше нормы индукции на каком либо участке, то этот участок перегружен и двигатель перегревается, этот вариант (1) не допустим. Наиболее оптимальным будет вариант 2.

6. РАСЧЁТ ЧИСЛА ВИТКОВ В ОДНОЙ СЕКЦИИ

При однослойной обмотке проводники одной секции (W сек) полностью занимают паз, поэтому число витков в секции равно числу активных проводников в пазу.

При двухслойной обмотке в одном пазу лежат проводники двух секций, следовательно, число витков в секции двухслойной обмотки (W сек) равно половине числа проводников в пазу.

7. ВЫБОР ИЗОЛЯЦИИ ПАЗА И ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТКИ

Целью этой изоляции является обеспечение требуемой электрической прочности между обмотками разных фаз, а также обмотками и магнитопроводом (корпусом) асинхронного двигателя. Кроме того, она должна отвечать требованиям нагревостойкости, химической стойкости, влагостойкости и пр.

Рис. 6. Пазовая изоляция обмотки.

Изоляция паза (рисунок 6) состоит из пазовой коробки 1, межслойной прокладки 2 (если обмотка двухслойная), прокладки под клин 3 и пазового клина 4. Также устанавливаются межфазовые прокладки в лобовых частях

секций или катушечных групп, изоляции внутри машинных соединений, а также под бандаж в пазовых и лобовых частях обмоток.

При ремонте АД серий А, А0, А2, А02 с нагревостойкостью изоляции:

А и Е (которых пока в РБ большинство) наибольшее применение получили, пазовые коробки из 3-х слоёв диалектиков:

Первый слой (кладётся в паз на магнитопровод), его назначение – защита второго слоя от повреждения листами стали, от этих материалов, в первую очередь требуется высокая механическая прочность (электрокартон, слюдинит и пр.).

Второй слой это основная электрическая изоляция, от неё требуется высокая электрическая прочность (лакоткани, гибкие плёнки и т.п.).

Третий слой делается из механически прочного диэлектрика, он так же как и первый защищает второй слой от повреждений, но уже активными проводниками, которые помещаются в паз (электрокартон, кабельная бумага и т. п.).

Пазовый короб должен плотно прилегать к стенкам паза, не сминаться при укладке обмотки, быть стойким к надрыву, продавливанию, расслоению и достаточно скользким.

Изоляция под бандаж выполняется также в три слоя, а междуфазные прокладки в лобовых частях обмотки могут иметь один, два или три слоя, в зависимости от используемых материалов.

Электроизоляционные материалы для всех указанных деталей обмоток выбираются в зависимости от номинального напряжения машины, класса нагревостойкости, условий работы, наличия диэлектрических материалов и по экономическим соображениям.

Широкое применение в современных электрических машинах напряжением до 1000 В получили синтетические плёнки и материалы, изготовленные с их применением – композиционные материалы. Они позволяют значительно сократить толщину изоляции вследствие их высокой электрической, а нередко и механической прочности, что повышает коэффициент заполнения паза. Полиэтилентерефталатная (лавсановая) плёнка ПЭТФ и пленкоэлектрокартон применяются в первую очередь для изготовления пазовых коробок и прокладок. При этом две полоски плёнкоэлектрокартона складываются плёнкой внутрь.

Полиамидная плёнка ПМ применяется в электрических машинах с нагревостойкостью изоляции до 220 0 С.

Фторопластовая плёнка Ф-4ЭО, Ф-4ЭН имеет высокую влагостойкость, стойкость к растворителям, воздействию химически активных сред и применяться в машинах специального назначения (например, для работы во фреоновых компрессорах) и в тех случаях, когда нагревостойкость изоляции должна быть выше 220 0 С. однако фторопластовые плёнки мягки и поэтому для пазовой изоляции их применяют в сочетании с другими, более жёсткими материалами.

Композиционные материалы обладают достаточно высокими механическими свойствами, они поставляются в рулонах.

Плёнкосинтокартоны марок ПЭТ-Ф, ПСК-ЛП состоят из плёнки ПЭТФ, оклеенной с обеих сторон либо бумагой из фенилового волокна (ПСК-Д), либо бумагой из лавсанового волокна без пропитки (ПСК-Л) или с пропиткой (ПСК-ЛП).

Плёнкослюдопласт ГИП-ЛСП-ПЛ представляет собой слой флогопитовогослюдопласта, оклеенного с одной стороны стеклотканью, а с другой – плёнкой ПЭТФ, широко используется для изоляции обмоток из жёстких секций.

Для прокладок в лобовых частях применяются материалы, поверхность которых имеет повышенный коэффициент трения, в частности кабельную бумагу, тонкий электрокартон, плёнколакослюдопласт, плёнкоасбестокартон (их используют в двигателях серий А, А2, А4).

Изолирование внутримашинных соединений и выходных концов

осуществляется изоляционными трубками. В местах, где они не подвергаются изгибам, кручению и сжатию (при увязке схемы), применяют лакированные трубки марок: ТЛВ и ТЛС (на основе стеклянного чулка и масляного лака) – у машин с классом нагревостойкости изоляции А для работы в нормальных условиях окружающей среды; ТЭС – для машин с классом нагревостойкости В всех исполнений; ТКС – для машин с классом нагревостойкости F и Н химически стойкого исполнения.

Трубки на основе фтороорганической резины марки ТРФ наиболее эластичны и стойки к перегибам.

Для механической защиты и закрепления изоляции применяют х/б, стеклянные и лавсановые ленты. Х/б ленты используются только в машинах с классом нагревостойкости изоляции А и только в пропитанном виде.

Стеклянные ленты пригодны для машин классов нагревостойкости изоляции Е, В, F и Н всех исполнений. Для уменьшения выделений из стеклянной ленты пыли, при изолировании их пропитывают лаками.

Лавсановые ленты разработаны в последние годы и внедряются в производство. Они могут заменить не только стеклоленты, но и шнуры. Их можно использовать для обмоток классом нагревостойкости изоляции Н.

Лавсановые ленты не требуют пропитки. Толщина лавсановых лент: миткалевой – 0,14 мм, батистовой – 0,15 мм. Наиболее часто применяются для обмоток тафтяная лавсановая лента, она выпускается шириной 20, 28, 30 мм. При ширине 20 мм разрывная нагрузка такой ленты составляет 390 Н. Большим преимуществом лавсановых лент является их усадка после термообработки, в результате чего происходит дополнительная натяжка изоляции.

Для увязки и бандажировки обмоток статора в лобовых частях применяют хлопчатобумажные шнур-чулки при классе нагревостойкости изоляции А и стеклянные шнур-чулки при классах нагревостойкости B, F, Н.

Учитывая номинальное напряжение, класс нагревостойкости, условия работы АД, наличие диэлектрических материалов и экономические соображения, выбираем синтетическую триацетат целлюлозную плёнку толщиной 35 мкм. Применяем, также композиционные материалы на основе синтетических плёнок (выбираем плёнкосинтокартон ПСК-ЛП, толщиной 0,30 мм). Внутреннее соединение и выходные концы будем изолировать электроизоляционными трубками ТЭС, внутренним диаметром 2,5 мм. Для механической защиты и закрепления изоляции применяем х/б лавсановые и стеклянные ленты ЛЭС, толщиной 0,08 мм. Для увязки и бандажирования применим хлопчатобумажные шнур-чулки АСЭЧ(б)-1,0.

Материалы, выбранные для изоляции пазов и лобовых частей обмотки:

1–й слой – электрокартон ЭВС, толщиной

0,3 мм, кВ/мм,

2-й слой – лакоткань ЛХМ-105, толщиной

0,17 мм, кВ (пробивное напряжение дано для данной толщины диэлектрика),

3-й слой – электрокартон ЭВС, толщиной

0,2 мм, кВ/мм.Проверяем выбранные диэлектрики на электрическую прочность изоляции паза:

Электрическая прочность 1-го слоя:

кВ;

Электрическая прочность 2-го слоя:

кВ;

Электрическая прочность 3-го слоя:

кВ.

Суммарная электрическая прочность пазовой изоляционной коробки:

кВ.

Проверка электрической прочности гильзы:

,

т.к. 12>1,0+2

0,38 кВ,

то изоляция удовлетворяет поставленным условиям, более того, диэлектрики можно взять меньшей толщины. Однако, учитывая необходимость обеспечения нужной механической прочности изоляции, выбранные материалы можно утвердить.

8. ВЫБОР МАРКИ И РАСЧЁТ СЕЧЕНИЯ ОБМОТОЧНОГО ПРОВОДА

Выбор марки провода производится в зависимости от номинального напряжения, класса нагревостойкости, исполнения, мощности двигателя и экономических соображений.

Расчётное сечение провода с изоляцией:

мм 2

где К з – коэффициент заполнения паза; К з =0,48

- активная площадь паза, то есть занятая в пазу изолированными проводниками обмотки. мм

Данный диаметр отсутствует в таблицах , поэтому выбираем число параллельных сечений а’=2

Расчётный диаметр провода с изоляцией:

мм

Диаметр изолированного провода должен быть на 1,5…2 мм меньше ширины паза d’

Гостированный диаметр изолированного провода

Гостированное сечение провода:

Определяем фактический коэффициент заполнения паза:

Обмотку двигателя будем наматывать проводом:

9. РАСЧЁТ РАЗМЕРОВ СЕКЦИЙ (ДЛИНЫ ВИТКА)

Определение длинны витка необходимо для установки шаблона при изготовлении секций катушечных групп.

Средняя длинна витка:

(м)

где l а - пазовая (активная) длина витка, м. При отсутствии поперечных каналов охлаждения в магнитопроводе

м.

l л - длинна лобовой части витка, м.

(м)

где k - поправочный коэффициент,

Т – средняя ширина секции, м.

- коэффициент запаса, м. м м м

10. РАСЧЁТ МАССЫ ОБМОТКИ

Расчёт массы обмотки необходим для получения обмоточного провода со склада. Масса металла обмотки определяется путём умножения плотности проводникового материала на объём провода:

(кг)

где g - плотность проводникового материала, кг/м 3 , (для меди – 8900 кг/м 3).

Советуем почитать

• Бездрожжевой постный хлеб
• Геморроидальная киста Геморрагическая киста яичника симптомы
• Любопытные факты из биографии
• Растительные гормоны: принцип замещения?