Машины переменного тока и серии машин

 

Преобразование энергии в элек­трических машинах происходит в воздушном зазоре, где концентри­руется основная часть энергии маг­нитного поля. Объем активной части, т. е. про­странство, в котором размещены магнитные сердечники и пазовые части обмоток, определяется произ­ведением , где D_a – наружный диаметр статора в машинах пере­менного тока или диаметр станины в машинах постоянного тока, а l – длина сердечника. Наружный диа­метр D_a зависит от конструктивно­го и технологического выполнения машины и не является определяю­щим в электромагнитном расчете. При анализе размерных соотноше­ний рассматривают внутренний диаметр статора D в асинхронных и синхронных машинах или диа­метр якоря в машинах постоянного тока и расчетную длину воздушно­го зазора .

В обычных электрических маши­нах , а  в мало отличается от l и произведение  пропор­ционально объему активной части машины. Размеры D и  называют глав­ными размерами машины.

Расчетная мощность машины определяется следующим образом:

,

где I – номинальный ток обмотки статора, А;

Е – ЭДС обмотки статора, В,

m – число фаз электрической машины.

Отношение  определяет удельную мощность машины, т. е. мощность на единицу объема ее активной части. Эта величина ха­рактеризует степень использования объема активной части машины и является важной характеристикой для сравнения машин, имеющих одну и ту же частоту вращения. Более общим критерием явля­ется отношение момента, развивае­мого машиной, к объему ее актив­ной части, которое называют коэф­фициентом использования:

,

где  – угловая частота ротора.

Эффективность использования объема активной части машины определяется электромагнитными нагрузками: линейной нагрузкой А и индукцией в воздушном зазоре . Линейная нагрузка определя­ется отношением тока всех витков обмотки к длине окружности. Ее значение показывает, какой ток приходится в среднем на единицу длины окружности зазора машины. Индукция в воздушном зазоре при данных диаметре по зазору и числе полюсов определяет поток машины и, следовательно, уровень индукции в участках магнитопровода. Чем больше А и , тем боль­ше коэффициент использования объема активной части:

.

Эта зависимость и выражена в машинной постоянной С_А. Выра­жение Арнольда для машинной постоянной показывает, что при постоянных А и  расчетная мощ­ность изменяется пропорционально объему активной части машины. Эта зависимость значительно более сложная, и машинная посто­янная в реальных машинах не по­стоянна при различных мощности и размерах машин. При увеличении объема активной части удается выполнить машины с большими А и , что в основном объясняется улучшением условий охлаждения машин в связи с увеличением их габаритов. Поэтому С_А с увеличе­нием мощности машин уменьшает­ся, а коэффициент использования возрастает. Наибольшие допустимые уровни электромагнитных нагрузок для конкретных машин определяются допустимым нагревом активных ча­стей, так как с ростом А и  увеличиваются потери в единице ак­тивного объема машины. На осно­вании опыта проектирования и эксплуатации электрических машин выработаны определенные диапа­зоны возможных значений А и  для различных типоразмеров ма­шин, при которых нагрев их актив­ных частей не превышает допуска­емого для принятого класса изоляции обмоток. Значения электромаг­нитных нагрузок задаются в виде рекомендаций в соответствующих расчетных методиках и служат ос­новой для правильного выбора объ­ема активной части.

С развитием теории и практики электромашино­строения коэффициент использова­ния объема активной части машин повышается. Вы­деляющиеся при работе потери уменьшаются с увеличением , так как в машинах од­ной и той же мощности, но с боль­шими габаритами уменьшаются электромагнитные нагрузки А и  и коэффициент использования. В то же время способность машины рас­сеивать потери с увеличением объе­ма возрастает, так как при этом, во-первых, увеличивается поверх­ность охлаждения и, во-вторых, появляется возможность лучшей ор­ганизации охлаждающей системы.

Применение изоляции более вы­сокого класса нагревостойкости позволяет эксплуатировать машины с . При этом способность рассеивать потери возрастает. Это свидетельствует о том, что переход на более нагревостойкую изоляцию дает возможность при той же мощности уменьшить габариты машины. То же самое происходит, если в машине применена более совершен­ная система охлаждения – водо­родная, жидкостная, форсирован­ные системы или внутреннее ох­лаждение. В этих случаях при том же превышении температуры  способность рассеивать потери также возрастает и объем активной части машины мо­жет быть уменьшен. Однако при слишком больших на­грузках значительно снижаются КПД и cosφ.

Использование новых сортов электротехнических сталей с луч­шими магнитными свойствами и меньшими удельными потерями и новых электроизоляционных мате­риалов, позволяющих уменьшить толщину изоляции и за счет этого снизить плотность тока в обмотках, приводит к общему уменьшению потерь и к уменьшению необходимого объема активной ча­сти.

Поиски новых конструктивных решений, применение вычислитель­ных машин, новых методов оптимизации, обобщение опыта проек­тирующих организаций позволяют создавать электрические машины с лучшими энергетическими харак­теристиками и меньшей массой.

За счет применения новых элек­троизоляционных и магнитных ма­териалов, совершенствования мето­дов расчета, конструкции и систем охлаждения машин удалось сни­зить удельную массу асинхронных двигателей от начала их широкого производства до настоящего времени.

При проектировании новых ма­шин и, в частности, при выполне­нии учебных проектов необходимо ориентироваться на современное конструктивное исполнение элект­рических машин, предусматривать применение новых электротехниче­ских материалов, что ведет к необходимости создания базы данных, способной облегчить поиск необходимых для расчетов параметров современных электрических машин.

Ориентируясь на рекомендован­ные в методиках значения электро­магнитных нагрузок и используя выражение для машинной постоян­ной, можно достаточно точно най­ти объем активной части проекти­руемой машины , при котором ее превышение температуры будет соответствовать допустимому. Од­нако этот объем может быть полу­чен при различных сочетаниях зна­чений D и . Аналитических зави­симостей, однозначно определяю­щих эти величины для конкретных машин, не существует. В практике проектирования предварительно оп­ределяют диаметр D. Для этой це­ли обычно используют кривые, ха­рактеризующие среднюю зависи­мость  для большого числа построенных и эксплуатируе­мых машин данного типа. После этого с учетом выбранных электро­магнитных нагрузок определяют , исходя из машинной постоянной. Проверкой правильности выбо­ра D является значение отношения  или более часто принятое в практике отношение:

,

где  – полюсное деление: ;

р – число полюсов электрической машины (обычно известно или опре­деляется из технического задания).

Значение , характеризует ос­новные размерные соотношения в машине. Большие  имеют машины относительно малого диаметра и большой длины, и наоборот, малые значения  – у коротких машин с большим диаметром. В первом слу­чае машины имеют меньшую массу и меньшую высоту оси вращения. В них лучше используется медь об­мотки, так как длина лобовых ча­стей катушек по сравнению с дли­ной их пазовых частей становится меньше. Момент инерции машин с большими  меньше, чем при малых , что особенно важно при проекти­ровании двигателей, предназначен­ных для работы с частыми пусками. Однако относительное увеличе­ние длины машины при больших  затрудняет условия их охлаждения, а в машинах постоянного тока при­водит к ухудшению коммутации. В машинах небольших габаритов с увеличением  возникают трудности с выполнением необходимого для нормальной работы числа пазов.

Анализ этих зависимостей и опыт эксплуатации позволили оп­ределить для различных типов ма­шин диапазоны значений , при ко­торых обеспечиваются их экономич­ность и хорошие эксплуатационные данные. Эти рекомендации служат критерием проверки правильности предварительного выбора D для проектируемой машины.

В индивидуальном исполнении проектируются только машины для специальных применений. Обычно электрические машины выпускают­ся сериями. Серия – ряд машин возрастающей мощности, имеющих одну конструкцию и единую техно­логию производства на больших участках серии и предназначенных для массового производства. При проектировании серий машин важ­нейшее значение имеют вопросы унификации деталей, конструктив­ных узлов и нормализации ряда размеров. Все это связано с рацио­нальной организацией производства как внутри завода, так и в объеди­нении, выпускающем единую серию машин. При этом необходимо забо­титься об экономической эффектив­ности целой серии машин, а не од­ной машины.

При проектировании серий асин­хронных машин выбирают внешние диаметры статора таким образом, чтобы при одном и том же внешнем диаметре получить несколько ма­шин на различные мощности и ча­стоты вращения при изменении длины машины. Для машин постоянного тока выбирают одинаковым диаметр якоря и, изменяя длину машины, проектируют несколько машин различной мощности и на разные частоты вращения.

Такое построение серий приво­дит к сокращению количества штампов, уменьшается количество моделей для отливки станин и под­шипниковых щитов, сохраняются одни и те же диаметры валов, уни­фицируются подшипниковые шиты, сокращается количество оснастки и измерительного инструмента. Ши­рокая унификация облегчает при­менение автоматических поточных линий, облегчает кооперацию меж­ду заводами. На базе единых серий выпуска­ются различные исполнения двига­телей, предназначенных для работы в специальных условиях. Так, на базе серии 4А выпускаются элек­трические модификации: с повы­шенным пусковым моментом, с по­вышенным скольжением, десятиполюсные и двенадцатиполюсные, многоскоростные, на частоту сети 60 Гц, однофазные, с фазным рото­ром и другие; специализированные по конструкции: встраиваемые, с встроенным электромагнитным тор­мозом, малошумные, с встроенной температурной защитой, с повы­шенной точностью по установочным размерам, высокоточные, редукторные; специализированные по условиям окружающей среды; узкоспециализированные и т.д.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: