2. 1 Расчет магнитной цепи при холостом ходе (стр. 2 из 11)
Обмоточный коэффициент коб1 определяют по шагу обмотки статора и числу пазов на полюс и фазу. Предварительно коб1 можно взять равным 0,92, что примерно соответствует шагу обмотки y=0,83.
Линейную нагрузку А и индукцию Вδном для машин мощностью от 100…150 квт и выше выбирают по кривым рис. 4, где приведенные зависимости получены для серийно выпускаемых синхронных машин с номинальным напряжением 6000…6600 В. Эти же зависимости соответствуют машинам и при номинальном напряжении 380…400 В. При номинальном напряжении 10000 В индукцию Вδном можно также выбирать по кривым рис. 4, а линейную нагрузку целесообразно снизить на 10…15%, так как из-за более толстой пазовой изоляции ухудшается охлаждение проводников обмотки якоря.
Значение индукции Вδном и линейной нагрузки А для машин мощностью менее 100 кВт выбирают по рис. 5.
Рис. 4. Зависимость Вδном и А от τ для синхронных машин мощностью более 100 кВт
Рис. 5. Зависимость Вδном и А от τ для синхронных машин мощностью менее 100 кВт
Найденные из рис. 4 или рис. 5 значения А и Вδном следует рассматривать как предварительные. В дальнейшем расчете при необходимости их можно изменить. При этом следует иметь в виду, что в зависимости от выбора А и Вδном изменяется активный объем D2∙lδ проектируемой машины. Чем больше произведение А∙Вδном, тем меньший объем будет иметь машина. Однако как А, так и Вδном имеют свои верхние пределы.
Основным фактором, ограничивающим линейную нагрузку, является нагрев обмотки, так как с возрастанием А в ней увеличиваются электрические потери. Допустимое значение линейной нагрузки зависит от класса нагревостойкости применяемой изоляции, а также от конструктивного выполнения машины и, прежде всего, от способов ее охлаждения. Приведенные на рис. 4 и 5 значения А получены по данным выпускаемых в настоящее время синхронных машин защищенного исполнения с косвенным воздушным охлаждением, имеющих изоляцию класса нагревостойкости В. При применении изоляции класса нагревостойкости F линейную нагрузку следует увеличить в 1,12 раза, а при применении изоляции класса нагревостойкости Н - в 1,2 раза.
Верхний предел индукции Вδном ограничен, главным образом, насыщением магнитной цепи и, в первую очередь, насыщением зубцового слоя. С повышением насыщения увеличивается мощность, необходимая для возбуждения машины, вследствие чего возрастают размеры обмотки возбуждения и высоты полюса.
Следует также отметить, что от отношения А/Вδном зависят индуктивные сопротивления обмотки. С увеличением этого отношения индуктивные сопротивления возрастают.
Определив расчетную длину машины lδ, находим отношение:
λ= lδ/τ. (6)
От τ зависят ряд показателей машины и условия ее охлаждения. Чем длиннее машина (больше λ), тем хуже условия ее охлаждения. Значение λ для выпускаемых в настоящее время синхронных машин обычно лежит в пределах, указанных на рис. 6. Если λ не укладывается в указанные пределы, то следует изменить диаметр D, а если потребуется, то и внешний диаметр Da. При изменении диаметра D в соответствии с (5) изменится и lδ.
Рис. 6. Значения λ= lδ/τ в зависимости от числа пар полюсов
У машин небольшой мощности при lδ меньше 250…300 мм, а у более крупных машин меньше 200 мм магнитопровод статора выполняется из одного пакета.
При большей длине в целях улучшения охлаждения сталь статора разбирают на несколько пакетов, между которыми выполняют радиальные вентиляционные каналы (см. рис. 7).
Рис. 7. Размеры активной стали статора
Обычно длину пакетов lпак выбирают равной 4-5 см, а ширину канала bк=1 см. При наличии вентиляционных каналов истинная длина статора будет больше расчетной и может быть рассчитана по формуле:
l1≈(1,05…1,08)lδ. (7)
Длину всех пакетов чаще всего принимают одинаковой. Число вентиляционных в этом случае будет равно:
nк=(l1-lпак)/(lпак+bк), (8)
причем nк округляют до целого числа.
Определив число каналов, уточняют длину пакета:
lпак=(l1-nк∙bк)/(nк+1). (9)
Суммарная длина пакетов сердечника:
lст1=lпак(nк+1). (10)
В некоторых случаях, главным образом для машин, имеющих большую длину, крайние пакеты изготавливают более длинными, чем средние.
2. Расчет магнитной цепи
Схема магнитной цепи синхронной машины приведена в приложении 1.
2.1 Расчет магнитной цепи при холостом ходе
Расчет магнитной цепи проводят в целях определения МДС обмотки возбуждения Ff0, необходимой для создания магнитного потока машины Ф при холостом ходе.
При вращении ротора этот поток наводит в обмотке статора ЭДС. Таким образом, в результате расчета магнитной цепи может быть построена зависимость E=f(Ff0), которая носит название характеристики холостого хода.
При расчете магнитной цепи задаются фазной ЭДС Е в обмотке статора и по известному выражению определяют полезный поток, Вб:
Ф=Е/(4∙кВ∙f∙w1∙коб1), (11)
где w1 и коб1 - число витков и обмоточный коэффициент фазы статора; f - частота, Гц; кВ - коэффициент формы поля, представляющий собой отношение действующего значения индукции к ее среднему значению.
При синусоидальном распределении магнитного потока в зазоре машины коэффициент формы поля кВ=1,11. Однако в синхронных машинах магнитное поле имеет несинусоидальную форму. Характер распределения этого поля зависит от ширины и конфигурации полюсного наконечника, а также от относительной длины воздушного зазора δ/τ. Для определения коэффициента формы поля кВ в этом случае можно воспользоваться кривыми рис. 3.
По найденному потоку определяют максимальное значение индукции в воздушном зазоре машины, Тл:
Вδ=Ф/(αδ∙τ∙lδ), (12)
где αδ - расчетный коэффициент полюсного перекрытия, равный отношению расчетной длины полюсной дуги bδ к полюсному делению τ. Этот коэффициент определяют по рис. 3 в зависимости от α и δ/τ; lδ - полюсное деление и расчетная длина, м.
Расчетную длину магнитопровода (уточненное значение) определяют по формуле:
(13)где
Магнитодвижущую силу обмотки возбуждения определяют как сумму магнитных напряжений отдельных участков магнитной цепи машины.
2.1.1 Магнитное напряжение воздушного зазора
Магнитное напряжение воздушного зазора, А,
(14)
где Bδ - в Тл; δ - в м и μ0=1,256∙10-6 Гн/м.
Коэффициент воздушного зазора kδ учитывает зубчатое строение статора и ротора. Из-за наличия зубцов и пазов происходит перераспределение потока в зазоре, в результате чего индукция, а следовательно, и магнитное напряжение зазора над коронками зубцов возрастают. Этот коэффициент равен произведению коэффициентов воздушного зазора для статора kδ1 и ротора kδ2:
(15)Коэффициент kδ1 и kδ2 определяют по эмпирическим формулам:
(16)где tZ1 и tZ2 - зубцовые шаги статора и ротора; bп1 и bs - ширина паза статора и прорези паза ротора; при полузакрытых пазах на статоре bп1 - ширина прорези паза; δ’ - среднее значение зазора принимают равным:
(17)2.1.2 Магнитное напряжение зубцов статора
Магнитное напряжение зубцов статора, А,
(18)Для упрощения расчета магнитного напряжения зубцов, имеющих трапециевидную форму, напряженность магнитного поля HZ1 находят по значению индукции BZ1 для одного сечения, расположенного от коронки на 1/3 высоты паза hп1:
(19)Ширина зубца на высоте 1/3 hп1 от его коронки:
(20)где
