Курсовая работа: Определение параметров двигателя синхронного вертикального ВДС 2–325-24 мощностью 4000 кВт

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

Кафедра электрических машин

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Двигатель синхронный вертикальный

ВДС 2–325-24 мощностью 4000 кВт

Руководитель, ассистент

И.Е. Родионов

Екатеринбург 2008

Задание на проектирование

Рассчитать и спроектировать электромагнитное ядро ВДС 2-325-24 со следующими данными:

Исходные данные

Номинальная мощность, кВт Р н =4000

Номинальная частота напряжения сети, Гц f н =50

Номинальный коэффициент мощности (опережающий) cosf н =0.9

Внешний диаметр статора, м D а =3.25

Номинальная частота вращения ротора, об/мин n н =250

Номинальное линейное напряжение, кВ U н =6

Схема обмотки статора: звезда

Изоляция обмотки статора: термореактивная

Возбудитель: статический, тиристорный

Технические требования

Кратность пускового момента М п /М н ³0.7

Кратность максимального момента М m /М н ³2.1

Кратность входного момента М вх /М н ³1.2

Кратность пускового тока I п /I н £5,5

Реферат

двигатель синхронный электромагнитный ядро

В курсовом проекте рассмотрен и выполнен расчет электромагнитного ядра явнополюсного синхронного вертикального двигателя типа ВДС 2-325-24 мощностью 4000кВт.

В главе 1 описаны назначение, принцип действия, основные характеристики и элементы конструкции синхронного вертикального двигателя, область применения.

Задача синтеза осуществляется в два этапа.

На первом этапе в ходе ручного расчета получаем первоначальный вариант параметров двигателя, который приводится в главе 2. Ручной расчет был выполнен с помощью программы MathCAD.

На втором этапе, с помощью ЭВМ и полученных данных в ручном расчете, находим оптимальный вариант параметров двигателя, который приводится в главе 3 данной работы. Оптимизация параметров двигателя была произведена с помощью программы «OPTCD».

Задачей проектирования является синтез электромагнитного ядра и определение таких его параметров, при которых двигатель удовлетворял бы требованиям ГОСТа и технического задания. При такой постановке задачи мы имеем большое количество вариантов двигателя. Оценка вариантов и выбор лучшего двигателя производится по ряду эксплутационных показателей, которые рассматриваются в качестве критериев оптимальности.

Содержание

Техническое задание

Реферат

Содержание

Введение

1. Описание конструкции синхронного двигателя

1.1 Общие сведения

1.2 Основные конструкционные особенности

2. Расчет электромагнитного ядра явнополюсного синхронного двигателя

2.1 Расчет номинальных величин

2.2 Расчет сердечника статора

2.3 Расчет обмотки статора

2.4 Коррекция главных размеров статора по уровню индукции в воздушном зазоре, зубцах и спинке статора

2.5 Выбор величины воздушного зазора

2.6 Расчет полюса и демпферной обмотки

2.7 Расчет магнитной цепи

2.8 Расчет перегрузочной способности

2.9 Расчет обмотки возбуждения

3. Оптимизация электромагнитного ядра на ЭВМ

3.1 Поиск приемлемого варианта

3.2 Оптимизация ядра по минимуму приведенной стоимости

3.3 Оптимизация по минимуму резервов

3.4 Выбор оптимального варианта

Заключение

Библиографический список

Приложение

Введение

В настоящее время широкое распространение получили крупные вертикальные электродвигатели типа ВДС 2-325-24 мощностью 4000 киловатт и частотой вращения до 250 оборотов в минуту. В энергетике их применяют качестве генераторов на элктростанциях. В промышленных установках синхронные двигатели также находят большое применение.

Синхронная машина данного типа – это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой n находится в строгом соответствии с частотой сети f1. В соответствии с этим запишем аналитическое выражение:

,

где р - число пар полюсов

Синхронной машиной называется электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора n находится в строгом соответствии с частотой сети.

Синхронные двигатели – это бесколлекторные машины переменного тока. По своему устройству они отличаются от асинхронных машин лишь конструкцией ротора, который может быть явнополюсным или неявнополюсным. Синхронные машины отличаются синхронной частотой вращения ротора (n1=n2=const) при любой нагрузке, а также возможностью регулирования коэффициента мощности, устанавливая такое его значение, при котором работа синхронной машины становится наиболее экономичной.

В настоящее время широкое распространение получили вертикальные электродвигатели переменного тока мощностью от нескольких десятков ватт до десятков мегаватт, а частотой вращения от нескольких до десятков тысяч оборотов в минуту.

Синхронные двигатели большой мощности экономически выгоднее, чем двигатели другого типа. Также целесообразно применять их в качестве привода устройств, в местах стабильной нагрузки, где не требуются частые пуски и двигатель должен работать с постоянной частотой вращения, например: компенсаторы, насосы, воздухоустановки, нагнетатели.

Весьма удобно, когда электрическая машина удалена от центра питания, так как при питании такого синхронного двигателя можно регулировать реактивную мощность в узле и тем самым поддерживать постоянное напряжение.

Насосные агрегаты с приводом от асинхронного двигателя устанавливаются на электростанциях. При питании двигателя, находящегося на электростанции, нет потерь мощности на передачу реактивной энергии по ЛЭП, не требуется от электродвигателя выдача реактивной энергии в сеть. В этих условиях асинхронные короткозамкнутые двигатели имеют значительные преимущества перед синхронными, в части удобства и простоты обслуживания, а также стоимости. Стоимость асинхронного короткозамкнутого двигателя в среднем на 20% меньше стоимости синхронного двигателя с электромашинным возбудителем.

В настоящее время в эксплуатации находится большое количество крупных вертикальных электродвигателей переменного тока. В ирригационных и оросительных системах, на насосных станциях городского и промышленного водоснабжения устанавливаются насосные агрегаты с вертикальными электродвигателями, преимущественно синхронными, мощностью от 500 до 25000 кВт.

На гидроаккумулирующих станциях, где агрегаты работают то как насосы, создавая запасы воды в водохранилищах, то как турбины, расходуя запасенную воду в часы пиков электронагрузки, мощность синхронных двигателей-генераторов доходит до 100 МВт и более.

Таким образом, синхронный двигатель в сравнении с другим двигателем имеет следующие преимущества:

1. возможность генерирования, поглощения и регулирования реактивной мощности;

2. меньшая зависимость перегрузочной способности от напряжения;

3. возможность кратковременно увеличивать перегрузочную способность за счет форсировки возбуждения.

4. стабильная частота вращения, что обеспечивает технологичность процесса.

И следующие недостатки:

1. сложность изготовления, дороговизна, меньшая надежность;

2. сложность в управлении и регулировании скорости вращения;

3. довольно сложный пуск.

1. Описание конструкции синхронного двигателя.

1.1 Общие сведения

Следует выделить две основные части синхронной машины: статор и ротор. Статор представляет собой неподвижный полый шихтованный сердечник с продольными пазами внутри, в которых расположена обмотка статора. Во внутренней полости статора расположена вращающаяся часть машины – ротор, который может иметь явно полюсное и неявно полюсное исполнение. В неявно полюсной машине зазор между ротором и статором постоянный. В роторе крепится обмотка возбуждения и демпферная клетка, которая служит для пуска и успокоения ротора при резком изменении режимных параметров. Обмотка возбуждения создает неподвижное поле. К валу ротора подводится нагрузка.

Синхронная машина может работать в двух различных режимах: в автономном и параллельно с сетью. В автономном режиме машина является единственным источником энергии для потребителей, то есть работает только в генераторном режиме. При работе от сети или параллельно сети она может работать в режимах синхронного генератора, двигателя, компенсатора. Рассмотрим принцип действия синхронной машины, которая имеет питание как обмотки возбуждения, так и обмотки статора от независимых источников: обмотка возбуждения - от возбудителя, обмотка статора – от трехфазной сети. Если подать постоянное напряжение на обмотку возбуждения, то по ней потечет постоянный ток, который будет создавать неподвижное, относительно ротора, поле. При подключении фаз обмотки статора, которые сдвинуты в пространстве на 1200 к трехфазной сети, то будет создана вращающееся с синхронной скоростью поле. Если ротор привести во вращение с синхронной скоростью, то эти поля, относительно друг друга станут неподвижными.

Рисунок 1 – Насосная станция с синхронным двигателем.

В зависимости от положения ротора возникнет момент - тормозящий или двигательный. Таким образом, синхронная машина при подключении к сети, в зависимости от положения ротора, может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. В режиме двигателя ротор отстает от поля статора, в отличии от генераторного, где ротор опережает. Под действием электромагнитного момента, который совпадает с направлением вращения и противонаправлен внешнему нагрузочному моменту, происходит синхронное вращение ротора. Степень загруженности оценивают рабочим углом q - угол между ротором и осью поля статора. Чем больше нагрузка, тем больше q.

Рисунок 2 – Общий вид вертикального синхронного двигателя.

1.2 Основные конструкционные особенности

Исполнение вертикального электродвигателя – подвесное с подпятником, расположенным выше корпуса ротора, и двумя направляющими подшипниками в верхней и нижней крестовинах и с фланцевым концом вала для присоединения к насосу. Двигатель выполнен с подпятниками и направляющими подшипниками скользящего трения.

Синхронный вертикальный электродвигатель оснащен статическими тиристорными возбудителями с питанием через согласующий трансформатор от сети собственных нужд или бесщеточными возбудителями переменного тока с вращающимся диодным преобразователем.

Рисунок 3 – Принципиальная схема тиристорного возбуждения.

Тиристорный возбудитель управляет пуском и остановкой двигателя. При пуске, когда в обмотке ротора индуктируется переменная э.д.с., обмотка должна быть включена на резистор, чтобы создать замкнутую цепь для отрицательной полуволны тока. При пуске синхронного двигателя тиристорный преобразователь заперт, обмотка возбуждения включена на разрядный резистор через тиристорный ключ, который представляет собой два встречно-параллельных тиристора. К концу пуска, когда напряжение на обмотке ротора падает, включается тиристорный преобразователь, а тиристоры ключа запираются. Управление тиристорным ключом производится стабилитронами.

Корпус статора вертикального электродвигателя имеет круглую форму и выполнен сварным из листовой стали. Он состоит из горизонтально расположенных круглых фланцев, промежуточных рам, распорных ребер и цилиндрической обшивки с отверстиями для выхода нагретого воздуха.

Сердечник статора синхронного электродвигателя состоит из гладких штампованных сегментов из электротехнической стали толщиной 0,5 мм с выштампованными по внутреннему диаметру открытыми пазами для катушек обмотки, сегментов с вентиляционными распорками и концевых сегментов с нажимными пальцами. Сегменты собраны в пакеты и стянуты посредством нажимных фланцев и шпилек в корпусе статора. Сегменты штампуют из электротехнической стали марки 1512 и покрывают с обеих сторон лаком горячей сушки.

Пакеты сердечника разделяют между собой сегментами с вентиляционными распорками, образующими радиальные вентиляционные каналы. Сегмент с вентиляционными распорками представляет собой два сложенных штампованных листа электротехнической стали марки, к которым прикреплены стальные полоски из специального нормализованного профиля двутаврового сечения. Концевые сегменты крайних пакетов выполняются с нажимными пальцами. Для повышения эффективности вентиляции и обеспечения более равномерного охлаждения сердечника и обмотки статора крайние пакеты сердечника выполняются большей ширины, чем средние.

Сердечник статора выполнен из штампованных сегментов и разделен радиальными каналами на ряд пакетов. Пакеты собираются в остов сварной конструкции, выполненный из стального листа и состоящий из двух рам, ряда ребер и нажимного фланца. Сердечник закрепляется в остове посредством стяжных шпилек, пропущенных через отверстия в спинке сегментов, в раме и нажимном фланце.

Вертикальный синхронный двигатель выполнен с катушечными петлевыми двухслойными обмотками с укороченным шагом. Катушки состоят из ряда витков обмоточной меди прямоугольного сечения марки ПСД с двусторонней изоляцией толщиной 0,33 мм. Каждый виток состоит из одного или нескольких проводников, по ширине паза располагается не более двух проводников. Для катушек обмоток необходимо на каждый виток накладывать витковую изоляцию.

В вертикальном электродвигателе для изоляции катушечных статорных обмоток применена изоляция высоковольтных машин на термореактивных связующих. Изоляция катушек выполнена из стеклослюдинитовой ленты, пропитанной эпоксидным компаундом горячего отвердения. На катушку после наложения витковой изоляции накладывается многими слоями вполнахлеста сухая стеклослюдинитовая лента толщиной 0,13 мм, представляющая собой слюдинитовый материал на стеклотканевой основе. Сверху на стеклослюдинитовую ленту накладываются слои стеклоленты толщиной 0,1 мм вполнахлеста. Изолированные катушки в холодном состоянии укладываются в открытые пазы сердечника статора а заклиниваются клиньями. Дальнейший процесс производится в специальной вакуум - пропиточной установке с обогреваемыми котлами.

Катушки, заложенные в пазы, удерживаются в них посредством стеклотекстолитовых клиньев со скошенными на протяжении вентиляционного канала краями для улучшения вентиляции.

Изоляция бандажных колец выполняется из слюдопластоленты и стеклолакоткани. Крепление междукатушечных соединений обмотки выполнено с помощью шнура. Выводные концы соседних катушек скреплены между собой шнуром, образуя общее кольцо.

От обмотки статора к коробке выводов выведены четыре конца. Нулевые выводы обмотки соединяются в звезду внутри корпуса статора и подключаются к четвертому выводу коробки обычной конструкции со сварным стальным корпусом.

Концы обмотки статора подключены к медным контактным шпилькам, встроенным в центральные отверстия опорных фарфоровых изоляторов, установленных на корпусе коробки. Кабельные концы, подключаемые к сети, присоединены к другим концам медных шпилек, расположенным с противоположной стороны опорных изоляторов. Корпус коробки выводов сварной конструкции выполняется из стального листа и закрывается стальной крышкой. Внизу корпус имеет уплотняющее устройство для выводного кабеля и снабжен фланцем для прикрепления кабельной муфты.

Остов ротора выполнен в виде сварной конструкции, состоящей из кованой стальной втулки, двух круглых рам из толстого листа и поперечных ребер прямоугольного сечения. Кроме приварки, рамы закрепляются на втулке стальными цилиндрическими штифтами.

Обмотка возбуждения синхронного двигателя выполнена из отдельных полюсных катушек с открытыми наружной и внутренней поверхностями.

Катушка полюса изготовлена из шинной меди специального профиля. Применением подобной меди достигается увеличение наружной поверхности катушки и улучшение съема тепла с катушки.

Синхронный вертикальный двигатель имеют демпферную (пусковую) обмотку, состоящую из круглых стержней, припаянных концами к медным пластинам (сегментам). Стержни зафиксированы по центру полюсного башмака с помощью чеканки для обеспечения равномерного удлинения от торцов башмака при нагреве. Сегменты демпферных обмоток выполнены из меди и припаяны к стержням тугоплавким припоем. Сегменты расположены в горизонтальной или вертикальной плоскости.

В вертикальном синхронном двигателе токоподвод от контактных колец к обмотке возбуждения выполнен из изолированных кабелей и помещен в центральном отверстии вала.

Вал вертикального электродвигателя изготовлен кованным из стали марки 35.

Для сопряжения с приводом вал выполнен с фланцевым концом для непосредственного сопряжения. На вал насаживаются наглухо втулка нижнего направляющего подшипника и съемная втулка подпятника. Для обеспечения соосности втулок и вала и параллельности опорной поверхности втулки подпятника и фланца окончательная обработка вала производится с уже насаженными втулками.

Для укладки токоподвода от обмотки ротора до контактных колец верхняя часть вала выполняется с центральным отверстием.

Для закрепления на валу остова ротора, контактных колец, втулок и других деталей применяются стальные призматические шпонки. В электродвигателе для закрепления остова ротора могут применяться также и клиновые шпонки. В вертикальном электродвигателе валы передают только вращающий момент. Вертикально расположенные валы испытывают относительно небольшой изгибающий момент от сил одностороннего магнитного притяжения при неравномерном зазоре между статором и ротором электродвигателя. Кроме того, незначительные изгибающие усилия испытывают валы от небаланса вращающихся частей электродвигателя.

2.Синтез электромагнитного ядра синхронного двигателя типа ВДС 2-325-24. Расчёт к курсовой работе

2.1 Расчет номинальных величин:

2.1.1 Номинальная полная мощность

2.1.2 Номинальный фазный ток статора:

2.2Расчет сердечника статора:

2.2.1 Число пар полюсов

2.2.2 Внутренний диаметр статора:

2.2.3 Полюсное деление:

2.2.4 Длина сердечника статора:

2.2.5 Высота спинки сердечника статора

2.2.6 Высота паза статора:

2.2.7 Ширина паза статора:

при =4000 кВт >1000 кВт;

при термореактивной изоляций: 0;

Для получения удовлетворительного варианта двигателя нужно обеспечить выполнение соотношений :

; и ;

Соотношения сошлись путем коррекций высоты спинки сердечника статора

2.2.8 Число параллельных ветвей:

По техническим причинам ток одной катушки не должен превышать 250-275 А. Если номинальный ток статора превышает эти значения, то обмотку выполняют из нескольких параллельных ветвей. Число параллельных ветвей -а- выбирается из ряда чисел кратных числу полюсов: => (24,12,6,4,3,2,1);