Maşinile electrice ocupă un loc important în viaţa omului. Ele cuprind aproape toate domeniile de activitate ale omului în diverse ramuri cum ar fi: industrie, transport, comerţ, agricultură, medicină, tehnică de uz casnic, etc.
Motivul pentru care maşinile electrice sînt utilizate peste tot şi de toţi, este că ele au o construcţie simpla, funcţionează eficient chiar şi în cele mai dure condiţii ale mediului, insuşirile lor electromagnetice satisfac foarte bine cerinţele de dezvoltare ale tehniciii moderne. Ele sunt eficiente şi prin faptul ca pot lucra în două regimuri: motor şi generator, astfel avand capacitǎţi de a transforma energia electrică cca (60-80)% în energie mecanică şi invers.
Motorul asincron este o maşină de curent alternativ care are o turaţie variabilă în sarcină, la o frecvenţă constantă a reţelei. Cele mai răspîndite maşini asincrone sunt cele fără colector numite maşini de inducţie , şi utilizate ca motoare aproape în exclsivitate. Motoarele asincrone monofazate sunt folosite cel mai des în echipamente gospodărești : ventilatoare, aspiratoare , maşini de spălat . Mașina asincronă poate fi cu " rotor bobinat (cu inele colectoare) şi cu "rotor în scurt circuit. Statorul are funcţia de a produce cîmpul magnetic inductor. Elementele principale ale motorului asincron sînt: carcasa, scuturile, capacele rulmenilor, stator, rotor, infăşurarea statorică şi cea rotorică, etc. Rotorul poate fi : cu infăşurare bobinată şi cu înfaşurare din bare scurtcircuitate. Infăşurările pentru rotorul bobinat se execută din bobine similare bobinelor folosite la realizarea infasurarilor statorice . Înfăşurarea pentru rotoarele în scurtcircuit sunt formate din bare de aluminiu turnat, neizolate.
Proiectarea unei maşini electrice presupune calculul dimensiunilor statorului şi rotorului, alegerea tipului de înfăşurări, conductorilor pentru înfăşurări, izolaţiei, materialelor părţilor active şi constructive ale maşinii. Unele părţi ale maşinii trebuie proiectate astfel ca la executarea lor volumul de lucru şi cheltuielile de material să fie minimale, iar în timpul exploatării să obţină caracteristici energo-economice mai bune. Pe lângă toate acestea maşina trebuie să corespundă condiţiilor de utilizare în acţionări electrice.
În acest proiect voi proiecta un motor asincron din seria 4A cu rotorul în scurtcircuit. Proiectarea acestui motor constă în următoarele etape: determinarea mărimilor electrice de bază; calculul zonei de dantură statorică şi rotorică; calculul parametrilor pentru regimul de funcţionare şi a curentului la mersul în gol; calculul caracteristicilor de funcţionare şi a celor de pornire; calculul termic simplificat calculul ventilaţiei şi elaborarea părţii grafice.
1. Alegerea dimensiunilor de bază
1.1. Turaţiile sincronele ale motorului
1.2. Înălţimea axei de rotaţie (în prealabil) după fig. 1.7,a[1]. Din tabelul 1.6[1] se acceptă valoarea mai apropiată şi mai mică şi .
1.3. Diametrul interior statoric:
( din tab. 1.7[1])ş
1.4. Pasul polar:
.
1.5. Puterea de calcul după (1.4[1]):
,
din fig.1.8[1] şi din fig.1.9; .
1.6. Solicitările electromagnetice, conform fig.1.11,a[1]
; .
1.7. Factorul de înfăşurare pentru înfăşurarea într-un strat (în prealabil):
.
1.8. Lungimea de calcul:
conform (1.5[1])
.
1.9. Raportul
Valoarea se află în limitele recomandate (fig. 1.14, a[1]).
2. Determinarea Z1,W şi secţiunii conductorului înfăşurării statorice
2.1. Valorile prealabile ale pasului dentar t1 (după fig.1.15[1]):
2.2. Numărul de crestături statorice se determină cu relaţia (1.16[1]):
Acceptăm , atunci ; înfăşurarea o alegem într-un strat.
2.3. Pasul dentar statoric (definitiv):
.
2.4. Numărul de conductoare efective din crestătură (în prealabil), din condiţia că
a =2 după (1.17[1]):
conform (1.18[1])
2.5. Acceptăm , atunci conform (1.19[1])
.
2.5. Definitivăm valoarea conform expresiei (1.20[1])
;
conform expresiei (1.21[1])
;
conform expresiei (1.22[1])
;
pentru înfăşurarea în 2 straturi şi q=3 conform tab. 1.23*[1]: ; pentru conform fig. 1.8[1],
conform expresiei (1.23[1]), valorile A şi se află în limitele admisibile (vezi fig. l.ll.b[1]).
2.6. Densitatea curentului în înfăşurarea statorică (în prealabil) se calculează cu expresia (1.25[1])
acceptam
, conform fig.1.16, b[1].
2.7. Secţiunea efectivă a conductorului (în prealabil), conform (1.24[1])
acceptăm , atunci.
Conductorul de înfăşurare ПЭТМ (se ia conform tab. A.III.1[1]):
; ; .
2.8. Densitatea curentului din înfăşurarea statorică (definitiv) se determină conform (1.27[1]):
3. Calculul dimensiunilor zonei de crestături a statorului şi întrefierului
Crestătura statorică fig.1.19,a[1], cu corelarea dimensiunilor, asigură paralelismul marginilor laterale ale dinţilor.
3.1. Acceptăm în prealabil conform tab.1.10[1]
,
atunci conform expresiei (1.39[1])
conform tab.1.11[1] pentru tole de oţel oxidate conform formulei (1.28[1])
.
3.2. Dimensiunile crestăturii ştanţate le acceptăm egale conform (1.40[1])
;
conform (1.41[1])
;
conform(1.42[1])
;
conform expresiilor (1.45;1.46[1])
.
3.3. Dimensiunile crestăturii în lumină după împachetare
conform (1.47[1])
Aria secţiunii transversale a crestăturii pentru dispunerea conductorilor conform(1.51[1])
;
Aria secţiunii transversale a garniturii izolante
;
Aria secţiunii transversale a izolaţiei de crestătură
;
unde grosimea relativă a izolaţiei din crestătură conform tab. A.1.8[1].
3.4. Factorul de umplere a crestăturii
Dimensiunile crestăturii stanţate sînt prezentate în fig. 1,a.
4. Calculul rotorului
4.1. Mărimea întrefierului se ia după fig.1.21[1] şi este egală cu:
.
4.2. Numărul de crestături rotorice conform tab.1.15[1]
.
4.3. Calculul diametrului exterior
.
4.4. Pasul dentar
.
4.5. Lungimea pachetului rotoric
.
4.6. Diametrul interior al rotorului este egal cu diametrul arborelui, deoarece miezul este fixat direct pe arbore şi se calculează cu relaţia
.
[ conform tab. 1.16[1]].
4.7. Curentul barei rotorice se calculează cu relaţia
,
unde conform fig. 1.22[1],
;
conform expresiei (1.68[1]).
4.8. Aria secţiunii transversale a barei se calculează conform relaţiei (1.69[1])
;
densitatea curentului din bara coliviei turnate din aluminiu se ia egală cu
.
4.9. Crestătura rotorică este arătată în fig.1.27,b[1]. Acceptăm
.
Lăţimea acceptată a dintelui se calculează cu relaţia
;
Dimensiunile crestăturii conform relaţiei (1.74[1])
;
conform expresiei (1.75[1])
;
după formula (1.76[1])
Acceptăm (vezi fig. 1,b)
.
Înălţimea totală a crestăturii
.
Secţiunea barei se determină conform relaţiei (1.78[1])
.
4.10. Densitatea curentului din bară
.
4.11. Inelele de scurcircuitare fig.(1.26[1]). Aria secţiunii transversale se determină cu relaţia (1.73[1])
Conform expresiei (1.71[1]) şi (1.72[1])
;
Dimensiunile inelelor de scurcircuitare
5. Calculul curentului de magnetizare
5.1. Valoarea inducţiei se calculează cu(1.104[1])
;
conform relaţiei (1.104[1])
;
conform expresiei (1.105[1])
;
în conformitate cu relaţia (1.107[1])
;
înălţimea de calcul a jugului rotoric în conformitate cu relaţia (1.109[1]) avem
.
5.2. Tensiunea magnetică a întrefierului conform relaţiei (1.110[1])
unde conform relaţiei (1.110***[1])
.
5.3. Tensiunea magnetică a zonei de dantură pentru stator
;
pentru rotor
;
conform tab.A.11.7[1] pentru oţelul 2013 şi , iar pentru
.
.
5.4. Factorul de saturaţie a zonei de dantură conform relaţiei
.
5.5. Tensiunea magnetică a jugului statoric şi rotoric conform (1.121[1])
;
conform (1.123[1])
;
în conformitate cu tab.A.II.6[1]
conform (1.124[1])
;
unde conform (1.125[1])
.
5.5. Tensiunea magnetică pentru o pereche de poli, conform relaţiei(1.127[1])
.
5.6. Factorul de saturaţie a circuitului magnetic, conform relaţiei (1.128[1])
.
5.7. Curentul de magnetizare, conform relaţiei (1.129[1])
.
Valoarea relativă, în conformitate (1.130[1])
.
6. Parametrii regimului de funcţionare
6.1. Rezistenţa de fază a înfăşurării statorice, în conformitate cu (1.131[1])
.
Pentru clasa durabilităţii termice a izolaţiei F, temperatura de calcul ,
pentru cupru
Lungimea conductorilor fazei înfăşurărilor în conformitate cu (1.133[1])
;
conform (1.134[1])
unde conform tab.1.19[1]
.
Lungimea axială a capetelor de bobină
,
unde conform tab.1.19[1]
Valoarea relativă
.
6.2. Rezistenţa înfăşurării fazice rotorice
în conformitate cu (1.164[1])
,
conform(1.165)
;
.
unde pentru înfăşurarea rotorică turnată din aluminiu
.
Raportăm la numărul de spire al înfăşurării în conformitate cu (1.169[1])
;
Valoarea relativă
.
6.3. Reactanţa de fază a înfăşurării statorice
în conformitate cu (1.150[1])
unde din tabelul 1.22 (fig.1.38,g[1]) avem
(vezi fig.1), iar
În conformitate cu (1.154[1])
;
şi conform relaţiei (1.170[1])
;
conform (1.172[1])
.
pentru şi , conform fig. 1.39,c[1] .
Valoarea relativă
.
6.4. Reactanţa fazică a înfăşurării rotorice
în conformitate cu (1.173[1])
,
unde conform tab.1.23 (fig.1.40,a,i[1])
,
unde
conform relaţiei (1.156[1]) :
în conformitate cu expresia (1.176[1])
,
iar
,
conform (1.175[1])
deoarece .
Reactanţa se raportează la numărul de spire ale statorului, conform (1.176[1])
.
Valoarea relativă
.
7. Calculul pierderilor
7.1. Pierderile principale în fier
în conformitate cu relaţia (1.183[1])
unde şi pentru oţelul 2013 conform tab.1.24[1] şi formulei
(1.184[1])
,
unde
,
conform expresiei (1.185)
.
7.2. Pierderile de suprafaţă
conform relaţiei (1.190[1])
,
din relaţia (1.188[1])
;
unde .
Conform (1.186[1])
;
pentru conform fig. 1.41[1] .
7.3. Pierderile prin pulsaţie în dinţii rotorici
conform (1.196[1])
,
unde
conform (1.197[1])
.
7.4. Suma pierderilor suplimentare din oţel
conform (1.198[1])
.
7.5. Pierderile totale din oţel
conform (1.199[1])
.
7.6. Pierderile mecanice
conform relaţiei (1.205[1])
.
7.7. Pierderile suplimentare în regim nominal
.
7.8. Mersul în gol
conform relaţiei (1.212[1])
unde
,
iar
,
şi conform (1.215)
.
8. Caracteristicile de funcţionare
În conformitate cu relaţia (1.179[1])
;
conform (1.180[1])
;
conform relaţiei (1.218[1])
utilizăm formula aproximativă, deoarece conform (1.217[1])
Parametrii schemei echivalente:
Pierderile constante ce nu se modifică la variaţia alunecării
.
Acceptăm şi calculăm caracteristicile de funcţionare, dându-se valori lui S: 0.005, 0.01, 0.015, 0.020, 0.025, 0.03, 0.033
Calculăm manual caracteristicile de funcţionare pentru S = 0.033.
Coeficienţii folosiţi în calcule sunt următorii:
1. ;
2. ;
3. ;
4. ;
5. ;
6. ;
7. ;
8. ;
9. ;
10. ;
11. ;
12. ;
13. ;
14. ;
15.
16. ;
17. ;
18. ;
19. ;
20.
În continuare valorile coeficienţilor folosiţi în calculele de mai sus le introducem în calculator de unde obţinem valorile coeficienţilor de funcţionare (vezi tab. 1).
Tabelul 1.
Nr. Formula de calcul Unităţi Alunecarea0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.033
Fig. 1. Caracteristicile de functionare a motorului asincron.
9. Calculul caracteristicilor de pornire
9.1. Parametrii la considerarea refulării curentului
; conform expresiei (1.235[1])
,
unde ;
pentru se determină reieşind din fig.1.46[1], , iar conform fig.1.47[1] aflăm .
9.2. Rezistenţa activă a înfăşurării rotorice
Se calculează înălţimea pătrunderii curentului conform (1.236[1])
;
conform (1.243[1])
,
unde
;
în conformitate cu (1.237[1])
;
conform (1.247[1])
.
9.3. Rezistenţa rotorică raportată la considerarea efectului de refulare a curentului
.
9.4. Reactanţa înfăşurării rotorice
conform (1.123[1]) şi fig.1.40,a[1]
conform (1.251[1])
;
conform (1.250[1])
.
9.5. Curentul rotoric aproximativ fără considerarea acţiunii saturaţiei
conform (1.269[1]) acceptând
9.6. Considerarea acţiunii saturaţiei asupra parametrilor
Acceptăm pentru factorul de saturaţie şi şi realizăm calculul pentru .
În conformitate cu relaţia (1.252[1])
;
conform (1.253[1])
;
unde conform (1.254[1])
.
În conformitate cu fig.1.50[1] pentru
9.7. Permeanţa specifică de dispersie a crestăturii statorice, considerând acţiunea saturaţiei.
În corespundere cu relaţia (1.255[1])
;
conform (1.258[1])
;
şi cu relaţia (1.251[1])
.
9.8. Permeanţa specifică de scăpări diferenţiale statorice, considerând acţiunea saturaţiei se calculează cu relaţia (1.263[1])
9.9. Reactanţa de fază a înfăşurării statorice, considerând acţiunea saturaţiei.
Se calculează cu expresia (1.264[1])
,
unde
.
9.10. Permeanţa specifică de dispersie a crestăturii rotorice, considerând acţiunea saturaţiei şi a refulării curentului se calculează cu expresia (1.260[1])
unde conform (1.259[1])
;
conform (1.262[1])
9.11. Permeanţa specifică magnetică de dispersie a crestăturii rotorice la saturaţie.
conform (1.263[1])
.
9.12. Reactanţa de fază rotorică, raportată la stator, considerând acţiunea saturaţiei,
se calculează cu (1.265[1])
,
unde
.
9.13. Reactanţa mutuală a înfăşurării în regim de pornire
în corespundere cu relaţia (1.266[1])
conform (1.267[1])
.
9.14. Calculul curenţilor şi cuplurilor conform expresiei (1.268[1])
;
.
Atunci conform (1.269[1])
;
cu expresia (1.271[1])
;
Valoarea relativă
;
.
Valoarea critică a alunecării se determină conform calculului tuturor
punctelor caracteristicii de pornire (vezi tab. 2), conform valorilor medii ale
reactanţelor şi corespunzătoare alunecărilor în
conformitate cu relaţia (1.272)
.
În continuare introducem în calculator datele iniţiale cu ajutorul cărora obţinem coeficienţii caracteristicilor de pornire (vezi tab.2).
Nr. Formula de calcul Unit. Alunecarea1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.1 0.175
1 - 1.51 1.35 1.28 1.07 0.67 0.48 0.63
2 - 0.38 0.2 0.15 0.11 0.04 0.1 0.03
3 - 1.26 1.11 1.07 1.04 0.98 0.95 0.97
4 - 1.17 1.07 1.03 1.02 0.98 0.97 0.98
5 0.263 0.241 0.236 0.230 0.222 0.218 0.220
6 - 0.85 0.92 0.94 0.95 0.98 0.99 0.98
7 - 0.96 0.814 0.817 0.821 0.829 0.832 0.831
8 0.645 0.660 0.663 0.666 0.673 0.675 0.674
9 0.473 0.491 0.497 0.501 0.531 0.575 0.548
10 0.830 0.835 0.838 0.842 0.880 0.948 0.905
11 - 1.022 1.022 1.022 1.022 1.022 1.022 1.022
12 0.62 0.659 0.738 0.821 1.485 2.587 1.641
13 1.099 1.143 1.256 1.31 2.014 3.184 2.197
14 A 174.4 166.8 153.4 142.2 87.9 53.6 80.3
15 A 175.6 168.1 154.6 135.1 92.5 56.8 84
16 - 5.87 5.65 5.19 4.53 3.17 1.96 2.84
17 - 1.428 1.46 1.53 1.66 1.88 1.84 1.98
Tabelul 2.
10. Calculul termic
10.1. Depăşirea de temperatură a suprafeţei interioare a miezului statoric în raport cu temperatura aerului din interiorul motorului,
se calculează (1.300[1])
din tab.1.30[1] ; conform (1.298[1])
unde din fig.1.59,b[1] .
10.2. Căderea de temperatură în izolaţia crestăturii înfăşurării statorice
conform (1.301[1])
;
cu relaţia (1.302[1])
,
pentru izolaţia clasei din fig.1.62[1], pentru
determinăm .
10.3. Căderea de temperatură în grosimea izolaţiei părţilor frontale ale înfăşurării se calculează cu relaţia (1.305[1])
,
unde conform (1.299[1])
;
.
10.4. Depăşirea de temperatură a părţilor frontale ale înfăşurării în raport cu temperatura aerului din interiorul maşinii, conform expresiei (1.306[1])
10.5. Depăşirea medie a temperaturii înfăşurării statorice în raport cu temperatura aerului din interiorul maşinii, conform relaţiei (1.307[1])
10.6. Depăşirea temperaturii aerului din interiorul maşinii în raport cu temperatura mediului înconjurător se calculează cu (1.308[1])
cu (1.311[1])
unde
;
conform (1.312[1])
,
unde din fig.1.63[1] pentru din fig.1.56,b[1]
, pentru .
10.7. Depăşirea medie a temperaturii înfăşurării rotorice în raport cu temperatura mediului înconjurător se calculează cu relaţia (1.313[1])
.
10.8. Calculul ventilaţiei. Debitul necesar de aer de răcire se calculează cu relaţia (1.324[1])
;
cu (1.325[1])
.
10.9. Debitul de aer, asigurat de ventilatorul exterior cu (1.326[1])
.
Deoarece sau ventilaţia este satisfăcută.
Concluzii
În acest proiect am calculat un motor asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit din seria 4A, protecţia IP44 şi turaie nominală de 1000 rot/min.
Pentru început am determinat dimensiunile de bază ale rotorului si statorului, cu ajutorul cărora am efectuat calculul electromagnetic al acestui motor. Dacă vom cerceta calculul şi partea grafica a proiectului, constatăm că acesta este efectuat corect, deoarece dimensiunile statorului şi rotorului corespund standardelor şi din partea grafică observăm ca toate aceste dimensiuni sunt plasate corect. Referitor la numărul de crestături putem adăuga ca sînt alese conform standardelor şi ele asigură repartizarea
suficientă a secţiilor înfăşurării, raportul numărului lor fiind:
Reieşind din puterea motorului, pentru înfăşurări a fost aleasă crestătura semi-închisă statorică şi închisă rotorică. Înfăşurarea statorică este realizată din secţii moi din conductor de cupru ПЭТМ cu dimensiunile şi , pe când cea rotorică este turnată din aluminiu în crestăturile ovale ale rotorului. Odată cu turnarea înfăşurării rotorice se formează şi inelele de scurcircuitare şi paletele ventilatorului.
Părţile active ele motorului sânt adunate din tole de oţel de marca 2013. Miezul rotoric se presează direct pe diametrul arborelui, de aceea în calcule a fost acceptat diametrul interior al jugului rotoric egal cu diametrul arborelui. Statorul se presează în carcasă însă nu înainte de a fi presate tolele şi de a le întări în scoabe.
În ceea ce priveşte calculul şi reprezentarea grafică a caracteristicilor de funcţionare şi de pornire, acestea sînt efectuate cu succes deoarece corepund conform motorului proiectat celor teoretice.
În ultimul capitol a proiectului am efectuat calculul termic al maşinii asincrone în care au fost determinate depăşirea medie a temperaturii înfăşurării rotorice în raport cu temperatura mediului înconjurător. Valoarea obţinută este , iar conform standardului nu trebuie să depăşească . Tot în acest capitol a fost calculată ventilaţia, unde s-a obţinut debitul necesar de răcire egal cu , iar debitul de aer asigurat de ventilatorul exterior şi deoarece ventilaţia este satisfăcută şi toate calculele au fost efectuate corect.
Partea grafică a acestui proiect este reprezentată pe coală de format A1.
