Моделирование нагрева асинхронного двигателя (стр. 9 из 12)

13. Зазор между диффузором и подшипниковым щитом в месте крепления δ_д.щ=0;

14. Количество ребер станины z_p=12;

15. Высота ребра станины h_p=23∙10^-3 м;

16. Толщина ребра станины δ_р=2∙10^-3 м.

Параметры вентилятора

2. Внешний диаметр вентилятора D_вент=0,214 м.

Параметры статора

6. Внешний диаметр сердечника D_a=0,225 м;

7. Внутренний диаметр сердечника D=0,13 м;

8. Длина паза l_п=0,13 м;

9. Число пазов статора Z₁=24;

10. Коэффициент шихтовки (заполнения пакета сталью) k_ш=0,97.

Параметры паза статора

9. Большая ширина паза b₁=13,4∙10^-3 м;

10. Меньшая ширина паза b₂=10,2∙10^-3 м;

11. Высота паза h_п=16,5∙10^-3 м;

12. Коэффициент заполнения паза k_з=0,75;

13. Высота шлица h_ш=0,9∙10^-3 м;

14. Ширина шлица b_ш=4∙10^-3 м;

15. Высота зубца h_з=16,5∙10^-3 м;

16. Ширина зубца b_з=6,56∙10^-3 м.

Параметры ротора

10. Внешний диаметр ротора D_рот=129∙10^-3 м;

11. Число пазов ротора Z_рот=19;

12. Ширина короткозамыкающего кольца b_к=25∙10^-3 м;

13. Высота короткозамыкающего кольца a_к=23∙10^-3 м;

14. Ширина лопатки ротора b_л=41∙10^-3 м;

15. Высота лопатки ротора а_л=22∙10^-3 м;

16. Количество лопаток ротора z_л=12;

17. Коэффициент качества лопатки, рассматриваемой как ребро η_л=0,6;

18. Толщина воздушного зазора между ротором и статором δ=0,6∙10^-3 м.

Параметры паза ротора

1. Ширина паза у вершины b_1р=10,8∙10^-3 м;

2. Ширина паза у основания b_2р=7,1∙10^-3 м;

3. Высота паза ротора h_пр=20,2∙10^-3 м.

Параметры обмотки

8. Количество витков в обмотке фазы ω₁=84;

9. Число параллельных ветвей а=1;

10. Число элементарных проводников в эффективном n=3;

11. Средняя длина витка обмотки l_ср1=0,722 м;

12. Развернутая длина лобовой части обмотки с одной стороны l_л=0,256 м;

13. Длина вылета лобовой части обмотки с одной стороны l_л.в=70∙10^-3 м;

14. Диаметр изолированного проводника d_и=1,28 мм;

15. Коэффициент пропитки обмотки k_п=0,9;

16. Обмоточный коэффициент k_обм=0,958;

17. Толщина окраски обмотки в лобовой части δ_окр=0 м;

Параметры пазовой изоляции

2. Толщина пазовой изоляции δ_и.п=0,25∙10^-3 м.

Общие физические величины

11. Кинематическая вязкость воздуха ν=15,8∙10^-6 м²/с;

12. Коэффициент теплопроводности воздуха λ_в=0,03 Вт/(^оС∙м);

13. Средняя температура обмотки T_ср=100 ^оС;

14. Коэффициент теплопроводности меди обмотки λ_м=384 Вт/(^оС∙м);

15. Коэффициент теплопроводности алюминия клетки λ_а=189 Вт/(^оС∙м);

16. Коэффициент теплопроводности материала станины λ_ст=160 Вт/(^оС∙м);

17. Коэффициент теплопроводности стали пакета статора λ_с=34 Вт/(^оС∙м);

18. Коэффициент теплопроводности пропиточного состава обмотки λ_п=0,28 Вт/(^оС∙м);

19. Коэффициент теплопроводности изоляции проводов λ_и=0,26 Вт/(^оС∙м);

20. Коэффициент теплопроводности окраски обмотки в лобовой части λ_окр=0,2 Вт/(^оС∙м);

21. Коэффициент теплопроводности пазовой изоляции λ_и.п=0,41 Вт/(^оС∙м);

22. Плотность меди γ_м=8,89∙10³ кг/м³;

23. Плотность стали γ_ст=7,65∙10³ кг/м³;

24. Удельная теплоемкость меди с_м=386 Дж/(кг∙К);

25. Удельная теплоемкость стали с_ст=500 Дж/(кг∙К).

В результате расчета в MatLab 6.1 получены следующие результаты:

1. Коэффициент теплоотдачи от меди к окружающему воздуху А₁=0,5046 Вт/⁰С.

2. Коэффициент теплоотдачи от стали к окружающему воздуху А₂=46,7726 Вт/⁰С.

3. Коэффициент теплоотдачи от меди к стали А₁₂=9,7796 Вт/⁰С.

4. Теплоемкость меди С₁=2577,1 Дж/⁰С.

5. Теплоемкость стали С₂=1036,6 Дж/⁰С.

Так как цель данного дипломного проекта – это создание лабораторной работы, поэтому в Приложении Б приведены исходные данные к расчету еще для четырех двигателей серии 4А: 4А180М2У3, 4А132М4У3, 4А180М4У3, 4А225М4У3.

4. Моделирование процессов нагрева и охлаждения асинхронного двигателя в различных режимах работы. Рекомендации по выбору асинхронных двигателей по нагреву

Исследуем стандартные режимы работы асинхронных двигателей, установленные ГОСТ 183–74: S1, S2, S3.

Режим S1 – это режим продолжительной работы при постоянной нагрузке.

Режим S2 – режим кратковременной нагрузки. Двигатель в режиме S2 работает при постоянной нагрузке в течение времени меньшего, чем требуется для получения теплового равновесия, с последующим отключением на время, за которое температура двигателя становится равной температуре окружающей среды. Характеризуемой величиной в этом режиме служит продолжительность работы. Стандартные значения, установленные ГОСТ 183–74: 10, 30, 60, 90 минут.

Режим S3 – режим повторно-кратковременной нагрузки. Характеризуется последовательностью идентичных циклов, каждый из которых состоит из периодов работы двигателя при постоянной нагрузке и периодов отключения, причем длительность периодов работы недостаточна для достижения теплового равновесия за время одного рабочего цикла. Этот режим характеризуется продолжительностью включения (ПВ), которая равна:

, (4.1)

где t_p – время работы;

t_о – время отключения.

В ГОСТ 183–74 устанавливаются стандартные значения ПВ: 15%, 25%, 40%, 60%. Продолжительность одного цикла, если не оговорок, принимается равной десяти минутам.

Рассмотрим процессы нагрева на примере асинхронного двигателя закрытого исполнения марки 4А132М2У3. При моделировании температура окружающего воздуха принималась равной 10⁰С, начальные температуры меди и стали равны температуре окружающего воздуха. По графику видно, что средняя температура меди достигает установившегося значения 82,73⁰С за 2000 секунд.

Рисунок 4.1 – График изменения нагрузки и температур меди и стали в режиме S1 (θ_в=10⁰С)

Графики изменения нагрузки и температур меди и стали в режиме S2 приведены на рисунке 4.2. Продолжительность работы здесь равна 10 минутам, температура окружающей среды и начальные температуры меди и стали равны 10⁰С.

Рисунок 4.2 – Графики изменения нагрузки и температур меди и стали в режиме S2 (θ_в=10⁰С)

По графику видно, что средняя температура меди не достигает установившегося состояния, ее максимум равен 72,3⁰С. После отключения обмотка остывает до температуры окружающей среды, то есть до 10⁰С, за 1800 секунд.

Графики изменения нагрузки и температур меди и стали в режиме S3 приведены на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Графики изменения нагрузки и температур меди и стали в режиме S3 (θ_в=10⁰С)

Продолжительность включения ПВ=40%, температура окружающей среды и начальные температуры меди и стали равны 10⁰С. По графику видно, что средняя температура меди не достигает установившегося состояния, ее максимум равен 53,2⁰С. Установившееся состояние наступает через три цикла.

На рисунках 4.4–4.6 приведены графики изменения нагрузки и температур меди и стали в режимах S1, S2 и S3 соответственно, при температуре окружающего воздуха 40⁰ С. Начальные температуры меди и стали равны температуре окружающего воздуха.

Рисунок 4.4 – Графики изменения нагрузки и температур меди и стали в режиме S1 (θ_в=40⁰С)

По графику изменения температуры меди в режиме S1 (см. рисунок 4.4) видно, что установившееся значение температуры равно 113⁰ С. Это значение меньше установленного ГОСТ 183–74 предельное значение температуры для изоляции класса В – 120⁰ С.

Рисунок 4.5 – Графики изменения нагрузки и температур меди и стали в режиме S2 (θ_в=40⁰С)

Рисунок 4.6 – Графики изменения нагрузки и температур меди и стали в режиме S3 (θ_в=40⁰С)

При проектировании электропривода встает задача выбора асинхронного двигателя по мощности. Если мощность, требуемая на исполнительном органе рабочего механизма, больше чем мощность двигателя, то последний перегревается и может выйти из строя; если мощность нагрузки меньше мощности двигателя, то ухудшаются его энергетические характеристики (коэффициент полезного действия η, коэффициент мощности cosφ). Задача выбора двигателя осложняется тем, что нагрузка на валу не остается постоянной, а меняется во времени. Для того чтобы решить вопрос выбора мощности двигателя, необходимо знать зависимость изменения нагрузки во времени.

Таким образом, основной целью при выборе асинхронного двигателя по нагреву является наиболее полное его использование по мощности.

Предельные значения температур обмоток для разных классов изоляции устанавливаются ГОСТ 183–74. Предельные температуры обмотки для классов пазовой изоляции приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Класс нагревостойкости изоляции	B	F	H
Предельно допускаемые температуры обмоток машин, 0С	120	140	165
Предельно допускаемые превышения температуры обмоток машин, 0С	80	100	125

При работе привода в режиме продолжительной работы с постоянной нагрузкой (S1) перегрузка двигателя недопустима, то есть мощность нагрузки должна быть меньше либо равна установленной мощности двигателя. Причиной этого является то, что при номинальной нагрузке температура меди обмотки близка к предельно допустимой.