параметров обмотки статора результирующей ЭДС витка с учетом высших гармонических составляющих намагничивающей силы трехфазной о. 17 вариант КП. Наряду с централизованным способом электроснабжения потребителей от сетей энергосистем в ряде случаев необходимо предусматривать местные источники электроснабжения
 Скачать 179.07 Kb.
|
ВведениеНаряду с централизованным способом электроснабжения потребителей от сетей энергосистем в ряде случаев необходимо предусматривать местные источники электроснабжения. К ним относятся дизельные электростанции, которые широко используются также в качестве резервных установок, обеспечивающих электрической энергией потребителей при отключении питания в случае аварий на линиях энергосистемы. Для потребителей с повышенными требованиями к бесперебойности электроснабжения установка резервных источников электроснабжения обязательна. Синхронный генератор дизельной электростанции работает в генераторном режиме и является источником электроэнергии только в периоды аварии основного источника электроэнергии – государственной линии электропередачи. Когда же электроснабжение объектов работает в нормальном режиме, то синхронный генератор переводится в режим синхронного двигателя для привода компрессорной установки, подающей сжатый воздух в цех переработки продукции. На дизельных электростанциях применяют генераторы типов СГД (синхронный генератор, дизельный), ЕСС (единой серии с самовозбуждением), ЕС (единой серии), МСД открытого и МСА защищенного исполнения с самовентилированием и др. Передвижные дизельные электростанции выполнены как комплектные электроустановки, смонтированные на каком-либо транспортном средстве и защищенные от атмосферных воздействий. Дизельные электроагрегаты также выполняют как комплектные установки в виде отдельных блоков, чаще всего смонтированными на общей раме. Стационарные дизельные электроустановки предназначены для нормальной работы и выработки электроэнергии необходимого качества при температуре окружающего воздуха от +8 до +40°С, высоте над уровнем моря не выше 1000 м и относительной влажности воздуха до 98% при +25° С. Передвижные электроустановки вырабатывают электроэнергию при колебаниях температуры окружающего воздуха от —50 до +50°С при той же его влажности и установке над уровнем моря на высоте до 4000 м. Основным элементом дизельной-электроустановки (станции или агрегата) является дизель-генератор, состоящий из дизельного двигателя, электрического генератора, трехфазного переменного тока, систем охлаждения, смазочной, топливоподачи и пультов управления. Передвижные электростанции типа ЭСД комплектуются дизельными агрегатами марки АД (АСД), а электростанции ЭСДА — агрегатами АД и АСДА. Агрегаты типа АСД, АСДА мощностью 30—100 кВт используются в качестве резервных электроустановок. Для них применяют также электростанции типа ДЭС. Для стационарных резервных электростанций большей мощности (300‒500 кВт) используют дизельные электроагрегаты типов АС, АСДА, ДГА и др. Такие резервные электростанции сооружают в закрытых помещениях. Их располагают в непосредственной близости от резервируемого объекта или в центре нагрузок, для резервирования трансформаторных подстанций потребителей с учетом резервирования в первую очередь наиболее ответственных потребителей электроэнергии. В рамках данного курсового проекта необходимо рассмотреть синхронные генераторы, рассчитать и научиться оптимизировать геометрические и электрические параметры трехфазных обмоток и выполнить следующие задачи: по имеющимся геометрическим размерам статора синхронного генератора и заданному напряжению рассчитать число витков в фазе обмотки; выполнить оценку гармонического состава ЭДС генератора. При необходимости провести оптимизацию гармонического состава ЭДС и рассчитать окончательный вариант обмотки, удовлетворяющий требованиям стандарта. Далее приведены исходные данные для 17 варианта. Исходные данные Вариант № 17 Фазное напряжение UФ = 220 В; Число пар полюсов р = 2; Тип обмотки, двухслойная – А1 = 2 двухслойная; Число пазов Z = 48; Диаметр статора D = 112 мм; Длина пакета статора L = 78 мм; Число витковой фазы W = 1; Число параллельных ветвей А = 1; Коэффициент укорочения β = 0,7; Составляющие индукции создаваемой ротором: индукция 1-й гармоники В1 = 0,95 Тл; индукция 3-й гармоники В3 = 0,23 Тл; индукция 5-й гармоники В5 = 0,02 Тл; индукция 7-й гармоники В7 = 0,012 Тл. Переходим к расчету курсового проекта. 1 Предварительный расчет параметров обмоткиПолюсное деление Полюсным делением называется часть окружности статора приходящаяся на один полюс. Полюсное деление измеряется и рассчитывается как в пазах статора Z, так и в линейных единицах (м). Для составления схемы обмотки полюсное деление рассчитывается в пазах статора и представляет собой число пазов статора приходящихся на один полюс:  где  – число пазов;p – число пар полюсов.  Однако для расчета магнитного потока полюсное деление рассчитывается в единицах длины (м):  где  – диаметр статора. Переходим к рассчету следующего пункта. Число пазов на полюс и фазу Число пазов на полюс и фазу (q) определяет число секций в катушечной группе. Каждая катушка обмотки участвует в создании двух полюсов, так как активные проводники одной её стороны имеют одно направление тока, а другие ‒ противоположные. Число пазов рассчитывается по следующей формуле  При q > 1, обмотка называется рассредоточенной, при этом фазные катушки должны быть разделены на секции, число которых равно q.  Переходим к расчету шага обмотки. Шаг обмотки Шагом обмотки называется расстояние между первой и второй активными сторонами одной секции, выраженное в пазах статора. Для двухслойных обмоток шаг рассчитывается по формуле:  где  – коэффициент укорочения шага, который выбирается конструктором обмотки. Переходим к расчету следующего пункта. Угол сдвига ЭДС Начальные фазы электромагнитных синусоидальных колебаний первичного и вторичного напряжения, с частотой одинаковой величины, могут существенно различаться на некоторый угол сдвига фаз (угол φ). Переменные величины могут неоднократно в течение определенного периода некоторого времени изменяются с определенной частотой. Если электрические процессы имеют неизменный характер, а сдвиг фаз равен нулю, это свидетельствует о синхронизме источников величин переменного напряжения, например, трансформаторов. Сдвиг фазы служит определяющим фактором коэффициента мощности в электрических сетях переменного тока. Угол сдвига фаз находится при необходимости, тогда, если один из сигналов является опорным, а второй сигнал с фазой в самом начале совпадает с углом сдвига фаз.   Переходим к следующему пункту. 1.5 Конструирование схемы обмотки По рассчитанным параметрам в соответствии с правилами конструирования схем двухслойных обмоток, составляем схему-таблицу и по ней строим схему-развертку обмотки. Схема-развертка должна быть составлена по следующим правилам: 1. число катушечных групп в каждой фазе n равно числу полюсов 2р n = 2р; 2. начала катушечных групп одной фазы смещены относительно друг друга на 180 эл. градусов (что соответствует смещению на одно полюсное деление τ); 3. число секций в каждой катушечной группе S равно числу пазов на полюс и фазу q: S = q. 4. катушечные группы одной фазы соединяются по схеме: конец предыдущей катушечной группы соединяется с концом последующей; начало предыдущей катушечной группы с началом последующей; 5. начала обмоток различных фаз смещены относительно друг друга на 120 электрических градусов. Схема-таблица двухслойной обмотки по данным Z = 48; 2р = 4 представлена на рисунке 1.  Рисунок 1 – Схема-таблица предварительного варианта обмотки статора Z= 48; 2р= 4; τ= 12; y= 10; тип обмотки – двухслойная Переходим к расчету результирующей ЭДС. 2 Расчет результирующей ЭДС витка с учетом высших гармонических составляющих2.1 Методика расчета ЭДС витка Расчет выполняется для условной обмотки с числом витков в фазе W = 1. Расчет выполняем по следующей формуле:  где  – действующее значение фазной ЭДС для 1-й, 3-й, 5-й, 7-й гармоники.Расчет для любой гармоники проводится по следующей формуле: где W – количество витков, принимаемый равным 1;  – обмоточный коэффициент по ν-й гармонической составляющей, равный где  – коэффициент укорочения по ν-й гармонической составляющей, рассчитывается по формуле:  – коэффициент распределения по ν-й гармонической составляющей, рассчитывается по формуле:  частота любой гармоники, рассчитываемая по формуле: где  – частота сети, равная 50 Гц; – магнитный поток любой гармоники, рассчитываемая по формуле: При расчете полюсное деление τследует измерять в линейных единицах, м, 2.2 Расчет 1-й, 3-й, 5-й и 7-й гармонических составляющих и результирующей ЭДС витка 2.2.1 Первая гармоника Рассчитываем ЭДС 1-й гармонической составляющей. Коэффициент укорочения по 1-й гармонической составляющей:  Коэффициент распределения по 1-й гармонической составляющей:  Обмоточный коэффициент по 1-й гармонической составляющей:  Частота ЭДС 1-й гармоники:  Полюсное деление: Магнитный поток 1-й гармоники:  Действующее значение ЭДС  Расчет 1-й гармоники произведен. 2.2.2 Третья гармоника Рассчитываем ЭДС 3-й гармонической составляющей. Коэффициент укорочения по 3-й гармонической составляющей:  Коэффициент распределения по 3-й гармонической составляющей:  Обмоточный коэффициент по 3-й гармонической составляющей:  Частота ЭДС 3-й гармоники:  Магнитный поток 3-й гармоники:  Действующее значение ЭДС  Расчет 3-й гармоники произведен. 2.2.3 Пятая гармоника Рассчитываем ЭДС 5-й гармонической составляющей. Коэффициент укорочения по 5-й гармонической составляющей:  Коэффициент распределения по 5-й гармонической составляющей:  Обмоточный коэффициент по 5-й гармонической составляющей:  Частота ЭДС 5-й гармоники:  Магнитный поток 5-й гармоники:  Действующее значение ЭДС  Расчет 5-й гармоники произведен. 2.2.4 Седьмая гармоника Рассчитываем ЭДС 7-й гармонической составляющей. Коэффициент укорочения по 7-й гармонической составляющей:  Коэффициент распределения по 7-й гармонической составляющей:  Обмоточный коэффициент по 7-й гармонической составляющей:  Частота ЭДС 7-й гармоники:  Магнитный поток 7-й гармоники:  Действующее значение ЭДС  Расчет 7-й гармоники произведен. 2.2.5 Действующее значение ЭДС Действующее значение фазной ЭДС одного витка обмотки с учетом высших гармонических составляющих:  Расчет результирующей ЭДС обмотки произведен. 3 Улучшение качества индуктируемой ЭДС3.1 Методика оценки качества ЭДС Качество индуктируемой ЭДС оценивается по коэффициенту формы, который показывает долю высших гармонических составляющих по отношению к 1-й гармонической. Расчетная формула приведена ниже:  В соответствии с ГОСТ 183–66 доля высших гармоник не должна превышать 5 %, т.е. КФ < 5 %. Рассчитаем коэффициент формы  Так как  = 6,84 > 5 %, то необходимо вносить изменения в исходные данные.3.2 Улучшение гармонического состава ЭДС Работу по улучшению гармонического состава ЭДС проводим с помощью ЭВМ. Выполним контрольный расчет основного варианта задания. Результаты этого расчета являются проверочными для всех предыдущих расчетов (см. п. 1-2). На рисунке 2 представлена распечатка из программы, с помощью которой был произведён расчет. Данная распечатка (рисунок 2) свидетельствует о том, что все предыдущие расчеты выполнены правильно (см. ниже). Однако видим, что коэффициент КФ больше необходимого (допустимого) значения, поэтому его необходимо уменьшить, скорректировав исходные данные.  Рисунок 2 – Распечатка 1 Для корректировки КФ делаем пробный расчет для значения β = 0,6, в результате получаем КФ, равный 0,49 %. Результаты расчета приведены на рисунке 3. Получается, что изменением конструкции обмотки (т.е. увеличением укорочения шага обмотки) удастся получить меньшее значение КФ. Рисунок 3 – Распечатка 2 Попробуем скорректировать КФ, изменив гармонический состав магнитного потока ротора. Уменьшим значения 3-й, 5-й и 7-й гармонических составляющий магнитной индукции со значений 0,23 Тл до 0,13 Тл, с 0,02 Тл до 0,015 Тл, и с 0,012 Тл до 0,005 Тл соответственно и выполним расчет заново при β = 0,7 (Распечатка № 3). В результате расчетов получен КФ = 3,87 %, что также отвечает требованиям ГОСТ. Результаты расчетов приведены на рисунке 4.  Рисунок 4 – Распечатка 3 Принимаем окончательный вариант: тип обмотки – двухслойная, с укороченным шагом, коэффициент укорочения β = 0,7. 4 Расчет и конструирование окончательного варианта обмотки 4.1 Составление схемы-таблицы и схемы развертки окончательного варианта обмотки В соответствии с результатами расчета, приведенными в пунктах 1 и 2 и проверенных и скорректированных в разделе 2, получаем следующие параметры окончательного варианта обмотки: Полюсное деление τ = 12; Шаг обмотки у = 9; Коэффициент укорочения β = 0,7; Число пазов на полюс и фазу q = 4; Угол сдвига ЭДС соседних пазов α = 15 эл. град. В соответствии с правилами конструирования обмотки, приведенным в пункте 1 строим схему таблицу обмотки (рисунок 5). Рисунок 5 – Схема-таблица предварительного варианта обмотки статора Z= 48; 2р= 4; τ= 12; y= 10; β = 0,7; тип обмотки – двухслойная По рассчитанной схеме-таблице строим схему-развертку и звезду пазовых и фазных ЭДС обмотки (рисунки 6-8). В каждом пазу двухслойной обмотки размещаются две стороны разных катушек, поэтому на рисунке 6 показаны 96 пар линий пазов. Одна линия из каждой пары — сплошная — обозначает сторону катушки, лежащей вверху паза, ближе к его шлицу, а другая — пунктирная — сторону катушки, лежащей на дне паза. Разделим пазы по числу полюсов на четыре полюсных деления т, в каждом из них будет 12 пазов, и в пределах полюсных делений разметим фазы. Число пазов на полюс и фазу равно 4. Стрелками на сплошных линиях, соответствующих верхним сторонам катушек, покажем направления мгновенных значений токов в них. Оно одинаковое во всех фазах в пределах одного полюсного деления и меняется на обратное при переходе к соседнему полюсному делению. Чтобы принятые ранее направления токов сохранились, соседние катушечные группы одной фазы должны быть соединены между собой встречно. Встречное соединение катушечных групп, т. е. соединение конца первой группы этой фазы с концом второй и начала второй группы с началом третьей и такое же соединение других групп одной фазы, является характерной закономерностью для всех схем двухслойных обмоток. Для проверки правильности выполненных соединений при вычерчивании схемы можно воспользоваться следующим методом. На линиях, обозначающих начала фаз Cl, С2 и С3, отметим стрелками мгновенные направления токов в фазах. В трехфазной системе токов всегда в двух фазах эти направления совпадают, а в третьей будет противоположно, или значение тока равно нулю. Поэтому на рисунке 6 на выводе С1 указано направление, противоположное С2 и С3. Далее, обходя катушки и катушечные группы по вычерченным соединениям каждой из фаз, отметим над катушечными группами также стрелками направление обтекания их током.  Рисунок 3 – Схема-развертка окончательного варианта – обмотка статора Звездой пазовых ЭДС – это векторная диаграмма, построенная так, что из одной точки выходят векторы ЭДС секционных сторон верхнего слоя обмотки, сдвинутые на угол, равный 15 электрическим градусам (согласно расчету в пункте 1).  Рисунок 4 – Схема-развертка окончательного варианта – звезда пазовых ЭДС Звезда фазных ЭДС дает возможность проверить правильно ли выполнены соединения обмотки. Если ЭДС фаз равны и сдвинуты по фазе на 120 градусов, то все соединения выполнены правильно, и обмотка будет симметричной. Звезду фазных ЭДС составляем на основании звезды пазовых ЭДС и развернутой схемы обмотки с учетом лишь тех активных сторон секций, которые входят в параллельную ветвь фазы.  Рисунок 5 – Схема-развертка окончательного варианта – звезда фазных ЭДС обмотки Переходим к расчету числа витков секции. 4.2 Расчет числа витков секции, катушечной группы, фазы и обмотки Рассчитаем предварительное число витков фазы:  где  – напряжение, В; – рассчитанное значение ЭДС, В. Рассчитаем число эффективных витков секции  , для двухслойных обмоток оно определяется по формуле:  Округляем полученное значение до ближайшего большего и получаем  Рассчитаем число витков катушечной группы:   Найдем окончательное число витков фазы:   По окончательному числу витков фазы определим величину индуктируемой ЭДС:   Так как Е > UФ, то расчет можно считать законченным. ЗаключениеВ результате расчета данного курсового проекта была восстановлена обмотка трехфазной синхронной машины, которая в свою очередь выполняет две очень важные вещи на производстве. Во-первых, это работа в качестве резервного источника питания, а во-вторых, это работа в режиме электрического двигателя в составе компрессорной установки. Таким образом в результате ремонта были сэкономлены значительные средства, так как новый синхронный генератор стоит несказанно больше ремонта уже имеющегося, но неисправного синхронного генератора. Основная цель работы достигнута. Были освоены навыки расчета и оптимизации геометрических и электрических параметров трехфазных обмоток. Были выполнены все задачи курсового проекта. По имеющимся геометрическим размерам статора синхронного генератора и заданному напряжению были рассчитаны число витков в фазе обмотки. Выполнена оценка гармонического состава ЭДС и рассчитан окончательный вариант обмотки, удовлетворяющий требованиям стандарта в соответствии с ГОСТ 183-66. Рассчитаны амплитудные значения намагничивающих сил однофазной обмотки одной фазы одного полюса и трехфазной обмотки в расчете на один полюс. Проанализировано вращающееся магнитное поле статора при помощи интегральной кривой намагничивания. Резервное электроснабжение, а также работа компрессорной установки восстановлено полностью и в кратчайшие сроки без покупки нового синхронного генератора. Цена ремонта многократно ниже цены новой машины. В итоге, можно с уверенностью судить о рациональности проведенной работы. Список литературы1. Ванурин, В.Н. Электрические машины. [Электронный ресурс] — Электрон. дан. — СПб. : Лань, 2016. — 304 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/72974. 2. Епифанов, А.П. Электрические машины. [Электронный ресурс] — Электрон. дан. — СПб. : Лань, 2006. — 272 с. — Режим доступа: http:// e.lanbook.com/book/591 3. Ванурин, В.Н. Статорные обмотки асинхронных электрических ма- шин. [Электронный ресурс] — Электрон. дан. — СПб. : Лань, 2014. — 176 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/51939 4. Кацман, М.М. Электрические машины [Текст]: учебник для сту- дентов образовательных учреждений среднего проф. образования / М.М. Кац- ман. - 9-е изд. стереотип. - М : Академия, 2008. - 496 с. - ISBN 978-5-7695- 5773-6 : 645.042. 5. Набиев, Ф. М. Электрические машины [Текст]: учеб. пособие для вузов/ Под ред. Проф. И.И. Алиева. – М.: ИП РадиоСофт, 2008. –292с.: ил. – 500экз. – ISBN:5-93037. 6. Вольдек, А.И. Электрические машины. Машины переменного тока [Текст]: учебник для вузов/В.В.Попов. – СПб.:Питер. – 2008. – 350с. –3000 экз.: ил.. – ISBN 978-5-469-01380-9. |