Выбор главных размеров

Проектирование синхронных машин, как, впрочем, и любой другой электрической машины, начинают с выбора главных размеров: внутреннего диаметра статора и расчетной длины . Задача эта не имеет однозначного решения, так как при выборе главных размеров приходится учитывать ряд требований. Поэтому для нахождения оптимальных значений и приходится в некоторых случаях просчитывать ряд вариантов. Для сокращения числа рассчитываемых вариантов целесообразно воспользоваться рекомендациями, полученными на основе накопленного опыта проектирования и эксплуатации подобных машин. Для предварительного определения диаметра можно воспользоваться построенными в логарифмическом масштабе зависимостями (рис. 10.8), которые соответствуют усредненным диаметрам выполненных машин.

Рис. 10.8. Зависимость при различных числах полюсов:

а — при S ' > 100 кВА; б — при S ' ≤ 100 кВА

Расчетную электромагнитную мощность определяют по формулам:

для двигателя (10.1)

для генераторов .

Коэффициент представляет собой отношение ЭДС в якоре при номинальной нагрузке к номинальному напряжению. Он зависит от сопротивления обмотки статора. При работе синхронного двигателя с опережающим током и можно принять ; для генераторов, работающих с отстающим током и , принимают .

Коэффициент полезного действия для двигателей предварительно можно взять из табл. 10.3, где даны значения КПД для серийно выпускаемых синхронных двигателей при номинальном напряжении В. При В КПД двигателей увеличивается на 0, 3…1%, а при В снижается на 0, 05…0, 2 %. Коэффициенты полезного действия выпускаемых в настоящее время синхронных генераторов при и В даны в табл. 10.4.

При других значениях мощности, частоты вращения и напряжения предварительное значение КПД генераторов при можно получить по табл. 10.3 (с учетом поправки по напряжению), снизив найденное значение на 0, 2…0, 7%. В табл. 10.5 даны КПД для генераторов мощностью до 100 кВт.

Таблица 10.3. Значения КПД синхронных двигателей, %,

при = 0, 9 и = 6000 В

кВт	, об/мин
	—	94, 2	93, 9	93, 4	—	91, 25	91, 27	90, 8
	—	94, 6		93, 9	92, 9	91, 6	91, 94
	—	94, 7	94, 4	94, 3	93, 7	92, 65
		95, 1	94, 9	94, 6	94, 28	93, 4	93, 34	93, 5
	95, 5	95, 6	94, 95	95, 17	94, 42	94, 2	93, 9	93, 9
	95, 5	95, 63	95, 5	95, 5			94, 4	94, 45
	—	95, 9	95, 8	95, 54	95, 45	95, 3	94, 66	94, 66
	—	96, 3			95, 85	95, 77	95, 2
	—	96, 8	96, 3	96, 3	96, 2	95, 78	95, 7	95, 4
	—	96, 8	96, 7	96, 6	96, 5	96, 26	95, 72	95, 65
	—		96, 8	96, 88	96, 6	96, 69	96, 1
	—	97, 2		96, 83	96, 76	96, 54	96, 3	96, 28
	—	97, 3	97, 2	97, 09	97, 07	—	—	—

Таблица 10.4. Значения КПД синхронных генераторов, %,

при =0, 8 и = 400 В

кВт	, об/мин
	—	—	90, 5	—
	—	91, 3	—	—
	—	—	91, 9	—
		92, 6	—	—
	—	—	92, 7	—
	—	—	—	92, 6
	—	—	—	93, 4
	—	—	—	93, 8
	—	—	—	94, 1

Таблица 10.5. Значения КПД синхронных генераторов, %,

= 0, 8, = 230 и 400 В и = 1500 об/мин

кВт
, %		82, 2			87, 5			90, 5		92, 5

По найденному диаметру определяют полюсное деление:

(10.2)

где .

Предварительное значение внешнего диаметра статора находят по формуле

. (10.3)

Коэффициент в зависимости от числа полюсов машины имеет значения, приведенные в табл. 10.6.

Таблица 10.6. Значение в зависимости от числа полюсов

2
	1, 43—1, 52	1, 4—1, 45	1, 35—1, 4	1, 3—1, 35	1, 28—1, 33	1, 22—1, 28

Полученное значение следует округлить до ближайшего нормализованного диаметра. Значения их даны в табл. 10.7. Нормализованные диаметры получены исходя из наиболее благоприятного раскроя листов электротехнической стали, при котором уменьшаются отходы при штамповке. Нормализованным диаметром определяется габарит машины.

Таблица 10.7. Высота оси вращения и диаметр статора

От выбранного внешнего диаметра магнитопровода статора зависит высота оси вращения у проектируемой машины. Высоты осей вращения в зависимости от для выпускаемых в настоящее время синхронных машин даны в табл. 10.7. Машины, выполненные на диаметрах от 1180 мм и выше, имеют высоту оси вращения мм, что достигается соответствующей приваркой лап к станине (см. рис. 10.3).

Если в результате округления отношение будет выходить за пределы значений коэффициента , то следует произвести пересчет внутреннего диаметра и полюсного деления :

; . (10.4)

В этом случае для можно взять среднее значение при данном числе полюсов.

По полученному диаметру находят расчетную длину машины, м:

, (10.5)

где — расчетный коэффициент полюсного перекрытия (см. рис. 10.21); —коэффициент формы поля (см. рис. 10.21); — обмоточный коэффициент обмотки статора; — линейная нагрузка статора, А/м; — максимальное значение индукции в воздушном зазоре при номинальной нагрузке, Тл; — внутренний диаметр статора, м.

Как , так и зависят от размеров и конфигурации полюсного наконечника, а также воздушного зазора и полюсного деления. Поскольку на данной стадии расчета эти значения неизвестны, то предварительно можно принять = 0, 65…0, 68, = 1, 16…1, 41, а их произведение = 0, 75…0, 78 (эти значения соответствуют = 0, 68…0, 72, = 1, 5 и = 0, 01). При равномерном воздушном зазоре над полюсным наконечником в машинах небольшой мощности (менее 100 кВт) = 1, и можно принять = 0, 84…0, 87.

Обмоточный коэффициент определяют по шагу обмотки статора и числу пазов на полюс и фазу. Предварительно можно взять равным 0, 92, что примерно соответствует шагу обмотки = 0, 83.

Линейную нагрузку и индукцию для машин мощностью от 100…150 кВт и выше выбирают по кривым рис. 10.9, 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 можно так же выбирать по кривым рис. 10.9, а линейную нагрузку целесообразно снизить на 10…15%, так как из-за более толстой пазовой изоляции ухудшается охлаждение проводников обмотки якоря.

Рис. 10.9. Зависимость и A от

для синхронных машин мощностью более 100 кВт

Значения индукции и линейной нагрузки для машин мощностью менее 100 кВт выбирают по рис 10.10.

Рис. 10.10. Зависимость и A от

для синхронных машин мощностью менее 100 кВт

Найденные из рис. 10.9 или 10.10 значения и следует рассматривать как предварительные. В дальнейшем расчете при необходимости их можно изменить. При этом следует иметь в виду, что в зависимости от выбора и изменяется активный объем проектируемой машины. Чем больше произведение , тем меньший объем будет иметь машина. Однако как , так и имеют свои верхние пределы.

Основным фактором, ограничивающим линейную нагрузку, является нагрев обмотки, так как с возрастанием 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. 10.9 и 10.10 значения 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 линейную нагрузку следует увеличить в 1, 12 раза, а при применении изоляции класса нагревостойкости H — в 1, 2 раза.

Верхний предел индукции 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 зависят индуктивные сопротивления обмотки. С увеличением этого отношения индуктивные сопротивления возрастают.

Определив расчетную длину машины , находят отношение

. (10.6)

От зависят ряд показателей машины и условия ее охлаждения. Чем длиннее машина (больше ), тем хуже условия ее охлаждения. Значение для выпускаемых в настоящее время синхронных машин обычно лежит в пределах, указанных на рис. 10.11. Если не укладывается в указанные пределы, то следует изменить диаметр , а если потребуется, то и внешний диаметр . При изменении диаметра в соответствии с (10.5) изменится и .

Рис. 10.11. Значение в зависимости от числа пар полюсов

У машин небольшой мощности при 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 разбивают на несколько пакетов, между которыми делают радиальные вентиляционные каналы (рис. 10.12). Обычно длину пакетов выбирают равной 4—5 см, а ширину канала = 1 см. При наличии вентиляционных каналов истинная длина статора будет больше расчетной и может быть найдена по формуле

. (10.7)

Рис. 10.12. Размеры активной стали статора

Длину всех пакетов чаще всего берут одинаковой. Число вентиляционных каналов в этом случае будет равно:

, (10.8)

причем округляют до целого числа.

Определив число каналов, уточняют длину пакета:

. (10.9)

Суммарная длина пакетов сердечника

. (10.10)

В некоторых случаях, главным образом для машин, имеющих большую длину, крайние пакеты изготовляют более длинными, чем средние.