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.