ГЛАВА ВОСЬМАЯ АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
8-1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР РАЗМЕРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
Асинхронные машины являются наиболее массовым типом электрических машин переменного тока из применяемых в промышленности и используются главным образом в качестве двигателей как общепромышленного применении, так и специализированного. Очень редко асинхронные машины используются и качестве генераторов, так как при этом они должны потреблять на сети реактивную мощность для возбуждения. Ни один другой тип электрических машин не отличается таким разнообразием конструкций и модификаций как по условиям эксплуатации, так и по условиям установки (главные из них были описаны в шестой главе), таким диапазоном мощностей (от долей ватта до десятков тысяч киловатт) и скоростей вращения (от нескольких десятков до десятков тысяч оборотов в минуту).
По электромагнитным характеристикам различают двигатели с обычными требованиями (кратность максимального момента 1,7—2,2; пускового 0,9) к повышенными требованиями к характеристике момента. В связи с этим применяются несколько типов роторов: короткозамкнутые роторы с одной беличьей клеткой (при отсутствии особых требований); короткозамкнутые глубокопазные и двухклеточные роторы, позволяющие получить большой пусковой момент за счет явления вытеснения тока, но имеющие несколько худшие по сравнению с одноклеточными рабочие характеристики; двигатели с массивным ротором (с практически равномерной моментной характеристикой) и, наконец, двигатели с фазным ротором, позволяющие получить большой пусковой момент при малом пусковом токе за счет включения в цепь ротора на время пуска внешних сопротивлений.
При массовом производстве общепромышленных типов асинхронных двигателей малой и средней мощности крупные машины изготовляются мелкими сериями, а очень крупные — по индивидуальным заказам; кроме того, некоторые модификации могут не изготовляться в массовом производстве, однако масштабы производства и применения асинхронных двигателей настолько велики по сравнению с другими типами машин, что при их проектировании на первое место выступает экономический подход. Этому способствует еще и то обстоятельство, что асинхронные машины по роду своего применения редко бывают машинами предельной мощности (в отличие от турбо- и гидрогенераторов или синхронных компенсаторов), и поэтому некоторые ограничения на основные размеры не накладываются в процессе разработки проекта, а это позволяет варьировать переменные в более широком диапазоне и затрудняет получение лучшего из приемлемых, или оптимального, решения. С другой стороны, при разработке индивидуальных заказов довольно часто можно выполнить машину на уже имеющихся сердечниках и решить вопрос, какой из типоразмеров лучше подходит для применения.
Для асинхронных машин справедливы все соотношения между основными размерами, параметрами и нагрузками, полученные во второй главе настоящей книги, и, следовательно, справедливы все закономерности конструктивных рядов, если их относить к полной мощности якоря асинхронной машины. Примеры таких рядов приведены на рис. 2-9. Из этих рисунков видно, что зоны допустимых значений главных размеров (τ, τl) имеют заметную ширину, причем все ограничения при этом выдерживаются. Аналогичный разброс — заметную ширину — можно проследить в зонах значений технико-экономических показателей (масса на единицу мощности и т. п.). Такой разброс значений главных размеров, их отклонения от теоретического ряда вызваны, во-первых, конечностью диапазона типоразмеров, о чем уже говорилось, а, во-вторых, тем обстоятельством, что экономические показатели не всегда могут быть достаточно точно учтены в начале проектирования
Выбор главных размеров по среднестатистическим данным построенных машин.
Воспользовавшись кривыми рис. 2-9, можно определить значения τl, τ, l, hп и других геометрических размеров активной зоны якоря (статора) асинхронной машины, а также значения электромагнитных и тепловых нагрузок. Ориентируясь на известный прогресс в электромашиностроении, можно принять нагрузки несколько большими или размеры несколько меньшими средних значений, однако почти всегда можно быть уверенным в том, что приемлемый вариант машины удовлетворяет всем ограничениям. Выбор размеров по данным кривых, подобных рис. 2-9, не исключает учета прогресса в электромашиностроении нс только, так сказать, вслепую, но и с выбором его направления. Такие кривые могут быть построены по опорным точкам, полученным в результате проектирования серий машин, рассчитанной на еще не созданные, но уже разрабатываемые изоляционные материалы, стали, новые методы охлаждения и тому подобные усовершенствования, или скорректированы по каталожным данным фирм, частично уже применяющих эти усовершенствования.
Б. И. Кузнецов [8-1, 8-2] проанализировал данные ряда серин асинхронных манят и установил зависимости мощности от размеров, выбрав за базисную величину наружный диаметр якоря Da:
где т' в среднем составляет 0,8 для защищенного исполнения и 0,5 для закрытого обдуваемого, а k зависит от качества применяемых материалов и для более прогрессивных конструкций растет с увеличением коэффициента ад. полпенни пазов медью и допустимого нагрева обмотки в соответствии с уравнениями, рассмотренными в главе 2.
Однако выбор размеров по средним зависимостям не дает ясного ответа на вопрос об экономичности машины, и для экономического подхода к выбору главных размеров этот метод дает возможность сузить зону поиска, но не окончательно провести поиск.
Выбор размеров при подборе имеющихся штампов сердечников сводится к выбору типоразмеров, ближайших к среднему значению, по кривым рис. 2-9 с пересчетом параметров в относительных единицах (см. § 8-2). Длина в этих случаях выбирается по ограничениям Мmax, cos φ и т. п.
Рис. 8-2. К определению среднего значения проводимости рассеяния
- Определение зоны изменения главных размеров для экономического выбора размеров. Экономический выбор главных размеров по минимуму приведенной стоимости подробно описан ниже (см. § 10-6). Он основан из определении для каждого возможного значения Dl отношения D, доставляющего экстремум приведенной стоимости. Значение Dl определяется индукцией в зазоре и числом витков обмотки ω, зона изменения DI может быть предварительно определена по кривым рис. 2-9 в зависимости Р/р.
Как можно заметить из рис. 2-9, зона изменения τl в зависимости от Г р достаточно широка; это значит, что возможно достаточно большое число комбинаций главных переменных τ, l, w1, удовлетворяющих ограничениям.
Для правильного выбора τ и / , а также для дальнейших расчетов нужно уточнить заранее заданную или выбранную в процессе проектирования величину cos φ, проверить возможность ее реализации. Если значение cos <р в начале проектирования определено правильно, то расчет параметров асинхронной машины можно уверенно вести в относительных единицах, так же как для синхронной машины (см. гл. 9) задаваться размерами активной зоны и проверять их по тепловым ограничениям, не опасаясь, что уточнение cos φ по круговой диаграмме внесет существенные поправки в проведенные расчеты.
Крайние точки зоны изменения в среднем учитывают ряд ограничений (по размерам, электромагнитным и тепловым нагрузкам и т. п.). Для ограничения числа допустимых сочетаний при выборе размеров по минимуму приведенной стоимости удобно воспользоваться диаграммой на рис. 8-3.
Кривые, ограничивающие зоны изменения τ и l, дают в сочетании очень большую зону допустимых комбинаций произведения τl при заданном значении Р/р. Однако, если воспользоваться ограничением, представленным кривой во II квадранте,
