Курсовая работа (т): Расчет параметров трехфазного синхронного генератора

Расчет параметров трехфазного синхронного генератора

1.      Введение

Данный курсовой проект представлен как реальный вариант развития событий на производстве. Подробная проработка которого позволит овладеть умениями и навыками для решения реальных задач. Приобрести опыт в проектировании и построении электродвигателей, проработать тонкости его конструкции, а так же возможные электрические процессы в нем.

По условию курсового проекта в ведении главного энергетика сельскохозяйственного предприятия произошла авария. В составе предприятия имеются ответственные потребители 1-й категории, не допускающие длительных перерывов в электроснабжении. Бесперебойность электроснабжения на таких объектах обеспечивается с помощью резервных дизельных электростанций.

В результате аварии, произошедшей на резервной дизельной электростанции, вышла из строя трехфазная обмотка статора синхронного генератора. В ходе обследования установлено, что по имеющимся остаткам схему обмотки можно определить только предположительно (ориентировочно). Число витков фазы обмотки установить невозможно.

В то же время состояние ротора удовлетворительное, обмотка возбуждения ротора, тело ротора и полюсные наконечники сохранились хорошо. По паспортным данным известны параметры магнитной индукции, создаваемой ротором в воздушном зазоре 1, 3, 5 и 7-й пространственными гармониками.

Известно, что данная электростанция обеспечивает аварийное питание автоматизированной инкубаторной станции, надежная работа средств автоматического управления которой возможна только при обеспечении высокого качества напряжения. В соответствии с ГОСТ 183-66, коэффициент формы напряжения Кф не должен превышать 5 %.

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 режиме синхронного двигателя для привода компрессорной установки, подающей сжатый воздух в цех переработки продукции. Следовательно, при изменении обмотки необходимо проанализировать характер намагничивающих сил и вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, для того, чтобы доказать возможность работы данной машины в режиме двигателя.

На основании изложенного можно сформулировать цель и задачи курсовой работы.

Цель: освоить навыки расчета и оптимизации геометрических и электрических параметров трехфазных обмоток.

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. Рассчитать амплитудные значения намагничивающих сил однофазной обмотки одной фазы одного полюса и трехфазной обмотки в расчете на один полюс.

Проанализировать вращающееся магнитное поле статора при помощи интегральной кривой намагничивания.

Выполнить предварительный расчет:

-параметров обмотки статора;

результирующей ЭДС витка с учетом высших гармонических составляющих;

намагничивающей силы трехфазной обмотки.

Произвести оценку гармонического состава индуктируемой ЭДС (по коэффициенту формы) и при необходимости провести оптимизацию гармонического состава (коэффициента формы) в соответствии с ГОСТ 183- 66.

Произвести расчет и конструирование окончательного варианта обмотки.

Провести анализ вращающегося магнитного поля обмотки с помощью интегральной кривой намагничивания.

.       
Предварительный расчет параметров обмотки

2.1    Полюсное деление τ

Полюсное деление - это число пазов статора, приходящихся на один полюс:

;

 (пазов)

2.2    Число пазов на полюс и фазу q

;

;

.3      Шаг обмотки

Шаг обмотки - это расстояние между первой и второй активными сторонами секции, выражаемое в пазах. Однослойные концентрические обмотки имеют несколько шагов, так называемых частных шагов. Число частных шагов равно числу пазов на полюс и фазу. Величина частных шагов рассчитывается по формуле:

,

Где j - номер секции, принимает значения от 1 до q (j = 1, 2, 3).

Для j =1:    пазов,

Для j =2:    пазов,

Для j =3:    пазов,

Для j =4:    пазов,

2.4    Угол сдвига ЭДС в соседних пазах статора α

;

˚

.5      Конструирование схемы обмотки

По рассчитанным параметрам в соответствии с правилами конструирования схем однослойных обмоток п. 2.1.5 методического пособия составляем схему - таблицу (рис.1) и по ней строим схему - развертку обмотки.

Схема - таблица однослойной двухплоскостной концентрической обмотки по данным Z = 36; 2p = 4:

Рис 1. Схема - таблица предварительного варианта обмотки статора

.       
Расчет результирующей ЭДС витка с расчетом высших гармонических колебаний

.1      Методика расчета ЭДС витка

Расчет выполняем по следующей формуле:

,

где  - действующее значение фазной ЭДС для V - гармоники.

Из бесконечного спектра гармонических составляющих в данной работе следует учитывать только V = 1, 3, 5 и 7.

Расчет  для любой гармоники проводится по следующей формуле:

Составляющие последней формулы вычисляют следующим образом:= 1 Виток.

 - обмоточный коэффициент по V - гармонической составляющей:

- коэффициент укорочения по V - гармонической составляющей:

Следует учитывать, что для однослойных обмоток  и .

 - коэффициент распределения по V гармонической составляющей;

Частоту любой гармоники рассчитывают по формуле:

,

где f - частота сети, f = 50 Гц

 - магнитный поток V - гармонической составляющей

При расчете  полюсное деление τ следует измерять в линейных единицах, м:

3.2    Расчет гармонических составляющих 1, 3, 5 и 7 и результирующей ЭДС витка

ЭДС первой гармонической составляющей. Учитывая, что по условию W = 1, а также что для однослойных обмоток = 1,0, и рассчитываем коэффициент распределения:

0,96

Обмоточный коэффициент , частота ЭДС f = 50 Гц

Магнитный поток

Полюсное деление, выражаемое в линейных единицах:

Действующее значение ЭДС:

 = 4.44 * 1 * 50 * 0.96 * 0.0057 =1,222 В.

ЭДС 3-й гармонической составляющей. Коэффициент распределения:

0,66

Обмоточный коэффициент:  = 1 * 0.66 = 0.66

Частота ЭДС: f3 = 3 * 50 = 150 Гц

 Вб.

Действующее значение ЭДС:

= 4.44 * 1 * 150 * 0,66 * 0.0007 = 0,32 В.

ЭДС 5-й гармонической составляющей:

Коэффициент распределения:

0,22

Обмоточный коэффициент:  = 1 * 0.22 = 0.22

Частота ЭДС:                        F5 = 5 * 50 = 250 Гц.

Магнитный поток:

 Вб

Действующее значение ЭДС

= 4.44 * 1 * 250 * 0.22 * 0.0003 = 0,0731 В.

ЭДС 7-й гармонической составляющей:

Обмоточный коэффициент:

 = 1 * (-0.18) = (-0,18)

Частота ЭДС:               F7 = 7 * 50 = 350 Гц.

Магнитный поток:

 Вб.

Действующее значение ЭДС:

 = 4.44 * 1 * 350 * -018 * = 0,023 В.

Действующее значение фазной ЭДС 1-го витка обмотки с учетом высших гармонических составляющих:

 В.

.       
Оценка качества и улучшение гармонического состава ЭДС вариантным методом

.1      Методика оценки качества ЭДС

Качество индуктируемой ЭДС оценивается по коэффициенту формы, которой показывает долю высших гармонических составляющих по отношению к первой гармонической.

Расчетная формула следующая:

В соответствии с ГОСТ 183 - 66, доля высших гармонических гармоник не должна превышать 5% т.е. < 5%

%

Так как =27,07% > 5%, то необходимо вносить изменения в исходные данные, считая, что они определенны неверно.

4.2    Улучшение гармонического состава ЭДС

Работу по улучшению гармонического состава ЭДС проводим с помощью ЭВМ. Первоначально выполним контрольный расчет основного варианта задания.

Результаты этого расчета являются первоначальными для всех предыдущих расчетов. Распечатка №1 свидетельствует о том, что все предыдущие расчеты выполнены правильно.

В соответствии с рекомендациями методического пособия п.2.3.2 изменяем тип обмотки с однослойной на двухслойную и задаемся коэффициентом укорочения по шагу βy = 0,9.

Делаем распечатку полученных результатов (распечатка №2). Полученное значение  = 23,46%.

Уменьшение коэффициента формы объясняется уничтожением высших гармонических составляющих, которое происходит за счет изменения фазовых сдвигов ЭДС высших гармоник в пазах. Математическое подтверждение этому явлению хорошо иллюстрирует изменение коэффициента укорочения  для различных гармоник. Сравнение распечаток показывает, каким образом изменяется величина