Konstrukcje Maszyn Elektrycznych

Konstrukcje Maszyn Elektrycznych
dr inż. Krzysztof Bieńkowski
GpK p.16 tel. 7601
[email protected]
www.ime.pw.edu.pl/zme/
Konspekt wykładu:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Zakres wykładu, literatura.
Parametry konstrukcyjne i wymagania funkcjonalne maszyn elektrycznych.
Struktura procesu projektowania.
Obliczenia elektromagnetyczne maszyn prądu przemiennego
- wymiary główne,
- parametry uzwojenia stojana i wirnika, układy elektroizolacyjne,
- obliczenia obwodu magnetycznego.
Obliczenia weryfikacyjne
- parametry schematu zastępczego,
- straty i sprawność,
- moment obrotowy i przeciążalność,
- charakterystyki eksploatacyjne,
- wykres kołowy i rozwiązanie schematu zastępczego.
Wpływ nasycenie obwodu magnetycznego i wypierania prądu na parametry
eksploatacyjne.
Wały
- obliczenia naciągu magnetycznego,
- obliczenia ugięcia wału.
Łożyskowanie
- rodzaje i dobór łożysk,
- osadzenie łożysk w obudowie,
- smarowanie,
Obudowy maszyn
Przykładowe pytania egzaminacyjne:
Można korzystać ze ściągawki zawierającej wyłącznie wzory.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Struktura procesu projektowania maszyn elektrycznych.
Parametry i wymagania funkcjonalne maszyn elektrycznych.
Wymiary główne i szczegółowe maszyn elektrycznych.
Zasady doboru liczby i kształtu żłobków.
Układy elektroizolacyjne maszyn elektrycznych (w tym klasy izolacji).
Obwód magnetyczny maszyny indukcyjnej.
Zasady obliczania rezystancji uzwojeń i reaktancji rozproszenia.
Straty i sprawność maszyny indukcyjnej.
Rozwiązanie schematu zastępczego maszyny indukcyjnej.
Uwzględnienie nasycenia i wypierania prądu w projektowaniu maszyn elektrycznych.
Zasady doboru łożysk.
Zjawisko ugięcia wału maszyny.
Struktury topologiczne maszyn i zasady projektowania obudowy (w tym stopnie ochrony).
Narysować i porównać wykresy kołowe:
a) bez uwzględnienia nasycenia i wypierania,
b) z uwzględnieniem nasycenia,
c) z uwzględnieniem nasycenia i wypierania prądu,
Literatura:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dąbrowski Mirosław: Projektowanie maszyn elektrycznych prądu przemiennego.
Warszawa, Wydaw. Nauk. -Techn., 1988.
Dąbrowski Mirosław: Konstrukcja maszyn elektrycznych. Warszawa, Wydaw. Nauk. Techn., 1977.
Dąbrowski Mirosław: Pola i obwody magnetyczne maszyn elektrycznych. Warszawa,
Wydaw. Nauk. -Techn., 1971.
Dubicki Bolesław: Silniki indukcyjne. Warszawa, Państw. Wydaw. Nauk., 1964.
Głowacki Andrzej: Obliczenia elektromagnetyczne silników indukcyjnych trójfazowych.
Warszawa, Wydaw. Nauk. -Techn., 1993.
Głowacki Andrzej: Podstawy maszyn elektrycznych. Kielce, Politechn. Świętokrzyska,
1991.
Kozłowski Henryk: Silniki indukcyjne. Warszawa, Wydaw. Nauk. -Techn., 1964
Pustoła Jerzy: Budowa i działanie silników jednofazowych. Warszawa, Wydaw. Nauk. Techn., 1964.
Śliwiński Tadeusz, Głowacki Andrzej: Parametry rozruchowe silników indukcyjnych.
Warszawa, Państw. Wydaw. Nauk., 1982.
Turowski Janusz: Obliczenia elektromagnetyczne elementów maszyn i urządzeń
elektrycznych. Warszawa, Wydaw. Nauk. -Techn., 1982.
Turowski Janusz: Teoria maszyn elektrycznych – maszyny prądu przemiennego. Łódź,
Wydaw. Politechn. Łódzkiej, 1984.
Turowski Janusz: Elektrodynamika techniczna. Warszawa, Wydaw. Nauk. -Techn.,
1993.
Normy:
• PN-88/E-01104 Oznaczenia wielkości i jednostek miar używanych w elektryce. Maszyny
elektryczne wirujące.
• PN-IEC 34-1 Maszyny elektryczne wirujące. Dane znamionowe i parametry.
W nauce o elektromechanicznych przetwornikach energii, wśród których dominują maszyny
elektryczne można wyróżnić trzy podstawowe kierunki:
- projektowanie, modelowanie i symulacja,
- konstrukcja i technologia,
- eksploatacja, diagnostyka i monitorowanie,
Kierunki te są ściśle związane ze sobą i wzajemnie zależne. Celem pierwszego jest
opracowanie i rozwiązanie modeli matematycznych, na podstawie których zbudowana
zostanie maszyna, która jak najlepiej spełnia wymagania eksploatacyjne. Drugi kierunek
korzysta z wyników pierwszego ale także dostarcza mu danych (np.: materiałowych i
technologicznych) i weryfikuje poprawność modeli. Trzeci dostarcza niezbędnych założeń i
wymagań projektantom i konstruktorom maszyn.
Dlaczego silniki indukcyjne?
Porównanie kosztów silników
różnych rodzajów o mocy 10 kW
400
300
200
100
340
1- silnik indukcyjny
klatkowy
2- silnik indukcyjny
pierścieniowy
3- silnik prądu stałego
160
100
0
1
2
3
Wartość produkcji maszyn elektrycznych na
świecie (1995)
inne maszyny
silniki
indukcyjne
pierścieniowe
silniki
indukcyjne
klatkowe
Zużycie energii elektrycznej w Polsce (1997)
inne
odbiorniki
silniki
indukcyjne
oświetlenie
inne silniki
Parametry i wymagania funkcjonalne maszyn elektrycznych
¾ Rodzaj prądu, (liczba faz prądu przemiennego - m).
¾ Parametry znamionowe
• moc PN [kW],
• napięcie UN [V],
• częstotliwość fN [Hz],
• prędkość obrotowa nN [min-1],
• współczynnik mocy cosϕN,
• sprawność ηN,
• rodzaj pracy ( S1- ciągła, S2- dorywcza, S3-S10 - przerywana).
¾ Parametry eksploatacyjne
• prąd rozruchowy Iu [A],
• moment rozruchowy Tu [Nm],
• przeciążalność momentem u, (przeciążalność prądowa i),
• klasa izolacji [A, E, B, F, H, C].
¾ Parametry materiałowe
• materiałów magnetycznych:
- charakterystyki magnesowania B = f(H), µ = f (f),
- charakterystyki stratności p = f (B,f),
• materiałów przewodowych (miedź, mosiądz, aluminium):
- przewodność (γCu = 58 MS/m),
- twardość, wytrzymałość na rozciąganie i zginanie,
• materiałów elektroizolacyjnych:
- rezystywność, wytrzymałość elektryczna, mechaniczna, straty mocy,
- odporność na: temperaturę, wilgotność, działanie substancji chemicznych,
• materiałów konstrukcyjnych (stal, aluminium. tworzywa sztuczne).
¾ Parametry środowiska
• klimatyczne (temperatura, wilgotność, zapylenie),
• fizyko-chemiczne (obecność substancji agresywnych, promieniowania),
• mechaniczne (poziom drgań, moment bezwładności napędzanej maszyny).
¾ Wymagania technologiczne
• rodzaj obudowy i stopień ochrony IP,
• wykonania specjalne (morskie, głębinowe, przeciwwybuchowe),
• ograniczenia transportowe.
Typoszereg mocy znamionowych silników indukcyjnych powszechnego użytku
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
,55
2
,75
3
1,1
4
1,5
5
2,2
6
3
7
4
5,5
9
10
7
45
8
55
9
75
10kW
90
7
220
8
250
9
10
280 300 kW
3,7
8
7 kW
100
80
60
40
20
0
1
11
2
15
3
18,5
4
22
5
30
1
110
2
132
3
150
4
160
5
185
6
37
300
250
200
150
100
50
0
6
200
Zalecane napięcia zasilania:
Napięcie
230 V
400 V
1 kV
3 kV
6 kV
10 kV
Zakres mocy znamionowej
50W – 300 kW
100W – 500 kW
4 kW – 1,5 MW
30 kW- 10 MW
120 kW – 50 MW
300 kW – 100 MW
Struktura procesu projektowania maszyn elektrycznych
Dane wejściowe
Wybór zasady konstrukcji i stosowanych
materiałów
Obliczenia wymiarów głównych
Obliczenia wymiarów szczegółowych,
parametrów uzwojenia, dobór układu
elektroizolacyjnego
Obliczenia elektromagnetyczne, model
polowy, rysunek zestawieniowy
Obliczenia weryfikacyjne
Obliczenia:
- cieplno-wentylacyjne,
- mechaniczne,
- wibroakustyczne,
- niezawodnościowe
- procedury optymalizacyjne
Nie
Czy spełnione
wymagania?
Tak
rysunki wykonawcze, opracowanie
technologii, wykonanie prototypu, próby i
badania, ewentualna korekta konstrukcji