Проектирование судового генератора

Проектирование судового генератора

Содержание

Введение

Исходные данные для проектирования

1. Проектирование электрического генератора

1.1 Расчет номинальных параметров

1.2 Расчет значений параметров нахождения критического угла

1.3 Расчет критического угла

1.4 Построение угловой характеристики

Заключение

Литература

Введение

Современные системы энергоснабжения на судне содержат в качестве источников энергии электрические станции. В состав электростанций входят генераторные агрегаты, которые состоят из двигателя и электрического генератора, взаимодействующих между собой. И двигатели, и генераторы одинаково важны для выработки электроэнергии, так как первые производят механическую энергию, а вторые преобразуют ее в электрическую энергию. В курсовом проекте особое внимание уделяется именно электрическому генератору.

От того, насколько правильно спроектирован электрический генератор, зависит уровень вырабатываемой им электроэнергии. Чаще всего на судне морского и речного типа устанавливаются генераторы средней и высокой мощности, так как количество потребителей постоянно возрастает.

Внешние и внутренние возмущения одинаково вредны для генератора. В результате таких факторов, как давление, температура, трение сухих поверхностей друг о друга, потребители (нагрузка) и других, износ генератора и выход его из строя возрастает в разы, в сети возникают перегревы и истощение изоляционного слоя оборудования и самих агрегатов. Не избегают данной участи и сами потребители. В результате чего огромное влияние оказывают конструктивные особенности генератора, состав его изоляционных компонентов, наличие и качество обслуживания трущихся поверхностей, системы автоматического и автоматизированного управления режимами работы генератора и его параметров.

В курсовом проекте рассматриваются примеры расчета генератора серии БГ. Заданы исходные номинальные значения в соответствии с паспортными данными. Расчеты можно применять на производстве и при проектировании электрических генераторов различного назначения, включая и энергетические установки на судне.

судовой генератор критический угол

В соответствии с расчетами находится косинус критического угла поворота ротора генератора, который определяет допустимый угол отклонения значений основных параметров генератора - напряжения и частоты. В случае их отклонения за допустимые пределы возникает риск выхода из строя агрегата. Данный процесс происходит за счет включения к сети генератора внешних потребителей или, как уже было сказано выше, нагрузки. Если угол поворота ротора не попадает в допустимые пределы, предъявленные в [1], значит, расчетные значения параметров генератора не допустимы в условиях его эксплуатации и необходимо заново подобрать и рассчитать формулы с новыми значениями и повторно убедиться в правильности их выбора.

Полученный критический угол позволяет построить одну из основных характеристик генератора: угловую характеристику. По данной угловой характеристике можно определить электромагнитный момент двигателя такой, чтобы мощность вырабатываемой генератором электроэнергии возрастала, а его напряжение и частота находились в допустимом диапазоне значений.

Исходные данные для проектирования

В качестве базовых вариантов конструкции предлагается использовать серийно выпускаемые генераторы серии БГ.

Генераторы серии БГ предназначены для использования в качестве источников трехфазного электрического тока в составе судовых электрических станций с номинальной частотой 50 или 60 Гц и напряжением 230 или 400 В. Степень защиты - IP 23. Форма исполнения по способу монтажа IM 1001, IM 2403, IM 2503, IM 2501, IM 2401, IM 2101 (рис. 1).

Рис. 1. Судовой генератор серии БГ

Генераторы данной серии содержат бесщеточную систему возбуждения и автоматические системы регулирования, что весьма актуально с учетом жестко предъявляемых условий. Кроме того, в комплектацию могут входить встроенный, выносной блок управления и другие устройства.

Паспортные данные генератора БГ-200-4 ОМ4 представлены в таблице 1.

Таблица 1. Паспортные данные БГ-200-4 ОМ4

Исходя из данных можно выполнить необходимые расчеты для нахождения основных параметров проектируемого генератора.

1. Проектирование электрического генератора

Перед тем, как производить расчеты необходимо записать важную формулу нахождения критического угла, как одного из основных показателей нормальной работы генератора при воздействии возмущений, в том числе и подключенной нагрузке [3]:

 (1.1)

Здесь  (1.2)

где  - ЭДС генератора, U₁ - фазное напряжение генератора,  - синхронные и индуктивные сопротивления по продольным и поперечным осям.

Все необходимые значения будут найдены в процессе расчетов.

Данный критический угол показывает максимально возможное отклонение ротора генератора, при котором его работа не приведет к аварийной ситуации, то есть конструктивные особенности генератора удовлетворяют в условиях работы на электростанции.

Стоит иметь в виду, что при изменении угла Θ можно изменять нагрузку генератора. Угол Θ изменяют посредством изменения момента двигателя при работе в сети.

При нахождении угла Θ_кр необходимо построить угловую характеристику электрического генератора, чтобы определить допустимые значения момента, поступающего с двигателя на вал генератора.

1.1 Расчет номинальных параметров

Рассчитываем необходимые в дальнейшем номинальные параметры генератора. Исходные паспортные значения указаны в табл.1.

Полная мощность [1]

где

P - номинальная активная мощность; cosφ - коэффициент мощности;  - отношение ЭДС обмотки якоря при номинальной нагрузке E_Н к номинальному напряжению U_Н, чаще всего предварительно принимают .

S = 1,08  200/0,8 = 270 кВ·А.

Находим номинальный фазный ток

.

Число пар полюсов

1.2 Расчет значений параметров нахождения критического угла

Для начала определим ЭДС генератора E₀ по формуле [1]

 (1.2.1)

где  - обмоточный коэффициент;  - число витков одной фазы обмотки статора;  - максимальный магнитный поток полюса ротора;  - коэффициент формы поля.

Число параллельных ветвей обмотки статора

.

Выбираем a₁ = 1, кратное 2p = 4.

Число фаз m = 3.

Определяем значение внешнего диаметра статора D = 0,4 м.

Предварительное значение внешнего диаметра статора D_a, м

где

 = 1,5 выбрано в соответствии с таблицей 1.1 [1].

.

Значит, выбираем значение диаметра статора D = 0,6 м.

Выбираем значения зубцового деления t_1max = 59 мм, t_1min = 53 мм.

Тогда число пазов Z_1max, Z_1min

Тогда Z_1max = 35,55; Z_1min = 31,93.

Выбираем такое Z₁, которое было бы кратным числу фаз m и числу параллельных ветвей a₁. Т.е. Z₁ = 33.

Число пазов на полюс и фазу

При 2p < 8 выбираем целое число q₁ = 3 (2) - 5, q₁ = 3.

При τ =0,471 находим

A = 5 - 5,6  10⁴ А/м,  = 0,86 - 0,9 Тл.

Для дальнейшего расчетов примем

A = 5  10⁴ А/м,  = 0,9 Тл.

где

τ_п - полюсное деление.

Шаг обмотки

y₁ = (0,8 - 0,86) τ_п; y₁ = (0,8 - 0,86)  6 = 4,8 - 5,16.

Принимаем шаг обмотки y₁ = 5, тогда

Коэффициент укорочения шага обмотки статора

Коэффициент распределения обмотки статора

Обмоточный коэффициент

K_об1 = k_yk_p; K_об1 = 0,9877  0,9598 = 0,9482.

Находим число витков одной фазы обмотки статора

, (1.2.2)

где  - число эффективных проводников в пазу.

Число эффективных проводников в пазу

Так как  должно быть четным числом, то принимаем  = 8.

Подставляем значения в формулу (1.2.2)

Найдем значение магнитной индукции . В результате нескольких преобразований формул, приведенных на страницах [1], получаем формулу для ее расчета

Подставляем найденные выше значения в (1.2.1), получаем

Далее рассчитываем полное индуктивное сопротивление реакции якоря

 (1.2.3)

где  - расчетная длина машины, м;  - величина зазора;  - коэффициент воздушного зазора;  - коэффициент магнитного насыщения.

Остальные параметры и их значения уже известны.

Перед расчетом формулы найдем неизвестные значения.

Величина зазора определяется по формуле

, (1.2.4)

где  = 0,95;  - полное индуктивное сопротивление в относительных единицах.

 выбирается по рис. 5.1 [1], исходя из кратности максимального момента , который задается в пределах 1,65 - 2,5. Выбираем  = 2. Значит,  = 1,5.

Рассчитываем формулу (1.2.4)

Выбираем величину зазора 0,00605 = 6,05  10^-3 м.

Выбираем  = 1,15 - коэффициент формы поля, найденный ранее;  = 0,67 - расчетный коэффициент полюсного перекрытия

Расчетная длина машины

Суммарный коэффициент воздушного зазора равен произведению коэффициента воздушного зазора статора и воздушного зазора ротора

 (1.2.5)

где

,  - зубцовые шаги статора и ротора;  - среднее значение воздушного зазора;  - раскрытие паза; B_z1max = (1,6-2,0) Тл - максимальная индукция в зубце.

Среднее значение воздушного зазора

Принимаем раскрытие паза b_s = 0,003 м.

Определяем зубцовый шаг статора

Длина полюсной дуги

Определяем зубцовый шаг ротора

 (1.2.6)

где  - диаметр медного стержня;  = 3 10^-3; N_c = 6 - число стержней демпферной обмотки на полюс;  = (18-20) мм² - сечение эффективного проводника обмотки статора.

Тогда формула (1.2.6) рассчитывается следующим образом

Проверяем условие

t₂ = 0,0658 < t₁ = 0,0571;

t₂ = 0,0658 > 0,8t₁ = 0,8  0,0571 = 0,0457.

Принимаем b_п1 = 0,012 м - ширина паза, которую обычно устанавливают равной 10-20 мм.

Подставляем полученные значения в формулу (1.2.5)

Коэффициент насыщения в хорошо спроектированной машине принимает значения  = 1,1-1,2. При малом насыщении ( < 1,1) возрастает масса стали, а при большом ( > 1,2) существенно увеличивается ток возбуждения [4]. Выбираем значение  = 1,1.

Подставляем полученные значения в (1.2.3)

Находим продольный и поперечный коэффициенты формы поля

(1.2.7)

При найденном коэффициенте полюсного перекрытия  = 0,67 находим коэффициенты по формуле (1.2.7)

Находим индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси

Находим индуктивное сопротивление реакции якоря по поперечной оси

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки

, (1.2.8)

Рассчитываем коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеивания

.

Рассчитываем коэффициент магнитной проводимости лобового рассеивания

Принимаем b_k = 0,01 м, l_пак = (0,04-0,05) м.

Длина полюсного наконечника

Число вентиляционных каналов

.

Принимаем = 1.

Высота паза вычисляется по формуле с учетом рис.1 и табл.2 [1]

,

Где

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеивания

,

Где

Подставляем полученные значения в (1.2.8)

Синхронные и индуктивные сопротивления по продольным и поперечным осям

Все значения найдены. Теперь по формуле (1.1) можно найти критический угол поворота ротора генератора.

1.3 Расчет критического угла

Теперь, когда необходимые значения параметров найдены, можно найти критический угол поворота ротора генератора по формулам (1.1-1.2):

Теперь находим косинус критического угла

Определяем угол .

Для синхронных машин  = 60÷80 эл. град [1]. Значит наш генератор - синхронный. При таком решении синхронные генераторы в многом более эффективны, чем та же категория асинхронным.

К достоинствам синхронных генераторов можно отнести:

малые габариты;

малый шум;

высокий cosφ.

Как было сказано выше, угол  определяет величину мощности генератора или вырабатываемую электроэнергию. Если угол меньше , то приращение мощности положительное (генератор отдает большую мощность, чем получает от двигателя). В противном случае приращение мощности отрицательное (генератор отдает меньшую мощность, чем получает от первичного двигателя). Чем больше критический угол, тем больше падение напряжения и частоты. Значительно возрастает риск выпадения из синхронизма СГ.

Исходя из этого, рассчитанный критический угол удовлетворяет данному диапазону значений.

1.4 Построение угловой характеристики

По найденным значениям необходимо построить угловую характеристику нашего генератора, которая показывает зависимости электромагнитных моментов двигателя от угла поворота ротора электрического генератора. То есть, какому электромагнитному моменту соответствует угол поворота ротора или качество выработки электроэнергии генератором от двигателя. Электромагнитные моменты можно найти по формулам [5].

Максимальное значение основной составляющей электромагнитного момента

Максимальное значение реактивной составляющей электромагнитного момента

Углу  соответствуют моменты

Рис. 2. Угловые характеристики генератора

Данные расчеты позволили установить максимально допустимое отклонение угла ротора, при котором генератор сохраняет нормальный режим работы. При подключении нагрузки к генератору будет меняться угол поворота ротора генератора в зависимости от электромеханических моментов и, собственно, самой нагрузки.

Заключение

Данная курсовая работа позволила на примере выбранного типа генератора определить критический угол отклонения его ротора при воздействии возмущений. Если ротор выходит за величину данного угла, то согласно источникам мощность, вырабатываемая генератором, не идет на потребители, а наоборот поглощается им. Если угол меньше или равен критическому углу, то мощность потребляется нагрузкой, то есть генератор функционирует в нормальном режиме работы.

Построенные в соответствии с расчетами угловые характеристики позволили определить диапазон нормальной работы генератора выбранной серии. При этом сам угол можно изменять моментом двигателя, который непосредственно связан с генератором валом или ротором.

Литература

1. Пахомкин С.А. Проектирование синхронных генераторов: Учеб. пособие к курсовому проекту по электромеханике/ Юж. - Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. - 91с.

. http://www.bemz.ru/katalog-produktsii/generatoryi/20-sinxronnye-generatory-serii-bg-sudovogo-ispolneniya.html.

. Кислицын А.Л. Синхронные машины: Учебное пособие по курсу "Электромеханика”. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. - 108 с.

. http://leg. co.ua/knigi/oborudovanie/elektricheskie-mashiny-24.html.

. http://lektsii.com/1-88101.html.