|
ВВЕДЕНИЕ
Электротехническая промышленность является одной из важнейших отраслей народного хозяйства. Широкая сфера применения электротехнических изделий, их огромное значение для процессов производства и потребления электрической энергии, а также в развитии механизации и автоматизации производственных процессов делают электротехническую промышленность ключевой отраслью, определяющей научно-технический прогресс.
Коммунистическая партия и Советское правительство уделяют огромное внимание электрификации промышленности, транспорта, сельского хозяйства, а следовательно, развитию электротехнической промышленности как технической базы электрификации. Электрификация играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства и осуществлении современного технического прогресса.
Электромашиностроение — это основная отрасль электротехнической промышленности, изготовляющая генераторы для производства электрической энергии и электродвигатели для привода станков, механизмов, транспортных средств, бытовых электроустройств и т. д.
За годы Советской власти отечественное электромашиностроение достигло огромных успехов. Если в дореволюционной России по существу не было электромашиностроительной промышленности, то теперь изделия таких крупных электромашиностроительных объединений и заводов, как «Электросила», «Динамо», Харьковский электромеханический завод (ХЭМЗ), завод им. Владимира Ильича и др., известны во многих странах мира.
Еще в годы первой пятилетки была проведена специализация электромашиностроения. Это позволило на крупных электромашиностроительных предприятиях сосредоточить квалифицированные кадры инженеров и техников, а также необходимое оборудование, что обеспечивало разработку и серийное производство определенных видов электрических машин. В соответствии с этой специализацией появились разновидности электромашиностроения, основными из которых являются:
производство гидро- и турбогенераторов и синхронных компенсаторов;
производство крупных электродвигателей для привода прокатных станов, горно-промышленного оборудования, мощных компрессорных установок и т. д.;
производство тяговых и крановых электродвигателей;
производство электродвигателей постоянного тока и асинхронных мощностью до 400 кВт для привода общепромышленного оборудования;
производство электрических машин малой мощности для бытовых электроприборов, электроинструментов, устройств автоматики и т. д.
Основными достижениями в области турбогенераторостроения являются разработка и освоение в производстве турбогенераторов мощностью 500, 800 и 1200 МВт. Создание таких турбогенераторов стало возможным благодаря существенному усовершенствованию систем охлаждения с применением комбинированного газоводяного охлаждения. Значительное развитие получила конструкция турбогенераторов. Усовершенствовано крепление обмотки статора как в пазовой, так и в лобовой части. Применена высоковольтная изоляция на термореактивных связующих. В современных типах турбогенераторов применена тиристорная система возбуждения.
В области гидрогенераторостроения весьма важным достижением является создание мощных генераторов с высокими технико-экономическими показателями. На крупнейших ГЭС страны успешно эксплуатируется целый ряд гидрогенераторов мощностью от 260 до 590 MB-А. Изготовлен рекордный по своим техническим данным гидрогенератор для Саяно-Шушенской ГЭС мощностью 640 MB-А.
В энергосистемах СССР успешно эксплуатируется серия крупных синхронных компенсаторов мощностью 50, 100 и 160 MB-А с применением водородного охлаждения.
Создание подобных электрических машин большой единичной мощности стало возможным в результате проведенных в СССР комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также благодаря большому опыту, накопленному при проектировании, изготовлении и эксплуатации высокоисполь-зованных электрических машин.
Значительные успехи достигнуты в производстве крупных электродвигателей. Так, разработана и освоена в производстве новая серия синхронных двигателей СТД с частотой вращения 3000 об/мин, мощностью 12 500 кВт на напряжение 6 и 10 кВ. Техническое перевооружение и развитие отраслей, использующих крупные электродвигатели, потребовало расширения номенклатуры этих двигателей. Например, были разработаны асинхронные двигатели мощностью 5500 кВт для нужд атомной энергетики, а для погружных насосных агрегатов были созданы асинхронные двигатели мощностью 1000 кВт.
Ведутся работы по созданию новых серий крупных электродвигателей с высокими технико-экономическими показателями,
внедрение которых в производство даст большой экономический эффект как в сфере производства, так и в сфере эксплуатации.
За последнее десятилетие разработаны и освоены в производстве единые серии электрических машин: серия трехфазных асинхронных двигателей 4А и серия машин постоянного тока 2П. По своим технико-экономическим показателям электрические машины этих серий не уступают продукции лучших зарубежных фирм. Единые серии содержат все необходимые народному хозяйству модификации основного исполнения, специализированные исполнения по конструкции, по условиям окружающей среды и т. д. Единые серии электрических машин 4А и 2П полностью соответствуют рекомендациям МЭК* по шкале мощностей, высотам оси вращения и установочным размерам.
* МЭК — Международная электротехническая комиссия — международная организация по стандартизации в области электротехники и электроники.
Производство электрических машин единых серий распределено между электромашиностроительными заводами отрезками серий по нескольку типоразмеров. Это дает возможность организовать массовое производство электродвигателей наиболее употребительных типоразмеров (мощностью до 100 кВт) и серийное производство электродвигателей других типоразмеров.
В настоящее время ведутся работы по созданию единых серий электродвигателей общего назначения с еще более высокими технико-экономическими показателями, в том числе с более высокой надежностью и пониженным уровнем шума, с меньшим расходом материалов. Серии будут едиными для всех стран СЭВ.
Столь значительные успехи достигнуты отечественным электромашиностроением благодаря труду наших ученых и многочисленных коллективов разработчиков и технологбв-электромашино-строителей. Проектирование электрической машины — это сложная комплексная задача, включающая расчет и выбор размеров статора, ротора и других элементов электрической машины и конструирование деталей и сборочных единиц с последующей компоновкой электрической машины в целом. Для успешного решения этой задачи необходимы знания теории электрических машин, свойств электротехнических и конструкционных материалов, технологий и оборудования для производства электрических машин.
Проектирование электрической машины — это решение задачи со многими неизвестными. Поэтому в результате проектирования при одних и тех же исходных данных можно получить несколько вариантов машины.
Выбор оптимального (наилучшйм образом соответствующего предъявляемым требованиям) варианта получается в результате сравнения всех полученных вариантов. Решение этой задачи требует большой затраты труда. Применение при расчете машины (серии машин) цифровых ЭВМ облегчает и сокращает во времени решение этой задачи. Другой путь получения оптимального или близкого к нему варианта — повышение точности расчетов применением значений электромагнитных нагрузок и расчетных коэффициентов, полученнных на основе проектирования, изготовления и эксплуатации электрических машин, близких по основным параметрам и условиям эксплуатации к проектируемой машине.
В настоящее время перед отечественным электромашиностроением стоит задача создания новых образцов электрических машин с высокими технико-экономическими показателями, совершенных в эксплуатации, удовлетворяющих различным требованиям.
XXVI съезд КПСС определил очередные задачи по дальнейшему развитию народного хозяйства нашей страны. В качестве главной задачи XI пятилетки выдвинуто обеспечение дальнейшего роста благосостояния советского народа на основе ускорения научно-технического прогресса и интенсивного развития экономики. Значительная роль в решении этой задачи отводится электрификации промышленности, транспорта и сельского хозяйства. Выработку электроэнергии в XI пятилетке решено довести до 1550—1600 млрд. кВт-ч. При этом основная часть прироста выработки электроэнергии должна произойти за счет электроэнергии, производимой на атомных и гидроэлектростанциях. Предстоит создать турбо- и гидрогенераторы большой единичной мощности с высокими технико-экономическими показателями. Кроме того, будут разработаны новые серии электродвигателей, удовлетворяющие разнообразным требованиям машиностроения, станкостроения, металлургии, транспорта и т. д. Будут созданы силовые трансформаторы большой единичной мощности для дальних линий электропередачи, рассчитанных на напряжения 1150 кВ пе-ременногЬ тока и 1500 кВ постоянного тока.
Выполнение задач, поставленных XXVI съездом КПСС, потребует от рабочих и инженерно-технических работников электротехнической и других отраслей промышленности больших знаний и умения применять их на практике.
Часть первая
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Глава первая
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
1.1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МАШИНАМ
Электрические машины, как и любые другие проектируемые изделия, должны удовлетворять целому комплексу требований, так как только в этом случае они будут успешно выполнять функции, для которых они предназначены. Поэтому прежде чем приступить к проектированию электрической машины, необходимо конкретизировать требования, которым она должна удовлетворять.
Современный уровень развития электромашиностроения характеризуется большим разнообразием электрических машин, различающихся конструкцией, рабочими характеристиками, способностью выдерживать воздействие внешних факторов (температуры, влажности) и т. п. Поэтому требования, предъявляемые к этим машинам, также весьма разнообразны. Весь комплекс этих требований разделяют на два вида — технические и экономические.
Технические требования можно обобщить и сформулировать следующим образом: электрическая машина должна надежно работать в условиях, для которых она предназначена, в течение срока не менее указанного в технических условиях (ТУ), развивая при этом требуемую мощность при установленных напряжении, частоте вращения, КПД и других параметрах, указанных в паспорте машины; при этом машина должна быть удобной и безопасной в эксплуатации.
Однако приведенная формулировка технических требований не содержит конкретных сведений о допускаемых отклонениях параметров машины от номинальных, о допускаемых значениях температуры окружающей среды и влажности, а также целый ряд других конкретных сведений, без знания которых проектирование электрической машины невозможно.
Необходимые технические требования к проектируемой электрической машине изложены в соответствующих ГОСТ. Например, ГОСТ 183-74 «Машины электрические вращающиеся» определяет общие технические требования ко всем вращающимся электрическим машинам (кроме машин для бортовых систем подвижных средств транспорта). Эти общие технические требования дополняются техническими требованиями других ГОСТ, определяемыми в-зависимости от назначения проектируемой машины (электродвигатель, генератор или преобразователь), ее мощности, напряжения и т. п. Кроме того, отдельные отрасли народного хозяйства предъявляют к электрическим машинам некоторые дополнительные технические требования. Эти требования обычно регламентируются отраслевыми нормалями или стандартами, ТУ. Возможны также и совершенно индивидуальные требования, вытекающие из конкретных условий эксплуатации проектируемой машины.
Экономические требования к проектируемой машине в конечном итоге сводятся к тому, чтобы процесс преобразования энергии с применением новой (проектируемой) электрической машины давал большую экономию общественного труда, чем это было при применении старой машины. При этом имеется в виду экономия и в сфере эксплуатации электрической машины, и в сфере ее производства. Поэтому экономические требования к проектируемой машине определяются, с одной стороны, эксплуатационными свойствами электрической машины, а с другой,— технологичностью ее конструкции и стоимостью примененных в ней материалов.
Эксплуатационные свойства электрической машины определяются удобством ее монтажа и простотой управления, энергетическими показателями (КПД, cospi), возможностью ремонта и другими свойствами, характеризующими экономичность машины в процессе ее эксплуатации.
Значительные резервы для удовлетворения экономических требований к проектируемой машине заложены в создании технологичной конструкции машины. Конструкция машины считается технологичной, если она, полностью удовлетворяя техническим требованиям и обеспечивая необходимые эксплуатационные свойства, позволяет Применить при ее изготовлении высокопроизводительные технологические процессы при минимальных затратах рабочей силы и рациональном использовании оборудования и материалов.
При этом следует учитывать некоторые факторы, влияющие на технологичность конструкции электрической машины, например масштаб производства, определяющий целесообразность применения тех или иных методов обработки (например, конструкция машины, технологичная в условиях единичного прозводства, может оказаться нетехнологичной при серийном изготовлении).
К основным способам повышения технологичности конструкции машины относят: сокращение числа деталей машины без усложнения их конструкции; максимальную унификацию деталей и сборочных единиц проектируемых машин; соответствие выбранной точности изготовления и качества обработки поверхности техническим требованиям, предъявляемым к машине; сокращение количества отверстий, резьб, фасок и других конструктивных элементов; широкое внедрение деталей, изготавливаемых из заменителей дорогих и дефицитных материалов, например из пластмасс.
Непрерывная связь конструкции машины и технологии ее изготовления обязывает конструкторов электрических машин уделять серьезное внимание тщательной проработке технологичности каждой сборочной единицы, каждой детали. При этом конструктор должен учитывать существующий уровень производства и реальную возможность его усовершенствования, для того чтобы весь комплекс необходимых технологических усовершенствований можно было осуществить в течение срока освоения новой электрической машины.
Формулируя технические и экономические требования для проектируемой электрической машины, необходимо помнить, что новая машина по своим технико-экономическим показателям (КПД, габариты, удельная материалоемкость, стоимость и т. д.) должна быть лучше выпускаемых в настоящее время электрических машин. При этом в качестве объекта для сравнения следует выбирать лучшие из имеющихся в отечественной и зарубежной практике аналогов.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Вал электрической машины 151 Вариант оптимальный 19 Вентилятор центробежный 39 Вентиляция электрических машин 33, 34
Вероятность безотказной работы 22 Воздействия механические 17 Высота оси вращения 12
Глубина проникновения тока 85
Диаграмма круговая 107—113 Длина расчетная статора 41, 57, 185 якоря 251
Задание техническое 20 Зазор воздушный 59, 191, 253 Зона фазная обмотки статора 74
Изменение напряжения синхронного генератора 212 Интенсивность отказов 23 Исполнения электрических машин 13—17 Исправность 21
Каналы вентиляционные 60, 61, 186 Катушка полюсная многослойная 207
однослойная 207
Классы нагревостойкости изоляции 27 Коллектор, конструирование 326
— расчет 292 Кольца бандажные 231
— контактные 241 Конструирование асинхронных двигателей 139—173
— машин постоянного тока 320— 332
синхронных 228—243
Критерий оптимальности 19 Коэффициент воздушного зазора 83, 197, 272
— вытеснения тока 85
— заполнения паза 79, 262 сердечника сталью 59
— обмоточный 42, 75
— полезного действия 105, 211,294
Коэффициент проводимости рассеяния дифференциального 82, 87 ---------лобовых частей 83
обмотки ротора коротко-
замкнутого 87
фазного 96
------- пазового 81
—— скоса пазов 87
— распределения 76
— расчетный полюсного перекрытия 49
— укорочения 75
— формы поля 42, 57, 184
Линейная нагрузка 42, 58, 184, 251
Материалы магнитные 25 — проводниковые 30
— электроизоляционные 30
МДС обмотки возбуждения синхронной машины 203
— реакции якоря по осн поперечной 201
---------- продольной 200
Метод аналитический расчета рабочих характеристик 113 Момент пусковой начальный 118 Мощность расчетная 42, 54, 184, 248
Нагревостойкость электроизоляции 27, 28
Нагрузки электромагнитные 43, 54, 182, 250 Надежность 21
Обмотка ротора короткозамкнутая 84—90
фазная 90—96
— статора 69, 168, 186, 202
двухслойная 70
однослойная 70
одно!-двухслойная 72
— якоря 257—270
Отношение короткого замыкания 212
Пазов ротора и статора соотношение 61
Пазов ротора скос 62 форма 66, 84
— статора форма 63
число на полюс и фазу 73, 74,187
Параметры пусковые ИЗ Плотность тока в обмотке возбуждения 208
----------- ротора 84
-----------статора 78, 80, 108
----------- якоря 264
-------полюсных катушках 280
Подшипники качения 164
— скольжения 232 Полюса ротора, крепление 235 Потери добавочные 105, 211, 296
— основные асинхронного двигателя 102
машин постоянного тока 294
-------синхронные 211
Поверхность охлаждения условная 141 Предложение техническое 20 Проводники элементарные 78
— эффективные 77 Проект рабочий 21
— технический 20
— эскизный 20
Работоспособность 21 Размеры главные 41, 54, 182, 248
— короткозамыкающего кольца 84 Размещение катушек в межполюсном 285 Распорки мешюлюсные 240 Расчет бандажа якоря 324
— вала на жесткость 152 на прочность 155
— коммутации 292
— крепления полюсов главных 321 --------- на роторе 235—240
— магнитной цепи 97, 196, 270
— МДС обмотки возбуждения машин постоянного тока 274—281
--------------синхронных 206
— обмотки добавочных полюсов 283—285
компенсационной 286—290
стабилизирующей 281—282
— пусковой клетки 194
— размеров полюсов ротора 192
— стяжных шпилек 230
— тепловой упрощенный 118, 213, 298
— центробежного вентилятора 39—
— электромагнитный асинхронных двигателей 51
машин постоянного тока 244
---------синхронных 182
Ресурс технический 22
Сердечник полюса главного 254,321 добавочного 255
— ротора 150
— статора 147, 186, 229 сегментированный 186
— якоря 322 Серия установочная 21
— электрических машин 18 Смазки консистентные 163 Соединения межполюсные 239 Сопротивление активное ротора короткозамкнутого 86
фазного 96
фазы обмотки статора 81, 202
— индуктивное рассеяние 81,87,203
— электрическое удельное 31 Способность перегрузочная 118 Способы монтажа электрических машин 15
— охлаждения электрических машин 14, 33
Срок службы 22
Станина асинхронного двигателя 140
— машин постоянного тока 320 синхронных 228
Статическая перегружаемость 213 Схема замещения 106
Температура допустимая 37
— расчетная рабочая 30
Ток номинальный статора 77, 188 якоря 258
— полный пазового слоя 42
— пусковой начальный 118
Увязка номинальной мощности с частотой вращения 53, 246 Удельная материалоемкость 47 Узел контактных колец 171, 240
— подшипниковый 161 Уравнительные соединения 260, 325
Характеристика холостого хода синхронного генератора 200 Характеристики рабочие двигателя асинхронного 110 ---------- постоянного тока 297
Частота вращения критическая 156 Часть активная асинхронного двигателя 60
машины постоянного тока 252
------- синхронной 185
Щетки электрических машин 31 Щеткодержатели 330 Щиты подшипниковые 159
|
