Tài liệu Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế động cơ không đồng bộ roto dây quấn docx

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong sản xuất hiện nay của nền kinh tế quốc dân hiện nay thì ứng dụng động điện vào việc truyền động cơ cấu để tạo ra các nguyên công nhằm tạo ra các sản phẩm phục vụ cho đời sống con người là rất phổ biến. Động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn nói riêng và động cơ không đồng bộ nói chung có kết cấu đơ n giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ đây là loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhất trong các nghành kinh tế quốc dân với dải công suất rộng từ vài chục tới hàng nghìn kilooat. Trên cơ sở các môn học về thiết kế máy điện em xin được trình bày bản thiết kế gồm có ba phần : Phần 1: Thiết kế điện từ Phần 2: Thiết k ế kết cấu Phần 3: Thiết bị và công nghệ chế tạo rôto dây quấn của máy điện quay. Sau thời gian làm việc dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Trung Cư em đã hoàn thành bản thiết kế của mình. Tuy nhiên, do sự hiểu biết và kiến thức còn hạn chế nên bản thiết kế chắc chắn còn nhiều sai sót. Em rất mong được sự thông cảm và sự chỉ b ảo của các thày các cô để em có thể hoàn thiện hơn nữa. Em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến tất cả các thầy các cô trong bộ môn và các thầy cô trong trường đại học Bách khoa Hà nội đã nhiệt tình dạy em trong những năm qua. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 2 PHẦN I THIẾT KẾ ĐIỆN TỪ CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1. Phân loại -Theo kết cấu của vỏ, máy điện không đồng bộ có thể chia thành các kiểu chính sau: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ, v.v… +Kiểu hở không có trang bị bảo vệ sự tiếp xúc ngẫu nhiên các bộ phận quay và bộ phận mang điện, cũng không có trang bị bảo vệ các vật bên ngoài rơi vào máy. Theo cấ p bảo vệ thì đây là loại IP00. Loại này được chế tạo theo kiểu tự làm nguội. Loại này thường đặt trong nhà, có người trông coi và không cho người ngoài đến gần. +Kiểu bảo vệ có bảo vệ chống sự tiếp xúc ngẫu nhiên các bộ phận quay hay mang điện, bảo vệ các vật ở ngoài hoặc nước rơi vào theo các góc độ khác nhau. Loại này thường là tự thông gió. Theo cấp bảo vệ thì kiểu này thuộc các c ấp bảo vệ từ IP11 đến IP33. +Kiểu kín là loại máy mà không gian bên trong máy và môi trường bên ngoài được cách ly. Tùy theo mức độ kín mà cấp bảo vệ là từ IP44 trở lên Kiểu kín thường là tự thông gió bằng cách thổi gió ở mặt ngoài vỏ hay thông gió độc lập bằng cách đưa gió vào trong máy bằng đường ống. Thường dùng loại này ở môi trường nhiều bụi, ẩm ướt, v.v… -Theo kết cấu của rôto, máy điện không đồng bộ chia làm hai loại: lo ại rôto kiểu dây quấn và loại rôto kiểu lồng sóc. -Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia thành các loại: một pha, hai pha và ba pha. 1.2. Kết cấu Máy điện không đồng bộ bao gồm các bộ phận chính là phần tĩnh hay stato và phần quay hay rôto. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 3 1. Phần tĩnh hay stato Trên stato máy điện không đồng bộ có vỏ, lõi sắt và dây quấn. a. Vỏ máy Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thường vỏ máy làm bằng gang .Tuỳ theo cách làm nguội mà vỏ cũng được chế tạo ở những dạng khác nhau. Loại gang đúc được phân làm hai loại: loại có gân trong và loại không có gân trong. Loại không có gân trong thường dùng đối với máy điện cỡ nhỏ hoặc kiểu kín, lúc đó lưng lõi sắt áp sát vào mặt trong của vỏ và truyền nhiệt trực tiếp lên vỏ máy. Loại có gân trong có đặc điểm là lúc gia công, tốc độ cắt gọt chậm nhưng phôi liệu bỏ đi ít hơn loại có gân trong. Đối với máy có công suất tương đối lớn ( 1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ. b. Lõi sắt Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi s ắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi sắt được làm bằng những lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt stato nhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn 1000 mm thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. Mỗi lá thép kĩ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dòng đi ện xoáy gây nên. Nếu lõi sắt ngắn hơn 25 đến 30 cm thì có thể ghép lại thành một khối. Nếu lõi sắt dài hơn trị số trên thì thường ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp dài 4 đến 6 cm, đặt cách nhau 1 cm để thông gió cho tốt. c. Dây quấn Dây quấn stato gồm nhiều phần tử nối với nhau theo một quy luật nào đó Phần tử ở đay cũng chính là bối dây được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt.Bối dây quấn xó thể chỉ là một vòng dây (được gọi là dây quấn kiểu thanh dẫn , bối dây thường được chếtạo dạng 1/2 phần tử và tiết diện thường lớn) , cũng có thể có nhiều vòng dây (tiết diện nhỏ và gọi là Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 4 qây quấn kiểu vòng dây).Số vòng dây của mỗi bối, số bối của mỗi pha và cách nối lại phụ thuộc vào công suất, điện áp, tốc độ, điều kiện làm việc của máy và quá trình tính toán điện từ. Yêu cầu chính đối với dây quấn như sau: 1.Điện áp của ba pha bằng nhau trong dây quấn ba pha , điện áp ba pha lệch nhau 120 0 góc độ điện. 2.Điện trở và điện kháng của các mạch song song và của ba pha bằng nhau 3.Có thể đấu thành các mạch song song một cách dễ dàng khi cần thiết. 4.Dùng vật liệu dây dẫn điện ít nhất.Phần đầu nối càng ngắn càng tốt để thu ngắn chiều dài của máy và đỡ tốn vật liệu . 5.Dễ chế tạo và sửa chữa . 6.cách điện giữa các vòng dây, các pha và vớ i đất ít tốn kém và chắc chắn 7.Kết cấu chắc chắn, có thể chịu được ứng lực cơ khi máy bị ngắn mạch đột ngột hay khi khởi động. 2. Phần quay hay rôto Phần này gồm hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn. a. Lõi sắt. Người ta dùng các lá thép kĩ thuật điện giống như ở stato. Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía ngoài của lá thép có x ẻ rãnh để đặt dây quấn. b. Rôto và dây quấn rôto. Rôto có hai loại chính là: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc. - Loại rôto kiểu dây quấn: Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của rôto thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 5 thường làm bằng đồng được đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm của loại động cơ điện rôto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng m ở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch. - Loại rôto kiểu lồng sóc: Kết cấu của loại dây quấn rôto này rất khác với dây quấn stato. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối ngắn mạch ở hai đầu bằng hai vành ngắn m ạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rôto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép Trong máy điện cỡ nhỏ rãnh rôto thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục. c. Khe hở Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy đ iện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hoá lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn. 3. Các lượng định mức Máy điện không đồng bộ có các trị số định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy. Các chỉ số này do nhà máy thiết kế, chế tạo quy định và được ghi trên nhãn máy. Vì máy điện không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ điện nên trên nhãn máy ghi các trị số định mức của động cơ điện khi tải định mức. Các trị số đó thường bao gồm: công suất định mức ở đầu trục P đm (kW hay W), dòng điện dây định mức I dm (A), điện áp dây định mức U dm (V), cách đấu dây ( Y hay Δ ), tốc độ quay định mức n đm ( vg/ph ), hiệu suất định mức η đm và hệ số công suất định mức cosϕ đm ,… Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 6 4. Công dụng của máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu làm động cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các nghành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilôoat Trong công nghiệ p thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ, v.v…Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng để làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh, v.v…Tóm lại theo sự phát tri ển của nền sản xuất điện khí hoá, tự động hoá và sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi. Tuy vậy, máy điện không đồng bộ có những nhược điểm như sau: cosϕ của máy thường không cao và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của máy điện không đồng bộ có phần bị h ạn chế. Máy điện không đồng bộ có thể dùng làm máy phát điện nhưng đặc tính không tốt so với máy phát điện đồng bộ, nên chỉ trong một số trường hợp nào đó cần nguồn điện phụ hay tạm thời thì nó cũng có một ý nghĩa quan trọng. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 7 CHUƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐIỆN TỪ 2.1.Tính toán kích thước chủ yếu 2.1.1.Tìm hiểu chung Những kích thước chủ yếu trong máy điện không đồng bộ là đường kính trong stato và chiều dài lõi sắt l. Mục đích của việc tính toán lựa chọn kích thước chủ yếu này để chế tạo đựơc máy điện có tính kinh tế hợp lý nhất mà tính năng phù hớp với các tiêu chuẩn nhà nước.Tính kinh tế của máy không phải chỉ là vậ t liệu sử dụng chế tạo ra máy mà còn sét đến quá trình chế tạo trong nhà máy như khuôn dập, vật đúc, các kích thước được tiêu chuẩn hoá… Tra bảng P1.3 .Các thông số kĩ thuật của động cơ 4A (trang 236)sách “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển với động cơ không đồng bộ có công suất P=90kW, 2p=4, n đb =1500vg/ph ta tra được kiểu động cơ như sau: 4A250M4, cos ϕ =0,91 và 93,0= η ; n đm =1480 vg/ph; m max =2,2. 2.1.2.Lựa chọn tính toán các kích thước chủ yếu a.Các số liệu định mức 1.Công suất định mức: P đm =90 kW 2.Điện áp định mức: U đm =220/380 V đấu Υ Δ / 3.Tần số: f=50 Hz 4.Tốc độ đồng bộ: n đb =1500[vòng /phút] 5.Kiểu máy : kiểu bảo vệ IP23 6.Chế độ làm việc: liên tục 7.Cấp cách điện : cấp B 8.Số đôi cực : p=60f/n đb =60.50/1500=2 9.Dòng điện pha định mức: m®m®11 3 1 cos U.m 10.P = φη Ι , A (2.1) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 8 Trong đó : m 1 -là số pha dây quấn của stato; P - công suất định mức của động cơ(kW); I 1 - dòng điện pha định mức trong dây quấn stato(A); U 1 - điện áp pha định mức đặt vào dây quấn stato(V); m® η - hiệu suất định mức của động cơ; cos ϕ đm - là hệ số công suất định mức của động cơ. Thay số ta có: I 1 = 91,0.93.0.220.3 10.90 3 = 161,129 A b.Xác định kích thước chủ yếu 10.Công suất tính toán : P’ = dmdm dmE .cos P.k ϕη kVA (2.2) Trong đó : P’ - công suất tính toán(kVA); k E = U E =0,98 tra hình 10-2 (trang 231) sách “Thiết Kế Máy Điện” của Trần Khánh Hà và Nguyễn Hồng Thanh (“TKMĐ” ); P đm - công suất định mức của động cơ(kW); m® η - hiệu suất của động cơ; cos ϕ đm - hệ số công suất định mức của máy; Thay số ta được: P’= 91,0.93,0 90.98,0 = 104,22 kVA 11.Đường kính ngoài của stato: Từ công suất của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ta tra sách “TKMĐ” được chiều cao tâm trục của máy này là h= 250 mm .Ta tra bảng 10.3 sách(“TKMĐ”) được Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 9 D n = 43,7 cm 12.Đường kính trong của stato: D = D n .k D cm (2.3) =(0,64 ~ 0,68).43,7=(27,968~29,716) cm Trong đó: k D = 0,64 ~ 0,68 , tra bảng 10.2 sách “TKMD” ở đây ta chọn D =29,7 cm 13.Bước cực của stato: τ = p2 D.π , cm (2.4) Trong đó : τ - là bước cực(cm); D – là đường kính trong stato, D=29,7 cm (đã tính ở mục 12) ; p – là số đôi cực từ , p=2 . Thay số ta có: τ = 4 7,29.π =23,3145 cm 14.Chiều dài lõi sắt stato: δ l = db 2 ds 7 n.D k.k. 10'.P.1,6 δδ ΒΑα cm (2.5) Trong đó : P’ – công suất tính toán , P ’ =104,22 kVA (đã tính ở mục 9 ); δ α - hệ số xung cực từ , chọn δ α = 0,64; k S - hệ số dạng sóng , chọn k S = 1,11; k d1 – hệ số dây quấn stato, lấy k d1 = 0,92; với máy có chiều cao tâm trục h= 180 ÷ 250 mm thì thường chọn dây quấn hai lớp đặt vào rãnh nửa kín thì k d = 0,91 ÷ 0,92 ở đây ta chọn k d1 = 0,92 A - tải đường(A/cm); δ B - từ cảm qua khe hở không khí (T); [...]... Đồ án tốt nghiệp δ≈ Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn D 9 297 9 (1 + )= (1 + ) = 0,8 (mm ) 1200 2.p 1200 4 (2.33) Tra theo bảng 10.8(trang 253) sách “TKMĐ” ta chọn khe hở không khí δ = 1(mm) 2.3 Dây quấn , rãnh và gông rôto 2.3.1.Tìm hiểu về dây quấn và lõi sắt rôto Trong máy điện không đồng bộ thì sự khác nhau chủ yếu ở rôto.Tính năng máy tốt hay xấu cũng ở rôto.Đối với rôto dây quấn không. .. = γ λ 90 =1,2222.0,9865 =1,2 Theo hình 1 0- 3b , hai hệ số λ 110 , λ 90 đều nằm trong phần gạch chéo của hình 1 0-3 b sách “TKMĐ” (trang 235) nên việc chọn phương án trên là có tính kinh tế cao 10 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 2.2 .Thiết kế stato và khe hở không khí 2.2.1.Tìm hiểu về dây quấn và lõi sắt stato Việc chọn kiểu dây quấn và kiểu rãnh stato được căn cứ vào một.. .Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn Tra hình 1 0-3 (trang 234) sách “TKMĐ” có: A=430 A/cm ; Β δ = 0.74 T ; D - ường kính trong stato , D=29,7 cm (đã chọn ở mục 12) ; nđb - tốc độ đồng bộ( v/ph); nđb = 60f1 60.50 = = 1500 , v/ph p 2 (2.6) Thay số ta được : 6,1.104,22.10 7 lδ = ≈ 23,1 cm 0,64.1,11.0,92.430.0,74.29,7 2.1500 Trong máy điện không đồng bộ, khi chiều... 1,85.23.0,95 28.Sơ bộ chiều cao gông stato: Φ.10 4 h g1 = cm 2.Β g1 l1 k c ' (2.22) Trong đó : h ' g1 - là chiều cao gông sơ bộ của stato, cm; Φ - là từ thông khe hở không khí, Φ =0,02625 Wb(tính ở mục 25); 16 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn l 1- là chiều dài toàn bộ lõi sắt stato, l1=23 cm (mục 14); kc 1- là hệ số ép chặt lõi sắt, lấy kc1= 0,95; Β g1 - là mật độ từ thông... không đồng bộ cấp cách điện cấp F , với cấp cách điện B hoặc E thì tích số AJ được lấy thấp hơn vào khoảng 25 ÷ 30% A - tải đường, A=430 A/cm (đã biết ở mục 14) Thay số : J’ = 2295 =5,3372 A/mm2 430 Tiết diện dây (sơ bộ) : 13 Đồ án tốt nghiệp s1’ = Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn Ι1 a 1 n1 J 1 mm2 ' (2.13) Trong đó : I1 - dòng điện pha stato định mức(A) (đã tính ở mục 9) ; a 1- là số mạch nhánh... thiết để tạo ra ở khe hở không khí một từ thông có thể sinh ra sức điện động đã xác định ở dây quấn phần ứng Mạch từ máy điện có thể chia làm năm đoạn sau: khe hở không khí răng của rôto, gông rôto, răng stato, gông stato 27 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn Dựa vào trị số sức điện động cần thiết ở dây quấn stato tìm được từ thông Φ , theo kích thước của máy, tìm tiết diện... hở không khí : Φ.10 4 Βδ = T α δ τ.l1 (2.20) Trong đó : Φ -từ thông khe hở không khí, Φ =0,02625 Wb(mục 25); 15 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn α δ - hệ số xung cực từ, α δ =0,64(chọn ở mục 14); τ - bước cực, τ =23,3145 cm (tính ở mục 13); l1 – chiều dài toàn bộ lõi sắt stato, l1 =23 cm (theo mục 14) Thay số ta được : 0,02625.10 4 Βδ = =0,7649 T 0,64.23,3145.23 27.Sơ bộ. .. 9); a1 – là số mạch nhánh song song của một pha, a1=4; chọn số mạch nhánh song song là ước số chung của số cực từ Thay số ta được : 12 Đồ án tốt nghiệp ur1 = Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 430.1,943.4 =20.74 thanh 161,129 với dây quấn hai lớp ta chọn ur1=20 (là số nguyên chẵn) 20.Số vòng dây nối tiếp của một pha: u r1 vòng a1 w1=p.q1 (2.11) Trong đó : w 1- là số vòng dây nối tiếp của một... (2.27) 19 Đồ án tốt nghiệp S cd = [ Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn π.14 π.11,8 + 2.22,5 + (14 + 11,8)]0,4 + 0,5 = 46,375mm 2 2 2 +Diện tích có ích của rãnh stato: Sr=S’r-Scđ = 345,72 2- 46,375 =299,347 mm2 30.Hệ số lấp đầy: n1.ur d2 cd kđ = Sr (2.28) Trong đó : n1 - là số sợi chập, lấy n1 =4 sợi (đã chọn ở mục 21); ur - là số thanh dẫn tác dụng của một nhánh, ur =20(mục 19); dcđ - là đường... đến số rãnh stato Z1 Số rãnh này không nên nhiều quá, vì như vậy diện tích cách điện rãnh chiém chỗ so với số rãnh ít sẽ nhiều hơn , do đó hệ số lợi dụng rãnh sẽ kém đi Mặt 11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn khác , về phương diện độ bền cơ mà nói , răng sẽ yếu,ít răng quá sẽ làm cho dây quấn phân bố không đều trên bề mặt lõi sắt nên sức từ động phần ứng có nhiều sóng bậc . Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 1 . cosϕ đm ,… Đồ án tốt nghiệp Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 6 4. Công dụng của máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ là loại