ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: Thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế động không đồng ba pha roto lồng sóc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế động không đồng ba pha roto lồng sóc LỜI NĨI ĐẦU Đất nước ta thời kỳ cơng nghiệp hố đại hố nhằm đưa đất nước tiến kịp với kinh tế nước khu vực giới Tốc độ phát triển kinh tế quốc gia phụ thuộc vào tốc độ phát triển ngành lượng Thường tốc độ phát triển ngành công nghiệp phải cao tốc độ phát triển chung kinh tế Do ngành chế tạo máy điện địi hỏi phải trước bước công nghiệp chất lượng nhằm đảm bảo tốc độ phát triển chung toàn ngành yêu cầu kinh tế Ngành chế tạo máy điện sản xuất thiết bị điện phục vụ cho kinh tế như: Máy biến áp, động điện dùng làm nguồn động lực cho loại thiết bị, công suất từ vài (w) đến hàng trăm (Kw) Với tiêu kinh tế, kỹ thuật bảng số liệu qua tính tốn đạt yếu cầu đề Trong trình thiết kế em dẫn tận tình thầy Bùi Đức Hùng, em xin chân thành cảm ơn thầy Trong thời gian ngắn với kiến thức kinh nghiệm có hạn, đồ án khơng tránh khỏi sai sóy, em mong thơng cảm ý kiến thầy cô bạn Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2005 Sinh viên ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHẦN I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ I MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG Động điện không đồng máy điện xoay chiều hai dây quấn có cuộn dây phía sơ cấp nhận điện từ lưới điện với tần số khơng đổi (w1) cịn cuộn dây thứ hai (thứ cấp) nối tắt lại hay khép kín điện trở Dịng điện dây quấn thứ cấp sinh nhờ cảm ứng điện từ Tần số w2 hàm tốc độ góc Ω rôtô mà tốc độ phụ thuộc vào mômen quay trục Người ta thường dùng loại dây phổ biến động không đồng có dây quấn Stato dây quâns pha đối xứng có cực tính xen kẽ, lấy điện từ lưới điện xoay chiều dây quấn roto pha nhiều pha đối xứng có cực tính xen kẽ máy ta gọi tắt máy “không đồng bộ” máy không đồng kiểu khác gọi máy không đồng đặc biệt Các náy không đồng dùng chủ yếu làm động Động điện không đồng bọ động điện xoay chiều thông dụng II PHÂN LOẠI: Căn vào tố độ roto tốc độ từ trường quay người ta chia động điện xoay chiều pha làm loại: - Động điện đồng - Động điện không đồng Theo phạm vi thiết kế, ta xét đến động điện không đồng pha Động điện không đồng pha nuôi nguồn điện không gian góc 1200 điện Khi đưa nguồn pha vào dây quấn Stato, tạo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP từ trường quay với tốc độ đồng M = 60 f/p với f: tần số lưới điện đưa vào P số đố cật máy Từ trường quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt lõi sắt Rato cảm ứng dây quấn sức điện động dịng điện Từ thơng dịng điện sinh hợp với từ thông Stato tạo thành từ thông tổng khe hở Dòng điện dây quấn roto tác dụng với từ thơng khe hở Dịng điện dây quấn roto tác dụng với từ thông khe hở sinh mơmen Tác dụng có quan hệ mật thiết với tốc độ quay (r) rôto Trong phạm vi tốc độ khác chế độ làm việc máy cũngkhác Để phạm vi tốc độ người ta thường dùng hệ số trượt S: S% = n1 − n 100 n1 Như khi: n ≤ n1 Ù S ≤ 0, S ≤ 1: động không đồng n≥0 ÙS≤0 máy phát không đồng n≤0ÙS≥1 Hãm Từ có trường hợp tương ứng với chế độ làm việc theo phạm vi hệ số trượt tốc độ sau; Trường hợp roto quay thuận với từ trường quay tốc độ nhỏ tốc độ đồng (0 < n < nđb) (1 > S > 0) Trường hợp tương ứng với chế độ động điện Trường hợp Roto quay thuận nhanh tốc độ đồng (n > < 0) Đây chế độ máy phát điện không đồng Trường hợp Roto quay ngược với chiều từ trường quay (n < 0, S > 1), chế độ hàm điệntừ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Vì nhà điện làm việc tốc độ khác tốc độ đồng từ trường quay nên ta gọi động điện không đồng Căn vào kiểu Roto động không đồng pha làm loại - Động không đồng pha Roto ngắn mạch (lồng sóc) - Động khơng đồng pha có dây quấn Động có dây quấn Roto (ngắn mạch) lồng sóc phổ biến giá thành rẻ, vận hành đơn giản, đảm bảo Các động có đặc tính ứng (khi tải thay đổi từ thơng đến định mức tốc độ quay chúng giảm tất khoảng (2 ÷ 5%)… Các động Roto lồng sóc có mơmen mở máy lớn, nhiên bên cạnh ưu điểm có nhược điểm sau: Khó điều chỉnh tốc độ phẳng phạm vi rộng, cần dòng điện mở máy từ lưới lớn (vượt tới ÷7 lần Iđm ) hệ số công suất loại thấp Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo động khơng đồng Roto lồng sóc nhiều tốc độ dùng Roto rãnh sâu lồng sóc kép đẻe hạ dịng điện khởi động, đồng thời mơmen khởi động tăng lên Với động Roto dây quấn (hay động vành trượt) loại trừ nhược điểm làm cho kết cấu Roto phức tạp, nên khó chế tạo đắt tiền động khơng đồng Roto lồng sóc (khoảng 1,5 làn) Do động khơng đơng Roto dây quấn sử dụng điều kiện mở máy nặng nề, cần phải điều chỉnh phẳng tốc độ quay Loại động dùng nối cấp với máy khoá Nối cấp máy không đồng cho phép điều chỉnh tốc độ quay mọt cách phẳng phạm vi rộng với hệ số công suất cao Xong giá thành cao nên không thông dụng Trong động không đồng Roto dây quấn pha dây quấn Roto nối hình đầu chúng nối với vành trượt Nhờ chổi điện tiếp xúc với vành trượt nên đưa điện trở phụ vào mạch Roto để thay đổi đặc tính làm việc máy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các động không đồng nhà máy chế tạo phải làm việc điều kiện định với số liệu xác định gọi số liệu định mức (Sổ tay kỹ thuật điện) Những số liệu định mức động không đồng ghi nhãn nhà máy chế tạo gắn thân máy là: Cơng suất động sinh Pđm = P2đm Tần số lưới: f1 Điện áp dây quấn Stato: U1đm Dòng điện dây quấn Stato: I1đm Tốc độ quay Roto: nđm Hệ số công suất: cosϕđm Hiệu suất: ηđm Nếu dây quấn pha Stato có đưa đầu cuối pha để đấu thành hình cho hay tam giá điện áp dây dịng điện dây với cách đấu (Y/A) ghi dạng phân số (UdY/UdΔ) (Idy/ IdΔ) Các số liệu định mức động không đồng biến đổi phạm vi rộng Công suất định mức từ phần w đến hành chục nghìn Kw Tốc độ quay đồng định mức n1đm = 60f1/p với tần số lưới Hz Mđm từ (300 ÷ 500 vịng/phút) trường hợp đặc biệt lớn (tốc độ quay định mức Roto thường nhỏ tốt tốc độ quay đồng 2% ÷ 5% động nhỏ tới 5% ÷ 20% Điện áp định mức từ 24V đến 10V) (trị số lớn ứng với công suất lớn) Hiệu suất định mức động không đồng tăng theo công suất tốc độ quay chúng công suất lớn 0,5Kw hiệu suất nằm khoảng 0,65 ÷ 0,95 Hệ số công suất động không đồng tỷ số cơng suất tồn phần cơng suất toàn phần nhận từ lưới: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP cos ϕ = P1 P12 + Q 12 Hệ số công suất đồng thời tăng lên với chiều tăng công suất tốc độ quay động Khi công suất lớn 1Kw, hệ số công suất vào khoảng 0,7 ÷ 0,9 cịn động nhỏ khoảng (0,3 ÷ 0,7) III NHIỆM VỤ VÀ TRÌNH TỰ THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN Nhiệm vụ thiết kế máy điện xác định từ hai yếu cầu sau - Yêu cầu từ phía Nhà nước bao gồm tiêu chuẩn Nhà nước yêu cầu Nhà nước quy định - Yêu cầu phải từ phía nhà máy người tiêu dùng thông qua hợp đồng ký kết Nhiệm vụ người ký kết đảm bảo tính kỹ thuật sản phẩm đạt tiêu chuẩn nhà nước quy định tìm khả hạ giá thành để đạt hiệu kinh tế cao Các bước thiết kế gồm có: Thiết kế điện từ Nhiệm vụ người thiết kế giai đoạn theo trình tự thiết kế điện từ, xác định phương án hợp lý, tính tay nhờ vào máy tính, phương án phải thoả mãn yêu cầu tính kỹ thuật theo tiêu chuẩn nhà nước đồng thời giá thành phải thấp Trong phương án phải xác định tồn kích thước: lõi sắt, Stato, Roto, kết cấu cách điện Ngoài cịn phảI tính tốn nhiệt để đảm bảo làm việc ổn định chế độ định mức, độ tăng nhiệt không vượt tiêu chuẩn quy định ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế kết cấu: Trong giai đoạn phải xác định kết cấu cụ thể phương thức thơng gió làm nguội, kết cấu cố định dây quấn rãnh phần đầu nối, kết cấu cụ thể cách bơi trơn đó, kết cấu thân máy lắp máy… Theo yêu cầu nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp, trình tự thiết kế tiến hành sau: Tính tốn kích thước Tính tốn điện từ Tính tốn nhiệt Tính hiệu kinh tế Hồn thành vẽ lắp ráp, sơ đồ dây quấn đặc tính động ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHẦN II THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN CHƯƠNG I: TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU Các kích thước chủ yếu phụ thuộc qua thông số công thức sau: CA : D lδ.n 6,1.10 = P α δ K δ K d A.B δ CA: Hằng số máy điện + n: Tốc độ đồng với 2p = ta có: n= 60f1 60.50 = = 1500 v / p p + α5: hệ số cụm cực từ, lấy α = + Ks: Hệ số sóng lấy K s = π 2 = 0,64 π = 1,1 + Kd: hệ số dấy quấn Với P = 2,2 (Kw) 2p = U ta chọn Kd = 0,95 ÷ 0,96 Chọn Kd = 0,955 + D: đường kính Stato, có quan hệ mật thiết với đường kính ngồi Dn hệ số KD: K0 = D = f (2 p ) Dn Tra bảng 10.1 – 230: Sách thiết kế máy điện “TKMĐ” ta có: Khơng = 0,64 ÷ 0,68, Chọn KD = 0,65 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Dn: Có quan hệ mật thiết với kết cấu máy, cấp cách điện chiều cao tâm trục h chuẩn hoá Chiều cao tâm trục h chọn theo dãy công suất P theo bảng 1r.1 – 601 động khơng đồng Roto lồng sóc kiểu IP 44 theo TCVN – 1987 – 94, chọn cấp cách điện B Khi với p = 2,2 (Kw) 2p = Ta có: h = 112 (mm) Qua bảng 10.3 – 230 chọn Dn = theo h: ta có Dn = 191 (mm) + P’ cơng suất tính tốn: P' = K P η cos + Suy D = 191 = 124 (mm) Trong K = 0,965 theo hình 10.2 – 231 TKMĐ Vậy P' = 0,965.2,2 = 3,236(Kw ) 0,82.0,8 + A: tải đường đặc trưng cho mạch điện + Bδ: mật độ từ thông δ khe hở khơng khí đặc trưng cho mạch từ Trong máy điện khơng đồng tỉ số A ảnh hưởng lớn đến kích Bδ thước máy điện, đặc tính khởi động đặc tính làm việc máy điện Nếu A, Bδ chọn phụ thuộc nhiều vào vạt liệu Nếu dùng vật liệu sắt từ tốt (tổn hao thấp hay độ từ thẩm cao), chọn Bδ lớn Nếu dùng dây đồng có cấp cách điện cao chọn A lớn Vởy A, Bδ phụ thuộc Dn P: Với Dn = 191 (mm) 2p = ta chọn A = 260 (A/cm) Và Bδ = 0,865 (T) ta có: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Pδ = 6,1.10 P α δ K δ K d A.B δ D n 6,1.10 3,236 = 0,64.1,11.0,955.260.0,865.12,4 1500 = 5,614(cm) Vì lδ < 25 (cm), lõi sắt ngắn nên ta chọn lõi sắt làm thành khối l1 = l2 = lδ = 5,6 (cm) Bước cực τ= π.D π.12,4 = = 9,738(cm) 2.p 2 Lập phương án so sánh l 5,61 λ= δ = = 0,576 τ 9,738 Theo hình 10.3b – 235 (TKMĐ) để thiết kế chế tạo máy có tính tốt tính kinh tế cao λ nằm phạm vi cho phép Với 2p = mà h < 250 (mm) Đối chiếu kết ta chọn phương án hợp lý Dòng điện định mức I1 = P.10 2,2.10 = = 5,08(A) 3.V1 η cos ϕ 3.220.0,8.0,82 CHƯƠNG II DÂY QUẤN, RÃNH STATO VÀ KH HỞ KHÔNG KHÍ Rãnh Stato Chọn q1 = 3, ta có số rãnh Stato là: Z1 = 2m.p.q1 = 2,323 = 36 (rãnh) 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Số rãnh Stato: t1 = π.D π.12,4 = = 1,082(cm) Z1 36 Số dẫn tác dụng: Chọn số mạch nhánh song song là: a = Vr1 = Ta có A.t1 a 260.1,082.1 = = 55 5,08 I1 Số vòng dây nối tiếpcủa pha: w1 p.q1 U r1 a1 = 2,3 55 = 330 vịng Tiết diện đường kính dây dẫn quấn Stato: Theo hình 10.4-273 – TKMĐ với p = ta có: AJ = 1850 (A2/cmmm2) Ta có mật độ dòng điện: j'1 = AJ 1850 = = 7,115(A / mm ) A 260 Tiết diện dây sơ S '1 = I1 5,08 = = 0,714(mm ) a1 n1 j'1 1.1.7,115 Với S’1 = 0,714 (mm2) theo bảng VI.1-619 TKNĐ chọn dây đồng PETV có đường kính d/dcđ = 0,96/1,025 d 0,96 S1 = 0,724 (mm2) = cdd 1,025 10 Kiểu dây quấn: 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Với p = 2,2 Kw ta chọn kiểu dây quấn lớp bước đủ có cơng nghệ chế tạo đơn giản dễ lồng dây Z 36 Ta có y = τ = = =9 2p 11 Từ thông khe hở không khí: φ= KE.V1 0,965.220 = = 0,003( Wb ) 4.K δ K d f w1 4.1,11.0,96.50.330 12 Mật độ từ thơng khe hở khơng khí: 0,003.10 φ.10 Bδ = = = 0,858(T ) α δ τ.l1 0,64.9,738.5,61 13 Sơ định chiều rộng Stato: b ' z1 = B δ l1 t1 B Z1 l1 K c Với BZ1 = 1,75 ÷ 1,95 (T) trị số trung bình mật độ từ thơng xác định qua bảng 10.5b-241 TKMĐ, chọn, BZ1 = 1,75 (T) Kc hệ số ép chặt lõi thép ứng với thép kỹ thuật điện mã hiệu 2211 ta có Kc = 0,95 Suy bZ'1 = 0,858.1,082 = 0,358(cm) 1,75.0,95 14 Sơ định chiều cao gông Stato: φ.10 0,003.10 hg1 = = = 1,705(cm) 2.GBg1 l1 K c 2.1,65.5,61.0,95 Trong Bg1 = 1,50 ÷ 1,65 (T) mật độ từ thơng gông Stato xác định qua bảng 10.5a-240 ta chọn Bg1 = 1,65 (T) 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 15 Kích thước rãnh cách điện: Chọn rãnh kê hình 1: Miệng rãnh b41 = dcđ + (1,1 ÷1,5) (mm) = 1,025 + 1,1 = (mm) 13 b41 h41 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP hr1 hr1 h12 d1 d2 Chiều cao miệng rãnh thường lấy từ 0,5 ÷ 0,8 (mm) Chọn h41 = 0,5 (mm) Đường kính d1 tính theo cơng thức: d1 = π(D + 2.h 41 ) π(12,4 + 2.0,05) − 0,558.36 = = 0,49(cm) Z1 + π 36 + π ta chọn d1 = (mm) Đường kính d2 tính theo cơng thức: d2 = π(D n − 2.h g1 ) Z1 + π = π(19,1 + 2.1,705) − 0,558.36 = 0,746(cm) 36 + π ta chọn d2 = 7,5 (mm) Chiều cao rãnh Stato tính theo cơng thức hr1 = D n − D − 2.h g1 ) = 19,1 − 12,4 − 1,705 = 0,746(cm) 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP chọn hr1 = 1,65 (cm) Khi chiều cao h12 là: H12 = hr1 – 0,5 (2h41 + d1 + d2) = 16,5 – 0,5 (2.0,5 + + 7,5) = 9,75 (mm) Theo bảng VIII.1 – 629 TKMĐ ứng với dây quấn lơp p = ta có cách điện dây quấn là: + Chiều dày cách điện rãnh: C = 0,25 (mm) + Chiều dày cách điện lót: C’ = 0,35 (mm) - Diện tích rãnh Stato: S cd = = πd1 ⎛ πd ⎞ C'+⎜ + h12 ⎟.C ⎝ ⎠ π.S ⎛ π.7,5 ⎞ + 2.9,75 ⎟.0,25 = 10,568(mm ) 0,35 + ⎜ ⎝ ⎠ Diện tích có ích rãnh Stato: Sr = S’r - Scđ = 92,844 – 10,568 = 82,276 (mm2) 16 Hệ số lấp đầy rãnh K ld = U r n1 d Sr cd = 55.1.1,025 = 0,707 82,276 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 17 Bề rộng Stato: b" Z1 = π(12,4 + 2.0,05 + 0,5) − 0,5 = 0,63(cm) 36 = b" Z1 = = Vậy b Z1 = π.(D + h 41 + d1 ) − d1 Z1 π.[D + 2( h 41 + h12 )] − d2 Z1 π[12,4 + 2(0,05 + 0,975)] − 0,75 = 0,555(cm) 36 b" Z1 + b" ' Z1 0,634 + 0,555 = = 0,595(cm) 2 18 Chiều cao gông Stato: Dn − D − hr1 + d 2 0,634 − 12,4 = − 1,65 + 0,75 = 1,783(cm) hg1 = 19 Khe hở khơng khí: Do cơng suất máy bé p = 2,2 Kw p =2 nên khe hở khơng khí tính theo cơng thức sau: δ = 0,25 + D 124 = 0,25 + = 0,374(mm) 1000 1000 Theo bảng 10.8-253 – TKMĐ, ứng với chiều cao tâm trục h = 112 (mm) p =2 ta có δ = 0,3 (mm) = 0,03 (cm 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG III DÂY QUẤN, RÃNH VÀ GÔNG RÔTO 20 Chọn số rãnh roto Z2 Nếu khe hở khơng khí bé khởi động momen phụ từ trường sóng bậc cao gây nên, chọn Z2 ảnh hưởng đến q trình khởi động đặc tính làm việc Việc chọn Z2 thích hợp hạn chế mơmen phụ đồng không đồng mômen phụ gây tượng rung ồn Chọn Z2 phải dựa sở Z1 chọn, theo bảng 10.6-246-TKMĐ ta chọn Z2 = 30 rãnh 21 Đường kính ngồi roto: D’= D – 25 = 12,4 – 0,03 = 12,34 (cm) 22 Bước roto t2 = πD' π.12,34 = = 1,292(cm) Z2 30 23 Sơ định chiều rộng roto bZ = B δ l t 0,858.1,292 = = 0,67(cm) B Z l K c 1,74.0,95 Trong BZ2 mật độ từ thông roto, chọn BZ2 = 1,74 T 24 Đường kính trục Roto: Dt = 0,3: D = 0,3.12,4 = 3,75 (cm) Chọn Dt = 3,8 (cm) 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 25 Dòng điện dẫn roto: I td = I K1 I1 = 0,8.5,08 6w Kd1 Z2 6.330.0,96 = 251,0578(A) 30 Trong đó: + K1 hệ số phụ thuộc vào cosϕ máy, qua hình 10,5244-TKMĐ ta có K1= 0,8 + Kd1: hệ số dây quấn Stato, Kd1= 0,96 26 Dòng điện vòng ngắn mạch: I V = I td πp sin Z2 = 251,058 180 2 sin 30 = 597,756(A) Suy ra: Tiết diện dẫn nhôm: I 251,508 S td = td = = 109,1556(mm ) j2 2,5 Trong j mật độ dịng điện dẫn nhơm j td = (2,5 ÷ 3,5)A/mm2 Chọn Jtd = 2,5 A/mm2 27 Tiết diện vành ngắn mạch: I 597,756 Sv = v = 298,878A / mm Jv Trong Jv mật độ dịng điện vòng ngắn mạch, chọn Jv = (A/mm2) 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 28 Kích thước roto vành ngắn mạch: h41 h41 b41 hr1 h12 d12 d22 Chọn rãnh roto có dạng hình lê (hình 2): Chọn chiều cao miệng rãnh h42 = 0,5 (mm) Chọn chiều rộng miệng rãnh hở b42 = (mm) Chọn đường kính d12 = 7,5 (mm) Chọn đường kính d22 nẵm khoảng ÷ (mm) Lờy d22 = 5,5 (mm) Chiều cao rãnh chọn hr2 = 20 (mm) Chiều cao phần rãnh thẳng: H12= hr2 - 0,5 (d12 + d22 + 2.h42)= 20 – 0,5 (7,5 + + 2.0,5) = 12,25 (mm) 29 Chọn kích thước vịng ngắn mạch là: a b = 20 15 (mm) Đường kính vịng ngắn mạch là: 19