Thiết kế động cơ điện không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc

Giới thiệu chung về máy điện không đồng bộMáy điện không đồng bộ, thường được gọi là động cơ không đồng bộ, là một loạimáy điện chuyển động dựa trên nguyên tắc hoạt động của các dòng điệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN -

THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RÔ TO LỒNG SÓC

GVHD: ThS Nguyễn Văn Đoài Sinh viên: Lê Văn Hoàng Lớp: EE6110.1 Khóa: K16

Hà Nội 2023

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ

NỘI

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU GIAO BTL THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN

Họ và tên SV: Lê Văn Hoàng

2

CNKTĐ-ĐT

Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Đoài Khoa: Điện

TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế động cơ điện không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc

1 Số liệu phục vụ tính toán, thiết kế động cơ điện không đồng bộ

Công suất định mức: Pđm= 30 kW; Số pha: m =3; Tần số f = 50 hZ

Điện áp định mức: Uđm= 380V; Số cực: 2p = 6 ; Sơ đồ nối dây: Y

Hệ số công suất: cosφ = 0,9; Hiệu suất: η= 90 %; Kiểu kín IP44 Cấp cách điện : B Chế độ làm việc liên tục

Chiều cao tâm trục: h= 250 mm Ik/Iđm= 7; Mk/Mđm= 1,4; Mmax/Mđm= 2,2

2 Yêu cầu tính toán, thiết kế động cơ điện không đồng bộ

Chương 1: Phần mở đầu

1.1 Giới thiệu chung về máy điện không đồng bộ

1.2 Giới thiệu chung về thiết kế động cơ không đồng bộ

1.3 Quy trình, các tiêu chuẩn thiết kế động cơ không đồng bộ

1.4 Nhận xét, kết luận chương 1

Chương 2: Thiết kế động cơ điện không đồng bộ ba pha lồng sóc 30 kW, 380V

2.1 Giới thiệu mục tiêu thiết kế

3.3 Hướng phát triển của đề tài

3 Các tiêu chuẩn phục vụ tính toán, thiết kế động cơ điện không đồng bộ

TCVN 1987-1994; TCVN 315-85; TCVN 7540:2013 Quy định về động cơđiện không đồng bộ ba pha

Thực hiện theo biểu mẫu “BM03” về QUY CÁCH CHUNG CỦA BÁO CÁOTIỂU LUẬN/BTL/ĐỒ ÁN/DỰ ÁN trong Quyết định số 815/ QĐ-ĐHCN ngày15/08/2019

6 Về thời gian thực hiện đồ án:

Ngày giao đề tài Ngày hoàn thành: :

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nguyễn Văn Đoài

CHƯƠNG 1: PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu chung về máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ, thường được gọi là động cơ không đồng bộ, là một loạimáy điện chuyển động dựa trên nguyên tắc hoạt động của các dòng điện xoay chiều(AC) Động cơ không đồng bộ là một trong những thiết bị điện quan trọng và phổbiến nhất trong các hệ thống công nghiệp và dân dụng Chúng được sử dụng rộng rãitrong các ứng dụng từ những thiết bị nhỏ như quạt và máy bơm đến các thiết bị lớnnhư máy phát điện và các hệ thống điều khiển công nghiệp

Nhược điểm của động cơ này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi độnglớn thường bằng 5-7 lần dòng điện định mức Để bổ khuyết cho nhược điểm này,người ta chế tạo đông cơ không đồng bộ roto lồng sóc nhiều tốc độ và dùng roto rãnhsâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên

Độngcơ điện không đồng bộ rôto dây quấn có thể điều chỉnh được tốc độ trong mộtchừng mực nhất định, có thể tạo một mômen khởi động lớn mà dòng khởi độngkhông lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn so với loại rôto lồng sóc,do đó giá thànhcao hơn, bảo quản cũng khó hơn.

Máy điện không đồng bộ có thể được điều khiển thông qua các phương pháp nhưđiều chỉnh tần số, điều chỉnh điện áp, hoặc điều khiển hình dạng sóng điện Điều nàycho phép chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ điều khiển tốc độđến điều khiển vị trí và kiểm soát tải

Máy điện không đồng bộ là một thành phần quan trọng của hệ thống điện hiện đại,cung cấp sức mạnh và chuyển động trong nhiều ứng dụng khác nhau từ công nghiệpđến dân dụng

1.1.1 Phân loại động cơ không đồng bộ

Theo cấu tạo rotor: Rotor quay xác định hoặc Rotor quay phụ thuộc

Theo cấu tạo stator:Ba pha và Một pha

Theo ứng dụng:Máy phát điện và Động cơ điện

1.1.2 Cấu tạo của máy điện không đồng bộ

a, Phần tĩnh (Stato)

Stato bao gồm: vỏ máy, lõi thép, dây quấn

Hình 1.1 Cấu tạo của stato

- Lõi thép: Lõi thép stator có dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện

dày 0,5mm được dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnhtheo hướng trục Lõi thép được ép vào trong vỏ máy

- Dây quấn stato: Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách

điện và đặt trong các ranh của lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạytrong dây quấn ba pha stator sẽ tạo nên từ trường quay

- Võ máy: Vỏ máy là nơi cố định lõi sắt, dây quấn và đồng thời là nơi ghép nối

nắp hay gối đỡ trục Vỏ máy bao gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang

b, Phần quay(Roto)

Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

Hình 1.2 Cấu tạo của roto

- Lõi thép: Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên

trong của lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa

có dập lỗ để lắp trục

- Trục: Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép

roto

- Dây quấn rotor: Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: rotor

ngắn mạch còn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn

 Rotor lồng sóc gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bịngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ nhỏ, dây quấnrotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt

và cánh quạt làm mát Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làmbằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch

 Rotor dây quấn cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng sốcực từ như dây quấn stator Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao (Y) và có

ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của rotor và cách điệnvới trục Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điệnvào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điềuchỉnh tốc độ

1.1.3 Nguyên lí làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuấthiện từ trường quay với tốc độ n = 60f/p (f là tần số lưới điện; p là số đội cực từ củamáy; n là tốc độ từ trường quay bậc một) Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha

tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto, làm cảm ứng trong dây quấn roto các sức điệnđộng E, Do roto kín mạch nên trong dây quấn roto có dòng điện I, chạy qua Từthông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tống ởkhe hở Dòng điện trong dây quấn roto tác dụng với từ thông khe hở sinh ra mô men

Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của roto Trong những phạm vitốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau.

1.1.4 Ưu diểm

- Kết cấu đơn giản nên giá thành rẻ

- Vận hành dễ dàng liên tục và dài hạn, bảo quản thuận tiện

- Sử dụng rộng rãi và phổ biến trong phạm vi công suất nhỏ và vừa

- Ít chi phí vận hành, bảo trì sửa chữa

- Đấu nối trực tiếp với nguồn điện 3 pha, không phải tốn kém thêm các thiết bị biến đổi

1.1.5 Nhược diểm

- Hệ số công suất thấp gây tổn thất nhiều công suất phản kháng của lưới điện

- Không sử dụng được lúc non tải hoặc không tải

- Khó điều chỉnh tốc độ

- Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ

- Đặc tính mở máy không tốt, dòng mở máy lớn (gấp 6-7 lần dòng định mức)

- Momen mở máy nhỏ

1.1.6 Ứng dụng

Động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp,đời sống hằng ngày với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW

1.1.6.1 Trong công nghiệp

Động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cánthép loại vừa và nhỏ,Là động cơ chính của các loại máy mài, máy tiện, máy cắt, chocác máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ,

1.1.6.2 Trong nông nghiệp

Được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm

1.1.6.3 Trong đời sống hằng ngày

Động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng vớinhiều ứng dụngnhư: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy giặt,…

1.1.7 Nhận xét

Động cơ điện không đồng bộ 3 pha là một lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụngcông nghiệp và dân dụ Với hiệu suất cao, độ tin cậy và khả năng hoạt động ổn định,động cơ này thường được ưa chuộng Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ có hạn chế vàtiêu thụ dòng khởi động cao là nhược điểm cần xem xét Tóm lại, đây là một giảipháp vận hành hiệu quả với chi phí thấp và độ bền cao

1.2 Giới thiệu chung về thiết kế động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ là một thành phần quan trọng trong các hệ thống điện và cơkhí, được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu từ nhà nước và từ nhà máy hoặc người tiêudùng thông qua các hợp đồng ký kết Thiết kế của động cơ không đồng bộ cần tuânthủ các tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật quy định từ phía nhà nước Đồng thời, nó cũngphải đáp ứng các yêu cầu về hiệu quả kinh tế và tính năng kỹ thuật để tối ưu hóa chiphí sản xuất và vận hành Điều này đòi hỏi người thiết kế phải đảm bảo rằng sảnphẩm đáp ứng được các tiêu chuẩn về hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ, đồng thời tối

ưu hóa cả chi phí sản xuất và vận hành Động cơ không đồng bộ thường được lựachọn vì tính đơn giản, độ tin cậy và hiệu quả kinh tế của nó trong nhiều ứng dụngcông nghiệp và dân dụng

1.3 Quy trình, các tiêu chuẩn thiết kế động cơ không đồng bộ

1.3.1 Quy trình thiết kế động cơ không đồng bộ:

a Thiết kế điện từ : Nhiệm vụ của tính toán điện từ một động cơ điện không

đồng bộ rôto lồng sóc là lựa chọn và tính toán kích thước của lõi sắt stato, rôto,kích thước dây quấn sao cho máy đạt được tính năng mà tiêu chuẩn đã quyđịnh Trong giai đoạn này, người thiết kế xác định một phương án điện từ hợp

lý, có thể tính bằng tay, có thể nhờ vào máy tính Quá trình này sẽ tiến hànhtính toán, thiết kế các thành phần:

- Xác định các k ích thước chủ yếu

- Thiết kế stato

- Thiết k ế rôto

- Khe hở không khí

- -Xác định tham số của động cơtrong quá trình khởi động

- -Tính toán đặc tính làm việc và khởi động

b Thiết kế kết cấu: Trong giai đoạn này phải tiến hành tính toán nhiệt để xác

định kết cấu cụ thể về phương thức thông gió và làm nguội, k ết cấu cụ thể vềcách bôi trơn ổ đỡ, kết cấu thân máy và nắp máy Để chế tạo được động cơkhông đồng bộ rôto lồng sóc còn phải qua các khâu thiết kế sau :

- Thiết kế thi có nhiệm vụ vẽ tất cả các bản vẽ lắp ráp và chi tiết

- Thiết kế khuôn mẫu và gá lắp dùng gia công các chi tiết của máy

- Thiết kế công nghệ để kiểm tra công nghệ trong quá trình gia công

- Đo điện trở cách điện của các cuộn dây với vỏ máy và giữa các cuộn dây vớinhau;

- Đo điện trở của các cuộn dây bằng dòng điện một chiều ở trạng thái nguội;

- Xác định hệ số biến áp đối với các động cơ điện rôto dây cuốn;

- Thử độ bền điện của cách điện các cuộn dây với vỏ máy và giữa các cuộn dây;

- Thử độ bền điện của cách điện giữa các vòng dây của cuộn dây;

- Xác định dòng điện và tổn hao không tải;

- Xác định dòng điện và tổn hao ngắn mạch, mômen quay khởi động ban đầu vàdòng điện khởi động ban đầu;

- Thử khi tăng tốc độ quay;

-Tiêu chuẩn này quy định mức hiệu suất năng lượng của động cơ điện không đồng bộ

ba pha rôto lồng sóc một tốc độ sử dụng nguồn điện tần số 50 Hz hoặc 60 Hz

Nội dung chính của tiêu chuẩn:

- Phạm vi áp dụng

- Tài liệu viện dẫn

- Thuật ngữ và định nghĩa

+ Hiệu suất danh nghĩa

+ Hiệu suất danh định

- Mức hiệu suất năng lượng tối thiểu

+ Quy định chung

+ Nội suy

+ Giới hạn danh nghĩa của mức hiệu suất năng lượng

c Tiêu chuẩn TCVN 6627-18-34:2014- Máy điện quay: Đánh giá chức năng của

hệ thống cách điện – quy trình thử nghiệm dây quấn định hình – đánh giá độ bền cơ nhiệt của hệ thống cách điện

Tiêu chuẩn này đưa ra các quy trình thử nghiệm để đánh giá độ bền cơ nhiệt của hệthống cách điện của dây quấn định hình

Trong đánh giá này, tính năng của hệ thống cách điện cần đánh giá được so sánh vớitính năng của hệ thống cách điện chuẩn với kinh nghiệm vận hành đã được chứngminh Nội dung chính của tiêu chuẩn:

- Phạm vi áp dụng

- Tài liệu viện dẫn

- -Lưu ý chung

- Mẫu thử nghiệm và đối tượ ng thử nghiệm

- Chu kỳ gia nhiệt và làm mát

- Quy trình thử nghiệm 1 đối với thanh dẫn/cuộn dây trong các mô hình rãnh

- Quy trình thử nghiệm 2 đối với thanh dẫn/cuộn dây không bị ràng buộc

- Thử nghiệm đánh giá chất lượng

- Phân tích và báo cáo

a Tổng quan về máy điện không đồng bộ: Chương mở đầu bằng việc giới thiệu

về máy điện không đồng bộ và vai trò quan trọng của nó trong các ứng dụng

công nghiệp và dân dụng Nói đến ưu điểm và nhược điểm của động cơ nàycũng như phân loại và cấu tạo cơ bản của nó.

b Phân loại và cấu tạo: Chương cung cấp thông tin chi tiết về phân loại dựa trên

cấu tạo rotor và stator cũng như giới thiệu về các thành phần chính của máyđiện không đồng bộ như stato và roto

c Nguyên lý hoạt động: Chương cung cấp một cái nhìn tổng quan về nguyên lý

hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha thông qua mô tả về tạo ra từtrường và tương tác giữa dòng điện và từ trường này để tạo ra mômen quay

d Ưu điểm và nhược điểm: Cung cấp một cái nhìn tổng quan về ưu và nhược

điểm của động cơ không đồng bộ, từ đơn giản, dễ vận hành đến hệ số công suấtthấp và khả năng điều chỉnh tốc độ hạn chế

e Ứng dụng: Chương trình bày các ứng dụng rộng rãi của máy điện không đồng

bộ trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp và cuộc sốnghàng ngày

f Quy trình và tiêu chuẩn thiết kế: Cuối cùng, chương cung cấp thông tin về quy

trình thiết kế động cơ không đồng bộ và các tiêu chuẩn áp dụng trong quá trìnhthiết kế và kiểm tra

Tóm lại, chương 1 cung cấp một cái nhìn tổng quan và chi tiết về máy điện khôngđồng bộ, từ nguyên lý hoạt động đến ứng dụng và quy trình thiết kế, làm nền tảng choviệc tính toán thiết kế về động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc ở chương 2.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

LỒNG SÓC 30 KW, 380V 2.1 Giới thiệu mục tiêu thiết kế

Mục tiêu đặt ra của đề tài là thiết k ế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc đạtđược các thông số sau:

Công suất định mức: Pđm= 30 kW;

Số pha: m =3;

Tần số f = 50 hZ

Điện áp định mức: Uđm= 380V;

Số cực: 2p = 6 ; Sơ đồ nối dây: Y

Hệ số công suất: cosφ = 0,9;

2.2.2 Đường kính ngoài stato

2.2.3 Đường kính trong stato

Khi xác định kích thước kết cấu của máy điện không đồng bộ, giữa hai đường kínhtrong ngoài của lõi sắt stato có một quan hệ nhất định:

Trong đó hệ số kE= U E = 0,973 lấy theo hình 10-2 (trang 231 TKMĐ )

 P '=k E

η .

P dm cosφ = 0 , 99.30 0 , 9.0 , 9 ≈ 36,67 (kW)

2.2.5 Chiều dài tính toán của lõi sắt stato

Theo quan hệ giữa A và β δ trong máy điện không đồng bộ theo đường kính ngoài Dn

được biểu thị trong hình 10-3 (trang 231, TKMĐ) lấy A = 355(A/cm), β δ = 0,802 (T)

l δ= 6 , 1.107 P '

α δ k s k dq A β δ D2 n1= 6 ,1 107.36 , 67

0 ,64.1 , 11.0, 92.355 0,802 312 1000≈ 12 , 32 (cm)

Trị số q1 nên chọn số nguyên vì có thể cải thiện được đặc tính làm việc và giảm tiếngkêu của máy.

+ I1: dòng điện pha định mức của động cơ tính ở 2.2.8

Số vòng dây trong một rãnh url phải được quy về số nguyên (nếu là dây quấn hai lớpthì phải là số nguyên chẵn)

A=2 m w1 I1

π D =2.3 100 56 , 1

31 π ≈ 345 , 6

Ta thấy: Tải đường A không lớn hay nhỏ hơn 10% so với giá trị đã chọn ban đầu nên

có thể sử dụng số liệu này để tính toán

2.3.5 Tiết diện và đường kính dây dẫn

Theo hình 10-4b (trang 237 TKMĐ ) ứng với (2p = 6; h= 250 mm ; Dn = 43,7cm)

A.J= 2050 (A2/cm.mm2)Mật độ dòng điện:

J1 = A J A =2050

355 =5,775(A/ mm2)Tiết diện dây (tính sơ bộ):

S1'= I1

a1 n1 J1= 56 , 1

6.5,775 4 =0,405(mm2)Trong đó:

 a1= 6 số nhánh song song

 n1: số sợi dây ghép song song, chọn n 1 = 4

 J1: mật độ dòng điện dây quấn stato