Đồ án thiết kế thiết bị điện thiết kế động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

Động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn có thể điều chỉnh tốc được tốc độ trong một chừng mực nhất định, có thể tạo một mômen khởi động lớn mà dòng khởi động không lớn lắm, nhưng chế tạ

TRƯỜNG ĐẠI ĐỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN

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 ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN

Họ và tên SV: Nguyễn Bá Khang

1 2020601008 Nguyễn Bá Khang Điện-K15 Điện-Điện tử

Giáo viên hướng dẫn:………Lê Anh Tuấn………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= 110 kW; Số pha: m =3; Tần số f = 50 Hz

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

Hệ số công suất: cosφ = 0,9; Hiệu suất: η = 91 %; Kiểu kín: IP55 Cấp cách điện : F Chế độ làm việc liên tục

Chiều cao tâm trục: h= 315 mm Ik/Iđm= 7; Mk/Mđm= 2,0; Mmax/Mđm= 2,4

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

2.2 Xác định kích thước chủ yếu

2.3 Thiết kế Stato

2.4 Khe hở không khí

2.5.Thiết kế lõi sắt rôto

2.6 Tham số động cơ không đồng bộ trong quá trình khởi động

3.3 Hướng phát triển của đề tài

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

Quy định về động cơ điện không đồng bộ ba pha TCVN 2280-78; TCVN

Yêu cầu trình bày:

TIỂU LUẬN/BTL/ĐỒ ÁN/DỰ ÁN trong Quyết định số 815/ QĐ-ĐHCN ngày 15/08/2019

6 Về thời gian thực hiện đồ án:

Ngày giao đề tài: …/…/2022 Ngày hoàn thành: 03/03/2023 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

1.1.2.Cấu tạo của động cơ 8

1.1.3.Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha 9

1.2 Giới thiệu chung về thiết kế động cơ không đồng bộ 9

1.3 Quy trình, các tiêu chuẩn thiết kế động cơ không đồng bộ 10

1.3.1 Quy trình thiết kế động cơ không đồng bộ: 10

2.5 Thiết kế lõi sắt rôto 26

2.6 Tham số động cơ không đồng bộ trong quá trình khởi động 29

2.7 Xác định đặc tính làm việc và khởi động 42

2.8 Nhận xét, kết luận chương 2 45

Chương 3 : Kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của đề tài 47

3.1 Kết luận 47

3.2 Kiến nghị 48

3.2 Hướng phát triển của đề tài 48

Danh mục tài liệu tham khảo 49

Hình 1.1 Cấu tạo của Stato 8

Hình 1.2 Cấu tạo rôto 8

Hình 2.1 Sơ đồ trải dây 19

Hình 2.2 Kích thước rãnh của Stato 22

Hình 2.3 Kích thước rãnh rôto 28

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

Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của người dân không ngừng được nâng cao nên cần phát triển nhiều loại máy điện mới Đặc biệt là máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ chủ yếu được sử dụng ở chế độ động cơ Động cơ không đồng bộ được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì giá thành rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không bảo trì Gần đây do kĩ thuật điện tử phát triển, nên động cơ không đồng bộ đã đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh tốc độ vì vậy động cơ càng sử dụng rộng rãi hơn

Động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc cấu tạo đơn giản nhất nên chiếm một số lượng khá lớn trong loại động cơ điện công suât nhỏ và trung bình Nhược điểm của loại này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi động lớn (thường 6 ÷ 7 lần dòng điện định mức) Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta đã chế tạo động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rôto rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên

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

1.1.1 Phân loại

Theo kết cấu vỏ, máy điện không đồng bộ có thể chia làm các kiểu chính sau: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ

Theo kết cấu của rôto, máy điện không đồng bộ được chia làm hai loại: rôto kiểu lồng sóc và rôto kiểu dây quấn

Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia làm các loại: một pha, 2 pha và 3 pha

1.1.2 Cấu tạo của động cơ

Stato bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn

nối nắp hay gối đỡ trục Vỏ máy có thể làm bằng gang, nhôm hay thép

điện dày 0,5mm bề mặt các lá thép có phủ một lớp sơn cách điện mỏng để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, các lá thép được ép lại thành khối

tốt với lõi sắt Dây quấn đóng vai trò quan trọng của máy điện vì nó trực tiếp tham gia các quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hay

ngược lại

Rôto của động cơ không đồng bộ gồm lõi sắt, dây quấn và trục (đối với động cơ rôto dây quấn còn có vành trượt)

- Lõi sắt: Lõi sắt của rôto bao gồm các lá thép kỹ thuật điện như của stato,

điểm khác biệt ở đây là không cần sơn cách điện giữa các lá thép vì tần số làm việc trong rôto rất thấp

mỗi rãnh của lõi sắt rôto, đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hay nhôm Để cải thiện tính năng mở máy, đối với máy có công suất lớn, người ta làm rãnh rôto sâu hoặc dùng lồng sóc kép Đối với máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto được làm chéo góc so với tâm trục Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt

một chi tiết rất quan trọng Trục của máy điện tùy theo kích thước có thể được chế tạo từ thép cacbon từ 5 đến 45 Trên trục của rôto có lõi thép, dây quấn, và quạt gió

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

Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ quay p đôi cực, quay với tốc độ là 1

60.fn =

p .Từ trường quay cắt các thanh dẫn

của dây quấn rôto, cảm ứng các sức điện động Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rôto Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n

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

Nhiệm vụ thiết kế được xác định từ hai yêu cầu sau :

- Yêu cầu từ phía nhà nước, bao gồm các tiêu chuẩn nhà nước, các yêu cầu kỹ thuật do nhà nước quy định

- Yêu cầu từ phía nhà máy và người tiêu dùng thông qua các hợp đồng ký kết

Nhiệm vụ của người thiết kế là đảm bảo tính năng kỹ thuật của sản phẩm đạt các tiêu chuẩn nhà nước quy định để tìm khả năng hạ giá thành để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất, nói tóm lại là đạt chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao

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:

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 quy định 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

- Xác định tham số của động cơ trong 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, kết cấu cụ thể về cách bôi trơn ổ đỡ, kết cấu thân máy và nắp máy

Để chế tạo được động cơ không 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

1.3.2 Các tiêu chuẩn áp dụng

a Tiêu chuẩn TCVN 2280-78:Phương pháp thử động cơ điện không đồng bộ

Tiêu chuẩn này áp dụng cho đông cơ điện không đồng bộ ba pha công suất 100W và lớn hơn, làm việc trong lưới điện xoay chiều 3 pha với tần số dưới 400Hz

Tiêu chuẩn quy định các phương pháp thử sau:

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

- 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 và dòng điện khởi động ban đầu;

- Thử khi tăng tốc độ quay; - Thử phát nóng;

- Kiểm tra các giá trị hiệu suất, hệ số công suất, hệ số trượt Thủ quá tải

ngắn hạn theo dòng điện;

- Xác định mômen quay lớn nhất;

- Xác định mômen quay nhỏ nhất trong quá trình khởi động đối với các động cơ điện rôto ngắn mạch;

- Thử nóng âm

Tiêu chuẩn này qui 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 + Qui định chung

+ Nội suy

+ Giới hạn danh nghĩa của mức hiệu suất năng lượng

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 hệ thống cách điện của dây quấn định hình

Trong đánh giá này, tính năng của hệ thống cách điện cần đánh giá được so sánh với tính năng của hệ thống cách điện chuẩn với kinh nghiệm vận hành đã

- Mẫu thử nghiệm và đối tượng 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

1.4 Nhận xét, kết luận chương 1

Ở chương 1 đã chình bày khái quát về máy điện không đồng bộ về những nội dung:

- Giới thiệu chung về máy điện không đồng bộ

- Giới thiệu chung về thiết kế động cơ không đồng bộ - Quy trình, các tiêu chuẩn thiết kế động cơ không đồng bộ

Mục 1.1 và 1.2 giúp chúng ta nắm bắt những thứ cơ bản về máy điện không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc như cấu tạo, nguyên lý làm việc và những nhiệm vụ, yêu cầu chung về thiết kế động cơ không đồng bộ

Mục 1.3 cho ta thấy được quy trình thiết kế động cơ không đồng bộ như

mục tiêu, chế tạo rôto, stato,…và các tiêu chuẩn áp dụng để ta tính toán thiết kế đúng theo quy định

Chương 1 được trình bày bên trên giúp chúng ta hiểu sơ bộ về động cơ KĐB 3 pha rôto lồng sóc từ đó giúp ta tính toán và thiết kế động cơ điện không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc chương sau:

- Giới thiệu mục tiêu

- Xác định kích thước chủ yếu - Thiết kế Stato

- Thiết kế Rôto

- Tính toán khe hở không khí

- Xác định tham số động cơ không đồng bộ trong quá trình khởi động - Xác định đặc tính làm việc và khởi động

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA LỒNG SÓC 110KW, 380V

2.1 Giới thiệu mục tiêu thiết kế

Mục tiêu đặt ra của đề tài là thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc đạt được các thông số sau: - Kết cấu rôto: Rôto lồng sóc

- Chiều cao tâm trục: h= 315 mm +) n1: tốc độ quay của từ trường

2.2.2 Đường kính ngoài stato:

Đường kính ngoài Dn có liên quan mật thiết với kết cấu máy, cấp cách điện và chiều cao tâm trục máy h đã được tiêu chuẩn hóa Vì vậy thường chọn Dn theo h và từ đó tính ngược lại Dn

Với chiều dài tâm trục h = 315 mm=31.5 cm , theo bảng 2.1, có đường kính ngoài stato tiêu chuẩn Dn = 59 cm

2.2.3 Đường kính trong stato

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

2.2.5 Chiều dài tính toán của lõi sắt stato

Chiều dài của lõi sắt stato được xác định:

Ta chọn k = 0,92d , k =s π 1,11

2 2 = , αδ 2 0,65 π

Theo quan hệ giữa A và Bδ trong máy điện không đồng bộ theo đường kính ngoài Dn được biểu thị trong hình 10-3c (trang 231, TKMĐ [1]) lấy A = 400

Do lõi sắt ngắn nên làm thành một khối Chiều dài lõi sắt stato, rôto bằng:

Theo hình 10-3b trang 235 của sách TKMĐ [1] thì  = 0,539 nằm trong đường kính tế h ≥ 280(mm) và 2p=4 do đó phương án chọn trên là hợp lý

Khi thiết kế dây quấn stato cần phải xác định số rãnh của một pha dưới mỗi cực q1 Với máy công suất nhỏ thường lấy q1 = 2 Máy tốc độ cao, công suất lớn có thể chọn q1 = 6 Thường lấy q1 = 3-4

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

Hình 2.1 Sơ đồ trải dây

+ 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 lớp thì phải là số nguyên chẵn)

2.3.5 Tiết diện và đường kính dây dẫn

Theo hình 10-4b (trang 237 TKMĐ [1]) ứng với (2p = 4; h= 315 mm ; Dn = 59 cm)

J : mật độ dòng điện dây quấn stato

Theo phụ lục VI, bảng VI.1 trang 619 chọn dây đồng tráng men PETV có đường kính d/dcd = 1,45/1,535 mm ; s1 = 1,651 mm2

2.3.6 Kiểu dây quấn

Chọn kiểu dây quấn hai lớp bước ngắn với y = 11

Ta thấy sai số mật độ từ thông khe hở không khí và tải đường so với giá trị ban đầu nhỏ hơn 10% nên ta không cần chọn lại

2.3.10 Sơ bộ định chiều rộng của răng:

+ Bg1: mật độ từ thông ở gông stato, chọn Bg1= 1,5

+  : từ thông khe hở không khí

2.3.12 Kích thước rãnh và cách điện

- Chiều cao rãnh stato: hr1

b41 h41

Bề dày miệng rãnh theo (TKMĐ [1]) ta chọn: h41 = 0,5 mm - Đường kính d1 được tính theo công thức:

Theo bảng VIII.1 trang 629 ta có chiều dài dây cách điện rãnh là: + Chiều dày cách điện rãnh: c = 0,4 (mm)

+ Chiều dày cách điện của tấm lót: c = 0,5 mm' ()

Theo kết cấu thì khe hở phụ thuộc vào kích thước đường kính ngoài rôto, khoảng cách giữa 2 ổ bi và đường kính trục

Có thể dùng những công thức để chọn trị số của khe hở không khí - Với những máy công suất P 20 kW

Theo những máy đã chế tạo ở bảng 10.8 Trang 253 [1] khe hở không khí δ dãy động cơ 4A của Nga, h = 315 mm và 2p = 4 ta chọn: δ = 1,5 mm ()

2.5 Thiết kế lõi sắt rô to

2.5.1 Số rãnh rôto:

Việc chọn số rãnh rôto lồng sóc 𝑍2 là một vấn đề quan trọng vì khe hở không khí của máy nhỏ, khi mở máy momen phụ do từ thông sóng bậc cao gây nên

ảnh hưởng đến quá trình mở máy và ảnh hưởng cả đến đặc tính làm việc

Dựa vào bảng 10.6 Trang 246 của sách [1] ta chọn Z2 = 38 rãnh nghiêng

2.5.2 Đường kính ngoài rôto:

2.5.4 Sơ bộ bề rộng răng rôto:

2.5.6 Dòng điện và tiết diện thanh dẫn rôto

- Dòng điện trong thanh dẫn rôto:

+ Hệ số kI =0,9 lấy theo hình 10-5 trang 244 [1] + kd : hệ số dây quấn stato, tính ở 2.3.7

+ w1 : số vòng dây nối tiếp của 1 pha, tính được ở 2.3.4

Với thanh dẫn bằng nhôm thì ( 2)

Động cơ có chiều cao tâm trục h = 315 mm, do đó ta chọn dạng rãnh rôto sâu hình ovan như hình 10.8b trang 248 của [1] và có kích thước như sau:

Độ nghiêng bằng một bước rãnh stato: bn =t1 25,53 mm()

2.6 Tham số động cơ không đồng bộ trong quá trình khởi động

2.6.1 Chiều dài dây quấn stato:

- Chiều dài phần đấu nối của dây quấn stato:

- Chiều dài trung bình nửa vòng dây của dây quấn stato:

+) ρt1=0,89 theo bảng 5.3 trang 137 của [1] +) 1 =0,0062theo bảng 5.2a trang 134 của [1] +) k : Hệ số khe hở không khí được tính như sau: δ