đồ án môn học thiết kế máy điện thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc

Công dụng của máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ chủ yếu dùng làm động cơ điện, do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ điện không đồn

PHẦN MỞ ĐẦU

THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA

Giới thiệu mục tiêu thiết kế

Mục tiêu đặt ra của đề tài là thiết kế động cơ điện không đồng bộ ba pha roto lồng sóc đạt được các thông số sau:

 Công suất định mức: Pđm=1,5 kW

 Tần số định mức: fđm= 50 Hz

 Hệ số công suất: cosφ= 0,85

 Tốc độ đồng bộ: n1 00 vòng/phút

 Ik /Iđm =4,5; Mk /Mđm =2; Mmax / Mđm =2,2

 Tốc độ trên trục động cơ: n= 1430 vòng/ phút

 Cấp cách điện: Cách điện cấp F

 Kết cấu roto: Roto lồng sóc

 Chiều cao tâm trục: 90 mm

Xác định kích thước chủ yếu

Những kích thước chủ yếu của máy điện không đồng bộ là đường kính trong stator D và chiều dài lõi sắt l Mục đích của việc chọn kích thước chủ yếu này là để chế tạo ra máy kinh tế hợp lý nhất mà tính năng phù hợp với các tiêu chuẩn nhà nước Tính kinh tế của máy không chỉ là vật liệu sử dụng để chế tạo ra máy mà còn xét đến quá trình chế tạo trong nhà máy, như tính thông dụng của các khuôn dập, vật đúc, các kích thước và chi tiết tiêu chuẩn hóa

Việc chọn A và B δ ảnh hưởng đến rất nhiều đến kích thước chủ yếu D và l Đứng về mặt tiết kiệm vật liệu thì chọn A và B δ lớn, nhưng nếu A và B δ quá lớn thì tổn hao đồng và sắt tăng lên làm máy quá nóng ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng máy Do đó khi chọn A và B δ cần xét đến chất lượng vật liệu sử dụng Nên dùng vật liệu sắt từ tốt ( có tổn hao ít hay độ từ thẩm cao) thì có thể chọn

B δ lớn Dùng dây đồng có cấp cách điện cao thì có thể chọn A lớn Ngoài ra tỷ số giữa A và B δ cũng ảnh hưởng đến đặc tính làm việc và khởi động của động cơ không đồng bộ, vì A đặc trưng cho mạch điện B δ đặc trưng cho mạch từ

- f 1 : tần số lưới điện ( Hz)

- n 1 : tốc độ quay của từ trường ( vòng/ phút)

2.2.2 Đường kính ngoài stator (D n ) Đường kính ngoài Dn có liên quan mật thiết với kết cấu động cơ, cấp cách điện và chiều cao tâm trục h đã được tiêu chuẩn hóa Vì vậy thường chọn Dn theo h

Tra bảng 10.3 trang 230 của [1] ta có đường kính chuẩn:

 D ( theo công thức 10 -1 [1] ) (2.2) Trong đó : K là hệ số phụ thuộc vào số đôi cực D

Tra bảng 10.2 trang 230 [1] với 2p=4 ta có K = 0,64 ÷ 0,68 D

Trong đó: k là hệ số công suất định mức Chọn E k =0,96 theo hình 10.2 E [1]

Dòng điện pha định mức:

2.2.5 Chiều dài của lõi sắt stator ( l 1 )

Chiều dài của lõi sắt stator được xác định :

-   : hệ số cung cực từ

- B  : mật độ từ thông khe hở không khí

- Với dây quấn 1 lớp thì k = 0,95 0,96 Ta chọn hệ số dây quấn d k = 0,95 d

- Dùng từ trường hình sin để tính số xunng cực từ   và hệ số dạng sóng k của máy điện không đông bộ và ảnh hưởng của sự bằng dấu s của sóng sẽ được xét đến bằng cách dùng các đường cong từ hóa riêng cho các bộ phận mạch từ Lấy   = 0,64 ; k = 1,11 s

Theo hình 10-3b trang 233 của [1] với D = 14,9 cm tra được: n

Thay các giá trị vào biểu thức:

Chiều dài lõi sắt stator, rotor bằng:

Xác định thông số quấn dây stato là công đoạn phức tạp đòi hỏi phải đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe Nhiệm vụ chính của quá trình này là đảm bảo tạo ra khe hở không khí phù hợp, phân bố từ trường hình sin, tạo ra sức điện động và dòng điện tương ứng với công suất điện từ của máy, tối ưu hóa vật liệu sử dụng Thực hiện tốt những yêu cầu này không chỉ giúp máy hoạt động hiệu quả mà còn tiết kiệm chi phí đáng kể.

Khi thiết kế dây quấn stator cần phải xác định số rãnh của một pha dưới mỗi cực q 1 Nên chọn q 1 trong khoảng từ 2 đến 5, thường lấy q 1 = 3 – 4 Với máy công suất hoặc công suất thấp, lấy q 1 = 2 Máy tốc độ cao công suất lớn có thể chọn q 1 = 6

Trị số q 1 nên chọn theo số nguyên vì cải thiện được đặc tính làm việc và khả năng làm giảm tiếng kêu của máy => ta chọn q 1 = 2

- q 1 : số rãnh của một pha dưới mỗi cực từ , q 1 = 2

2.3.3 Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh ( u r1 )

- A : tải điện từ đã chọn ở mục 2.2.5 , A = 250 A/cm

- a : số mạch nhánh song song, 1 a = 1 1

- I 1 : dòng điện pha định mức của động cơ tính ở 2.2.4

2.3.4 Số vòng dây nối tiếp của 1 pha ( w 1 ) r1

2.3.5 Tiết diện dây dẫn Để chọn kích thước dây trước hết phải chọn mật độ dòng điện J của dây dẫn Căn cứ vào dòng điện định mức để tính ra tiết diện cần thiết Việc chọn ra mật độ dòng điện ảnh hưởng đến hiệu suất và sự phát nóng của máy mà sự phát nóng này phụ thuộc vào tích tỷ số AJ Tích số này tỷ lệ với suất tải nhiệt của máy Do đó theo kinh nghiệm thiết kế chế tạo, người ta căn cứ và cách cấp điện để xác định AJ

Theo công thức 10-7 của [1], mật đọ dòng điện J’ :

- AJ = 1750 A 2 /cm.mm 2 ( tra bảng 10-4b trang 237 [1])

- A : tải điện từ đã chọn ở mục 2.2.5 , A = 250 A/cm

Tiết diện sơ bộ của dây dẫn:

- a1 = 1 : số mạch nhánh song song

- n1= 4 : số sợi ghép song song

Tra bảng VI.1 , phụ lục VI ta chọn dây dẫn có thông số như sau :

- Đường kính không kể cách điện : d = 0,31 mm

- Đường kính dây tính cả cách điện : dcd = 0,345 mm

- Tiết diện dây không kể cách điện : S1 = 0,0755 mm 2

Yêu cầu chính đối với dây quấn động cơ KĐB rotor lồng sóc như sau :

- Điện áp của ba pha bằng nhau Trong dây quấn ba pha, điện áp ba pha lệch nhau 120 o góc độ điện

- Điện trở và điện kháng của các mạch song song và của ba pha bằng nhau

- Dễ chế tạo và sửa chữa

- Cách điện giữa các vòng dây, các pha và với đất ít tốn kém, chắc chắn

Từ yêu cầu trên ta chọn dây quấn đồng tâm do tính đơn giản, dễ chế tạo và dễ sửa chữa

Số cuộn dây trong một nhóm của một pha dưới mỗi cực từ : q1 = 2 ( đã chọn ở mục 2.3.1)

- Khoảng cách giữa các pha :

 Ta có sơ đồ trải dây như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ trải dây 2.3.7 Hệ số dây quấn

Hệ số bước ngắn: π 5 π ky sin β.2 sin( ) 0,976 2  (2.16)

Hệ số dây quấn: d d r d o o α 30 sin q sin(2 )

2.3.8 Từ thông khe hở không khí ( Φ )

Theo công thức ( 4-80 ) trang 114 của [1], ta có :

2.3.9 Sơ bộ chiều rộng của răng δ 1 1 z1 z1 1 c

- Bz1 = 1,75 ( tra bảng 10.5b trang 241 của [1])

- kc = 0,95 ( hệ số ép chặt của lõi sắt stator)

2.3.10 Sơ bộ chiều cao gông stator

- Bg1 : mật độ từ thông ở gông stator, tra bảng 10.5a trang 240 [1] chọn Bg1 = 1,5 (T)

- Φ : từ thông khe hở không khí, đã tính ở 2.3.8

Chọn kiểu rãnh hình quả lê như hình vẽ:

Hình 2.2: Kích thước rãnh stator

Chọn kích thước miệng rãnh như sau :

- Chiều cao miệng rãnh h41 = 0,5 ÷ 1 mm → chọn h41 = 0,92 mm Chiều cao rãnh stator : n r1 g1

- Dn = 149 mm : đường kính ngoài stato

- D = 96 mm : đường kính trong stato

- h g1 ' = 14,52 mm : sơ bộ chiều cao gông stato

Chiều cao thực của rãnh stato: z1 r1 41 h h h 11,92 0,92 11  (mm) (2.22)

Trong đó: dcd = 0,345 mm là đường kính dây tính cả cách điện Đường kính d1 được tính theo công thức :

 (mm) Đường kính d2 được tính theo công thức :

Chiều cao h12 được tính theo công thức:

Theo bảng VIII.1 trang 629 [1] ta có chiều dày cách điện rãnh là :

- Chiều dày cách điện rãnh : c = 0,25 mm

- Chiều dày cách điện của tấm lót : c’ = 0,25 mm

Diện tích rãnh trừ nêm:

Diện tích cách điện rãnh: cd

Diện tích có ích của rãnh:

Hệ số lấp đầy rãnh:

Trong đó: ur1 = 164 , số thanh dẫn tác dụng của 1 rãnh , đã tính ở 2.3.3 n1 = 4 , dcd = 0,345 đã xác định ở 2.3.5

Khe hở không khí ( δ )

Khi chọn khe hở không khí δ ta cố gắng lấy nhỏ để cho dòng điện không tải nhỏ và cosφ cao, tuy nhiên không lấy quá nhỏ để dễ dàng trong việc chế tạo và lắp ráp

Theo giáo trình thiết kế máy điện [1] trang 252 ta có :

Với những máy công suất P ≤ 20 kW :

Với những máy công suất P > 20 kW:

Trong các công thức trên D là đường kính trong stator tính theo mm Theo đề bài P = 1,5 kW ≤ 20 kW , 2p = 4 nên :

Thiết kế lõi sắt rotor

Thường trong các động cơ KĐB công suất nhỏ Z2 < Z1 để cho răng rãnh rotor không quá nhỏ Trong các máy công suất lớn để làm giảm điện kháng tản rotor, chọn Z2 < Z1

Do phối hợp số rãnh nghiêng Z1 và Z2, tùy theo cách làm nghiêng rãnh mà có sự thay đổi về momen cực đại và cosφ Nên dựa vào bảng 10.6 trang 246 của [1] thì chọn Z2 = 18 rãnh nghiêng.

- D = 96 mm : đường kính trong stator , tính ở 2.2.3

- δ = 0,346 mm : khe hở không, đã tính ở 2.4

2.5.4 Sơ bộ bề rộng răng rotor ( b ' z 2 )

- B z2 : mật độ từ thông răng , tra bảng 10.5b trang 241 [1] với chiều cao tâm trục h = 90 mm , 2p = 4 , ta chọn Bz2 = 1,75 T

- kc = 0, 95 : hệ số ép chặt

2.5.6 Dòng điện và tiết diện thanh dẫn rotor a, Dòng điện trong thanh dẫn rotor: d I

- Hệ số k I lấy theo hình 10-5 trang 244 [1] : kI = 0,89

- k d = 0,97 : hệ số quấn dây stator, đã tính 2.3.7

- w = 656 vòng : số vòng dây nối tiếp của 1 pha, tính ở 2.3.4 1 b, Dòng điện trong vành ngắn mạch:

- p : số đôi cực c, Tiết diện thanh dẫn bằng nhôm:

Với thanh dẫn bằng nhôm thì Jtd = 2,5 ÷ 3,5 (A/mm 2 )

 Ta chọn sơ bộ Jtd = 3 (A/mm 2 ) td 2 td td

(2.42) d, Tiết diện vành ngắn mạch:

(2.43) Chọn mật độ dòng điện trong vành ngắn mạch JV < 20 ÷ 25% Jtd

2.5.7 Kích thước rãnh rotor và vành ngắn mạch

Động cơ với chiều cao tâm trục h = 90 mm, lựa chọn dạng rãnh rotor theo hình 10.8b trang 248 của [1] với các kích thước cụ thể:

2.5.8 Kích thước vành ngắn mạch

Chiều cao vành ngắn mạch thường lấy cao hơn chiều cao rãnh rotor : hv ≥ 1,2 hr2 = 1,2.15 = 18 (mm) → hv = 20 mm

Bề rộng vành ngắn mạch : v V v

(2.44) Đường kính vành ngắn mạch :

2.5.10 Bề rộng răng rotor ở 1/3 chiều cao răng

2.5.11 Chiều cao gông rotor (hg2) t g2 r2 2

2.5.12 Làm nghiên rãnh ở rotor (b n ) Độ nghiên bằng 1 bước rãnh stator : bn = t1 = 12,57 (mm)

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

2.6.1 Chiều dài dây quấn stator

Chiều dài phần đầu nối của dây quấn stator : d1 d1 y

- Kd1 : 1,3 ; B = 10 ( tra bảng 3-4 trang 69 của [1])

Chiều dài trung bình nửa vòng dây của dây quấn stator : tb 1 d1

L  l  L  62,1  111,82  173,92(mm) (2.51) Chiều dài dây quấn một pha của stator :

2.6.2 Điện trở tác dụng của dây quấn stator

- ρ 75 : điện trở xuất của đồng ở nhiệt độ 75C

- n : số sợi ghép song song 1

- s 1 : tiết diện dây dẫn chọn, chọn ở mục 2.3.5

- a 1 = 1 : số mạch nhánh song song

2.6.3 Điện trở tác dụng của dây quấn rotor ( r td )

Trong đó : ρAl : điện trở suất của nhôm

Sr2 : điện tích rãnh rotor, đã tính ở 2.5.9 l2 : chiều dài lõi sắt rotor , tính ở 2.2.5

2.6.4 Điện trở vành ngắn mạch(r v )

- D : đường kính vành ngắn mạch , tính ở 2.5.8 v

- S : diện tích vành ngắn mạch, tính ở 2.5.6 v

- w 1 : số vòng dây nối tiếp 1 pha, tính ở 2.3.4

- k d : hệ số dây quấn, tính ở 2.3.7

 Điện trở rotor đã quy đổi (r 2 ' )

2.6.6 Hệ số từ dẫn tản stator

Hệ số từ dẫn tản rãnh stator λr1 :

Hệ số từ dẫn tạp stator:

Hệ số từ tản phần đầu nối:

 Hệ số từ dẫn tản stator:

2.6.7 Điện kháng dây quấn stator

F: tổng sức từ động của mạch từ Dv

2.6.8 Hệ số từ dẫn tản rotor

Hệ số từ dẫn tản rãnh roto λ r2 :

Hệ số từ dẫn tạp roto λ t2 :

2.6.9 Điện kháng dây quấn rotor Điện kháng tản dây quấn rotor:

2 1 2 2 x 7,9.f l Σλ 10  7,9.50.6,21.6,73.10  1,65.10  (Ω ) (2.70) Điện kháng rotor đã quy đổi:

2.6.10 Tham số của động cơ điện khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s=1

Tính hệ số quy đổi chiều cao rãnh rotor khi mở máy (s=1): ξ 0,067.a s 0,067.14,5 1 0,97   (2.72) Trong đó:

- ξ: là chiều cao tương đối

- a: là chiều cao của đồng hay nhôm trong rãnh r 2 42 a h h 15 0,5 14,5  (mm)

- h : chiều cao miệng rãnh rotor 42

Theo hình 10-13 trang 256 của [1] khi: ξ=0,97 tra ra ψ 3,8 ,φ 0,2

 Điện trở thanh dẫn khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s=1:

 Điện trở rotor khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s=1:

     (Ω ) (2.74) Điện trở rotor đã quy đổi:

 Hệ số từ dẫn rãnh rotor khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s=1:

 Tổng hệ số từ dẫn rotor khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s=1:

 Điện kháng rotor khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài :

 Tổng trở ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s=1:

- r 1 : điện trở tác dụng của dây quấn stator, tính ở 2.6.2

- x 1 : điện kháng dây quấn stator, tính ở 2.6.7

 Dòng điện ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài s=1: nξ nξ

2.6.11 Tham số của động cơ điện khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa của mạch từ tản với s=1

Sơ bộ của hệ số bão hòa k =1,3 trang 259 [1] bh

 Dòng điện ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa của mạch từ tản nbhξ bh nξ

 Sức từ động trung bình của một rãnh stator: nbhξ r1 1 zbh β y d

- u r1 : số thanh dẫn tác dụng của một rãnh, tính ở 2.3.3

- a 1 : số mạch nhánh song song

- k y : hệ số bước ngắn, tính ở 2.3.7

- k d : hệ số dây quấn, tính ở 2.3.7 bh

 Mật độ từ thông quy đổi trong khe hở không khí:

Theo hình 10-15 trang 260 [1] tra ra: χ δ 0,82

 Hệ số từ dẫn tản rãnh stator khi xét đến bão hòa mạch từ tản: r1bh r1 1bh λ λ λ 1,27 0,93 0,34  (2.88) Trong đó:

 Hệ số từ dẫn tạp stator khi xét đến bão hòa mạch từ tản: t1bh t1 δ λ λ χ 3,09.0,82 2,53 (2.90) Trong đó:

- λ : là hệ số từ dẫn tạp, tính ở 2.6.6 t1

 Tổng hệ số từ tản stator khi xét đến bão hòa mạch từ tản:

 Điện kháng stator khi xét đến bão hòa mạch từ tản:

 Hệ số từ tản rãnh rotor khi xét đến bão hòa mạch từ tản và hiệu ứng mặt ngoài: r 2ξbh r 2ξ 2bh λ λ Δλ 4,01 0,28 3,73  (2.93) Với:

 Hệ số từ tản tạp rotor khi xét đến bão hòa mạch từ tản: t bh 2 t2.x  0,82.5,31 4,35

 Tổng hệ số từ tản rotor khi xét đến bão hòa mạch từ tản và hiệu ứng mặt ngoài:

 Điện kháng rotor khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa của mạch từ tản:

 Các tham số ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa của mạch từ tản: n 1 2

Xác định đặc tính làm việc và khởi động

Các thông số đã tính được: r1 18, 24() x1 27, 6()

P là tổn hao thép Fe

I :  dòng điện từ hóa, tính ở 2.6.7

Hệ số trượt định mức:

Hệ số trượt tại mômen cực đại:

Ta được bảng đặc tính làm việc:

Bảng 2-1: Bảng đặc tính làm việc

Công thức Đơn vị Hệ số trượt s

Bội số mômen cực đại: max

Mdm: mômen định mức s : hệ số trượt max m sdm: hệ số trượt định mức

I2m, I 2dm : trong bảng đặc tính làm việc

Dựa vào bảng 1 của TCVN 1987-1994 ta thấy bội số mômen cực đại khi tính toán lớn hơn bội số mômen cực đại của mục tiêu thiết kế

Bội số mô men cực đại khi tính toán mmaxtt = 2,36 < mmax = 2,2 ( bội số momen cực đại của mục tiêu thiết kế) với sai số 16%, vượt quá sai số cho phép 5%

2.7.2 Đặc tính khởi động a, Dòng điện khởi động

 : là tổng trở ngắn mạch bão hòa mạch từ, tính ở 2.6.11 b, Bội số dòng điện khởi động: k k 1dm

Dựa vào bảng 1 của TCVN 1987-1994 ta thấy bội số dòng điện khởi động khi tính toán lớn hơn bội số dòng điện khởi động của mục tiêu thiết kế với iktt = 4,56 > ik = 4,5 ( bội số mở máy của mục tiêu thiết kế) với sai số 6 % và bội số dòng điện khởi động nằm trong khoảng giá trị giới hạn 4 - 7

→ Bội số dòng điện khởi động khi tính toán đã đã không vượt quá sai số cho phép nên đạt yêu với mục tiêu thiết kế c, Bội số mômen khởi động:

- r 2   : điện trở đã quy đổi khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài, tính ở 2.6.10

- r : điện trở đã quy đổi, tính ở 2.6.5 2 '

- 2dm  : dòng điện đã tính trong bảng 2.1

Dựa vào bảng 1 của TCVN 1987-1994 ta thấy bội số mômen khởi động khi tính toán nhỏ hơn bội số mômen khởi động của mục tiêu thiết kế với mktt 1,93 < mk = 2 ( bội số momen khởi động của mục tiêu thiết kế) với sai số 7% và bội số momen khởi động mk > 1

→ Bội số mômen khởi động khi tính toán đã không vượt quá sai số cho phép nên đạt yêu cầu với mục tiêu thiết kế.