Chương 2 XÁC ĐNNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU 2.1. NHỮNG TRN SỐ ĐNNH MỨC Khi thiết kế một máy điện không đồng bộ cần phải biết những trị số định mức và phương thức làm việc của máy. Những số liệu đó gồm có: - Công suất định mức đầu trục P đm , kW; - Điện áp định mức (điện áp dây) U đm , V; - Cách đấu dây (Y hay ); - Tần số định mức f đm , Hz; - Tốc độ quay đồng bộ n đb , vg/ph; - Kiểu máy (bảo vệ, kín, ); - Cấp cách điện. Nếu không có yêu cầu đặc biệt gì thêm thì máy điện không đồng bộ đó làm việc ở chế độ liên tục và tính năng của máy thiết kế ra ở công suất định mức phải đạt những trị số quy định của tiêu chuNn nhà nước. N hững tham số chỉ đặc điểm kỹ thuật của động cơ điện không đồng bộ mà tiêu chuNn nhà nước quy định gồm có: hiệu suất, hệ số công suất cos, bội số mômen cực đại âm max M M M m . Đối với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc còn thêm bội số mômen khởi động âm K K M M m , bội số dòng điện khởi động âm k I I I m và có khi cả bội số mômen cực tiểu trong quá trình mở máy âm M M min . Tiêu chuNn nhà nước Liên Xô về tính năng động cơ điện không đồng bộ dãy 4A được ghi trong phụ lục III. Sau khi biết những tham số định mức, khi tính toán cần biết thêm các tham số sau: - Số đôi cực: âb n f 60 p - Dòng điện pha định mức (giả thiết): âmmâ1âm âm âm cos3.U P I , A trong đó: U 1đm - điện áp pha định mức tính theo số liệu định mức của máy; hệ số công suất cos đm và hệu suất đm - căn cứ theo tiêu chuNn nhà nước (lúc đầu giả thiết những tham số này bằng trị số do tiêu chuNn nhà nước quy định, cho ở bảng 1-2). 2.2. XÁC ĐNNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU N hững kích thước chủ yếu của máy điện không đồng bộ là đường kính trong lõi sắt stato D và chiều dài lõi sắt l . Mục đích của việc chọn kích thước chủ yếu này là để cho máy điện chế tạo ra có tính kinh tế cao và tính năng phù hợp với các tiêu chuNn của nhà nước. Tính kinh tế của máy không phải chỉ xét về mặt sử dụng vật liệu 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 chi tiết gia công cơ khí, chi tiết tiêu chuNn hóa, chu kỳ sản xuất một máy v.v Kích thước D và l phụ thuộc vào công suất, tốc độ quay, tải điện và từ của máy. Có thể thấy điều đó trong cách dẫn giải sau: Công suất điện từ của máy bằng: , kVA trong đó: m 1 = số p 3 11 ' 10ImEP (2-1) ha của dâ y quấn stato. quấn stato, V; o E 1 = sức điện động pha của dây I 1 = dòng điện pha trong dây quấn stato, A. D 1dq11s 1 E k N f k 4 , V số f 1 = (pn )/60 , Wb bước cực : Tần 1 Bl và từ thông p2 D tải đường âm 11 I D Nm2 A s ệ số dạng sóng c Đó là tỷ số giữa trị số hiệu k dq1 = p của một pha stator; khe hở không khí, Tesla; Thế và c: trong đó: k = h ủa đường cong từ trường. dụng với trị số bình quân của mật độ từ thông khe hở không khí; hệ số dây quấn stator; N 1 = số vòng dây nối nối tiế = hệ số bước cực; B = mật độ từ thông l = chiều dài tính toán của lõi sắt stato, m; p = số đôi cực. o công (2-1) sẽ đượ A dqs ' âb C ABkk , P n lD 2 1 7 1016 (2-2) Theo công thức (2-2) ta thấy, ở những máy điện thông thường , k dq , k s không đổi, khi A và B cũng không đổi thì cùng một kết cấu hệ số C A là một số không đổi, do đó các kích thước của máy điện chỉ phụ thuộc vào tải điện từ A và B . N hư vậy D 2 l phụ thuộc vào P’/n đb , nghĩa là khi có một thể tích máy D 2 l như nhau thì máy nào có tốc độ cao máy ấy sẽ có công suất lớn hơn hay nói một cách khác khi công suất bằng nhau thì máy nào có tốc độ lớn máy ấy sẽ có thể tích nhỏ. N hưng do công suất khác nhau nên yêu cầu về tính năng cũng có khác như hiệu suất, cos . Mặt khác tải điện và từ A, B và điều kiện thông gió làm nguội máy cũng khác nhau đôi chút nên hệ số C A cũng có thay đổi phần nào theo công suất. Hệ số C A gọi là hằng số máy điện hay hằng số Arnold. Công thức (2-2) có thể viết thành: (2-3) ABnlDCP âb 2'' trong đó 7 1 1016 , k k C dqs ' là một hệ số. Trong máy điện thông thường, hệ số đó có thể coi là một số không đổi. Thực tế cho thấy rằng, việc nâng cao phNm chất của vật liệu tác dụng, vật liệu cách điện, việc chọn hình dáng hình học của máy một cách hợp lý, hệ thống quạt gió tốt và hoàn thiện công nghệ chế tạo cho phép ngày càng nâng cao tải điện từ A và B , nhờ đó giảm được kích thước của máy mà vẫn giữ nguyên công suất. Khi xác định kích thước kết cấu của máy điện không đồng bộ, giữa đường kính trong và ngoài của lõi sắt stato có một quan hệ nhất định: n D D D k (2-4) Quan hệ này phụ thuộc vào số đôi cực từ và được nêu trong bảng 2.1 Bảng 2-1. Trị số của k D 2p 2 4 6 8-12 k D 0,52-0,57 0,64-0,68 0,7-0,72 0,74-0,77 Đường kính ngoài liên quan mật thiết với kết cấu máy, cấp cách điện và chiều cao tâm trục máy h đã được tiêu chuNn hoá. Vì vậy thường chọn D n theo theo chiều cao tâm trục h và từ đó tính ngược lại đường kính trong D. Căn cứ vào P 2 tìm được theo bảng 2-2 sẽ được chiều cao tâm trục h. Và xác định đường kính ngoài lõi sắt D n . Đường kính ngoài tính ra phải được quy về trị số đường kính tiêu chuNn. Việc tiêu chuNn hóa đường kính ngoài là căn cứ vào sự lợi dụng triệt để nhất các tấm tôn silic đồng thời kết hợp để cho khi hai công suất máy có cùng đường kính ngoài thì quan hệ giữa D và l của chúng phải nằm trong phạm vị kinh tế nhất. N goài ra việc tiêu chuNn hóa đường kính ngoài còn làm cho việc quản lý sản xuất đơn giản hơn. Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 1m thì lá tôn được dập nguyên tấm. Bảng 2-2. Chiều cao tâm trục tiêu chuẩn h, mm P 2 (kW) khi tốc độ đồng bộ n 1 (vòng/phút) h, mm 3000 1500 1000 750 600 500 56 0,18 0,25 0,12 0,18 - - - - - - - - 63 0,37 0,55 0,25 0,37 0,18 0,25 - - - - - - 71 0,75 1,1 0,55 0,75 0,37 0,55 0,25 - - - - - 80 1,5 2,2 1,1 1,5 0,75 1,1 0,37 0,55 - - - - 90 3 2,2 1,5 0,75 - - 100 4 5,5 3 4 2,2 - 1,5 - - - - - 112 7,5 - 5,5 - 3 4 2,2 3 - - - - 132 11 - 7,5 11 5,5 7,5 4 5,5 - - - - 160 15 18,5 15 18,5 11 15 7,5 11 - - - - 180 22 30 22 30 18,5 - 15 - - - - - 200 37 45 37 45 22 30 18,5 22 - - - - 225 55 55 37 30 - - 250 75 90 75 90 45 55 37 45 - - - - 280 110 132 110 132 75 90 55 75 - - - - 315 160 200 160 200 110 132 90 110 55 75 45 55 355 250 315 250 315 160 200 132 160 90 110 75 90 Ở nước ta hay dùng quan hệ giữa đường kính ngoài tiêu chuNn D n và công suất theo chiều cao tâm trục h của các động cơ điện không không đồng bộ Hungari dãy VZ cách điện cấp B và của N ga cách điện cấp F. Quan hệ đó được cho trong bảng 2-3. Bảng 2-3. Trị số của D n theo h h(mm) 50 65 63 71 80 90 100 112 132 160 D n (VZ,mm) 132 132 170 170 200 245 D n (4A,mm) 81 89 100 116 131 149 168 191 225 272 h(mm) 180 200 225 250 280 315 355 400 450 560 D n (VZ,mm) 280 320 370 390 425 520 540 D n (4A,mm) 313 349 392 437 520 590 660 740 850 990 Sau khi có đường kính ngoài D n , ta cũng có thể xác định đường kính trong D theo bảng 2-4 sau đây: Bảng 2-4. Đường kính trong theo số cực và đường kính ngoài 2p D n ,mm D=f(D n ),mm 2 80 360 D = 0,61.D n - 4 4 80 520 D = 0,68.D n - 5 6 80 590 D = 0,72.D n - 3 8 80 590 D = 0,72.D n - 3 10 và 12 500 990 D = 0,60.D n + 110 Các bước tính toán như sau: - Xác định công suất điện từ P’: 3 111 3 111 10.10.' IUkmIEmP E đmđm đm E P k P φcosη ' , kVA (2-5) trong đó 1 1 E U E =k là hệ số chỉ quan hệ giữa điện áp đặt vào với sức điện động sinh ra trong máy. Thường k E = 0,94 0,98. Có thể tra k E theo hình 2-2. Hình 2-2. Hệ số k E . Bước cực của máy bằng: p2 D = ,cm (2-6) Xác định chiều dài tính toán của lõi sắt stato l theo công thức (2-2): âbdqs ' nDABkk P, l 2 1 7 1016 ,cm (2-7a) Trị số của và k s phụ thuộc vào độ bão hòa của mạch từ răng vì khi mạch từ răng bão hòa, sự phân bố của từ trường trên khe hở không khí không phải là hình sin nữa. Trong những máy hiện nay thường chọn = 2/ = 0,64 và k s = 1,11 và cho rằng và k s là không đổi. Chiều dài tính toán của lõi sắt stato l từ công thức (2-7a) viết lại: âb nDABk 10P62,8 l 2 1dq 7' ,cm (2-7b) Hệ số dây quấn k dq lúc đầu chọn theo kiểu dây quấn. Đối với dây quấn một lớp bước đủ chọn k dq =0,95 0,96; với dây quấn hai lớp bước ngắn hoặc dây quấn một lớp có p = 1 lúc đầu có thể chọn k dq =0,90 0,92. Căn cứ vào bước cực D n theo hình 2- 4 sẽ chọn được trị số của A và B . Hình 2-4. B và A = f(D n ) với máy kiểu kín gió thổi ngoài vỏ. a. Chiều cao tâm trục h 132 mm b. Chiều cao tâm trục h = 160 250 mm Việc chọn A và B ảnh hưởng nhiều đến kích thước chủ yếu D và l . Đứng về mặt tiết kiệm vật liệu thì nên chọn A và B lớn. N hưng nếu A và B quá lớn thì máy sẽ có tình trạng quá nóng ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng. N goài ra tỷ số giữa A và B cũng ảnh hưởng đến đặc tính làm việc và mở máy của động cơ điện. Hệ số công suất cos của máy chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ giữa dòng điện từ hóa I với dòng điện định mức I đm . Theo lý thuyết về máy điện dòng điện từ hóa này bằng: 1dq11 kNm9,0 p F I ,A (2-8) trong đó: F = 1,6k k B - sức từ động của toàn mạch; k - hệ số xét đến độ bão hòa của các lõi sắt trong cả mạch từ; k - hệ số khe hở không khí; - khe hở không khí; m 1 , N 1 , k dq1 - số pha, số vòng dây nối tiếp của một pha, hệ số dây quấn của dây quấn stato. Vì tải đường âm1 11 I p2 Nm2 A nên âm1 11 I p Nm A và ta có : Ak Bkk 78,1= I I 1dq1 âm Từ đó ta thấy khi B tăng hoặc A giảm thì âm1 I I tăng và như vậy cos của máy sẽ thấp. Cũng theo công thức trên ta thấy đối với động cơ điện tốc độ thấp thì trị số của nhỏ, tương đối lớn nên âm1 I I lớn, vì vậy cos của máy tốc độ thấp sẽ thấp hơn so với máy tốc độ cao. Mômen cực đại M max , mômen khởi động M K của máy có liên quan đến điện kháng ngắn mạch x n ; x n càng nhỏ thì M max , M K càng lớn. Trị số tương đối của x n sau khi đã tính toán bằng B A U xI x * 1 n1 * n âm trong đó là hệ số chỉ từ thông tản. Khi và tích số AB không đổi thì trị số của cũng là một số không đổi, vì vậy muốn giảm nhỏ x n phải tăng B và giảm A. Quan hệ giữa A và B = f(D n ) vẽ trên hình 2.4 là căn cứ vào trị số bình quân của những máy đã thiết kế và có tính năng tốt, kiểu kín, thông gió hướng kính, cách điện cấp trở lên. Khi vẽ đã chú ý đến chiều hướng nâng cao tính chắc chắn, hiệu suất và cos của những động cơ điện hiện đại. N ếu thiết kế máy thông gió mạnh hướng trục thì có thể chọn A,B lớn hơn trị số trong hình vẽ quãng 3 5%. N ếu sử dụng cách điện cấp A thì hạ thấp trị số xuống 3 5%. Trong những máy kiểu kín, do tản nhiệt kém hơn kiểu bảo vệ nên sử dụng các trị số trong hình 2-4b; trong đó với máy đến 10kW, 2p = 4 dùng cách điện cấp E còn với máy trên 10kW, 2p = 4 thì phải dùng cách điện cấp cao hơn (B hoặc F). Trong các máy điện không đồng bộ công suất đến 100kW, vì lõi sắt ngắn hơn 25cm (cho phép lõi sắt stato dài đến 20 23cm, với máy kiểu bảo vệ có thể đến 24cm), tản nhiệt không khó khăn lắm nên giữa lõi sắt không có rãnh thông gió hướng kính và chiều dài tính toán của lõi sắt l bằng chiều dài thực của lõi sắt l 1 . Khi chiều dài lớn hơn 25 30 cm thì phải có rãnh thông gió hướng kính nên chiều dài lõi sắt lúc ấy bằng: gg1 b n ll (2.9) trong đó: n g và b g - số rãnh và chiều rộng rãnh thông gió ngang trục. Thường thiết kế b g = 1cm còn n g thì chọn sao cho chiều dài mỗi đoạn lõi sắt vào khoảng 4 6cm. Theo tính toán trên ta thấy việc chọn D và l cho một máy không phải chỉ đạt được một nhóm trị số. Có thể chọn D lớn l ngắn, cũng có thể chọn D nhỏ l dài, những trường hợp này đều có thể thỏa mãn yêu cầu về tính năng của máy. Vì vậy khi thiết kế phải căn cứ vào tình hình sản xuất mà tiến hành so sánh phương án một cách toàn diện để được một phương án kinh tế nhất, thường máy dài, đường kính nhỏ thì dùng ít vật liệu tác dụng (dây đồng, tôn silic) hơn nhưng tản nhiệt kém hơn máy ngắn, đường kính lớn. Quan hệ giữa D và l đối với cùng một loại máy có liên quan đến tính năng và chỉ tiêu kinh tế và được biểu thị bằng quan hệ l = , ở máy điện không đồng bộ qua những máy đã thiết kế chế tạo và có tính năng tốt thì nên nằm trong phạm vi gạch chéo của hình 2-5. Vì vậy khi bắt đầu thiết kế một máy mới, nên xét đến tỷ số và so sánh với hình 2-5 xem có nằm trong phạm vi kinh tế không. Hình 2-5. Quan hệ = f(p). . những tham số này bằng trị số do tiêu chuNn nhà nước quy định, cho ở bảng 1 -2) . 2. 2. XÁC ĐNNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU N hững kích thước chủ yếu của máy điện không đồng bộ là đường kính trong lõi. 22 30 22 30 18,5 - 15 - - - - - 20 0 37 45 37 45 22 30 18,5 22 - - - - 22 5 55 55 37 30 - - 25 0 75 90 75 90 45 55 37 45 - - - - 28 0 110 1 32 110 1 32 75. bảng 2- 3. Bảng 2- 3. Trị số của D n theo h h(mm) 50 65 63 71 80 90 100 1 12 1 32 160 D n (VZ,mm) 1 32 1 32 170 170 20 0 24 5 D n (4A,mm) 81 89 100 116 131 149 168 191 22 5 27 2 h(mm) 180 20 0