Bộ Công thơng Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt nam hungari ************ Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài : Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ĐộNG CƠ ĐIệN MÔMEN KHởI ĐộNG CAO Có CÔNG SUấT 90 kW Mã số: 108.11RD/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: KS. Trần Quang Tâm 8972 Hà Nội 12/2011 Bộ Công thơng Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt nam hungari ************ Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài : Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ĐộNG CƠ ĐIệN MÔMEN KHởI ĐộNG CAO Có CÔNG SUấT 90 kW Mã số: 108.11RD/HĐ-KHCN Thực hiện theo Hợp đồng Đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, số 108.11RD/HĐ-KHCN ngày 23 tháng 03 năm 2011 giữa Bộ Công Thơng và Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari Chủ nhiệm đề tài: KS.Trần Quang Tâm Các thành viên tham gia: 1, KS. Trần Quang Tâm 2, KS. Hà Đình Minh 3, KS. Lê Vinh Hoàn 4, KS. Hoàng Khải Hoàn 5, KS. Lê Sỹ Phú 6, KS.Vũ Văn Thông 7, KS. Phạm Thái Sơn 8, KS. Nguyễn Văn Hiếu Hà Nội 12/2011 Cơ quan chủ trì Hà Đình Minh Chủ nhiệm Đề tài KS. Trần Q uan g Tâm 1 Mục lục Nội dung Trang Chú thích một số ký hiệu sử dụng trong báo cáo 4 TÓM TẮT NHIỆM VỤ 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7 1. Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ 7 1.1 Đại cương về động cơ điện không đồng bộ 7 1.2 Tiêu chuẩn quy định tính năng khởi động của động cơ không đồng bộ 8 2. Đặc tính khởi động của động cơ không đồ ng bộ 11 2.1 Quá trình khởi động của động cơ không đồng bộ 11 2.2 Các phương pháp khởi động cho động cơ không đồng bộ 12 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 19 1. Sự cần thiết chế tạo động cơ mô men khởi động cao và tính chọn công suất máy phát cho hệ máy phát-động cơ 19 1.1 Sự cần thiết của động cơ mô men khởi động cao 19 1.2 Tính toán lựa chọn công suất máy phát cho hệ máy phát-động cơ 19 2. Các phương pháp nâng cao mô men khởi động động cơ không đồng bộ 20 2.1 Các yếu tố quyết định đặc tính khởi động của động cơ 20 2.2 Các phương pháp nâng cao mô men khởi động của động cơ không đồng bộ 23 3. Tính toán sơ bộ động cơ không đồng bộ 28 3.1 Số liệu đầu vào thiết kế 28 3.2 Chọn tham số thiết kế 28 3.3 Trình tự tính toán thiết kế động cơ mô men khởi độ ng cao trên phần mềm SPEED 39 4. Công nghệ sản xuất động cơ mô men khởi động cao 41 4.1 Công nghệ chế tạo phần điện từ của động cơ điện 41 4.2 Công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí 43 4.3 Công nghệ lắp ráp 45 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN 47 1. Các chỉ tiêu chất lượng chủ yếu động cơ 47 2. Hướng dẫn vận hành và bảo dưỡ ng động cơ 48 2.1 Hướng dẫn vận hành 48 2.2 Bảo dưỡng và bảo quản 48 3, Những khó khăn khi thực hiện hiện đề tài 48 4, Hiệu quả thực hiện đề tài 49 Phụ lục I: Bảng so sánh chất lượng chủ yếu của động cơ mô men khởi động cao 52 Phụ luc II: Kết quả thí nghiệm động cơ mô men khởi động cao 53 Phụ lục III: Kết quả tính toán độ ng cơ mô men khởi động cao trên phần mềm 54 thiết kế động cơ Speed 54 Phụ lục IV: Một số hình ảnh chế tạo động cơ mô men khởi động cao công suất 63 90 kW-1000 r/min tại Công ty VIHEM 63 Phụ lục V: Một số hình ảnh động cơ mô men khởi động cao 90 kW-1000 r/min gắn trên máy búa rung đóng cọc tại đơn vị thi công 65 Phụ lục VI: Quyết định giao, Hợp đồng, Thuyết minh, Biên bản nghiệm thu cấp c ơ sở, Bài phản biện của hội đồng cấp cơ sở 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 2 MỞ ĐẦU Hiện nay, trong công nghiệp cũng như đời sống hằng ngày, động cơ điện có mô men khởi động cao được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong máy cán thép, máy đóng cọc, máy nghiền đá, cầu trục, máy tời vật liệu xây dựng, máy nén khí kiểu piston, v.v Trong lĩnh vực xây dựng, động cơ mô men khởi động cao được sử dụng trong máy tời, máy búa rung. Máy búa rung đóng cọc được sử dụng ở các công trình thi công mà phần lớn chưa có đủ cơ sở hạ tầng về cấp điện, nên chủ yếu máy búa rung đóng cọc được cấp nguồn từ máy phát điện. Do vậy, vấn đề giảm dòng điện khởi động nhưng vẫn đảm bảo mô men khởi động lớn hơn hoặc bằng mô men cản ban đầu là vấn đề đặc biệt có ý nghĩa, vì giảm dòng đi ện khởi động sẽ giảm được công suất toàn phần của máy phát và dẫn tới giảm chi phí đầu tư, vận hành trên công trường. Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết đó, Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari đã chủ động khảo sát tính năng động cơ mô men cao do Nhật bản sản xuất và tiến hành nghiên cứu thiết kế và nghiên cứu công nghệ chế tạo độ ng cơ mô men cao dựa trên các thiết bị sẵn có của Công ty nhằm giảm chi phí sản xuất xuống mức tối thiểu. Năm 2010, Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari đã đề xuất đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo động cơ điện mô men khởi động cao có công suất 90kW”, đề tài đã được Bộ Công Thương phê duyệt qua hợp đồng số 108.11RD/HĐ-KHCN, ký ngày 23 tháng 03 năm 2011 Căn cứ theo hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari phải hoàn thành các sản phẩm khoa học công nghệ sau: 3 Mức chất lượng Mẫu tương tự TT Tên sản phẩm và chỉ tiêu chất lượng chủ yếu Đơn vị đo Kết quả đạt được Trong nước Thế giới Số lượng sản phẩm tạo ra (bộ) 1. Động cơ điện mô men khởi động cao có công suất 90kW; tốc độ 1000 r/min 3K355-6-MC IPNNPY 02 - Điện áp định mức V 380/660 200 - Dòng điện định mức A 190/110 358 - Tần số nguồn điện Hz 50 50 - Mô men khởi động/Mô men định mức Lần 3,0 2,85 - Dòng điện khởi động/Dòng điện định mức Lần ≤6,5 6,0 - Cấp cách điện F F - Chế độ làm việc S 2 -60min S 2 -60min Tài liệu: Hoàn thành đầy đủ các thiết kế: tính toán thiết kế điện từ, các bản vẽ thiết kế kết cấu, các chỉ dẫn công nghệ gia công chi tiết, chỉ dẫn công nghệ điện, kết quả thử nghiệm, so sánh chất lượng sản phẩm đạt được với sản phẩm mẫu của Nhật Bản và đối chiếu với tiêu chuẩn Quốc gia củ a hiệp hội các nhà sản xuất máy điện Mỹ (National Electrical Manufacturers Association) viết tắt là NEMA, báo cáo định kỳ, báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài. Trong bản báo cáo tổng kết này sẽ lần lượt trình bày chi tiết các nội dung đã thực hiện trong đề tài. 4 Chú thích một số ký hiệu sử dụng trong báo cáo P’(kVA) Công suất tính toán của động cơ x 1 (Ω) Điện kháng tản dây quấn Stato P’ kgt (kVA) Công suất khởi động gián tiếp của động cơ x’ 2 (Ω) Điện kháng tản dây quấn rô to quy đổi về Stato P’ k (kVA) Công suất khởi động của động cơ x n (Ω) Điện kháng ngắn mạch P đm (kW) Công suất định mức của động cơ x * n (%) Điện kháng ngắn mạch tương đối M đm (N.m) Mô men định mức r 1 (Ω) Điện trở dây quấn stato M đt (N.m) Mô men điện từ của động cơ r’ 2 (Ω) Điện trở dây quấn rôto quy đổi về stato m k (lần) Bội số mô men khởi động so với mô men định mức k Hệ số suy giảm điện áp I k (A) Dòng điện khởi động động cơ k T Hệ số biến áp của biến áp tự ngẫu I’ kf (A) Dòng điện khởi động pha I nh (A) Dòng điện ngắn hạn i k (lần) Bội số dòng điện khởi động động cơ so với dòng điện định mức I dh (A) Dòng điện dài hạn I µ (A) Dòng điện từ hóa của động cơ t nh (s) Thời gian chạy ngắn hạn I 0 (A) Dòng điện không tải T ck (s) Chu kỳ làm việc ngắn hạn U L (V) Điện áp lưới J nhS2 (A/mm 2 ) Mật độ dòng điện ngắn hạn theo chế độ làm việc S 2 -60min D n (mm) Đường kính ngoài Stato U pha-vỏ Điện áp thử cách điện pha-vỏ D(mm) Đường kính trong Stato R pha-vỏ Điện trở cách điện pha-vỏ k D Tỷ số giữa đường kính trong và đường kính ngoài R t1 Điện trở thuần dây quấn stato ở nhiệt độ t 1 D tR Đường kính trong rô to R t2 Điện trở thuần dây quấn stato sau khi thử phát nhiệt, nhiệt độ t 2 ω(rad/s) Tốc độ góc trên đầu trục động cơ ∆t Độ tăng nhiệt dây quấn stato ω 1 (rad/s) Tốc độ góc của từ trường stato S 2 -60 min Chế độ làm việc ngắn hạn S 2 , thời gian mang điện là 60 phút C 1 Hệ số Carter NEMA tiêu chuẩn Quốc gia của hiệp hội các nhà sản xuất máy điện Mỹ (National Electrical Manufacturers Association) 5 TÓM TẮT NHIỆM VỤ 1. Phương pháp thực hiện nhiệm vụ - Khảo sát có chọn lọc và phân tích các loại động cơ điện mô men cao đang sử dụng trong thiết bị nâng hạ, cầu trục, máy búa rung đóng cọc - Nghiên cứu, thiết kế sản phẩm dựa trên:kết quả phân tích thực nghiệm, số liệu khảo sát sản phẩm mẫu, yêu cầu của khách hàng và nghiên cứu các giải pháp công nghệ, v ật liệu chế tạo động cơ - Chế tạo thử nghiệm, thí nghiệm, đánh giá chất lượng của sản phẩm chế tạo được và so sánh với sản phẩm mẫu cùng loại. - Hoàn thiện thiết kế, hoàn thiện sản phẩm để sản phẩm tạo ra có chất lượng tương đương hoặc tốt hơn sản phẩm mẫu. Mục tiêu của đề tài: Chế tạo thành công động cơ điện 3 pha rôto lồng sóc mômen khởi động cao công suất 90kW-1000r/min, có mô men khởi động bằng 3 lần mô men định mức, dòng điện khởi động nhỏ hơn 6,5 lần dòng điện định mức, chế độ làm việc của động cơ là S 2 - 60min 2. Kết quả đạt được -Bộ bản vẽ thiết kế, bộ bản vẽ quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm của động cơ điện mô men khởi động cao có công suất 90kW, tốc độ 1000 r/min, chế độ S 2 - 60min Đã chế tạo thành công động cơ điện mô men cao có công suất 90kW, tốc độ 1000 r/min(số lượng 02 sản phẩm), có các tham số chính như bảng sau: 6 TT Tên tham số Đơn vị đo Thông số Kiểu động cơ 3K355-6-MC 1 Công suất định mức kW 90 2 Điện áp định mức V 380/660 3 Dòng điện định mức A 190/110 4 Tần số nguồn điện Hz 50 5 Tốc độ đầu trục r/min 960 6 Tỷ số mô men khởi động Lần 3,2 7 Tỷ số dòng điện khởi động Lần 6,5 8 Chế độ làm việc S 2 -60min 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ 1.1 Đại cương về động cơ điện không đồng bộ Động cơ điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều có kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và bảo quản thuận tiện, giá thành hạ, nên được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống dân sinh Trong nông nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng trong máy xay xát gạo, máy bơm, máy tuốt lúa, máy nghiền ngô, nghiền sắn, v.v, Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ được sử dụng chủ yếu, nó chiếm tới trên 90% trên tổng số các loại động cơ điện được sử dụng, động cơ điện được ứng dụng cho máy cán thép, máy tời, cẩu tháp, cẩu trụ c, máy nén khí, máy đập đá, máy đầm rung, máy đóng cọc, v.v, Phân loại động cơ điện không đồng bộ: động cơ không đồng bộ chủ yếu được phân loại thành động cơ không đồng bộ 1 pha và 3 pha, động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc(hay còn gọi là rô to ngắn mạch) và động cơ rô to dây quấn, ngoài ra còn có một số loại động cơ không đồng bộ đặc biệt khác nữa. Động cơ điệ n không đồng bộ có những nhược điểm nhất định như: cosϕ thấp, đặc tính điều chỉnh tốc độ khó khăn, mô men khởi động thường không cao. Nên tùy theo yêu cầu sử dụng mà người ta lựa chọn loại động cơ điện có đặc tính cơ phù hợp Trước kia, do công nghệ điện tử chưa phát triển nên trong các ứng dụng điều tốc, ngườ i ta thường sử dụng động cơ điện một chiều với kết cấu phức tạp nhưng điều tốc dễ dàng nhưng ngày nay động cơ một chiều đã dần bị thay thế bởi hệ động cơ không đồng bộ lồng sóc và bộ biến tần, trong những ứng dụng cần mô men khởi động cao, chế độ khởi động dưới t ải, nặng nề như: cán thép, động cơ nghiền bi trong xi măng, v.v, , người ta có thể dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp hoặc đơn giản hơn là động cơ không đồng bộ rô to dây quấn với bộ khởi động bằng điện trở phụ đưa vào mạch điện rô to nhằm giảm dòng điện khởi động và 8 tăng mô men khởi động. Tuy nhiên, phương pháp chọn động cơ không đồng bộ rô to dây quấn với bộ khởi động bằng điện trở vẫn chưa phải ưu việt do giá thành động cơ không đồng bộ rô to dây quấn vẫn khá cao(gấp khoảng 1,5 lần động cơ kiểu lồng sóc) cộng thêm chi phí của bộ khởi động bằng điện trở. Trong thiết kê, từ lâu người ta đ ã nghĩ đến việc cải tiến đặc tính khởi động của động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc với mục tiêu nâng cao mô men khởi động và giảm dòng điện khởi động bằng cách tăng điện trở rô to, tăng hiệu ứng mặt ngoài thanh dẫn rô to dựa trên các dạng rãnh rô to có hình dạng đặc biệt. Ngày nay trong thiết kế người ta đã phân loại động cơ không đồng bộ rô to lồ ng sóc theo các tiêu chí về hiệu suất, chế độ làm việc và đặc tính khởi động, đặc tính cực đại, v.v, để việc lựa chọn động cơ theo ứng dụng được thuận lợi và chính xác. Ở Việt Nam, hiện nay có tiêu chuẩn TCVN 1987-94 và IEC 60034-1, tiêu chuẩn TCVN 7540, quy định về hiệu suất, cosϕ, phương pháp thử nghiệm điện, chế độ làm việc, nhưng chưa có tiêu chuẩn quy định chi tiết phân loại đặc tính kh ởi động, đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Trên thế giới, mỗi vùng lãnh thổ đều có những tiêu chuẩn riêng quy định chi tiết phân loại thiết kế động cơ không đồng bộ theo hiệu suất, phân loại theo đặc tính khởi động, chế độ làm việc. Để cụ thể hóa, ở đây ta lấy tiêu chuẩn Quốc gia của hiệp hội các nhà sản xuất máy điệ n Mỹ (National Electrical Manufacturers Association) viết tắt là NEMA làm căn cứ thiết kế, chế tạo động cơ mô-men cao. Tiêu chuẩn NEMA phiên bản MG10 ban hành năm 2001 hướng dẫn lựa chọn tính năng động cơ không đồng bộ, rô to lồng sóc nhiều pha, công suất trung bình. Sau đây ta nghiên cứu nội dung của tiêu chuẩn này quy định về mô men khởi động của động cơ không đồng bộ 1.2 Tiêu chuẩn quy định tính năng khởi động của động cơ không đồng bộ 1.2.1 Theo tiêu chuẩn NEMA, động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc được chia làm 4 loại tùy theo thiết kế(Design): A, B, C và D [...]... nâng mô men khởi động, mô men khởi động của động cơ thiết kế C lớn hơn động cơ thiết kế A 10 và B nhưng nhỏ hơn D, động cơ thiết kế C có hệ số trượt không quá cao (1%≤ s ≤ 5%) Hiệu suất của động cơ thiết kế C cao hơn thiết kế D và nhỏ hơn so với A và B - Thiết kế D(NEMA) có tỷ số mô men khởi động cao nhất nhưng thiết kế D cũng có hệ số trượt lớn nhất (s ≥ 5%), do vậy động cơ thiết kế D có hiệu suất thấp... ứng dụng khởi động nặng nề, tần xuất khởi động lớn mới lựa chọn động cơ kiểu này 2 Đặc tính khởi động của động cơ không đồng bộ 2.1 Quá trình khởi động của động cơ không đồng bộ Trong quá trình khởi động động cơ điện, mô men khởi động là đặc tính chủ yếu nhất trong những đặc tính khởi động của động cơ điện Muốn cho máy quay được thì mô men khởi động của động cơ điện phải lớn hơn mô men tải tĩnh và mô... Có khi yêu cầu mô men khởi động lớn, có khi cần hạn chế dòng điện khởi động và có khi cần cả hai Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng khởi động thích ứng Trong nhiều trường hợp, do phương pháp khởi động hay do chọn động cơ điện có tính năng khởi động không thích đáng nên thường hỏng máy Nói chung khi khởi động một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau: 1 Phải có mô men khởi. .. tính mô men của động cơ không đồng bộ theo thiết kế A,B,C,D(NEMA) hay N và H theo IEC (Hình 1.1) *Nhận xét: - Thiết kế A và B(NEMA) hay N (theo IEC) là dạng động cơ có mô men khởi động thường(thấp hơn so với thiết kế C và D), hệ số trượt nhỏ, hiệu suất động cơ ở mức trung bình (động cơ thông dụng EFF2) hoặc mức cao (động cơ hiệu suất cao EFF1) - Thiết kế C(NEMA) hay H(theo IEC) là dạng động cơ đặc biệt để... đầu cực động cơ điện U’k sẽ nhỏ hơn điện áp lưới U1(hình H1.3) Gọi dòng điện khởi động và mô men khởi động khi khởi động trực tiếp là Ik và Mk Sau khi thêm điện kháng vào, dòng điện khởi động là I’k = kIk trong đó k . trình công nghệ chế tạo sản phẩm của động cơ điện mô men khởi động cao có công suất 9 0kW, tốc độ 1000 r/min, chế độ S 2 - 60min Đã chế tạo thành công động cơ điện mô men cao có công suất 9 0kW, . Năm 2010, Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari đã đề xuất đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo động cơ điện mô men khởi động cao có công suất 9 0kW , đề tài đã được Bộ Công Thương. chế tạo máy điện Việt nam hungari ************ Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài : Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ĐộNG CƠ ĐIệN MÔMEN KHởI ĐộNG CAO Có CÔNG SUấT 90 kW