ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 Thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá nhằm đưa đất nước tiến kịp với các nền kinh tế của các nước trong khu vực và trên thế giới. Tốc độ phát triển kinh tế của một quốc gia phụ thuộc vào tốc độ phát triển của ngành năng lượng. Thường tốc độ phát triển của ngành công nghiệp phải cao hơn tốc độ phát triển chung của n ền kinh tế. Do đó ngành chế tạo máy điện đòi hỏi phải luôn đi trước 1 bước về công nghiệp và chất lượng nhằm đảm bảo tốc độ phát triển chung của toàn ngành và yêu cầu của nền kinh tế. Ngành chế tạo máy điện sản xuất ra các thiết bị điện phục vụ cho nền kinh tế như: Máy biến áp, động cơ điện dùng làm nguồ n động lực cho các loại thiết bị, công suất từ vài (w) đến hàng trăm (Kw). Với các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật trong bảng số liệu qua tính toán đã đạt được các yếu cầu của đề ra. Trong quá trình thiết kế em đã được sự chỉ dẫn tận tình của thầy Bùi Đức Hùng, em xin chân thành cảm ơn thầy. Trong thời gian ngắn cùng với kiến thức và kinh nghiệm có hạn, trong đồ án này không tránh khỏi nhữ ng sai sóy, em mong sự thông cảm và ý kiến của thầy cô và các bạn. Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2005 Sinh viên ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 PHẦN I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. I MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG. Động cơ điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều hai dây quấn và chỉ có cuộn dây phía sơ cấp nhận điện từ lưới điện với tần số không đổi (w 1 ) còn cuộn dây thứ hai (thứ cấp) được nối tắt lại hay được khép kín trên điện trở. Dòng điện trong dây quấn thứ cấp được sinh ra nhờ cảm ứng điện từ. Tần số w 2 là một hàm của tốc độ góc Ω của rôtô mà tốc độ này phụ thuộc vào mômen quay ở trên trục. Người ta thường dùng loại dây cơ phổ biến nhất là động cơ không đồng bộ có dây quấn Stato là dây quâns 3 pha đối xứng có cực tính xen kẽ, lấy điện từ lưới điện xoay chiều và dây quấn roto 3 pha hoặc nhiều pha đối xứng có cực tính xen kẽ những máy như vậy ta gọi tắ t là máy “không đồng bộ” các máy không đồng bộ kiểu khác gọi là máy không đồng bộ đặc biệt. Các náy không đồng bộ được dùng chủ yếu làm động cơ. Động cơ điện không đồng bọ là động cơ điện xoay chiều thông dụng nhất. II. PHÂN LOẠI: Căn cứ vào tố độ của roto và tốc độ từ trường quay người ta chia động cơ điện xoay chiều 3 pha ra làm 2 loại: - Động cơ điện đồng bộ. - Động cơ điện không đồng bộ. Theo phạm vi thiết kế, ta chỉ xét đến động cơ điện không đồng bộ 3 pha. Động cơ điện không đồng bộ 3 pha được nuôi bằ ng nguồn điện trong không gian 1 góc 120 0 điện. Khi đưa nguồn 3 pha vào dây quấn Stato, sẽ tạo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 từ trường quay với tốc độ đồng bộ M = 60 f/p với f: là tần số lưới điện đưa vào và P là số đố cật của máy. Từ trường quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt Rato và cảm ứng trên dây quấn đó là các sức điện động và dòng điện. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của Stato tạo thành từ thông tổng ở khe h ở. Dòng điện trong dây quấn roto tác dụng với từ thông khe hở. Dòng điện trong dây quấn roto tác dụng với từ thông khe hở này sinh ra mômen. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay (r) của rôto. Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũngkhác nhau. Để chỉ phạm vi tốc độ người ta thường dùng hệ số trượt S: 100 1 1 . n nn %S − = Như vậy khi: n ≤ n 1 Ù S ≤ 0, S ≤ 1: động cơ không đồng bộ n ≥ 0 Ù S ≤ 0 máy phát không đồng bộ n ≤ 0 Ù S ≥ 1 Hãm. Từ đó sẽ có 3 trường hợp tương ứng với các chế độ làm việc theo phạm vi hệ số trượt và tốc độ như sau; Trường hợp roto quay thuận với từ trường quay nhưng tốc độ nhỏ hơn tốc độ đồng b ộ (0 < n < n đb ) và (1 > S > 0) Trường hợp này tương ứng với chế độ động cơ điện. Trường hợp Roto quay thuận và nhanh hơn tốc độ đồng bộ (n > 1 và 5 < 0). Đây là chế độ máy phát điện không đồng bộ. Trường hợp Roto quay ngược với chiều từ trường quay (n < 0, S > 1), đây là chế độ hàm điệntừ. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 Vì nhà điện làm việc ở những tốc độ khác tốc độ đồng bộ của từ trường quay nên ta gọi là động cơ điện không đồng bộ. Căn cứ vào kiểu Roto có thể động cơ không đồng bộ 3 pha ra làm 2 loại. - Động cơ không đồng bộ 3 pha Roto ngắn mạch (lồng sóc). - Động cơ không đồng bộ 3 pha có dây quấn Động cơ có dây quấn Roto (ngắn mạch) lồng sóc là phổ biến nhất do giá thành rẻ, vận hành đơn giản, đảm bảo. Các động cơ này có đặc tính cơ ứng (khi tải thay đổi từ thông đến định mức thì tốc độ quay của chúng giảm tất cả khoảng (2 ÷ 5%)… Các động cơ Roto lồng sóc có mômen mở máy khá lớn, tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm trên chúng ta có những nhược điểm sau: Khó điều chỉnh tốc độ bằng phẳ ng trong phạm vi rộng, cần dòng điện mở máy từ lưới lớn (vượt tới 5 ÷7 lần I đm ) và hệ số công suất của loại này thấp. Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc nhiều tốc độ và dùng Roto rãnh sâu lồng sóc kép đẻe hạ dòng điện khởi động, đồng thời mômen khởi động cũng được tăng lên. Với động cơ Roto dây quấn (hay động cơ vành trượt) thì loại trừ được nhữ ng nhược điểm trên nhưng làm cho kết cấu Roto phức tạp, nên khó chế tạo và đắt tiền hơn động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc (khoảng 1,5 làn). Do đó động cơ không đông bộ Roto dây quấn chỉ được sử dụng trong điều kiện mở máy nặng nề, cũng như khi cần phải điều chỉnh bằng phẳng tốc độ quay. Loại động cơ này đôi khi được dùng nối cấp với các máy khoá. Nối cấp máy không đồng bộ cho phép điều chỉnh tốc độ quay mọt cách bằng phẳng trong phạm vi rộng với hệ số công suất cao. Xong do giá thành cao nên không thông dụng. Trong động cơ không đồng bộ Roto dây quấn các pha dây quấn Roto nối hình sao và các đầu ra của chúng được nối với 3 vành trượt. Nhờ các chổi điện tiếp xúc với vành trượt nên có thể đưa điện tr ở phụ vào trong mạch Roto để thay đổi đặc tính làm việc của máy. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 Các động cơ không đồng bộ do các nhà máy chế tạo ra phải làm việc trong những điều kiện nhất định với những số liệu xác định gọi là số liệu định mức (Sổ tay kỹ thuật điện). Những số liệu định mức của động cơ không đồng bộ được ghi trên nhãn của nhà máy chế tạo và được gắn trên thân máy đó là: Công suất do động c ơ sinh ra P đm = P 2đm Tần số lưới: f 1 Điện áp dây quấn Stato: U 1đm Dòng điện dây quấn Stato: I 1đm Tốc độ quay Roto: n đm Hệ số công suất: cosϕ đm Hiệu suất: η đm Nếu dây quấn 3 pha Stato có đưa ra các đầu ra và cuối pha để có thể đấu thành hình sao cho hay tam giá thì điện áp dây và dòng điện dây với mỗi một cách đấu có thể (Y/A) được ghi dưới dạng phân số (U dY /U dΔ ) và (I dy / I dΔ ). Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ biến đổi trong phạm vi rất rộng. Công suất định mức từ mấy phần w đến hành chục nghìn Kw. Tốc độ quay đồng bộ định mức n 1đm = 60f 1 /p với tần số lưới Hz thì M đm từ (300 ÷ 500 vòng/phút) trong những trường hợp đặc biệt còn lớn hơn nữa (tốc độ quay định mức của Roto thường nhỏ thì tốt hơn tốc độ quay đồng bộ 2% ÷ 5% trong các động cơ nhỏ thì tới 5% ÷ 20%. Điện áp định mức từ 24V đến 10V) (trị số lớn ứng với công suất lớn). Hiệu suất định mức của các động c ơ không đồng bộ tăng theo công suất và tốc độ quay của chúng khi công suất lớn hơn 0,5Kw hiệu suất nằm trong khoảng 0,65 ÷ 0,95. Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ bằng tỷ số giữa công suất toàn phần và công suất toàn phần nhận được từ lưới: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 2 1 2 1 1 QP P cos + =ϕ Hệ số công suất cũng đồng thời tăng lên với chiều tăng công suất và tốc độ quay của động cơ. Khi công suất lớn hơn 1Kw, hệ số công suất vào khoảng 0,7 ÷ 0,9 còn các động cơ nhỏ khoảng (0,3 ÷ 0,7). III. NHIỆM VỤ VÀ TRÌNH TỰ THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN. Nhiệm vụ thiết kế máy điện được xác định từ hai yếu cầu sau. - Yêu cầu từ phía Nhà nước bao gồm các tiêu chuẩn Nhà nước các yêu cầu do đó Nhà nước quy định. - Yêu cầu phải từ phía nhà máy và người tiêu dùng thông qua các hợp đồng ký kết. Nhiệm vụ của người ký kết là đảm bảo các tính năng kỹ thuật của sản phẩm đạt các chỉ tiêu chuẩn nhà nước quy định và tìm khả năng hạ giá thành để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Các bước thiết kế gồm có: Thiết kế điện từ Nhiệm vụ của người thiết kế trong giai đoạn này là theo trình tự thiết kế điện từ, xác định phương án hợp lý, có thể tính bằng tay hoặc nhờ vào máy tính, phương án này phải thoả mãn yêu cầu về tính năng kỹ thuật theo tiêu chuẩ n nhà nước đồng thời giá thành phải thấp nhất. Trong phương án phải xác định toàn bộ kích thước: lõi sắt, Stato, Roto, kết cấu cách điện. Ngoài ra còn phảI tính toán nhiệt để đảm bảo khi làm việc ổn định ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt không vượt quá tiêu chuẩn quy định. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 Thiết kế kết cấu: Trong giai đoạn này phải xác định kết cấu cụ thể về phương thức thông gió và làm nguội, kết cấu cố định dây quấn trong rãnh là phần đầu nối, kết cấu cụ thể về cách bôi trơn ở đó, kết cấu thân máy và lắp máy…. Theo yêu cầu và nhiệm vụ của thiết kế tốt nghiệp, trình tự thiết kế được tiế n hành như sau: 1. Tính toán kích thước cơ bản 2. Tính toán điện từ 3. Tính toán nhiệt 4. Tính hiệu quả kinh tế Hoàn thành các bản vẽ lắp ráp, sơ đồ dây quấn và đặc tính của động cơ. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 PHẦN II. THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN CHƯƠNG I: TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU. 1. Các kích thước chủ yếu phụ thuộc qua thông số của công thức sau: C A : δδδ α = δ B.A.K.K. 10.1,6 P n.l.D d 72 C A : Hằng số máy điện. + n: Tốc độ đồng bộ với 2p = 4 ta có: p/v1500 2 50.60 p f60 n 1 === + α 5 : hệ số cụm cực từ, lấy 64,0 2 5 = π =α + K s : Hệ số sóng lấy 1,1 22 K s = π = + K d : hệ số dấy quấn Với P = 2,2 (Kw) và 2p = U ta chọn K d = 0,95 ÷ 0,96 Chọn K d = 0,955 + D: đường kính trong của Stato, có quan hệ mật thiết với đường kính ngoài D n bởi hệ số K D : )p2(f D D K n 0 == Tra bảng 10.1 – 230: Sách thiết kế máy điện “TKMĐ” ta có: Không = 0,64 ÷ 0,68, Chọn K D = 0,65 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9 + D n : Có quan hệ mật thiết với kết cấu máy, cấp cách điện và chiều cao tâm trục h đã chuẩn hoá. Chiều cao tâm trục h chọn theo dãy công suất P theo bảng 1r.1 – 601 đối với động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc kiểu IP 44 theo TCVN – 1987 – 94, chọn cấp cách điện là B. Khi đó với p = 2,2 (Kw) và 2p = 4 Ta có: h = 112 (mm) Qua bảng 10.3 – 230 chọn Dn = theo h: ta có Dn = 191 (mm) + P’ công suất tính toán: η = cos. PK 'P + Suy ra D = 191 = 124 (mm). Trong đó K = 0,965. theo hình 10.2 – 231 TKMĐ Vậy )Kw(, ,., ,., 'P 2363= 80820 229650 = + A: tải đường đặc trưng cho mạch điện + B δ : mật độ từ thông δ khe hở không khí đặc trưng cho mạch từ. Trong máy điện không đồng bộ thì tỉ số δ B A ảnh hưởng rất lớn đến kích thước máy điện, đặc tính khởi động cũng như đặc tính làm việc của máy điện. Nếu A, B δ được chọn phụ thuộc nhiều vào vạt liệu. Nếu dùng vật liệu sắt từ tốt (tổn hao thấp hay độ từ thẩm cao), thì chọn B δ lớn. Nếu dùng dây đồng có cấp cách điện cao thì có thể chọn A lớn. Vởy A, B δ phụ thuộc và D n và P: Với Dn = 191 (mm) và 2p = 4 ta chọn A = 260 (A/cm) Và B δ = 0,865 (T) ta có: [...]... trình khởi động và đặc tính làm việc Việc chọn Z2 thích hợp có thể hạn chế mômen phụ đồng bộ và không đồng bộ cũng như mômen phụ gây ra hiện tượng rung và ồn Chọn Z2 phải dựa trên cơ sở Z1 đã chọn, theo bảng 10.6-246-TKMĐ ta chọn Z2 = 30 rãnh 21 Đường kính ngoài roto: D’= D – 25 = 12,4 – 2 0,03 = 12,34 (cm) 22 Bước răng roto t2 = πD' π.12,34 = = 1,292(cm) Z2 30 23 Sơ bộ định chiều rộng răng roto bZ 2... ⎟ 1 2.7,5 ⎥ ⎝ ⎠ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ 71 Hệ số từ dẫn tạp Roto: t 2 (q 2 Kd 2 ) 2 δt 2 Kt 2 λt 2 = 0,9 .σt 2 δK δ Trong đó: δt2 = 1 đối với Roto lồng sóc 27 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Kt2 = 1 σt2 = 0,0102 theo bảng 5.2c-136 TKMĐ Vậy λt 2 = 0,9 1,292(2,5.1) 2 1.1 1,0102 = 2,142 0,03.1.153 72 Hệ số từ tản phần đầu nối Ta xét Roto lồng sóc có vành ngắn mạch ở liền sát đầu lõi sắt Roto: λd 2 = 2,3.Dv Z 2 l δ Δ2 lg 4,7 Dv 2,3.103... thép: PFe = P’Fe + Pbm + Pdm = 0,052 + 0,00422 + 0,00484 = 0,0609 (Kw) 85 Tổn hao cơ 2 4 ⎛ n ⎞ ⎛D ⎞ Pco = K co ⎜ 1 ⎟ ⎜ n ⎟ 20 −3 ⎝ 1000 ⎠ ⎝ 100 ⎠ 2 4 ⎛ 1500 ⎞ ⎛ 191 ⎞ −3 =⎜ ⎟ 10 = 0,02994(Kw ) ⎟ ⎜ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ Trong đó Kcơ = 1 86 Tổn hao không tải: 31 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP P0 = PFe + Pcơ + 0,0609 + 0,0994 = 0,0908 (Kw) 32 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG VII ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC 87 Các thông số đã tính X1 = 4,743 Ω r1... ⎝ 1,292 ⎠ ⎝ 2⎠ 74 Hệ số từ tản Roto: Σλ2= λr2 + λt2 + λd2 + λm = 1,54 + 2,142 + 0,791 + 0,751 = 5,224 75 Điện kháng tản dây quấn Roto: X2 = 7,9f1.l5 Σλ2.10-8 = 7,9.50.561.5,224.10-8 = 0,000115 (Ω) 76 Điện kháng Roto đã quy đổi: X’2 = γ.X2 = 40145.0,000115 = 4,624 (Ω) Tính theo đơn vị tương đối I 5,08 X'* 2 = X' 2 1 = 4,624 = 0,1067 U1 220 77 Điện kháng hỗ cảm 28 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP X12 = U 1 I μ X1 Iμ... 13,6(cm) 2p 4 48.Sức từ động ổ gông Stato: Fg1 Hg1 = 13,6.12,9 = 175 (A) 49 Mật độ từ thôngở gông Roto: Bg 2 = φ.10 4 0,003.10 4 = = 1,19(T ) 2.hg 2 l 2 K c 2.2,36.5,61.0,95 50 Cường độ từ trường ở gông Roto: 22 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Theo bảng V.9-611-TKMĐ ta có: Hg2 = 3,9 (A/cm) 51 Chiều dài mạch từ ở gông Roto: Lg 2 = π(Dt + hg 2 ) π(3,8 − 2,36) = = 4,83(cm) 2p 2.2 52 Sức từ động trên gông Roto: Fg2 = Lg2.Hg2...ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Pδ = 6,1.10 7 P α δ K δ K d A.B δ D 2 n 6,1.10 7 3,236 = 2 0,64.1,11.0,955.260.0,865.12,4 1500 = 5,614(cm) Vì lδ < 25 (cm), lõi sắt ngắn nên ta chọn lõi sắt làm thành 1 khối l1 = l2 = lδ = 5,6 (cm) 2 Bước cực τ= π.D π.12,4 = = 9,738(cm) 2.p 2 2 3 Lập phương án so sánh l 5,61 λ= δ = = 0,576 τ 9,738 Theo hình 10.3b – 235 (TKMĐ) thì để thiết kế chế tạo máy có tính năng tốt và tính... =1,8.2,5.1,652.1,239.10-3 = 0,0115 (Kw) Trong đó: + Kgc = 1,8 đối với máy điện không đồng bộ + P1,0/50 = 2,5 Suất tổn hao của thép, tra bảng 6.9-611 TKMĐ: Trong gông: PFe(g1) = KgcP1,0/50 B 2 Gg1.10-3 g1 =1,8.2,5.1,592.4,011.10-3 = 0,0405 (Kw) Trong cả lõi sắt Stato: PFe’ = = PFe(1) + PFe(g1) = 0,0115 + 0,0405 = 0,052 (Kw) 82 Tổn hao bề mặt trêng răng Roto: 30 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP t − b 42 Pbm = 2pτ 2 l 2 Pbm 10 −7 t2 = 2.1.16,48... gông Roto: hg 2 = D'− Dt 1 12,34 − 3,8 1 − hr2 + d 22 = − 2 + 0,55 = 2,36(cm) 2 6 2 6 34 Làm rãnh nghiêng ở Roto: Để giảmlực ký sinh tiếp tuyến và hướng tâm thì ta làm rãnh nghiêng Roto có thể triệt tiêu sóng điều hoà, cho phép phối hợp rãnh Z1 và Z2 rộng rãi hơn, ta chọn độ nghiêng thường bằng 1 bước rãnh Stato: bn = t1 = 1,082 CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN MẠCH TỪ 20 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 35 Hệ số khe hở không. .. 1,75.0,95 14 Sơ bộ định chiều cao của gông Stato: φ.10 4 0,003.10 4 hg1 = = = 1,705(cm) 2.GBg1 l1 K c 2.1,65.5,61.0,95 Trong đó Bg1 = 1,50 ÷ 1,65 (T) là mật độ từ thông trong gông Stato được xác định qua bảng 10.5a-240 ta chọn Bg1 = 1,65 (T) 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 15 Kích thước rãnh và cách điện: Chọn rãnh quả kê hình 1: Miệng rãnh b41 = dcđ + (1,1 ÷1,5) (mm) = 1,025 + 1,1 = 2 (mm) 13 b41 h41 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP... suất của máy bé p = 2,2 Kw và p =2 nên khe hở không khí được tính theo công thức sau: δ = 0,25 + D 124 = 0,25 + = 0,374(mm) 1000 1000 Theo bảng 10.8-253 – TKMĐ, ứng với chiều cao tâm trục h = 112 (mm) và p =2 thì ta có δ = 0,3 (mm) = 0,03 (cm 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG III DÂY QUẤN, RÃNH VÀ GÔNG RÔTO 20 Chọn số rãnh roto Z2 Nếu khe hở không khí bé thì khi khởi động momen phụ do từ trường sóng bậc cao gây . ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 Thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc LỜI. vào kiểu Roto có thể động cơ không đồng bộ 3 pha ra làm 2 loại. - Động cơ không đồng bộ 3 pha Roto ngắn mạch (lồng sóc) . - Động cơ không đồng bộ 3 pha có