Đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Cư LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc xây dựng và phát triển của đất nước ngày càng phát triển cao hơn trong mọi lĩnh vực: công nghiệp, giao thông và các dịch vụ trong cuộc sống hằng ngày. Thực tế cho thấy máy điện không đồng bộ nói chung và động cơ không đồng bộ nói riêng. Do có kết cấu đơn giản dễ chế tạo, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành lại hạ mà nổi bật nhất là động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc và được sử dụng rộng rãi nhất. Trong công nghiệp được dùng nó làm nguồn động lực cho máy cản, máy công cụ trong công nghiệp nhẹ… trong hầm mỏ dùng máy tời, quạt gió… trong nông nghiệp dùng máy bơm, máy gia công nông sản… trong dịch vụ hằng ngày máy điện không đồng bộ cũng chiếm một vị trí khá quan trọng như được dùng cho máy quay đĩa. Quạt gió, động cơ cho tủ lạnh và các thiết bị khác… Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá và tự động hoá ngày càng cao trong sản xuất, đời sống và trong một số lĩnh vực khác. Cho nên phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ nói chung và động cơ không đồng bộ nói riêng ngày càng rộng rãi và thông dụng nhiều nhất là động cơ không đồng bộ Rôtor lồng sóc có công suất vừa và nhỏ vì so với các loại động cơ khác nó có ưu điểm nổi bật hơn hẳn, ngoài ra trong khi làm việc ít gây tiếng ồn và không gây ra cản nhiễu vô tuyến. Nhưng nó có một số nhược điểm là mômen mở máy nhỏ, dòng điện mở máy lớn, điều chỉnh tốc độ khó khăn. Do đó không thể khởi động trực tiếp hay làm việc trong một số trường hợp tải cần mômen lớn và tốc độ lớn… để khắc phục nhược điểm này thì người ta chế tạo ra loại động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc nhiều tốc độ, dùng rôtor rãnh sâu, lồng sóc kép… nhằm để hạ được dòng điện khởi đôïng và tăng được mômen mở máy và điều chỉnh tốc độ dễ dàng hơn. Trong suốt thời gian học chuyên ngành về máy điện cũng không đủ nhiều cho đến khi nhận đề tài tốt nghiệp, em được khoa và bộ môn thiết bị điện giao cho nhiệm vụ thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôtor lồng sóc với các số liệu ban đầu như trên. Để hoàn thành nhiệm vụ yêu cầu của bang thiết kế đặt ra, em được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo bộ môn và đặt biệt là thầy giáo hướng dẫn Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Trang: 1 Đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Cư Nguyễn Trung Cư, cùng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành nhiệm vụ của bảng thiết kế tuần tự theo các chương nhỏ sau: Lời nói đầu Chương I. Giới thiệu máy và nguyên lý hoạt động Chương II.Tính toán và xác định kích thước chủ yếu của máy Chương III.Tính toán dây quấn, rãnh Stator và khe hở không khí Chương IV.Tính toán dây quấn, rãnh và gông rôtor Chương V. Tính toán mạch từ Chương VI. Tính toán tham số của động cơ điện ở chế độ định mức Chương VII. Tính toán tổn hao thép và tổn hao cơ Chương VIII.Tính toán đặc tính làm việc của động cơ Chương IX. Tính toán đặc tính khởi động Chương X. Tính toán nhiệt Chương XI. Tính toán trọng lượng,vật liệu tác dụng vàchỉ tiêu sử dụng vật liệu máy. Chương XII .Tính toán cơ. Chương XII . Chuyên Đề. Nói chung trong quá trình thiết kế, tuy bản thiết kế đã hoàn thành và đạt được yêu cầu, chỉ tiêu cũng như tiêu chuẩn của nhà nước của bản thiết kế đề ra. Nhưng em là một sinh viên mới bắt tay vào việc nghiên cứu và thiết kế vả lại đề tài về máy điện rất đa dạng và phong phú, hơn nữa thời gian có hạn. Cho nên em không tránh khỏi nhưng thiếu xót và cũng như không tối ưu của vấn đề. Do đó em rất mong sự thông cảm và bỏ qua của thầy cô về những sai sót của em trong bảng thiết kế và em mong muốn nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy cô trong bộ môn để cho em học hỏi và rút kinh nghiệm về sau. Em xin chân thành cảm ơn. Hà Nội, tháng 5 năm 2005 Sinh viên thiết kế Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Trang: 2 Đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Cư CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG A. Phân loại và kết cấu và nguyên lý hoạt động của động cơ: I. Phân loại: Theo kết cấu của động cơ không đồng bộ có thể chia ra làm các kiểu chính: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phong nổ Theo kết cấu của Rotor, máy điện không đồng bộ chia làm 2 loại: loại Rotor kiểu dây quấn và loại Rotor kiểu lồng sóc. Theo số pha trên dây quấn Stator có thể chia làm các loại: Một pha, hai pha và ba pha. II.Kết cấu: Giống như các máy điện quay khác, máy điện không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau: 1.Phần tĩnh hay Stator: Trên Stator có vỏ, lõi sắt và dây quấn. a. Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ . thường vỏ máy làm bằng gang. Đối với máy có công suất lớn (1000 Kw) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau. b. Lõi sắt: Lõi sắt là phần dẫn từ . Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm ghép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 990mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Nếu lõi sắt ngắn thì có thể ghép thành một khối. Nếu lõi sắt dài quá thì thường ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp dài 6 đến 8 cm,đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt. Mặt trong của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn. c. dây quấn: Dây quấn Stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt. Bối dây có thể là một vòng (gọi là dây quấn kiểu thanh dẫn) bối dây thường được chế tạo dạng phần tử và tiết diện dây thường lớn, hay cũng có thể: bối dây gồm nhiều vòng dây (tiết diện dây nhỏ gọi là dây quấn kiểu vòng dây). Số vòng dây mỗi bối, số bối dây mỗi pha và cách nối dây là tuỳ Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Trang: 3 Đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Cư thuộc vào công suất, điện áp, tốc dộ, điều kiện làm việc của máy và quá trình tính toán mạch từ. 2. Phần quay hay Rotor: Phần này có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn. a. Lõi sắt: Lõi sắt là các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau. Lõi sắt được ghép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá Rotor của máy. Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn. a. Rotor và dây quấn Rotor: Rotor có hai loại chính: Rotor kiểu dây quấn và Roto kiểu lồng sóc. - Loại Rotor kiểu dây quấn: Rotor có dây quấn giống như dây quấn Stator. Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bóp được những đầu dây nối, kết cấu dây quấn trên Rotor chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của Rotor thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm của loại động cơ điện Rotor dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện Rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn Rotor được nối ngắn mạch. - Loại Rotor kiểu lồng sóc: kết cấu của loại dây quấn này rất khác với dây quấn Stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt Rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. để cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh Roto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép. Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh Roto thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục. 3. Khe hở: Vì Rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2 đến 1mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn * Nguyên lý hoạt động của máy điện không đồng bộ nói chung và động cơ không đồng bộ 3 pha rôtor lồng sóc nói riêng là làm việc dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Trang: 4 Đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Cư * Khi cho dòng điện 3 pha đi vào dây quấn 3 pha đặt trong lõi sắt Stator, trong lõi sắt Stator của máy tạo ra một từ trường quay với tốc độ đồng bộ n 1 = 60.f/p với p là số đôi cực, f là tần số lưới. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấy Stator, cảm ứng các sư6t1 điện động. Vì dây quấn rôtor nối ngắn mạch, nen sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn của rôtor. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôtor, kéo rôtor quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n Hình: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ Để minh hoạ vẽ từ trường quay tốc độ n 1 , chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôtor, chiều lực điện từ F đt . Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo qui tắc bàn tay phải ta căn cứ vào chuyển động tương đối của thanh dẫn rôtor với từ trường. Nếu coi từ truờng đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh giược với chiều chuyển dộng của n 1 . từ đó áp dụng qui tắc bàn tay phải xác định được chiều chuyển động của sức điện động như hình vẽ. Chiều lực điện từ xác địng theo qui tắc bàn tay trái trùng với chiều quay n 1 . Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n 1 , vì nếu tốc độ bằng nhau thì khơng có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn không có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng 0. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc dộ trượt n 2 . n 2 = n 1 – n Hệ số trượt của tốc độ là: s = 2 1 1 1 n n -n = n n Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Trang: 5 F dt s N N s F dt F dt F dt F dt n 1 n 1 n n s s F dt n F dt n 1 F dt n 1 1 n Đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Cư Khi rôtor đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1. Khi rôtor quay định mức s = 0,02÷ 0,06 tốc độ động cơ: 1 60. (1 ) (1 ) f n n s s p = − = − vòng/phút Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Trang: 6 Đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Cư CHƯƠNG II: KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU 1. Tốc độ đồng bộ: 1 1 60.f 60.50 p 2(vøong/ phùut) n 1500 = = = trong đó: n 1 =1500 là tốc độ của động cơ f 1 =50 hz là tần số của lưới điện 2. Đường kính ngoài Stator: Với P đm = 90 kw và p =2 tra phụ lục 10-6 tài liệu thiết kế máy điện . Ta có chiều cao tâm trục của động cơ điện không đồng bộ Rotor lồng sóc kiểu IP23 theo tiêu chuẩn Việt Nam 1987-1994 cách điện cấp B với h=250 mm. Tra bảng 10.3 trang 230 ta được đường kính ngoài Stator theo tiêu chuẩn trong dãy 4A của nga D n = 43,7cm. 3. Đường kính trong Stator: Theo bảng 10.2 trang 230 có K D =(0,64 ÷ 0,68) ứng với động cơ có 2p =4 Trong đó: + K D : tỉ số giữa đường kính trong và ngoài Stator + D: Đường kính trong Stator + D n =43,7mm D = K D .D n =(0,64 ÷ 0,68) . 43,7 = 29,7 mm 4. Công suất tính toán: η ' E K .P 0,98.90 P 104,2kw .cos 0,93.0,91 = = = ϕ Trong đó: + K E = 0,98:Tỉ số giữa sức điện động và điện áp.Tra hình 10.2 trang 231 sách TKMĐ theo D n = 43,7cm. + P = 90 kw 91,0cos 93,0η =+ =+ ϕ Theo bảng 10.1 trang 228 sách TKMĐ Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Trang: 7 Đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Cư 5. Chiều dài tính toán của lõi sắt Stator: δ δ δ α 7 ' 2 s d 7 2 6,1.10 .P l .k .k .A.B .D .n 6,1.10 .104,2 21,87cm 0,64.1,11.0,92.420.0,8.29,7 .1500 = = = Lấy l δ = 21,8 cm trong đó: + δ α = 0,64 là hệ số cực từ + k s = 1,11 là hệ số sóng hình sin + k d =0,92 là hệ số dây quấn + A = 420 A/cm là tải đường + B δ = 0,806 là mật độ từ thông khe hở không khí Do lõi sắt ngắn nên được làm thành một khối. Chiều dài của lõi sắt Stator, Rotor: l 1 = l 2 =l δ = 21,8 cm 6. Bước cực: cm3323 4 729143 p2 D ,= ,., = . = π τ Trong đó: 2p = 4 số đôi cực D = 29,7 cm 7. Lập phương án so sánh: Hệ số: 930 3323 821 l ,= , , == τ λ δ Trong dãy máy động cơ khôngđồng bộ K, công suất 90 KW, 2p = 4 có cùng đường kính ngoài (nghĩa là cùng chiều cao tâm trục h). với máy 100 KW 2p = 4 . + Hệ số tăng công suất của máy này là: 100 = =1,11 90 γ Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Trang: 8 ủửụùc choùn theo kieồu daõy quaỏn ụỷ maựy nhieàu cửùc trang 231 saựch TKMẹ Đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Cư Do đó λ của máy 100 kw bằng: λ 100 =λ 90 .γ =1,11.0,93=1,032 Theo hình 10.3b trang 233 ta thấy hệ số λ 90 và λ 100 nằm trong vùng gạch chéo cho phép tức là thỏa mãn điều kiện kinh tế và kỹ thuật. Do đó việc chọn phương án trên là hợp lý. 8. Dòng điện pha định mức: A13161 910930220 1090 U 10P I 3 1 3 1 , ,.,. . cos . === η Trongđó: +U 1 = 220 là điện áp đặt vào Stator + P = 90 KW là công suất định mức + =0,93 η là hiệu suất +cos ϕ = 0,91 là hệ số công suất Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Trang: 9 Đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Cư CHƯƠNG III: THIẾT KẾ DÂY QUẤN, RÃNH STATOR VÀ KHE HỞ KHÔNG KHÍ Dây quấn phần ứng (Stator) máy điện xoay chiều không đồng bộ rotor lồng sóc gồm nhiều phần tử nối với nhau theo qui luật nhất định. Các phần tử ở đây cũng chính là số bối dây và được đặt trong các rãnh phần ứng. Mỗi bối dây có nhiều vòng dây. Số vòng dây của mỗi bối, số bối của mỗi pha và cách nối phụ thuộc vào công suất, điện áp, tốc độ, điều kiện làm việc của máy và quá trình tính toán điện từ Dạng rãnh Stator phụ thuộc vào thíêt kế điện từ và loại dây dẫn. Rãnh được thiết kế sao cho có thể cho vừa số dây dẫn kể cả cách điện và công nghệ chế tạo (dập, cắt) dễ dàng. Mật độ từ thông trên gông và răng không lớn hơn một trị số nhất định, để đảm bảo tính năng của máy. Đối với khe hở không khí ta cố gắn lấy nhỏ để cho dòng điện không tải nhỏ và hệ số công suất cao. Nhưng nếu khe hở không khí quá nhỏ thì công nghệ chế tạo khó và đễ sát cốt làm tăng tổn hao phụ. 9. Số rãnh Stator: Số rãnh của một pha dưới một cực là q 1 , thông thường chọn q 1 trong khoảng từ 2 đến 5. ở đây vì máy có công suất vừa nên lấy q 1 = 4. Việc chọn q 1 ảnh hưởng trực tiếp đến số rãnh Stator Z 1 . số rãnh này không nên nhìêu quá vì như vậy diện tích cách điện chiếm chỗ so với số rãnh ít sẽ nhiều hơn do đó hệ số lợi dụng rãnh sẽ kém đi. Mặt khác về phương diện độ bền cơ thì số rãnh lớn làm cho độ bền cơ của răng yếu đi. Nếu số rãnh ít sẽ làm cho dây quấn phân bố không đều trên bề mặt lõi sắt nên suất từ động phần ứng có nhiều số bậc cao. Z 1 =6.p.q 1 = 6 . 2. 4 =48 rãnh 10. Bước rãnh Stator: cm Z D t 944,1 48 7,29.14,3 π 1 1 === Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Trang: 10 . kiểu bảo vệ IP23 với h = 250 mm, trang 237 sách TKMĐ ta lấy giá trị AJ = 2 370 A 2 /cm.mm 2 Mật độ dòng điện 2 AJ 2 370 J= = =5,7A mm A 415 Trong đó: 1 1ñm 2.m.W .I 2.3.40.161,13 A= = =415A/cm p.D