Tài liệu Đồ án máy điện docx

MỤC LỤCPhần 1: Xác định các kích thước chủ yếu...1 Phần 2 :Tính toán điện từ...3 Phần 3 : Tính toán nhiệt...26 Phần 1: Xác định các kích thước chủ yếu Khi thiết kế một máy điện không đồn

Đồ án môn học

Thiết kế ĐCKĐB rôto lồng sóc

MỤC LỤC

Phần 1: Xác định các kích thước chủ yếu 1 Phần 2 :Tính toán điện từ 3 Phần 3 : Tính toán nhiệt 26

Phần 1: Xác định các kích thước chủ yếu

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 gồm có:

- Công suất định mức đầu trục Pđm = 3kW

- Điện áp định mức Uđm = 380/220 V Nối Y/

Ngoài các tham số trên ta cần biết thêm:

*Toàn bộ số liệu tham khảo được tra trong tài liệu:

THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN ( Nguyễn Khánh Hà_Nguyễn Hồng Thanh )

f n

P I

Kích thước chủ yếu của máy điện không đồng bộ (MĐKĐB) :

Kích thước chủ yếu của MĐKĐB chính là đường kính trong của lõi sắt stato

để cho máy điện chế tạo ra có tính kinh tế cao và tính năng phù hợp với các tiêu chuẩn của nhà nước.(Tính kinh tế bao gồm cả mặt sử dụng vật liệu hiệu quả và công nghệ chế tạo)

D và l thuộc vào P, tốc độ quay, tải điện và từ của máy

3.1)Đường kính ngoài của Stato:

Theo bảng IV-1,phụ lục IV với máy có 2p=4,P=3 kW thì chiều cao tâm trục

là h=112 mm,(Ký hiệu chiều dài là S)

Theo bảng 10.3 (tr.230),với h=11,2 cm thì đường kính ngoài Stato tiêu

3.2) Đường kính trong của Stato:

k P

Với: kE =E1/U1 là hệ số chỉ quan hệ giữa điện áp đặt vào với sức điện động

3.5)Chiều dài tính toán của lõi sắt stato:

Chiều dài thực của lõi sắt stato là : l1 = l = 7 (cm)

(Do lõi sắt ngắn,dễ toả nhiệt nên không cần rãnh thông gió ngang trục).Chiều dài lõi sắt rôto bằng chiều dài lõi sắt stato:l2  l1 7cm

3.6)Kiểm tra chỉ tiêu kinh tế của động cơ:

Quan hệ giữa đường kính trong của stato với chiều dài lõi sắt stato phải nằmtrong phạm vi kinh tế.Quan hệ này được biểu thị qua quan hệ giữa chiều dài

lõi sắt stato với bước cực bởi hệ số λ

7

0,7079,9

l





thoả mãn chỉ tiêu kinh tế

Tóm lại,kích thước chủ yếu của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc là: Đường kính trong lõi sắt stato là D = 19,1 (cm)

Chiều dài của stato là l =7 (cm)

Phần 2 :Tính toán điện từ

Dây quấn stato

Dây quấn stato có 2 loại:dây quấn một lớp và dây quấn hai lớp.Dây quấn một lớp lại chia làm hai kiểu : dây quấn đồng tâm và dây quấn đồng

khuôn.Với điện áp ≤ 660 V, chiều cao tâm trục h< 180mm dùng dây quấn

một lớp đặt vào rãnh 1/2 kín

Thiết kế dây quấn stato trước hết phải xác định số rãnh của mỗi pha dưới mỗi cực từ q1.Nên chọn q1 trong khoảng từ 2 đến 5.Chọn q1 nhiều hay ít có

tổng diện tích cách điện rãnh sẽ nhiều hơn so với số rãnh ít do đó hệ số lợi dụng rãnh sẽ kém Hơn nữa xét về mặt độ bền cơ thì răng sẽ yếu vì quá mảnh, đồng thời chế tạo lõi và dây quấn tốn công hơn.Trị số q nên chọn nguyên vì cải thiện được đặc tính làm việc và có khả năng làm giảm tiếng

Số rãnh của stato

Z1=2.m1.p.q1 =2.3.2.3= 36(rãnh)

Với m1 =3 là số pha dây quấn stato

Bước răng stato :

t1=

1

1,136

D Z

Chọn số đôi mạch nhánh song song : a1=1 ( a1 và n1 phải chọn sao cho dcđ

Tiết diện và đường kính dây dẫn

Muốn 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 diên cần thiết.Việc chọn mật độ dòng điện ảnh hưởng đến hiệu suất và sự phát nóng của máy mà sự

phát nóng này chủ yếu phụ thuộc vào tích số AJ Tích số này tỷ lệ với suất

tải nhiệt của máy.Theo kinh nghiệm sản xuất căn cứ vào cấp cách điện để

Theo phụ lục VI,bảng VI-1 tr.618,chọn dây đồng tráng men PETV,có các thông số :

- Đường kính không kể cách điện :d = 1,20 mm

Tính lại chính xác mật độ dòng điện trong dây quấn stato :

Chọn kiểu dây quấn :

Dây quấn đồng khuân 1 lớp bước đủ

bé, tôn càng giòn, tính năng gia công càng kém,tính dẫn từ càng thấp Trong máy điện công suất nhỏ và vừa thường dùng loại tôn silic có hàm lượng silic thấp Chọn loại tôn cán nguội của Nga, ký hiệu 2013(Tra bảng 2.1 tr.20) có các thông số kỹ thuật:

-Chiều dày lá tôn 0,5 mm

-Suất tổn hao p1,0/50 = 2,6 (W/kg)

-Hệ số ép chặt : kc=0,93 ( Do các lá tôn có phủ lớp sơn cách điện)

Sơ bộ định chiều rộng răng

Trong đó B  Z1 1,75 1,95  Tesla là mật độ từ cảm của răng stato (Khi

răng có cạnh song song) (Tra bảng 10.5b tr.241, ứng với 2p=4, h<160mm,

Sơ bộ định chiều cao của gông từ

R=3 R=3,5

b41=2,5 h41=0,5

h12=8 hr1=15

Căn cứ vào những trị số của h’ g1 và b’ z1 và số thanh dẫn có trong một rãng để thiết kế rãnh stato.

Khi thiết kế rãnh phải đảm bảo diện tích rãnh chứa tất cả các dây dẫn mà

quá 0,8 vì như vậy khi đặt dây vào rất chặt ảnh hưởng đến thời gian lồng

để rãnh và khi máy làm việc ,do lực điện từ, dây bị rung làm hỏng cách điện

Chọn rãnh hình quả lê do máy có công suất 3 kW< 10 kW

Tính chính xác lại các kích thước :

Diện tích của rãnh S’ r :

r cd r

III.Tính toán khe hở không khí

Sự khác nhau giữa các kiểu máy điện không đồng bộ là ở roto Tính năng của máy tốt hay xấu cũng là ở roto.Để thỏa mãn các yêu cầu khác nhau có thể chế tạo thành loại roto dây quấn, roto lồng sóc đơn,roto rãnh sâu, roto lồng sóc kép

Động cơ điện KĐB roto lồng sóc, loại thông dụng công suất đến 100 KW đều có lồng sóc đúc nhôm.Lồng sóc đúc nhôm so với lồng sóc làm bằng cácthanh đồng hàn lại thì có nhiều ưu điểm hơn như : chế tạo đơn giản chắc chắn ,đỡ tốn đồng

Xác định khe hở không khí

Khi chọn khe hở không khí cố gắng chọn  nhỏ để cho dòng điện không tảii nhỏ và cos cao Nhưng khe hở không khí nhỏ làm cho việc chế tạo và hoạt động của máy khó khăn hơn ,stato dễ chạm vào roto làm tăng tổn hao phụ Tham khảo kinh nghiệm chế tạo thực

Làm tròn theo các máy đã chế tạo  0,3 (mm)

IV.Tính toán thanh dẫn và lõi sắt rôto

Khi thiết kế máy điện không đồng bộ, việc chọn số rãnh roto là vấn đề quan trọng vì khe hở của máy rất nhỏ, mô men phụ do từ trường sóng bậc cao gây nên ảnh hưởng rất lớn đến quá trình mở máy và ảnh hưởng cả đến

một sự hạn chế nhất định để giảm mômen phụ

Trong thiết kế sản xuất chọn theo kinh nghiệm Tra bảng 10-6 tr.246, ứng với 2p=4, Z1= 36 , loại rãnh nghiêng thì chọn Z2= 30 rãnh

Sơ bộ định kích thước tối thiểu của răng và gông

Đường kính ngoài của roto

D Z

Sơ bộ tính chiều rộng của răng roto

2 2min

l =l 2 = 7 cm là chiều dài roto

B z2 =1,75÷1,95 T là mật độ từ thông ở răng roto chỗ hẹp nhất khi rãnh có

cạnh song song ( Tra bảng 10-5c tr.241)

T Sơ bộ tính chiều cao gông :

bz2=6,25 h42=0,5

r=2

r=3

h12=11 hr2=16.5

Mật độ dòng điện trong thanh dẫn roto (thanh dẫn đúc nhôm) trong khoảng

2,5 4A/mm 2 Với máy điện công suất 3 kW thì chọn J’ td = 3,5 A/mm 2 Mật độ dòng điện vành ngắn mạch thường chọn nhỏ hơn mật độ dòng điện thanh dẫn cỡ 2035

Ở đây chọn sơ bộ J’vn = 80Jtd = 0,80.3,5 = 2,8 (A/mm 2 ).

Tiết diện thanh sơ bộ là : S’ td = td' 2713,5 77

Dựa vào kích thước sơ bộ của bề rộng răng và chiều cao rôto kết hợp với

diện tích rãnh sơ bộ S’ r2 = S’ td để tính toán các kích thước khác của rãnh.Đối với rãnh ôvan có cạnh song song ta chọn:

b=10 a=24

Mật độ từ cảm trong gông rôto:

Chiều cao gông roto:

Do trên mặt phần ứng có rãnh nên từ dẫn trên khe hở của bề mặt phần ứng

có rãnh không giống nhau.Trên răng từ trở nhỏ hơn so với trên rãnh, vì vậy sức từ động khe hở không khí của phần ứng có răng và rãnh lớn hơn so với

bề mặt phần ứng nhẵn.Do đó khi thiết kế cần khe hở không khí tính toán :

’=k. với k là hệ số khe hở không khí, k =k1 k2.Trong đó k1 , k2 là

hệ số khe hở do răng , rãnh của stato , roto gây nên.Nó được tính bằng cách :

2 2

HZ1 là cường độ từ trường ở răng rôto.Trị số của nó được tra theo bảng Phụ lục V-5 tr.607,ứng vớiB Z2 =2,0 T thì H Z2 =31,5(A/cm).

Hệ số bão hoà răng :

1,26539

cong từ hoá riêng đã hiệu chỉnh cho gông

Chiều dài mạch từ ở gông roto

VI Tính các tham số của động cơ ở chế độ định mức

Điện trở và điện kháng của dây quấn là những tham số chủ yếu của máy điện.Điện kháng được xác định bởi từ thông móc vòng, gồm từ thông móc

vòng cảm ứng tương hỗ ( từ thông chính ) và từ thông móc vòng tản từ Tổng của hai loại điện kháng này là điện kháng tổng trong máy điện

Dựa vào điện trở của máy điện có thể xác định được những tổn hao của dâyquấn máy điện ở chế độ làm việc ổn định cũng như quá trình quá độ Trongthiết kế máy điện tính toán điện trở và điện kháng của dây quấn là một vấn

đề rất quan trọng

Tính toán điện trở tác dụng của dây quấn

Chiều dài phần đầu nối dây quấn stato

(Ω).mm 2 /m) là điện trở suất của thanh dẫn bằng đồng ở

nhiệt độ làm việc tính toán, S1=0,916 mm2 là tiết diện dây quấn stato

Theo hệ đơn vị tương đối

Điện trở tác dụng của dây quấn roto

Điện trở thanh dẫn (đúc nhôm)

thường dung phương pháp tính gần đúng nhưng kết quả đạt được cũng không kém phần chính xác

Điện kháng tản trong máy điện được tính theo biểu thức 5-47 tr.132 :

100

q p

l w

0,9.1,1 3.0,985 0,90.0,955

.0,0141 2,821,24.0,03

t 

Tính toán hệ số từ tản đầu nối dây quấn stato λđ1 :

Với dây quấn 2 lớp theo công thức 5-45 tr.131,có :

2 2

2

42

2 2

0,1 '2

Z

122

a = 2,4 cm là chiều cao của vành ngắn mạch

b = 1 cm là chiều rộng của vành ngắn mạch

D vn = 10,1 cm là đường kính trung bình của vành ngắn mạch

l δ’ = l 1 = 7,0 cm ( do roto không có rãnh thông gió ngang trục)

nên không cần tính lại

VII Tính toán tổn hao

Máy điện khi làm việc sinh ra tổn hao.Những tổn hao này càng lớn thì thì hiệu suất máy càng thấp.Mặt khác tổn hao thoát ra dưới dạng nhiệt năng làmcho máy bị nóng,trong một chừng mực nào đó làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ cách điện của máy

Tổn hao trong động cơ điện gồm các loại sau :

Tổn hao sắt trong stato và rôto bao gồm tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy của từ trường chính sinh ra trong lõi sắt.Ngoài ra do trên stato và roto tồn tạirăng mà sinh ra tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch.Vì roto quay gần bằng tốc độ đồng bộ nên tổn hao sắt trên roto thường bỏ qua

Tổn hao cơ bao gồm tổn hao do ma sát ổ bi,tổn hao thông gió và ma sát ở vành trượt ( nếu là roto dây quấn )

Tổn hao đồng trên dây quấn , trên chỗ tiếp súc với vành trượt

Tổn hao phụ do từ trường tản gây nên trong dây quấn phần ứng làm tăng thêm tổn hao về đồng,tổn hao phụ trong các bộ phận cơ khí

Tổn hao sắt trong stato

Tổn hao chính trong thép do từ trễ và dòng điện xoáy gây ra khi lõi thép bị

từ hoá xoay chiều.Tổn hao chính trong thép phụ thuộc vào loại thép và được

Tổn hao cơ bản trong lõi sắt stato

*Tổn hao sắt trong răng stato

Vậy tổn hao cơ bản trong lõi sắt stato là :

PFe1 = PFez1+ PFeg1 = 25+ 58= 83(W)

Tổn hao cơ bản trong lõi sắt roto

Khi động cơ điện quay,đối diện với bề mặt roto của máy điện KĐB lần lượt xuất hiện răng và miệng rãnh stato do đó gây nên ở lớp trên bề mặt răng rôtomột sự dao động của mật độ từ thông B.Biên độ dao động càng lớn khi khe

hở không khí càng nhỏ và miệng rãnh càng to

Vì tần số dao động lớn nên các dòng điện xoáy cảm ứng trong sắt đều tập trung chủ yếu trên lớp mỏng trên bề mặt lõi sắt của roto , vì vậy tổn hao gây nên bởi các dòng xoáy này gọi là tổn hao bề mặt

Trong MĐKĐB tổn hao bề mặt chủ yếu xảy ra trên bề mặt roto còn trên bề mặt stato tổn hao đó không đáng kể do miệng rãnh roto nhỏ

Cách tính tổn hao bề mặt như sau:

n 1 = n đb = 1500 vòng/phút là tốc độ quay của roto

t 1 = 1,1 cm là bước răng stato

Với β 0 =0,2 là hệ số tra theo đường cong h.6-1 tr.141 ( khi b 42 /δ = 1/0,3 = 3,33)

Vậy tổn hao bề mặt trên bề mặt roto là

Tổn hao đập mạch trên răng roto

Trong máy điện không đồng bộ, trên stato và roto đều có răng rãnh nên còn

có tổn hao đập mạch do hiện tượng đập mạch đáng kể của mật độ từ thông

B trong các răng.Nguyên nhân của sự đập mạch này là do sự dao động của

từ trường trong vùng liên thông răng rãnh stato và roto theo vị trí tương đối của răng stato và răng rôto Trong MĐKĐB tổn hao đập mạch trong răng roto là đáng kể vì miệng rãnh stato lớn , bước răng rôto bé

Tổn hao đập mạch trong răng roto được xác định theo biểu thức 6-13tr.43

Tổn hao cơ hay tổn hao ma sát phụ thuộc vào áp suất trên bề mặt ma sát , hệ

số ma sát và tốc độ chuyển động tương đối của bề mặt ma sát Việc tính toán chính xác các tổn hao này gặp khó khăn ở chỗ xác định hệ số ma sát ,

vì hệ số ma sát phụ thuộc vào chất lượng bề mặt ma sát Vì vậy chỉ tính gầnđúng theo công thức kinh nghiệm ( công thức 6-19 tr.145)

Nguyên nhân gây ra tổn hao phụ là do từ thông tản bao quanh thanh dẫn trong rãnh và ở đầu dây quấn làm cho trong dây quấn và những vật bằng sắt

ở gần đấy sinh ra dòng điện xoáy hoặc do từ trường sóng bậc cao gây ra Tổnhao phụ rất khó tính chính xác nên thường căn cứ vào tiêu chuẩn nhà nước Trong MĐKĐB ,khi làm việc định mức tổn hao phụ tính bằng 0,5% công suất đưa vào máy

Khi máy làm việc ở trạng thái định mức thì tổn hao phụ tỉ lệ thuận với công suất đưa vào

Sau khi đã chọn các kích thước và dây quấn của động cơ điện,tính toán các tham số,dòng điện từ hoá,các tổn hao có thể tìm được các đặc tính của máy

ở chế độ làm việc bình thường Các đặc tính này có thể được xác định theo

đồ thị vòng hay bằng giải tích Ở đây xác định bằng phương pháp giải tích Những công thức để tính đặc tính làm việc bằng tính toán đều dựa vào mạchđiện thay thế (h.10-18 tr.265) và đồ thị véctơ tương ứng (h.10-19

tr.265).Trên mạch điện thay thế đã biết các tham số :

3,61,038

) (

'

1

1 2

r c

1

'.cos '( )

1 3 r .I

13 2

2 2

1,000

0,840 0,853 0,84

0,50 0,70 0,90

Đ?c tính làm vi?c c?a ĐCĐKĐB rôto l?ng sóc P2=3 kW

Với trị số của s m =0,205 theo bảng trên có I’ 2m = 19,5 (A)

Bội số mômen cực đại là :

Việc tính toán chính xác đặc tính mở máy khó khăn lớn vì khi tính toán gặp quan hệ phức tạp giữa dòng điện , hệ số trượt và các tham số của động cơ điện,do đó thường chỉ tính đặc tính mở máy lúc mở máy(s=1) mà thôi

Các tham số của động cơ điện khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài (với s = 1) ( công thức 10-25 tr.255)

2 2

2

42 2

- Dòng điện ngắn mạch khi không xét đến bão hoà

I nd = U 1 /Z nξ = 220/7,88 =27,9 (A)

- Sơ bộ xác định dòng điện ngắn mạch khi xét đến bão hoà :

I bh = k bh I nd = 1,4 27,9 = 39 (A)

Do bão hoà phần trên của răng,hệ số từ dẫn của từ trường tản rãnh giảm xuống.Căn cứ vào điều đó tìm ra sự biến đổi tương đương của rãnh hở để tính toán từ thông tản rãnh khi bão hoà

Đối với stato sự biến đổi tương đó bằng

Do sự bão hoà vùng răng nên hệ số từ dẫn tạp giảm xuống bằng

Sự giảm nhỏ hệ số từ dẫn tản rãnh do bão hoà với rãnh nửa kín theo công thức 6-54 tr.87 là :

- Rãnh rôto chịu ảnh hưởng của cả hiệu ứng mặt ngoài lẫn bão hoà do đó hệ

số từ dẫn tản rãnh rôto khi xét đến cả hai yếu tố đó bằng :

Theo biểu thức trên,chỉ cần thay đổi s sẽ được đặc tính mở máy của động cơ

tham số của máy điện bị ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài và độ bão hoà

bộ rôto lồng sóc chỉ tiến hành khi cần thử lại việc chọn kích thước và dạng rãnh rôto có đúng không

Phần 3 : Tính toán nhiệt

Máy điện khi làm việc sinh ra tổn hao.Những tổn hao này biến thành nhiệt năng làm cho các bộ phận của thanh nóng lên.Ở trạng thái nhiệt ổn

định,toàn bộ nhiệt lượng phát ra từ máy đều toả ra môi trường xung quanh

do sự chênh nhiệt độ giữa các bộ phận của máy bị đốt nóng và môi trường Nhiệm vụ của việc tính toán nhiệt là xác định độ tăng nhiệt của các bộ phận trong máy điện.Đây là một vấn đề phức tạp vì kết cấu của các máy khác nhau,quá trình sản xuất khác nhau đều ảnh hưởng đến sự tản nhiệt của máy Tản nhiệt trong máy điện thường thông qua hai hình thức : truyền nhiệt trong vật rắn tản nhiệt bề mặt nhờ bức xạ và đối lưu

Phương pháp tính độ tăng nhiệt của đây quấn stato ,rôto máy điện không đồng bộ

Độ tăng nhiệt của động cơ điện kiểu kín có thể được tính toán trên cơ sở ứng dụng phương pháp sơ đồ thay thế nhiệt

Chủ yếu xét đến sự tăng nhiệt trong lớp vật liệu cách điện , vì hệ số truyền nhiệt của dây đồng và lõi sắt lớn hơn nhiều so với lớp cách điện nên giả thiết nhiệt độ trong đồng và sắt phân bố đều

Tổn hao đồng trên stato