Thiết kế động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha roto lồng sóc

b/ Nội dung thực hiện đồ án: 1/ Tính toán các kích thước cơ bản và dây quấn của động cơ 2/ Tính toán kích thước vùng rãnh dây stator của động cơ.. 3/ Tính toán khe hở không khí 4/ Tính

Khoa Điện

Bộ môn Kỷ thuật điện

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY ĐIỆN

Họ và tên sinh viên: ………Lớp: ……… Tên đề tài:

Thiết kế động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha roto lồng sóc a/ Số liệu cho trước:

Công suất định mức : P 2 = 15kW; vận tốc đồng bộ n 1 = 1500v/ph; Điện áp định mức 220/380V Động cơ thuộc loại thông dụng kết cấu kín (IM1001) chịu nhiệt độ loại Y3

b/ Nội dung thực hiện đồ án:

1/ Tính toán các kích thước cơ bản và dây quấn của động cơ

2/ Tính toán kích thước vùng rãnh dây stator của động cơ

3/ Tính toán khe hở không khí

4/ Tính toán roto

5/ Tính toán mạch từ

6/ Tính toán các tham số động cơ ở chế độ định mức

7/ Tính toán tổn thất trong động cơ

8/ Tính toán đặc tính làm việc

9/ Tính toán quá trình tỏa nhiệt cho động cơ

c/ Yêu câu: - Thuyết minh đồ án đánh máy kiểu chữ Times New Roman 13, giãn

dòng 1,5 Các bản vẽ kết cấu động cơ, đặc tính làm việc của động cơ thực hiện trên khổ giấy A0 theo tiêu chuẩn bản vẽ kỹ thuât

d/ Tài liệu tham khảo:

Trần khánh Hà, Thiết kế máy điện NXBKHKT, Hà Nội 2002

1 TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC CƠ BẢN VÀ DÂY QUẤN CỦA ĐỘNG CƠ



Dựa vào mối quan hệ chiều cao tâm trục h theo công suất va số đôi cực Bảng 10.1 (Tr.602 TKMĐ) ta chọn chiều cao tâm trục h = 160 mm = 16 cm

1.2 Đường kính ngoài stator

Theo bảng 10.3 (T230 TKMĐ) ta có đường kính ngoài stator

Dn = 27,2 cm

1.3 Đường kính trong stator

Tra theo bảng 10.2 (trang 230 TKMĐ) trị số của kD, phụ thuộc vào số đôi cực, ta chọn:

kD = 0,640,68

D = kD .Dn = (0,640,68).27,2= 17,408 18,496(cm)

 chọn D = 18

Trong đó: kD là tỷ số giữa đường kính trong và đường kính ngoài của stator

1.4 Công suất tính toán:

15.975,0

= 18.67 (kw)

Trong đó, kE = 0,975 Hình 10-2 (trang 231 TKMĐ), là tỷ số sức điện động sinh ra trong máy và điện áp đặt vào

1.5 Chiều dài tính toán của lõi sắt stator:

Theo hình 10-3b (trang 233 TKMĐ), chọn A = 310A/cm; Bδ = 0,77 T

lδ=

1 2

' 7

* , 6

,

n D B A k k

P d

*1,6

kd=0,92 : hệ số dây quấn

A: tải đường

n1=1500 v/ph : tốc độ đồng bộ

Bδ: cảm ứng từ trong khe hở không khí

Do lõi sắt ngắn nên làm thành một khối Chiều dài lõi sắt stator, rotor là:

1.8 Dòng điện pha định mức:

I1 =



 cos 3

10 1

10

2 TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC VÙNG RÃNH DÂY STATOR CỦA ĐỘNG

CƠ

Chọn dạng rãnh stator

Stator máy điện nhỏ có thể dùng các rãnh có dạng hình quả lê, nửa quả lê hoặc

hình thang, với các dạng rãnh này chiều rộng răng sẽ đều suốt cả chiều cao rãnh

Rãnh hình quả lê có khuôn dập đơn giản nhất, từ trở ở đáy rãnh so với hai dạng rãnh

kia nhỏ hơn vì vậy giảm được sức từ động cần thiết trên răng

Rãnh hình nửa quả lê có diện tích rãnh lớn hơn dạng rãnh hình quả lê

Diện tích rãnh hình thang lớn nhất nhưng công nghệ kém hơn dạng rãnh nửa quả

lê

Nếu không đặt vấn đề giảm giá thành khuông dập, có thể căn cứ vào diện tích

rãnh và trị số sức từ động để tính toán, so sánh giữa 3 dạng rãnh sau đó chọn

phương án tốt nhất Đối với đề tài này chọn dạng rãnh hình quả lê

2.1 Số rãnh stator Z 1

Với máy công suất nhỏ thường lấy q1=2 Máy tốc độ cao, công suất lớn có thể chọn q1=6 Thường lấy q1=34

Khi q1 tăng thì Z1 tăng dẫn đến diện tích rãnh tăng làm cho hệ số lợi dụng rãnh

giảm, răng sẽ yếu vì mãnh, quá trình làm lõi stator tốn hơn

Khi q1 giảm thì Z1 giảm, dây quấn phân bố không đếu trên bề mặt lõi thép nên



= 1,57cm

2.3 Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh u r1

Chọn số mạch nhánh song song : a1= 2

ur1 =

1

1

1

I

a t A

=

29

2.57,1.310

=33,56 thanh Chọn: ur1 = 33 thanh dẫn

2.4 Số vòng dây nối tiếp của một pha

.

.

 = 3,14.18

29.99.3.2

.mm

cm A

304 

.100%=1,74%

Ta thấy : Tải đường A không lớn hay nhỏ hơn 10% so với giá trị đã chọn ban đầu nên có thể sử dụng số liệu này để tính toán

2.5 Tiết diện và đường kính dây dẫn

- Tiết diện dây:

s1 = '

1 1 1

1

j n a

Mật độ dòng điện:

J1’ =

A

J A.

Tiết diện dây (tính sơ bộ):

S’1 =

1 1 1

1 ' n J a

I

=

6 1 2

Theo Phụ lục VI, bảng VI 1 (trang 618 TKMĐ) chọn dây đồng tráng men

PET-155 có đường kính d/dcđ =

825 , 1 74 ,

Khi đó : s1 = 2,38 mm2

2.6 Kiểu dây quấn

Dây quấn stator đặt vào rãnh của lõi thép stator và được cách điện với lõi thép Dây quấn có nhiệm vụ cảm ứng được sức điện động nhất định, đông thời cũng tham gia vào việc chế tạo từ trường cần thiết cho sự biến đổi năng lượng điện có trong máy

* Các yêu cầu của dây quấn:

- Đối với dây quấn điện trở và điện kháng của các pha bằng nhau và của mạch nhánh song song cũng bằng nhau

- Dây quấn được thực hiện sao cho có thể đấu thành mạch nhánh song song một cách dễ dàng Dây quấn được chế tạo và thiết kế sao cho tiết kiệm được lượng đồng,

dễ chế tạo, sửa chữa, kết cấu chắc chắn, chịu được ứng lực khi máy bị ngắn mạch đột ngột

*Việc chọn dây quấn stator phải thỏa mãn tính kinh tế và kỹ thuật:

- Tính kinh tế: tiết kiệm vật liệu, vật liệu cách điện, thời gian lồng dây

- Tính kỹ thuật: dễ thi công hạn chế những ảnh hưởng xấu đến đặc tính của động cơ

Từ yêu cầu trên ta chọn dây quấn một lớp đồng khuôn bối dây bước ngắn Tác dụng

là để làm giảm lượng đồng sử dụng, khử sóng bậc cao, giảm từ trường tản ở phần bối dây và trong rãnh stator, lám tăng cos, và cải thiện đặc tính mở máy của động

cơ, giảm tiếng ồn điện từ lúc động cơ vận hành Các hệ quả xấu tồn tại trong động

cơ khi sóng bậc cao không bị khử

- Tính năng mở máy xấu do các trường trên đặc tuyến mômen (do sóng bậc 5 và 7 gây ra) làm cho động cơ không đạt đến tốc độ định mức

- Nếu số răng của statorvà rotor không phù hợp động cơ gây ra tiếng ồn khi vận hành, có khi rotor bị hút lệch tâm (do lực hút điện từ tạo nên)

Sóng bậc cao gây tổn hao nhiệt trong lõi thép do tác dụng của dòng phucô Thực ra việc chọn bước ngắn thích hợp không có tác dụng khử hoàn toàn sóng bậc cao mà

chỉ có tác dụng giảm nhỏ chúng xuống đến một giá trị có thể chấp nhận được Trong thiết kế, bước bối dây có tác dụng khử sóng bậc 5 và 7, cách đấu dây hình sao có tác dụng khử sóng bậc 3 Tiêu chuẩn xét sự tổn hao sóng bậc cao  5% xem như sóng bậc cao không đáng kể, từ 5 - 10% chấp nhận được, > 10% có tồn tại sóng bậc cao Sóng bậc cao không bị khử không cho phép khả thi

Để khử triệt hoàn toàn sóng bậc 3 ta dùng hệ số  =

Chọn dây quấn hai lớp bước ngắn với y = 7

36.2

p Z

sin

20 3 sin

= 0,96

với α =

1

360

Ф =

1

1 4

w f k k

U k

d s

92 , 0 11 , 1 99 50 4

220 975 , 0

10

10 01 ,

t l B

1 1

1 1

95,0.15.70,1

57,1.15.74,0

= 0,72cm Chọn b’z1 = 0,72 cm

Trong đó : Chọn Bz1 = 1,70 T (theo bảng 10-5b, trang 241- TKMĐ)

Bz1 : là mật độ từ thông trên răng có cạnh song song

kc = 0,95 : Hệ số ép chặt lõi sắt khi không cần phủ sơn (Bảng 2-2, trang 23 -TKMĐ)

2.11 Sơ bộ chiều cao của gông stato h g1

h’g1 = 

c

g l k

B 2

10 1 1

4



19,295,0.15.60,1.2

10.01,

Ở đây lấy B1 = 1,60T; (1,45 ÷ 1,60), (theo Bảng 10.5 Tr.240_TKM Đ)

2.12 Kích thước rãnh và cách điện

Chọn kích thước miệng rãnh như sau :

Chiều cao miệng rãnh h41 = 0,5 ÷ 1 mm

( 2

mm cm

h D D

Trong đó : h’g1 =2,19(cm) chiều cao gông,

Dn =27,2(cm) đường kính ngoài Stato

D =18 (cm) đường kính trong Stato

Chiều cao thực của rãnh Stato : hZ1 = hrl – h41 = 24,1 0,5 = 23,6 (mm)

* Bề rộng rãnh Stato:

Chọn bề rộng miệng rãnh Stato là: Chiều rộng miệng rãnh : b41 = dcđ + ( 1,1÷ 1,5) mm

Trong đó : d cd = 1,825mm - là đường kính dây dẫn kể cả cách điện của dây quấn

* 2 2 , 27 (

*

* )

* 2 (

1

1 ' '

Z

Z b h D

- Đường kính d1 được tính theo công thức:

36

72 , 0

* 36 ) 05 , 0

* 2 18 (

*

* )

* 2 (

*

1

1 ' 41

Z

Z b h D

h’g1= 2,19cm

b’z1 = 0,72cm chiều rộng răng

- Chiều cao rãnh Stator được tính theo công thức

Khi đó,chiều cao h12 là:

h12 = hrl – 0,5 *(2*h41 + d1 + d2)

= 2,41– 0,5 *(20,05 + 1,2+ 0,94) = 1,3cm = 13(mm)

Theo bảng VIII.1 (T629_TKMĐ) ta có chiều dày cách điện rãnh là:

+ Chiều dày cách điện rãnh: C = 0,4 (mm))

+ Chiều dày cách điện của tấm lót: C’ = 0,5 (mm)

- Diện tích rãnh trừ nêm:

8

)(d12 d22



) 2

( 2

1 12 2

h d d





)(06,180)2

4,913(2

124,98

)124

*4,0

*)124,913

*22

s

d n

u 1* 1* 2

=

56 , 146

825 , 1 1

*

d Z

d h D

* 2 18 (

bz1’=  

2 1

12

41 )(

*2

*

d Z

h h D

) 3 , 1 05 , 0 (

* 2 18

đến quá trình mở máy và ảnh hưởng cả đến đặc tính làm việc

Để loại trừ momen phụ đồng bộ khi mở máy, cần chọn:

Để tránh lực hướng tâm do momen không đồng bộ sinh ra trong khi quay ,cần chọn:

*

*

*

* 2 2

2 2



=

95,0,*

15

*75,1

0,2

*15

*74,0

*99

*6

*9,0

* 2 1

* 2 1

= 1123,5 A

4.8 Tiết diện thanh dẫn vòng nhôm S’ td

Trong đó, J2 nằm trong khoảng 0,25 ÷0,35  Chọn J2= 3 A/mm2

4.9 Sơ bộ chọn mật độ dòng điện trong vòng ngắn mạch Jv=2,5 2

mm A

Tiết diện vòng ngắn mạch Sv:

Sv =

v

v J

I

=

5,2

5,1123

22

4,449

) 5 , 0 35 , 1 ( 3

4 1 , 0

* 2

3

4 2 '

3

1

2 2

2 12 42

2

cm

d Z

d h h

Độ nghiên bằng một bước rãnh stator

* 27 , 3 57 , 1

57 , 1

) / ( 41

2 41

b

b

5 , 0 3 5

) 5 , 0 3

*57,02

) / ( 42

2 42

b

b

5 , 0 1 5

5 , 0

Từ thông chính sau khi đi qua khe hở không khí thì phân thành hai mạch song song

đi vào răngvà rãnh của phần ứng, nhưng từ dẫn của thép lớn hơn không khí nhiều nên đại bộ phận từ thông đi vào răng

5.2 Dùng thép kỹ thuật điện cán nguôi 2211

5.3 Sức từ động khe hở không khí F δ

Fδ = 1,6*Bδ*kδ*δ*104 = 1,6*0,74*1,1*0,05*104 = 651,2 A

5.4 Mật độ từ thông ở răng stator B Z1

*

*

*

* 1 1

1 1

95,0

*15

*66,0

57,115

*74,0

= 1,85 T

5.5 Cường độ từ trường trên răng stato

Theo bảng V-6 (Phụ lục V, trang 608_TKMĐ) Đường cong từ hóa trên răng động

*

*

*

* 2 2

2 2

95 , 0

* 2 , 1

0 , 2

* 74 , 0

F  z1 z2

=

2,651

064,268,1332,

= 1,24 Theo TKMĐ trang 114, ta có:

Hệ số kz nằm trong khoảng thiết kế hợp lý kz thuôc khoảng 1,2÷1,5.(nếu kz quá lớn thì sự bão hòa quá mức trong vùng răng.Nếu kz 1,2 thì vùng được sữ dụng quá ít hoặc khe hở không khí lấy quá lớn)

5.11 Mật độ từ thông trên gông stator B g1

* 1 1

4



=

95 , 0

* 15

* 39 , 2

* 2

10

* 01 ,

) (

) 39 , 2 2 , 27 (

10

* 2 2

4



=

95 , 0

* 15

* 58 , 4

* 2

10

* 01 ,

) (

) 58 , 4 5 (

164,985

= 1,5

5.21 Dòng điện từ hóa I μ

Iμ =

1 1

1 * *

* 9

,

0

*

d k w m

F p

=

9024 , 0

* 99

* 3

* 9 , 0

164 , 985

* 2

= 8,16 A

Dòng điện từ hóa phần trăm:

*

Z

y h

1

*

*a s n

L

46*

38 , 2

* 2

*

7 , 65

Trong đó,  Al =

23

1

) / ( mm2 m là điện trở của dây quấn ở nhiệt độ 75O c

6.6 Điện trở vòng ngắn mạch r v

rv = Al*

)

* (

* 28

10

* 5 , 14

6.7 Điện trở rôto r 2

r2= rtd +2*2



v r

644,0

10

*904,0

*

= 5,6*10-5 Ω Trong đó:

1 * ) (

=

28

) 9024 , 0

* 99 (

* 3

4,34,9

*2

k’β=

4

*3

d

- 2*C - C’) = - (

2

4,9

- 2*0,4 - 0,5)= - 3,4 mm b= d1=9,4 mm ; h41=0,5 mm ; b41= 3 mm

* (

q

=

1 , 1 05 , 0

0324 , 0

* 962 , 0

* 882 , 0

* ) 9024 , 0

* 3 (

* 57 , 1 9

,

= 5,17 Trong đó:

k41=1-0,033*



* 1

2 41

t

b

=1-0,033*

05 , 0

* 57 , 1

3 ,

2

p m

94 , 0 2

10

) 10 ( 2

) 10 ( 2

2

t

t q

q p

3

94 , 0 92 , 0 94 , 0 )

87 , 0 2

15

) 15 ( 2

) 15 ( 2

2

t

t q

q p

3

87 , 0 87 , 0 87 , 0 ) 12

28 (

  14 10 0,882

0115

930,0,8793

85 , 2 0

2

) 1 (

) 0 ( 2

35 , 2 85 , 2 85 , 2 ) 6 5 (

f

*(

100 1

15

*7,3 = 1,41 Ω Tính theo đơn vị tương đối:

*

r S

42 ]*k +

42

42

b h

= [

5

* 3

6 , 21

*(1-139

*8

h1=21,6 mm ; b = d2 = 5mm ; Sr2=139 mm2

*(

* 9 , 0

2

2 2 2 2 2 2 2

k

k k

q

=

05 , 0

* 33 , 1

1 0168 , 0

*

* ) 1 3

* 3

* 2

28 (

* 2

* 9 ,

*2

28

*

*2

2

p m

Z q



l Z

D v

*lg

b a

D v

* 2

* 7 , 4

3,2

*24,3

5,14

*7,4log(

*44,0

*15

*28

5,14

*3,2

x I

U1 * 1

=

16,8

41,116,8

220 

= 25,55 Ω

Tính theo đơn vị tương đối:

U

x I

U  

=

220

41 , 1 16 , 8

220 

= 0,95 Trị số này không sai khác so với giả thiết ban đầu kE = 0,975 nên không cần tính lạ

7 TÍNH TOÁN TỔN THẤT TRONG ĐỘNG CƠ

Động cơ điện khi làm việc sinh ra tổn hao làm giảm hiệu suất máy Tổn hao là dĩ nhiên nên người ta luôn tìm cách giảm tổn hao xuống thấp nhất để nâng cao hiệu suất và tăng công suất ra ở đầu trục

Tổn hao trong động cơ điện gồm có:

- Tổn hao sắt: Tổn hao này sinh ra trong lõi thép stato và rôto Nó phụ thuộc vào vật liệu dẫn từ (mã hiệu thép, chiều dài cách điện) và mật độ từ cảm trong đó Khi tính ta bỏ ra tổn hao trên rôto vì khi làm việc, tốc độ quay rôto gần bằng tốc độ quay

từ trường nên tổn hao này không đáng kể

- Tổn hao đồng: Tổn hao này sinh ra trong dây quấn stato và rôto do hiệu ứng

Jun-Lenz

- Tổn hao cơ: Do ma sát tại các ổ đở, quạt gió

- Tổn hao bề mặt: trên bề mặt stato và rôto gia công không nhẵn làm khe hở không đều sinh ra tổn hao bề mặt Nó phụ thuộc vào chất lượng gia công

- Tổn hao đập mạch: nó được sinh ra do hiện tượng đập mạch từ thông từ răng sang phần rãnh và ngược lại, nó phụ thuộc vào kích thước miệng rãnh, bước răng khe hở không khí v v…

- Tổn hao phụ: là tổn hao sinh ra trong vỏ máy và các chi tiết khác, tổn hao đập mạch phần đầu nối v v…

Tổn hao lớn làm máy mất công suất đồng thời cũng làm tăng nhiệt của động cơ

7.1 Trọng lượng răng stato và răng rotor:

GZ1 = γFe*Z1*bZ1*h’Z1*l1*kc*10-3

l1 = 15 cm chiều dài lõi thép stato

h’Z1 = 2,01 cm chiều cao răng stato

bZ1 = 0,66 (cm)chiều rộng răng stato

7.2 Trọng lượng gông từ stato

kgc = 1,8 đối với máy điện không đồng bộ (hệ số gia công sắt)

PFeZ1 = 2,5 (w/kg) suất tổn hao thép ở tần số từ hóa f = 50(Hz).(tra theo bảng V.14 trang 618 sách TKMĐ của tác giả Trần Khánh Hà và Nguyễn Hồng Thanh.)

- Trong gông:

PFeg1 = kgcg*PFeg1*B2

1*Gg1*10-3 = 1,6*2,5*1,462

*20,79*10-3 = 0,176 (kW)

kgcg = 1,6 đối với máy không đồng bộ (hệ số gia công gông)

- Trong cả lõi sắt stato:

P’Fe = PFeZ1+ PFeg1 = 0,082 + 0,176 = 0,258 (kW)

7.4 Tổn hao bề mặt trên răng rotor

Khi máy điện quay, đối diện với răng roto của máy không đồng bộ lần lượt xuất hiện sự dao động của mật độ từ thông, biên độ dao động của từ thông càng lớn thì khe hở không khí càng nhỏ và miệng rãnh càng to Tần số dao động phụ thuộc vào

số răng và tốc độ quay

Vì tần số dao động cao nên các dòng điện xoáy cảm ứng trong thép điếu tập trung lên lớp mỏng trên bề mặt lõi thép, vì vậy tổn hao gây nên bởi các dòng điện xoáy này được gọi là tổn hao bề mặt

Ở máy điện không đồng bộ, tổn hao bề mặt lớn vì khe hở không khí nhỏ Tổn hao chủ yếu đập trung trên bề mặt roto còn trên bề mặt stato ít hơn do miệng rãnh roto

bé

Pbm = 2*p*τ*

2

42 2

pbm = 0,5*k0*(Z1*n1*10-4)1 , 5*(10*B0*t1)2

= 0,5*2*(36*1500*10-4)1,5*(10*0,244*1,57)2 = 184,15 (kW)

Với k0 = 2 là hệ số kinh nghiệm: Đối với stato (k0=1,41,8)

Đối với rôto (k0=1,72)

8 , 2

* 10

* 10000

1500

* 36

*

Z B t

05 , 0

* 27 , 3

= 0,053

)4*10-3 = 0,123 (kW) Trong đó, Kco được tính theo đường kính ngoài phần ứng Dn như sau:

Nhưng đối với động cơ không đồng bộ kiểu kín IP44 thì:kco=1 khi 2p 4

7.8 Tổn hao không tải

Po = PFe + Pcơ = 0,2703 + 0,123 = 0,3933 (kW)

8 TÍNH TOÁN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC

Sau khi xác định kích thước và dây quấn của động cơ, tính toán các tham số máy

điện và các tổn hao ta có thể xác định đặc tính làm việc của máy bằng hai phương

pháp:

- Phương pháp đồ thị vòng tròn

- Phương pháp giải tích