Đồ án tốt nghiệp - Nguyên lý hoạt động của động cơ

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.. Dây quấn Stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện

Đồ án tốt nghiệp Nguyên lý hoạt động của động cơ

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG

A Phân loại và kết cấu và nguyên lý hoạt động của động cơ:

I Phân loại:

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

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

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

thuộc vào công suất, điện áp, tốc dộ, điều kiện làm việc của máy và quá trình tính toán mạch từ

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

động cơ không đồng bộ 3 pha rôtor lồng sóc nói riêng là làm việc dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ

* 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 n1= 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 n1, chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôtor, chiều lực điện từ Fđt

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 n1 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

n1

Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, 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 n2

1

n

Khi rôtor đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1 Khi rôtor quay định mức

CHƯƠNG II : KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

trong đó : n1 =1500 là tốc độ của động cơ

f1 =50 hz là tần số của lưới điện

2 Đường kính ngoài Stator :

Với Pđm = 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 Dn = 43,7cm

3 Đường kính trong Stator :

Theo bảng 10.2 trang 230 có KD=(0,64÷0,68) ứng với động cơ có 2p =4

+ KD : tỉ số giữa đường kính trong và ngoài Stator

+ D : Đường kính trong Stator

93 , 0 η

= +

= +

5 Chiều dài tính tốn của lõi sắt Stator :

s d

7

2

6,1.10 P l

+ A = 420 A/cm là tải đường

+ Bδ = 0,806 là mật độ từ thơng khe hở khơng khí

Do lõi sắt ngắn nên được làm thành một khối

Chiều dài của lõi sắt Stator, Rotor :

l1 = l2 =lδ = 21,8 cm

6 Bước cực :

cm 33 23 4

7 29 14 3 p 2

Trong dãy máy động cơ khơngđồng bộ K, cơng suất 90 KW, 2p = 4 cĩ cùng đường kính ngồi (nghĩa là cùng chiều cao tâm trục h) với máy 100 KW 2p = 4

+ Hệ số tăng cơng suất của máy này là :

100

ủửụùc chón theo kieồu dãy quaỏn ụỷ maựy nhiều cửùc trang 231 saựch TKMẹ

Do đó λ của máy 100 kw bằng : λ100 =λ90.γ =1,11.0,93=1,032

Theo hình 10.3b trang 233 ta thấy hệ số λ90 và λ100 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 :

A 13 161 91

0 93 0 220

10 90 U

10 P I

.cos

=

η Trongđó :

+ =0,93η là hiệu suất

CHƯƠNG III : THIẾT KẾ DÂY QUẤN, RÃNH STATOR VÀ KHE HỞ

KHÔNG KHÍ

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 q1, thông thường chọn q1 trong khoảng từ 2 đến 5 ở đây vì máy có công suất vừa nên lấy q1 = 4 Việc chọn q1ảnh hưởng trực tiếp đến số rãnh Stator Z1 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

1

11 Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh :

r1 1

A.t a 420.1,944.4

nguyên Vì dây là dùng dây quấn hai lớp nên nó phải là số nguyên chẵn do đó lấy Ur1 = 20 thanh

12 Số vòng dây nối tiếp của một pha :

13 Tiết diện và đường kính dây dẫn :

Theo hình 10.4a tri số AJ của máy điện không đồng bộ kiểu bảo vệ IP23 với h = 250 mm, trang 237 sách TKMĐ ta lấy giá trị AJ = 2370

- Theo phụ lục VI bảng VI-1 trang 619 sách TKMĐ chọn dây đồng tráng men FET-155 có đường kính ddcd=1,741,825 với S1 = 2,38 mm2

14 Kiểu dây quấn:

Chọn dây quấn 2 lớp sóng bước ngắn với y = 10

12

ZP

12

y

β = = =τ

2 152 0,958.sin 4.sin

r

qk

hr1 = 2,95 cm là chiều cao răng Stator

+ Chiều dài miệng rãnh:

Trong thực tế chiều dài miệng rãnh h41 = 0,5 mm chứ không thể nhỏ hơn vì công nghệ cắt dập không thể cắt dập được

+ Theo bảng VIII – 1 ở phụ lục VIII trang 629 sách TKMĐ

Chọn chiều dài cách điện rãnh là c = 0,4 mm

Chọn chiều dài của nêm là c’ = 0,5 mm

1 2 12

2 2

2 1

2

( 8

) (

h d d d

giữa 2 lớp là (d1 + d2)

2 1 12

2

2

22

c

d c d d h

2

r 1 cd r

chế tao được và làm giảm dòng không tải, cosϕ … nhưng không quá nhỏ vì nếu quá nhỏ dễ bị chạm giữa rôtor và Stator trong quá trình làm việc Do đó theo những máy đã chế tạo bảng 10.8 trang 253 sáchTKMĐ

ta lấy δ = 0,8 mm = 0, 08 cm

SƠ ĐỒ DÂY QUẤN STATOR

CHƯƠNG IV : DÂY QUẤN RÃNH VÀ GÔNG RÔTOR

24 Số rãnh Rôtor được chọn theo bảng 10.6 trang 246

Với số đôi cực 2p = 4, số rãnh Stator Z1 =48 ta có thể chọn :

mm

A

32.Sơ bộ chọn mật độ dòng điện trong vành ngắn mạch:

Mật độ dòng điện trong vành ngắn mạch Jv chọn thấp hơn Jtd trong khoảng từ (20 ÷25)% Ta chọn Jv = 2,5 A mm2

thanh dẫn của lồng sóc Lồng sóc được đúc bằng nhôm theo phương pháp áp lực

D -D -h + d =1 29,54-9-3.73+ 0,78=6,67cm1

a=45 b=23,9

41 1

42 2

42

t - d 2.32-0,511.0,08(b d) (1.5 0,8)

= b = 1,5 =0,511

5+

5+

0,8d

γγ

kc = 0,93 là hệ số ép chặt lõi sắt lấy theo bảng 2.2

43 Cường độ từ trường trên răng Rôtor:

kc = 0,93 Là hệ số ép chặt lõi sắt lấy theo bảng 2.2

46 Cường độ từ trường trên răng rôtor:

F

δ δ

49 Mật độ từ thông trên gông Stator:

kc = 0,93 Hệ số ép chặc lõi sắt lấy theo bảng 2.2

50 Cường độ từ trường ở gông Stator:

Ta tra được Hg1 = 10,9 A/cm

51.Chiều dài mạch từ ở gông Stator:

54 Cường độ từ trường ở gông rôtor :

Ứng với Bg2 = 0,97 ta tra được Hg2 = 2,6 A/cm

55 Chiều dài mạch từ gông rôtor :

Iđm = 161,13 A (dòng điện định mức)

CHƯƠNG VI : THAM SỐ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ở CHẾ ĐỘ ĐỊNH MỨC

60 Chiều dài phần đầu nối của dây quấn Stator :

r y

hr1 = 2,95 cm chiều cao răng Stator

61 Chiều dài trung bình nữa vòng dây quấn Stator :

Tính theo đơn vị tương đối :

)

(9,

δ

ρ λ

δ

K

K K

2 1

.266,0).8

.1(

h k b

b S

b b

+0,1.7,8) = 32,1 mm

75 Hệ số từ dẫn nạp rôtor:

2 2 2

).(9

,

δ

ρ λ

δ

K

K K

⎝ ⎠

CHƯƠNG VII : TỔN HAO THÉP VÀ TỔN HAO CƠ

83 Trọng lượng răng Stator:

85 Tổn hao sắt trong lõi sắt Stator:

* Tổn hao trong răng :

pFez1 = Kgz1.pFez1.B2

z1.Gz1.10-3 = 1,8.2,5.(1,806)2 17,8.10-3

87 Tổn hao đập mạch trên răng rôtor:

' 2 2

' 2

CHƯƠNG VIII : ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC :

11901X

X1

=+

=

( ) 1 02 1 04

C12 = , 2 = ,

Ω02090

r2' = ,

Ω20120

x'2 = ,

( )

μ ñbx

925 0 40 6 Z

k W 6

k

2

1 1

I r =151,4.0,0209=0,0151

' 2 m

' 1 2 1

0,119 +0,2012 +x

1,02 C

Bảng: Đặc tính làm việc của động cơ điện không đồng bộ rôtor lồng sóc

r

C

r ns

' 2 1

cos ϕ= 0,91

%

CHƯƠNG IX: TÍNH TOÁN ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG :

92.Tham số của động cơ điện khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s = 1

036 , 5 2012 , 0 Σλ

Σλ 2

2ξ '

2

' ξ

Ω

ξ ξ

ξ

ξ ξ

ξ ξ

3068,0

=207,0+077,0

=X+r

=Z

297,0

=178,0+119,0

=X+X

=X

077,0

=0456,0+0314,0

=r+r

=r

2 2

2 2

2 n n

' 2 1 n

' 2 1 n

220

=Z

ξ ξ

93 Tham số của động cơ điện khi xét cả hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa của mạch từ tản khi s = 1

Sơ bộ chọn hệ số bão hòa : Kbh = 1,40

+ Dòng điện ngắn mạch khi xét cả hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa của mạch từ tản :

20 9 , 1003 7 , 0

10.6856

=.C.6,1

10.F

=

bh

4 zbh

φ

-

-δ

δ Theo hình 10-15 trang 260 sách TKMĐ ta tra được Χδ =0,46

C1 = (t1 – b41)(1 -Xδ) = (1,944 – 0,34)(1 – 0,46) = 0,86

Với rãnh 1/2 kín nên:

41 1

1 41

3 41

bh

1 C + 1 , 5 b

C

b

h 58 , 0 + h

= Δλ

34,0.5,1+86,0

86,0

34,0

55,0.58,0+05,0

= 2

∑

2,6113,475 =0,0894

b42 = 0,15 cm

15,0+171,1

171,1.15,0

05,0

=b+C

C.b

h

=

42 2

2 42

42 bh

2Δλ

λλ

∑

3,1755,685 = 0,112

ξ ξ

ξ

ξ ξ

ξ ξ

2149.0

=2014,0+075,0

=X

+r

=Z

2014,0

=112,0+0894,0

=X

+X

=X

075,0

=0436,0+0314,0

=r+r

=r

2 2

2 bh n

2 n bh

n

' bh 2 bh 1 bh n

' 2 1 n

95 Dòng điện khởi động

220

= Z

U

=

I

bh n

1 k

Với : Iđm = 165,5 A lấy từ dường đặc tính khi P2 =90 kw

ik = 6,18 nhỏ hơn 7 nên thỏa với tiêu chuẩn trong bảng 10-12 sách TKMĐ trang 271

+ Điện kháng hỗ cảm khi xét đến bão hòa :

=42,9

112,0+1

=X

X+1

=

C

n 12

' bh 2 bh

012.1

73,1023

=C

I

=

I

bh 2

k '

2

2 k rI

CHƯƠNG X: TÍNH TOÁN NHIỆT

Trong khi làm việc, máy điện nói chung và động cơ điện nói riêng sinh

ra các tổn hao năng lượng, tiêu tốn đó biến thành nhiệt năng làm nóng các bộ phận của máy Vì thế tính toán nhiệt và giải quyết vấn đề tản nhiệt cho máy là hết sức quan trong và tùy vào từng loại máyvà chế độ làm việc mà ta có phương pháp tính toán nhiệt hợp lý để cho nmáy làm việc đảm bảo không gây nóng quá mức cho phép, nếu nóng quá sẽ làm hư hỏng dây quấn và các bộ phận khác trong máy

Động cơ điện không đồng bộ 3 pha kiểu bảo vệ IP23 này được tính toán nhiệt theo sơ đồ thay thế sau :

Máy có quạt gắn trên vành ngắn mạch, máy làm mát bằng không khí tự nhiên Chiều cao tâm trục của máy h = 250 mm và chiều dài lắp đặt của vỏ

là S cụ thể máy có ký hiệu 3K 250S – 4

98 Các nguồn nhiệt trong sơ đồ thay thế nhiệt bao gồm :

+ Tổn hao đồng trên Stator :

λ -hệ số dẫn nhiệt của cách điện,tra trong bảng 8-2trang170 c

sách TKMĐ.Chọn tấm bìa cách điện Amiăng có λ =0,19.10c -2

δ -chiều dày cách điện rãnh của 1 phía c δ =0,04 cm c

A-Tải đường ; A=415 (A/cm)

Ở đây tốc độ quay của bề mặt rôtor (quạt):

102.Độ tăng nhiệt của dây quấn rotor:

+ Độ tăng nhiệt mặt ngoài lõi sắt rotor so với nhiệtđộmôi trường

PFe2 –tổn hao rotor lúc không tải (w)

PFe2 = Pbm + Pdm =0,1208(Kw)

Pf –Tổn hao phụ.Pf =0,473 Kw =473 W

A2 –Tải đường củadây quấn rotor A2= 415 A/cm

J2 –Mật độ dòng điện của thanh dẫn rotor J2 =3 A/mm2

l – Chiều dài lõi rotor.l = 21,8cm

γFe = 7,8 kg/cm2 trong lượng riêng của săt

107 Trọng lượng đồng của dây quấn Stator :

- Khi không tính cách điện :

- Khi có cách điện :

'

2 )(124,0876,

d

d G

γAl = 2,6 kg/ cm2 trong lượng riêng của nhôm

- Trọng lượng riêng của nhôm ở vành ngắn mạch :

gAl GAl 10,61 0,118kg/ kw

CHƯƠNG XII TÍNH TOÁN TRỤC

110.Tính độ võng trục :

Ngoài việc phải chịu toàn bộtrong lượng của rotor ra trục còn chịu mômen xoắn và mômen uốn trong quá trình truyền dộng tải (bánh răng của) Trục còn chịu lực hướng trục thường là lực kéo như ở các máy kiểu trục đứng Ngoài những tải tren còn phải chú ý đến lực từ một phía do khe hở không khí không đềugây ra.Cuối cùng trục còn phải chịu lực do cân bằng động không tốt gây nên,nhất là khi quá tốc độ giới hạn

Thực tế là trọng lượng của rotor tác dụng lên trục ở những chỗ khác nhau,nhưng để đơn giản hoá tính toán ta coi tác dụng lên cùng một chỗ ở chính giữalõi sắt rotor Thường thì tính độ võng trục chỉ tính đến các điểm giữa chiều dài lõi sắt rotor,vì thực tế độ võng ở đấy thường lớn nhất và có thểgây nguy hại cho rotor chạm vàStator

Chon thép cacbon (C45) làm trục máy

10cm

11,4cm

1b 10,5cm

X1 =1,2

Y1 =1,2