Đồ án Thiết kế động cơ không đồng bộ vạn năng ( làm việc với lưới điện 3 pha và xoay chiều)

Đồ án tốt nghiệp PHẦN I TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VẠN NĂNG Thực chất của việc thiết động cơ không đồng bộ vạn năng là thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha và một pha. Do đó ta đi tìm hiểu động cơ không đồng bộ vạn năng như sau: Trong thực tế khi không có động cơ một pha ta sử dụng động cơ ba pha để làm việc với lưới điện một pha. Trong trường hợp này cuộn dây ba pha được nối với phần tử lệch pha theo một sơ đồ nhất định để tạo ra từ trường quay, thông thường là từ trường quay không đối xứng. Trên hình 3.20 vẽ các sơ đồ mạch điện khác nhau thường gặp của động cơ không đồng bộ ba pha khi làm việc với lưới điện một pha. Các sơ đồ hình 3.20a, b, c sử dụng khi các pha của cuộn dây stato nối cứng hình sao, các sơ đồ hình 3.20 d, d’, e được sử dụng khi cuộn dây stato nối cứng theo hình tam giác. Các sơ đồ c, e được coi là tốt nhất trong các sơ đồ trên vì có thể cho đặc tính khởi động và làm việc tương đối tốt nếu chọn đúng điện dung của tụ. Các sơ đồ 3.20 g, h được sử dụng trong trường hợp động cơ có sáu đầu ra. Khi mắc mạch dây quấn theo các sơ đồ trên động cơ gần như không khác so với động cơ hai pha thông thường: hai pha mắc nối tiếp tạo ra cuộn dây chính(cuộn dây làm việc), cuộn còn lại là cuộn phụ (cuộn khởi động) lệch pha 900 điện so với cuộn chính. Động cơ không đồng bộ vạn năng là động cơ có thể làm việc với lưới điện ba pha cũng như lưới điện một pha xoay chiều. Những động cơ này được chế tạo như những động cơ ba pha nhưng được tính tốn sao cho với sơ đồ mắc mạch nhất định có thể cho ra những đặc tính chấp nhận được khi làm việc với lưới Trang 1 Đồ án tốt nghiệp U 1  C  L  U 1  R R  g )  L d ' )  U 1  U 1 h)  e)  C Trang 3 Đồ án tốt nghiệp PHẦN II CHƯƠNG I XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU 1.Công suất điện mức của động cơ điện ba pha đẳng trị : Pdm S .Pdm 1.750 750W Với S 1: Hệ số qui đổi tra theo sách động cơ không đồng bộ ba pha và một pha công suất nhỏ của thầy Trần Khánh Hà (tài liệu 1) trang 19 với động cơ ba pha. 2.Công suất tính tốn của động cơ điện ba pha : PS Pdm  . cosϕ   750 0,72.0,73  1426,941W Trong đó : ≥ 0,72 Chọn 0,72 Cosϕ≥ 0,73 Chọn Cosϕ 0,73 3.Xét đến yêu cầu tiếng ồn ít, dùng thép cán nguội ký hiệu 2013: Chọn mật độ từ thông khe hở không khí B 0,5T theo tài liệu 1 trang 23. Trang 5 Đồ án tốt nghiệp    .D 2. p     .8,94 2.1   14,036cm 8.Chiều dài tính tốn stato : l.D 0,72.8,94 6,44cm 9.Chọn khe hở không khí : Khe hở không khí động cơ điện công suất nhỏ thường chọn trong khoảng sau : Với 2p=2 và Hn=9 (cm) tra được 0,04cm theo sách thiết kế máy điện của thầy Trần Khánh Hà và cô Nguyễn Hồng Thanh trang 253. CHƯƠNG II Trang 7 Đồ án tốt nghiệp y .  2 3  .12 8  Góc điện giữa hai rãnh liên tiếp :  p.360 Z S   1.360 24   15 0 11.Hệ số dây quấn : K d 0,5 ⎝  ⎟ ⎛⎞ ⎝ 2⎠ 0,5 4.Sin⎜⎟ ⎝ 6.4⎠  .Sin⎜ . .1⎟ ⎝ 3 2⎠  0,8295 Trong đó :  1 :bậc một của sức từ động 12.Từ thông khe hở không khí : Sơ bộ chọn Hệ số bão hòa răng : K Z 1,11 Hệ số cung cực từ :  0,64 Hệ số dạng sóng : kS=1,11  . .l.B .10−4 0,64.14,036.6,44.0,5.10−4 28,9.10−4Wb 13.Số vòng nối tiếp của một pha : WS k E .U dm 4.k S . f . .k d   0,9.220 4.1,11.50.28,9.10− 4.0,8295   372 (vòng) Trong đó : KE=0.7 0,9 trang 44 sách tài liệu 1 ta chọn KE=0,9 14.Số thanh dẫn trong một rãnh : Trang 9 Đồ án tốt nghiệp 20.Sơ bộ định chiều rộng của răng : Lõi sắt của động cơ này dùng thép kỹ thuật điện cán nguội ký hiệu 2013. Hệ số ép chặt KC=0,96 bề mặt lá tôn phủ sơn cách điện . Đối với động cơ ít tiếng ồn thì mật độ từ thông trong răng vàgông stato không nên chọn quá lớn. Do đó ta chọn  Bước răng stato : BZS=1,65(T) t S  .D Z S    .8,94 24  1,17cm  B 0,5T , (mục 3)  Chiều rộng răng stato : bZS B .t S BZS .k C   0,5.1,17 1,65.0,96  0,369cm 21.Chiều cao gông stato : h gS 0,2.bZS . Z S p   0,2.0,369. 24 1  1,17cm 22.Chọn kích thước rãnh : Chiều cao miệng rãnh h4S=0,5(mm) Chiều rộng miệng rãnh : b4S= dcd + (1,1 1,5)= 0,77+ (1,1 1,5) Trang 11 Đồ án tốt nghiệp 1 2 3 1:Cách điện rãnh 4 2:Cách điện lớp 3:Dây quấn 4:Nêm Bảng kết cấu cách điện cách B ⎛ ⎝  ⎟.c b2 .c d1 .hn 2⎠ ⎛ ⎝  28,909mm 2 28.Diện tích có ích của rãnh :  ⎟.0,2 11.0,2 9.2 2⎠ S r S rS− S cd 105,524− 28,909 76,617mm 2  29.Hệ số lấp đầy rãnh : Trang 13 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG III DÂY QUẤN RÃNH VÀ GÔNG RÔTO Căn cứ vào tiết diện dây dẫn trong rãnh để chọn dạng rãnh và kích thước rãnh. Chọn rãnh quả lê vì rãnh này chiều rộng răng sẽ điều suốt cả chiều cao rãnh. Hơn nữa tiết diện thanh dẫn rôto sẽ thoả mãn được yêu cầu . Trang 15 Đồ án tốt nghiệp B 0,5T ,(mục 3) 35.Đường kính rãnh rôto : d1R  D− 2. h4 R.− bZR .Z R Z R 89, 4− 2 .0, 4 0,5.− 5, 2 . 17 17  9,4mm Trong đó : ZR=17(rãnh) D=89,4(mm) , (mục 6)  0,4mm , (mục 9) 36.Chiều cao phần thẳng của rãnh rôto : ⎡ Zb  ⎣  d 2 R⎤ ⎥ ⎡ ⎣ 17 .5, 2 2,5⎤ ⎥⎦  18,6mm Trong đó : d1R 9,4mm , (mục 35) h4 R 0,5mm : Chiều rộng miệng rãnh rôto bZR 5,2mm: (mục 34) d 2 R 2,5mm : đường kính đáy nhỏ rôto. 37.Chiều cao rãnh : hrR 0,5.d1R d 2 R h12 R h4 R  0,5.9,4 2,5 18,6 0,5  25,1mm 38.Diện tích rãnh rôto : Trang 17 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG IV TRỞ KHÁNG CỦA DÂY QUẤN STATO VÀ RÔTO 42.Chiều dài phần bình quân phần đầu nối stato : ⎛ D hrS ⎝ 2 p ⎞ ⎠ Trong đó : kI , B: hệ số kinh nghiệm l=6,44(cm) , (mục 8) Theo tài liệu 1 trang 71 ta có 2p=2 chọn: kI=1,2 , B=1(cm) ⎛ 8,94 1,21⎞ 2 ⎝ 2⎠ 3 43.Chiều dài bình quân nữa vòng dây : l tb l l d 6,44 14,75 21,19cm Trong đó : l=6,44(cm) , (mục 8) Trang 19 Đồ án tốt nghiệp Dây quân hai lớp ba pha  2 3  ≤≤ 1 ta chọn : k  7 9. 16    7 9. 16 2 3 0,8125 k 1    1 3 . 4    1 3. 4 2 3 0,75 Chiều cao : h1 hrS− h4 S− hn 12,1− 0,5− 2 9,2mm Chiều cao h2: h2 hrS− h4 S− h1− d1 2  12,1− 0,5− 9,2− 9 2 −2,28mm Vì h2 có giá trị âm nên mép dưới của dây quấn ở phía dưới tâm của phần nữa vòng tròn đường kính d1 .  rS⎢ ⎣ 3.d 1 ⎛ b h h  ⎝ 2.d 1 d 1 b4 S  ⎠⎦ ⎞⎤ ⎡ 9,2 ⎣ 3.9 ⎛ ⎝ 2 2.9  − 2,28 9    ⎟  1,69 48.Hệ số từ tản tạp stato : tS t S 11,9. .k  . S Theo công thức trong bảng 4.3 trang 80 tài liệu 1 thì hệ số : 2 ⎝⎝⎝ t S⎠ Trang 21 Đồ án tốt nghiệp  1,285 Hệ số khe hở không khí : k k 1 .k 2 Trong đó : k 1    5  5 ⎜  t S⎠    5 2 0,4 ⎜⎟ 0,4⎝ 11,7⎠   1,090 k 2  5 b⎛ t− b4 R ⎝ t  ⎞ ⎠    5  ⎜⎟ 0,5⎝ 16,36⎠ 1,5 0,4   1,041 Khi đó : k k 1 .k 2 1,090.1,041 1,135 Vậy :  dS 0,39.  q l  l d− 0,64. .  0,39. 4⎛ 2⎞ 6,44⎝ 3⎠  2,123 Trong đó :  14,036cm , (mục 7) l d 14,75cm, (mục 42) 50.Tổng hệ số từ dẫn stato : ∑  S  rStS dS  1,69 3,885 2,123  7,698 Trong đó : Trang 23 Đồ án tốt nghiệp l l R l S 6,44cm , (mục 8) S t 147,650mm 2 : tiết diện thanh dẫn cũng là diện tích rãnh rôto (mục 38). 54.Dòng điện trong thanh dẫn rôto : I td I 2 k I .I dm . 6.WS .k dS Z R  0,77.2,162. 6 . 372 . 0,8295 17  181,330 A Trong đó : kI=0,77 : hệ số này phụ thuộc chủ yếu vào cosϕ của máy trong tài liệu 2 sách thiết kế máy điện do thầy Trần Khánh Hà và cô Nguyễn Hồng Thanh . WS 372 (vòng), (mục 13) Iđm=2,162(A), (mục 15) kdS=0,8295, (mục 11) 55.Dòng điện trong vòng ngắn mạch : I V I td . 1 2.Sin   . p Z R   181,33. 1 2.Sin   . 1 17  492,745 A 56.Tiết diện vành ngắn mạch : Chọn mật độ trong vòng ngắn mạch J1=(3 5)(A/mm2) trang 66 tài liệu 1 chọn mật độ Jv=(0,6 0,8).J1=(0,6 0,8).(3 5) (A/mm2). Chọn Jv=2,1(A/mm2). Chọn bv= 3,2.h12R= 3,2.18,6 = 59,6(mm) S v I v J v   492,745 2,1  234,64mm 2  Trang 25 Đồ án tốt nghiệp rv 0,099.10−4:(mục 57) 59.Hệ số qui đổi điện trở rôto sang stato : K 12 4 .m.WS2 .k dS2 Z R .k dR2 Trong đó : WS=372(vòng), (mục 13) ZR=17(rãnh) k dS 0,8295 , (mục 11) k dS k n : hệ số dây quấn rôto Để giảm mômen ký sinh ở động cơ công suất nhỏ thường làm rãnh nghiêng ở rôto,bước nghiêng quãng một bước rãnh stato. Do đó: bn t S 1,17cm . Độ nghiêng rãnh :  n bn t R   1,17 1,636   0,715 Góc nghiêng rãnh :  n 2. . p Z R  . 2. .1 17   0,264 (rad) Hệ số rãnh nghiêng đồng thời là hệ số dây quấn của rôto : k n k dR  2.sin  n  n 2 0, 264 2 0,264   0,992 Vậy K 12 2 17.0,992 2   68318,406 60.Điện trở rôto đã qui đổi sang stato : rR K12 .rpt 68318,405.1,65.10−4 11,286 61.Tính theo đơn vị tương đối : Trang 27 Đồ án tốt nghiệp b4 R t R    1,5 16,36   0,1 Theo hình (4_7) trang 79 tài liệu 1 tra được hệ sốZ 0,04 Vì ⎛ b b⎞ ⎝ t R⎠ tR 16,36.0,96 11,9.0,4.1,135   2,907 Trong đó : k 1 1,323 , (mục 48) t R 16,36mm, (mục 33) 64.Hệ số từ tản đầu nối rôto :  dR 2,9.Dv Z R .l.⎜ 2.sin⎟  ⎝ 17⎠  2  . lg 4,7.Dv 2.a b  2,9.2,9 ⎛ ⎝  ⎟ 17⎠  2 ⎛ 4,7.29⎞ ⎝ 4 59,6⎠  0,015 Trong đó : Dv=29(mm), (mục 56) av=4(mm), (mục 56) bv=59,6(mm), (mục 56) 65.Hệ số từ tản rôto : ∑  R  rRtR dR 1,323 2,907 0,015  4,245 Trong đó :  rR 1,323 ,(mục 62) tR 2,907 ,(mục 63) Trang 29 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG V TÍNH TỐN MẠCH TỪ Tính tốn mạch từ bao gồm tính dòng từ hố I , thành phần kháng của dòng diện không tải và điện kháng tương ứng với khe hở không khí X . Lõi sắt của động cơ này dùng thép kỹ thuật điện cán nguội ký hiệu 2013. Hệ số ép chặt lấy k c 0,96 bề mặt lá tôn phủ sơn cách điện . 69.Sức từ động khe hở không khí : F 1,6.B .k . ..10 4 1,6.0,5.1,135.0,04.10 4 363,2 (A) Trong đó : B 0,5(T ) : mật độ từ thông khe hở không khí (mục 3) k 1,135 : hệ số khe hở không khí (mục 48)  0,04 (cm) :khe hở không khí (mục 9) 70.Mật độ từ thông trong răng stato : BZS B . t S bZS .k c   0,5.1,17 0,369.0,96   1,66 (T) Trang 31 Đồ án tốt nghiệp hZR hrR− 0,1.d1R 25,1− 0,1.9,4 24,13mm d1R 9,4mm , (mục 35) 76.Mật độ từ thông trên gông rôto : B gS  .10 4 2.hgS .l S .k c   28,9.10−4.10 4 2.1,77.6,44.0,96   1,32T Trong đó : h gS 1,77cm , (mục 30)  28,9.10−4Wb ,(mục 12) l S 6,44cm , (mục 8) 77.Cường độ từ trường trên răng stato : Theo tài liệu 2 bảng V.8 trang 610 tra được : B gS 1,32T H gS 3,34 A / cm 78.Sức từ động ở gông stato : FgS H gS . Dn− hgS 2 p   3,34. 149− 17,7 2   68,851 A Trong đó : h gS 1,77cm , (mục 30) Dn=149(mm), (mục 5) 79.Mật độ từ thông trên gông rôto : B gR  .10 4 2.h gR .l R .k c   28,9.10−4.10 4 2.1,92.6,44.0,96   1,22T Trong đó : h gR 1,92cm , (mục 40) 80.Cường độ từ trường trên gông rôto : Theo tài liệu 2 sách thiết kế máy điện do thầy Trần Khánh Hà và cô Nguyễn Hồng Thanh trang 610 ta tra được : Trang 33 Đồ án tốt nghiệp 84.Dòng điện từ hố : I p.F 0,9.m.W S .k S   1.519,317 0,9.3.372.0,8295  0,623 A 85.Điện kháng ứng với từ trường khe hở không khí : X m k E .U dm I   0,9.220 0,623  317,817 86.Tính theo đơn vị tương đối : X m* X m . I dm U dm   317,817. 2,162 220   3,12 CHƯƠNG VI TÍNH TỐN TỔN HAO Ta biết tổn hao sinh ra trong quá trình làm việc của máy điện về bản chất gắn liền với quá trình điện từ trong máy và chuyển động cơ của rôto. Tổn hao trong máy càng nhiều thì hiệu suất của máy càng thấp. Mặt khác tổn hao thốt ra dưới dạng nhiệt làm cho máy bị nóng sẽ làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy cách điện của máy điện. Tổn hao trong máy điện được phân làm các loại sau: Trang 35 Đồ án tốt nghiệp l R 6,44cm, (mục 8) 89.Trọng lượng gông stato : G gS 7,8. .Dn− hgS.hgS .l S .k c .10−3  7,8. .14,9− 1,77.1,77.6,44.0,96.10−3  3,517kg Trong đó : h gS 1,77cm ,(mục 30) Dn 14,9cm, (mục 5) 90.Trọng lượng gông rôto : G gR 7,8. .Dt− hgR.hgR .l R .k c .10−3 Trong đó : Dt 2,68cm:đường kính trục rôto (mục 39) h gR 1,92cm :chiều cao gông rôto (mục 40) 91.Suất tổn hao trên răng stato : 1, 3 ' 50 1,3  1,8.2,5.1,66 2.0,514.⎜⎟ .0,8 ⎝ 50⎠  5,736W Trong đó : BZS=1,66(T), (mục 70) 50⎝  ⎞ Tương ứng với thép 2013 tài liệu 1 bảng 9_2. Chọn hệ số gia công kgc=0,8 92.Tổn hao sắt trên răng rôto : Trang 37 Đồ án tốt nghiệp ' ' 97.Tổn hao cơ : ⎛ ⎝ 2 ⎟.⎜⎟ .⎜⎟ 1000⎠⎝ 1000⎠⎝ 100⎠ 4 ⎛ ⎝  2 ⎟.⎜⎟ .⎜⎟ 1000⎠⎝ 1000⎠⎝ 100⎠  4  22,105W 98.Tổn hao phụ : Pf 0,005. P    0,005. 750 0,72  5,208W 99.Tổn hao không tải : P0 PTS' PTR' Pcö 30,248 12,761 22,105 65,114W Trang 39 Đồ án tốt nghiệp WS 372 (vòng), (mục 13) k dS 0,8295 , (mục 11) Sơ đồ mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ I 1  −  I 2' C1 C1r1 j X S C1 X R U dm  I db  C1 X m  C1  rS s Bảng số liệu đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha. Trang 41 Đồ án tốt nghiệp mmax  M max M dm  ⎛ I ' ⎝ I 2 dm  ⎞ ⎟  2  ⎛ S ⎝ S m  ⎞⎛ 6,081⎞  ⎠⎝ 1,445⎠  2  .⎜ ⎝ 0,554⎠ Theo yêu cầu đề bài mmax mãn điều kiện đã đề ra .  Mômen định mức: M max M dm  ≥ 2,2 . Ta thấy mmax 2,6≥ 2,2 nên thoả M dm 97,4.10 3 ndb1− S dm  .PR 97,4.10 3 3000.1− 0,0828  .750,664  26571,699G.cm  Mômen cực đại : M max 2,6.M dm 2,6.26571,699 69086,417G.cm 102.Ở chế độ khởi động : Ta có : n 0 khi đó hệ số trượt tương ứng sẽ là S ndb− n ndb   3000− 0 3000   1 103.Tổng trở ngắn mạch với s =1: rn rs rr 8,65 11,286 19,936 x n x s x r 13,546 7,373 20,919 Z n rn2 x n2 19,936 2 20,919 2 28,897 104.Dòng điện khởi động : I R U dm Z n   220 28,897  7,613 105.Bội số dòng điện khởi động : i k I k I dm   7,613 2,162   3,521 Trong đó : Trang 43 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG VIII THÔNG SỐ DÂY QUẤN PHA CHÍNH VÀ PHA PHỤ ĐỐI VỚI NGUỒN MỘT PHA 107.Thông số dây quấn pha chính đối với nguồn một pha : Tỷ số rãnh stato của dây chính và dây phụ trong động cơ điện chọn là 2:1 tức là ZA =16, ZB =8 Số rãnh của dây quấn chính dưới mỗi cực : 2 2 p 2  3  .24 2   8 Hệ số dây quấn của dây quấn chính : k dA    ⎝  ⎟ ⎛ . p⎞ ⎝ Z S⎠  ⎛⎞ ⎝ 2⎠  sin⎜⎟ 8.sin⎜⎟ ⎝ 24⎠  ⎜⎟ 108.Thông số dây quấn pha phụ đối với nguồn một pha : Số rãnh của dây quấn phụ dưới mỗi cực : 1 2 p 1  3  .24 2   4 Hệ số dây quấn của dây quấn phụ : Trang 45 Đồ án tốt nghiệp 3U dm C K Tham số mạch điện thay thế của động cơ hai pha dẫn xuất từ động cơ điện ba pha . Do đó ta có : rs 8,65 : điện trở của một pha dây quấn stato (mục 45). x s 13,546 :điện kháng một pha dây quấn stato(mục 5). Trang 47 Đồ án tốt nghiệp Điện kháng từ hố qui đổi sang dây quấn pha A: x mA 1 k 2 .x m 3.x m 3.317,817 953,451  Tham số mạch điện thay thế pha B: Điện trở tác dụng pha B : rSB rS 8,65 Điện kháng tác dụng pha B: x SB x S 13,546 Điện trở tác dụng của rôto qui đổi sang số pha và số vòng dây của pha B: 1 3 2 3 2 3 Điện kháng rôto qui đổi sang dây quấn stato: 1 1 3 3 Mạch địên thay thế của dòng điện thứ tự thuận pha A và pha B động cơ một pha cải tạo từ ba pha . 2Z S I A1 U A  Z B  Z R 2 Z B U B  2 3  Z R Trang 49 Đồ án tốt nghiệp  343,193 j174,937 Trong đó : rSA 17,3 :(ở chương IX ) x SA 27,092 : (ở chương IX ) 114.Dung kháng dây quấn phụ : 115.Điện dung cần thiết : 1