Đồ án Tốt nghiệp thiết kế động cơ không đồng bộ vạn năng (tính tốn thiết kế)

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 điện một pha. Thông thường khi nuôi bằng nguồn điện một pha động cơ có đặc tính làm việc và khởi động kém hơn và công suất chỉ bằng 70% đến 85% công suất của động cơ khi dùng nguồn ba pha. Cần chú ý rằng không phải bất cứ động cơ không đồng bộ ba pha nào cũng đều có thể chuyển sang làm việc với lưới điện một pha. Tỉ số răng rãnh giữa stato và gông rôto phải thích hợp không chỉ cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc ba pha mà cả một pha. U 1  U 1 R  C  a) U 1 c)  R L  b) U 1 d ) R  L Trang 2 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 Hình 3.20 Sơ đồ mắc mạch điện của động cơ ba pha để làm việc với nguồn một pha. Sự khác biệt giữa thiết kế ba pha và một pha của động cơ không đồng bộ vạn năng: Khi nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ vạn năng là ta đi tìm hiểu phương pháp thiết kế riêng từng phần cho từng loại riêng biệt (ba pha, một pha). Sau khi ta thiết kế xong cho ba pha xong ta tiến hành vẽ đặc tính làm việc cho ba pha và xem tất các yêu cầu mà nhà thiết kế đưa ra. Trước khi đi vào thiết kế cho một pha ta phải tìm hiểu thêm về thiết kế động cơ không đồng bộ một pha rôto lồng sóc. Mà bài tốn nói về thiết kế cho một pha nó liên quan đến ba pha mà ta đã thiết kế vừa xong. Do đó ta phải thiết kế nhiều lần mới thoải mãn mà yêu cầu mà nhà thiết kế đưa ra về tốc độ, công suất, bội số mômen khởi động, bội số mômen max … Do đó muốn tìm hiểu rõ hơn chúng ta sẽ đi vào trình tự thiết kế cho ba pha và một pha của động cơ không đồng bộ vạn năng. Sau đây ta sẽ tiến hành đi thiết kế cho động cơ cho ba pha của động cơ vạn năng. Trang 4 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 4.Chọn tải đường : Tải đường A=90 180 (A/cm) Chọn tải đường A=157,517 (A/cm) theo tài liệu 1 trang 23 5.Đường kính ngồi stato : Theo tài liệu 1 trang 24 ta chọn như sau :  Tỷ lệ giữa chiều dài lõi thép với đường kính trong và đường kính trong lõi sắt  l D   0,72  Tỷ lệ giữa đường kính trong và ngồi : Mà KD=(0,485 0,615) Ta chọn  K D D Dn   0,6  Sơ bộ đường kính ngồi : Dn 44 K D  .3 PS . p A.B ..ndb   44 0,6  .3 1426,94.1 157,517.0,5.0,72.3000  14,9cm Trong đó : n db 60. f p   60.50 1   3000 (vòng/phút) Theo tài liệu 1 trang 26 căn cứ vào đường kính ngồi tiêu chuẩn của dãy 4A theo chiều cao tâm trục ta chọn như sau : Dn 14,9cm H n 9cm 6.Đường kính trong stato : D Dn .K D 14,6.0,6 8,94cm 7.Bước cực stato : Trang 6 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 DÂY QUẤN , RÃNH VÀ GÔNG STATO Việc chọn số rãnh của động cơ điện công suất nhỏ ở stato ZS và số rãnh rôto ZR có quan hệ mật thiết với nhau. Khi xét đến quan hệ đó phải chú ý đến các yếu tố sau đây : Đặc tính mômen M=f(n) không có chổ lõm nhiều do những mômen ký sinh đồng bộ và không đồng bộ sinh ra. Động cơ khi làm việc tiếng ồn do lực hướng tâm sinh ra nhỏ nhất. Tổn hao do phần răng sinh ra nhỏ nhất . Ngồi ra khi cho đường kính ngồi stato việc chọn số rãnh ZS còn phụ thuộc vào chiều rộng răng nhỏ nhất mà công nghệ cho phép. Chọn ZS=24 rãnh ZR=17 rãnh 10.Chọn kiểu dây quấn : Chọn dây quấn đồng khuôn bước ngắn. Khi sử dụng động cơ điện ba pha làm động cơ điện một pha ta nên dùng dây quấn bước ngắn 2 3  để giảm sóng không gian bậc 3 của từ thông làm ảnh hưởng đến đặc tính khởi động của động cơ điện một pha. Với ZS=24 rãnh 2p=2 m=3  Số rãnh của một pha dưới một cực : q Z S 2.m. p   24 2.3.1   4  Hệ số bước ngắn :  2 3  Bước dây quấn : Trang 8 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 U r  W S .a p.q    372.1 1.4   93 (thanh dẫn) Trong đó : a=1 : số nhánh song song 15.Dòng điện pha định mức của động cơ : I dm PS m.U dm   1426,941 1.220  2,162 A Trong đó : m=3: số pha 16.Chọn mật độ dòng điện trong dây quấn động cơ: Thường chọn trong khoảng J=6 8 (A/mm2) . Đối với vật liệu là đồng ta chọn J=6,12(A/mm2). 17.Tiết diện dây quấn sợ bộ : S S I dm n.J   2,162 1.6,12  0,353mm 2  Trong đó : Chọn n=1 :số sợi ghép song song 18.Chọn tiết diện dây quấn qui chuẩn : d=0,71(mm) dcđ=0,77(mm) SS=0,396 (mm2) 19.Rãnh và gông và stato : Căn cứ vào tiết diện dây dẫn trong rãnh này chiều rộng răng sẽ điều suốt chiều cao rãnh hơn nữa rãnh nữa quả lê sẽ có tiết diện lớn hơn dạng rãnh quả lê . b2 h12  d1 b4 S  Trang 10 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 =(1,87 2,27)(mm) Chọn b4S=2(mm) 23.Các kích thước rãnh khác : d1S   ( D 2.h4 S )− b4 S .Z S Z S−  .D 2 . 0,5− 3, 69 . 24 24−  9mm b2 S   ( Dn− 2.hgs ) Z S  − bZS   .149− 2 . 1, 77 24  − 11  11 (mm) 24.Chiều cao rãnh stato : hrS Dn− D− 2.hgS 2   149− 89,4− 2.17,7 2   12,1mm 25.Chiều cao phần rãnh của răng : h12=hrS-0,5.(d1+2.h4S)=12,1-0,5(9+2.0,5) =6,92(mm) 26.Diện tích rãnh : S rS  .d 12 8   0,5.d 1 b2.h12  .9 2 8   0,59 11.6,92  105,524mm 2 27.Diện tích cách điện rãnh : Cách điện rãnh của dãy động cơ công suất nhỏ 4A là một lớp bìa dán màn tổng hợp có chiều dày C= 0,2(mm). Dây quấn hai lớp nên dùng tấm lót giữa hai lớp là giấy cách điện có chiều dày là 0,2(mm). Trang 12 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 k d  U r .d ñc2 S r    97.0,77 76,617  2   0,72 Như vậy hệ số lấp đầy kd=0,72 < 0,75 thoả mãn yêu cầu. 30.Chiều cao gông stato thực sự : hgS Dn− D 2  − hrS 149− 89,4 2  − 12,1  17,7mm 31.Bề rộng răng stato : b ' Z 1  ( D− 2 .h4 S d 1S 2 .h12 ) 24  − b2 S   .89, 4 2.0,5 9 2. 6,92 24  − 11  3,66mm bZ" 1   ( D− 2.h4 S d1S ) Z S 89, 4− 2 . 0,5 9 24  − d1S − 9  3,69mm bZS  bZ' 1 bZ" 1 2    3,66 3,69 2   3,675mm Field Code Changed Trang 14 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 b4r h4r d1r h12r d2r Theo tài liệu 1 trang 66 ta chọn : Miệng rãnh rôto : b4R=1,5(mm)  hrR Chiều cao miệng rãnh rôto : h4R=0,5(mm) Để cho nhôm lấp đầy đáy rãnh khi đúc ta nên chọn đường kính đáy không được nhỏ hơn 2,5(mm). Do đó ta chọn d2R=2,5(mm). 32.Đường kính ngồi rôto : D ' D− 2. 89,4− 2.0,4 88,6mm Trong đó: D=89,4(mm) , (mục 6)  0,4mm : khe hở không khí ( mục 9) 33.Bước răng rôto : t R  .D ' Z R    .88,6 17   16,36mm 34.Sơ bộ định chiều rộng răng : bZR B .t R BZR .k c   0,5.1,636 1,65.0,96  0,52mm Trong đó : Chọn BZR=1,65(T) Trang 16 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 S rR    8  8  .9,4 2 2,5 2 0,5.18,69,4 2,5  2 2  147,65mm 2 39.Đường kính trong lõi sắt rôto : Dt 0,3.D 0,3.89,4 26,8mm Trong đó : D=89,4(mm), (mục 6) 40.Chiều cao gông rôto : hgR D ' 2  − hrR 88,6 2  − 25,1 19,2mm Trong đó : D’=88,6(mm), (mục 32) 41.Bề rộng răng rôto : bZ' 2  ( D '− d 1R− 2 .h4 R ) Z R  − d 1R   .88, 6− 2 . 0,5− 9, 4 17  − 9,4  5,068mm b '' Z 2   ( D '− d1R− 2.h4 R− 2.h12 R ) z R  .D '− 9, 4− 2 . 0,5− 2 . 18, 6 17  − d 2 R − 2,5  5,066mm bZ 2 bZ' 2 bZ" 2 2   5,068 6,066 2   5,067mm Trang 18 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 44.Tổng chiều dài dây dẫn của dây quấn một pha : LS 2.l tbW S .10−2 2.21,19.372.10−2 157,635m Trong đó : WS=372(vòng) 45.Điện trở tác dụng của dây quấn stato : rS 750 . LS S S   1 157,635 46 0,396  8,65 Vì đây là cách điện cấp B nên chọn 750 1 46 .mm 2 / m tra theo tài liệu 1 trang 72 bảng 4.1 với vật liệu là đồng ở nhiệt độ 75 0 c . SS=0,396(mm2) , (mục 18) 46.Tính theo đơn vi tương đối : rS* rS . I dm U dm   8,65. 2,162 220   0,085 47.Hệ số từ tản rãnh stato : Dây quấn hai lớp hình nữa quả lê b2 hrS h2 h4 S b4 S Theo bảng 4.2 trang74 tài liệu 1 tra hệ số k và k 1 với dây quấn hai lớp ba pha ta có: Trang 20 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 Theo đường cong trong hình (4_3) đến hình (4_6) tài liệu 1 ta tra được các hệ số : F, G, F1, G1. t R t S   1,636 1,170   1,4  bn t R t t R 1,170 1,636   0,715 Do đó ta tra được : F=2,2 F1=0,28 G1=0,44 G=1 (vì t R t S   1,636 1,170   1,4≥ 1 ) Các hệ số : b4 S     2 0,4   5 b4 S t S   2 11,70   0,171 Từ đường cong trong hình (4_7) tài liệu 1 tra được hệ số : Z 0,07 Hệ số 1 2 1 2  0,5 Vậy ⎛ ⎝ 0,28.1⎞⎛ 4.4⎠⎝ 0,44.0,5⎞ 2 2 2 4.4⎠  Trang 22 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  rS 1,69 , (mục 47) tS 3,885 , (mục 48)  dS 2,123 , (mục 49) 51.Điện kháng tản dây quấn stato : X S 0,158. 2 100⎝ 100⎠ p.q  0,158.  .⎜⎟ . 100⎝ 100⎠ 1.4 2  .7,698  13,546 Trong đó : f=50(hz): tần số WS=372(vòng): (mục 13) q=4:số rãnh của một pha dưới một cực (mục 10)