Thiết kế máy điện không đồng bộ

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/D - Tần số định mức f1 = 50 Hz - Số cực 2p = 4 - Máy kiểu kín, làm việc liên tục, tự làm mát bằng gió, cách điện cấp B. - Hiệu suất định mức h = 0,84 - Hệ số cos j = 0,82 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 ) NXB khoa học và kĩ thuật - 2001 Tốc độ đồng bộ : (vòng/phút) Dòng điện pha định mức ( giả thiết) (A) Với U1 là điện áp pha định mức 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 D và chiều dài lõi sắt ld . Mục đích của việc chọn kích thước chủ yếu này là 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 ld 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 chuẩn là Dn=19,1 cm (Dãy 4A,kiểu IP44). 3.2) Đường kính trong của Stato: Theo bảng 10.3(tr.230),với 2p=4 thì kD = (0,64÷0,68) Vậy : D=kD.Dn=(0,64÷0,68).19,1 =(12,224÷ 12,988) cm Chọn D=12,6 cm 3.3)Công suất điện từ tính toán: Với: kE =E1/U1 là hệ số chỉ quan hệ giữa điện áp đặt vào với sức điện động sinh ra trong máy.Tra đồ thị (h.10.2,tr.231) với 2p=4 được kE=0,96. m1= 3 là số pha dây quấn Stato. 3.4)Bước cực: 3.5)Chiều dài tính toán của lõi sắt stato: Theo hình 10.3a tr.233,với Dn= 11,2 cm 2p=4 thì: Chọn: Sơ bộ chọn các thông số: -Hệ số cung cực từ ad=0,64 -Hệ số sóng ks=1,11 -Hệ số dây quấn kdq1=0,98 Vậy chiều dài tính toán của lõi sắt stato là : Chọn Chiều dài thực của lõi sắt stato là : l1 = ld = 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: 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 nằm trong 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. Theo hình 10.3b tr.235,với 2p=4 thì .Vậy động cơ thiết kế 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 ld =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 ảnh hưởng đến số rãnh stato Z1.Số rãnh không nên nhiều quá vì như vậy 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 kêu của máy.Với máy có công suất 3 kW,2p=4 thì chọn q1 =3 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= (cm) Chọn số đôi mạch nhánh song song : a1=1 ( a1 và n1 phải chọn sao cho dcđ ≤1,95 mm) Số thanh dẫn tác dụng ở một rãnh ur1 là : ur1 = ( thanh/rãnh) Chọn ur1 = 40 thanh/rãnh. Số vòng dây nối tiếp của một pha : w1 = p.q1.ur1/a1= 2.3.40/1= 240 (vòng) 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 xác định AJ . Theo hình 10.4b tr.237,Dn=19,1 cm 2p=4,cách điện cấp F thì tích số AJF =1850 (A2/cm.mm2) Vậy mật độ dòng điện sơ bộ trong dây quấn stato với dây quấn cách điện cấp B lấy bằng 75% của cách điện cấp F là: Tiết diện dây dẫn sơ bộ : S’1= (mm2) Với n1 = 1 là số sợi ghép song song Theo phụ lục VI,bảng VI-1 tr.618,chọn dây đồng tráng men PETV,có các thông số : - Tiết diện dây quấn không kể cách điện :S1 =1,131 mm2 - Đường kính không kể cách điện :d = 1,20 mm - Đường kính trung bình kể cả cách điện :dcđ=1,28 mm Tính lại chính xác mật độ dòng điện trong dây quấn stato : J1= (A/mm2) Chọn kiểu dây quấn : Dây quấn đồng khuân 1 lớp bước đủ - Hệ số dây quấn bước đủ : - Hệ số bước rải : Với α = p.360o/Z1 = 2.360o/36 = 20o - Hệ số dây quấn : kdq = ky. kr = 1.0,985 =0,985 Từ thông khe hở không khí : F = (Wb) Mật độ từ thông khe hở không khí : Bd = (T) Nhận thấy rằng : Việc chọn sơ bộ các số liệu ban đầu là chấp nhận được. Lõi sắt stato Lõi sắt stato của máy điện thường làm bằng những lá tôn silic ghép lại thành một khối để giảm tổn hao do dòng điện xoáy và từ trễ gây ra.Tôn silic là một loại thép hợp kim và phân loại theo hàm lượng silic tổng hợp kim Lượng silic càng nhiều thì điện trở của hợp kim càng lớn,suất tổn hao càng 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) - Mật độ từ cảm ứng với cường độ từ trường H=25 A/cm: B25 = 1,65 (T) -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 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, kiểu máy IP44). Chọn BZ1 = 1,85 (T) Sơ bộ định chiều cao của gông từ Trong đó Bg1= 1,5÷1,65 (T) là mật độ từ cảm ở gông stato.(Tra bảng 10.5a tr.240).Chọn Bg1 = 1,55 (T). 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 không quá chặt hoặc quá lỏng . thường dùng hệ số lấp đầy kld để xác định độ lấp đầy đó . Hệ số lấp đầy kld =0,7¸0,75 là hợp lý nhất kld không nên vượt quá 0,8 vì như vậy khi đặt dây vào rất chặt ảnh hưởng đến thời gian lồng dây và dễ làm cho dây bị xây xát ; klđ nhỏ quá thì không lợi dụng được triệt 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 Miệng rãnh b41 phải chọn sao cho dây dẫn vào được một cách dễ dàng. chọn : b41= 2,5 mm ; h41 = 0,5 mm Dựa vào bề rộng răng và chiều cao sơ bộ của gông mà tính toán kích thước rãnh stato như sau: Chọn d2 = 6 mm Chọn hr1=15 mm Chọn d1= 7 mm Vậy   d1 = 7 mm d 2 =6 mm h41 = 0,5 mm hr1 = 15 mm h12= 11 mm Theo bảng VIII-1 phụ lục VIII kiểu dây quấn 1 lớp, cách điện cấp B cách điện sử dụng là màng mỏng thuỷ tinh :cách điện rãnh dày c = 0,25 mm,cách điện ở miệng rãnh c’ = 0,35 mm. Tính chính xác lại các kích thước : Diện tích của rãnh S’r : - Tiết diện cách điện Scđ : Diện tích có ích : Sr =S’r – Scd = 85,4 – 12,4 = 73 (mm2) Hệ số lấp đầy rãnh : klđ = Nhận thấy rằng hệ số lấp đầy nằm trong vùng hợp lý klđ = 0,7 đến 0,75 Tính toán lại chính xác chiều dày của răng stato bz1 Chiều dày răng stato là (răng có cạnh song song) = (+)/2 =5,8 (mm) Chiều cao gông stato hg1 là : ( với rãnh hình thang ) Mật độ từ cảm trên răng stato là : (T) Mật độ từ cảm gông : (T) 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 các thanh 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 d nhỏ để cho dòng điện không tảii nhỏ và cosj 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 tế , với <20 kW, 2p = 4 d = (mm) Làm tròn theo các máy đã chế tạo d= 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 quá trình làm việc.Vì vậy để có tính năng tốt, khi chọn Z2 phải tuân theo 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’2 = D – 2.d = 126- 2.0,3 = 125,4(mm) =12,54(cm) Bước răng roto : t2 = (cm) Sơ bộ tính chiều rộng của răng roto Với kc=0,95 là hệ số ép chặt (các lá tôn không phủ sơn cách điện) ld =l2 = 7 cm là chiều dài roto Bz2 =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) Chọn BZ2 = 1,85 T- - Sơ bộ tính chiều cao gông : Trong đó Bg2 là mật độ từ thông ở gông rôto.Bg2 = 1,0÷1,6 T. Chọn Bg2 = 1,5 T - Đường kính trục rôto : Lấy tròn Dt = 4 cm Dòng điện trong thanh dẫn roto : Itd = I2 = ki.I1dm.6w1.kdq1/Z2 Với ki = 0,87( Tra đồ thị h.10-5 tr.244 , ứng với cos j =0,82) Vậy Itd = (A) Dòng điện trong vành ngắn mạch là : Ivn = (A) Mật độ dòng điện trong thanh dẫn roto (thanh dẫn đúc nhôm) trong khoảng 2,5 ¸4A/mm2.Với máy điện công suất 3 kW thì chọn J’td = 3,5 A/mm2 . 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/mm2). Tiết diện thanh sơ bộ là : S’td = (mm2) Diện tích sơ bộ vành ngắn mạch là : S’vn = (mm2) Thiết kế dạng rãnh roto : chọn rãnh rôto hình quả lê: b42 = 0,5 mm h42 = 1,5 mm 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: d1 =6 mm d2= 4 mm h21=11mm hr2=16,5 mm Diện tích rãnh rôto: Mật độ dòng điện thực tế trong thanh dẫn rôto là : Chiều rộng răng rôto: -Chiều rộng răng: - Chiều rộng răng trung bình của rôto: - Thiết kế vành ngắn mạch: Chiều cao vành ngắn mạch a≥1,2.hr2 a ≥1,2.16,5=20mm Chọn Diện tích vành ngắn mạch là: Đường kính trung bình vành ngắn mạch: Mật độ dòng điện thực tế trong vành ngắn mạch là : Mật độ từ cảm trong răng rôto : Mật độ từ cảm trong gông rôto: Chiều cao gông roto: V. Tính toán mạch từ Tính toán mạch từ MĐKĐB quy lại là tính dòng điện từ hoá khi máy làm việc . Thường chỉ tính trị số dòng điện từ hoá khi điện áp định mức mà thôi . Từ trường phân bố dưới mỗi đôi cực là giống nhau cho nên chỉ cần tính toán sức từ động cần thiết để sinh ra từ thông dưới mỗi cực từ là đủ . Hệ số khe hở không khí 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 : d’=kd.d với kd là hệ số khe hở không khí, kd =kd1 . kd2.Trong đó kd1 , kd2 là hệ số khe hở do răng , rãnh của stato , roto gây nên.Nó được tính bằng cách : kd =kd1 . kd2 = 1,17.1,06 = 1,24 Sức từ động khe hở không khí Fd = 1,6.Bd.kd.d.104=1,6.0,906.1,24.0,03.104 = 539(A) Sức từ động ở răng stato Fz1 = 2.hz1.Hz1=2.1,27.17,7= 45 (A) Trong đó: hz1 là chiều cao theo hướng kính của răng stato.Rãnh hình quả lê thì : hz1 = hr1 –d1/3=1,27(cm), HZ1 là cường độ từ trường ở răng stato.Trị số của nó được tra theo bảng Phụ lục V-5 tr.607, ứng với BZ1 =1,85 T thì HZ1=17,7(A/cm). Sức từ động ở răng roto Fz2 = 2.hz2.Hz2 = 2.1,52.31,5= 96 (A) Với hz2 là chiều cao tính toán của răng roto, rãnh hình ô van tròn thì hz2 =hr2 - =1,65 -0,4/3 = 1,52 (cm) HZ1 là cường độ từ trường ở răng rôto.Trị số của nó được tra theo bảng Phụ lục V-5 tr.607, ứng với BZ2 =2,0 T thì HZ2=31,5(A/cm). Hệ số bão hoà răng : kz = Sức từ động trên gông stato Fg1 =x1.lg1.Hg1 =1.13,5.9,4= 127(A) Trong đó:là hệ số thể hiện mật độ từ thông không đều dọc theo chiều dài của mạch từ .Với MĐKĐB thì ,khi sử dụng tôn cán nguội và tra đường cong từ hoá riêng đã hiệu chỉnh cho gông. Cụ thể Tra phụ lục V-8 tr.610,với thép 2013 của Nga, ứng với Bg1 =1,65 T thì Hg1=9,4 (A/cm).Lg1 là chiều dài trung bình đường sức từ ở gông có thể tính gần đúng theo công thức: lg1 = (cm) Sức từ động trên gông roto Fg2 =x2.lg2.Hg2 = 1.5,25.2,29=12 (A) Tra phụ lục V-8 tr.610 với Bg2=1,12 có Hg2 =2,29(A/cm) Chiều dài mạch từ ở gông roto lg2 = (cm) Tổng sức từ động của mạch từ F =Fd + Fz1 + Fz2 +Fg1 + Fg2 = 539 + 45 + 96 + 127 +12 = 819(A) Hệ số bão hoà toàn mạch km = Dòng điện từ hoá Im = (A) Dòng điện từ hoá phần trăm Im%= (%) 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 dây quấn máy điện ở chế độ làm việc ổn định cũng như quá trình quá độ . Trong thiết 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 lđ1 = kđ1 . τy1 + 2. B Trong đó kđ1 , B là các hệ số , giá trị tra theo bảng 3-4 tr.69 kđ1 = 1,30 B =1,0 kb1= 0,40 τy1 = Vậy lđ1 = 1,30.11 + 2.1,0 = 16,3 (cm) Chiều dài phần đầu nối dây quấn stato ra khỏi lõi sắt lb1 = kb1 . τy1 + B = 0,4.11+ 1,0 =5,4 (cm) Chiều dài trung bình nửa vòng dây của dây quấn stato ltb = l1 + ld1 = 7 + 16,3= 23,3 (cm) Chiều dài của một pha dây quấn stato (a1 =1) L1 = 2.w1 .ltb.10-2 = 2.240.23,3.10-2 =112(m) Điện trở tác dụng của một pha dây quấn stato r1 = (Ω) Trong đó ρCu = (Ω.mm2/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 r1* = Điện trở tác dụng của dây quấn roto Điện trở thanh dẫn (đúc nhôm) rtd = (Ω) Với ρAl =1/23 là điện trở suất của thanh dẫn bằng nhôm ở nhiệt độ làm việc tính toán Điện trở vành ngắn mạch rvn = (Ω) Điện trở roto r2 = (Ω) Với Hệ số quy đổi γ = Điện trở roto đã quy đổi r2’ = γ. r2 = 22354.6,25.10-5 =1,4 (Ω) Trị số tương đối của điện trở roto r2* = Tính toán điện kháng tản Điện kháng tản trong máy điện không đồng bộ bao gồm điện kháng tản trên dây quấn stato x1 và điện kháng tản trên dây quấn roto x2 . Việc xác định từ thông tản và tính toán x1 ,x2 một cách chính xác còn nhiều khó khăn vì vậy 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 : x = Trong đó ∑λ = λr +λt +λd vì vậy tính toán điện kháng tản phải tính toán hệ số từ dẫn . Tính toán hệ số từ tản rãnh stato λr1 : Theo hình 5-7b tr.132 có: hcđ = c’= 0,35 mm h2 = 2c = 2.0,25=0,5 mm h1 = hr1 –0,1 d1–h2-hcđ = 15-0,1.6-0,5-0,35=13,35 (mm) b = b2 = 6 (mm) h4 = h41= 0,5 (mm) b4=b41 =2,5 (mm) Hệ số kβ và kβ’ =1 Hệ số từ tản tạp λt1 : Trong đó tra bảng 5-2a tr.134 với q1=2,bước đủ theo rãnh,được σt1 = 0,0141 Tra bảng 5-3 tr.137 với q1 =3, Tiến hành nội suy: Z1/p 15 18 20 ρt1 0,93 ρ 0,98 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 : Trong đó lδ’ = lδ =6,8 cm (Do không có rãnh thông gió ngang trục ) τ = 9,9 (cm) là bước cực . Hệ số từ dẫn của từ tản stato ∑λ1 = λr1 +λt1 + λd1 = 1,6 + 2,82+ 1,9 = 6,32 Điện kháng tản của dây quấn stato là : Trị số tương đối của điện kháng tản dây quấn stato là x1* = Hệ số từ dẫn của từ tản roto Với rãnh hình quả lê thì theo h.5-30 tr.126 có Trong đó: Từ tản tạp trong roto ( theo công thức 5-40 tr.130) Trong đó kdq2 =1 là hệ số dây quấn roto ( do là roto lồng sóc ) Tra bảng 5.2c tr.136 với Tra bảng 5.3 tr.137 với ,ta có ρt=0,93 Từ tản phần đầu nối Đối với roto lồng sóc ,vành ngắn mạch ở liền sát với đầu lõi sắt roto ( lồng sóc đúc nhôm ) thì λd2 được tính như sau : Trong đó a = 2,4 cm là chiều cao của vành ngắn mạch b = 1 cm là chiều rộng của vành ngắn mạch Dvn = 10,1 cm là đường kính trung bình của vành ngắn mạch lδ’ = l1 = 7,0 cm ( do roto không có rãnh thông gió ngang trục) - Hệ số từ tản do rãnh nghiêng: Hệ số từ dẫn của từ tản roto ∑λ2 = λr2 + λt2 + λd2 +=1,69+2,58+0,66+0,9 = 5,83 Điện kháng tản dây quấn roto : x2 = 7,9.f1.l2.∑λ2.10-8 = 7,9.50.7.5,83.10-8 =1,61.10-4 (Ω) Điện kháng tản roto đã quy đổi x2’ =γ.x2 = 22354.1,61.10-4 = 3,6 (Ω) Trị số tương đối của điện kháng roto x2’* = x2’. I1đm/U1đm = Điện kháng hỗ cảm ( không xét đến rãnh nghiêng ) x12 = (Ω) Tính lại hệ số kE kE = 1- Iμ..x1/U1dm = 1 – 2,44.3,35/220 = 0,963 - Hệ số phần trăm của kE : Nhận thấy rằng trị số kE tính được không khác nhiều so với khi chọn sơ bộ 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 làm cho 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 tại răng 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 được đặc trưng bởi suất tổn hao pFe [W/kg] .Với thép cán nguội loại 2013 của Nga thì suất tổn hao là ,ở tần số 50 Hz. Tổn hao cơ bản trong lõi sắt stato *Tổn hao sắt trong răng stato Trong đó :kZ1 = 1,8 khi Pđm < 250 kW Trọng lượng của răng stato GZ1 = γFe.Z1.hr1.l1.bz1.kc.10-3 = 7,8.36.1,5.7.0,58.0,93.10-3 =1,59( kg) *Tổn hao sắt trong gông stato Trong đó hệ số kg = 1,6 khi P < 250 kW Trọng lượng gông stato Gg1 = γFe.hg1.lg1.l1.2p.kc.10-3 = 7,8.1,87.13,5.7.2.2.0,93.10-3 = 5,13 (kg) 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 rôto một 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: Suất tổn hao bề mặt trung bình trên một đơn vị bề mặt roto là1m2 được Trong đó với loại thép 2013 dày 0,5 mm, gia công bằng phương pháp mài thì có hệ số kinh nghiệm k0 = 2,0 Z1 = 36 là số rãnh stato n1 = nđb = 1500 vòng/phút là tốc độ quay của roto t1 = 1,1 cm là bước răng stato B0 = β0.kδ.Bδ = 0,2.1,24.0,9 = 0,2232 (T) Với β0 =0,2 là hệ số tra theo đường cong h.6-1 tr.141 ( khi b42/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 Trong đó : Bd2 = là biên độ dao động đập mạch của mật độ từ thông trên răng roto là hệ số Trọng lượng răng roto là: GZ2 = γFe.Z2.hZ2.bZ2.l2.kc.10-3 = 7,8.30.1,65.0.625.7.0,95.10-3 = 1,6 ( kg) Tóm lại tổng tổn hao sắt lúc không tải của MĐKĐB là : PFe = PFe1 + Pbm2 + Pd2 = 83 + 2 + 7= 92(W) Tổn hao cơ 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 gần đúng theo công thức kinh nghiệm ( công thức 6-19 tr.145) . Pcơ = (W) kt = 1 khi 2p ≥ 4 Tổn hao không tải P0 = PFe + Pcơ = 92+ 30 = 122(W) Tổn hao phụ 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 Tổn hao 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 . VIII. Đặc tính làm việc của động cơ 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 mạch điện 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 : r1 = 2,15 (Ω) r2’ = 1,4 (Ω) x1 = 3,35 (Ω) x2’ = 3,6 (Ω) x12 = 87 (Ω) c1 = 1+x1/x12 = 1+ 3,35/87=1,038 c12 = 1,078 Iđbx = Iμ = 2,25 (A) nđm = nđb.(1 - sđm) = 1500.(1- 0,0389)= 1443 (vòng/phút) Hệ số trượt ứng với Mmax là : * Đặc tính làm việc Việc tính toán được thực hiện tuần tự theo bảng sau : Số TT Công thức s = 0,01 s = 0,02 Sdm = 0,0389 Sm = 0,205 1 153 77,7 41 9,6 2 6,8 6,8 6,8 6,8 3 153,2 78 41,5 11,7 4 1,49 2,93 5,5 19,5 5 0,999 0,996 0,988 6 0,044 0,087 0,164 7 1,63 3,01 5,44 8 2,5 2,69 3,3 9 2,98 4,04 6,36 10 0,55 0,75 0,855 11 (W) 1077 1987 3590 12 (W) 57 105 261 13 (W) 9 36 127 14 (W) 122 122 122 15 (W) 5 10 18 16 (W) 193 271 528 17 (W) 884 1716 3062 18 0,821 0,864 0,853 Với trị số của sm=0,205 theo bảng trên có I’2m = 19,5 (A) Bội số mômen cực đại là : IX . Tính toán đặc tính mở máy Các lượng đặc trưng cho đặc tính mở máy là mômen mở máy,dòng điện mở máy và mômen cực tiểu trong quá trình mở máy,nhưng tính toán mômen cực tiểu quá phức tạp và kết quả không đảm bảo . 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) Trong đó a là chiều cao nhôm trong rãnh rôto Tra h.10-13 tr.256 với ζ=1,1 được - Điện trở của dây quấn roto khi tính đến hiệu ứng mặt ngoài rtdζ = rtd . kR Với kR = 1 + l2r/l’2.φ= 1 + (7/7) .0,2 = 1,2 Trong đó l2r là chiều dài phần thanh dẫn nằm trong rãnh trừ các rãnh thông gió ngang trục,l2’ là chiều dài thanh dẫn .Do không có rãnh thông gió ngang trục nên có l2r = l2’ = l1 = 7 cm Vậy : - Điện trở roto khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài : (Ω) Dòng điện mặt ngoài chỉ gây ra sự thay đổi hệ số từ tản rãnh λr2ζ. .Với rãnh hình quả lê thì được xác định theo công thức 5-30.Với điều kiện phần trong dấu ngoặc vuông phải nhân thêm với ψ: Trong đó: - Tổng hệ số từ dẫn khi xét đến dòng điện hiệu ứng mặt ngoài bằng : ∑λ2ξ = λr2ξ + λt2 + λd2 += 1,67+ 2,58 + 0,9+0,66 =5,81 - Điện trở roto đã quy đổi : r2ξ’ = γ.r2ξ = 22354.7,06.10-5 = 1,58(Ω) - Điện kháng tản roto quy đổi: x2ξ’ = x2’. ∑λ2ξ/∑λ2 =3,6.5,81/5,83 = 3,59 (Ω) - Tổng trở ngắn mạch : rnξ = r1 + r2ξ’ = 2,15 + 1,58 = 3,73 (Ω) xnξ = x1 + x2ξ’ = 3,35 + 3,59 =6,94 (Ω) znξ = (Ω) * Thông số của động cơ điện khi xét đến dòng điện mặt ngoài và sự bão hoà của mạch từ tản. Khi dòng điện trong dây quấn lớn sẽ sinh ra hiện tượng bão hoà,chủ yếu là phần đầu rãnh gây nên bởi từ trường tản rãnh và từ trường tản tạp làm cho x1 và x2 thay đổi . - Dòng điện ngắn mạch khi không xét đến bão hoà Ind = U1/Znξ = 220/7,88 =27,9 (A) - Sơ bộ xác định dòng điện ngắn mạch khi xét đến bão hoà : Ibh = kbh .Ind = 1,4 .27,9 = 39 (A) - Sức từ động trung bình một rãnh stato : Với kβ = 1 khi β1=1 (tra đồ thi h.10-14 tr.259) Hệ số bước ngắn ky = 1 - Mật độ từ thông quy đổi trong khe hở không khí : Trong đó : Theo h.10-15 tr.260 với BФδ = 5,4T có hệ số đặc trưng cho tỉ số giữa từ thông tản khi xét đến bão hoà và không bão hoà æδ = 0,45 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 C1 = (t1 –b41).(1- æδ) = (1,1 - 0,25).(1 – 0,45) = 0,468 Hệ số từ dẫn rãnh stato khi xét đến bão hoà : Trong đó h41 = 0,5 mm b41 = 2,5 mm - Do đó hệ số từ dẫn ở stato bằng λr1bh = λr1 – Δλ1bh = 1,6 – 0,497 = 1,103 Với λr1 = 1,26 là hệ số từ dẫn rãnh không xét đến bão hoà . Do sự bão hoà vùng răng nên hệ số từ dẫn tạp giảm xuống bằng λt1bh = λt1.æδ = 2,82.0,45 = 1,269 Tổng hệ số từ dẫn tản của stato khi bão hoà là : ∑λ1bh = λr1bh + λt1bh + λd1 = 1,103 +1,269 +1,9 = 4,272 Điện kháng tản của stato khi xét đến bão hoà của từ tản ; Việc xác định điện kháng tản roto khi xét đến bão hoà cũng tương tự như vậy Với rôto lồng sóc, sự biến đổi tương của miệng rãnh bằng : C2 = (t2 – b42).(1 - æδ) = (1,313 – 0,15).( 1 - 0,45) = 0,64 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 : - Tính toán hệ số từ dẫn tản tạp của roto cũng giống như stato : æδ = 2,58.0,45 =1,161 - Từ dẫn tản rãnh nghiêng khi xét đến bão hoà Tổng hệ số từ dẫn khi xét đến hiệu ứng dòng điện mặt ngoài và độ bão hoà răng của rôto : ∑λ2ξbh = λr2ξbh + λt2bh + λd2 + = 1,4+ 1,161+ 0,66+0,405 = 3,626 Trị số điện kháng tản tương ứng của rôto bằng : x2bh’ =x2’ . ∑λ2ξbh/∑λ2 = 3,59 .3,626/5,81= 2,24 (Ω) Những tham số ngắn mạch khi xét đến dòng điện mặt ngoài và sự bão hoà của mạch từ tản : rnξ = r1 + r2ξ’ =2,15+1,58= 3,73 (Ω) xnξbh = x1bh + x’2ξbh = 2,32 + 2,24 = 4,56 (Ω) Znξbh = (Ω) Dòng điện ngắn mạch: (A) Trị số này không không sai khác dòng điện ngắn mạch giả thiết ban đầu đã chọn quá 15% nên không phải tính lại . Dòng điện lúc mở máy ( s = 1 ): I1mm = Inξbh = 37,3 (A) x12mm = x12 . kμ =87.1,52 = 132,2(Ω) C2ξbh = 1 + x’2ξbh/x12nm = 1 + 2,24 /132,2= 1,017 I’2mm = I1mm/C2ξbh = 37,3/1,017 =36,6(A) Bội số dòng điện mở máy : Bội số mômen mở máy Theo biểu thức trên,chỉ cần thay đổi s sẽ được đặc tính mở máy của động cơ điện.Tuy vậy việc xác định chính xác I1, M = f(s) là một vấn đề phức tạp vì tham số của máy điện bị ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài và độ bão hoà của mạch từ tản mà bản thân độ bão hoà này phụ thuộc vào I1,I’2 còn hiệu ứng mặt ngoài phụ thuộc vào hệ số trượt .Do đó thường chỉ xác định Mmm , Imm lúc s = 1 còn việc xác định I1 ,M = f(s) đối với động cơ điện không đồng 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 QCu1= PCu1+0,5Pf =261 + 0,5.18 =170 (W) Tổn hao sắt trên stato QFe = PFe = 83 (W) Tổn hao trên rôto QR = PCu2 + 0,5.Pf + Pcơ + Pbm + Pđn = 127+0,5.18+30+2+7 =175 (W) Nhiệt trở trên mặt lõi sắt stato (0C/W) Trong đó : SDn = π.Dn.l = π.19,1.7=420 (cm2) αg = (W/cm2.0C) (W/cm2 0C) Nhiệt trở phần đầu nối dây quấn stato Trong đó : cm là cách điện đầu nối bằng băng vải W/0C đối với cách điện cấp B (m/s) (cm2) Cb là chu vi bối dây cm Nhiệt trở đặc trưng cho độ chênh nhiệt giữa không khí nóng bên trong máy và vỏ máy (0C/W) Trong đó : (W/cm2 0C) S’α = 1000 cm2  xác định theo kết cấu máy Nhiệt trở bề mặt ngoài vỏ máy Ở đây (W/cm2 0C) Với đường kính tương đương d = vv là tốc độ gió thổi mặt ngoài vỏ máy đã tính đến sự suy giảm 50% theo chiều dài gân tản nhiệt . Đường kính ngoài cánh quạt lấy bằng (m/s) Các diện tích tản nhiệt của vỏ máy (kể cả gân ) Sv = 735 cm2 , của nắp Sn = S’n = 573 cm2 được xác định khi thiết kế kết cấu máy. Nhiệt trở trên lớp cách điện ( theo 9-23) là: Trong đó δc = 0,025 cm là chiều dày lớp cách điện rãnh λc = 0,16.10-2 W/0c.cm2 là suất dẫn nhiệt của lớp cách điện cấp B Sc là diện tích mặt truyền nhiệt của các rãnh Sc = Z1 . C . l1 = 36.3,6.7 = 907 (cm2) C là chu vi rãnh trừ nêm Độ chênh lệch nhiệt độ của vỏ máy với môi trường . θα = (QCu1 + QFe + QR).Rα= (270+83+175) .0,07 = 37(oC) Độ tăng nhiệt của dây quấn stato Với sự chênh nhiệt độ này đảm bảo sự làm việc ổn định của động cơ (thoả mãn cấp cách điện B) Chương 10 : Tính toán chỉ tiêu trọng lượng Trọng lượng tôn silic GFe = (Dn + ΔFe)2.l1.kc.γFe..10-3 = (19,1 + 0,7)2.7.0,95.7,8.10-3 =20 (kg) Trong đó : ΔFe = 0,7 cm là lượng dư để dập lá tôn Trọng lượng dây đồng stato kể cả cách điện: GCu1 = Z1.ur1.n1.S1.ltb.γCu.1,05.10-5 = 36.40.1.1,131.23,3.8,9.1,05.10-5 = 3,55 (kg) Trong đó : 1,05 là hệ số xét đến cách điện Trọng lượng lồng sóc nhôm Trọng lượng thanh dẫn GAltd = Z2.Std.l2.γAl.10-5 = 30.75,4.7.2,6.10-5 = 0,41 (kg) Trọng lượng vành ngắn mạch GAlvn = 2.π.Dvn.Svn.γAl.10-5 = 2π.10,1.240.2,6.10-5 = 0,39(kg) Trọng lượng 22 cánh nhôm GAlc = 0,03 kg Tổng trọng lượng nhôm rôto GAl = GAltd + GAlvn + GAlc = 0,41 + 0,39 + 0,03 = 0,83 (kg) Trọng lượng trên đơn vị kW của vật liệu tác dụng với 2p = 4 : Sắt : (kG/k W) Đồng: (kG/k W) Nhôm: (kG/k W)