Đồ án Thiết kế Động cơ không đồng bộ 3 pha 11kW - SV. Đặng Hoài Sơn

Tài liệu đồ án thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc 11kW. Cung cấp thuyết minh tính toán chi tiết và đầy đủ bản vẽ kỹ thuật liên quan.

• Tác giả: Đặng Hoài Sơn
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Đoài
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Thiết Kế Thiết Bị Điện
• Đề tài: Thiết Kế Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha Rôto Lồng Sóc
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha Rôto Lồng Sóc

Động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc (Induction Motor) là loại máy điện chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Đây là loại động cơ phổ biến nhất trong công nghiệp hiện đại với ưu điểm về độ tin cậy, chi phí thấp và dễ bảo trì. Cấu trúc rôto lồng sóc cho phép động cơ hoạt động hiệu quả và có khả năng chịu tải cao. Ứng dụng của động cơ này rất rộng rãi trong các máy công nghiệp, máy bơm, quạt gió và các thiết bị cơ khí khác.

1.1. Định Nghĩa Và Đặc Điểm Cơ Bản

Động cơ không đồng bộ là máy điện quay trong đó rôto quay với tốc độ khác tốc độ từ trường quay tạo bởi stator. Rôto lồng sóc bao gồm các thanh dẫn điện nằm trong rãnh của lõi sắt, ngắn mạch bởi hai vành tròn ở hai đầu. Khi dòng điện ba pha cung cấp cho cuộn dây stator, nó tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ. Sự chênh lệch tốc độ giữa từ trường và rôto gây ra hiện tượng trượt (slip), dẫn đến sinh ra lực điện từ làm rôto quay.

II. Cấu Trúc Và Nguyên Lý Hoạt Động

Cấu trúc động cơ không đồng bộ 3 pha gồm hai phần chính: stator (phần tĩnh) và rôto (phần quay). Stator được quấn ba pha cách nhau 120° điện, tạo ra từ trường quay khi được cung cấp điện AC ba pha. Rôto lồng sóc bao gồm các thanh dẫn điện song song ngắn mạch bởi hai vành. Khi từ trường quay cắt các thanh dẫn rôto, nó sinh ra suất điện động cảm ứng, tạo dòng điện rôto. Tương tác giữa dòng điện rôto và từ trường tạo ra moment xoay, làm rôto quay.

2.1. Thành Phần Chính Của Động Cơ

Stator là phần tĩnh bao gồm lõi sắt laminated và ba cuộn dây được bố trí đối xứng. Rôto lồng sóc gồm lõi sắt và các thanh dẫn nhôm hoặc đồng sắp xếp trong rãnh. Hai vành tròn (end rings) ngắn mạch các thanh rôto ở hai đầu. Các ổ trục hỗ trợ rôto quay trôi chảy. Vỏ động cơ bảo vệ toàn bộ và giúp tản nhiệt.

2.2. Nguyên Lý Trượt Slip

Trượt là sự chênh lệch tốc độ giữa từ trường quay (ns) và tốc độ rôto thực tế (n). Công thức tính: s = (ns - n)/ns × 100%. Trượt bằng không khi rôto quay đồng bộ với từ trường, lúc này không có cảm ứng EMF. Trượt khác không gây ra dòng điện rôto và moment xoay. Trượt tăng khi tải tăng, nhưng quá lớn sẽ gây quá nóng động cơ.

III. Các Đặc Tính Điện Và Cơ Học

Đặc tính điện của động cơ không đồng bộ 3 pha thể hiện mối quan hệ giữa tải, tốc độ, moment và dòng điện. Khi tải tăng, rôto chạy chậm hơn (trượt tăng), dòng điện rôto tăng, từ đó moment xoay tăng. Đặc tính cơ học là đặc tính moment-tốc độ, cho thấy động cơ có moment khởi động tốt và khả năng chịu tải linh hoạt. Hiệu suất động cơ phụ thuộc vào tải, tốc độ quay và các tổn hao nội bộ như ma sát, điện trở.

3.1. Đặc Tính Moment Tốc Độ

Đặc tính M-n cho thấy moment khởi động (khi n=0) khác không, cho phép động cơ tự khởi động. Moment cực đại (pull-out torque) xuất hiện tại trượt nhất định. Khi tốc độ tăng gần tốc độ đồng bộ, moment giảm nhanh. Vùng hoạt động bình thường là khoảng từ moment cực đại đến tốc độ đồng bộ. Đặc tính này cho phép động cơ thích ứng với biến động tải một cách tự động.

3.2. Hiệu Suất Và Tổn Hao

Hiệu suất động cơ bằng công suất cơ học phát ra chia công suất điện nhập. Tổn hao chính gồm: tổn hao đồng (I²R), tổn hao sắt (từ trường), ma sát và thoáng khí. Hiệu suất cao nhất thường ở 50-75% công suất định mức. Tổn hao tăng khi động cơ hoạt động quá tải hoặc dưới tải.

IV. Ứng Dụng Và Hướng Phát Triển

Động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc được ứng dụng rộng rãi trong các máy bơm nước, máy gió, máy nén khí, băng tải, công nghiệp dệt, chế biến thực phẩm và nhiều lĩnh vực khác. Ưu điểm là giá rẻ, tin cậy, dễ bảo trì và không cần bảo dưỡng phức tạp. Xu hướng phát triển hiện tại tập trung vào nâng cao hiệu suất năng lượng, tích hợp công nghệ biến tần để điều chỉnh tốc độ, giảm tiếng ồn và phát triển động cơ thân thiện với môi trường.

4.1. Các Ứng Dụng Phổ Biến

Trong công nghiệp, động cơ này chạy các máy bơm, quạt gió, máy nén khí với công suất từ kW đến MW. Trong giao thông, được dùng trong các thang máy, cầu trục. Trong nông nghiệp, chạy các máy xay, máy tách hạt. Ưu điểm là khả năng chịu quá tải tạm thời, có thể khởi động trực tiếp từ lưới điện mà không cần thiết bị phức tạp.

4.2. Cải Tiến Và Xu Hướng Tương Lai

Sử dụng vật liệu silica tốt hơn giảm tổn hao sắt. Tích hợp biến tần (VFD) cho phép điều chỉnh tốc độ mượt mà, tiết kiệm năng lượng đáng kể. Thiết kế cải tiến rotor và stator để giảm tiếng ồn. Phát triển động cơ hiệu suất cao IE3, IE4 theo tiêu chuẩn IEC. Ứng dụng công nghệ IoT, cảm biến thông minh để monitoring hiệu suất và dự báo bảo trì.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu chung về máy điện không đồng bộ. Máy điện không đồng bộ do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và bảo quản thuận tiện, giá thành rẽ nên được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, nhất là loại công suất dưới 100 kW. Động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc cấu tạo đơn giản nhất, nhất là loại rôto lồng sóc đúc nhôm nên chiếm một số lượng khá lớn trong loại động cơ công suất nhỏ và trung bình.

Nhược điểm của động cơ này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi động lớn thường bằng 6-7 lần dòng điện định mức. Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo đông cơ không đồng bộ rôto lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rôto rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên. Hình 1: Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc Động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn có thể điều chỉnh tốc được tốc độ trong một chừng mực nhất định, có thể tạo một mômen khởi động lớn mà dòng khởi động không lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn so với với loại rôto lồng sóc, do đó giá thành cao hơn, bảo quản cũng khó hơn. Nhóm 3 3 GVHD:ThS.

Nguyễn Văn Đoài Đồ án Thiết kế thiết bị điện Khoa Điện Động cơ điện không đồng bộ được sản xuất theo kiểu bảo vệ IP23 và kiểu kín IP44. Những động cơ điện theo cấp bảo vệ IP23 dùng quạt gió hướng tâm đặt ở hai đầu rôto động cơ điện. Trong các động cơ rôto lồng sóc đúc nhôm thì cánh quạt nhôm được đúc trực tiếp lên vành ngắn mạch. Loại động cơ điện theo cấp bảo vệ IP44 thường nhờ vào cánh quạt đặt ở ngoài vỏ máy để thổi gió ở mặt ngoài vỏ máy, do đó tản nhiệt có kém hơn do với loại IP23 nhưng bảo dưỡng máy dễ dàng hơn.

Hiện nay các nước đã sản xuất động cơ điện không đồng bộ theo dãy tiêu chuẩn. Dãy động cơ không đồng bộ công suất từ 0,55 - 90 KW ký hiệu là K theo tiêu chuẩn Việt Nam 1987-1994 được ghi trong bảng 10-1 [3]. Theo tiêu chuẩn này, các động cơ điện không đồng bộ trong dãy điều chế tạo theo kiểu IP44. Ngoài tiêu chuẩn trên còn có tiêu chuẩn TCVN 315-85, quy định dãy công suất động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc từ 110 kW-1000 kW, gồm có công suất sau: 110,160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800 và 1000 kW.

Ký hiệu của một động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc được ghi theo ký hiệu về tên gọi của dãy động cơ điện, ký hiệu về chiều cao tâm trục quay, ký hiệu về kích thước lắp đặt. Cấu tạo và nguyên lý của động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ về cấu tạo được chia làm hai loại: Động cơ không đồng rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn. Stato Stato bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn. 1: Cấu tạo của stato Nhóm 3 4 GVHD:ThS.

Nguyễn Văn Đoài Đồ án Thiết kế thiết bị điện Khoa Điện - Vỏ máy: Vỏ máy là nơi cố định lõi sắt, dây quấn và đồng thời là nơi ghép nối nắp hay gối đỡ trục. Vỏ máy có thể làm bằng gang, nhôm hay thép. Để chế tạo vỏ máy người ta có thể đúc, hàn, rèn. Vỏ máy có hai kiểu: vỏ kiểu kín và vỏ kiểu bảo vệ.

2: Vỏ máy - Lõi sắt: 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 từ những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm bề mặt các lá thép có phủ một lớp sơn cách điện mỏng để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, các lá thép được ép lại thành khối. Yêu cầu lõi sắt là phải dẫn từ tốt, tổn hao sắt nhỏ và chắc chắn. 3: Lõi thép - Dây quấn: Nhóm 3 5 GVHD:ThS.

Nguyễn Văn Đoài Đồ án Thiết kế thiết bị điện Khoa Điện Dây quấn stator được đặt vào rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt. Dây quấn đóng vai trò quan trọng của máy điện vì nó trực tiếp tham gia các quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hay ngược lại, đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm một phần khá cao trong toàn bộ giá thành máy. Rôto Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. 5: Rôto lồng sóc trong động cơ - Lõi thép: Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa các lỗ để lắp trục - Dây quấn rôto lồng sóc: Kết cấu của loại dây quấn rất khác với dây quấn stato.

Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto, đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hay nhôm. Nếu là rôto đúc nhôm thì trên vành ngắn mạch còn có các cánh khoáy gió. Nhóm 3 6 GVHD:ThS. Nguyễn Văn Đoài Đồ án Thiết kế thiết bị điện Khoa Điện Rôto thanh đồng được chế tạo từ đồng hợp kim có điện trở suất cao nhằm mục đích nâng cao mô men mở máy và giảm tổn hao.

Để cải thiện tính năng mở máy, đối với máy có công suất lớn, người ta làm rãnh rôto sâu hoặc dùng lồng sóc kép. Đối với máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto được làm chéo góc so với tâm trục. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ ba pha: Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ là: 60 f n1 = p Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto và cảm ứng các sức điện động.

Vì dây quấn rôto nối kín mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rôto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay với tốc độ n< n1và cùng chiều với n1. 6: Từ trường quay trong máy điện không đồng bộ Tốc độ quay của rôto n luôn luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì tốc độ bằng nhau thì trong dây quấn rôto không còn sức điện động và dòng điện cảm ứng, cho nên lực điện từ bằng không. Hệ số trượt của tốc độ: n1−n S= n1 Nhóm 3 7 GVHD:ThS.

Nguyễn Văn Đoài Đồ án Thiết kế thiết bị điện Khoa Điện Khi rôto đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1; khi rôto quay định mức s = 0,02 ÷ 0,06. Tốc độ động cơ là: 60 f n= p. Quy trình, các tiêu chuẩn thiết kế động cơ. Các tiêu chuẩn về dãy công suất.

Hiện nay các nước đã sản xuất động cơ điện không đồng bộ theo dãy tiêu chuẩn. Dãy động cơ điện không đồng bộ công suất từ 0,55 kW đến 90 kW. Ký hiệu theo tiêu chuẩn Việt Nam 1987 - 1994. Theo tiêu chuẩn này ,các động cơ điện không đồng bộ trong dãy đều chế tạo theo kiểu IP44.

Các tiêu chuẩn về kích thước lắp đặt độ cao tâm trục. Độ cao tâm trục: Từ tâm của trục đến bệ máy. Đây là một đại lượng rất quan trọng trong việc lắp khép động cơ với những cơ cấu thiết bị khác. Kích thước lắp đặt: Chiều cao tâm trục có thể được chon theo dãy công suất của động cơ.

Ví dụ : 3K 250 M4 - 3K : Động cơ điện không đồng bộ dày K thiết kế lại lần 3. - 250 :Chiều cao tâm trục bằng 250mm. - M : Kích thước lắp đặt dọc trục là M. Ký hiệu là : IC.

Ví dụ: IC 00 : Làm mát kiểu bảo vệ. IC 0141 : Làm mát kiểu kín , Làm mát kiểu ngoài. Cấp cách điện. - Dãy A02 : Cấp E,B - Dãy 4A : Cấp E, F, H Nhóm 3 8 GVHD:ThS.

Nguyễn Văn Đoài Đồ án Thiết kế thiết bị điện Khoa Điện Vật liệu cách điện là một trong những vật liệu chủ yếu dung trong ngành chế tạo máy điện. Khi thiết kế máy điện, chọn vật liệu cách điện là một khâu rất quan trọng vì phải đảm bảo máy làm việc tốt với tuổi thọ nhất định, đồng thời giá thành của máy phải không cao. Những điều kiện này phụ thuộc phần lớn vào việc chọn cách điện của máy. Khi chọn vật liệu cách điện cho máy cần cú ý những vấn đề sau: Vật liệu cách diện phải có độ bền cao, chịu tác dụng cơ học tốt, chịu nhiệt và dẫn nhiệt tốt lại ít thấm nước.

Phải chọn vật liệu cách điện có tính cách điện cao để đảm bảo thời gian làm việc của máy ít nhất là 15-20 năm trong điều kiện làm việc bình thường, đồng thời đảm bảo giá thành của máy không cao. Một trong những yếu tố cơ bản nhất là làm giảm tuổi thọ của vật liệu cách điện (cũng là tuổi thọ của máy) là nhiệt độ. Nếu nhiệt độ vượt quá nhiệt độ cho phép thì chất điện môi, độ bền cơ học của vật liệu giảm đi nhiều, dẫn đến sự già hóa nhanh chóng chất cách điện. Hiện nay, theo nhiệt độ cho phép của vật liệu (nhiệt độ mà vật liệu cách điện làm việc tốt trong 15-20 năm ở điều kiện làm việc bình thường).

Hội kỹ thuật điện quốc tế IEC đã chia vật liệu cách điện thành các cấp sau đây: Bảng 1.1: Các cấp cách điện của vật liệu cách điện Cấp cách điện Y A E B F H C Nhiệt độ cho phép(ºC) 90 105 120 130 155 180 >180 Độ gia tăng nhiệt(ºC) 75 75 75 115 115 Vật liệu cách điện thuộc các cấp cách điện trên đại thể có các loại sau: - Cấp Y: Gồm có sợ bông, tơ, sợi nhân tạo, giấy và chế phẩm của giấy, catton, gỗ v.v… Tất cả đều không tẩm sơn cách điện. Hiện nay không dùng cách này vì chịu nhiệt kém. - Cấp A: Vật liệu cách điện chủ yếu của cấp này cũng giống như cấp Y nhưng có tẩm sơn cách điện. Cấp A được dùng rộng rãi cho các máy điện công suất đến 100 kW, nhưng chịu ẩm kém, sử dụng ở vùng nhiệt đới không tốt.

Nhóm 3 9 GVHD:ThS. Nguyễn Văn Đoài Đồ án Thiết kế thiết bị điện Khoa Điện - Cấp E: Dùng các màng mỏng và sợi bằng polyetylen tereftalat, các sợi tẩm sơn tổng hợp làm từ epoxy, trealat và aceton buterat xenlulo, các màng sơn cách điện gốc vô cơ tráng ngoài dây dẫn (dây emay có độ bền cơ cao).