Đồ án môn học: Thiết kế Động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto Lồng Sóc (GVHD: Th.S Lương Ngọc Toàn)

Đồ án mẫu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc. Tài liệu gồm 10 chương, hướng dẫn tính toán mạch từ, tham số, đặc tính làm việc.

• Tác giả: Nguyễn Minh Trí
• Người hướng dẫn: Th.S Lương Ngọc Toàn
• Chuyên ngành: Thiết Kế Động Cơ
• Đề tài: Thiết Kế Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha Rôto Lồng Sóc
• Loại tài liệu: Đồ án môn học

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Chung Về Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha Rôto Lồng Sóc

Động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc là một trong những loại máy điện phổ biến nhất trong công nghiệp hiện đại. Đây là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học với hiệu suất cao và độ tin cậy vượt trội. Nguyên lý hoạt động của động cơ dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của stato và dòng điện cảm ứng trong rôto. Khi được cấp điện 3 pha, từ trường quay được tạo ra với tốc độ đồng bộ, làm cảm ứng dòng điện trong các thanh dẫn rôto. Sự tương tác này tạo ra momen xoắn đưa rôto quay theo. Ưu điểm nổi bật bao gồm: cấu tạo đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, giá thành rẻ, và khả năng làm việc ổn định trong môi trường khắc nghiệt.

1.1. Cấu Tạo Của Động Cơ Không Đồng Bộ

Động cơ bao gồm hai phần chính: stato (phần cố định) và rôto (phần quay). Stato chứa ba cuộn dây được bố trí cách nhau 120°, khi cấp điện 3 pha tạo ra từ trường quay. Rôto lồng sóc bao gồm các thanh dẫn nhôm được nhúng trong rãnh của lõi sắt rôto, hai đầu thanh được nối với nhau bằng vành ngắn mạch nhôm hoặc đồng. Giữa stato và rôto là khe hở không khí nhỏ để cho phép rôto quay tự do.

1.2. Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng

Khi từ trường quay từ stato cắt qua các thanh dẫn rôto, nó cảm ứng ra suất điện động theo định luật Faraday. Dòng điện cảm ứng này tương tác với từ trường tạo ra lực Lorentz, sinh ra momen xoắn quay rôto. Rôto quay chậm hơn từ trường quay, sự chênh lệch này gọi là trượt. Động cơ rôto lồng sóc được ứng dụng rộng rãi trong máy bơm, quạt, máy nén khí, động cơ hộp số và nhiều thiết bị công nghiệp khác.

II. Các Bước Thiết Kế Động Cơ Không Đồng Bộ

Quá trình thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha là công việc phức tạp đòi hỏi kỹ năng kỹ thuật cao. Thiết kế bao gồm nhiều giai đoạn liên tiếp từ xác định thông số ban đầu đến kiểm tra hiệu suất cuối cùng. Mỗi bước thiết kế đều ảnh hưởng đến hiệu suất, độ tin cậy và chi phí sản xuất của động cơ. Các bước chính gồm: xác định kích thước chủ yếu, thiết kế stato, thiết kế rôto, tính toán mạch từ, xác định tham số động cơ, tính toán tổn hao, và kiểm tra đặc tính làm việc.

2.1. Thiết Kế Điện Từ Và Kết Cấu

Thiết kế điện từ tập trung vào tính toán từ thông, mật độ từ thông, cường độ từ trường trong các phần của động cơ. Điều này yêu cầu hiểu biết sâu sắc về lý thuyết từ trường và đặc tính vật liệu từ. Thiết kế kết cấu xác định hình dạng, kích thước của stato, rôto, lõi sắt, rãnh, răng và các thành phần khác để đảm bảo cơ học vững chắc và tán nhiệt hiệu quả.

2.2. Vật Liệu Thường Dùng Trong Thiết Kế

Vật liệu dẫn từ: Thép silic cán nguội loại 2211 được sử dụng làm lõi sắt stato và rôto vì có độ thấm từ cao, tổn hao sắt thấp. Vật liệu dẫn điện: Đồng hoặc nhôm dùng cho dây quấn stato, thanh dẫn và vành ngắn mạch rôto. Vật liệu cách điện: Sơn cách điện, giấy cách điện, vải mika bảo vệ dây quấn.

III. Thiết Kế Stato Và Rôto

Stato là phần quan trọng quyết định hiệu suất và độ tin cậy của động cơ. Thiết kế stato bao gồm xác định số rãnh, bước rãnh, kích thước dây quấn, kiểu cuộn dây, và hệ số dây quấn. Số rãnh stata ảnh hưởng đến mạch từ tản, tổn hao sắt và momen gồ ghề. Bước rãnh phải được lựa chọn để tối ưu hóa nhân tố hài hòa. Rôto lồng sóc thiết kế với số rãnh, kích thước thanh dẫn, diện tích vành ngắn mạch để đạt được dòng khởi động thích hợp và momen cực đại cao. Hai phần phải cân bằng để đảm bảo hiệu suất toàn diện và khả năng hoạt động ổn định.

3.1. Xác Định Kích Thước Chủ Yếu Của Máy

Đường kính ngoài stato và chiều dài lõi sắt được xác định dựa trên công suất yêu cầu, tốc độ quay, và mật độ công suất. Số đôi cực p phụ thuộc vào tần số điện lưới và tốc độ quay mong muốn. Dòng điện pha định mức tính toán từ công suất và hiệu suất dự kiến. Các thông số ban đầu như điện áp định mức, tần số, tốc độ quay định mức là cơ sở cho toàn bộ quá trình thiết kế.

3.2. Thiết Kế Chi Tiết Stato Và Rôto

Số rãnh stato thường chọn là 3p × 2, 3p × 3 hoặc 3p × 4 để tối ưu hóa hiệu suất. Tiết diện dây quấn được tính dựa trên dòng điện cho phép và mật độ dòng (thường 2-4 A/mm²). Hệ số dây quấn kp giảm do các hài hòa. Rôto: Số rãnh rôto thường lớn hơn stato để tránh gồ ghề. Tiết diện thanh dẫn và vành ngắn mạch phải đủ để chịu dòng khởi động lớn mà không quá nóng.

IV. Tính Toán Tham Số Và Đặc Tính Làm Việc

Tính toán mạch từ là bước thiết yếu để xác định mật độ từ thông, cường độ từ trường ở từng phần máy. Dựa vào đặc tính từ hóa của vật liệu, ta tính toán sức từ động tổng cộng để xác định dòng từ hóa. Tham số điện của động cơ bao gồm điện kháng tản, điện trở dây quấn, từ dẫn hổ cảm. Tính toán tổn hao gồm tổn hao sắt (x涡điện, tổn hao bề mặt), tổn hao đồng ở dây quấn, và tổn hao cơ học. Đặc tính làm việc được tính bằng phương pháp thay thế hoặc giải trực tiếp phương trình từ trường để xác định momen, dòng điện, công suất ở các chế độ làm việc khác nhau.

4.1. Tính Toán Mạch Từ Và Tham Số Điện

Hệ số khe hở không khí (hệ số cartier) được tính để xác định ảnh hưởng của khe hở lên độ bão hòa mạch từ. Mật độ từ thông ở khe hở không khí, răng stato, gông stato được kiểm tra không vượt quá giới hạn cho phép để tránh bão hòa. Sức từ động ở mỗi phần được tính và cộng lại để xác định dòng từ hóa I₀. Hệ số qui đổi k chuyển đổi tham số rôto về phía stato để phân tích mạch điện tương đương.

4.2. Đặc Tính Làm Việc Và Hiệu Suất

Đặc tính momen-trượt M(s) được tính để xác định momen cực đại, dòng khởi động, momen khởi động. Hiệu suất η là tỷ số giữa công suất cơ học và công suất điện vào, phụ thuộc vào tổn hao. Hệ số công suất cosφ thể hiện phần dòng điện tác dụng. Độ ổn định được kiểm tra bằng cách so sánh momen khởi động với momen cực đại. Tính toán nhiệt độ dây quấn ở chế độ định mức đảm bảo máy hoạt động an toàn trong vòng đời dài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.Khái niệm Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rôto n (tốc độ quay của máy) khác với tốc độ quay từ trường quay n1.1: Động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc 1. Phân loại Theo kết cấu vỏ, máy điện không đồng bộ có thể chia làm các kiểu chính sau: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ. Theo kết cấu của rôto, máy điện không đồng bộ được chia làm hai loại: rôto kiểu lồng sóc và rôto kiểu dây quấn.

Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia làm các loại: một pha, hai pha và ba pha. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ về cấu tạo được chia làm hai loại: động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn. SVTH: Nguyễn Minh Trí 3 GVHD: Th.S Lương Ngọc Toàn Đồ án môn học: Thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc 1. Stato ( Phần tĩnh) Stato bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn, như hình 1.2: Stato của động cơ a.

Vỏ máy Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và 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. Đối với vỏ máy có công suất tương đối lớn 1000 kW thường dùng thép hàn lại thành vỏ.

Vỏ máy có hai kiểu: vỏ kiểu kín và vỏ kiểu bảo vệ. Vỏ máy kiểu kín yêu cầu phải có diện tích tản nhiệt lớn người ta làm nhiều gân tản nhiệt trên bề mặt vỏ máy. Vỏ kiểu bảo vệ thường có bề mặt ngoài nhăn, gió làm mát thổi trực tiếp trên bề mặt ngoài lõi thép và trong vỏ máy. Lõi sắt Lõi thép 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 điện dày 0,5 mm ép lại. Khi mà đường kính ngoài của lõi sắt nhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. SVTH: Nguyễn Minh Trí 4 GVHD: Th.S Lương Ngọc Toàn Đồ án môn học: Thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc Mỗi lá thép kỹ thuật đều được phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm dòng điện xoáy gây nên.

Nếu lõi thép ngắn thì có thể ghép thành một khối. Nếu lõi thép sắt quá dài thì thường ghép thành từng thiếp ngắn, mỗi thiếp dài từ 6 đến 8 cm, đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt. Mặt trong của lá thép kỹ thuật có xẻ rãnh để đặt dây. Dây quấn Dây quấn stato được đặt vào các 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 dây quấn cũng chiếm một phần khá cao trong toàn bộ giá thành máy. Phần quay ( Rôto) Rôto của động cơ không đồng bộ gồm lõi sắt, dây quấn và trục (đối với động cơ rôto dây quấn còn có vành trượt), như hình 1.3: Rôto của động cơ a. Lõi sắt Lõi sắt của rôto bao gồm các lá thép kỹ thuật điện như của stato, điểm khác biệt ở đây là không cần sơn cách điện giữa các lá thép vì tần số làm việc trong rôto rất thấp chỉ vài Hz, nên tổn hao do dòng Fuco trong rôto rất thấp. Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy.

Phía ngoài của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn rôto. Dây quấn rôto SVTH: Nguyễn Minh Trí 5 GVHD: Th.S Lương Ngọc Toàn Đồ án môn học: Thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc Rôto có hai loại chính là: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc. - Rôto kiểu dây quấn: rôto có dây quấn giống như dây quấn stato trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp.

Dây quấn ba pha của rôto thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định một đầu trục và thông qua chổi than đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm của động cơ rôto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rôto 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 rôto được nối ngắn mạch. - Rôto kiểu lồng sóc: kết cấu của loại dây này rất khác với dây quấn stato.

Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto 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 gọi là lồng sóc. Dây quấn rôto lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rôto có thể làm thành rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép. Trong máy điện cỡ nhỏ rôto thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục.

Trục Trục máy điện mang rôto quay trong lồng sóc, vì vậy nó củng có một chi tiết rất quan trong. Trong máy điện tùy theo kích thước có thê chế tạo từ thép Cacbon từ 5 đến 45. Trên trục của rôto có lõi thép, dây quấn, vành trượt và quạt gió.Khe hở Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không SVTH: Nguyễn Minh Trí 6 GVHD: Th.S Lương Ngọc Toàn Đồ án môn học: Thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc đồng bộ rất nhỏ ( từ 0,2 đến 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng từ hóa lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể cho hệ số công suất của máy cao hơn.

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ dựa vào hai định luật điện từ cơ bản. Định luật thứ nhất là định luật sức điện động cảm ứng được trong một thanh dẫn có chiều dài l chuyển động với tốc độ v trong một từ trường đứng yên có từ cảm B. Đó là định luật cơ sở của máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng. Định luật thứ hai là định luật về lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn có chiều dài l khi nó có dòng điện I và nằm trong từ trường có từ cảm B.

Vì hai định luật điện từ cơ bản nói trên là thuận nghịch nên bất kỳ một máy điện quay nào cũng có thể làm việc thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc như máy phát điện hoặc như động cơ điện. Khi ta dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trường 60 f quay p đôi cực, quay với tốc độ n1 = p Trong đó: - f1: Tần số nguồn điện. - p: Số đôi cực từ của dây quấn. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto, cảm ứng ra các sức điện động.

Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trên 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 cùng chiều quay từ trường với tốc độ n.4 từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôto, chiều các lực điện từ Fđt SVTH: Nguyễn Minh Trí 7 GVHD: Th.S Lương Ngọc Toàn Đồ án môn học: Thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc N N n1 n1 F dt F dt n n F dt F dt S S Hình 1.4: Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay n1 vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rôto không có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2. n 2 = n1 – n n2 n1 - n2 Hệ số trượt của tốc độ là: s = n = n 1 1 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 = n1. Do n < n1 ( trong đó n1 là tốc độ quay của từ trường tổng  , n là tốc độ quay của rôto) nên từ trường đó vẫn quét qua thanh dẫn theo chiều quay của từ trường và chiều sức điện động sinh ra có thể xác định theo quy tắc bàn tay phải. Dòng điện sinh ra trong dây quấn rôto cùng chiều với sức điện động và tác dụng với từ trường tổng trong khe hở, sinh ra lực F và mômen M mà chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái. SVTH: Nguyễn Minh Trí 8 GVHD: Th.S Lương Ngọc Toàn Đồ án môn học: Thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc Mômen đó kéo rôto quay theo chiều từ trường quay.

Điện năng đưa tới rôto đã biến thành cơ năng trên trục, nghĩa là máy điện làm việc trong chế độ động cơ điện. Nhưng máy chỉ làm việc ở chế độ đó khi n < n1, vì chỉ khi n < n1 mới có sự chuyển động tương đối giữa từ trường và dây quấn rôto và như vậy trong dây quấn rôto mới có dòng điện và mômen kéo rôto quay. - Trường hợp rôto quay thuận và nhanh hơn tốc độ đồng bộ ( n > n1 hay s < 0). Dùng một động cơ cấp nào đó quay rôto của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1.

Lúc đó chiều của từ trường quay quét qua dây dẫn sẽ ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây dẫn rôto cũng đổi chiều nên chiều của mômen cũng ngược với chiều quay của n 1, nghĩa là ngược với chiều của rôto, nên đó là mômen hãm.