Chương 2 : Xác định kích thước chủ yếu docx

Chương 2
XÁC ĐNNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU



2.1. NHỮNG TRN SỐ ĐNNH MỨC
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 đó gồm có:
- Công suất định mức đầu trục P
đm
, kW;
- Điện áp định mức (điện áp dây) U
đm
, V;
- Cách đấu dây (Y hay );
- Tần số định mức f
đm
, Hz;
- Tốc độ quay đồng bộ n
đb
, vg/ph;
- Kiểu máy (bảo vệ, kín, );
- Cấp cách điện.
Nếu không có yêu cầu đặc biệt gì thêm thì máy điện không đồng bộ đó làm
việc ở chế độ liên tục và tính năng của máy thiết kế ra ở công suất định mức phải đạt
những trị số quy định của tiêu chuNn nhà nước.
N hững tham số chỉ đặc điểm kỹ thuật của động cơ điện không đồng bộ mà

tiêu chuNn nhà nước quy định gồm có: hiệu suất, hệ số công suất cos, bội số
mômen cực đại
âm
max
M
M
M
m 
. Đối với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc còn
thêm bội số mômen khởi động
âm
K
K
M
M
m 
, bội số dòng điện khởi động
âm
k
I
I
I
m 

và có khi cả bội số mômen cực tiểu trong quá trình mở máy
âm
M
M
min

. Tiêu chuNn nhà
nước Liên Xô về tính năng động cơ điện không đồng bộ dãy 4A được ghi trong phụ
lục III.
Sau khi biết những tham số định mức, khi tính toán cần biết thêm các tham số
sau:
- Số đôi cực:
âb
n
f
60
p 

- Dòng điện pha định mức (giả thiết):

âmmâ1âm
âm
âm
cos3.U
P
I


, A

trong đó: U
1đm
- điện áp pha định mức tính theo số liệu định mức của máy; hệ số
công suất cos

đm

và hệu suất 
đm
- căn cứ theo tiêu chuNn nhà nước (lúc đầu giả thiết
những tham số này bằng trị số do tiêu chuNn nhà nước quy định, cho ở bảng 1-2).
2.2. XÁC ĐNNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU
N hững kích thước chủ yếu của máy điện không đồng bộ là đường kính trong
lõi sắt stato D và chiều dài lõi sắt l

. 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
chuNn của nhà nước. Tính kinh tế của máy không phải chỉ xét về mặt sử dụng vật
liệu để chế tạo ra máy mà còn xét đến quá trình chế tạo trong nhà máy như tính
thông dụng của các khuôn dập, vật đúc, các chi tiết gia công cơ khí, chi tiết tiêu
chuNn hóa, chu kỳ sản xuất một máy v.v
Kích
thước D và l

phụ thuộc vào công suất, tốc độ quay, tải điện và từ của
máy. Có thể thấy điều đó trong cách dẫn giải sau:
Công suất điện từ của máy bằng:
, kVA
trong đó: m
1
= số p
3
11
'
10ImEP

 (2-1)

ha của dâ
y quấn stato.
quấn stato, V;
o

E
1
= sức điện động pha của dây
I
1
= dòng điện pha trong dây quấn stato, A.
D

1dq11s

1
E
k
N
f
k
4 , V
số f
1
= (pn )/60
, Wb
bước cực :
Tần
1


 Bl
và từ thông


p2
D


tải đường
âm
11
I
D
Nm2
A


s
ệ số dạng sóng c Đó là tỷ số giữa trị số hiệu
k
dq1
=
p của một pha stator;
khe hở không khí, Tesla;
Thế và c:

trong đó: k = h ủa đường cong từ trường.
dụng với trị số bình quân của mật độ từ thông khe hở không khí;
hệ số dây quấn stator;
N

1
= số vòng dây nối nối tiế



= hệ số bước cực;
B

= mật độ từ thông
l

= chiều dài tính toán của lõi sắt stato, m;
p = số đôi cực.
o công (2-1) sẽ đượ
A
dqs
'
âb
C
ABkk
,
P
n
lD

2





 1
7
1016
(2-2)
Theo công thức (2-2) ta thấy, ở những máy điện thông thường 

, k
dq
, k
s

không đổi, khi A và B

cũng không đổi thì cùng một kết cấu hệ số C
A
là một số
không đổi, do đó các kích thước của máy điện chỉ phụ thuộc vào tải điện từ A và B

.
N hư vậy D
2
l

phụ thuộc vào P’/n
đb
, nghĩa là khi có một thể tích máy D
2
l

như nhau

thì máy nào có tốc độ cao máy ấy sẽ có công suất lớn hơn hay nói một cách khác khi
công suất bằng nhau thì máy nào có tốc độ lớn máy ấy sẽ có thể tích nhỏ. N hưng do
công suất khác nhau nên yêu cầu về tính năng cũng có khác như hiệu suất, cos
.
Mặt khác tải điện và từ A, B

và điều kiện thông gió làm nguội máy cũng khác nhau
đôi chút nên hệ số C
A
cũng có thay đổi phần nào theo công suất.
Hệ số C
A
gọi là hằng số máy điện hay hằng số Arnold. Công thức (2-2) có thể
viết thành:

(2-3)

 ABnlDCP
âb
2''
trong đó
7
1
1016 



,
k
k

C
dqs
'
là một hệ số. Trong máy điện thông thường, hệ số đó có thể
coi là một số không đổi.
Thực tế cho thấy rằng, việc nâng cao phNm chất của vật liệu tác dụng, vật liệu
cách điện, việc chọn hình dáng hình học của máy một cách hợp lý, hệ thống quạt gió
tốt và hoàn thiện công nghệ chế tạo cho phép ngày càng nâng cao tải điện từ A và
B

, nhờ đó giảm được kích thước của máy mà vẫn giữ nguyên công suất.
Khi xác định kích thước kết cấu của máy điện không đồng bộ, giữa đường
kính trong và ngoài của lõi sắt stato có một quan hệ nhất định:

n
D
D
D
k 
(2-4)
Quan hệ này phụ thuộc vào số đôi cực từ và được nêu trong bảng 2.1

Bảng 2-1. Trị số của k
D

2p 2 4 6 8-12
k
D
0,52-0,57 0,64-0,68 0,7-0,72 0,74-0,77

Đường kính ngoài liên quan mật thiết với kết cấu máy, cấp cách điện và chiều
cao tâm trục máy h đã được tiêu chuNn hoá. Vì vậy thường chọn D
n
theo theo chiều
cao tâm trục h và từ đó tính ngược lại đường kính trong D.
Căn cứ vào P
2
tìm được theo bảng 2-2 sẽ được chiều cao tâm trục h. Và xác
định đường kính ngoài lõi sắt D
n
.
Đường kính ngoài tính ra phải được quy về trị số đường kính tiêu chuNn. Việc
tiêu chuNn hóa đường kính ngoài là căn cứ vào sự lợi dụng triệt để nhất các tấm tôn
silic đồng thời kết hợp để cho khi hai công suất máy có cùng đường kính ngoài thì
quan hệ giữa D và l

của chúng phải nằm trong phạm vị kinh tế nhất. N goài ra việc
tiêu chuNn hóa đường kính ngoài còn làm cho việc quản lý sản xuất đơn giản hơn.
Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 1m thì lá tôn được dập nguyên tấm.
Bảng 2-2. Chiều cao tâm trục tiêu chuẩn h, mm
P
2
(kW) khi tốc độ đồng bộ n
1
(vòng/phút)
h, mm
3000 1500 1000 750 600 500
56
0,18
0,25

0,12
0,18
-
-
-
-
-
-
-
-
63
0,37
0,55
0,25
0,37
0,18
0,25
-
-
-
-
-
-
71
0,75
1,1
0,55
0,75
0,37
0,55

0,25
-
-
-
-
-
80
1,5
2,2
1,1
1,5
0,75
1,1
0,37
0,55
-
-
-
-
90 3 2,2 1,5 0,75 - -
100
4
5,5
3
4
2,2
-
1,5
-
-

-
-
-
112
7,5
-
5,5
-
3
4
2,2
3
-
-
-
-
132
11
-
7,5
11
5,5
7,5
4
5,5
-
-
-
-
160

15
18,5
15
18,5
11
15
7,5
11
-
-
-
-
180
22
30
22
30
18,5
-
15
-
-
-
-
-
200
37
45
37
45

22
30
18,5
22
-
-
-
-
225 55 55 37 30 - -
250
75
90
75
90
45
55
37
45
-
-
-
-
280
110
132
110
132
75
90
55

75
-
-
-
-
315
160
200
160
200
110
132
90
110
55
75
45
55
355
250
315
250
315
160
200
132
160
90
110
75

90

Ở nước ta hay dùng quan hệ giữa đường kính ngoài tiêu chuNn D
n
và công
suất theo chiều cao tâm trục h của các động cơ điện không không đồng bộ Hungari
dãy VZ cách điện cấp B và của N ga cách điện cấp F. Quan hệ đó được cho trong
bảng 2-3.




Bảng 2-3. Trị số của D
n
theo h
h(mm) 50 65 63 71 80 90 100 112 132 160
D
n
(VZ,mm) 132 132 170 170 200 245
D
n
(4A,mm) 81 89 100 116 131 149 168 191 225 272

h(mm) 180 200 225 250 280 315 355 400 450 560
D
n
(VZ,mm) 280 320 370 390 425 520 540
D
n
(4A,mm) 313 349 392 437 520 590 660 740 850 990

Sau khi có đường kính ngoài D
n
, ta cũng có thể xác định đường kính trong D theo
bảng 2-4 sau đây:

Bảng 2-4. Đường kính trong theo số cực và đường kính ngoài
2p D
n
,mm D=f(D
n
),mm
2
80
 360
D = 0,61.D
n
- 4
4
80
 520
D = 0,68.D
n
- 5
6
80
 590
D = 0,72.D
n
- 3

8
80
 590
D = 0,72.D
n
- 3
10 và 12
500
 990
D = 0,60.D
n
+ 110

Các bước tính toán như sau:
- Xác định công suất điện từ P’:

3
111
3
111
10.10.'

 IUkmIEmP
E


đmđm
đm
E
P

k
P
φcosη
'
 , kVA (2-5)
trong đó
1
1
E
U
E
=k là hệ số chỉ quan hệ giữa
điện áp đặt vào với sức điện động sinh ra
trong máy. Thường k
E
= 0,94  0,98. Có thể
tra k
E
theo hình 2-2.

Hình 2-2. Hệ số k
E
.
Bước cực của máy bằng:

p2
D
=



,cm (2-6)
Xác định chiều dài tính toán của lõi sắt stato l

theo công thức (2-2):
âbdqs
'
nDABkk
P,
l
2
1
7
1016





,cm (2-7a)
Trị số của


và k
s
phụ thuộc vào độ bão hòa của mạch từ răng vì khi mạch từ
răng bão hòa, sự phân bố của từ trường trên khe hở không khí không phải là hình sin
nữa. Trong những máy hiện nay thường chọn 

= 2/ = 0,64 và k
s

= 1,11 và cho
rằng


và k
s
là không đổi. Chiều dài tính toán của lõi sắt stato l

từ công thức (2-7a)
viết lại:
âb
nDABk
10P62,8
l
2
1dq
7'




,cm (2-7b)
Hệ số dây quấn k
dq
lúc đầu chọn theo kiểu dây quấn. Đối với dây quấn một
lớp bước đủ chọn k
dq
=0,95  0,96; với dây quấn hai lớp bước ngắn hoặc dây quấn
một lớp có p = 1 lúc đầu có thể chọn k
dq

=0,90  0,92.
Căn cứ vào bước cực D
n
theo hình 2- 4 sẽ chọn được trị số của A và B

.
















Hình 2-4. B

và A = f(D
n
) với máy kiểu kín gió thổi ngoài vỏ.
a. Chiều cao tâm trục h

132 mm

b. Chiều cao tâm trục h = 160

250 mm

Việc chọn A và B

ảnh hưởng nhiều đến kích thước chủ yếu D và l

. Đứng về mặt
tiết kiệm vật liệu thì nên chọn A và B

lớn. N hưng nếu A và B

quá lớn thì máy sẽ
có tình trạng quá nóng ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng. N goài ra tỷ số giữa A và B


cũng ảnh hưởng đến đặc tính làm việc và mở máy của động cơ điện.
Hệ số công suất cos
 của máy chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ giữa dòng điện từ hóa I


với dòng điện định mức I
đm
. Theo lý thuyết về máy điện dòng điện từ hóa này bằng:

1dq11
kNm9,0
p
F

I 

,A (2-8)
trong đó:
F = 1,6k

k

B

- sức từ động của toàn mạch;
k

- hệ số xét đến độ bão hòa của các lõi sắt trong cả mạch từ;
k

- hệ số khe hở không khí;
 - khe hở không khí;
m
1
, N
1
, k
dq1
- số pha, số vòng dây nối tiếp của một pha, hệ số dây quấn của
dây quấn stato.
Vì tải đường
âm1
11
I

p2
Nm2
A


nên
âm1
11
I
p
Nm
A 
và ta có :

Ak
Bkk
78,1=
I
I
1dq1



âm

Từ đó ta thấy khi B

tăng hoặc A giảm thì
âm1
I

I

tăng và như vậy cos của
máy sẽ thấp.
Cũng theo công thức trên ta thấy đối với động cơ điện tốc độ thấp thì trị số
của
 nhỏ,


tương đối lớn nên
âm1
I
I

lớn, vì vậy cos của máy tốc độ thấp sẽ thấp
hơn so với máy tốc độ cao. Mômen cực đại M
max
, mômen khởi động M
K
của máy có
liên quan đến điện kháng ngắn mạch x
n
; x
n
càng nhỏ thì M
max
, M
K
càng lớn. Trị số
tương đối của x

n
sau khi đã tính toán bằng


B
A
U
xI
x
*
1
n1
*
n
âm

trong đó
 là hệ số chỉ từ thông tản. Khi  và tích số AB

không đổi thì trị số của 
cũng là một số không đổi, vì vậy muốn giảm nhỏ x
n
phải tăng B

và giảm A.
Quan hệ giữa A và B

= f(D
n
) vẽ trên hình 2.4 là căn cứ vào trị số bình quân

của những máy đã thiết kế và có tính năng tốt, kiểu kín, thông gió hướng kính, cách
điện cấp trở lên. Khi vẽ đã chú ý đến chiều hướng nâng cao tính chắc chắn, hiệu
suất và cos
 của những động cơ điện hiện đại. N ếu thiết kế máy thông gió mạnh
hướng trục thì có thể chọn A,B

lớn hơn trị số trong hình vẽ quãng 3  5%. N ếu sử
dụng cách điện cấp A thì hạ thấp trị số xuống 3
 5%. Trong những máy kiểu kín,
do tản nhiệt kém hơn kiểu bảo vệ nên sử dụng các trị số trong hình 2-4b; trong đó
với máy đến 10kW, 2p = 4 dùng cách điện cấp E còn với máy trên 10kW, 2p = 4 thì
phải dùng cách điện cấp cao hơn (B hoặc F). Trong các máy điện không đồng bộ
công suất đến 100kW, vì lõi sắt ngắn hơn 25cm (cho phép lõi sắt stato dài đến 20

23cm, với máy kiểu bảo vệ có thể đến 24cm), tản nhiệt không khó khăn lắm nên
giữa lõi sắt không có rãnh thông gió hướng kính và chiều dài tính toán của lõi sắt l


bằng chiều dài thực của lõi sắt l
1
. Khi chiều dài lớn hơn 25 30 cm thì phải có rãnh
thông gió hướng kính nên chiều dài lõi sắt lúc ấy bằng:

gg1
b
n
ll




(2.9)
trong đó: n
g
và b
g
- số rãnh và chiều rộng rãnh thông gió ngang trục. Thường thiết
kế b
g
= 1cm còn n
g
thì chọn sao cho chiều dài mỗi đoạn lõi sắt vào khoảng 4  6cm.
Theo tính toán trên ta thấy việc chọn D và l

cho một máy không phải chỉ đạt
được một nhóm trị số. Có thể chọn D lớn l

ngắn, cũng có thể chọn D nhỏ l

dài,
những trường hợp này đều có thể thỏa mãn yêu cầu về tính năng của máy. Vì vậy
khi thiết kế phải căn cứ vào tình hình sản xuất mà tiến hành so sánh phương án một
cách toàn diện để được một phương án kinh tế nhất, thường máy dài, đường kính
nhỏ thì dùng ít vật liệu tác dụng (dây đồng, tôn silic) hơn nhưng tản nhiệt kém hơn
máy ngắn, đường kính lớn.
Quan hệ giữa D và l

đối với cùng
một loại máy có liên quan đến tính năng và
chỉ tiêu kinh tế và được biểu thị bằng quan
hệ




l
=
, ở máy điện không đồng bộ qua
những máy đã thiết kế chế tạo và có tính
năng tốt thì  nên nằm trong phạm vi gạch
chéo của hình 2-5. Vì vậy khi bắt đầu thiết
kế một máy mới, nên xét đến tỷ số  và so
sánh với hình 2-5 xem có nằm trong phạm
vi kinh tế không.
Hình 2-5. Quan hệ

= f(p).