Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy điều chỉnh cảm ứng thay thế nhập khẩu

Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ xoay hệ bánh vít- trục vít 18 Phần II: Quy trình công nghệ chế tạo máy điều chỉnh cảm ứng II.. Trên rôto được gắn trên hệ trục vít-bánh vít để đi

Tổng công ty thiết bị điện việt nam Công ty cổ phần chế tạo máy điện

việt nam – hungary

***************

Báo cáo tổng kết

đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ

Số: 169.07RD/HĐ-KHCN

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy

điều chỉnh cảm ứng thay thế nhập khẩu”

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương

Chủ nhiệm đề tài: KS Hà Đình Minh

Cơ quan chủ trì: Công ty cổ phần chế tạo máy điện

Việt Nam – Hungary

6837

09/5/2008

Hà Nội - 2007

Mục lục

Phần I: Lựa chọn mẫu thiết kế và tính toán thiết kế máy điều chỉnh

cảm ứng

III Tính toán thiết kế máy điều chỉnh cảm ứng 3

B Tính toán thiết kế kết cấu cơ khí của hệ bánh vít trục vít 15

C Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ xoay hệ bánh vít- trục vít 18

Phần II: Quy trình công nghệ chế tạo máy điều chỉnh cảm ứng

II Công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí và quy trình lắp ráp 22

Phần III: Khảo nghiệm và đánh giá kết quả thử nghiệm

II Đặc tính kỹ thuật đạt đ−ợc và số l−ợng sản phẩm máy điều

III Kết quả thử nghiệm máy điều chỉnh cảm ứng 28

Phụ lục 1: Kết quả thử nghiệm máy điều chỉnh cảm ứng

Phụ lục 2: Các bản vẽ thiết kế máy điều chỉnh cảm ứng

Mở đầu

Ngày nay cùng với sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá của đất nước, các ngành công nghiệp nói chung, ngành sản xuất máy điện nói riêng, không ngừng nghiên cứu chế tạo sản phẩm mới, nhằm đáp ứng nhu cầu trong nước thay thế hàng nhập ngoại Máy điều chỉnh cảm ứng là một trong những sản phẩm mới được phát triển trước mắt nhằm phục vụ cho nhu cầu trong nước

Máy điều chỉnh cảm ứng là loại động cơ điện không đồng bộ 3 pha rôto dây quấn Nhưng được thiết kế để làm việc ở chế độ máy biến áp Đại lượng điện áp ở

đầu ra phụ thuộc vào điện áp nguồn và góc xoay của rôto Trên rôto được gắn trên

hệ trục vít-bánh vít để điều chỉnh góc xoay từ 0 đến 180 0 (ứng với dải điện áp điều chỉnh từ 40V đến 700V) khi ngừng xoay thì hệ trục vít-bánh vít có tác dụng chống

“tự xoay”dưới tác dụng của mômen điện từ sinh ra trên rôto của máy điều chỉnh cảm ứng Đặc điểm nổi bật của máy điều chỉnh điện áp là quá trình điều chỉnh điện

áp vô cấp và không phát sinh tia lửa điện do điều chỉnh “không tiếp xúc” khác biệt hoàn toàn với cách điều chỉnh điện áp ở các loại ổn áp dựa trên nguyên lý máy biến áp tự ngẫu, điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh số vòng dây của máy biến

áp nhờ sự dịch chuyển vị trí của chổi than “trượt” trên bề mặt dây quấn hở của biến

áp tự ngẫu

Máy điều chỉnh cảm ứng là loại máy điện đặc biệt được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất ở những nơi sử dụng điện áp 3 pha có yêu cầu điều áp như các nhà máy sản xuất phân bón, các phòng thí nghiệm điện, v.v, máy điều chỉnh cảm ứng hiện đang sử dụng trong nước đa phần được nhập ngoại từ các nước: Hungary,

Đức, Đài Loan, Trung Quốc, v.v,

Với năng lực sẵn có, Công ty VIHEM đã chủ động khảo sát, nghiên cứu thiết kế máy điều chỉnh cảm ứng và đã được Bộ Công Nghiệp (Nay là Bộ Công Thương) giao cho thực hiện đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy điều chỉnh cảm ứng thay thế nhập khẩu” n hằm đa dạng hoá chủng loại sản phẩm, thay thế hàng nhập ngoại Nội dung đề tài gồm các phần sau:

Phần I: Lựa chọn mẫu thiết kế và tính toán thiết kế máy điều chỉnh cảm ứng Phần II: Quy trình công nghệ chế tạo máy điều chỉnh cảm ứng

Phần III: Khảo nghiệm và đánh giá kết quả thử nghiệm

Kết luận

Phụ lục1: Kết quả thử nghiệm máy điều chỉnh cảm ứng

Phụ lục2: Các bản vẽ thiết kế máy điều chỉnh cảm ứng

Phần I: lựa chọn mẫu thiết kế và tính toán thiết kế

máy điều chỉnh cảm ứng

I Tổng quan về máy điều chỉnh cảm ứng

Máy điều chỉnh cảm ứng là một loại máy biến điện áp dựa trên nguyên lý làm việc của

máy điện không đồng bộ ba pha rôto dây quấn với rôto đứng yên

Kết cấu của máy điều chỉnh cảm ứng giống máy điện không đồng bộ rôto dây quấn nhưng rôto bị “giữ chặt” bởi một hệ thống trục vít vô tận làm cho rôto không thể “tự xoay”

được mà chỉ có thể quay từ 0ữ1800 theo sự điều khiển của hệ thống động cơ xoay-trục bánh vít-rôto

Máy điều chỉnh cảm ứng được phân làm hai loại: máy điều chỉnh cảm ứng đơn dùng cho công suất nhỏ và máy điều chỉnh cảm ứng kép dùng cho công suất lớn Với công suất vài chục KVA trỏ xuống, để đơn giản người ta thường chế tạo máy cảm ứng kiểu đơn Sau

đây ta xét nguyên lý làm việc của máy điều chỉnh cảm ứng đơn như sau: Khi dây quấn rôto nối với nguồn điện thì có dòng điện chạy qua trong đó và sinh ra từ trường quay trong khe

hở Từ trường này sinh ra trong dây quấn stato và rôto s.đ.đ ER và ES mà trị số tỷ lệ với số vòng dây tác dụng của các dây quấn, riêng trị số ES còn phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa Rôto và Stato

Điện áp cảm ứng đầu ra máy điều chỉnh cảm ứng đơn:

k ( U e k

U U E U

S

α

ư α

ư = ư

ư

≈ +

=

12 1

12

1 1 1

2

1 1

U

12 2 12 1

2 1

1 (2.2)

Trong đó k12 là tỷ số biến đổi điện áp

Sơ đồ đấu dây và đồ thị véctơ của máy điều chỉnh cảm ứng đơn

II lựa chọn mẫu thiết kế

Trước khi triển khai tính toán thiết kế chế tạo, chúng tôi đã khảo sát các sản mẫu có đặc tính kỹ thuậttốt, kết cấu vững chắc, kiểu dáng gọn đẹp Sau khi phân tích các thông số kỹ thuật của từng loại máy điều chỉnh cảm ứng đã lấy mẫu ở trên Công ty quyết định chọn thiết kế máy điều chỉnh cảm ứng dựa theo kiểu máy VIN xxx do Hungary chế tạo vì sản phẩm mẫu có đặc tính kỹ thuật tốt, kết cấu đơn giản, công nghệ chế tạo phù hợp với dây chuyền sản suất hiện có của Công ty

III Tính toán thiết kế máy điều chỉnh cảm ứng

A Tính toán thiết kế Phần điện từ

• Yêu cầu của phần thiết kế điện từ:

Tính toán thiết kế máy điều chỉnh cảm ứng phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật dưới

Từ các yêu cầu trên, việc tính toán thiết kế điện từ máy điều chỉnh cảm ứng được thực hiện theo các bước như sau:

1- Kích thước chủ yếu

ƒ Số đôi cực: p =2

ƒ Đường kính ngoài stato Dn:

Với chiều cao tâm trục h=132mm theo bảng 10.3 sách Thiết kế máy điện Trần Khánh

ƒ Chiều dài tính toán của lõi sắt stato lδ:

Sơ bộ chọn hệ số cung cực từ αδ=0,67; hệ số sóng ks=1,11; hệ số dây quấn kd1=0,933; D=12,2 (cm); tốc độ từ trường n=1500 (vg/ph).Trị số A, Bδ được chọn theo kinh nghiệm thiết kế tải đường Ar= (145 A/cm); Bδ=0,47 (T)

n

* D

* B

* A

* k

* k

*

S

*

* , l

d s

712 12 10

1 6

2 1

7

= α

=

δ δ

δ

Chọn lδ= 12,7 (cm), lõi sắt làm thành khối Sử dụng tôn silíc 2212 dày δ=0,5 mm của Nga

ƒ Bước cực τ :

) cm ( , ,

* p

D

5819 9 4

2 12

*

* , U

*

S

220 3

10 2 2 3

3- Dây quấn, r∙nh và gông rôto

ƒ Chọn số r∙nh của 1 pha dưới một cực q2

Chọn q2=2 số rãnh rôto Z2= 2pmq2 = 2*2*3*2 = 24 rãnh

Trong đó: m số pha m =3;

* Z

D t

'

589 1 24

14 12

1 145 589 1

,

*

* , I

a A t u

R

r R R

Chọn số vòng urR = 68 (vòng) cho dây quấn 2 lớp

Trong đó: - IR : dòng điện pha định mức của động cơ

* p W

R

rR R

ƒ Từ thông khe hở không khí Φ :

) Wb (

* ,

*

* ,

* ,

*

* , W

* f

* k

* k

*

U

* k

faR dqR

220 97 0 4

* ,

* ,

*

* ,

4

7 12 5819 9 67 0

10 10 7878336

1

=

= τ αδ

,

* , k

* l

* B

t

* l

* B b

c z

98 0 3 1

589 1 4646 0

Chọn Bz2=1,3 (T) theo kinh nghiệm

ƒ Đường kính trục rôto:

Dt=0,34*D = 0,34*122 =41,48 mm

⇒ chọn đường kính trục 42 (mm)

ƒ Hệ số dây quấn rôto k dqr:

Dây quấn rôto 2 lớp bước lồng y2 =1-6 (5/6)

+ Hệ số bước ngắn 0 966

2 6

30 2

2

sin

sin sin

q

q sin k

r r

r r R

360 2

r

Hệ số dây quấn kdqr = kyR*krR = 0,966*0,966 = 0,933

ƒ Điện áp rôto U faR :

ER = kE*UfaR = 0,97*220 = 213,4 (V)

ƒ Tính toán dây dẫn rôto:

- Chọn mật độ dây dẫn rôto JR=5,0 (A/mm2)

- Tiết diện dây dẫn , ( mm )

,

, j

I S

R

R

0 5

* , , ( d Z

) h d D

1 2

42 1

) mm ( , , ) , ,

* , ( d Z

) d h

* D

2 2

2 2

- Tổng diện tích rãnh stato:

) mm ( , ,

* , ,

* , ,

* ,

* ,

b

* h h

* d d d

*

* d

SrS

2 2

2

42 42 42 2 1 2 2 2

06 171 0 2 5 0 5 24 2

2 8 2 3 8

2 8 8

2

3

2 8

8

1

= +

+ +

π +

π

=

+ +

+ π +

mm ,

, ,

, d

h D D

42 4 121 6

1

2- D©y quÊn, r∙nh stato vµ khe hë kh«ng khÝ

ƒ Chän sè r∙nh cña 1 pha d−íi mét cùc q 1

Chän q1=3 sè r·nh stato Z1= 2pmq1=2*2*3*3=36 r·nh

ƒ KiÓu d©y quÊn:

Chän d©y quÊn hai líp b−íc ng¾n víi y=8

9

8 ,

y

S = = τ

= β

- HÖ sè d©y quÊn stato kdqS:

+ HÖ sè b−íc ng¾n 0 985

2 9

20 3

2

sin

sin sin

q

q sin k

S S

S S S

360 2

* Z

D

36

2 12

* Z

D

36

2 12

U

12 2 12 1

2 1

1

Khi α = 00 th× U2min = )

k ( U

12 1

1

1 − vµ khi α = 1800 ta cã U2max = )

k ( U

12 1

1

1 +

Chän U2mind©y = 40 V ⇒ U2minfa = 40/ 3= 23V ; U1 = 220

⇒ k12 = 220/220-23 =1,117

U2maxdây = 700 V ⇒ U2maxfa = 700/ 3= 404V ; U1 = 220

⇒ k12 = 220/404-220 =1,195

Vậy để đảm bảo điện áp ra tối thiểu 40V ta chọn k12 = 1,117

Tỷ số biến áp giữa Rôto và Stato tính theo công thức:

k12 =

dqS faS

dqR faR

K

* W

K

* W

=

945 0

933 0 272 ,

* W

được số vòng một pha trên dây quấn Stato là WfaS = 252 (vòng)

ƒ Điện áp cảm ứng trên dây quấn Stato E faS :

* w

k

* w

* U

* k E

dqR faR

dqS faS fa E S

933 0 272

945 0 252 220 97 0

=

UdayS= 3 * EfaS= 3 * 200 , 252 = 346 , 436 ( V )

ƒ Dòng điện cảm ứng trong dây quấn Stato:

Với hệ số công suất chọn Cosϕ = 0,8 ta tra được KI = 0,77

* , k

* w

* m

k

* w

* I

* m k I

dqS fS

dqR fR R I

945 0 252

933 0 272 4 3 77 0

2

=

ƒ Tiết diện và đường kính dây stato:

Dây quấn Stato cấp dòng trực tiếp cho tải IS = I2 Do vậy, để đảm bảo khả năng quá tải có thể xảy ra, ta chọn mật độ dòng điện trong dây quấn stato nhỏ:

I J

cuS S

2

272 1

735 2

=

=

=

ƒ Sơ bộ định chiều rộng răng stato bz 1 :

Chọn mật độ từ cảm trên răng stato BZ1=0,85 (T) và hệ số ép chặt lõi sắt kc=0,98

) cm ( , ,

* ,

,

* , k

* l

* B

t

* l

* B b

c z

98 0 85 0

065 1 4646 0

ƒ Sơ bộ định chiều cao gông stato h g1 :

,

* ,

* ,

*

*

* ,

k

* l

* B

*

* h

c g

98 0 7 12 84 0 2

10 10 7878336 3

* ,

* , ,

* ,

* ,

b

* h h

* d d d d

SrS

2 2

2

41 41 42 2 1 2 2 2

06 128 5 2 2 0 14 2

7 7 5 5 8

7 7 8

5

5

2 8

8

1

= +

+ +

π +

π

=

+ +

+ +

242 53

, ,

, S

S k

rS

S cu S

ld = = = đảm bảo lồng dây không chắt quá

ƒ Bề rộng răng stato :

) mm ( , , ) , ,

* (

d Z

) d h D (

b '

36

5 5 2 0 2 122 2

1 1

1 41

Z

) d h D (

36

7 7 8 20 2 122 2

2 1

2 1

) mm ( , ,

, b b b

"

z

' z

2

905 5 661 5 2

1 1

cm 948 , 1 mm 48 , 19 7 , 7 6

1 8 , 20 2

122 200 d

6

1 h 2

D D

065 1

1 1

1

,

* , ,

,

* t

t

ư

= δ ν

3 0 5 2 5

2

41

2 41

/ ,

) , / , ( / b

) / b

+

= δ +

589 1

2 2

2

, ,*

, ,

,

* t

t

ư

= δ ν

3 0 0 2 5

2

42

2 42

/ ,

) , / , ( / b

) / b

+

= δ +

,

* , k

* l

* b

t

* l

* B

B

c tb

98 0 578 0

065 1 4646 0

ƒ Cường độ từ trường trên răng stato theo bảng V-6 ở phụ lục V (STKMĐ):

d h

, ( T )

,

* ,

,

* , k

* l

* b

t

* l

* B

B

c tb

98 0 578 0

589 1 4646 0

ƒ Cường độ từ trường trên răng rôto theo bảng V-6 ở phụ lục V (STKMĐ):

2 42 2

ƒ Hệ số b∙o hòa răng k z :

24 606

381 42 941 11 24 606

2

,

, ,

, F

F F F

δ δ

Trị số này gần đúng với trị số giả thiết ban đầu nên không cần tính lại

ƒ Mật độ từ thông trên gông stato:

,

* ,

* ,

*

*

* ,

k

* l

* h

*

* B

c g

98 0 7 12 948 1 2

10 10 7878336 3

(

4

48 19 200 2

* ,

*

*

* ,

k

* l

* h

*

* B

c g

98 0 7 12 953 0 2

10 10 7878336 3

2

2 = π + = π + = ≈ 4,05 cm

ƒ Sức từ động trên gông stato:

446 741

, ,

, F

,

* k

* w

164 2 933 0 272 7 2

446 741 2 7

y

* ) h D (

1

1 r

* a

* n

L

272 1 1 1

446 144 46

1

1 1 1

1 75

24

5 7 30 4 121

1

2

− π

= τ

ƒ ChiÒu dµi trung b×nh nöa vßng d©y cña d©y quÊn r«to:

* a

* n

L

636 0 1 1

141 124 46

1

2 2 2

1 75

1

b

h b

h b

b 785 , 0 ( k b

2 0 5 5

45 0 5 5 2

5 2 785 0 94 0 5 5 3

58 12

,

, ,

, ,

*

, ,

( , ,

8 3 1 4

3 1

k 'β = + β = + = ; h1=14-0,45-0,2-0,77 = 12,58; b=5,5 ;b41=2,5;

0,92 0,94

4

34

1k4

34

3 34 0 64

0 34

,

*,)

*

*,l(

*l

ƒ §iÖn kh¸ng d©y quÊn stato :

l

* ) w (

* f

* ,

3 2

7 12 100

252 100

50 158 0 100

100 158

0

2

1 1

2 1 1 1

ƒ HÖ sè tõ t¶n r∙nh r«to :

55 1 2

5 0 2 8 2

2 66 0 06 171 8

2 8 1

2 8 3

14 26

2 66 0 8

1 3

2 2

4

4 4 2

2 1

2

,

, ,

* ,

) ,

*

) , (

* ( ,

*

,

b

h b

*

b , ) S

*

b

* ( b

*

h

r r

= +

10 12 0 64 9 58 0 41

13

2 67 0 64

0 67

ƒ §iÖn kh¸ng r«to :

*

, ) (

* ,

* q

* p

l

* )

W (

f

* ,

2 2

7 12 100

272 100

50 158 0 100

100 158

2

2 2

ƒ TÝnh l¹i k E :

220

637 3 164 2 220

TrÞ sè nµy kh«ng sai kh¸c so víi trÞ sè ban ®Çu 0,6% nªn kh«ng cÇn tÝnh l¹i

B¶ng kÕt qu¶ tÝnh to¸n thiÕt kÕ ®iÖn tõ m¸y ®iÒu chØnh c¶m øng 2,2kVA:

§−êng kÝnh ngoµi Stato D n = 200 mm

§−êng kÝnh trong Stato D = 122 mm

ChiÒu dµi lâi thÐp L fe = 127 mm

Sè r·nh Stato/R«to Z 1 / Z 2 = 36/24

Khe hë kh«ng khÝ δ = 0,3 mm

D©y quÊn Stato : 2xΦ0,9

Sè vßng d©y 1 bin W s =21 Vßng D©y quÊn 2 líp b−íc lång :

y = 1 ÷ 7; 9; 11;

Sè m¹ch nh¸nh song song a=1 D©y quÊn R«to: Φ 0,9

Sè vßng d©y 1 bin: W r =34 Vßng D©y quÊn2 Líp b−íc lång : y = 1 ÷ 6 ;

Sè m¹ch nh¸nh song song a=1 KÝch th−íc r·nh Stato vµ R«to

B Tính toán thiết kế kết cấu cơ khí của hệ bánh vít trục vít:

Để điều chỉnh điện áp ra ta phải điều chỉnh vị trí tương đối giữa rôto và stato,

để thực hiện được thao tác này ta phải có bộ điều chỉnh cơ-điện vừa có tác dụng thay

đổi vị trí của rôto một cách dễ dàng vừa phải thắng được mômen điện từ chống trôi

vị trí của rôto trong suốt quá trình làm việc Từ những yêu cầu trên ta chọn hệ động cơ-bánh vít trục vít để điều khiển xoay và giữ rôto

Bộ điều khiển máy điều chỉnh cảm ứng gồm: 01 bộ điều khiển tốc độ động cơ xoay + 01 bộ bánh vít-trục vít + 01 động cơ một chiều dùng để xoay rôto có công suất 200W, với dải tốc độ điều chỉnh từ 600 ữ 1500 vg/ph và một hệ bánh vít-trục vít Với yêu cầu là điện áp đầu ra từ 40 ữ 700V tương ứng với góc điều chỉnh từ 0 ữ

1800, thời gian điều chỉnh từ vị trí điện áp cực tiểu đến vị trí điện áp cực đại khoảng

2 phút Ngoài ra để đảm bảo kích thước bộ điều khiển, tính thẩm mỹ, khả năng truyền động giữa 2 trục chéo nhau (góc 900) ta chọn truyền động trục vít, bánh vít 2 cấp với các thông số cơ bản của bộ truyền như sau:

- Bé truyÒn trôc vÝt-b¸nh vÝt cÊp 1:

+ VËt liÖu chÕ t¹o trôc vÝt lµ thÐp C45

+ §−êng kÝnh vßng chia cña trôc vÝt: dc1 = q.m = 16 x 1 = 16

+ ChiÒu dµi phÇn cã ren cña trôc vÝt: L = 30

+ §−êng kÝnh ch©n ren trôc vÝt:

12 5

, 0

B

+ Kho¶ng c¸ch trôc:

38 2

60 16 2

2

1+ = + =

A

- Bé truyÒn trôc vÝt – b¸nh vÝt cÊp 2:

+ VËt liÖu chÕ t¹o trôc vÝt lµ thÐp C45

+ §−êng kÝnh vßng chia cña trôc vÝt: dc1 = q.m = 20 x 1,25 = 25

+ ChiÒu dµi phÇn cã ren cña trôc vÝt: L = 35

+ Góc ôm:

558 , 0 25 , 1 5 , 0 5 , 27

15 5

, 0

B

+ Khoảng cách trục:

5 , 62 2

100 25 2

độ điều chỉnh có thể thay đổi được bằng cách xoay chiết áp gắn trên thân máy

điều chỉnh cảm ứng Các thông số chủ yếu của bộ điều khiển và động cơ xoay như sau:

™ Động cơ xoay: động cơ một chiều 200W điện áp 12VDC, dòng điện định mức 20A , tốc độ quay trên đầu trục là 3000vg/ph

™ Bộ điều khiển động cơ xoay: Bộ điều khiển chỉnh lưu 1/2 chu kỳ có bộ phận

đảo chiều bằng công tắc tơ dùng để tăng(chiều thuận) và giảm(chiều ngược)

điện áp ra, điện áp điều chỉnh được khống chế ở 3 đến 8VDC nhằm duy trì dòng điện làm việc không vượt quá 12A tránh quá dòng cho thyristor Thyristor Th chọn loại SC60C-40 có điện áp ngược 400V, dòng điện 60A;

điốt xả D1 loại 50A điện áp ngược 400V; điốt xả và thyristor gắn trên cánh tản nhiệt làm mát tự nhiên

™ Sơ đồ mạch điều khiển như sau: