Thiết kế và xây dựng bài thí nghiệm, thực hành truyền động điện

NỘI DUNG Chương Ï TÌNH HÌNH HIỆN TẠI Môn Kĩ Thuật Điện nói chung và bài thí nghiệm - thực hành “TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN” nói riêng đã được đưa vào chương trình từ rất sớm hàng chục năm nay như

Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn thấy giáo NGÔ TUẦN ĐỨC, cùng quý thay cô giáo trong khoa Vật Lý đặc biệt tổ Vật Lý - Kĩ Thuật trường Đại học

sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình tìm

hiểu, nghiên cứu

Khóa luận của em đã hoàn thành nhò sự cỗ gắng, nỗ lực của bản thân, cùng sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo NGÔ TUẦN ĐỨC, những ý kiến đóng góp của các thây cô trong khoa Vật Lý và các bạn sinh viên

Em xin cảm ơn tới các bạn sinh viên trong nhóm thí nghiệm - thực hành đã luôn giúp đỡ, cỗ vũ và động viên em trong suốt quá trình làm việc

và hoàn thành khóa luận

Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn

để khóa luận này hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nói, tháng 05, năm 2009

Sinh viên Đào Thị Thành

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những nội dung mà tôi đã trình bày trong khóa luận này là kết quả quá trình nghiên cứu của bản thân đưới sự hướng dẫn chỉ bảo

tận tình của các thầy cô giáo, đặc biệt là thầy giáo NGÔ TUẦN ĐỨC

Những nội dung này chưa từng được công bố trong bất kì khóa luận nào khác

Hà nội, tháng 05 năm 2009

Sinh viên Đào Thị Thành

MỤC LỤC

Trang

LỜI Cẩm ƠI _ 6 TT TH TT HT HH TH ngư 1 LOT CAM GOAN woe 2 Mục LUC ooo ceeeecccccccccsscecsccessecsseccseccssccsseceseecsaeecseecsaecsssecsueceseceseesseecaseesaees 3

3.1 Tính toán kích thước bàn thí nghiệm 37

3.2 Bồ trí các thiết bị trên bàn thí nghiệm - thực hành: '“TRUYÊN

3.3 Nhận xét chung _ - cty 40 Chương 4: Các phương án cấp điện cho bài thí nghiệm - thực hành 42

4.1 Cấp điện từ mạng điện vào bài thí nghiệm 42

4.2 Cấp điện từ mạng điện đến bàn thí nghiệm 43 4.3 Nhận xét, đánh giá .-«ccsceceeeererree 46

Kết luận .c-cc St tt SE EE1 21111111111 111111111211111 11.11 Eecrke 47

Tài liệu tham khảo . -. - 5-52 +22 * +2 E++EE€sEE+zeexeeseerreee 48

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐÈ TÀI

Bước sang thế ki XXI, thế kỉ của công nghệ thông tin và khoa học kĩ

thuật Kĩ Thuật Điện là nghành kĩ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để

biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiến, xử lý tín hiệu bao gồm việc tạo

ra, biến đối và sử dụng điện năng, tín hiệu điện từ trong các hoạt động thực tế của con người Kĩ thuật điện đóng vai trò rất lớn trong cuộc sống

Do vậy việc giảng dạy ở các trường Phổ Thông, các trường Cao Đẳng, Đại Học phải thông qua sử dụng rộng rãi thí nghiệm về kĩ thuật Tuy nhiên,

có nhiều lý do khác nhau mà việc sử dụng thí nghiệm trong giảng đạy kĩ thuật

ở các trường còn bị hạn chế Một trong những lý do căn bản là do các tài liệu

chưa thành hệ thống, chưa tỉ mỉ và chưa đầy đủ để người đọc có thể hiểu và lắp ráp thành bài thí nghiệm - thực hành từ các thiết bị có sẵn

Vì vậy xây dựng một tài liệu đầy đủ, chi tiết về bài thí nghiệm - thực

hành để người đọc có thể tự mình thực hiện bài thí nghiệm - thực hành

“TRUYẺN ĐỘNG ĐIỆN” là rất cần thiết

Vì những lý do trên mà chúng tôi lựa chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ XAY DUNG BAI THI NGHIEM: ‘TRUYEN ĐỘNG ĐIỆN" ”

Để đưa ra một hướng dẫn chỉ tiết, đầy đủ và hệ thống

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Xây dựng lý thuyết bài thí nghiệm: “TRUYÊN ĐỘNG ĐIỆN” giúp

học viên có tài liệu để tự lắp ráp được bài thí nghiệm - thực hành này

3 NHIEM VU DE TAI

Tiến hành thí nghiệm để kiểm tra tính toán bằng lý thuyết

Xây dựng mạch điện đổi chiều quay động cơ KĐB ba pha

4 ĐÓI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Động cơ KĐB ba pha

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết hợp giữa hai phương pháp: Lý thuyết và thực nghiệm

6 Y NGHIA KHOA HOC VA THUC TIEN

Thiết kế, xây dựng lý thuyết cho bài thí nghiêm - thực hành:

“TRUYÊN ĐỘNG ĐIỆN”

7 KÉT CẤU NỘI DUNG ĐÈ TÀI

Chương 1: TÌNH HÌNH HIỆN TẠI

Chương 2: XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM - THỰC HÀNH:

“TRUYEN ĐỘNG ĐIỆN”

2.1 Căn cứ để xây dựng bài thí nghiệm - thực hành: “TRUYÊN ĐỘNG

ĐIỆN”

2.2 Mục đích bài thí nghiệm - thực hành: “TRUYÊN ĐỘNG ĐIỆN”

2.3 Sơ lược lý thuyết

2.3.1 Sự hình thành từ trường quay ba pha

2.3.2 Các tính chất của từ trường quay ba pha

2.3.3 Cầu tạo động cơ KĐB ba pha

2.3.4 Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB ba pha

2.3.5 Xây dựng sơ đồ điều khiến đổi hai dây cung cấp điện

2.3.6 Mô tả các thiết bị cần dùng cho bài thí nghiệm - thực hành:

Chương 3: TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC BÀN THÍ NGHIỆM VÀ BỒ TRÍ CÁC THIẾT BỊ TRÊN BÀN THÍ NGHIỆM - THỰC HÀNH

3.1 Tính toán kích thước bàn thí nghiệm

3.1.1 Các yêu cầu chung

3.1.2 Tính toán kích thước bàn thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

3.2 Bồ trí các thiết bị trên bàn thí nghiệm - thực hành bài: “TRUYÊỀN

ĐỘNG ĐIỆN”

3.2.1 Bố trí theo phương án phân bố các chỉ tiết của mỗi thiết bị

vào cùng một khu vực

3.2.2 Bố trí theo phương án phân bố các chỉ tiết của mỗi thiết bị

theo sơ đồ mạch điện

4.2 Cấp điện từ mạng điện đến bàn thí nghiệm

4.2.1 Phương án cấp điện tập trung

4.2.2 Phương án cấp điện phân tán

4.3 Nhận xét, đánh giá

NỘI DUNG

Chương Ï

TÌNH HÌNH HIỆN TẠI

Môn Kĩ Thuật Điện nói chung và bài thí nghiệm - thực hành

“TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN” nói riêng đã được đưa vào chương trình từ rất sớm hàng chục năm nay nhưng đến nay vẫn chưa có một tài liệu nào chỉ tiết, đầy

đủ về bài thí nghiệm - thực hành này Tôi xin dẫn ra tài liệu sau:

Quyến: “GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM KĨ

THUAT DIEN” cua Nha xuat ban dai hoc Su Pham (tac gia Tran Minh Son; xuat ban ngay 28/3/2003)

Trong đó việt:

Bài thực hành: TRUYÊN ĐỘNG ĐIỆN

Mục đích:

- Xây dựng đặc tính Vôn — Ampe của role điện từ

- Lắp được các mạch điều khiển động cơ quay một chiều và đối chiều quay

Yêu cầu:

- Lắp ráp được mạch và lấy số liệu theo yêu cầu

- Quan sát các hiện tượng và giải thích được các hiện tượng đó

- Kiếm tra thiết bị

- Lap rap mach theo so đồ, cấp điện cho mạch

- Ðo và ghi kết quả vào bảng 1

Thao tác:

- Kiểm tra mắc mạch theo sơ đồ nguyên lý

- Kiểm tra mối nối, chỉnh BATN về trị số 0

- Đóng cầu dao CD cung cấp điện cho mạch

- Tăng dần điện áp và dòng điện trên đồng hồ vôn kế và ampe kế

- Xác định giá trị điện áp dòng và dòng điện lúc cuộn dây hút lõi sắt, tiếp tục tăng điện áp tới giá trị định mức 220V để cuộn dây hút êm và chắc chắn Khi đạt giá trị tương ứng ta lập bảng U, I (bảng 1)

- Từ từ giảm điện áp U đặt vào cuộn dây từ U = Uạm đến gia tri Unna, ghi các giá trị điện áp nhả va dòng điện nhả tương ứng, sau đó giảm điện ap

về 0, lấy các điểm có U và I ghi vào bảng 2

Bang I: Tăng điện áp U

- Vẽ đặc tính V — A tương ứng khi tăng điện áp và giảm điện áp

- Nhận xét đường đặc tính của cuộn dây khởi động từ

II Mắc mạch điều khiến động cơ quay một chiều

J J Q« K

KE Ke KE

ee a

RT RT, b)

a)

Hinh 2: So dé mach diéu khiển động cơ

a) Mach động luc) Mach diéu khiển Nguyên lý:

Muốn động cơ KĐB quay ta phải ấn nút Ð, cuộn dây khởi động từ K có điện sẽ hút tất cả các tiếp điểm thường mở K, động cơ được cấp điện và quay

Tiếp điểm duy trì K mắc song song với nút ấn Ð đóng, duy trì cấp điện cho cuộn K

b Các bước tiến hành

- Kiếm tra thiết bị:

+ Tìm hiểu động cơ xem roto lồng sóc hay roto dây cuốn, quan sát các đại lượng định mức ghi trên vỏ máy

+ Kiếm tra cách điện giữa các pha và cách điện giữa các pha với vỏ máy

+ Kiểm tra động cơ trước khi mở máy: Kiếm tra cơ khí bằng cách dùng tay quay trục roto xem có bị kẹt không

+ Xem điện áp cấp và điện áp định mức trên vỏ máy và xác định cách

đấu dây cho phù hợp

- Lắp ráp mạch theo sơ đồ thí nghiệm

- Kiểm tra sơ đồ lắp ráp, cấp điện cho mạch

Thao tác:

- Kiểm tra mắc mạch theo sơ đồ thí nghiệm

- Kiểm tra các mối nối, đóng cầu dao CC cho điện vào động cơ

c Nhận xét về quá trình làm việc của động cơ

II Mắc mạch điều khiển đảo chiều quay của động cơ

= Z—s| |: sa tt N đảo chiêu quay

Nguyên ly:

Muốn động cơ KĐB quay ta phai 4n nut Dy, cudn day khdi dong tir Ky

có điện sẽ hút tất cả các tiếp điểm thường mở K+, động cơ được cấp điện và quay theo một chiều Tiếp điểm duy trì Kr mắc song song với nút ấn Ðr đóng duy trì cấp điện cho cuộn Kx

Muốn động cơ đảo chiều quay, ta có thể ấn nút Ðy lúc này аy ngắt

điện vào cuộn khởi động từ K+, cuộn dây Kr mất điện, đồng thời cuộn Ky có

điện sẽ hút các tiếp điểm thường mé Ky và nhả các tiếp điểm thường đóng Ky

mắc nối tiếp với cuộn dây K+, động cơ quay ngược chiều cũ vì thứ tự các pha

đã thay đôi Tiếp điểm Kw mắc song song nút ấn Dy duy tri cap điện cho cuộn

Ky

Muốn động cơ dừng ta ấn nút C

b Các bước tiến hành

- Kiếm tra thiết bị: tương tự như thí nghiệm trên

- Lắp ráp mạch theo sơ đồ thí nghiệm

- Kiểm tra sơ đồ lắp ráp, cấp điện cho mạch

Thao tác:

- Kiểm tra mắc mạch theo sơ đồ

- Kiểm tra các mối nối, đóng cầu đao CC cho điện vào động cơ

c Nhận xét về quá trình làm việc của động cơ

L2 Nhận xét:

- Tài liệu trên đã chỉ ra các bước làm thí nghiệm - thực hành tương đối đầy đủ nhưng phần lý thuyết còn sơ sài, người học không hiểu rõ tại sao lại làm như vậy và nguyên nhân nào đề động cơ có thể đối chiều quay

- Qua thực tế làm thí nghiệm - thực hành, khi tiếp cận với các bài thí

nghiệm, những ngày đầu học sinh chưa tự nhận biết được các thiết bị có trong bài do đó không thể tự mình lắp bài thí nghiệm - thực hành từ các thiết bị có sẵn trên bàn

- Trong quá trình làm thì chúng tôi mỗi người làm một bài trên tỉnh thần lắp ghép vào thành tài liệu bộ môn thực hành trong phòng thí nghiệm

Do đó, có chương là viết chung nhau, một số chương khác nhau

e_ Thực hành lắp ráp mạch điều khiển động cơ đảo chiều quay

2.2 MỤC DICH BÀI THÍ NGHIỆM - THỰC HÀNH: “TRUYỀN ĐỘNG

ĐIỆN”

- Tìm hiểu một số thiết bị điều khiển trong kĩ thuật điện

- Củng cô kiến thức về từ trường quay trong các máy điện

- Ứng đụng các kiến thức đã học đề lắp ráp một mạch điều khiến động

cơ quay hai chiều

2.3 SƠ LƯỢC LÝ THUYÉT

2.3.1 Sự hình thành từ trường quay ba pha

Khi đặt lưới điện ba pha vào dây quấn stato, từ trường sinh ra trong lòng mỗi pha dây quấn là từ trường đập mạch nhưng từ trường tổng gây ra tại stato 1a tt trường quay

Cho dong dién ba pha vao day quan stato:

iq = Imax SiNWt

ip = Imax Sin(Wt — 120°)

ic = Imax Sin(@t — 240°) Quy ước:

Dòng điện pha nào dương có chiều từ đầu đến cuối pha, đầu được kí hiệu bằng vòng tròn có dấu nhân ở giữa ®; cuối kí hiệu ®

Dòng điện pha nào âm có chiều và kí hiệu ngược lại, đầu kí hiệu ®;

cuối kí hiệu là ®

Xét từ trường ở các thời điểm khác nhau:

- Thời điểm pha œt = 90°

Ở thời điểm này, dòng điện pha A cực đại dương (hình a); dòng pha B

và C am

Theo quy dinh trén, dong dién pha A duong nén:

e Dong dién pha A duge ki hiéu dau 1a ®; Cudi la X được kí hiệu ©

e Dòng điện pha B, C kí hiệu đầu là ®; cuối là Y va Z được kí hiéu ®

Dùng quy tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các

dòng điện sinh ra; từ trường tổng có một cực S và một cực N; được gọi là từ trường một đôi cực (p = 1)

Trục của từ trường tống trùng với trục dây quấn pha A là pha có dòng điện cực đại

- Thời điểm œt =90° + 120°

Là thời điểm sau thời điểm đã xét ở trên một phần ba chu kì Ở thời

điểm này, dòng điện pha B cực đại và đương, các dòng điện pha A và C âm

Theo quy định trên:

e Đầu B kí hiệu ®, cuối Y kí hiệu ©

e Dong dién pha A và C kí hiệu ©; cudi X va Z ki hiéu ®

Dùng quy tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các

dòng điện sinh ra Thay từ trường tông đã quay đi một góc là 120 so với thời

điểm trước Trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha B là pha có dòng điện cực đại (hình b)

- Thời diém pha wt = 90° + 240°

La thoi diém cham sau thoi diém dau : chu kì Lúc này dòng điện pha

C cực đại và dương, còn dòng điện pha A và B âm

e ĐầuC kí hiệu © ; cuối Z kí hiệu ®

e Đầu A, B kí hiệu ®; cuối X và Y kí hiệu ® (hình c)

Từ trường tổng ở thời điểm này đã quay đi một góc 240° so với thời

điểm đầu Trục của từ trường tổng trùng với trục của dây quấn pha C là pha

có dòng điện cực đại

Nhận xét:

Từ trường của từng cuộn dây là từ trường đập mạch

Qua sự phân tích trên ta thấy từ trường tông của dòng điện ba pha là từ trường quay

Từ trường quay móc vòng với cả hai dây quấn stato và roto trong đó một từ trường chính của máy điện tham gia vào quá trình biến đối năng lượng

Với cách cấu tạo dây quấn như trên ta có từ trường quay một đôi cực, thay đôi cách tạo dây quấn ta có từ trường 2, 3, hay 4 đôi cực

2.3.2 Các tính chất của từ trường quay ba pha

Từ trường của hệ thống đòng điện ba pha đối xứng có 3 đặc điểm quan trọng

- Tốc độ từ trường quay:

Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stato ƒ và số cặp

cực (p) Khi dòng điện biến thiên một chu kì, từ trường quay được một vòng,

do đó một giây dòng điện stato biến thiên ƒ chu kì, từ trường quay được ƒ vong

+ Từ trường có một cặp cực (p = I) tốc độ của từ trường quay nị= ƒ (vòng/giây)

+ Khi từ trường có 2 cặp cực, dòng điện biến thiên một chu kì từ trường quay được 2 vòng (từ cực N qua S đến N là 2 vòng) do đó tổng từ trường quay là nị =f

Tổng quát, khi từ trường quay có một cặp cực, tốc độ từ trường quay là nị= + (vòng/giây) hoặc nị = oof (vong/phut)

- Chiều quay của từ trường:

Từ trường tổng gây ra tại tâm stato là từ trường quay, từ trường quay theo chiều từ trục của cuộn đây có dòng điện sớm pha hơn sang trục của cuộn dây có dòng điện trễ pha hơn Muốn đổi chiều quay của từ trường ta chỉ việc đổi vị trí của 2 trong 3 dây pha cung cấp điện

- Biên độ của từ trường tổng:

Xét từ thông ÿ sinh ra trong lòng một cuộn dây Ví dụ: cuộn AX

Dây quấn các pha lệch nhau một góc lần lượt là 120°, 240° Từ thông xuyên qua day quan AX do day quan ba pha 1a:

Dòng dién 1, = Imax Sinot

Nên từ thông của dòng điện pha A là :

Pa = (ĐAmax sinot

Cuối cùng ta có:

$= 2 $Amax sinot

Vậy từ thông của từ trường quay xuyên qua dây quấn biến thiên hình sin và

có biên độ bằng Sti thông cực đại của một pha

„

$ max = 2 (pmax

2.3.3 Cấu tao động cơ KĐB ba pha

Cấu tạo của động cơ KĐB ba pha gồm hai bộ phận chủ yếu là: stato va

b Dây quấn ba pha stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện, được đặt

trong các rãnh của lõi thép Trục của dây quấn các pha lệch nhau một góc 120" điện

c Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ Hai đầu vỏ có nắp máy, ô đỡ trục.Vỏ máy và nắp máy còn dùng đề bảo vệ máy

2.3.3.2 Roto

Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

a Lõi thép roto gồm các lá thép kĩ thuật điện được dập rãnh ở mặt ngoài ghép lại tạo thành hình trụ, mặt ngoài có các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp ổ trục

b Dây quấn roto có 2 kiểu: Roto lồng sóc và roto day quan

+ Rofo lồng sóc: trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh dẫn, hai đầu nối với 2 vòng ngắn mạch tạo thành lồng sóc

a) lá thép b) lồng sóc c) roto léng sóc

® Roto dây quấn: trong rãnh lõi thép roto, đặt dây quấn ba pha Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu ra nỗi với 3 vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và được cách điện với trục

Cấu tạo roto dây quấn

1.Dây quần ba pha 2.Vòng tiếp xúc 3 Trục

Nhờ 3 chỗi than tỳ sát vào 3 vòng tiếp xúc, day quan roto được nối với

3 biến trở bên ngoài để mở máy hay điều chỉnh tốc độ Loại động cơ này gọi

là động cơ KĐB dây quấn

1 Dây quần roto

2 Vòng tiếp xúc

3 Chỗi than

Mạch điện roto đây quấn

Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo Động cơ roto day quấn có ưu điểm mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động

2.3.4 Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB ba pha

Khi ta cho đòng điện ba pha tần số ƒ vào 3 đây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ là: nị = oof (vòng/phút)

D Trong đó: ƒ là tần số dòng điện lưới; p là số đối cực từ

Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn roto, cảm ứng các sức điện động Vì dây quấn roto nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trong các thanh dẫn roto Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay với thanh dẫn mang đòng điện roto, kéo roto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n

Tốc độ quay n của động cơ nhỏ hơn tốc độ từ trường quay nạ vì nếu tốc

độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong đây quấn roto không có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng 0

Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ

Khi roto quay định mức có s = 0,02 + 0,06

Khi roto đứng yên (n = 0) hệ số trượt s= l

Tốc độ động cơ là n= n,—s) =ø/0-s) (vòng/phút)

p Nhận xét:

Rofto quay theo chiều từ trường quay do vậy khi đổi chiều từ trường quay thì roto cũng đổi chiều quay

Căn cứ vào mục 2.3.2 khi đổi hai dây cung cấp điện bất kì thì từ trường

quay đổi chiều dẫn đến chiều quay của động cơ cũng đổi theo

2.3.5 Xây dựng sơ đồ điều khiến đối hai dây cung cấp điện

2.3.5.1 Sơ đồ nguyên lí chung

- Khi nối các cuộn dây stato của động cơ KĐB ba pha vào lưới điện và giả sử thứ tự dòng điện các pha như ở trên hình vẽ ( Anguàn — Aaộng cơ: Bnguàn — Động cơ; Cnguồn — Cuộng cơ) thì từ trường quay trong máy sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng và dòng điện được cảm ứng trong các thanh dẫn roto Các dòng điện cảm ứng này nằm trong từ trường quay do đó sẽ chịu tác dụng của lực từ Hợp