thiết kế động cơ không đồng bộ 1 pha điện dùng công suất nhỏ thiết kế tối ưu động cơ

Máy điện công suất nhỏ là được dùng rất rộng rãi trong gần nửa thế kỷnay.Giới hạn công suất của nó thường trong khoảng một vài phần của oátđến 750W song cũng có những loại máy điện công

<ĐỒ cÁQl <JỐ<J MÒQl 7ôcm ^ICQÌÍ^Ĩ 1CÌÍ vìm aửti íĐửruị e>ơ

LỞI MÓI ĐAUNgày nay động cơ công suất nhỏ được sử dụng rất rộngrãi trong nhiều lĩnh vực như trong công nghiệp, nông nghiệp,trong tự động hoá, trong hàng không, trong sinh hoạt gia đình Động cơ công suất nhỏ rất đa dạng và phong phú về chủngloại, chức năng và công suất Trong đó động cơ điện dung đóngmột vị trí rất lớn Bởi vì nó có ưu điểm là dùng nguồn cấp mộtpha, hệ số coscp cao, phù hợp với lưới điện Việt nam,độ tin cậycao

Để tính toán và thiết kế động cơ điện dung có nhiều cách tính

và thiết kế song do trình độ của em còn hạn chế và điều kiệnthời gian có hạn nên trong bản thiết kế này còn nhiều phần tínhtoán chưa được tối ưu nhất Ví dụ như sức từ động rơi trên răng,gông stao và roto, Vì vậy mà em không tránh khỏi nhữngthiếu sót Em rất mong được cô hướng dẫn và chỉ bảo emnhững thiếu sót đẻ em được hiểu sâu hơn về máy điện nóichung và động cơ điện dung nói riêng Cuối cùng em xin chânthành cảm ơn cô Nguyên Hồng Thanh đã hướng dẫn em hoànthành đồ án môn học cuối cùng của em

Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2005Sinh viên :

II- Phân loại động cơIII- Động cơ KĐB công suất nhỏ với tụ khởi động

IV- Thiết kế máy điện nhờ máy tính

V- Mục đích của thiết kế tối ưu

VI-Lưu đồ thuật toán thiết kế tối ưu

P H Ầ N M Ộ T C ơ S Ở L Ý T H U Y Ế TI- Xác định kích thước cơ bản và thông số pha chính

II- Xác định kích thước răng rãnh statoIII- Xác định kích thước răng rãnh rôto

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi JẼỚJ)i<3fBfĐ rĐ&2 JC43

mmm >= 0,4 Nội dung thiết kế:

cnủ3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ (Đồ iáauẵÙM (Ì(>(W

PHẦN II CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KÊ

ĐỂ TẢI

Thiết kế động cư KĐB một pha điện dung

Dữ liệu cho trước:

Pdn, 550[W]

n >= 0,66

L <=5 uđm = 220[V]

3 Xác định kích thước lõi thép Stato và Roto

4 Tính toán dây quấn phụ: WB; dB/dBcđ; kldB; c

5 Tính kiểm tra

6 Vẽ bản vẽ tổng lắp ráp

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi JẼỚ7)ĩ&B(Đ rĐ(72 3C43

Máy điện công suất nhỏ là được dùng rất rộng rãi trong gần nửa thế kỷnay.Giới hạn công suất của nó thường trong khoảng một vài phần của oátđến 750W song cũng có những loại máy điện công suất nhở có công suấtlớn hon Với sự phát triển nhanh của công nghiệp, tự động hoá cao, do vậy

mà việc đòi sử dụng động máy điện nhỏ trong điều khiển tự động, côngnghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, xí nghiệp y tế, nhà ăn công cộng, cácnghành tiểu thủ công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày là một đlũu không thểthiếu được trong thời đại ngày nay Trong động cở không đồng bộ Rotolồng sóc là loại phổ biến nhất hiện nay trong các loại động cơ xoay chiềucông suất nhỏ Động cơ không không đồng bộ một pha dùng nguồn điệnmột pha của lưới điện sinh hoạt nên được dùng ngày càng rất rộng rãi ởmọi nơi Ví dụ như nó có thể được dùng để kéo các máy tiện nhỏ, máy lytâm, máy nén, bơm nước, máy xay sát nhỏ, quạt điện, máy xay sinh tố, máyghi âm, máy lạnh, máy giặt

Động cơ không đồng bộ công suất nhỏ so với những loại đông cơ điệnkhác nhất là dộng cơ có vành đổi chiều thông dụng có những ưu điểm sau:

+ Kết cấu đơn giản, giá thành hạ+ Không sinh ra can nhiếu vô tuyến+ ít tiến ồn

+ Sử dụng đơn giản và chắc chắnSong nhược điểm của động cơ Roto lồng sóc là có đặc tính điều chỉnh

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi - õ - JẼỚJ)i<3fBfĐ rĐ&2 JC43

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

Động cơ KĐB bộ

đôn2 lưc CSN

đặc

Hình 1: Phân loại động cơ KĐB công suất nhỏ

Các loại động cơ không đồng bộ một pha công suất nhỏ với điện trởkhởi động, tụkhởi động, tụ khởi động và tụ làm việc đều có nhược điểm làluôn luôn phải có chốt ly tâm hoặc rơ le chuyên dụng để ngắt phần tử khởiđộng sau khi động cơ khởi động Điều đó làm cho giá thành của động cởtăng lên và giảm độ tin cậy Vì vậy mà khi người ta cần sử dụng lại động cơmột phâ có độ tin cậy lớn mà không cần mo men khởi động cao thì người

ta thường dùng động cơ một pha với tụ làm việc mắc cố định (Động cơ

6

-Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi JẼỚJ)i<3fBfĐ rĐ&2 JC43

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

Hình 2 Sơ đồ mạch điện

Động cơ với tụ làm việc có đặc tính làm việc tương đối tốt: TỊ = 0,5 - 0,9;

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi

7

-MỲP:~nVĐ -t)~2

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7 ffo cựcu rrừỵtuị Vfỉ

- Công suất tính toán của động cơ điện 3 pha đẳng trị :

pĩ| jjj Cos m= Error! = 1206.1 [W]

+ Trong đó Cos(pin.rỊm = f(Pđm,p) = 0.57 được tra theo hình 1-1trang20 —TL 1

-Tốc độ đồng bộ của động cơ ndb=Error!== Error! = 1500(v/ph)

- Đường kính ngoài stato được tính theo công thức sau :

D _ 44 J PSIII _ 44 J 1206,1,2

n kD V Bh.AX.ndb 0,65 ỵ 0,7.210.0,82.1500

+ Trong đó : Với thép kỹ thuật điện dùng làm mạch từ ta chọn loại

loại thép cán nguội của Nga 2211 với mật từ thông khe hở không khítrong khoảng Bô=0.3-Ỉ-1 [T]

cnủ3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ +)() dk& ẨUÚQL 2ÔỌ&.

- Dựa vào bảng đường kính ngoài tiêu chuẩn trang 36 - sách ĐCKĐBCSN

- Bước cực: X =Error! = Error! =7,618[cm]

- Chiều dài stato : ls = = 0,82.9,7 = 80 [cm]

- Chọn khe ho không khí: Khe hở không khí càng lớn thì tổn hao không tải

và hệ số Cos nhỏ nhưng nếu như chọn khe hở không khí nhỏ quá thì vấn đề

công nghệ không đáp ứng được và làm taưng sóng bậc cao lên Vì vậy để

z A 12

cnủ3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

&ẵdk& ẨUÚQL 7f>ọ&

I Tính toán dây quấn

- Theo bảng 2-2 trang 29 thì việc chọn ĐCKĐB điện dung mà để giảm được

mmô men ký sinh đồng bộ, tiếng ồn xuống trị số cực tiểu thì tâ chọn :

Chọn số rãnh Stato zs = 24

Số rãnh Roto ZR = 17

- Trong động cơ điện một pha điện dung thường lấy số rãnh pha chính (pha

A) bằng số rãnh pha phụ(pha B): ZA=ZB ,QA = QB(QA,QBlà số rãnh dưới một

cực của pha chính và pha phụ)

Do đó: ZA=Ỳ=12; ZB=ZS-Za=12

QA = —— = —— = 3 ; QB= QA = 3

2 m.p 2.1.2

- Chọn dây quấn : Chọn dây quấn phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Phải triệt tiêu hoặc làm yếu đi sóng đlũu hoà bậc cao(đặc biệt là

sóng bậc ba)

+ Tăng cường việc lợi dụng rãnh(k|đ tăng lên)

+ Giảm chiều dài phần đầu nối

Dây quấn của máy điịen nhỏ có hai loại cơ bản : Dây quấn một lớp và dây

quấn hai lớp Để đảm bảo những yêu cầu trên, giảm từ tản tạp và đơn giản

nên chọn dây quấn một lốp đồng tâm bước đủ

Sơ đồ dây quấn như sau:

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi

10

-MỲP:~nVĐ -t)~2

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7 Ố71 cựcu rrừỵtuị Vfỉ

Hình 3 Sơ đồ dây quân một lớp bước đủ( z = 24; 2p =4; Bước đủ)

II

-OlCịavụỉm &(UML £Ổ<T>:<JWĐ W2 K.4Ì

rĐ&2 JC43

raầ iýti /Htm 2 LỌẼ- -nr,n/.cĩêh OẺH atịKiUỉ mí

w,.-a 342.1

-^— =——— = 57 [vòng]

- Do hiệu chỉnh lại số vòng dây ppha chính nên ta phải hiệu chỉnh lại từ

thông và mật độ từ cả

B5=0,0,7.^M = 0,69[T]

3 4 24> = 29,26.10'4 ^y=29,15.10“[Wb]

Trong đó : a là số mạch nhánh song song lấy a = 1

-So bộ xác định được dòng điện định mức :

Chọn mật độ dòng điện JSA = 6 [A/mm2 ]

- Chọn dây men 719B-2 có tiết diện chuẩn SSA = 0,442 [mm2]

+ Đường kính chuẩn của dây không cách điện d A= 0,75 [mm]

+ Đường kính chuẩn kể cả cách điện dcdA = 0,865 [mm]

- Bước răng stato : ts =Error! = 3914.997 _ 10935 [ cm]

- Bước răng roto : tR =Error! = 3,14.7,548 _ 13942 [ cm]

- Tiết diện đồng trong một rãnh là:

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi

12

-aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

II Xác định kích thước rãnh và gông stato

- Chọn thép cán nguội mã hiệu 2211 , có oxy hoá bề mặt và chiều dày lá

thép 0,5 [mm] do đó hệ số ép chặt kc = 0,95

Xác định kích thước rãnh và cách điện : chọn rãnh hình quả lêChọn chiều miệng rãnh h4S trong khoảng 0,5-^0,8Lấy: h4S = 0,6 Ịmm]

Mật độ từ thông khe hở không khí :B^ =0,69[T]

Bước rãnh Stato : ts =l,269[cm]

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi

13

-MỲP:~nVĐ -t)~2

d2s = Error!

71.(149 - 214,74) - 614.24; 24 + 71

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

rĐ&2 JC43

cnủ3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ +)() dk& ẨUÚQL 2ÔỌ&.

Ớ động cơ công suất nhỏ thì dạng rãnh của roto thường là hình tròn hoặc

hình quả lê.Đối với động cơ một pha điện dung một pha công suất nhỏ chọn

dạng ránh hình quả lê để đảm bảo tiết diện thanh dẫn

- Chọn h4R trong khoảng 0,3-D,4 [mm] lấy h4R = 0,4 [mm]

sơ bộ chọn mật độ từ thông răng Roto BZR = 1,4

- Đường kính trên của rãnh roto :

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi

16

-aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

Thông thường khi tính toán sơ bộ coi rs; xs kkhông đổi khi động cơ làm việc

với mọi tải

1 Điện trở tác dụng của dây quấn stato

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi

-17-MỲP:~nVĐ -t)~2

k :Hệ số ,với máy có hai đôi cực thì k! = 1,3 ;

- Chiều dài trung bình 1/2 vòng dây quấn stato :

ltb = 1, + lđl = 8+13,45 =21,45 [cm]

- Tổng chiều dài dây dẫn của dây quấn stato:

r = p7, = 0,0213146,376 = 7,05

" -avSsa 1.0,442

2.Điện kháng tản của dây quấn stato

a- Hệ sô từ tản rãnh stato( dây quấn một lớp hình quả lê):

^+(0,785-^+^+^,

3 dị 2 dị clỵ b/ịs

-3^- i+(0,785-3^_+i^-+-^_) 1Trong đó :

k^=kpị=\ :hệ số bước ngắn của dây quấn(Tra bảng 4.2 trang

x * = ĩ ĩ ầirỗhs=ũ^jj^5A’3=3’691 kỏs~

kỔR ~

+0,317,81

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

b-Tính hệ sô từ dẫn tản tạp Ẳts:

Hệ số từ dẫn của từ tản tạp xét đến ảnh hưởng của từ trường sóng bậc cao

(sóng điêù hoà răng và sóng điều hoà của dây quấn )

Trong đó:

t = l,269[cm]: bước răng Stato

_• hệ số khe hở không khí giữa Stato và Roto

Mục đích làm ránh nghiêng là để suy giảm sóng đlũu hoà răng Để giảm

sóng đlũu hoà răng được tốt thì ta chọn bước rãnh nghiêng bằng bước răngstato

bn = ts = 12,69[mm]

- Hệ số rãnh nghiêng :

_- 19 -

Quỵui/ỊỈm rĐềooô ®(UML JẼỚJ)i<3fBfĐ rĐ&2 JC43

Mật độ dòng điện của thanh dẫn roto đúc nhôm jt = 3H- 5(A/mm2)

Mật độ dòng điện của vành ngắn mạch : jv = 0,8jt = 2,4 -ỉ- 4(A/mm2)

- Đường kính trung bình của vành ngắn mạch:

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi JẼỚJ)i<3fBfĐ rĐ&2 JC43

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

Dv = Error!= Error!= 8,84 = 88,40[mm]

Trong đó:

Dv’ = D’ = 96,40Dv” = D’ - a = 96,4-16 = 80,40[mm]

3 Điện kháng Roto

Với máy điện nhỏ :k^=l(Hệ số cản)

b- Hệ sô từ dẫn tản tạp Rotor:

'qòR 11,9.0,3.1,25.1,023 = 4,082

Trong đó:

Error! = Error!= 0,0842 Error! = Error! = 5

vì Error! = Error! = 4,25 < 5 nên

h r ~ ỉ + K.p Zr l - ( f ) 2

= 1 +71.2

l - ( - ) 217

- + b ,

4,7.88,4

2 s i n 2.18017

T l Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi JẼỚJ)i<3fBfĐ rĐ&2 JC43

-cnủ3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ +)( ) C4QĨ /UJÙQL 2ÔỌ&.

từ tản rôto :

Ĩ X = x + x , + x , = 0,99 + 4,082 + 0,406 = 5,477

r r r t r d r

Qtẹ/tưụỉm vàoiTc <7<Ucền Mỷp&nrô - - X43

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

= l,474[cm]

- Sức từ động ở gông Stato

FgS = HgSError!=5,21 Error!=54,93[A]

Trong đóHeS = 5,21 [A/cm] : cường độ từ trường trên gông statoVỚI Bgs=l,308[T]

{Trong phụ lục 1-3 sách ĐCKĐBCSN }hZR = hrR -0,1 chR = 12,18 -0,1.5 = ll,68[mm]

-xma =113 [Q]

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

CHƯƠNGVI TÍNH TOÁN CHÊ ĐỘ ĐỊNH MỨC

(Của pha chính)

Từ trường đập mạch của pha chính được phân tích thành tổng hai từ trường

quay thuận và quay ngược, ỉng với mỗi từ trường quay ta có một sơ đồ thaythế

XSA rSA XRA

XSA rSA XRA

2-Vói dòng thứ tự thuận

Hình 6 Sơ đồ thay thê pha chính của động cơ điện dung

Tham số ban đầu của mạch điện thay thế pha chính :

-Tổng trở thứ tự thuận của mạch điện phân nhánh pha chính:

ZRA 1 = r RA| + JX RA| = 52,694 + j59,091[Q]

- Tổng trở thứ tự thuận của pha A:

ZAI = ZSA + z RA| = (xSA + X RA1) + j( rSA + r RA1)

r^-ẵk2 — rA2 + jXA2 = (rSA +r RA2) + j(XSA + x RA2)

rĐ&2 JC43

(ĐÓ rJoĩ MÚQL Jf>Ọ(à 33CQỂ3L TỉẨcr<fo QỂU_

ffí(ỵ,rưj @£L

- Tổng trở thứ tự nghịch của mậch phân nhánh pha chính:

ZRA: = r’RA2 + jx’RA2 = 2,6404 + j7,6505[ÍỊ|

- Tổng trở tác dụng thứ tự nghịch của pha chính

= (7,05 +2,6404) + j(7,9 +7,6505) = 9,6904 + j!5,5505 [Q]

CHƯƠNG VII TÍNH TOÁN CUỘN DÂY PHỤ

Tham số pha phụ của động cơ điện dung quyết điịnh tínhnăng làm việc và

đặc tính khởi động của động cơ

Điều kiện để có từ truờng tròn :

k2rA1 + r c - k x A1 = 0( 1)

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi

xcv’ = klxA1 + k.rA1

W S B = u’rB.p.q = 64.2.3 = 384[vòng]

cnủ3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

xc= Error! = Error! = 149ỊTỊI

Đê dảm bảo điều kiện thứ hai của từ truờng quay tròn tỷ số biến áp phải là

- Tiết diện dây quấn pha phụ

Sơ bộ tính tiết diện dây dẫn phụ theo tỷ số

ta chọn t = kS’SB = Error!= Error!=0,394[mm2]

Dựa theo bảng tiết diện tiêu chuẩn (phụ lục 2 trang269 ĐCKĐBCSN)

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

Do ta chọn điện dung Cy là số nguyên nên điều kiện đạt từ trường tròn

không được thoả mãn vì vậy phải dùng công thức chung cho từ trường elíp

rĐ&2 JC43

(DỖ c4(J( đLỊQL mọp _32£3ầ3L 3z£nỂZLQỂ1L

íĐỘCãẨỊ @&

ZB2-j.k ZA2 =(2,1498 -j 129,448) -j 1,1213(9,6904 +

j 15,5505)

= 5967,978-j30869,l

^Al ZB2 +ZA2 ^Bl

= (59,7441 + j66,9909).( 12,1498 -jl29,448 ) +(9,6904 +jl5,5505).(75,0831 - j64,7715)

- Sức điện động thứ tự thuận bằng

Ẻ2= ỈA2.ZRA2 = (- 0,0194+j0,0327)( 2,6404 + j7,6505)

= - 0,3014 - j0,062= 0,3077Z- 168,36[V]

Trong đĩZRA2 = r RA2 + j X RA2 = 2,6404 + j7,6505

- Tổng sức điện động

QiQmụ&Qi vmá QCìẨMi

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

KE = Error!=Error! = 0,88 ÀE=Error!

= Error! = 0,0217 < 0,05

Như vậy với KE = 0,9 đã chọn ban đầu có thể chấp nhận được

Ĩ.TÍNH TOÁN TRONG LƯƠNG

-Tổn hao sắt trên gông stato :

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi 32

-JẼỚJ)i<3fBfĐ rĐ&2 JC43

Trong đó p10/50 = 2,6 (w/kg) : suất tổn hao thép tra bảng 6-1 trang 95

- Tổn hao sắt tính toán của stato :

IT1 =Error! = Error! =0,091[A]

Lp=Error! = Error! = 0,000306 [A]

Quỵiỉi/ỊỈm vỷooc micẨQi JẼỚJ)i<3fBfĐ rĐ&2 JC43

aưi <Áai ỈỈK VK1ÍẨ W CỊ2Ế3Ể!3L 7T/Í C7rfa cựcu rrừỵtuị Vfỉ

ISA = ISA + ISA2 = 1,6717 - j 1,8234 = 2,4737Z- 47,48°

- Dòng điện trong cuộn dây phụ:

ISB1 = jError! + Error!

= jError! + Error! =1,7365 +j 1,4267ISBT = - jError! + Error!

= - jError! + Error!

= 0,02944+ j0,01733ISB = ISB1 + ISB2 = 1,7659 +j 1,444 = 2,2812Z39,27°

- Dòng điện tổng Stato lấy từ lưới :

ls = IsA + IsB

= 1,6717 -jl,8234+ 1,7659+jl,444

= 3,4376 - j0,3794 = 3,4585Z- 6,298°

- Mật độ dòng điện dây quấn chính stato

JA =Error! = Error! = 5,5955 [A/mm2]

JB =Error! = Error! = 5,761[A/mm2]