Xây dựng phần mềm thiết kế tổng hợp máy điện

Lĩnh vực thiết kế và chế tạo thiết bị điện hiện nay rất sôi động với nhiều nhà sản xuất nước ngoài như: ABB, Siemens, Teco, Hitachi …; các nhà sản xuất trong nước như công ty cổ phần chế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN NGỌC VĂN

XÂY DỰNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ

TỔNG HỢP MÁY ĐIỆN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS PHAN THỊ HUỆ

HÀ NỘI - 2011

Mục Lục

Trang

Lời cam đoan 4

-Lời cảm ơn 5

-Danh mục các bảng 6

-Danh mục hình vẽ và đồ thị 8

-Mở ĐầU 10

-CHƯƠNG I: CƠ Sở Lý THUYếT động cơ một pha 15

-1.1 Giới thiệu chung về động cơ một pha 15

-1.2 Động cơ không đồng bộ một pha - lý thuyết tổng quan 15

-1.2.1 Động cơ không đồng bộ một pha với điện trở khởi động 15

-1.2.2 Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động 16

-1.2.3 Động cơ không đồng bộ một pha với điện dung làm việc 16

-1.2.4 Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động và tụ làm việc 17

-1.3 Thiết kế động cơ một pha - nhiệm vụ và yêu cầu 18

-1.3.1 Các số liệu cần thiết 18

-1.3.2 Sơ đồ khối và trình tự tính toán 18

-1.3.3 Các môđun thiết kế 19

-1.4 Thiết kế chi tiết 21

-A Xác định kích thước cơ bản 21

-B Dây quấn stato 24

-C Rãnh và gông stato 28

-D Dây quấn, rãnh và gông rôto 31

-E Tính toán mạch từ 33

-F Trở kháng của dây quấn stato và rôto 36

-G Tính toán chế độ định mức 43

-H Tính toán dây quấn phụ 44

-I Tính toán tổn hao sắt và dòng điện phụ 47

-J Tính toán chế độ khởi động 52

-K Trọng lượng và chỉ tiêu kinh tế của vật liệu tác dụng 56

-Chương iI: cơ sở lý thuyết động cơ kđb ba pha 57

-2.1 Tổng quan về máy điện không đồng bộ 57

-2.2 Thiết kế động cơ không đồng bộ - nhiệm vụ và yêu cầu 57

-2.2.1 Những yêu cầu kỹ thuật 57

-2.2.2 Thiết kế kết cấu 58

-2.2.3 Sơ đồ khối và trình tự tính toán 60

-2.2.4 Các môđun thiết kế 61

-2.2.5 Các thông số đầu vào 62

-2.3 Thiết kế chi tiết 62

-A Kích thước chủ yếu 62

-B Dây quấn, rãnh stato và khe hở không khí 64

-C Dây quấn, rãnh và gông rôto 69

-D Tính toán mạch từ 71

-E Tham số của động cơ điện ở chế độ định mức 73

-F Tổn hao thép và tổn hao cơ 76

-G Đặc tính làm việc 79

-H Tính toán đặc tính khởi động 82

-I Tính toán nhiệt 85

-J Trọng lượng vật liệu tác dụng và chỉ tiêu sử dụng 89

-CHƯƠNG Iii: ứNG DụNG công nghệ thông tin TRONG BàI TOáN THIếT Kế thiết bị điện 91

-3.1 Sự phát triển của kỹ thuật thiết kế dựa vào máy tính 91

-3.2 Các luận điểm chủ yếu khi xây dựng hệ thống thiết kế tự động hóa 92

-3.2.1 Định hướng đối tượng 92

-3.2.2 Tính sáng tạo 92

-3.2.3 Tính tập thể 92

-3.2.4 Tính hệ thống 93

-3.2.5 Tính tiến hóa 93

-3.2.6 Tính thông tin 93

-3.2.7 Tính tổng hợp 93

-3.2.8 Tính liên hợp 93

-3.2.9 Tính thống nhất 93

-3.3 Cấu trúc chức năng của hệ thống thiết kế tự động 94

-Chương iv: lựa chọn ngôn ngữ và kiến trúc phần mềm 96

-4.1 Sự phát triển của các ngôn ngữ lập trình 96

-4.2 Ngôn ngữ C# 97

-4.3 So sánh ngôn ngữ C# và những ngôn ngữ khác 98

-4.4 Ưu điểm của ngôn ngữ C# 99

-4.5 Kiến trúc phần mềm thiết kế máy điện 99

-4.5.1 Các bước chuẩn bị cho chương trình 99

-4.5.2 Kiến trúc phần mềm và giao diện chính 100

-4.5.3 Cơ sở dữ liệu 105

-4.5.4 Xử lý dữ liệu 109

-4.6 Tổ chức đề án 110

-Chương v: kết quả thiết kế 112

-5.1 Kết quả thiết kế động cơ một pha 112

-5.1.1 Giao diện chương trình thiết kế 112

-5.1.2 Tổng hợp kết quả thiết kế 116

-5.1.3 Đánh giá kết quả thiết kế 122

-5.2 Kết quả thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha 124

-5.2.1 Giao diện chương trình thiết kế 124

-5.2.2 Tổng hợp kết quả thiết kế 129

-5.2.3 Đánh giá kết quả thiết kế 134

-Kết luận và kiến nghị 136

-TàI LIệU THAM KHảO 138

-Phụ lục 1

-Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan

Tất cả kết quả nghiên cứu và được trình bày trong luận văn này đều do tôi trực tiếp nghiên cứu và viết ra, các kết quả đó không được sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào trước đó

Tất cả các dữ liệu và kết quả tính toán mà tôi đưa ra trong luận văn này đều trung thực, chính xác theo như các kết quả tôi đã nghiên cứu được

Tôi hứa sẽ chịu hoàn toàn trách nhiệm trước khoa và nhà trường nếu không thực hiên đúng như những lời cam đoan ở trên

Người cam đoan

Nguyễn Ngọc Văn

Lời cảm ơn

Trong thời gian qua, được sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của cô giáo TS Phan

Thị Huệ, các thầy cô giáo trong bộ môn cùng các bạn đồng nghiệp, tôi đã hoàn

thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật với đề tài: “Xây dựng phần mềm thiết kế tổng hợp

máy điện”

Đây là kết quả của sự giúp đỡ về kiến thức, kinh nghiệm của các thầy cô, các bạn

đồng nghiệp cùng sự nỗ lực của bản thân, nhưng do trình độ và thời gian hạn chế, bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong có thể nhận được những ý kiến đóng góp quý báu

Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn cô giáo TS Phan Thị Huệ cùng các thầy

cô giáo, các bạn đồng nghiệp, cơ quan, nhà trường đã tạo điều kiện về vật chất, tinh thần cùng sự hỗ trợ về kiến thức, kinh nghiệm trong thời gian học tập và thực hiện

Danh mục các bảng

Trang

Bảng 1.1 Chiều cao tâm trục theo đường kính ngoài 23

-Bảng 1.2 Số răng rôto ZR theo ZS và số cực 25

-Bảng 1.3 Hệ số kβ, kβ 1 theo β và loại dây quấn 37

-Bảng 1.4 Suất tổn hao của một số loại thép kỹ thuật điện 48

-Bảng 1.5 Hệ số gia công kgc 48

-Bảng 2.1 Nhiệt độ làm việc cho phép ứng với các cấp cách điện 58

-Bảng 2.2 Giá trị chiều cao tâm trục h theo đường kính ngoài Dn 63

-Bảng 2.3 Giá trị kD theo số cực 63

-Bảng 2.4 -Bảng đặc tính làm việc 81

-Bảng 5.1 Kích thước chủ yếu 116

-Bảng 5.2 Tính toán dây quấn stato 116

-Bảng 5.3 Tính mạch từ stato 116

-Bảng 5.4 Kích thước rôto 117

-Bảng 5.5 Tính toán mạch từ 117

-Bảng 5.6 Tính trở kháng dây quấn stato và rôto 118

-Bảng 5.7 Tham số của động cơ ở chế độ định mức 118

-Bảng 5.8 Tính toán dây quấn phụ 119

-Bảng 5.9 Tính tổn hao sắt và dòng điện phụ 119

-Bảng 5.10 Tính toán chế độ khởi động 120

-Bảng 5.11-1 -Bảng đặc tính làm việc của động cơ 121

-Bảng 5.11-2 -Bảng đặc tính làm việc của động cơ (tiếp) 122

-Bảng 5.12 Đánh giá kết quả thiết kế 122

-Bảng 5.13 Kích thước chủ yếu 129

-Bảng 5.14 Dây quấn, rãnh, gông stato và khe hở không khí 130

-Bảng 5.15 Dây quấn, rãnh và gông rôto 130

-Bảng 5.16 Tính toán mạch từ 131

-Bảng 5.17 Tham số của động cơ ở chế độ định mức 132

-Bảng 5.18 Tính toán tổn hao 132

-Bảng 5.19 Số liệu ở chế độ định mức 132

-Bảng 5.20 Chế độ khởi động 132

-Bảng 5.21 Tính toán nhiệt 133

-Bảng 5.22 Trọng l−ợng và chỉ tiêu sử dụng vật liệu 133

-Bảng 5.23 -Bảng đặc tính làm việc của động cơ 134

-Bảng 5.24 Đánh giá kết quả thiết kế 135

-Danh mục hình vẽ và đồ thị

Trang

Hình 1.1 Mô hình máy điện một pha 15

-Hình 1.2 Động cơ KĐB một pha khởi động bằng điện trở 16

-Hình 1.3 Động cơ KĐB một pha khởi động bằng điện dung 16

-Hình 1.5 Động cơ KĐB một pha với tụ khởi động và tụ làm việc 17

-Hình 1.6 Trình tự tính toán động cơ điện không đồng bộ công suất nhỏ 19

-Hình 1.7 Một số dạng rãnh stato 28

-Hình 1.8 Dạng rãnh rôto 31

-Hình 1.9 Vành ngắn mạch 41

-Hình 1.10 Mạch điện thay thế pha chính động cơ một pha 44

-Hình 2.1 Sơ đồ khối và trình tự tính toán động cơ KĐB ba pha 60

-Hình 2.2 Rãnh stato 68

-Hình 2.3 Một vài dạng rãnh rôto đúc nhôm 70

-Hình 2.5 Sơ đồ thay thế nhiệt 86

-Hình 2.6 Kích thước cánh tản nhiệt trên thân máy 88

-Hình 4.1 Sơ đồ khối cấu trúc phần mềm 101

-Hình 4.2 Giao diện chính của chương trình 101

-Hình 4.3 Cửa sổ tùy chọn loại máy điện 102

-Hình 4.4 Form nhập thông số đầu vào của động cơ một pha 102

-Hình 4.5 Giao diện của môđun thiết kế động cơ một pha 103

-Hình 4.6 Giao diện kết quả thiết kế động cơ một pha 104

-Hình 4.7 Giao diện nhập số liệu động cơ ba pha 104

-Hình 4.8 Giao diện của môđun thiết kế động cơ ba pha 105

-Hình 4.9 Giao diện kết quả thiết kế động cơ ba pha 105

-Hình 4.10 Bố cục của Solution 110

-Hình 4.11 Bố cục của Project 110

-Hình 5.1 Form nhập số liệu cơ bản 112

-Hình 5.2 Form xác định kích thước chủ yếu 113

-Hình 5.3 Môđun tính toán dây quấn stato 113

-Hình 5.4 Form tính mạch từ stato 114

-Hình 5.5 Form tính toán thông số rôto 114

-Hình 5.6 Giao diện kết quả thiết kế 115

-Hình 5.7 Kết quả môđun xác định kích thước chủ yếu 115

-Hình 5.8 Đặc tính làm việc của động cơ một pha 123

-Hình 5.9 Đặc tính cơ của động cơ một pha có tụ khởi động và làm việc 124

-Hình 5.10 Form nhập số liệu cơ bản của động cơ 125

-Hình 5.11 Form sau khi tra tham số theo tiêu chuẩn Việt Nam 125

-Hình 5.12 Form “Kích thước chủ yếu” 126

-Hình 5.13 Kết quả tính của Form “Kích thước chủ yếu” 126

-Hình 5.14 Form “Thiết kế stato” và kết quả tính toán 127

-Hình 5.15 Form “Thiết kế rôto” và kết quả tính toán 127

-Hình 5.16 Form “Các thông số khác” 128

-Hình 5.17 Giao diện kết quả thiết kế 128

-Hình 5.18 Kết quả môđun kích thước chủ yếu 129

-Hình 5.19 Đặc tính làm việc của động cơ 135

-Mở ĐầU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, tối ưu hóa quá trình sản xuất ngày càng là yêu cầu cấp bách nhằm nâng cao ưu thế doanh nghiệp, sức cạnh tranh của sản phẩm, giảm thiểu chi phí và cải thiện năng suất, chất lượng

Trước tình hình đó, việc tìm hiểu các công cụ thiết kế và quản lý mới nói chung, công nghệ thông tin nói riêng vào công tác thiết kế kỹ thuật và quá trình sản xuất là yêu cầu hết sức thiết thực

Đối với ngành thiết kế và chế tạo máy điện, do đặc thù có rất nhiều thông số tính toán và các điều kiện ràng buộc Việc áp dụng công nghệ thông tin sẽ giúp giảm thời gian tính toán, tận dụng và kết hợp năng lực tính toán của máy tính với kiến thức của con người Thời gian và chi phí thiết kế được giảm đáng kể và có thể thiết kế cho nhiều chủng loại máy khác nhau, thiết kế đơn chiếc hoặc thiết kế dãy

Đề tài này là một trong những nghiên cứu bước đầu trong công tác ứng dụng tin học vào lĩnh vực thiết kế, chế tạo máy điện Nó cần được xây dựng và phát triển trong tương lai để đáp ứng các yêu cầu đa dạng của bài toán

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài là xây dựng phần mềm thiết kế thiết bị điện Chương trình phải có khả năng thiết kế cho nhiều loại máy khác nhau, có giao diện thân thiện với người sử dụng

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ không đồng bộ một pha và ba pha

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ một pha và ba pha

- Lập chương trình thiết kế động cơ không đồng bộ một pha và ba pha

- Xây dựng thành chương trình thiết kế tổng hợp

5 Giới hạn đề tài

Đề tài chỉ giới hạn cho việc thiết kế hai loại động cơ Có thể bổ xung thêm chương trình thiết kế cho những thiết bị khác trong tương lai

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Đây là tài liệu tham khảo tốt cho chương trình đào tạo kỹ sư, cử nhân ngành Thiết bị điện - điện tử

- Những nghiên cứu bước đầu trong việc ứng dụng công nghệ thông tin vào công tác thiết kế, sản xuất

7 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu tình hình thiết kế thiết bị điện ở các cơ sở trong và ngoài nước

- Trên cơ sở phân tích các ngôn ngữ lập trình, lựa chọn một ngôn ngữ phù hợp với nhiệm vụ nghiên cứu

- Triển khai đề án, xây dựng chương trình thiết kế

Lĩnh vực thiết kế và chế tạo thiết bị điện hiện nay rất sôi động với nhiều nhà sản xuất nước ngoài như: ABB, Siemens, Teco, Hitachi …; các nhà sản xuất trong nước như công ty cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội (HEM), công ty cổ phần chế tạo máy

điện Việt Nam - Hungary (VIHEM), công ty cổ phần chế tạo thiết bị điện Đông Anh (EEMC), công ty cổ phần Thiết Bị Điện (ThiBiDi)…

Công tác chế tạo máy điện hiện nay đã và đang được cải tiến với những máy móc dây chuyền hiện đại, được tự động hóa cao, đồng thời việc thiết kế cũng được cải tiến bằng việc ứng dụng các phần mềm thiết kế, các loại vật liệu mới Có thể kể

đến tình hình sản xuất, thiết kế máy điện tại một số cơ sở như:

1 Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam - Hungary (VIHEM)

Sản phẩm:

- Động cơ điện xoay chiều 1 pha điện áp 220V công suất từ 0,2 đến 3kW

- Động cơ điện xoay chiều 3 pha các cấp tốc độ, công suất từ 0,125 đến 2500

kW (có các cấp điện áp :110V, 220V, 380V, 660V, 3300V, 6000V, 10000V)

- Các loại động cơ điện đặc biệt: động cơ gắn phanh từ, động cơ thông minh,

động cơ có khớp nối từ (VS)

- Quạt công nghiệp các loại

Các sản phẩm động cơ điện được thiết kế bằng phần mềm thiết kế của Anh quốc

và chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN 1987-1994 tương đương với tiêu chuẩn IEC 60034

VIHEM có khả năng chế tạo và sửa chữa động cơ truyền thống tới cấp công suất

2500 kW và động cơ điện phòng nổ tới cấp công suất 500 kW

Việc thử tải được thực hiện với các sản phẩm có công suất từ 30kW trở lên, những sản phẩm dưới 30kW được thử đại diện theo từng lô hàng

Sản phẩm động cơ điện dưới 600kW được chế tạo khép kín trong Công ty, những sản phẩm trên 600kW hợp tác với bên ngoài gia công thân và láng đường kính rôto Khuôn dập được chế tạo trên các thiết bị cắt dây và các trung tâm gia công CNC

đảm bảo độ chính xác cao

Quá trình gia công chi tiết phần lớn được thực hiện trên máy CNC, các chi tiết có trọng lượng lớn chế tạo đơn chiếc được gia công trên máy vạn năng chuyên dùng Rôto đúc nhôm được đúc trên máy áp lực cao, rôto có kết cấu bằng thanh dẫn, phần tử cứng được hàn bởi thiết bị chuyên dùng và được cân bằng động trước khi lắp ráp

Bộ dây được tẩm sơn cách điện (nhập ngoại) bằng lò chân không và được sấy trong hệ thống sấy tuần hoàn

2 Công ty cổ phần chế tạo thiết bị điện Đông Anh (EEMC)

Năng lực sản xuất:

- Máy biến áp lực 220kV: 10ữ12 máy/năm

- Máy biến áp lực 110kV - 16ữ63MVA: 30ữ40 máy/năm

- Máy biến áp trung gian điện áp đến 38,5kV : 150ữ200 máy/năm

- Máy biến áp khô: Công suất từ 30kVA ữ 5600 kVA, điện áp đến 35kV

- Các trạm biến áp bộ - kios ( gồm nhiều cấp dung lượng, thiết kế bảo vệ, đo lường, khác nhau, phù hợp cho từng nhu cầu cụ thể): 200 trạm/năm

- Các loại máy biến dòng, biến điện áp, cầu chì tự rơi

Công ty đã đầu tư nhiều loại máy phục vụ cho quá trình sản xuất như: máy quấn dây trục đứng; máy cắt bấm chéo; lò sấy hơi dầu trong dây chuyền sản xuất MBA từ 110kV ữ 500kV EEMC đặc biệt quan tâm tới việc đầu tư mua sắm các trang thiết bị hiện đại như: Máy cắt tôn tự động điều khiển CNC, dây chuyền lắp ráp máy biến áp phân phối, máy lọc dầu chân không, lò sấy chân không cho máy biến áp 500 kV, máy chuốt dây liên tục…

3 Công ty cổ phần Thiết Bị Điện (THIBIDI)

Sản xuất máy biến áp các loại với dãy công suất: 3 pha từ: 30 ữ 10000 KVA và

1 pha từ: 10 ữ 160 KVA với cấp điện áp lớn nhất là 35 KVA

Sản phẩm được kiểm nghiệm theo tiêu chuẩn IEC-76 (làm mát tuần hoàn tự nhiên bằng dầu) được lắp đặt trong nhà hoặc ngoài trời Máy biến áp có thể kiểu kín hoặc kiểu hở, máy có khả năng chịu ngắn mạch tốt Cuộn dây được thiết kế có khả năng chịu được quá điện áp do đường dây hoặc sét gây ra

Nghiên cứu và chế tạo thành công trạm biến áp 3 pha hợp bộ Pad-mounted dãy công suất từ 50 ữ 2500 KVA với cấp điện áp đến 35 KV Và máy biến áp khô chống cháy dãy công suất từ 100 ữ 2500 KVA với cấp điện áp đến 22 KV

4 Công ty cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội (HEM)

Thiết kế, chế tạo, sửa chữa các loại động cơ điện, máy phát điện, máy biến áp,

hệ thống tủ điện, thiết bị điện cao áp và hạ áp dùng trong công nghiệp, nông nghiệp

và dân dụng

Dây chuyền sản xuất máy biến áp của HEM được trang bị các thiết bị và công nghệ tiên tiến nhất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm như: Máy xẻ băng, Dây chuyền máy cắt chéo, Dây chuyền chế tạo vỏ máy biến áp, Hệ thống phun bi làm sạch, Máy quấn đồng lá, Hệ thống lọc dầu, Hệ thống hút chân không, Máy tiện

đứng, Máy CNC, Máy dập xoay tự động, Máy đúc nhôm, Máy cắt dây tia lửa điện,

8 Bố cục của luận văn

- Chương I: Cơ sở lý thuyết động cơ một pha

- Chương II: Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ba pha

- Chương III: ứng dụng công nghệ thông tin trong bài toán thiết kế thiết bị điện

- Chương IV: Lựa chọn ngôn ngữ và kiến trúc phần mềm

CHƯƠNG I: CƠ Sở Lý THUYếT động cơ một pha

1.1 Giới thiệu chung về động cơ một pha

Động cơ điện công suất nhỏ được sử dụng rất nhiều

trong đời sống, các thiết bị tự động, thiết bị gia dụng,

công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp

Phần lớn các động cơ công suất nhỏ là loại một pha

và thường là động cơ không đồng bộ Ưu điểm của loại

động cơ này là dùng nguồn một pha của lưới sinh hoạt,

nên được ứng dụng rất rộng rãi Ngoài ra, nó có kết cấu

đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành thấp, không

sinh ra nhiễu vô tuyến và ít tiếng ồn Hình 1.1 Mô hình máy

điện một pha

Hiện nay, ở các nước đều sản xuất động cơ không đồng bộ công suất nhỏ theo dãy công suất từ 15 W đến 750 W (có thể đến 1,5 kW), với số cực là 2 và 4

1.2 Động cơ không đồng bộ một pha - lý thuyết tổng quan

Phần lớn các máy điện một pha được bố trí trên stato, hai cuộn dây A và B tương ứng vuông góc với nhau Sự không đối xứng của máy thường do số vòng dây hai cuộn khác nhau hoặc do chúng chiếm số rãnh không bằng nhau

Động cơ không đồng bộ một pha về cấu tạo, có thể xem là động cơ hai pha:

- Cuộn làm việc (cuộn chính): Nối trực tiếp với nguồn một pha

- Cuộn phụ (cuộn khởi động): Nối với nguồn một pha qua phần tử lệch pha trong toàn bộ thời gian làm việc hoặc chỉ trong thời gian mở máy

1.2.1 Động cơ không đồng bộ một pha với điện trở khởi động

Hình 1.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của động cơ KĐB một pha khởi động bằng

điện trở Động cơ khởi động như động cơ hai pha không đối xứng Khi động cơ đạt tới tốc độ nhất định thì cuộn khởi động B được ngắt khỏi nguồn và động cơ chuyển sang chế độ làm việc với cuộn chính A luôn được nối với điện áp nguồn

Cuộn làm việc A thường chiếm khoảng 2/3 số rãnh stato, còn cuộn khởi động B thường chiếm 1/3 số rãnh

Động cơ một pha khởi động bằng điện trở

thường có mômen khởi động thấp Mk =

1.2.2 Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động

Động cơ KĐB một pha với tụ khởi động

thường được sử dụng trong các trường hợp yêu

cầu mômen khởi động Mk lớn và dòng khởi

động Ik nhỏ

Cuộn chính thường chiếm 2/3 số rãnh stato,

cuộn phụ chiếm 1/3 Số vòng dây của cuộn phụ

và điện dung của tụ khởi động được chọn từ giá

trị mômen khởi động cần đạt hoặc từ điều kiện

đạt từ trường tròn khi khởi động Sau khi kết

thúc quá trình khởi động, cuộn khởi động và tụ

được cắt khỏi mạch

- Mômen khởi động: Mk = (2-2,5)Mđm

- Dòng khởi động: Ik = (3-6)Iđm

Hình 1.3 Động cơ KĐB một pha khởi động bằng điện dung

1.2.3 Động cơ không đồng bộ một pha với điện dung làm việc

Thực chất của động cơ điện dung làm việc là động cơ hai pha được mắc vào lưới một pha Khi làm việc, cả hai dây quấn đều được nối với nguồn điện

Việc lựa chọn trị số điện dung của tụ điện làm việc và số vòng dây của các dây quấn phù hợp sẽ tạo ra từ trường quay tròn (hoặc gần tròn) trong quá trình làm việc

Động cơ một pha với điện dung làm việc

có nhiều ưu điểm như cấu tạo đơn giản, hệ sô

công suất cosφ cao, nên được sử dụng rất rộng

rãi trong các thiết bị như quạt điện, các động

cơ của hệ thống tự động v.v…

Hình 1.4 Động cơ KĐB một pha với điện dung làm việc

1.2.4 Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động và tụ làm việc

Nhược điểm chung của các loại động cơ

với điện trở khởi động và tụ khởi động là

chúng có chỉ số năng lượng ( , cos )η ϕ tương

đối thấp do ở chế độ làm việc chỉ có pha chính

được nối với nguồn điện tạo ra từ trường đập

mạch, không phải từ trường quay

Trong trường hợp yêu cầu chỉ số năng

lượng cao và đặc tính khởi động tốt, người ta

thường sử dụng động cơ điện có tụ khởi động

và tụ làm việc

Hình 1.5 Động cơ KĐB một pha với tụ khởi động và tụ làm việc

Cuộn phụ B được nối với hai tụ Ck, Clv Trong đó, tụ làm việc Clv luôn được nối với mạch, còn tụ Ck chỉ được nối vào mạch trong thời gian khởi động

Trong động cơ điện có điện dung khởi động và làm việc, thiết bị khởi động trong thời gian khởi động (từ hệ số trượt s = 1 đến s=0, 25 0, 2ư ) sẽ nối thêm tụ điện khởi

động Ck vào pha phụ Thiết bị khởi động có thể dùng công tắc ly tâm, nút ấn, rơ le quá dòng điện v.v… Thông dụng nhất vẫn là dùng công tắc ly tâm

Khi khởi động cũng như khi làm việc, động cơ luôn làm việc với 2 pha, các cuộn dây A và B thường chiếm số rãnh như nhau trên stato

Nhằm đạt được chỉ tiêu kỹ thuật cao, các thông số của động cơ và giá trị của tụ

được thiết kế sao cho khi ở chế độ định mức, từ trường trong động cơ là từ trường

tròn (hiệu suất biến đổi năng lượng điện - cơ cao nhất)

Điện dung của tụ khởi động được chọn sao cho tổng điện dung Ck +Clvtrong quá trình khởi động, đảm bảo được giá trị cần thiết của mômen khởi động

c, Điều kiện làm việc: Nhiệt độ, độ ẩm môi trường v.v…

d, Các điều kiện đặc biệt:

Các điều kiện này có thể gồm đặc tính của mômen theo hệ số trượt M f s= ( ),

đặc tính điều chỉnh, đặc tính khởi động (bội số mômen khởi động mk, bội số dòng khởi động ik), năng lực quá tải (bội số mômen cực đại mmax) và yêu cầu về độ ồn nhỏ v.v…

Ngoài ra cần nói rõ vị trí làm việc của trục: nằm ngang hay đứng Máy điện đa

số có trục nằm ngang Máy điện trục đứng thường dùng trong máy ly tâm, máy giặt, máy ghi âm v.v…

Thường chọn loại và kiểu động cơ theo nhiệm vụ thiết kế và công dụng, còn kích thước chủ yếu thì xác định theo các số liệu định mức Khi chọn tải điện từ, tính toán rôto và pha phụ cũng như giải quyết các vấn đề có liên quan đến kết cấu thì phải chú

ý đến các điều kiện đặc biệt

1.3.2 Sơ đồ khối và trình tự tính toán

Trình tự tính toán của động cơ không đồng bộ một pha công suất nhỏ được thể hiện như hình 1.6:

Hình 1.6 Trình tự tính toán động cơ điện không đồng bộ công suất nhỏ

Những đặc điểm:

- Tính đặc tính làm việc theo mạch thay thế

- Dùng những tham số có thể đảm bảo những điều kiện đặc biệt (nhất là tham số

về bội số mômen cực đại) để thiết kế rôto hợp lý

- Tổn hao sắt được quy đổi thành một dòng điện phụ cộng vào dòng stato Như vậy đơn giản hóa được việc tính toán mà lại tương đối chính xác

- Đối với động cơ điện dung, pha chính được thiết kế theo điều kiện động cơ hai pha đối xứng Đối với động cơ có phần tử khởi động thì tính theo điều kiện làm việc một pha

- Tính toán pha phụ

- Tính toán đặc tính làm việc với từ trường elip hay đập mạch

1.3.3 Các môđun thiết kế

Để đơn giản trong điều khiển và xử lý dữ liệu, thuật toán thiết kế được xây dựng

thành các môđun chức năng Mỗi môđun đảm nhận một khâu trong bài toán, có thông số đầu vào, kết quả đầu ra Các môđun được phân chia như sau:

1 Môđun xác định kích thước cơ bản: Xác định các kích thước chủ yếu: Đường kính trong stato D, chiều dài lõi thép lδ

2 Môđun dây quấn stato: Xác định kiểu dây quấn, hệ số dây quấn stato, số vòng dây của dây quấn chính, số thanh dẫn trong một rãnh, tiết diện dây quấn chính,

đường kính dây dẫn và đường kính dây kể cả cách điện

3 Rãnh và gông stato: Xác định các kích thước của rãnh và gông stato, diện tích có ích của rãnh, hệ số lấp đầy rãnh stato

4 Dây quấn, rãnh và gông rôto: Xác định dạng rãnh rôto, đường kính ngoài rôto,

đường kính trục, bước răng rôto, chiều cao rãnh, gông rôto …

5 Môđun tính toán mạch từ: Xác định hệ số khe hở không khí, sức từ động khe hở, mật độ từ thông B, cường độ từ cảm H, sức từ động F trên răng, gông stato và rôto, hệ số bão hòa răng, hệ số bão hòa toàn mạch, dòng điện từ hóa Ià

6 Môđun trở kháng của dây quấn stato và rôto: Tính điện trở tác dụng của dây quấn chính stato, các hệ số từ tản rãnh, phần đầu nối … stato, điện kháng tản dây quấn chính, điện trở tác dụng của thanh dẫn, của vành ngắn mạch, điện trở phần tử lồng sóc, hệ số từ tản rôto, điện kháng rôto quy đổi

7 Tính toán chế độ định mức: Xác định các thông số của động cơ ở chế độ định mức

8 Tính toán dây quấn phụ: Xác định tỷ số biến áp, dung kháng của dây quấn, số thanh dẫn trong một rãnh của dây quấn phụ, số vòng dây, tiết diện và đường kính dây dẫn pha phụ, các giá trị điện trở, điện kháng của dây quấn phụ Tính và kiểm tra hệ số kE

9 Tính tổn hao sắt và dòng điện phụ: Xác định tổn hao sắt trên răng stato, rôto, tổn hao sắt trên gông stato và rôto, dòng điện phụ do tổn hao sắt gây nên, các tổn hao cơ, tổn hao phụ, tổn hao đồng stato, rôto Hiệu suất, hệ số công suất, mômen tác dụng, công suất tác dụng, điện áp trên tụ điện và trên dây quấn phụ

10 Tính toán chế độ khởi động: Tính giá trị mômen khởi động, bội số mômen khởi

động, điện dung của tụ điện khởi động, bội số dòng điện khởi động, điện áp trên dây quấn phụ và trên tụ khi khởi động

11 Trọng lượng và chỉ tiêu kinh tế của vật liệu tác dụng: Xác định trọng lượng thép silic cần chuẩn bị, trọng lượng đồng của dây quấn và các chỉ tiêu kinh tê gFe, gCu

1.4 Thiết kế chi tiết

D

= là tỷ lệ giữa chiều dài lõi thép và đường kính ngoài stato

Khi chọn kích thước chủ yếu cần xét đến các quan hệ sau:

- Quan hệ giữa hiệu suất ,cosη ϕ với Pđm

- Quan hệ giữa hệ số sử dụng vật liệu trên đơn vị công suất với công suất định

1 Công suất định mức của động cơ không đồng bộ 3 pha đẳng trị

Các kích thước chủ yếu của động cơ ba pha và một pha được xác định theo cùng một công thức Do vậy khi xác định kích thước chủ yếu, ta quy đổi công suất máy một pha sang máy ba pha có cùng kích thước:

PđmIII = β1Pđm Với β1 là hệ số biểu thị tỷ số giữa công suất có ích của máy 3 pha và máy thiết kế

có cùng kích thước

Đối với động cơ điện dung, β =1 1,25 1,7 ư (với động cơ điện dung dãy 4A thì

2 Công suất tính toán của động cơ ba pha đẳng trị

mIII SIII

Đối với động cơ công suất nhỏ, cách điện dây dẫn chiếm một không gian tương

đối lớn, hệ số lấp đầy rãnh khá thấp, do đó việc nâng cao tải đường cũng bị hạn chế Trên thực tế, tải điện từ được chọn trong giới hạn sau:

- Độ bão hòa cho phép của mạch từ trong phần răng và gông stato (đặc biệt là máy 2 cực)

- Yêu cầu đạt được tính năng làm việc và khởi động tốt nhất

- Yêu cầu có ít tiếng ồn nhất

Muốn thỏa mãn yêu cầu thứ hai thì phải tăng Bδ, như vậy sẽ mâu thuẫn với yêu cầu thứ nhất và thứ ba

Tải đường A thay đổi không nhiều (90 200 A / cmư ) còn Bδ lại thay đổi rất nhiều, trong phạm vi lớn, trong đó trị số nhỏ dùng cho động cơ điện công suất tương

đối nhỏ và ít tiếng ồn

Với thép kỹ thuật điện cán nóng, thường chọn Bδ =0,5 0,6 Tư , trong đó trị số lớn dùng cho máy 4 cực Dãy 4A của Nga dùng thép cán nguội với Bδ =0,8 1 Tư

Giá trị A và Bδ được đưa ra cho người dùng nhập và có gợi ý lựa chọn

4 Đường kính ngoài stato

SIII 3 n

P p44

Bảng 1.1 Chiều cao tâm trục theo đường kính ngoài

6 Chiều dài lõi thép stato và rôto và bước cực

Chiều dài tính toán lõi thép được xác định theo hệ số kết cấu λ hay kls

B Dây quấn stato

8 Chọn số rãnh stato, rôto và giá trị q

- Khi làm việc, tiếng ồn do lực hướng tâm sinh ra nhỏ nhất

- Tổn hao do phần răng sinh ra nhỏ nhất

Chọn ZS còn phải đảm bảo chiều rộng răng nhỏ nhất mà công nghệ cho phép, thường bZ =1,8 3 mmư Ngoài ra nó còn liên quan đến việc chọn kiểu dây quấn

- Để giảm mômen ký sinh đồng bộ, không đồng bộ phải chọn:ZR ≤1,25 Z( S+p)

- Khi khởi động:ZR ≠Z , ZS R ≠0,5Z ; ZS R ≠2Z , ZS R ≠2mpg

Trong dãy động cơ 4A một pha, thường lấyZ / ZS R =24 /17

Số rãnh stato thường dùng nhất là ZS =18, 24và 36

• Chọn giá trị q

Đối với các động cơ 2, 4 cực thường sản xuất, số rãnh của mỗi pha dưới mỗi cực thường là: Với 2p = 2, q = 3; 4; 6

Với 2p = 4, q = 1,5; 2; 3 Dây quấn với q là phân số chế tạo phức tạp, từ tản lớn nên ít dùng Đối với động cơ điện dung, số rãnh dưới mỗi cực của pha chính của động cơ qA, và pha phụ qBthường bằng nhau

Khi đó ZA =ZB =Z / 2S và qA =qB =Z / 2mpS ( )

Động cơ điện một pha có phần tử khởi động, thường pha chính chiếm 2/3 tổng số rãnh, pha phụ chiếm 1/3

Số rãnh ZS, ZR được đưa ra cho người dùng chọn, có kèm theo gợi ý

9 Kiểu dây quấn

Khi thiết kế dây quấn, cần đặc biệt chú ý là phải triệt tiêu hoặc làm yếu đi song

điều hòa không gian bậc cao trong đường cong sức từ động

Động cơ điện công suất nhỏ một pha khi sản xuất theo dãy cần chú ý đơn giản hóa việc chế tạo dây quấn Hệ số lấp đầy rãnh càng nhỏ thì lồng dây càng dễ nhưng lợi dụng rãnh kém Để tăng cường việc lợi dụng rãnh có thể giảm bớt cách điện phụ trong rãnh như dùng dây quấn một lớp

Giảm chiều dài phần đầu nối của dây quấn có thể rút ngắn chiều dài máy, đồng thời cũng giảm được điện kháng tản phần đầu nối

- Dây quấn một lớp: đồng khuôn, đồng tâm

- Dây quân hai lớp: thường là dây quấn đồng khuôn bước ngắn

Động cơ một pha dây quấn phụ cắt ra sau khi khởi động thường là dây quấn một lớp và hai lớp Dây quấn chính thường chiếm 2/3, dây quấn phụ chiếm 1/3 tổng số rãnh stato

Dây quấn phụ của động cơ điện dung khi làm việc vẫn nối vào lưới Hai dây quấn chính và phụ chiếm số rãnh bằng nhau ở stato

Dây quấn một lớp chế tạo đơn giản hơn, hệ số lấp đầy rãnh cao hơn nhưng sóng bậc cao tồn tại nhiều hơn

10 Tính hệ số dây quấn stato

Bước cực: ZS

2p

τ =Bước dây quấn y: Chọn theo loại dây quấn và yêu cầu làm bước ngắn

df

df

sinm.k

csinm.c.k

πν

Trong đó: m - số pha; ν - bậc của sóng sức từ động

Với dây quấn một lớp bước đủ 2 pha: dq 0,7070

k

45qsinq

W au

p.q

=

(thanh) Trong đó a là số mạch nhánh song song, do người thiết kế lựa chọn

14 Sơ bộ dòng định mức của dây quấn chính

đm đmA

PI

cos 2.U

=

Giá trị ηIIIcosϕ được tra từ hình 1.3, TL2 Đồ thị này được số hóa thành các III

điểm rời rạc trong cơ sở dữ liệu

15 Tiết diện dây quấn chính stato

2 đm

SA

SA

IS' (mm )n.J

=

JSA là mật độ dòng sơ bộ trong dây quấn chính Mật độ dòng điện có thể chọn trong phạm vi J 6 8,5 A / mm= ư 2, giới hạn cao dùng cho động cơ điện công suất tương đối nhỏ

Giá trị S tính được phải được chuẩn hóa theo dây dẫn tiêu chuẩn Ta chọn dây có tiêt diện lớn hơn gần với giá trị tính được nhất Từ tiết diện chuẩn này, ta tra được

đường kính dây d và đường kính dây có cách điện dcđ

Một số dây chuẩn được đề cập trong TL2 trang 281, được đưa vào cơ sở dữ liệu

16 Tổng tiết diện dây dẫn đồng trong rãnh: SSAD =S uSA RA

C R∙nh và gông stato

Stato của máy điện nhỏ có thể dùng các dạng rãnh: hình quả lê, nửa quả lê, hình thang Với các dạng rãnh này, chiều rộng răng sẽ đều suốt chiều cao rãnh

Hình 1.7 Một số dạng rãnh stato

a - Rãnh quả lê; b- Rãnh nửa quả lê; c - Rãnh hình thang

- Rãnh quả lê có khuôn dập đơn giản nhất, từ trở ở đáy rãnh tương đối thấp, do

đó giảm được sức từ động cần thiết trên răng

- Rãnh nửa quả lê có diện tích lớn hơn rãnh quả lê

- Diện tích rãnh hình thang là lớn nhât, nhưng công nghệ kém hơn dạng rãnh nửa quả lê

Nếu không đặt vấn đề giảm giá thành khuôn dập, có thể căn cứ vào diện tích rãnh và trị số sức từ động để tính toán, so sánh giữa 3 dạng rãnh sau đó chọn phương

18 Sơ bộ định chiều dày của răng

Khi xác đinh bề rộng răng stato bZS phải xét đến độ bền của răng, giá thành của khuôn dập, độ bền của khuôn và phải đảm bảo mật độ từ thông trong răng BZS nằm trong phạm vi cho phép, thường BZS ≤2 Tesla

S ZS

u dk

S

=

Trong đó urA là số thanh dẫn trong một rãnh

dcđ là đường kính dây dẫn kể cả cách điện

Hệ số lấp đầy rãnh klđ tính được phải 0, 75≤

=

D Dây quấn, r∙nh và gông rôto

30 Dạng rãnh rôto

Số rãnh rôto được chọn theo sự phối hợp rãnh ZS / ZR đã nêu Số rãnh rôto ít, thì

có lợi cho việc đúc nhôm bằng áp lực, đồng thời có thể đảm bảo thanh dẫn lồng sóc

có tiết diện đủ lớn

Kích thước rôto một mặt phụ thuộc vào mật độ từ thông cho phép của răng và gông rôto trong điều kiện ít tiếng ồn, mặt khác phụ thuộc vào yêu cầu về năng lực quá tải của máy điện: max max

dm

Mm

D là đường kính trong stato

33 B−íc r¨ng r«to: R

R

.D'

t (mm)Z

π

=Víi D’ lµ ®−êng kÝnh ngoµi r«to; ZR lµ sè r·nh r«to

36 ChiÒu cao phÇn th¼ng cña r·nh r«to

π

40 BÒ réng r¨ng r«to

δδ

=Với: Bδ (T) là mật độ từ thông khe hở không khí

tS (mm) là bước răng stato

bZS (mm) là bề rộng răng stato

kC là hệ số ép chặt lõi thép

44 Cường độ từ trường trên răng stato

Tùy theo loại thép kỹ thuật điện đã chọn, từ giá trị BZS tính được ở trên, ta tra

đường cong từ hóa để tìm giá trị HZS (A/cm)

Thực hiện thuật toán nội suy từ B ặ H

45 Sức từ động trên răng stato: FZS =2H hZS ZS (A)

Trong đó hZS (cm) là chiều cao tính toán của răng Đối với rãnh đáy bằng thì hZS

bằng chiều cao rãnh hrS Đối với rãnh quả lê thì hZS =hrSư0,1d2

46 Mật độ từ thông trong răng rôto

R ZR

t

b kδ

=Với: Bδ (T) là mật độ từ thông khe hở không khí

tR (mm) là bước răng rôto

bZR (mm) là bề rộng răng rôto

kC là hệ số ép chặt lõi thép

47 Cường độ từ trường trên răng roto

Tùy theo loại thép kỹ thuật điện đã chọn, từ giá trị BZR tính được ở trên, ta tra

đường cong từ hóa để tìm giá trị HZR (A/cm)

Trong đó hZR (cm) là chiều cao tính toán của răng Đối với rãnh quả lê:

h =h ư0,1d (cm) giá trị R d1R d2R

=

Kiểm tra giá trị hệ số bão hòa kZ Nếu kZ ≤1,5là đạt yêu cầu Cần chú ý là đối với động cơ ít tiếng ồn, mật độ từ thông răng và gông stato và rôto không nên vượt quá các trị số sau: BZ ≤1,3T và Bg ≤ Tesla 1

50 Mật độ từ thông ở gông stato:

4 gS

HgS (mm) là chiều cao gông stato

Mật độ từ thông của gông stato trong động cơ điện công suất nhỏ thường vào khoảng BgS =1, 2 1,9 ư T Số cực càng ít thì mật độ từ thông ở gông càng cao

51 Cường độ từ trường trên gông stato

Từ loại thép đã chọn, tra đường cong từ hóa (đã được số hóa) đề tìm HgS (A/cm) theo giá trị BgS (T) vừa tính được

Thực hiện nỗi suy tuyến tính

Dn (cm) là đường kính ngoài stato

hgS (cm) là chiều cao gông stato

53 Mật độ từ thông trên gông rôto:

4 gR

Với lR (cm) là chiều dài lõi sắt rôto

HgR (mm) là chiều cao gông rôto

54 Cường độ từ trường trên gông rôto

Từ giá trị BgR và loại thép đã chọn, thực hiện phép nội suy tìm ra HgR (A/cm)

Dt (mm) là đường kính trong

kF

à δ

Iđm (A) là dòng điện định mức

F Trở kháng của dây quấn stato và rôto

Giống như máy điện không đồng bộ thông thường, khi tính toán sơ bộ với tải thay đổi từ không tải đến định mức, có thể coi trở kháng stato (rS, xS) và trở kháng roto (rR, xR) không thay đổi

Khi động cơ làm việc đến hệ số trượt giới hạn sm ứng với Mmax thì dòng điện dây quấn stato IS và rôto IR vượt qua trị số định mức Lúc đó từ trường tản ở răng bắt đầu

có hiện tượng bão hòa, vì vậy xS, xR giảm

Kích thước rãnh động cơ điện công suất nhỏ không lớn nên ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài ở thanh dẫn roto đến rR, xR nhỏ hơn nhiều so với động cơ điện thường Do đó đối với động cơ điện công suất nhỏ, thường có thể dùng cùng một tham số để tính đặc tính làm việc và khởi động

60 Chiều dài trung bình phần đầu nối dây quấn chính

Với l1 là chiều dài phần dây nằm trong rãnh, lấy bằng chiều dài lõi thép stato

62 Tổng chiều dài dây dẫn của đường dây quấn chính

2

L =2l w 10ư (m) Trong đó wSA là số vòng dây của dây quấn chính

63 Điện trở tác dụng của dây quấn chính stato

ρ = Ω là điện trở suất của dây đồng ở nhiệt độ 750C

SSA (mm2) là tiết diện dây dẫn; a là số mạch nhánh song song

Hệ số λr phụ thuộc vào kích thước và hình dạng rãnh cũng như loại dây quấn (1

lớp hay 2 lớp) Khi tính toán chỉ xét đến từ tản ở thành rãnh và miệng rãnh (không

xét đến từ tản ở ngoài rãnh) Trong dây quấn hai lớp bước ngắn, vì trong một số rãnh

có dây quấn của 2 pha khác nhau nên tổng từ thông móc vòng giảm xuống, do đó λr

cũng giảm nên phải dùng hệ số kβ và kβ 1 để xét sự suy giảm đó Hệ số kβ có liên

Dây quấn hai lớp ba

pha và một pha 2 / 3≤ β ≤ 1 7 9

16

4+ β

Dây quấn hai lớp hai

Nếu 1< β < thì các công thức trên phải thay β bằng(2 )2 ư β

Hệ số λt phụ thuộc vào kích thước máy điện (bước răng, khe hở không khí) và số liệu dây quấn Bề rộng miệng rãnh stato và rôto cũng có ảnh hưởng nhất định đến từ tản tạp

S

t.11,9 .kδ

δVới kδ là hệ số khe hở không khí

ξS là hệ số liên quan đến q, , t / t , β R S β =n b / t n R và có thể được tra từ đồ thị hình 4.8, TL2

tS (mm) là bước răng stato

δ (mm) là khe hở không khí

66 Hệ số từ tản phần đầu nối dây quấn stato

- Đối với dây quấn một lớp móc xích và hai lớp ba pha:

( d )

q0,39 l 0,64 l

b, Dây quấn hai mặt phẳng: ( d )

q0,67 l 0,64l