Bài 3: Động cơ cảm ứng ba pha

YÊU CẦU THỰC HIỆN : ™ Sinh viên thực hiện phương pháp đo các kích thước cơ bản của lõi thép stator động cơ cảm ứng 3 phase; từ đó áp dụng phương pháp tính toán theo từng bước yêu cầu sau

3.1 YÊU CẦU THỰC HIỆN :

™ Sinh viên thực hiện phương pháp đo các kích thước cơ bản của lõi thép stator động cơ cảm ứng 3 phase; từ đó áp dụng phương pháp tính toán theo từng bước yêu cầu sau đây để tính toán số liệu dây quấn stator

™ Số liệu tính toán dây quấn phải đầy đủ các thông số sau: Số vòng dây quấn (phía sơ cấp và thứ cấp); đường kính dây quấn (dây trần) và đường kính dây tính đến lớp men (émail) cách điện bọc xung quanh Khối lượng dây quấn

™ Khi tính toán, chúng ta cần vẽ sơ đồ khai triển dây quấn stator; dây quấn sử dụng là loại dây quấn một lớp đồng khuôn tập trung hay đồng khuôn phân tán đơn giản

3.2.MỤC ĐÍCH : Bài thực tập 3 giúp sinh viên nắm vững các vấn đề sau:

™ Aùp dụng phương pháp tính toán dây quấn stator theo lý thuyết vào một lỏi thép động cơ có sẵn

™ Giúp sinh viên hiểu rõ ý nghĩa của các thông số tính toán nêu trong ly ùthuyết như : Mật độ từ thông qua khe hở không khí, mật độ từ thông qua răng và gông stator; ý nghĩa của hệ số dây quấn, hệ số lấp đầy

™ Dựa vào thông số tính toán theo lý thuyết cho dây quấn, chúng ta thực hiện phương pháp tính toán chu vu khuôn dùng quấn các bối và các nhóm bối dây 3.3.NỘI DUNG THỰC TẬP :

Quá trình thực tập tiến hành theo các bước như sau:

BƯỚC 1 : Đo các kích thước tiêu chuẩn của lõi thép stator động cơ

Các kích thước cần xácđịnh bao gồm:

• Đường kính trong của lỏi thép stator (D t )

• Bề dầy lỏi thép stator (L) ; bề dầy lỏi thép stator đo theo phương hướng trục và trừ đi các khoảng hở không khí thông gió bố trí ngang trục (nếu có)

• Bề dầy gông stator (b g ) ; đây là phần bề dầy lỏi thép stator xác định từ đáy của rãnh stator đến chu vi ngoài của lỏi thép stator, xác định tại vị trí hẹp nhất

• Bề dầy răng stator (br) : đo trên thân răng stator ở vị trí hẹp nhất

• Tổng số rãnh stator (Z)

• Hình dạng và kích thước rãnh stator; thông thường rãnh stator có hai dạng: rãnh hình thang hay rãnh ovalle (quả lê)

Trong hình 3.1, chúng ta mô tả các kích thước trên lỏi thép stator cần xác định theo yêu cầu trên

L

bg

br

HÌNH 3.1 : Các kích thước lỏi thép stator cần xác định để tính toán dây quấn

hr hr

HÌNH 3.2 : Các dạng rãnh stator

BƯỚC 2 : Tính toán số liệu dây quấn stator.

Trong bước tính toán này chúng ta cần xác định thêm:

Sơ đồ đấu nối dây quấn stator

Điện áp định mức nguồn cung cấp tương ứng với sơ đồ đấu dây

Tốc độ quay của động cơ, hay số cực từ 2p, có thể ước lượng giá trị số cực tối thiếu theo quan hệ

g

t

D ).

5 , 0 4 , 0 ( p

Xác lập quan hệ từ thông cực đại ( Φm ) qua một cực từ với một độ từ thông (hay từ cảm) tại khoảng hở không khí ( Bδ )

Ta có quan hệ:

δ

δ τ

α .( L ) B

m =

Đơn vị của các đại lượng trong (3 2) là :

[Φm]=[Wb] ; [τ]=[m] ; [L]=[m] ; [Bδ]=[T]

Sau khi xác định các kích thước lỏi thép stator cần dùng cho việc tính toán, chúng ta cần xác định thêm các yêu cầu về nguồn điện lưới cung cấp cho động cơ và sơ đồ ra dây để vận hành động cơ Trong trường hợp đặc biệt; chúng ta cần xác định thêm yêu cầu về tốc độ quay của động cơ

p 2

D t

π

• Tích số (τ.L) : diện tích của một cực từ

Tại bước 3 này , ta chỉ cần thế các giá trị bằng số của τ , L và αδ vào (3.2) để xác lập độ lớn của từ thông Φm theo giá trị Bδ

Xác lập quan hệ của mật độ từ thông qua gông stator (Bg) với một độ từ thông (hay từ cảm) tại khoảng hở không khí ( Bδ )

Từ hình 3.3, ta thành lập quan hệ giửa từ thông qua gông với mật độ từ thông trên gông

L

bg

Từ thông qua gông stator Diện tích gông stator

HÌNH 3.3: Mô hình từ thông qua gông stator

Ngoài ra , từ thông qua gông stator chỉ bằng nửa giá trị từ thông qua mỗi cực từ của stator, chúng ta xác định quan hệ sau theo lý thuyết:

δ

δ τ

α B b 2

B

g

g ⎟⎟⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

Với quan hệ (3.5) chúng ta chỉ cần thế các giá trị bằng số của τ , bg và αδ

vào (3.5) để xác lập giữa B g theo giá trị Bδ

Xác lập quan hệ của mật độ từ thông qua răng stator (B r ) với một độ từ thông (hay từ cảm) tại khoảng hở không khí ( Bδ )

Trong hình (3.4) chúng ta trình bày phân bố từ thông qua mỗi răng stator; giả sử không hình thành sự bảo hòa trên răng; tức không có từ thông tản trên

Theo lý thuyết ta có:

Từ thông qua gông

=

Diện tích gông stator

x

Mật độ từ thông qua gông

Gọi:

Φg : Từ thông qua gông

B g : mật độ từ thông (từ cảm) qua gông stator

(L.bg) : diện tích của gông stator Suy ra:

g g

g =( b L ) B

răng, từ thông qua chân răng và đầu răng có giá trị bằng nhau Với giả thiết này chúng ta xác định được quan hệ giửa mật độ từ thông trên răng với mật độ từ thông tại khe hở không khí Quan hệ này không phụ thuôc vào bề dầy L của lỏi thép stator

tr

STATOR

ROTOR

TỪ THÔNG TẠI CHÂN RĂNG

TỪ THÔNG TẠI ĐẦU RĂNG

br

TỪ THÔNG

QUA RĂNG

MẬT ĐỘ TỪ THÔNG TẠ

I KHE HỞ KHÔNG KHÍ

HÌNH 3.4: Phân bố từ thông trên một

răng của stator

( )t L Bδ

B L b

r đầurăng

r r chânrăng

.

).

(

= Φ

= Φ

(3.6) Khi từ thông qua răng bảo toàn, ta có quan hệ:

đầurăng chânrăng =Φ

Theo lý thuyết chúng ta suy ra:

Từ (3.6) và (3.7) suy ra:

δ

π B b Z

D , B

r

t

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

BƯỚC 6: Lập bảng quan hệ giửa mật độ từ thông qua răng stator (B r ) với một độ từ thông qua gông stator ( Bg )và một độ từ thông (hay từ cảm) tại khoảng hở không khí ( Bδ )

Ta có thể thực hiện bước tính này theo một trong hai phương pháp :

¾ Lập bảng trị số mô tả quan hệ giửa các giá trị : (B r ); (B g ); (Bδ )

¾ Dựa theo các quan hệ xác định theo (3.5); (3.8) và các giá trị mật độ từ thông tối đa cho phép tại các vị trí gông (B g max ) và răng (B r max ) để xác định giá trị mật độ từ thông tại khe hở không khí Bδ Từ đó, suy ra gí trị của từ thông cực đại qua một cực từ (Φ m )

Theo một số tài liệu thiết kế máy điện, giá trị tối đa cho phép của mật độ từ thông phân bố trên gông và răng stator được cho trong các bảng số liệu sau:

Theo lý thuyết ta có:

Từ thông qua chân răng

=

Diện tích chân răng

x

Mật độ từ thông qua răng Tại đầu răng ta có:

Từ thông qua đầu răng

=

Diện tích tại đầu răng

x

Mật độ từ thông

ở khe hở không khí

BẢNG 2 : Giá trị tối đa cho phép Br max theo cấp công suất định mức Pđm

Pđm [KW] Lớn hơn 100KW 100KW đến 10KW 10KW đến 1KW Nhỏ dưới 1KW

Br max [T] 1,8 đến 2 1,4 đến 1,8 1,4 đến 1,6 1,3 đến 1,5

Trong trường hợp tính toán sơ bộ, chúng ta có thể chọn giá trị B gmax = 1,3T và giá trị B r max = 1,5T

BƯỚC 7: Chọn kết cấu dây quấn stator, xây dựng sơ đồ dây quấn và tính hệ số dây quấn Kdq

BƯỚC 8: Xác định tổng số vòng cho mỗi pha dây quấn (N pha )

Gọi Npha là tổng số vòng của một pha dây quấn, chúng ta sử dụng quan hệ sau để tính tóan:

m dq s

đmpha E

pha 4 K f K

U K N

Φ

Trong đó:

¾ K E : tỉ số giửa điện áp pha của nguồn điện cung cấp vào mội pha dây quấn với sức điện động cảm ứng trên mội pha dây quấn

¾ U đm pha : điện áp định mức của mỗi pha nguồn cung cấp vào mội pha dây quấn stator; [U đm pha ]=[V]

¾ Ks : hệ số dạng sóng từ thông phân bố tại khe hở không khí ; khoảng giá trị của

Ks được xác định tương thích theo hệ số αδ

Với từ thông phân bố hoàn toàn sin theo vị trí không gian giửa stator và rotor

ta có giá trị : αδ = 0,637 và K s = 1,11

Với từ thông phân bố không hoàn toàn sin, ta có khoảng giá trị của αδ và Ks như sau:

09 , 1 đến 07 , 1 K

715 , 0 đến 7 , 0

s =

=

δ

α

¾ Hệ số KE thay đổi và phụ thuộc vào cấp công suất của động cơ Để đơn giản cho quá trình tính toán, chúng ta có thể xác định giá trị KE theo kích thước hình học của lòi thép stator (vì công suất định mức của động cơ tỉ lệ với thể tích của lỏi thép stator) Ta có bảng số quan hệ như sau:

τ .L [cm2] 15 đến 50 50 đến 100 100 đến 150 150 đến 400 Trên 400

KE 0,75 đến

0,86 0,86 đến 0,9 0,9 đến 0,93

0,93 đến 0,95

0,95 đến 0,97

Sau khi xác định tổng số vòng pha N pha , căn cứ theo tồng số bối dây chứa trong một pha dây quấn, chúng ta suy ra tổng số vòng của một bối dây N b :

pha 1 / dây bối số Tổng

N

CHÚ Ý : Khi tính xong giá trị N b , chúng ta làm tròn số và chỉnh nguyên giá trị này để thi công

BƯỚC 9: Xác định tiết diện rãnh stator, căn cứ vào hệ số lấp đầy rãnh để xác định đường kính dây quấn stator

Với các kết cấu thông thường của lỏi thép stator, chúng ta thường gặp hai dạng rãnh : hình thang hay quả lê (ovalle)

hr hr

HÌNH 4.5: Kích thước các dạng rãnh

Theo lý thuyết thiết kế máy điện, hệ số lấp đầy Klđ được định nghĩa như sau:

rãnh tích Diện

rãnh trong quấn dây của chỗ choán diện

tiết Tổng

Ta có thể ghi lại như sau:

r

cđ b r

s N u n

Trong quan hệ (3.15), ta có:

• n : số sợi chập (khi thi công quấn dây)

• ur : số cạnh tác dụng bố trí trong một rãnh; với dây quấn một lớp ur = 1 ; với dây quấn hai lớp u r = 2

• s cđ : tiết diện của một sợi dây quấn có tính luôn lớp men (émail) cách điện Đơn vị đo [s cđ ]=[mm 2 ]

• S r : tiết diện rãnh, [S r ]=[mm 2 ]

Theo tiêu chuẩn thiết kế, giá trị của hệ số lấp đầy Klđ cho trong bảng sau:

• Với rãnh hành thang, tiết diện rãnh được xác định:

h 2

d d

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

• Với rãnh hình quả lê, tiết điện rãnh được xác định theo quan hệ:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

=

8

d 2

d h 2

d d

Từ (4.17), ta tính được:

b r

r lđ

cđ n u N

S K

Với dây quấn dùng tiết diện tròn, gọi d cđ là đường kính dây có tính luôn lớp men cách điện, ta có:

cđ

cđ 1 , 128 s

Sau khi xác định đường kính dây (có tính luôn bề dầy của lớp men cách điện, ta suy ra đường kính dây đồng trần (d ) theo quan hệ sau, với dây đồng tráng men đúng tiêu chuẩn

mm 5 , 0 d

Điều chỉnh giá trị tính được từ (3.18) đúng tiêu chuẩn chế tạo của đường kính dây đồng Việc điều chỉnh này làm thay đổi hệ số lấp đầy xác định ban đầu,

ta cần tính toán kiểm tra lại K lđ sau khi hiệu chỉnh đường kính dây quấn

BƯỚC 10: Chọn mật độ dòng điện ( J ) ,xác định dòng điện định mức qua mỗi pha dây quấn, suy ra công suất định mức của động cơ

Giá trị mật độ dòng điện J [A/mm 2 ] thường được xác định theo các tiêu chuẩn sau:

• Cấp cách điện và chịu nhiệt của vật liệu cách điện và dây điện từ dùng trong động cơ

• Điều kiện thông gió của động cơ

• Cấp công suất định mức động cơ

• Chế độ làm việc của động cơ: liên tục dài hạn, liên tục ngắn hạn, ngắn hạn có lập lại hay ngắn hạn không lập lại

QUAN HỆ J THEO CÔNG SUẤT ĐỊNH MỨC ĐỘNG CƠ

P đm [KW] Lớn hơn 100KW 100KW đến 10KW 10KW đến 1KW Nhỏ hơn 1KW

J [ A/mm 2 ] 3 đến 5 4 đến 5,5 5 đến 6 6 đến 8

Bảng giá trị này đươc xác định khi cách điện thuộc cấp A hay E

¾ Với vật liêu các điện cấp A, nhiệt độ làm việc tối đa cho phép tại điểm nóng nhất là 105°C

¾ Với vật liêu các điện cấp E, nhiệt độ làm việc tối đa cho phép tại điểm nóng nhất là 115°C

QUAN HỆ J THEO CÔNG SUẤT ĐỊNH MỨC ĐỘNG CƠ VÀ KIỂU THÔNG GIÓ

KIỂU ĐỘNG CƠ P đm [KW] J [A/mm 2 ]

P đm [ KW]

KIỂU ĐỘNG CƠ

Kiều hở thông gió dọc 6 đến 6,5 A/mm 2 5,5 đến 6,5 A/mm 2 5 đến 6 A/mm 2

Kiểu kín thông gió dọc 4,5 đến 5,5 A/mm 2 4,5 đến 5 A/mm 2 3,5 đến 4,5 A/mm 2

Với các bảng giá trị trên, chúng ta có thể tham khảo để quyết định chọn lựa giá trị cho mật độ dòng điện J trong quá trình tính toán Tuy nhiên, trong quá trình tính toán phục hồi động cơ chúng ta có thể tham khảo một phương pháp ứơc lượng nhanh sau đây cho giá trị J :

• Với động cơ có cấp công suất trung bình từ vài KW đến 100KW, động cơ có kết cấu thông gió bình thường, với cách điện cấp A hay E ta chọn:

J = 5,5 A/mm 2 đến 6,5 A/mm 2

• Với động cơ có cấp công suất trung bình từ vài KW đến 100KW, động cơ có kết cấu thông gió bình thường, với cách điện cấp B ta chọn:

J = 6,5 A/mm 2 đến 8 A/mm 2

Sau khi chọn được giá trị mật độ dòng điện, chúng ta xác định dòng điện định mức qua mỗi pha dây quấn theo quan hệ sau:

n J d

4

2

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

d : đường kính của một sợi dây trần, và n là số sợi chập trên một nhánh Công suất định mức của động cơ được xác định như sau:

) cos (

I.

U 3

Trong đó , giá trị của hiệu suất η và hệ số công suất cosϕ được ước lượng theo các giá trị thấp nhất :

% 80 cos và

%

η

Sau khi ước lượng được công suất định mức, chúng ta có thể tra lại các bảng thông số hiệu suất và hệ số công suất theo công suất định mức của động

cơ để kiểm chứng kết quả tính được Thông thường các thông số hiệu suất và hệ số công suất thay đổi và phụ thược các thông số hay các yếu tố sau:

BÖÔÙC 11: Xaùc ñònh chu vi khuođn duøng thi cođng dađy quaân vaø tính toaùn khoâi löôïng cho boô dađy quaân stator

Trong hình 3.6 , chuùng ta xaùc ñònh thođng soâ KL : beă daăi cụa ñaău noâi boâi dađy tính giöûa hai raõnh lieđn tieâp

HÌNH 3.6 : Beă daøi ñaău noâi

Bạng quan heô giöûa heô soâ γ vôùi soẫ cöïc 2p:

2p γ 2p γ

Chu vi khuođn dađy quaân ñöôïc xaùc ñònh theo quan heô sau:

) ' L y K (

2

Trong quan heô (3.22):

y : böôùc dađy quaân (khoạng caùch tính theo raõnh giöûa 2 cánh taùc dúng boâi dađy) L’ : Beă daăy loûi theùp khi coù tính ñeân khoạng nhođ khoûi thađn stator cụa giaây caùch ñieôn loùt raõnh (xem hình 3.7).

Theo thöïc nghieôm ta coù quan heô sau:

) mm 10 ñeân mm 5 ( L '

Khi tính xong giaù trò chu vi khuođn, chuùng ta nhôù laøm troøn soâ giaù trò chu vi khuođn (tính theo ñôn vò ño laø cm)

Sau cuøng, xaùc ñònh toơng beă daøi cụa moêi pha dađy quaân (L pha ):

(Toơng soâ boâi dađy / pha)

N CV

™ Dt : Ñöôøng kính trong cuõa loûi theùp stator; [Dt]=[mm]

™ hr : beă cao raõnh, tính töø ñaùy raõnh ñeân mieông raíng, [hr]=[mm]

™ γ : heô soâ dạn daøi ñaău noâi, giaù trò naøy phú thuoôc vaøo soâ cöïc 2p

Z

) h D (

.

L = πγ + (3.21)

L L’

HÌNH 3.7: Các kích thước dùng tính toán chu vi khuôn quấn dây

Khối lượng của toàn bộ 3 pha dây quấn, trong đó dự phòng 10% sai số dư cho thi công:

4 2 pha

3

4

d L 3 ).

dm / kg 9 , 8 (

1 , 1

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

Trong đó đơn vị đo của các đại lượng xác định theo:

™ [d] = [mm]

™ [L pha ]=[dm]

™ [W dây ]=[Kg]