Đồ án tốt nghiệp thiết kế động cơ điện dung làm việc

Trong tất cả các loại động cơ hiện nay thì động cơ không đồng bộ công suất nhỏ là một sản phẩm công nghiệp được sử dụng mạnh mẽ trong gần nửa thế kỷ nay.. Có thể dùng động cơ này để truy

MỞ ĐẦU

Hiện nay động cơ điện được sử dụng ngày càng nhiều trong các ngành công nghiệp, giao thông vận tải trong các thiết bị tự động có các loại truyền động và trong các thiết bị gia dụng sinh hoạt hàng ngày

Trong tất cả các loại động cơ hiện nay thì động cơ không đồng bộ công suất nhỏ là một sản phẩm công nghiệp được sử dụng mạnh mẽ trong gần nửa thế kỷ nay Người ta giới hạn động cơ công suất nhỏ trong khoảng vài phần oát đến 750W Nhưng cũng có khi chế tạo đến 1,5 kW Căn cứ vào cách sử dụng và làm việc hoặc khởi động có thể chia động cơ này thành nhiều loại

Động cơ công suất nhỏ loại thông dụng chủ yếu được dùng trong công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, xí nghiệp y tế, nông nghiệp các ngành tiểu thủ công nghiệp và đặc biệt là sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt hằng ngày của người dân

Loại sau dùng trang bị tự động, hàng không tàu thuỷ và các cơ cấu khống chế khác

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc ba pha và một pha là loại phổ biến nhất trong các động cơ xoay chiều công suất nhỏ Có thể dùng động cơ này để truyền động các máy công cụ dân dụng như: máy tiện nhỏ, máy ly tâm, máy nén, bơm nước, máy giặt…

Động cơ không đồng bộ một pha dùng nguồn điện một pha của lưới điện sinh hoạt nên được sử dụng ngày càng rộng rãi vì có những ưu điểm sau:

- Kết cấu đơn giản giá thành hạ

- Không sinh can nhiễu vô tuyến

- Ít tiếng ồn

- Sử dụng đơn giản chắc chắn

Hiện nay phương pháp tính toán thiết kế tối ưu cho các loại động cơ không đồng bộ ro to lồng sóc đều thực hiện bằng máy tính Nhưng để thực

hiện được việc thiết kế tự động cũng cần phải nắm vững cách thiết kế bằng phương pháp thông thường

Trong đồ án thiết kế này tính toán động cơ một pha điện dung làm việc được thiết kế các bước sau:

Phần I:

1 Khái niệm chung về động cơ không không đồng bộ động lưc

2.Tìm hiểu động cơ điện dung

Phần II

- Xác định kích thước chủ yếu

- Dây quấn, rãnh và gông stato

- Dây quấn, rãnh và gông rôto

- Tính toán mạch từ

- Trở kháng của dây quấn stato và rôto

- Tính toán chế độ định mức

- Tính toán dây quấn phụ

- Tính toán tổn hao sắt và dòng điện phụ

- Tính toán chế độ khởi động

- Tính và vẽ các đặc tính làm việc và đặc tính cơ

Trong thời gian làm đồ án thiết kế này tôi được sự chỉ bảo tận tình của

thầy giáo Bùi Văn Thi nên tôi đã hoàn thành được nội dung các phần tính

toán thiết kế Nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên trong quá trình tính toán thiết kế không tránh khỏi những sai sót Tôi rất mong được sự đóng góp

ý kiến để đề tài thiết kế này được hoàn thiện hơn

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn Thiết Bị Điện và khoa Điện đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình làm đồ án này

Đặc biệt là thầy giáo Bùi Văn Thi

Sinh viên

Nguyễn Hữu Hào

PHẦN I TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ĐỘNG LỰC

1 KHÁI NIỆN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐỘNG LỰC CÔNG SUẤT NHỎ:

Động cơ động lưc công suất nhỏ của hệ thống tự động phổ biến nhất hiện

nay là động cơ không đồng bộ.Theo cấu tạo,đây là động cơ có ro to ngắn mạchthường có dạng lồng sóc, đôi khi được chế tạo thành dạng đặc hay dạng rỗnglàm bằng gang hoặc thép,nhằm nhận được đặc tính cơ mềm,tăng dộ bền

cơ của roto khi quay với vận tốc cao và giảm độ ồn của động cơ Động cơ không đồng bộ công suất nhỏ với roto dây quấn không được chế tạo

Trong phần lớn các hệ thống tự động,động cơ động lưc không được nuôI bằng nguồn điện ba pha, mà là một pha xoay chiều.Chính vì vậycác đọng cơ động lực xoay chiều chủ yếu là động cơ một pha Động cơ ba pha trong hệ thống tự động ít được sử dụng

Động cơ không đồng bộ một pha được gọi là một phavì được nuôi bằng nguồn điện một pha, nhưng về cấu tạo trong phần lớn các trường hợp là động

cơ hai pha Chúng có hai cuộn dây trên stato thường lệch pha trong không gian một góc 90 đIện.Một cuộn được nối tiếp với nguồn đIện một pha gọi là cuộn làm việc hoặc cuộn chính,cuộn còn lại nối với nguồn một pha qua phần

tử lệch pha Trong toàn bộ thời gian làm việchoặc chỉ trong thời gian mở máy, gọi là cuộn phụ hoặc cuộn khởi động ở một số động cơ,cuộn phụ hoàn toàn không được nối với nguồn ,sức từ động trong cuộn dây sinh ra bởi luồng từ thông của cuộn chính

Phụ thuộc vào chủng loại của phần tử lệch pha và phương pháp sử dụng cuộn phụ (cuộn khởi động) mà đọng cơ không đồng bộ công suất nhỏ có thể phân ra thành các nhóm sau:

+Động cơ với điện trở khởi động

+Động cơ với tụ khởi động

+Động cơ với tụ khởi động và làm việc

+Động cơ với vòng ngắn mạch

Ngoài động cơ công suất nhỏ không đồng bộ một pha và ba pha,trong

hệ thống tự động còn sử dụng động co không đồng bộ vạn nănglàm nhiện vụ truyền động.Về cấu tậócc động cơ này là động cơ ba pha.Khi thay đổi sơ đồ đấy dây với các phần tử lệch pha chúng sẽ làm việc với lưới điện một pha xoay chiều

2 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN DUNG

Từ trường của động cơ điện dung

Động cơ không đồng bộ một pha về cấu tạo, stato chỉ có dây quấn một pha, rôto thường là lồng sóc trên hình vẽ (1-A), dây quấn stato được nối với lưới điện xoay chiều một pha, dòng điện chạy vào dây quấn stato không tạo được từ trường quay, do sự biến thiên của dòng điện, chiều và trị số dòng điện thay đổi nhưng phương của từ trường cố định trong không gian từ trường này gọi là từ trường đập mạch

B

B 1

B 11

n 1

n 1

Vì không phải là từ trường quay nên khi có điện trong dây quấn stato

mà động cơ không quay được và cần phải có ngoại lực tác dụng lên rôto k hi

đó động cơ sẽ quay với hai từ trường thuận nghịch, ta phân tích từ trường đập mạch thành hai từ quay thuận nghịch có cùng tần số quay n1 và biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch n = 60f/p Trong đó từ trường quay BIcó chiều quay trùng chiều quay với rôto được gọi là từ trường quay thuận và B có II

chiều quay ngược chiều quay rôto được gọi là từ trường quay ngược chiều trên hình (1.b) B là từ trường tổng (đập mạch)

Trong đó B và I B quay với tốc độ nII 1, ta có:

B = B + I B II

Gọi n là tốc độ cao

Hệ số trượt ứng với từ trường quay thuận sẽ là:

S n

n n

1

1 1

Hệ số trượt ứng với từ trường quay ngược sẽ là:

2 1

1

1 1

1

1

2 = + = + − =

n

n ) S ( n n

n n

Từ đó ta có bảng hệ số trượt sau:

M

N 0

M

M 11

M

M 11

M 11

Hình 2

Trên hình 2, ta vẽ mômen quay M do từ trường quay thuận sinh ra có trị số I

dương và M do từ trường nghịch sinh ra có trị số âm, mômen quay của động II

cơ một pha là tổng các mômen quay của các thành phần thuận nghịch của từ trường elip

M = M + I M II

Quan hệ của các mômen này với hệ số trượt biểu thị trên hình 2 Khi rôto đứng yên là lúc S = S2 =1, M = I M ; và mômen mở máy M = 0; nếu tác II

động một ngoại lực theo một chiều nào đó thì từ trường elip được hình thành

và mômen quay theo hướng chọn ban đầu M hoặc I M sẽ trội hơn II

Đặc tính M = f(S) được biểu diễn trên hình 2 gồm hai thành phần tương đương nhau ứng với các chiều quay thuận và nghịch khi:

S = 1; S = 0; S = 2; → M = 0

S = S1; S = 2 - S1; → M = Mmax

Lúc này nếu có thiết bị mở máy thì rôto sẽ quay, nếu quay cùng chiều

từ trường thuận và mômen điện từ, mômen vượt quá mômen ngoài (Mômen ngoài) thì sau một quá trình quá độ chế độ xác lập được hình thành và hệ số trượt Sđm ứng với giao điểm của các đường đặc tính M = f(S) và MN = f(S) vì vậy cần thiết phải có biện pháp mở máy động cơ đồng bộ một pha, ở đây ta xét trường hợp mở máy động cơ không đồng bộ một pha làm việc bằng điện dung

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

Động cơ không đồng bộ với tụ khởi động thường được sử dụng trong các trường hợp yêu cầu đối với đặc tính khởi động động cao : dòng khởi động

Ik nhỏ và mômen khởi động MK lớn

Sơ đồ mắc mạch :

Sơ đồ mắc mạch điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ không đồng bộ với tụ khởi

động

Cuộn chính chiếm số rãnh NZA = 2/3ZS , cuộn phụ , NZB = 1/3 ZS Số vòng dây của cuộn phụ và điện dung của tụ điện được chọn từ giá trị mômen khởi động cần thiết phải có hoặc từ điều kiện nhận từ trường tròn khi khởi động (với n = 0 ) Mômen khởi động lớn đạt được nhờ tăng (cường hoá) luồng từ thông của cuộn khởi động và góc lệch pha theo thời gian β Trong trường hợp này MK = (2- 2,5 ).Mđm và IK = (3-6)Iđm

Động cơ khởi động giống như động cơ hai pha (trường hợp chung là không đối xứng ) khi đạt tốc độ nhất định cuộn khởi động được ngắt và động

cơ chuyển sang chế độ một pha cuộn khởi động đóng ngắt tự động ,trong trường hợp không ngắt được cuộn khởi động khỏi nguồn , động cơ sẽ bị quá nhiệt và dẫn đến cháy

Khi muốn có từ trường tròn ở chế độ khởi động cần phải chọn hệ số biến áp K và tụ C có xét tới NZA ≠ NZB đIều kiện nhận từ trường tròn

Điện trở và điện kháng dây quấn pha B trên stato :

rSB = k.t.a(KdqA/KdqB)2.rSA

xSB = ak2(KdqA/KdqB)2.xSA

Trong đó : a = NZA/NZB ; t = qA/qB

KdqA , KdqB _ Hệ số dây quấn pha A và pha B Lúc khởi động s =1 , tổng trở của mạch nhánh song song của thứ tự thuận và thứ tự nghịch bằng nhau

C

rRB1 = rRB2 = rRBK = k2.rRAK

xRB1 = xRB2 = xRBK = k2.xRAK

Điện trở và điện kháng của pha B khi khởi động có dạng sau :

rBK = rSB + rRBK = k.t.a(kdqa/kdqB)2.rSA + k2rRAK (2-1)

xBK = xSB + xRBK = ak2(kdqa/kdqB)2.xSA + k2xRAK (2-2)

Biểu thức xác định các điều kiện nhận từ trường tròn trong động cơ điện dung: ` IBKrBK = j.IAK.xAK ;

j.IBKxBK = j.IAK.xC = IAKrAK

Thay các giá trị IB = j.IAK/k và rBK , xBK theo (2-1),(2-2) vào các biểu thức trên Hệ số biến áp k và điện kháng tụ C khi từ trường tròn với s =1 :

K = 1/rRAK {xAK- t.a.(kdqA/kdqB)2.rSA]

XC = krAK + a.k2(kdqA/kdqB)2.xSA + k2xRAK Đặc tính làm việc của động cơ với tụ khởi động không khác so với của động

cơ với điện trở khởi động vì chúng đều làm việc với một pha (pha chính) ở chế độ định mức

4 Động cơ không đồng bộ một pha điện dung làm việc

Thực chất động cơ điện dung làm việc là động cơ hai pha được mắc vào lưới điện một pha vì cả hai dây quấn đều được duy trì trong suốt quá trình làm việc Do vậy về cấu tạo rôto lồng sóc, stato có dây quấn hai pha lệch nhau

900 điện, khi dòng điện trong hai dây quấn có biên độ bằng nhau và lệch nhau một góc 900 tạo ra trong máy từ trường quay với tần số quay

n1 = 60.f/p

Nguyên lý làm việc và đặc tính của động cơ không đồng bộ một pha điện dung làm việc giống như động cơ ba pha, để tạo ra sự lệch pha về thời gian giữa dòng điên trong hai dây quấn ta mắc nối tiếp một dây quấn với một điện dung C, hai dây quấn nối song song với nhau và mắc vào lưới điện một pha (hình 3)

B A

Hình 3

Việc phối hợp các trị số điện dung C và số vòng dây của các dây quấn phù hợp sẽ có được từ trường quay tròng (hoặc gần tròn) Máy sẽ có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt, đối với loại động cơ này có ưu điểm là: Cấu tạo đơn giản, hệ số công suất cosϕ cao nên được sử dụng phổ biến rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: Quạt điện, trong các thiết bị của hệ thống tự động

3 Mạch điện thay thế pha chính:

Mạch điện thay thế pha chính sẽ giúp chúng ta tính toán các đặc tính - làm việc và đặc tính mômen M = f(S) dựa theo phương pháp thành phần đối xứng của hệ thống hai pha từ mạch điện hình 4

X SA

I A1 I RA1

X RA

X μ X mA

r SA

r RA/S

X SA

I A1

X μ

r SA

X mA

X RA

I RA1 r RA/(2-S)

(Với dòng thứ tự thuận) (Với dòng thứ tự nghịch)

Tương ứng với việc phân tích mômen quay từ hai thành phần thuận, nghịch ta cũng phân tích dòng điện thành hai thành phần sau:

A

I = IA 1 +IA 2;

Mmax

Mđm

sđm sK 1

s

M

MK

I = IB 1 +IB 2; Dòng I và A 1 I lệch pha nhau 90B 1 0 tạo ra từ trường quay thuận

Dòng IA 2 và IB 2lệch pha nhau 900 tạo ra từ trường quay ngược

Tổng trở thứ tự thuận của pha A:

ZA1 = ZSA + Z'RA1 = rA1 + jxA1

Trong đó:

ZSA = rSA + jxSA: Tổng trở dây quấn Stato

Z'RA1 = r'RA1 + jx'RA1: Tổng trở mạch phân nhánh từ trường thuận

ZA1= (rA1+ jxA1) = (rSA+ r'RA1) + j(xSA+ x'RA1);

2 2 1

s

S x '

+ α

β α

=

2 2

2 1

s

s )

x / r x '

+ α

+ α β

RA mA

RA

x x

r +

= α

RA mA

mA

x x

x +

= β Tổng trở thứ tự nghịch của pha A

ZA2 = ZSA + Z’RA2 = rA2 + jxA2

Trong đó:

Z'RA2 = r'RA2 + jx'RA2: Tổng trở mạch phân nhánh từ trường nghịch

=> ZA2 = rA2 + jxA2= (rSA + r'RA2) + j(xSA + x'RA2)

2 2

2

2

2 ) s (

) s (

x '

− + α

− β

α

=

2 2

2 2

2

2 ) s (

) s ( )

x / r x '

− + α

− + α β

=