Tính toán bộ dây quấn đông cơ không đồng bộ 3 pha chạy 2 cấp tốc độ

Vậy muốn thay đổi tốc độ động cơ ta chỉ cần thay đổi số cực từ tạo bởi bộ dây stato bằng phương pháp đổi cách đấu các nhóm bối dây của một pha.. Stato chỉ có duy nhất một bộ dây, sự thay

- 1 -

Mục lục

Phần I: Giới thiệu chung về động cơ hai cấp tốc độ

1 Lý luận chung về tính toán thay đổi tốc độ

1.1 Lý luận chung về tính toán thay đổi tốc độ động cơ ba

- 2 -

Phần I: Giới thiệu chung về động cơ hai cấp tốc độ

1 Lý luận chung về tính toán thay đổi tốc độ

1.1 Lý luận chung về tính toán thay đổi tốc độ động cơ ba pha

1.1.1 Đại cương

Trong thực tế động cơ không chỉ được sử dụng chạy ở một tốc độ mà nó còn được chạy ở các cấp độ khác nhau trong cùng một động vì vậy việc thay đổi hay chế tạo động cơ nhiều cấp tốc độ có ý nghĩa rất thực tế

Theo nguyên tắc cơ bản, quan hệ giữa tần số f, tốc độ đồng bộ nđb của động cơ và

số đôi cực p là: f=p.nđm/60, do đó khi tần số của nguồn điện không thay đổi giả sử f=50 Hz thì ta có p.nđb = 3000

Vậy muốn thay đổi tốc độ động cơ ta chỉ cần thay đổi số cực từ tạo bởi bộ dây stato bằng phương pháp đổi cách đấu các nhóm bối dây của một pha

Sự thay đổi tốc độ n do sự thay đổi số cự 2p thường được thực hiện theo tỉ số 2/1 trong 1 động cơ Tuy nhiên chúng ta cũng có thể thay đổi từ 2 đến 4 cấp tốc độ trong cùng 1 động cơ

Nếu trong động cơ có hai tốc độ sự thay đổi số cự chắc chắn phải thoả mãn một trong các diều kiện sau:

a Stato chỉ có duy nhất một bộ dây, sự thay đổi số cực là do sự đấu lại từng pha

( các nhóm bối dây) của bộ dây trong mỗi pha

b Stato chứa hai bộ dây độc lập nhau, mỗi bộ dây có một tốc độ riêng biệt

Riêng đối với động cơ có khả năng thay đổi từ 3 đến 4 cấp tốc độ bộ dây stato có thể có từ 1 đến 2 bộ dây

Với động cơ không đồng bộ ba pha thì động cơ rôto dây quấn khi thay đổi số cực của của stato thì phải thay đổi bên rôto sao cho tương ứng, vì thế để đơn giản cho cách đấu lại bộ dây quấn trong vận hành thì động cơ được sử dụng thường là động

cơ rôto lồng sóc

Ngày nay, ta có nhiều phương pháp đấu khác nhau để biến tốc độ động cơ như:

- 3 -

• Sơ đồ cầu Dahlander (loại 2 tốc độ tỉ lệ 2/1)

• Sơ đồ Weinert (loại 4 tốc độ cho 1 bộ dây)

• Các sơ đồ thông dụng để biến đổi cho động cơ dùng 1 bộ dây quấn hai cấp tốc độ (tỉ số vận tốc 2/1) theo M Kos-tenko và L Piotrovsky như sau Trong các sơ đồ đổi tốc độ từ hình 1 đến hình 5 ký hiệu I và II tương ứng với loại động cơ có tốc độ cao (I) và tốc độ thấp (II), luôn trong 1 pha bộ dây quấn có hai nhóm bối dây dùng để đấu thành Y hay tam giác hay YY song song hay Y nối tiếp, hai tam giác hay tam giác nối tiếp

- 4 -

Ngoài việc nắm vững phương pháp đấu dây để đấu đổi cực nhằm thay đổi tốc độ, khi tính toán dây quấn động cơ mỗi sơ đồ ta cần chú ý thêm các vấn đề sau: + Điện thế ba pha đưa vào động cơ

+ Mômen quay trục động cơ khi thay đổi tốc độ

+ Công suất của động cơ trong mỗi tốc độ thay đổi nhiều hay ít

1.1.2 Nguyên tắc cơ bản

a, Nguyên tắc cơ bản đổi cách đấu giữa hai nhóm bối trong một pha để đổi cực

Để thay đổi tốc độ bằng cách đấu lại các nhóm bối dây trong một pha, trường hợp một động cơ có hai tốc độ, ta có bốn cách đấu cơ bản

Hình1:Trường hợp đấu đổi cực với các nhóm bối dây đấu nối tiếp trong một pha

Hình2: Trường hợp đấu đổi cực với các nhóm bối dây đấu song song trong cùng một pha

- 5 -

b, Nguyên tắc đấu đổi cực giữa các pha:

Với bốn nguyên tắc đấu giữa hai nhóm bối dây trong 1 pha như trên để thay đổi tốc độ động cơ, muốn đảm bảo các điều kiện:

- ngẫu lực quay không đổi

- Công suất không đổi

Ngẫu lực thay đổi, giữa các pha thường tuân theo một trong các cách đấu cơ bản sau

b1- Phương pháp đấu giữa các pha để đảm bảo ngẫu lực quay không đổi(Áp

dụng cho động cơ là nguồn động lực kéo tải có mômen cản lớn)

Hình 3: Sơ đồ đấu đổi cực

Trong phương pháp đấu này ta có

c c

th th đmtdc

đmtdt

P

P

ϕ η

ϕ η

cos

cos 866 , 0

= :

th η

η hiệu suất động cơ khi dùng tốc độ thấp (th) và tốc độ cao(c)

Cosϕth, Cosϕc: hệ số công suất của động cơ tại tốc độ thấp và tốc độ cao

c c

th th tdc

tdt

c

c

ϕ η

ϕ η

cos

cos 732 , 1

Một cách gần đúng: 0 , 7

cos

cos

=

c c

th th

ϕ η

ϕ

Pđm tốc độ thấp = 0,6 Pđm tốc độ cao và ctốc độ thấp=1,21ctốc độ cao

- 6 -

Do đó tuy rằng tại tốc độ thấp, ngẫu lực c có cao hơn ngẫu lực ở tốc độ cao 1,21 lần nhưng ta xem như không đổi Lúc đó công suất Pđm trên đầu trục động cơ tại tốc độ thấp bằng khoảng 0,6 lần Pđm trên đầu trục động cơ ở tốc độ cao(hay Pđm tốc độ cao = 1,5 đến 1,6 Pđm tốc độ thấp) với sơ đồ này hiệu điện thế ba pha đưa vào động cơ không đổi

b2- Phương pháp đấu giữa các pha để đảm bảo công suất không thay đổi khi thay đổi tốc độ:

Sơ đồ đấu dây tương tự như phương pháp trên nhưng chú ý cực tính của các nhóm bối dây khi thực hiện đấu đổi cực (Sơ đồ được dùng cho máy công cụ vì nó cần ngẫu lực lớn khi sử dụng ở tốc độ thấp)

Hình 4: Sơ đồ đấu đổi cực

Theo phương pháp này thì như sơ đồ trên kết quả nhận được như sau:

8 , 0 7 , 0 15 , 1 cos

cos 15 ,

=

c c

th th đmtdc

đmtdt

P

P

ϕ η

ϕ η

Trong thực hành tỉ số công suất tại hai tốc độ trong trường hợp này xem như không đổi (Pđm tốc độ thấp= 0,8 Pđm tốc độ cao)

5 , 1 7 , 0 3 , 2 cos

cos 3 ,

=

c c

th th tdc

tdt

c

c

ϕ η

ϕ η

Khi áp dụng phương pháp đấu dây này hiệu điện thế ba pha đưa vào động cơ không đổi

- 7 -

b3- Phương pháp đấu giữa các pha vừa thay đổi ngẫ lực vừa thay đổi công suất (Áp dụng cho các quật gió hay trong các phụ tải có yêu cầu ngẫu lực giảm

khi công suất giảm)

Phương pháp này được thực hiện với sơ đồ như sau:

C’

Z2

A2 C2

Z1

C1

B2

Y2 B1

x1

Y1

A2 C2 Z1

C1

B2

Y2 B1

A B C A’ B’ C’

Tốc độ thấp

Hình 5: Sơ đồ đổi cực

Theo phương pháp này thì như sơ đồ trên kết quả nhận được như sau:

7 , 0 cos

cos

35 , 0 7 , 0 5 , 0 cos

cos 5 , 0

th th tdc tdt

c c

th th đmtdc

đmtdt

c c P P

ϕ η

ϕ η

ϕ η

ϕ η

Hiệu điện thế cung cấp cho hai sơ đồ đảm bảo cho cuộn dây vận hành được có khác nhau Tại sơ đồ tốc độ cao hiệu điện thế bé hơn nhiều tốc độ thấp

73

,

1

3 = lần

1.1.3 Phương pháp dựng sơ đồ quấn dây cho động cơ có hai tốc độ

Khi động cơ dùng hai cấp tốc độ theo tỉ lệ 2/1, để dựng sơ đồ dây quấn cho bộ dây, ta áp dụng theo nguyên tắc sau:

Bước 1:Xác định tổng số rãnh Z của Stato Số cực từ 2p 1 (ở tốc độ cao), và số cực

từ 2p 2 ở tốc độ thấp

Bước 2: Xác định số rãnh của một pha dưới 1 cực từ (xác định q) Công thức tính

có khác biệt so với trường hợp động cơ thông thường chỉ dùng một loại tốc độ

Ta sử dụng Z và số cực từ bé 2p1

- 8 -

m p

Z q

Z

2

2

k: là số hiệu chỉnh để làm y trở thành bước đủ, bước ngắn hoặc dài

Bước 4: Xác định từng nhóm bước dây quấn và đánh số cho mỗi nhóm bối dây

a, Khi dùng dây quấn 2 lớp

Phương pháp xác định bối dây trong từng nhóm bối dây được thực hiện như sau: +Lập các nhóm bối dây, với lượng bối dây trong nhóm xác định như sau:

Số nhóm bối dây trong cả bộ dây: 2mp1

b, Khi dùng dây quấn 1 lớp:

Ta tiến hành lập các nhóm bối dây, tuy nhiên ta chú ý các điểm sau dây

Số bối dây trong nhóm bối:

2

q

Số nhóm bối dây trong cả nhóm bối dây: 2mp1

Cách thành lập nhóm bối dây và đánh số tương tự như đã trình bày ở mục a cho loại dây quấn 2 lớp

Bước 5: Áp dụng các quy tắc vẽ sơ đồ khai triển của dây quấn để xây dựng sơ đồ

dây quấn dây cho toàn bộ các nhóm bối dây trong ba pha

- 9 -

Bước 6: Đấu các đầu ra dây của các nhóm để tổng kết các đầu ra của bộ dây Với

sơ đồ thông thường thì tốc độ thấp người ta đấu các pha thành Δ(trong các pha 2 nhóm bối dây chính đấu liên tiếp nhau theo lối đấu cực giải) Tại tốc độ cao các pha đấu thành hình YY song song

Ngoài ra tùy theo yêu cầu riêng ta có thể đấu để đổi tốc độ các sơ đồ nêu trong

hình 1 đến hình 3 lúc đó ta quy nhóm bối của 1 pha thanh hai nhóm chính và áp dụng theo sơ đồ trên

Bước 7: Phương pháp kiểm tra cực tính của bộ dây khi đã bố trí xong sơ đồ khai

triển

CHÚ Ý:

Khi một động cơ dùng một bộ dây quấn có hai tốc độ bằng cách đấu đổi cực, bộ dây sẽ tạo phân bố cực từ tốt ở mỗi tốc độ, và tại tốc độ còn lại sự phân bố cực từ không tốt lắm vì sẽ xuất hiện tại vùng trung tính cực từ một số rãnh chứa các cạnh

ta tách ly rời 3 nhánh của Δ, và cho dòng

điện ba pha qua từng nhánh của Δ, cho

dòng điện vào các đầu A, B trong ba đầu

A, B, C (có thể chọn hai đầu bất kỳ trong

ba đầu A, B, C) cho dòng điện ra ở đầu C

còn lại Kiểm tra cách thành lập cực từ

của stato có phù hợp với yêu cầu thực

hiện hay không

6 3

1

4 5

2

b Trong trường hợp dùng lối

đấu Y hay YY song song ta tách

ly theo phương pháp như sau rồi

áp dụng cách kiểm tra lại số cực

từ hình thành trong stato tương

tự như trên

- 10 -

tác dụng có dòng điện chạy ngược chiều khử từ với nhau (kiểm tra lại một số thời điểm)

Thí dụ: Dựng sơ đồ dây quấn ba pha cho động cơ không đồng bộ, roto lồng sóc có

24 rãnh ở stato, số cực từ thay đổi từ 2 đến 4 cực

a Thực hiện với dây quấn là loại 1 lớp

b Thực hiện với dây quấn là loại 2 lớp

24

=

m p

Z q

Bước 7: Cho dòng điện chạy qua từng sơ đồ khai triển theo từng lố đấu tại mỗi

tốc độ để kiểm tra lại cực tính

b Loại 2 lớp

Các bước thực hiện từ bước 1 đêế bước 3 như dây quấn 1 lớp

Bước 8: Số bối dây trong mỗi nhóm bối q=4

Số nhóm bối dây trong cả bộ dây y=2mp1=6

Bảng số quy định cách thành lập các nhóm bối dây quấn hai lớp như sau:

- 13 -

Phần II

tính toán sửa chữa cuộn dây

Động cơ điện không đồng bộ ba pha không còn số liệu

1 Khái quát:

Hiện nay thường dùng loại động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, một số ít với rôto dây quấn Song hầu hết các hư hỏng động cơ là do cuộn dây bị chập và cháy cần phải quấn lại

Chúng ta thường gặp các trường hợp sau:

1- động cơ điện còn cuộn dâynhưng cháy hỏng, ta có thể căn cứ vào tình trạng

cụ thể để xác định số liệu kỹ thuật cuộn dây và vẽ sơ đồ đấu dây

2- động cơ điện còn nhãn hiệu động cơ când đổi sang điện áp hoặc tốc độ quay khác.trường hợp này nếu còn bối dây cũ, ta tính toán thay đổi đơn giản hơn, nếu chỉ còn lõi thép thì việc tiónh toán lại có khi phức tạp hơn song vãn thuận lợi vì có thể kiểm tra dễ dàng số liệu cũ với yêu cầu mới dựa vào các thông số ghi trên nhãn

3- Động cơ điện không còn dây quấn stato(chỉ còn lõi thép) nhưng còn nhãn hiệu với yêu cầu sửa chữa khôi phục lại như trước Trường hợp này ta biết các thông số là điện áp, công suất, tốc độ quay của động cơ

4- Động cơ điện không còn dây quấn, lại mát cả nhãn hiệu, lúc này ta có hai trường hợp thường gặp:

a) Cần khôi phục lại động cơ như cũ, ta căn cứ vào lõi thép có sẵn

xác định tốc độ quay và công suất của động cơ để tính toán xác định lại cuộn dây Stato cần quấn lại

b) Cần sửa chữa động cơ theo điện áp và tốc độ quay yêu càu cần thiết

2 Các thông số kĩ thuật cơ bản và kích thước kết cấu lõi thép phục vụ cho tính toán:

2.1 Thông số kĩ thuật:

U1 là điện áp định mức của lưới đưa vào Stato, [V]

U2 là điện áp giữa các vành trượt Rôto, [V]

- 14 -

i1 là dòng điện trong bối dây Stato, [A],

i2 là dòng điện Rôto, [A]

P1 là công suất của động cơ tiêu thụ láy từ lưới điện đến, [Kw]

P2=Pđm là trên trục cơ hi trên nhãn hiệu, đó là công suất định mức của động cơ

n1 tốc đọ quay đồng bộ của Stato, [v/ph], chính là tốc độ quay của

từ trường quay

m1 là số pha của Stato

q1 số phần tử dưới một cực của một pha

f=f1 là tần số dòng điện của lưới [Hz], tần số dòng điện đua vào Stato

η là hiệu suất động cơ, [%]

P là số đôi cực của cuộn day Stato

Cosϕ là hệ số công suất của động cơ

D1 là đường kính trong của Stato

Dng1, Dng2 là đường kính ngoài của Stato và Roto

hg chiều cao của gông(đối với Stato hg1 rôto hg2)

br là chiều rộng răng

L chiều dài lõi thép

L0 chiều dài lõi thép stato không kể rãnh thông gió

St là tiết diện rãnh: dùng lấy kẻ ô ly vuông để miết vào một rãnh

đếm số ly trong rãnh ta đc diện tích rãnh, St1 là của stato, St2 là của roto, St hữu ích là diện tích có rãnh

Z1 là số rãnh stato

Z2 là số rãnh rôto

hz1 là chiều cao răng stato; hz2 là chiều cao răng roto

nv là số rãnh thông gió ; hv là chiều rộng của rãnh thông gió

δ là khe hở không khí giữa roto và stato

- 15 -

Δl lµ chiÒu dµy l¸ thÐp

s lµ diÖn tÝch d©y dÉn t¸c dông kÓ c¶ líp s¬n c¸ch ®iÖn

q lµ tiÕt diÖn cña d©y trÇn, q, la tiÕt diÖn cña d©y d·n kÓ c¶ s¬n c¸ch ®iÖn

d lµ ®−êng kÝnh d©y dÉn trÇn d, lµ ®−êng kÝnh d©y kÓ c¶ c¸ch

®iÖn

A phô t¶i ®−êng

Wif lµ sè vßng d©y cã t¸c dông trong 1 pha

- 16 -

3 Số liệu khi đo lõi thép Stato thực tế động cơ hai cấp tốc độ trên xưởng

• Đường kính ngoài của Stato: Dng1=11,156(cm)

• Đường kính trong của Stato : D1 =7(cm)

• Chiều cao gông: hg1=1(cm)

• Chiều dài lõi thép: L= 6,355(cm)

• Chiều rộng Răng: dl=0,412(cm);db=0,354(cm)

• Số rãnh Z1=36

• Độ dầy là thép Stato: 0,5(mm)

• Chiều sâu rãnh hz1=1,1

3.1 Các bước tính toán mất mẫu

Tính toán theo phương pháp Mômen không đổi

Bước 1: Tính 2pmin:

5 , 3 8 , 2 1

7 ) 5 , 0 4 , 0 ( ) 5 , 0 4 , 0 (

Bước 2: Xác định mối quan hệ giữa φvà Bδ

+ Với tốc độ cao: 2p1=2:

C C

C C C

C

B B

B L

cm p

D

δ δ

δ τ α φ

π π

τ

10 513 , 44

10 355 , 6 996 , 10 637 , 0

) ( 996 , 10 2

7 2

4 4

1 1 1

1 =

α

+Với tốc độ thấp 2p2=4:

th th

th th th

th

B B

B L

cm p

D

δ δ

δ τ α φ

π π

τ

10 257 , 22

10 355 , 6 498 , 5 637 , 0

) ( 498 , 5 4

7 2

4 4

1 2 1

- 17 -

C C

g

C

L h

B

10 355 , 6 1 2

10 513 , 44

2

10 513 , 44

4

4 4

g

th

L h

B

10 355 , 6 1 2

10 257 , 22

2

10 257 , 22

4

4 4

π

B

B d

Z

B D B

b

354 , 0 36

7

+ Số rãnh phân bố trong 1 pha:

6 6

36

.

=

p m

Z

+Hệ số dây quấn tại tốc độ cao 2p1=2:

18 2

9 2

10 6 2

10 6 90

.

c

Sin

Sin y

Sin Sin

α

+Hệ số dây quấn tại tốc độ thấp 2p2=4:

9 4

- 18 -

E o

6 2

20 6 2

20 6 90

.

th

Sin

Sin y

Sin Sin

α

664 , 0 7198

dqth

dqC C

th rC rth

gC gth

dqth

dqC gC

gth

B B

k

k B

B B B

B B

k

k B

B

15 , 1

15 , 1 664 , 0 3

3

575 , 0

575 , 0 664 , 0 2

3 2

Nếu lấy BrthMax=1,5(T)

Suy ra:

) ( 10 652 , 33 756 , 0 10 513 , 44

10 513 , 44

) ( 10 34 , 19 869 , 0 10 257 , 22

10 257 , 22

522 , 1 751 , 1

648 , 2 502 , 3

756 , 0 15 , 1

869 , 0 7256 , 1

5 , 1 7256 , 1

304 , 1 15 , 1

5 , 1

4 4

4

4 4

4

Wb B

Wb B

T B

B

T B

B

T

B B

T

B B

T B

C C

th th

th gth

C gC

th C

rth th rC

δ δ δ

φ φ

Bước 7: Xác định số vòng trên một pha khi vận hành

+ Tốc độ thấp: Sơ đồ đấu dây là ba pha tam giác là 380(V) một nhánh //

) ( 956 7198 , 0 10 34 , 19 50 07 , 1 4

380 75 , 0

4

.

k f k

U k N

dqth th s

dmf Eth

φ

Vì τth.L= 5 , 498 6 , 355 = 34 , 939 nên ta chọn kE= 0,75

Ks=1,07

220 86 , 0

4

.

k f k

U k N

dqC C s

dmf EC

6 , 549

412 , 0 2

412 , 0 1 , 1 2

412 , 0 354 , 0 8 2 2

2 2

mm d

d h d d

40 46 , 0

mm N

u

S k S

b r

r ld

⇒

với ur=2 cạnh tác dụng trên 1 rãnh

đường kính dây kể cả cách điện:

( )mm S

d cd = 1 , 128 cd = 1 , 13 0 , 11 = 0 , 375

đường kính trần không có cách điện:

) ( 325 , 0 05 , 0 375 ,

cd d

Bước 10 :lượng gần đúng công suất động cơ:

+ công suất khi vận hành ở tốc độ cao, đấu YY:

( 5073 , 504 85 , 0 85 , 0 ).

529 0 2 (

220 3 cos 220

cos =0,85 - hệ số cụng suất khi chạy tốc dộ cao

+ cụng suất của dộng cơ khi vận hành ở tốc dộ thấp, đấu tam giỏc:

Ta cú, 0 , 7

cos

cos

c c

th th

ϕ η

α η

Idmth = 0,916A

4 Cỏc phương phỏp tớnh toỏn khỏc

Ngoài phương phỏp tớnh toỏn với động cơ 2 cấp tốc độ như trờn ,đối với động cơ khụng đồng bộ 3 pha thụng thường ta cũn hai phương phỏp tớnh toỏn mất mẫu như sau:

4.1- phương phỏp tớnh toỏn mất mẫu 12 bước:

Bước1 Xác định tốc độ quay (số cực)và ước tính gần đúng công suất của động

cơ Trong trường hợp này việc xác định công suất định mức của động cơ phải căn

cứ vào hình dáng và kích thước của lõi thép.Những số liệu ban đầu để ước tính công suất là chiều dài lõi thép l, đường kính trong stato D1 và tốc đọ quay n hoặc

số đôi cự p.Sau đây là các phương pháp xác định công suất của động cơ theo kích thước:

a)Dùng sơ đồ: Sơ đồ cho sau đây (hình 1) thích hợp với các loại động cơ cũ, với

một tỉ lệ thiết kế giữa đường kính trong và chiều dài lõi thép stato biến đổi trong một giới hạn nhất định