thiết kế động cơ không đồng bộ một pha điện dung dùng cho quạt

Đồ án tốt nghiệpđồ án này là thiết kế động cơ không đồng bộ một pha điện dung dùng cho quạt PHẦN I TỎNG QUAN VÊ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘNG Cơ ĐIỆN DUNG 1.1.. GIỚI THIỆU CHUNG VÀ PHÂ

Đồ án tốt nghiệp

đồ án này là thiết kế động cơ không đồng bộ một

pha điện dung dùng cho quạt

PHẦN I

TỎNG QUAN VÊ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU ĐỘNG Cơ ĐIỆN DUNG

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VÀ PHÂN LOẠI 'ĐỘNG CƠ ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ

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 hơn 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 ở mọinơi Ví dụ như nó có thể được dùng để kéo các máy tiện nhỏ, máy ly tâm,máy nén, bơm nước, máy xay sát nhỏ, quạt điện, máy xay sinh tố, máy ghi

Đồ án tốt nghiệp

+ Sử dụng đơn giản và chắc chắn

Song nhược điểm của động cơ Roto lồng sóc là có đặc tính điều chỉnhtốc độ thấp

PHẦN LOẠI ĐỘNG cơ KĐB CÔNG SUẤT NHỎ

Tất cả động cơ không đồng bộ một pha công suất nhỏ đều có nhượcđiểm là luôn có chốt li tâm hoặc rơle chuyên dụng để ngắt phần tử khởi động

sau khi động cơ khởi động Điều đó dẫn đến tăng giá thành của động cơ vàgiảm độ tin cậy của chúng.Trong trường hợp khi độ tin cậy của động cơ

Đồ án tốt nghiệp

đóng vai trò quan trọng nhất còn yêu cầu mô men khởi động không quá cao,nguời ta thuờng dùng động cơ một pha với tụ làm việc mắc cố định Động cơ

không đồng bộ điện dung có hai pha trên stato thuờng đuợc cấp điện quađiện dung để tạo ra điện áp hai pha cho quá trình mở máy Ket thúc quá trình

mở máy phần tử điện dung vẫn tham gia vào quá trình làm việc

Trong những trường hợp đặc biệt, yêu cầu lúc mở máy và lúc tải địnhmức từ trường quay gần tròn nhất để đảm bảo các chỉ tiêu về kinh tế và kỹthuật người ta dùng hai điện dung(một để mở máy và một để làm việc).Động cơ điện dung được cấp điện từ lưới một pha với hai cuộn dây

Sơ ĐỒ MẠCH ĐIỆN ĐỘNG cơ ĐỘNG cơ ĐIỆN DUNG: 5 _0,9; Cosọ = 0,8 -0.95; Mmax = (1,6 - 2,2)Mđm; song nhược điểm của loạiđộng cơ này là momen khởi động nhỏ MK = (0,3-0,6)Mđm

Dưới đây sẽ tiến hành khảo sát về các phương pháp diễn tả toán học củamỗi loại và phân biệt cách xác định kích thước cơ bản để cải tiến cho phùhọp với công tác nghiên cứu

CHÉ Độ XÁC LẬP DÙNG CHO BÀI TOÁN THIẾT KẾ.

Trong quá trình thiết kế máy điện nói chung, mô hình toán diễn tả chế

độ xác lập được dùng để xác định các đặc tính làm việc Mô hình toán họcphản ánh bản chất của máy điện được thiết kế qua các đặc tính tĩnh Neu như

các đặc tính nhận được từ mô hình chưa đảm bảo tiêu chuẩn thì phải tínhtoán lại từ đầu Mô hình toán học của máy điện xoay chiều ở chế độ xác lậpđược trình bày bởi hệ thống các phương trình cân bằng điện áp ở dạng phức

số và biểu thức mômen điện từ ở dạng trị số hiệu dụng

Động cơ đang nghiên cứu thuộc loại động cơ không đồng bộ một pha

điện dung thông dụng Trên stato có hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc 90°

điện trong không gian Góc lệch pha về thời gian được tạo nên nhờ điệndung c nối vào một trong hai cuộn Động cơ được cung cấp điện từ lưới một

pha Roto có cấu tạo kiểu lồng sóc Hai cuộn dây trên stato là hai pha A và B

có tiết diện dây và số vòng dây không đối xứng Cả hai cuộn dây đều thamgia làm việc trong suốt quá trình quá độ và quá trình xác lập Có hai phương

pháp diễn tả toán học động cơ không đồng bộ điện dung một pha là: phương

pháp phân lượng đối xứng và phương pháp trực tiếp tự nhiên

1.2.1. phương pháp phân lượng đổi xứng

Nguyên lý xây dựng mô hình này xuất phát từ dòng điện một pha tạo

Đồ án tốt nghiệp Tổng trở từ hoá ZơA, ZơB;

- Điện trở và điện kháng của roto tương ứng với các pha A và B làĩ"rA? h'B, XƠ2AJ XƠ2B 5

- Tỷ Số giữa tốc độ quay của roto Cứ và tốc độ quay của từ trường

là y:

Củ

r = — co{

Khi đó bốn hệ thống phương trình cân bằng điện áp được thể hiện trêncác mạch điện thay thế ở hình sau:

1.2.2. Phương pháp trực tiếp

Phương pháp trực tiếp là phương pháp không sử dụng nguyên lý xếpchồng từ trường quay thuận và ngược trong khe hở không khí Phương phápnày cho phép thu gọn số lượng các phương trình và biểu thức tính toán trongthiết kế động cơ điện dung

Từ hệ thống bốn phương trình vi phân của máy điện tổng quát đượcviết trong hệ toạ độ quay a, p sau khi chuyển về phức số ở trạng thái xác lập

có dạng:

Ua z ơA 1 a +Z0A(/a + / ra)

0 — ZOA( Ỉ a ^ỉ ra) T (” " T JXƠ2) 1 ra "p — J (/ ra -J 1

jUa=ZơBj / p +ZOBG 1 p+j 1 r J3 ) -jXcj ỉ p

0 = ZoB(j / P+jÌrp)+(T^- + ÌXcĩ) ịl rP + p^rdl r/3-ỉ ra) ỉ + ỵ l - ỵ

ĐÔ án tôt nghiệp

Hệ thống 4 phương trình trên đây chứa 4 ẩn số dòng điện là / A , / B, ỉ

rp- Giải hệ thống bốn phương trình này sẽ tìm được dòng điện trong cáccuộn dây Khi đó mô men điên từ được tính theo biểu thức sau:

Mdt=— [y(I ra~G r/?) "* ■2Ir<2lr/?siný9r]

«0

trong đó (Ọx là góc lệch pha thời gian giữa

Iradr/?-Mặc dù phương pháp này có nhiều hơn phương pháp phân lượng đối

xứngsong không thấy rõ ảnh hưởng trực tiếp đến mô men điện từ

ĐÔ án tôt nghiệp

PHÀN II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG

Bộ MỘT PHA ĐIỆN DƯNG DÙNG CHO QUẠT

2 Đưímg kính ngoài stato

Trong thực tế hiẹn nay đối với loại quạt công suất này nguời ta thuờng chế

tạo với duờng kính :

Dn=7,9 cm

3 Đưcmg kính trong stato

D = kD.Dn = 0,6.168 = 100,8 (mm)Trong đó :

kD:Hệ số kết cấu

kD = (0,485 - 0,615) với 2p = 4 Trong trường họp bài toán này tachọn kD = 0,58

Ằ:Hệ số kết cấu, là tỷ lệ chiều dài lõi sắt stato với đuờng kính trong

X = (0,22 - 1,57) :Theo tài liệu ITrong tính toán trên ta chọn Ằ, = 0, 391;

6 Chiều dài khe hỏ' không khí

Đe giảm nhỏ dòng điện không tải và nâng cao coscp ,khe hở khôngkhí thường chọn nhỏ, nhưng khe hở không khí càng nhỏ thì vấn đề côngnghệ không đáp ứng được và làm tăng sóng bậc cao lên

Khe hở không khí trong máy điện công suất nhỏ thường chọn trongkhoảng sau:

+ Động cơ khi làm việc tiếng ồn do lực huớng tâm sinh ra nhỏ nhất.+ Tổn hao phần răng sinh ra nhỏ nhất

9 Vói những lý do trên ta quyết định chọn số răng như sau:

Với 2p = 4 ta có Zs = 16; zr = 17

Sự tương ứng giữa zsvà zr theo bảng 2.1 trang 29 tài liệu [1]

10 Trong động CO’ điện dung, thưòưg số rãnh của hai pha dưói mỗi cực

BA Y X

ĐÔ án tôt nghiệp

12 Hệ sô dây quân

Trong đó:

a:số mạch nhánh song song , a=l

J - mật độ dòng điện J = (6T 8,5) A/mm2, ở đây ta chọn J = 6 A/mm2

Ta quy chuẩn sSA = 0,0314 mm2

Do cách điện là cấp B nên ta chọn loại dây men chịu nhiệt

riaTB

Dựa vào phụ lục II trong tài liệu [1] ta chọn đuợc:

- Đuờng kính chuẩn của dây dẫn không cách điện d = 0,20 mm;

- Đuờng kính chuẩn của dây dẫn kể cả cánh điện dcđ = 0,23 mm t =

3 Vói căn cứ như vậy ta chọn rãnh hình nửa quả lê

ineo lai iiẹu L±J im cmg^cao miẹng rann n^ — (0,5 -ỉ- 0,8)mm Ta chọn

h4s = 0,8 mm.5. Chiều rộng miệng rãnh

b4s =dcd + (1,1- 1,5) (mm) =0,22+ (1,1 -1,5) (mm)Trong đó:

dcd là dường kính dây dẫn kể cả cách điện của dây quấn stato

b2

Đồ án tốt nghiệp

Ta lấy b4s =1,5 mm

6 Kết cấu cách điện rãnh

Dùng giấy cách điện có bề dày c = 0,5 mm

7 Chiều rộng răng stato ( So* bộ)

Được xác định theo kết cấu, tức là xét đến:

• Độ bề của răng;

• Giá thành của khuôn dập; độ bền của khuôn;

• Đảm bảo mật độ từ thông qua răng nằm trong phạm vi cho phép,thường Bzs< 2 T

8 Chiều cao gông stato.

Chiều cao này bị hạn chế bởi mật độ từ thông cho phép trên gông:

hgs= 0,2 b„ — = 0,2.3,32.— =

5,312(mm)

Chọn hgs =5,3 (mm)

9 Đưtmg kính phía trên stato

Đối với rãnh hình nửa quả lê:

Đồ án tốt nghiệp

11 Chiều cao rãnh stato.

Đối với rãnh hình nửa quả lê:

Diện tích cách điện rãnhscd= c.(d2s + 2.hrs)= 0,5.(10,1 + 2.11,2)=6,5 (mm2)

Diện tích rãnh có ích

Sr = Srs - scd = Srs - c.(d2s + 2.hrs) =

ĐÔ án tôt nghiệp

CHƯƠNG 3

XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC RĂNG RÃNH RÔTO•

1 Rãnh rô to có dạng tròn, quả lê.

Thường là rãnh miệng kín để đảm bảo độ bền của khuôn dập và tiệncho việc đúc nhôm

Theo quan điểm về chế tạo khuôn dập thì rãnh tròn đơn giản nhấtnhưng tiết diện thanh dẫn rôto có thể không đủ.Do đó thường chọn rãnh quảlê,với dạng này thì chiều rông răng được đều theo chiều cao của rãnh hơn

2 Chọn rãnh hình quả lê

3 Chiều cao miệng rãnh.

Đối với động cơ công suất nhỏ,để đảm bảo độ bền của khuôn dập,chiều cao miệng rãnh nhỏ nhất lấy vào khoảng

ĐÔ án tôt nghiệp

Zr-ibzr +d2r)

ĐÔ án tôt nghiệp

Bzr-Mật độ từ thông răng stato,chọn Bzr =1,3 (T)

12 Chiều cao rãnh rôto

ĐÔ án tôt nghiệp

14 Chiêu cao gông

8

16 Dòng điện trong vòng ngắn mạch

17 Mật độ dòng điện trong vòng ngắn mạch

Jv = (0,6 + 0,8)Jtd = (0,6 + 0,8).(2 + 3) A/mm2

RSA =P1

Đồ án tốt nghiệp

trong đó:

ki - hệ số kinh nghiệm, ki = 1,3 khi 2p =4

B - hệ số kinh nghiệm B = (0,5 4- 1,5), ở đây ta chọn B = 1

Vì là dây quấn đồng khuôn nên:

ĩĩ{D + hrs) 7ĩ{4,6 + 1,12) 3

.Tv • — 2.p ■P = 2.2 = 3,37(cm)Buớc dây bình quân y=3 ; /?=3/4

2 Chiều dài trung bình nửa vòng dây quấn stato

dùng trong động cơ ở nhiệt độ 75° c

5 Điện trỏ’ stato tính theo đơn vị tưong đối

Hệ số X[ phụ thuộc vào kích thước máy điện( bước răng, khe hở

không khí) và số liệu dây quan.Be rộng miệng rãnh stato và rôto cũng cóảmh hưởng nhất định đến từ tản tạp (hệ số khe hở không khí k5 phụ thuộcvào bề rộng miệng rãnh)

rv ~ Pl5 ■

5 + 0,3

-8,39-18,39

= 1,05

Có: Zs/Zr=16/17 và Zs/2p=16/4=4Theo hình 4-9 tài liệu I.Tra ra 4"v=0,81

8 Hệ số từ tán phần đầu nối của dây quấn stato

Từ tản đầu nối cũng rất phức tạp, phụ thuộc vào loại dây quấn và góc độ

nghiêng của phần đầu nối

Hệ số từ tản phần đầu nối dây quấn phân tán hai mặt phang:

24

ĐÔ án tôt nghiệp

13 Điện trỏ’ của phần trỏ’ rôto lồng sóc

sư - tiết diện thanh dẫn tác dụng rôto (mm2);

lf- chiều dài tác dụng của rôto (mm)

7T.DV.\

0~

Zr.a„.b„

J_ ^.3,47.10'23' 11.7= 0,036.10'4(Q)rrA = k12.rpt = 554,99.104.0,473.10'4 = 262,51 (Q)

14 Điện trỏ’ rôto tính theo đon vị tưong đối

/ = r ỉ ^ - = 2 6 2 , 5 1 = 0,222

15 Hệ số từ dẫn tản rãnh rôto

3.4,2 1 —8.25,02 + 0,66-2.4,2

k + —

" b

0 4.1 + —=

hir = hj2r + 0,4 d2r = 4,8 + 0,4.2,4 =5,76 (mm)

kụ - hệ số cản.Đối với động cơ nhỏ kp=l

16 Hệ số từ tản tạp rôto/L =

11,9 ỗ.kò

•-4V =0,839

11,9.0,3.1,05.1,043 = 2,336

= 1 +7T. 2 0,035.17 1-2/17= 1,0435CÓ: 3,33= — =

r-lg 4;234’7,

=0,473

2 r11

Trong đó :a: chiều dày (hướng trục) của vành ngắn mạchb: chiều rộng(hướng tâm)của vành ngắn mạch

F,=H,-ĐÔ án tôt nghiệp

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN MẠCH TỪ

Hệ số ép chặt có phủ sơn cách điện của thép cán nguội 2211 chọn trongbảng 5-1 trang 89 tài liệu I

Hệ số ép chặt: Kc =0,95

Điện trở suất: p 1/50=2,6[w/kg]

1 Tính toán mạch từ bao gồm tính dòng điện từ hoá

Thành phần phản kháng của dòng điện không tải và dòng điện tuơngứng với khe hở không khí XmA

2 Sức từ động khe hở không khí

Fs= l,6.ks.8.Bs.104 = 1,6.1,146.0,03.0,5.104 = 275,04 (A)

3 Sửc từ động ỏ’ răng stato

Fzs = 2.Hz,hzs = 2.8,97.1,12 = 20,09 (A)Trong đó:

Hzs: Cuông độ từ trường phụ thuộc vào loại thép kĩ thuật và Bzs của răngHzs = f(Bzs) với:

BZS=1,4(T)Tra bảng quan hệ giữa Hzs và Bzs ở phụ lục 1.3(Tài liệu I) ta có H2

Tra bảng quan hệ giữa Hgr và Bzr ở phụ lục 1.2(Tài liệu I)

Ta có :Hgr =l,56A/cm

8 Tổng sức từ động roi trên rôto

Fr = Fzr + Fgr= 11,96+1,57=13,53 (A)

9 Tổng sửc từ động của mạch từ

Fm = F§ + Fs + Fr = 275,04+39,99+13,53=328,56 (A)

13 Điện kháng ứng vói từ trường khe hở không khí tưong

ĐÔ án tôt nghiệp

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN CHẾ Độ ĐỊNH MỨC

Từ trường đập mạch của pha chính được phân tích thành tổng hai từtrường quay thuận và quay ngược, ứng với mỗi từ trường quay ta có một sơ

3 Chọn hệ số trưọt định mửc.

Động cơ thiết kế là động cơ điện dung dùng làm quạt gió nên có yêucầu riêng: Mômen định mức của động cơ gần bằng mômen cực đại nên hệ sốtruợt cũng gần bằng hệ số truợt cực đại, do đó hế số truợt định mức cũngtuơng đối lớn

6 Tổng trỏ’ thử tự thuận và nghịch của máy điện thay thế

ZrAi = rrAi +j.XrA1 = 635,68+ j.730,35 (Q)ZrA2 = rrA2+j.XrA2= 116,64+j 149,53 (Q)

7 Tổng trỏ’ mạch điện thay thế thử tự thuận

ZAI = rAi + j.XAi = (rsA + rrAi) + j.(XsA + XrAi) =

ĐÔ án tôt nghiệp

(H)

= (401,8 + 635,68) + j.(195,66 + 730,35) = 1037,5 + j.926,01

CHƯƠNG 7 TÍNH TOÁN PHA PHỤ.

•Tính toán dây quấn phụ theo điều kiện đạt được từ trường quay tròn ởchế độ định mức

Tham số của phụ đối với động cơ điện dung nó quyết định tính nănglàm việc và đặc tính khởi động, vậy nội dung của phần là tính toán xác địnhcác tham số của pha phụ và tính chọn phần tử phụ ( điện dung tụ điện)

1 Tỉ số

biến áp

k = tg(pA

= ^ = ^ỌỊ

2 Dung kháng trong dây quấn phụ

Từ trường quay tròn, do đó điện kháng tụ điện dược tính theo côngthức:

6 Số thanh dẫn trong 1 rãnh của dây cuốn phụ

UrB = k.ƯrA = 0,887.905 = 802,75(Thanh)chọn UrB = 803 thanh

7 Vòng dây của dây quấn phụ

Đường kính trong không kể cách điện d = 0,212 mm

ĐÔ án tôt nghiệp

12 Tổng trỏ’thử tự thuận pha phụ B

ZB1 = (rSB + k2.rRAi)+j.(k2.xAi - Xc) =

= (316,13+ 0,8872.635,68)+j.(0,8872.926,01 - 1592,36)

926,01) _

'(1037,5 + 7-926,01).(407,89 - 7.1320,8) + (518,44 + 7.345,19)

(816,25 - 7-863,81)

Trong đó:

ĐÔ án tôt nghiệp

Sai số này rất bé so với 5% nên chấp nhận được

ĐÔ án tôt nghiệp

CHƯƠNG 8 TÍNH TỔN HAO SẤT VÀ DÒNG ĐIỆN PHỤ.

Động cơ không đồng bộ công suất nhỏ cũng giống như máy

điện

thường, khi làm việc có các loại tổn hao sau:

+ Tổn hao sắt ở Stato và Roto: Phụ thuộc vào mật độ từ thông vàtần số

+ Tổn hao phụCông nghệ gia công và chất lượng lắp ráp các chi tiết máy điện nhỏ có

ảnh hưởng rất lớn đến các tổn hao

1 Trọng lưọng răng stato Gzs — 7,8.Zs.bzs-hzs-ls-kc.lO 3

= 7,8.16.0,32.1,12.1,8.0,97.10"3 = 0,078 (kg)

1 TS1 1 TS •

ĐÔ án tôt nghiệp

kgc = 1,1 theo bảng 6-2 tài liệu Ip,0/ =2,6

=0,897 z 173,3° (V)

552 ' k k J' 0,887 0,877

ĐÔ án tôt nghiệp

Vì sức điện động này nhỏ so với Ei nên ta có thể bỏ qua tổn hao sắt và dâyđiện phụ do thành phần thứ tự nghịch sinh ra

14 Dòng điện stato có xét đến tổn hao sắt ỏ’ cuộn dây chính

ISAI = (I’AI + ITI) = (0,1189 +0,0057) - j.0,1073 =

=0,1246 -j.0,1073 (A)IsA2 = (I’A2 + IT2) +j-I”A2 = - 0,0025 + j.0,004 (A)Trong đó:

I’AI, I’A2 - thành phần thực của IA1, ỈA2Ỉ

I”AI, I”A2 - thành phần ảo của IA1, IA2

ISA = ISAI + IsA2 = (0,1246-j0,1073)+( - 0,0025 + j0,004 ) =

15 Dòng điện trong cuộn dây phụ

I SB

PR- 105

1,028

«

22,06.1051,028.1230

= 5,877(00

uB2 = ^SB2-(^B2 ~ Zc)

Điện áp trên tụ luôn lớn hơn điện áp lưới.Do đó là điểm cần lưu

ý khi chọn tụ.Điện áp của tụ không thể nhỏ hơn giá trị tính trên bởi vì

ở một số chế độ làm việc khi có từ trường elip, điện áp trên tụ có thểlớn hơn so với khi từ trường trònChọn tụ điện có điện áp làm việc là 400 V

ĐÔ án tôt nghiệp

Bảng tính toán đặc tính làm việc

ZBK = {rsB +*2 •'/«:)+ j{k2-XAK- 3TC)=(313,62 + 0,8871208,22) + /(0,88713 69,33-1592,36)

ẢKỈ 2

ĐÔ án tôt nghiệp

CHƯƠNG IX TÍNH TOÁN CHẾ Độ KHỞI ĐỘNG.

Khi hệ số trượt s = 1 thì điều kiện đạt được mômen khởi động lớn nhất và

dòng điện khởi động nhỏ nhất là mâu thuẫn nhau Nên khi xác định đặc tínhkhởi động của động cơ điện thì phải xác định chỉ tiêu nào là quan trọng nhất

Thực tế khi thiết kế yêu cầu mômen khởi động càng lớn càng tốt, với dòngkhông lớn lắm Vậy khi thiết kế ta cần chú ý các điểm sau:

• Với dòng khởi động đã cho phải đạt được mômen khởi động lớn nhất

• Với dòng điện khởi động đã cho phải đạt được hệ số phẩm chất lớn

1 Tham số của mạch điện thay thế dây quấn chính