xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha công suất nhỏ

Trong đề tài này, chúng tôi dựa trên cơ sở các phương pháp vận hành và thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha để xây dựng mô hình đấu nối động cơ 3 pha bằng phương pháp Y hay ∆ đảm

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CÔNG SUẤT NHỎ

S 0 9

S 0 6

MÃ SỐ: SV2009 – 76

S KC 0 0 2 7 6 3

~~~~~~~o0o~~~~~~~

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA

PHA CÔNG SUẤT NHỎ

THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

Mã Số: SV2009 – 76

TP HỒ CHÍ MINH – 06/2010

TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ SINH VIÊN

Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM

Thời gian thực hiện: 12 tháng

1 Mục tiêu: Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha công suất nhỏ

phù hợp với đặc điểm môn Công nghệ 12 trung học phổ thông

Đề mục Trang

I Lý do chọn đề tài

II Mục tiêu nghiên cứu

III Phương pháp nghiên cứu

IV Phạm vi nghiên cứu

V Nội dung nghiên cứu

Phần B: Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Rotor Lồng Sóc 1

Chương 1: Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Rotor Lồng Sóc 2

I Khái niệm chung 2

II Cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha 2

III Nguyên lý làm việc 6

Chương 2: VẬN HÀNH ĐỘNG CƠ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC 7

I Vận hành ở điều kiện định mức 9

1 Vận hành chế độ sao 9

2 Vận hành chế độ tam giác 10

II Thay đổi tốc độ 11

1 Thay đổi bằng điện áp nguồn 11

2 Thay đổi bằng tần số nguồn 12

3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về nguồn 14

4 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện trở rotor 15

III Khởi động đông cơ 16

1 Khởi động trực tiếp 16

2 Khởi động trực tiếp 17

Chương 3: Xây dựng mô hình 22

I Kết cấu mô hình 22

II Mô hình thực tế của bộ thí nghiệm 23

III Hướng dẫn sử dụng mô hình 23

Phần C: Kết luận 25

Kết luận - kiến nghị 26

I Kết luận 26

II Kiến nghị 26

Tài liệu tham khảo 27

A PHẦN MỞ ĐẦU

hạn chế cả về số lượng và chất lượng, nhất là phương tiện dạy học thuộc lĩnh vực Điện – Điện tử cho môn Công nghệ 12 THPT Do đó việc nghiên cứu xây dựng các mô hình phương tiện dạy học phục vụ cho môn học này là hết sức cần thiết trong giai đoạn hiện nay

Tháng 6 năm 2009, Bộ giáo dục – Đào tạo đã công bố danh mục các thiết

bị cần thiết phục vụ cho môn công nghệ 12 THPT, trong đó có mô hình động

cơ không đồng bộ ba pha công suất nhỏ Hiện tại các trường đang sử dụng bộ thiết bị do các Sở giáo dục trang bị tùy theo điều kiện từng địa phương Tuy nhiên các bộ thiết bị này có giá thành cao, mức độ trực quan và tương tác thấp Đặc biệt mô hình động cơ không đồng bộ ba pha công SUấT Nhỏ đa số hoạt động không ổn định ảnh hưởng đến chất lượng đào tạo

Chính từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài “Xây dựng mô hình động

cơ không đồng bộ ba pha công suất nhỏ” làm đề tài NCKH của mình Trong đề

tài này, chúng tôi dựa trên cơ sở các phương pháp vận hành và thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha để xây dựng mô hình đấu nối động cơ 3 pha bằng

phương pháp Y hay ∆ đảm bảo tính trực quan, tương tác và giá thành hạ

II Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha công suất nhỏ phù hợp với đặc điểm môn Công nghê ̣ 12 trung học phổ thông

III Phương pháp nghiên cứu

1 Nghiên cứu lý thuyết

Tổng hợp tài liệu về cấu tạo , nguyên lý làm viê ̣c và các chế đô ̣ vâ ̣n hành của

đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ 3 pha rotor lồng sóc

2 Phương pháp thực nghiệm

Thí nghiệm trên mô hình để đánh giá kết quả nghiên cứu

IV Phạm vi nghiên cứu:

Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha đáp ứng các chức năng:

- Khảo sát cấu tạo, nguyên lý làm viê ̣c

- Thực hành và thí nghiê ̣m chế đô ̣ làm viê ̣c Sao – Tam giác

- Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm viê ̣ c của đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ 3 pha rotor lồng sóc

- Nghiên cứu các chế đô ̣ làm viê ̣c của đô ̣ng cơ

- Xây dựng mô hình vật lý

B

NỘI DUNG

Chương 1 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

BỘ BA PHA ROTOR

LỒNG SÓC

I KHÁI NIỆM CHUNG:

- Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ rotor n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n1

Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: động cơ và máy phát

II CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA:

- Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là stator và rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy.Trục làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bi và cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục

o Lõi thép là phần dẫn từ, có dạng hình trụ Vì từ trường đi qua lõi thép là

từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi thép được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, được dập rãnh và ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục.Lõi thép được ép vào trong vỏ máy Phía ngoài của lá thép có sẻ rãnh để đặt dây quấn

- Dây quấn stator:

o Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép Dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn stator

sẽ tạo nên từ trường quay

- Vỏ máy:

o Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ Thường vỏ máy làm bằng gang Đối với các máy có công suất tương đối lớn thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ Tùy theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau

- Trục:

o Trục máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép stator

- Dây quấn rotor:

o Phân làm hai loại chính: loại rotor kiểu dây quấn và loại rotor kiểu lồng sóc

o Rotor lồng sóc gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và

bị ngắn mạch bởi hai vòng ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ công suất nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối, gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ công suất trên 100Kw thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch

- Rotor dây quấn cũng giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ như dây quấn stator Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục Ba chổi than cố định và luôn tỳ lên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng đấu sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

- Khe hở:

o Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào và như vậy mới

có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

- Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stator thì khe hở trong không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1=60f1/p ( f1 là tần số lưới điện; p là số đôi cực từ của máy; n1 là tốc độ từ trường quay bậc một) từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto làm cảm ứng trong dây quấn roto các sđd E2 Do roto kín mạch nên trong dây quấn roto có dòng điện I2

chạy qua Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở Dòng điện trong dây quấn roto tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay

n của roto Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy

cũng khác nhau Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng cả chúng trong ba phạm vi tốc độ

- Hệ số trượt của máy: .

1 1 1

b Roto quay cùng chiều từ trường quay nhưng có tốc độ

n > n1 (s < 0 ).

- Dùng động cơ sơ cấp quay roto của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1 Lúc đó chiều của từ trường quay quét qua dây quấn roto sẽ ngược lại, sđđ và dòng điện trong daayy quấn roto cũng đổi chiều nên chiều nên chiều của moment M cũng ngược chiều của n1, nghĩa là ngược chiều của roto, nên đó là moment hãm hình 13.5b Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng trên trục động cơ điện, do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện, nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ máy phát điện

c Roto quay cùng chiều từ trường quay nhưng có tốc độ

n < 0 (s > 1 ).

- Vì nguyên nhân nào đó mà roto của máy phát điện quay ngược chiều từ trường quay hình 13.5c, lúc này chiều sđđ, dòng điện và moment giống như ở chế độ động cơ điện Vì moment sinh ra ngược chiều quay với roto nên có tác dụng hãm lại Trong trường hợp này, máy lấy điện năng ở lưới điện vào vừa lấy

cơ năng từ động cơ sơ sấp Chế độ làm việc như vậy gọi là chế độ hãm điện từ

Chương 2:

VẬN HÀNH ĐỘNG CƠ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC

- Biểu thức và đồ thị điện áp xoay chiều ba pha :

) 3

2 sin(

4 sin(

- Mối quan hệ giữa các đại lượng Ud , Up , Id , Ip :

2 Thay Đổi Tốc Độ

Có nhiều cách thay đổi tốc độ động cơ xoay chiều ba pha

 Trên stator: thay đổi điện áp U đưa vào dây quấn stator, thay đổi số đôi cực từ p của dây quấn stator, thay đổi tần số nguồn điện

 Trên rotor: thay đổi điện trở rotor, nối cấp hoặc đưa suất điện động phụ vào rotor

A, Thay Đổi Bằng Điện Áp Nguồn

Smax = .

) ( 2 2 1 '

N

X R

.

1 2 2 1 0

' 2 1

R R R n

R U

- Ta thấy khi U thay đổi làm tốc độ thay đổi theo, nhưng phương pháp này chỉ dung khi máy mang tải còn khi máy không tải thì có giảm điện áp nguồn thì hầu như tốc độ không đổi.

B,Thay Đổi Bằng Tần Số Nguồn:

- Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, thì có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp U1, tần số f1 và mômen M Trong công thức về momen cực đại khi bỏ qua điện trở r1 thì mômen có thể viết thành:

Mmax = .

55 , 9

2 0

2 1

n

X n

60 , 2

2 55 , 9

2 1 2

2 1 0

2 1

f

U C f L p

U L

f n

U

n n

' max

M

M M

Trong trường hợp yêu cầu Pcơ=const, nghĩa là:

Thế vào trên ta được:

Khi f1 thay đổi, ta phải đồng thời thay đổi U1 đưa vào động cơ

- Trường hợp U1/f = Cte và tần số giảm có đặc tính cơ như trên

- Phương pháp này có đặc tính thích hợp với loại tải cần Mc = C khi vận tốc thay đổi

C, Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về

nguồn

- Năng lượng trượt tần số f2 = s.f1 sẽ là tiêu hao trên điện trở phụ được chỉnh lưu thành năng lượng một chiều hình 15.9, sau đó qua bộ nghịch lưu được biến đổi thành năng lượng xoay chiều tần số trả về nguồn

- Quan hệ giữa hệ số trượt s và góc mở α của thyristor:

 Điện áp ra của chỉnh lưu cầu ba pha : Uc= 1,35.s.Kd.U

 Điện áp ra của nghịch cầu: UN=1,35.KB..U.cosα

Với .

.

1 2

1 2

dq

dq D

Vậy, từ công thức trên ta có:

Với 900 < α < 1800 nên cosα < 0

D, Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện

- Khi R tăng thì n giảm

- Tần số đóng cắt và điện trở tương đương của mạch

- Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nên hiệu suất đông cơ giảm Tuy vậy đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ động cơ được điều chỉnh liên tục trong phạm vi tương đối rộng nên được dung nhiều trong các động cơ công suất trung bình

- Bội số mômen khởi động: .

đm

k k

 Thời gian khởi động tk nhỏ.

- Nhược điểm: dòng điện khởi động Ik lớn làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác

Do vậy phương pháp này dùng cho những động cơ công suất nhỏ và công suất của nguồn lớn hơn nhiều công suất động cơ

3.2 , Khởi Động Gián Tiếp:

3.2.1, Khởi Động Bằng Cách Giảm Điện Áp Đặt Vào Dây

- Điện áp đặt vào dây quấn stator khởi động: U’k=k*U1 ( k<1 )

- Dòng điện khởi động: I’k=k*Ik

Với Ik: dòng khởi động trực tiếp với U1

- Môment khởi động Mk=k2*Mk’

B, Khởi Động Dùng Biến Áp Tự Ngẫu:

- Trên hình là sơ đồ nối dây khởi động động cơ không đồng bộ dùng máy biến

áp tự ngẫu (MBA TN) Trước khi khởi động: cắt CD2, đóng CD3, MBA TN để

ở vị trí điện áp đặt vào động cơ khoảng ( 0,6-0,8) Uđm, đóng CD1 để nối dây quấn stator vào lưới điện thông qua MBA TN, động cơ quay ổn định, cắt CD3, đóng CD2 để ngắn mạch MBA TN, nối trực tiếp dây quấn stator vào lưới

- Khi khởi động động cơ được cấp điện : Uk=kT*U1 ( k<1 )

- Lúc đó dòng điện khởi động: I’k=kT*Ik

Với Ik: dòng khởi động trực tiếp

- Dòng điện MBA TN nhận từ lưới điện: I1=kT*I’k=k2T*Ik

- Môment khởi động: M’k= k2T*Mk

C, Khởi Động Bằng Cách Đổi Nối ∆ → Y.

- Trên hình là sơ đồ đấu dây khởi động bằng cách đổi nối sao sang tam giác động cơ không Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ lúc máy làm việc bình thường nối ∆, khi khởi động nối Y, sau khi tốc độ quay gần ổn định chuyển về nối ∆ để làm việc

- Điện áp pha khi khởi động: U kf U k

k

I

I I

I

Môment khởi động giảm đi 3 lần

3.2.2, Khởi Động Bằng Cách Thêm Rp Vào Mạch Rotor

Dây Quấn:

- Phương pháp này chỉ dùng cho những động cơ rotor dây quấn vì dặc điểm của loại động cơ này là có thể thêm điện trở phụ vào mạch rotor Khi điên trở rotot thay đổi thì đặc tính M=f(s) cũng thay đổi theo Khi điều chỉnh điện trở mạch rotor thích đáng thì Mk=Mmax (đường 3) Sau khi rotor quay để giữ một môment điện từ nhất định trong quá trình khởi động ta cắt điện trở nối thêm vào mạch rotor làm cho quá trình tăng tốc động cơ từ đặc tính này sang đặc tính khác và sau khi cắt toàn bộ điện trở thì sẽ tăng tốc đến điểm làm việc của đặc tính cơ tự nhiên

- Ưu điểm của phương pháp này là Mk lớn còn dòng điện khởi động Ik nhỏ

- Nhược điểm ciuar phương pháp này là động cơ rotor dây quấn chế tạo phức tạp hơn rotor lồng sóc nên giá thành đắt hơn và hiệu suất cũng thấp hơn

2 Hướng Dẫn Sử Dụng Mô Hình:

Sơ đồ ra dây và đấu dây quấn stator theo kiểu Y

Sơ đồ ra dây và đấu dây quấn stator theo kiểu ∆

Mô hình đang vâ ̣n hành chế đô ̣ tam giác

C

KẾT LUẬN

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ

I Kết luận

- Mô hình hoạt động ổn định, kết quả thí nghiệm trên mô cho thấy

mô hình đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật

- Mô hình đáp ứng được tính trực quan và tương tác

- Sản phẩm của đề tài đáp ứng được mục tiêu của môn Công nghệ 12 THPT và có thể ứng dụng trong thực tế dạy học

II Kiến nghị:

- Để phát triển tiếp hướng nghiên cứu, hoàn thiện đề tài và chuyển giao công nghệ, nhóm nghiên cứu rất mong nhà trường và khoa hỗ trợ về thời gian, kinh phí và điều kiện thực nghiệm sản phẩm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Bùi Văn Hồng Giáo trình thực tập điện cơ bản, NXB Đại Học Quốc Gia

4 Nguyễn Văn Tuấn - Phan Long - Võ Thị Ngọc Lan Phương pháp nghiên

cứu khoa học và giáo dục, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM,

1995

5 Trần Khánh Hà Động cơ không đồng bộ ba pha và một pha công suất

nhỏ, NXB Xây dựng

6 Trần Khánh Hà Máy điện tập 1,2, NXB khoa học và kỹ thuật, 1997

7 Trần Thế Sang – Nguyễn Trọng Thắng Máy điện và mạch điều khiển,

khoa Điện – Điện tử đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

8 www Google.com