Bài 3: Động cơ cảm ứng ba pha

ĐẠI-HỌC BÁCH KHOA – PHÒNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN & THỰC TẬP ĐIỆN- Trang 23 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:  p 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 nghóa 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 nghóa 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 : Q uá 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 xácđònh 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 đònh từ đáy của rãnh stator đến chu vi ngoài của lỏi thép stator, xác đònh tại vò trí hẹp nhất. • Bề dầy răng stator (b r ) : đo trên thân răng stator ở vò 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 đònh theo yêu cầu trên. BÀI 03 ĐẠI-HỌC BÁCH KHOA – PHÒNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN & THỰC TẬP ĐIỆN- Trang 24 D t L r b g b r HÌNH 3.1 : Các kích thước lỏi thép stator cần xác đònh để tính toán dây quấn. d1 d1 d2 d2 hr hr h h 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 đònh thêm: Sơ đồ đấu nối dây quấn stator. Điện áp đònh 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 trò số cực tối thiếu theo quan hệ. g t min b D ).5,04,0(p2 ÷= (3.1) Xác lập quan hệ từ thông cực đại ( m Φ ) qua một cực từ với một độ từ thông (hay từ cảm) tại khoảng hở không khí ( B δ ). Ta có quan hệ: δδ τα B).L ( m =Φ (3.2) Đơn vò của các đại lượng trong (3 2) là : [ Φ m ]=[Wb] ; [ τ ]=[m] ; [L]=[m] ; [B δ ]=[T]. Sau khi xác đònh các kích thước lỏi thép stator cần dùng cho việc tính toán, chúng ta cần xác đònh 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 đònh thêm yêu cầu về tốc độ quay của động cơ ĐẠI-HỌC BÁCH KHOA – PHÒNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN & THỰC TẬP ĐIỆN- Trang 25 Trong đó: • α δ : hệ số cung cực từ, tính đến dạng phân bố từ trường dướng mội khoảng cực từ, giá trò này phụ thuộc vào sự bão hòa của lỏi thép. Khi tính toán sơ bộ ta chọn giá trò α δ = 0,7 . τ : giá trò của bước cực từ ; được xác đònh theo quan hệ sau: p2 D. t π τ = (3.3) • Tích số ( τ .L) : diện tích của một cực từ . Tại bước 3 này , ta chỉ cần thế các giá trò bằng số của τ , L và α δ vào (3.2) để xác lập độ lớn của từ thông Φ m theo giá trò B δ . Xác lập quan hệ của mật độ từ thông qua gông stator (B g ) với một độ từ thông (hay từ cảm) tại khoảng hở không khí ( B δ ). T ừ hình 3.3, ta thành lập quan hệ giửa từ thông qua gông với mật độ từ thông trên gông . L b g 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 trò từ thông qua mỗi cực từ của stator, chúng ta xác đònh quan hệ sau theo lý thuyết: δ δ τα B. b2 . B g g ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = (3.5) Với quan hệ (3.5) chúng ta chỉ cần thế các giá trò bằng số của τ , b g và α δ vào (3.5) để xác lập giữa B g theo giá trò B δ . 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 ( B δ ). T rong 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 l ý thuyết ta có: Từ thông qua gông = Diện tích gông stator x Mật độ từ thông qua gông Gọi: Φ g : Từ thông qua gông B g : mật độ từ thông (từ cảm) qua gông stator (L.b g ) : diện tích của gông stator. Suy ra: ggg B).L.b(=Φ (3.4) ĐẠI-HỌC BÁCH KHOA – PHÒNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN & THỰC TẬP ĐIỆN- Trang 26 răng, từ thông qua chân răng và đầu răng có giá trò bằng nhau. Với giả thiết này chúng ta xác đònh 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. t r STATOR ROTOR TỪ THÔNG TẠI CHÂN RĂNG TỪ THÔNG TẠI ĐẦU RĂNG b r 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. Ta suy ra: () δ BLt BLb r đầurăng rr chânrăng ) ( =Φ =Φ (3.6) Khi từ thông qua răng bảo toàn, ta có quan hệ: đầurăngchânrăng Φ=Φ (3.7) Theo lý thuyết chúng ta suy ra: Từ (3.6) và (3.7) suy ra: δ π B. b.Z D, B r t r ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = (3.8) BƯỚC 6: Lập bảng quan hệ giửa mật độ từ thông qua răng stator (B r ) với một độ từ thông qua gông stator ( B g )và một độ từ thông (hay từ cảm) tại khoảng hở không khí ( B δ ). Ta có thể thực hiện bước tính này theo một trong hai phương pháp : ¾ Lập bảng trò số mô tả quan hệ giửa các giá trò : (B r ); (B g ); (B δ ). ¾ Dựa theo các quan hệ xác đònh theo (3.5); (3.8) và các giá trò mật độ từ thông tối đa cho phép tại các vò trí gông (B g max ) và răng (B r max ) để xác đònh giá trò mật độ từ thông tại khe hở không khí B δ . Từ đó, suy ra gí trò của từ thông cực đại qua một cực từ (Φ m ) . T heo một số tài liệu thiết kế máy điện, giá trò 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 l ý thuyết ta có: Từ thông qua chân răn g = Diện tích chân răng x Mật độ từ thông qua răng Ta ïi đầu răng ta có: Từ thông qua đầu răn g = Diện tích tại đầu răng x Mật độ từ thông ở khe hở không kh í ĐẠI-HỌC BÁCH KHOA – PHÒNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN & THỰC TẬP ĐIỆN- Trang 27 BẢNG 1 : Giá trò tối đa cho phép B g max theo cấp công suất đònh mức P đm . P đm [KW] Lớn hơn 100KW 100KW đến 10KW 10KW đến 1KW Nhỏ dưới 1KW B g max [T] 1,3 đến 1,5 1,2 đến 1,5 1,1 đến 1,5 1 đến 1,4 BẢNG 2 : Giá trò tối đa cho phép B r max theo cấp công suất đònh mức P đm . P đm [KW] Lớn hơn 100KW 100KW đến 10KW 10KW đến 1KW Nhỏ dưới 1KW B r 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 trò B gmax = 1,3T và giá trò 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 K dq . BƯỚC 8: Xác đònh tổng số vòng cho mỗi pha dây quấn (N pha ). G ọi N pha là tổng số vòng của một pha dây quấn, chúng ta sử dụng quan hệ sau để tính tóan: mdqs đmphaE pha .K.f.K.4 U.K N Φ = (3.9) 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 đònh mức của mỗi pha nguồn cung cấp vào mội pha dây quấn stator; [U đm pha ]=[V]. ¾ K s : hệ số dạng sóng từ thông phân bố tại khe hở không khí ; khoảng giá trò của K s được xác đònh tương thích theo hệ số α δ . Với từ thông phân bố hoàn toàn sin theo vò trí không gian giửa stator và rotor ta có giá trò : α δ = 0,637 và K s = 1,11. Với từ thông phân bố không hoàn toàn sin, ta có khoảng giá trò của α δ và K s như sau: 09,1đến07,1K 715,0đến7,0 s = = δ α (3.10) ¾ Hệ số K E 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 đònh giá trò K E theo kích thước hình học của lòi thép stator (vì công suất đònh mức của động cơ tỉ lệ với thể tích của lỏi thép stator). Ta có bảng số quan hệ như sau: τ.L [cm 2 ] 15 đến 50 50 đến 100 100 đến 150 150 đến 400 Trên 400 K E 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 ĐẠI-HỌC BÁCH KHOA – PHÒNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN & THỰC TẬP ĐIỆN- Trang 28 Sau khi xác đònh 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 : pha1/dâybốisốTổng N N pha b = (3.11) CHÚ Ý : Khi tính xong giá trò N b , chúng ta làm tròn số và chỉnh nguyên giá trò này để thi công. BƯỚC 9: Xác đònh tiết diện rãnh stator, căn cứ vào hệ số lấp đầy rãnh để xác đònh đường kính dây quấn stator. V ới các kết cấu thông thường của lỏi thép stator, chúng ta thường gặp hai dạng rãnh : hình thang hay quả lê (ovalle). d1 d1 d2 d2 hr hr h h HÌNH 4.5 : Kích thước các dạng rãnh. Theo lý thuyết thiết kế máy điện, hệ số lấp đầy K lđ được đònh nghóa như sau: rãnhtíchDiện rãn htrongquấndâycủachỗchoándiệntiếtTổng K lđ = (3.14) Ta có thể ghi lại như sau: r cđbr lđ S s.N.u.n K = (3.15) Trong quan hệ (3.15), ta có: • n : số sợi chập (khi thi công quấn dây). • u r : số cạnh tác dụng bố trí trong một rãnh; với dây quấn một lớp u r = 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 vò đo [s cđ ]=[mm 2 ]. • S r : tiết diện rãnh, [S r ]=[mm 2 ] T heo tiêu chuẩn thiết kế, giá trò của hệ số lấp đầy K lđ cho trong bảng sau: • Với rãnh hành thang, tiết diện rãnh được xác đònh: h. 2 dd S 21 r ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = (3.12) • Với rãnh hình quả lê, tiết điện rãnh được xác đònh theo quan hệ: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = 8 d. 2 d h. 2 dd S 2 2221 r π (3.13) ĐẠI-HỌC BÁCH KHOA – PHÒNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN & THỰC TẬP ĐIỆN- Trang 29 HÌNH DẠNG RÃNH Loại dây quấn K lđ 2 lớp 0,33 đến 0,40 Hình thang hay hình chữ nhựt 1 lớp 0,36 đến 0,43 2 lớp 0,36 đến 0,43 Hình quả lê 1 lớp 0,36 đến 0,46 Từ (4.17), ta tính được: br r lđ cđ N.u.n S.K s = (3.16) Với dây quấn dùng tiết diện tròn, gọi d cđ là đường kính dây có tính luôn lớp men cách điện, ta có: cđcđ s128,1d = (3.17) Sau khi xác đònh 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. mm5,0dd cđ −= (3.18) Điều chỉnh giá trò 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 đònh 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 đònh dòng điện đònh mức qua mỗi pha dây quấn, suy ra công suất đònh mức của động cơ . Giá trò mật độ dòng điện J [A/mm 2 ] thường được xác đònh theo các tiêu chuẩn sau: • Cấp cách điện và chòu nhiệt của vật liệu cách điện và dây điện từ dùng trong động cơ. • Điều kiện thông gió của động cơ. • Cấp công suất đònh 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 B ảng giá trò này đươc xác đònh 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 . ĐẠI-HỌC BÁCH KHOA – PHÒNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN & THỰC TẬP ĐIỆN- Trang 30 QUAN HỆ J THEO CÔNG SUẤT ĐỊNH MỨC ĐỘNG CƠ VÀ KIỂU THÔNG GIÓ KIỂU ĐỘNG CƠ P đm [KW] J [A/mm 2 ] Kín không thông gió 0,1 đến 10 2 đến 3 Kín có thông gió 0,1 đến 100 3 đến 4 Thông gió bình thường 0,1 đến 100 4 đến 6 Thông gió cõng bức 1 đến 100 6 đến 8 P đm [ KW] KIỂU ĐỘNG CƠ 1 đến 10 10 đến 50 50 đến 100 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 V ới các bảng giá trò trên, chúng ta có thể tham khảo để quyết đònh chọn lựa giá trò 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 trò 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 trò mật độ dòng điện, chúng ta xác đònh dòng điện đònh mức qua mỗi pha dây quấn theo quan hệ sau: nJ d I đmpha 4 . 2 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = π (3.19) Trong đó: d : đường kính của một sợi dây trần, và n là số sợi chập trên một nhánh. Công suất đònh mức của động cơ được xác đònh như sau: )cos (I.U.3P đmphmphm ϕη= (3.20) T rong đó , giá trò của hiệu suất η và hệ số công suất cos ϕ được ước lượng theo các giá trò thấp nhất : %80cosvà%80 == ϕη Sau khi ước lượng được công suất đònh mức, chúng ta có thể tra lại các bảng thông số hiệu suất và hệ số công suất theo công suất đònh 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: ĐẠI-HỌC BÁCH KHOA – PHÒNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN & THỰC TẬP ĐIỆN- Trang 31 • Cấp công suất của động cơ . Công suất động cơ gia tăng, hiệu suất và hệ số công suất gia tăng theo. • Cùng một cấp công suất như nhau, động cơ vận hành tốc độ chậm có hiệu suất hơi gia tăng, nhưng hệ số công suất giảm thấp. BƯỚC 11: Xác đònh chu vi khuôn dùng thi công dây quấn và tính toán khối lượng cho bộ dây quấn stator. Trong hình 3.6 , chúng ta xác đònh thông số K L : bề dầi của đầu nối bối dây tính giửa hai rãnh liên tiếp. K L HÌNH 3.6 : Bề dài đầu nối Bảng quan hệ giửa hệ số γ với sốù cực 2p: 2p γ 2p γ 2 1,27 đến 1,3 4 1,33 đến 1,35 6 1,5 8 và lớn hơn 8 1,7 C hu vi khuôn dây quấn được xác đònh theo quan hệ sau: )'Ly.K.(2CV L += (3.22) Trong quan hệ (3.22): y : bước dây quấn (khoảng cách tính theo rãnh giửa 2 cạnh tác dụng bối dây). L’ : Bề dầy lỏi thép khi có tính đến khoảng nhô khỏi thân stator của giấy cách điện lót rãnh (xem hình 3.7). T heo thực nghiệm ta có quan hệ sau: )mm10đếnmm5(L'L += (3.23) Khi tính xong giá trò chu vi khuôn, chúng ta nhớ làm tròn số giá trò chu vi khuôn (tính theo đơn vò đo là cm). Sau cùng, xác đònh tổng bề dài của mỗi pha dây quấn (L pha ): ( ) pha/dâybốisốTổng.N.CVL bpha = (3.24) Gọi :  D t : Đường kính trong cũa lỏi thép stator; [D t ]=[mm].  h r : bề cao rãnh, tính từ đáy rãnh đến miệng răng, [h r ]=[mm].  γ : hệ số dản dài đầu nối, giá trò này phụ thuộc vào số cực 2p. Ta có: Z )hD.(. K rt L + = γπ (3.21) ĐẠI-HỌC BÁCH KHOA – PHÒNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN & THỰC TẬP ĐIỆN- Trang 32 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 dây 10. 4 d. .L.3).dm/kg9,8.(1,1W − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = π (3.25) Trong đó đơn vò đo của các đại lượng xác đònh theo:  [d] = [mm]  [L pha ]=[dm].  [W dây ]=[Kg]. . 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 đònh mức của mỗi pha nguồn. dây điện từ dùng trong động cơ. • Điều kiện thông gió của động cơ. • Cấp công suất đònh mức động cơ. • Chế độ làm việc của động cơ: liên tục dài hạn, liên