Tính toán động cơ điện dung làm việc

3 bản vẽ chi tiết và 1 bản vẽ tổng lắp ráp . 5 – Ngày nộp quyển : CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ( Ký và ghi rõ họ tên ) ( Ký và ghi rõ họ tên ) LỜI NÓI 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 W đến 750W , nhưng cũng có khi chế tạo đến 1,5KW .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 hàng ngày của người dân . 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 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 roto lồng sóc đều thực hiện bằnh 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 thực hiện theo các bước sau : Tìm hiểu các loại động cơ không đồng bộ một pha Tính toán điện từ Tính và vẽ các đặc tính làm việc và đặc tinh cơ Trong thời gian thực hiện đồ án thiết kế này em được sự chỉ bảo tận tình của cô giáo Phan Thị Huệ nên em 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 . Em rất mong được sự đóng góp ý kiến để tập đồ án thiết kế này được hoàn thiện hơn . MỤC LỤC Lời nói đầu ……………………………………………………………………2 PHẦN MỘT : ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA…………………..5 Chương 1 : Đại cương vềđộng cơ không đồng bộ …………………………...5 Chương 2 : Đông cơ không đồng bộ một pha ………………………………..9 Chuơng 3 : Các loại động cơ không đồng bộ một pha………………………17 PHẦN HAI : TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN DUNG LÀM VIỆC ………….28 Chưong 1 : Xác định kích thước chủ yếu …………………………………...28 Chưong 2 : Dây quấn , rãnh và gông stato ………………………………….30 Chương 3 : Dây quấn , rãnh và gông roto …………………………………..37 Chương 4 : Trở kháng dây quấn stato và roto ………………………………41 Chưong 5 : Tính toán mạch từ ………………………………………………48 Chưonh 6 : Tính toán chế độ định mức ……………………………………..51 Chương 7 : Tính toán dây quấn phụ ………………………………………...53 Chương 8 : Tính toán tổn hao sắt và dòng điện phụ ………………………...57 Chương 9 : Tính toán chế độ khởi động …………………………………….62 Kết luận Phần một : ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ I . KHÁI NIỆM CHUNG Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều , làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ , có tốc độ quay của roto n ( tốc độ của máy ) khác với tốc độ quay của từ trường n1 . Động cơ không đồng bộ có hai dây quấn : dây quấn stato ( sơ cấp ) nối với lưới điện tần số không đổi f , dây quấn roto ( thứ cấp ) được nối tắt lại hoặc khép kín qua điện trở . Dòng điện trong dây quấn roto được sinh ra nhờ suất điện động cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ roto nghĩa là phụ thuộc vào tải ở trên trục của máy. Cũng như các loại máy điện quay khác , máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch , nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện , cũng như chế độ máy phát điện. Động cơ điện không đồng bộ có công suất lớn trên 600 W thường là loại ba pha có ba dây quấn làm việc , trục các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 120o điện . Các động cơ có công suất nhỏ dưới 600 W thường là động cơ hai phai hoặc một pha . Động cơ hai pha có hai dây quấn làm việc , trục của hai dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc 90o điện . Động cơ điện một pha , chỉ có một dây quấn làm việc.  II . PHÂN LOẠI Theo kết cấu của vỏ , máy điện không đồng bộ có thể chia thành các kiểu chính sau : kiểu hở , kiểu bảo vệ , kiểu kín , kiểu phòng nổ , v v … Theo kết cấu của roto , máy điện không đồng bộ chia làm hai loại : loại roto kiểu dây quấn và roto kiểu lồng sóc . Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia thành các loại : một pha , hai pha , và ba pha . III . KẾT CẤU Động cơ không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau : 1 . Stato Stato là phần tĩnh gồm hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn , ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy. - Vỏ máy : vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn , không dùng để làm mạch dẫn từ . Thường vỏ máy làm bằng gang . Đối với máy có công suất tương đối lớn ( 1000 KW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ . Tuỳ theo cách làm nguội máy mà vỏ cũng khác nhau . - Lõi sắt : Lõi sắt là phần dẫn từ . Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao , lõi sắt được làm từ những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại . Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại . Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. ( Hình 1 ) Lá thép kĩ thuật điện hình rẻ quạt dùng để ghép lõi sắt stato cuả máy điện không đồng bộ cỡ vừa và lớn Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên . nếu lõi sắt ngắn thì có thể ghép thành một khối . Nếu lõi sắt dài quá thì thường ghép thành từng thếp ngắn , mỗi thếp dài từ 6 ÷ 8 cm , đặt cách nhau 1 cm để thông gió cho tốt . Mặt trong của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn . - Dây quấn : dây quấn stato được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt . 2 . Roto Roto có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn . - Lõi sắt : Nói chung thì người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stato. Lõi sắt được ép trực tiếp trên trục máy hoặc lên một giá roto của máy. Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn . - Roto và dây quấn roto : Roto có hai loại chính : roto kiểu dây quấn và roto kiểu lồng sóc . + Loại roto kiểu dây quấn : Roto có dây quấn giống như dây quấn stato . Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên roto chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp . Dây quấn ba pha của roto thường đấu hình sao , còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài . Đặc điểm của loại động cơ điện roto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện roto để cải thiện tính năng mở máy , điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy . Khi máy làm việc bình thường dây quấn roto được nối ngắn mạch . + Loại roto kiểu lồng sóc : kết cấu của loại dây quấn này rất khác so với dây quấn stato . Trong mỗi rãnh của lõi sắt roto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc . Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt . Để cải thiện tính năng mở máy , trong máy công suất tương đối lớn , rãnh roto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép . Trong máy điện cỡ nhỏ , rãnh roto thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục . 3 . Khe hở Vì roto là một khối tròn nên khe hở đều . Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ ( từ 0,2 ÷ 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa ) để hạn chế dòng điện từ hoá lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn . III . NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato , sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực , quay với tốc độ là n1 =. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn roto , cảm ứng các sức điện động . Vì dây quấn roto nối ngắn mạch , nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trong các thanh dẫn roto . Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện roto , kéo roto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n . Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải , ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường . Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược với chiều n1 , từ đó áp dụng quy tắc bàn tay phải , xác định được chiều suất điện động. Chiều lực điện từ xác định theo quy tác bàn tay phải , trùng với chiều quay n1 . Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối , trong dây quấn roto không có suất điện động và dòng điện cảm ứng , lực điện từ bằng không.( Hình 2 ) Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2 . n 2 = n1 – n Hệ số trượt của tốc độ là : S = = Khi roto đứng yên ( n= 0 ) , hệ số tượt s = 1 ; Khi roto quay định mức s= 0,02 ÷ 0,06 . Tốc độ động cơ là : n= n1(1 – s) = ( 1 – s) vg/ph. IV . CÁC LƯỢNG ĐỊNH MỨC Cũng như tất cả các loại máy điện khác , máy điện không đồng bộ có các trị số định mức dặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy . Các trị số này do nhà thiết kế , chế tạo quy định và được ghi trên nhãn máy . Các trị số đó thường bao gồm : công suất định mức ở đầu trục P đm ( kW hay W ) ; dòng điện dây định mức I đm (A) ; điện áp dây định mức U đm (V ) ; cách đấu dây ( Y hay ) tốc độ quay định mức n đm (vg/ph) ; hiệu suất định mức đm và hệ số công suất định mức cos đm ,… Chương 2 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA I . ĐẠI CƯƠNG Động cơ không đồng bộ một pha thường được dùng trong các dụng cụ thiết bị sinh hoạt và công nghiệp , công suất từ vài W đến vài trăm W và nối vào lưới xoay chiều một pha . Do nguyên lý mở máy khác nhau và yêu cầu tính năng khác nhau mà xuất hiện những kết cấu khác nhau , nhưng nói chung vẫn có thể quy về một kết cấu cơ bản giống nhau như một động cơ điện ba pha , chỉ khác là trên stato có hai dây quấn : dây quấn chính ( hay dây quấn làm việc ) và dây quấn phụ ( hay dây quấn mở máy ) . roto thường là loại lồng sóc . Dây quấn chính được nối với lưới điện trong suốt quá trình làm việc , còn dây quấn phụ thường chỉ nối vào khi mở máy. Trong quá trình mở máy , khi tốc độ đặt đến 75÷ 80% tốc độ đòng bộ thi dùng bộ ngắt điện kiểu ly tâm cắt dây quấn phụ ra khỏi lưới điện . Có loại động cơ điện sau khi mở máy , dây quấn phụ vẫn nối vào lưới . Đó là loại động cơ điện một pha kiểu điện dung . So với động cơ điện không đồng bộ ba pha cùng kích thước , công suất của động cơ điện một pha chỉ bằng 70% công suất của động cơ điện ba pha , nhưng do các động cơ điện một pha có khả năbg quá tải thấp nên trên thực tế , trừ động cơ điện kiểu điện dung ra , công suất của động cơ điện một pha bằng 40 ÷ 50 % công suất động cơ điện ba pha . II. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Khi dây quấn làm việc nối với điện áp một pha thì dòng điện trong dây quấn sẽ sinh ra từ trường đập mạch Ф . Từ trường này có thể phân thành hai từ trường quay ngược chiều nhau ФA và ФB có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch . ( Hình 3 ) Như vậy có thể xem động cơ điện một pha tương đương như một động cơ điện ba pha mà dây quấn stato gồm hai phần giống nhau mắc nối tiếp và tạo thành các từ trường quay theo những chiều ngược nhau . ( Hình 4 ) . Tác dụng của các từ trường quay thuận nghịch đó với dòng điện ở roto do chúng sinh ra tạo thành hai momen ngược nhau MA và MB , khi động cơ đứng yên ( s = 1 ) thì hai momen đó bằng nhau và ngược chiều nhau , do đó momen quay tổng bằng không. Từ trường động cơ không đồng bộ một pha Động cơ không đồng bộ một pha về cấu tạo , stato chỉ có dây quấn một pha , roto thường là lồng sóc trên hình vẽ (5a ) , 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 . Hình 5a Hình 5b Vì không phải là từ trường quay nên khi có dòng điện trong dây quấn stato mà động cơ không quay được và cần phải có ngoại lực tác dụng lên roto khi đó động cơ sẽ quay với hai từ trường thuận nghịch , ta phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay thuận nghịch có cùng tần số quay n1 và biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch n = . Trong đó từ trường quay có chiều quay trùng chiều quay với roto được gọi là từ trường quay thuận và có chiều quay ngược chiều quay roto được gọi là từ trương quay ngược chiều trên hình (5b). là từ trường tổng ( đập mạch ). Trong đó và quay với tốc độ n1 , ta có : = + Gọi n là tốc độ cao . Hệ số trượt ứng với từ trường quay thuận sẽ là : Hệ số trượt ứng với từ tường quay ngược sẽ là : S2 = 2 – S Từ đó ta có bảng hệ số trượt sau : S = S1 2 1 0 S2 0 1 2 Hình 6 Trên hình 6 , ta vẽ momen quay do từ trường quay thuận sinh ra có trị số dương và do từ trường nghịch sinh ra có trị số âm , momen quay của động cơ một pha là tổng các momen quay của các thành phần thuận nghịch của từ trường elip . = + Quan hệ của các momen này với hệ số trượt biểu thị trên hình 6 . Khi roto đứng yên là lúc S = S2 = 1 , = ; và momen mở máy M = 0 ; nếu tác động một ngoại lực theo một chiều nào đó thì từ trường elip được hình thành và momen quay theo hướng chọn ban đầu hoặc sẽ trội hơn . Đặc tính M = f ( S ) được biểu diễn trên hình 4 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 roto sẽ quay , nếu quay cùng chiều từ trường thuận và momen điện từ , momen vượt quá momen 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 không đồng bộ một pha , ở đây ta xét trường hợp mở máy động cơ không đồng bộ một pha làm việc bằng điện dung . III . PHƯƠNG PHÁP MỞ MÁY 1. Mở máy bằng dây quấn phụ Động cơ một pha không thể tự mở máy được nếu chỉ có một dây quấn chính vì momen mở máy bằng không . Muốn động cơ mở máy cần phải thêm một dây quấn mở máy . Từ trường của dây quấn này sẽ cùng với từ trường dây quấn chính hợp thành một từ trường quay tạo nên momen ban đầu . Muốn như vậy tốt nhất dây quấn phụ cần lệch với dây quấn chính một góc điện 90o trong không gian và dòng điện trong hai dây quấn đó phải lệch pha nhau một góc 90o về thời gian . Có thể tạo nên sự lệch pha đó bằng cách nối mạch điện dây quấn phụ với một điện cảm hay thường là điện dung . ( Hình 7 – b ) . Lúc đó dòng điện trong dây quấn phu If vượt trước điện áp lưới , làm cho góc pha giữa dòng điện trong dây quấn chính IC và If lệch pha một góc gần bằng 90o ( Hình 8 ) Nhờ vậy trong khe hở của máy sinh ra một từ trường quay bảo đảm có một momen mở máy tương đối lớn . Khi máy đã quay , ta dùng bộ ngắt điện kiểu ly tâm cắt dây quấn phụ ra khỏi nguồn điện . Động cơ điện mở máy theo kiểu này gọi là động cơ điện mở máy bằng điện dung . Trên dây quấn phụ có thể đấu điện trở để tạo momen mở máy ( Hình 7 – a ) . Lúc đó dòng điện If và IC cùng có một góc lệch pha nhất định , nhưng momen mở máy của loại động cơ này tương đối nhỏ . Dùng phương pháp này thực tế là chỉ cần tính toán sao cho bản thân dây quấn phụ có điện trở tương đối lớn là được , không cần thêm điện trở ngoài nên kết cấu của máy đơn giản . Động cơ điện kiểu này gọi là động cơ điện mở máy bằng điện trở . Dây quấn phụ đấu nối tiếp điện dung có thể thiết kế để làm việc lâu dài trên lưới điện sau khi mở máy mà không cần ngắt ra . Nhờ vậy bản thân động cơ điện được coi như động cơ điện hai pha . Loại này đặc tính làm việc tốt , nhất là năng lực quá tải lớn , hệ số công suất của máy cũng được cải thiện ( Hình 7- c). Do khi mở máy dây quấn phụ cần nhiều điện dung hơn khi làm việc , nên thường dùng bộ ngắt điện kiểu ly tâm cắt bớt điện dung sau khi mở máy ra ( Hình 7- d) . 2. Mở máy bằng vòng ngắn mạch Những động cơ điện một pha công suất rất nhỏ mở máy không tải hay tải nhẹ thường dùng kiểu vòng ngắn mạch để mở máy . Vòng ngắn mạch F đặt trên cực từ và đóng vai trò cuộn dây phụ ( hình 9 ). Vòng ngắn mạch ôm lấy khoảng 1/3 cực từ . Khi đặt điện áp vào cuộn dây chính để mở máy , dây quấn này sẽ sinh ra một từ trường đập mạch chính ΦC . Một phần của từ trường này Φ’C đi qua vòng ngắn mạch . Trong vòng ngắn mạch sẽ sinh ra dòng điện ngắn mạch In và dòng điện này sinh ra từ thông Φn . Từ thông Φn tác dụng với Φ’C để sinh ra từ thông phụ Φf đi qua vòng ngắn mạch ( hình 10 ) Hình 10 : đồ thị vectơ về từ thông của động cơ không đồng bộ 1 pha có vòng ngắn mạch Hình 9 Kết quả là dưới phần cực từ không có vòng ngắn mạch có từ thông ΦC – Φ’C đi qua , còn trong vòng ngắn mạch có Φf đi qua . Giữa chúng có một góc pha nhất định về thời gian và một góc lệch về không gian tạo nên một từ trường quay và máy có momen ban đầu làm động cơ quay. IV. ĐẢO CHIỀU QUAY ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA Động cơ một pha có hai cuộn dây , một cuộn dây tạo từ trường chính gọi là cuộn dây chạy , một cuộn dây tạo từ trường phụ gọi là cuộn dây đề . Hai cuộn này được đặt lệch nhau 90o trong không gian , mạch dùng tụ điện sẽ tạo ra lệch pha về từ trường của hai cuộn là 90o theo thời gian . Kết hợp hai điều kiện đó sẽ tạo ra từ trường quay theo một chiều nhất định . Với các động cơ có công suất hơi lớn , thì người ta chỉ lắp tụ vào hệ thống tổng thời gian khởi động . Đối với các động cơ nhỏ hơn thì tụ điện sẽ nối vào mạch trong suốt thời gian hoạt động . Với đa số các động cơ , để nâng cao hiệu suất và công suất , cuộn dây đề thường quấn nhiều vòng hơn , dây nhỏ hơn so với cuộn dây chạy . Thông thường , với các động cơ thông dụng , các cuộn dây đã được nối với nhau để tạo chiều quay đã định trước . Vì thế khi muốn đổi chiều quay của động cơ , bắt buộc phải tháo ra , thay đổi lại cực tính của một trong hai cuộn dây , mà thường là thay đổi cực tính của cuộn đề . Đối với một số động cơ cần đảo chiều liên tục như động cơ máy giặt , người ta chấp nhận giảm bớt hiệu suất của động cơ , quấn hai cuộn đề và chạy giống hệt nhau . Vì thế có thể hoán chuyển qua lại giữa cuộn đề và cuộn chạy . Như vậy khi cho điện vào bên này tụ điện , thì đầu dây nối vào đó sẽ là dây chạy , dây kia là dây đề . Khi cho điện vào đầu kia thì ngược lại . Do đó có thể đảo chiều quay dễ dàng hơn . Đối với các động cơ có công suất nhỏ hơn nữa trong các hệ thống điều khiển tự động , người ta cấp điện cho cuộn đề thường trực ( 90o ) . Cuộn chạy sẽ được cấp điện từ mạch khuyếc đại , có thể thay đổi góc pha 0o hay 180o . Như vậy cũng có thể thay đổi chiều quay dễ dàng . V . PHẠM VI SỬ DỤNG Động cơ điện một pha có ưu điểm là cấu tạo gọn , sử dụng lưới điện một pha , nên được sử dụng rộng rãi trong các hệ tự động và dân dụng như quạt điện , máy giặt , máy bơm nước công suất nhỏ vv… Chương 3 CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA VỚI ĐIỆN TRỞ KHỞI ĐỘNG Thời gian giữa các dòng điện chạy trong dây quấn đạt được nhờ tăng điện trở trong cuộn khởi động B ( tổng điện trở pha B ) bằng cách nối tiếp điện trở . Trong thực tế thông thường ở những nơi không có yêu cầu momen khởi động lớn , người ta sử dụng động cơ không đồng bộ với điện trở khởi động góc lệch pha theo trở phụ Rf với cuộn khởi động hoặc chế tạo cuộn B từ dây dẫn có tiết diện nhỏ . Động cơ khởi động như động cơ hai pha không đối xứng khi roto đạt đến tần số quay nhất định thì cuộn khởi động B ngắt khỏi nguồn và động cơ chuyển sang chế độ một pha làm việc cuộn A luôn được nối với điện áp nguồn . (a) Sơ đồ mạch điện (b) Đặc tính cơ Hình 11 Bởi vì chế độ làm việc có cuộn A nối với nguồn nên để sử dụng động cơ tốt hơn thường để số rãnh cho cuộn chính stato còn cuộn B chiếm số rãnh trên stato , đôi khi để sử dụng lõi thép ít tốn hơn rãnh của cuộn khởi động có tiết diện nhỏ hơn so với cuộn làm việc . Cuộn làm việc có số vòng dây cho nên có điện kháng XSA lớn ( X ~ w2 ) điện trở của cuộn làm việc tương đối nhỏ và ngược lại với cuộn khởi động có số vòng dây nhỏ điện kháng XSB nhỏ , điện trở rSB rất lớn do đó : XSA > XSB rSA < rSB Động cơ không đồng bộ với điện trở khởi động thường có momen khởi động thấp . MK = ( 0,5 ÷ 0,7 )Mđm , nhưng đôi khi đạt tới MK = ( 1 ÷ 1,5 )Mđm , điều đó thực hiện được không chỉ do góc lệch pha theo thời gian mà nhờ sự cường hóa luồng từ thông của cuộn khởi động ФB khi giảm số vòng dây WB . Tuy nhiên việc tăng luồng từ thông ФB cần phải tiến hành thận trọng bởi nó sẽ dẫn đến sự tăng đáng kể dòng điện của cuộn khởi động và dòng điện tiêu thụ của động cơ khi khởi động . Hiệu suất : η = 0,4 ÷ 0,7 Hệ số công suất : cosφ = 0,5 ÷ 0,6 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA VỚI TỤ KHỞI ĐỘNG Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động thường được sử dụng trong các trường hợp yêu cầu đối với đặc tính khởi động cao , dòng khởi động Ik nhỏ và momen khởi động MK lớn . Hình 12 : (a) Sơ đồ mạch điện (b) Đặc tính cơ Cuộn chính chiếm số rãnh NZA = ZS , cuộn phụ NZB = ZS . Số vòng dây của cuộn phụ và điện dung của tụ điện được chọn từ giá trị momen khởi động cần thiết phải có hoặc từ điều kiện nhận từ trường tròn khi khởi động ( với n = 0 ) . Momen khởi động lớn đạt được nhờ tăng ( cường hóa ) 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 thông tròn ở chế độ khởi động cần phải chọn hệ số biến áp K và tụ C có xét tới NZA ≠ NZB điều kiện nhạn từ trường tròn . Điện trở và điện kháng dây quấn pha B trên stato : rSB = k.t.a.rSA xSB = a .k2. xSA Trong đó : a = t = KdqA , KdqB - Hệ số dây quấn pha A và pha B . Lúc khởi động S = 1 , tỏng trở của mạch nhánh song song của thứ tự thuận và thứ tự nghịch bằng nhau . 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 . rSA + k2 . rRAK ( 1 ) xBK = xSB + xRBK = a . k2 . xSA + k2 . xRAK ( 2 ) Biểu thức xác định các điều kiện nhận từ trường tròn trong động cơ điện dung : IBK. rBK = j . IAK . xAK j . IBK . xBK = j . IAK . xAK = IAK . rAK Thay các giá trị IB = và rBK , xBK theo ( 1 ) , ( 2 ) vào các biểu thức trên . Hệ số biến áp k và điện kháng tụ C khi từ trường tròn với S = 1 : K = XC = k . rAK + a . k2 . xSA + k2 . xRAK 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 . 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 roto lồng sóc , stato có dây quấn hai pha lệch nhau 90o điện , khi dòng điện trong hai dây quấn có biên độ bằng nhau và lệch nhau một góc 90o tạo ra trong máy từ trường quay với tần số quay n1 = . 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 điện 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 13 ) (a) Sơ đồ mạch điện ( b ) Đặc tính cơ Mđm Mm· M 0Sđm Sk 0.5 1 S 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 tròn ( 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 . 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 momen M = f ( S ) dựa theo phương pháp thành phần đối xứng của hệ thống hai pha từ mạch điện hình 13 . xSA xRA IA1 rSA IA2 I XmA r ( Với dòng thứ tự thuận ) xSA xRA rSA XmA IA1 RRA/2-s I ( Với dòng thứ tự ngược ) Tương ứng với việc phân tích momen quay từ hai thành phần thuận , nghịch ta cũng phân tích dòng điện thành hai thành phần sau : = ; = ; Dòngvà lệch pha nhau 90o tạo ra từ trường quay thuận . Dòng và lệch pha nhau 90o 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 ) 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) Như vậy trong từ trường elip nói chung dòng điện thứ tự thuận và nghịch của pha chính bằng : Trong đó : :ZB1 = (rSB+ k2.r'RA1) + j(k2.xA1 - XC) ZB2 = (rSB+ k2.r'RA2) + j(k2.xA2 - XC) K : Tỷ số biến áp . ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA VỚI TỤ KHỞI ĐỘNG VÀ TỤ LÀM VIỆC Nhược điểm chung của các loại động cơ với điện trở khởi động và tụ khởi động là chúng có chỉ số năng lượng ( ) tương dối thấp bởi vì ở chế độ làm việc chỉ có pha chính được nối với nguồn nên tạo ra từ trường đập mạch không phải là từ trường quay . Trong tất cả các trường hợp yêu cầu chỉ số năng lượng cao và đặc tính khởi động tốt người ta thường sử dụng động cơ với tụ khởi động và tụ làm việc . Trong mạch cuộn B có hai tụ mắc song song với tụ làm việc CL luôn nối với mạch , còn cuộn khởi động CK chỉ nối vào mạch trong thời gian khởi động . (a) Sơ đồ mạch điện ( b ) Đặc tính cơ Khi khởi động cũng như khi làm việc động cơ luôn làm việc với hai pha , do đó các cuộn dây A và B chiếm số rãnh như nhau trên stato . NZA = NZB = , với NZS là số rãnh stato . Nhằm mục đích nhận được chỉ số năng lượng cao, các thông số của động cơ và điện dung của tụ điện làm việc cần tính chọn sao cho đảm bảo từ trường ở chế độ định mức là từ trường tròn . K = = tg XC = Trong đó : , XAđm , XBđm là các thông số của động cơ ở tần số quay định mức . Điện dung của tụ khởi động chọn sao cho tổng điện dung ( CK + CL ) đảm bảo được giá trị cần thiết của momen khởi động : MK = ( 2,0 ÷2,2 ) Mđm = ( 0,5 ÷ 0,9 ) cos = ( 0,8 ÷ 0,95 ) Mmax = ( 1,8 ÷ 2,5 ) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA VÒNG CHẬP Động cơ không đồng bộ một pha có kết cấu đơn giản nhất , rẻ nhất là động cơ vòng chập . Động cơ này có momen khởi động nhỏ và thường được sử dụng trong trường hợp momen khởi động chiếm từ ( 10 ÷ 40) % momen định mức . Dòng từ hóa chạy trong cuộn kích thích tạo ra luồng từ thông đập mạch , một phần luồng từ thông đi qua cực từ không bao bọc bởi vòng ngắn mạch , và phần còn lại ” móc vòng với vòng ngắn mạch , dưới tác dụng củacác luồng từ thông trong vòng ngắn mạch xuất hiện suất điện động cuộn ứng EK chậm sau V góc 90o theo thời gian . Dòng điện IK chạy trong vòng ngắn mạch do điện cảm của vòng chậm sau EK một góc K và tạo ra luồng từ thông K trùng pha với IK . Ta có : V = ” + K Như vậy V và ’ lệch pha nhau góc theo thời gian và theo không gian tạo ra từ trường elip vì : ’ ≠ ; θ + β ≠ 180o momen khởi động MK = ( 0,2 ÷ 0,5 ) Mđm Tốc độ quay : n = nđb = ( 25 ÷ 40 ) % cos = 0,4 ÷ 0,6 Momen cực đại : Mmax = ( 1,1 ÷ 1,25 ) Mđm . Phần hai : TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN DUNG LÀM VIỆC Chương 1 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU Công suất định mức của động cơ không đồng bộ 3 pha đẳng trị : PđmIII = β1.Pđm Đối với động cơ điện dung: β1 = 1,25÷1,7 → Chọn β1 = 1,25 → PđmIII = 1,25.550 = 687,5 (W) Từ đường cong trên hình 1-1 tra ra: ηIII.cosφIII = 0,56 Công suất tính toán của động cơ điện 3 pha đẳng trị : P = = = 1206 (VA) Chọn tải điện từ : - Mật độ từ thông trong khe hở không khí : Bδ = ( 0,3÷1)T → Chọn Bδ = 0,7T - Chọn tải đường A = 220 A/cm - Mật độ dòng điện j = ( 6 ÷ 8,5) A/mm2 - Hệ số : λ = = 0,22 ÷ 1,57 → Chọn λ = 1 - Hệ số: KD = = 0,495 ÷ 0,655 → Chọn KD = 0,65 Đường kính ngoài stato: Dn = 2p = 4 → p = 2 nđb = = = 1500 vg/ph → Dn = = 14,79 mm Dựa vào bảng đường kính ngoài tiêu chuẩn theo chiều cao tâm trục trang 25 sách Động cơ điện không đồng bộ ba pha và một pha công suất nhỏ ta chọn: Dn = 131 mm H = 80 mm 5. Đường kính trong stato: D = KD. Dn = 0,65.131 = 85,15 mm Lấy D = 85 mm = 8,5 cm Bước cực : τ = = =6,7 cm Chiều dài lõi sắt stato và roto: l = lS = lR = λ.D = 1.8,5 = 8,5cm = 85mm 8. Chọn khe hở không khí: Khe hở không khí càng nhỏ thì tốn hao không tải và hệ số cosφ nhỏ nhưng nếu chọn khe hở không khí quá nhỏ thì vấn đề công nghệ không đáp ứng được và làm sóng bậc cao tăng lên. Thường chọn khe hở không khí δ = 0,2 ÷ 0,3 mm → Ta chọn δ = 0,25 mm = 0,025cm Chương 2 DÂY QUẤN, RÃNH VÀ GÔNG STATO Chọn số rãnh stato và roto: Việc chọn số rãnh stato và roto ( Zs và ZR ) của động cơ điện công suất nhỏ quan hệ mật thiết với nhau và khi xét đến quan hệ đó phải chú ý đến những yếu tố sau : Trên dặc tính momen M=f(n) không có chỗ lõm nhiều do momen ký sinh đồng bộ và không đồng bộ sinh ra . Tổn hao do phần răng sinh ra nhỏ nhất ._.