Đề tài Tính toán dây quấn và lý thuyết kiểm nghiệm điện từ động cơ điện không đồng bộ ba pha sau khi sửa chữa hoặc chế tạo (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Tính toán dây quấn và lý thuyết kiểm nghiệm điện từ động cơ điện không đồng bộ ba pha sau khi sửa chữa hoặc chế tạo (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG TÍNH TỐN DÂY QUẤN VÀ LÝ THUYẾT KIỂM NGHIỆM ĐIỆN TỪ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA SAU KHI SỬA CHỮA HOẶC CHẾ TẠO MÃ SỐ: T2010 - 09 NGƯỜI CHỦ TRÌ: GVC. Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG S K C 0 0 3 0 7 0 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11/2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN DÂY QUẤN VÀ LÝ THUYẾT KIỂM NGHIỆM ĐIỆN TỪ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA SAU KHI SỬA CHỮA HOẶC CHẾ TẠO MÃ SỐ: T2010-09 THUỘC NHÓM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: GVC-ThS.NGUYỄN TRỌNG THẮNG TP.HỒ CHÍ MINH - 11/2010
3. MỤC LỤC Trang CHƯƠNG I: DẪN NHẬP 1 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁ P TÍNH TOÁN DÂY QUẤN STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA MẤT SỐ LIỆU 3 CHƯƠNG III: ĐỒ THỊ VÒNG TRÒN CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 9 I. ĐẠI CƯƠNG 9 II. CÁCH XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VÒNG TRÒN 9 III. XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG ĐỒ THỊ VÒNG TRÒN 11 1. Xác định cosφ 11 2. Xác định công suất đưa vào P1 11 3. Xác định công suất điện từ Pđt, công suất cơ Pcơ, tổn hao đồng PCu và mômen điện từ Mđt 12 4. Xác định tổn hao cơ pcơ, tổn hao phụ pf và công suất đưa ra P2 13 5. Xác định hệ số trượt s 14 6. Xác định hiệu suất η 14 7. Xác định năng lực quá tải km 15 IV. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VÒNG TRÒN BẰNG CÁC SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM KHÔNG TẢI VÀ NGẮN MẠCH VÀ CÁCH VẼ THỰC TẾ 16 1. Thí nghiệm không tải 16 2. Thí nghiệm ngắn mạch 17 a. Trường hợp mạch từ tản chưa bão hòa 18 b. Trường hợp mạch từ tản bão hòa 18 3. Cách vẽ thực tế đồ thị vòng tròn bằng số liệu thí nghiệm 19 V. ĐỒ THỊ VÒNG TRÒN CHÍNH XÁC 20 CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN DÂY QUẤN STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC MẤT SỐ LIỆU 23 I. GHI NHẬN CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU 23 II. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHAI TRIỂN DÂY QUẤN 27 CHƯƠNG V: KIỂM NGHIỆM ĐIỆN TỪ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA SAU KHI SỬA CHỮA HOẶC CHẾ TẠO 34 I. TÍNH TOÁN MẠCH TỪ 35 II. THAM SỐ ĐỘNG CƠ ĐIỆN LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ BÌNH THƯỜNG 44 III. TỔN HAO TRONG THÉP VÀ TỔN HAO CƠ 53 IV. ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC 57 CHƯƠNGVI: KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62
4. CHƯƠNG I: DẪN NHẬP I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Máy điện nói chung, động cơ điện không đồng bộ nói riêng luôn giữ một vai trò hết sức quan trọng, là một thiết bị không thể thiếu để góp phần vào quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hoá đất nước. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, máy điện ngày càng được sản xuất và chế tạo nhiều hơn. Đồng thời trong quá trình vận hành, theo thời gian các máy điện sẽ xảy ra hư hỏng cần được sửa chữa và phải đảm bảo các tính năng kỹ thuật, đặc biệt là các máy đã bị mất số liệu. Để đánh giá các máy điện sau khi sửa chữa hoặc chế tạo có đạt được yêu cầu về kỹ thuật hay không thì phải thông qua việc kiểm nghiệm. II. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: Nội dung của đề tài được giới hạn: Phần lý thuyết: Tính toán dây quấn stator động cơ điện không đồng bộ ba pha mất số liệu. Lý thuyết kiểm nghiệm điện từ động cơ điện không đồng bộ 3 pha: Tính toán kiểm nghiệm điện từ một động cơ điện không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc được chế tạo sẵn. III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Đề tài này được thực hiện nhằm: Cung cấp tài liệu, kinh nghiệm cho SV và cán bộ kỹ thuật quan tâm đến việc tính toán dây quấn và phương pháp kiểm nghiệm động cơ điện không đồng bộ sau khi sửa chữa hoặc chế tạo. IV. CƠ SỞ TÍNH TOÁN Dựa trên những kiến thức về lý thuyết máy điện cùng với một số tài liệu tham khảo người nghiên cứu tiến hành tính toán dây quấn cho động cơ điện không đồng bộ 3 pha mất số liệu. V. CƠ SỞ KIỂM NGHIỆM ĐIỆN TỪ Kiểm nghiệm đóng một vai trò hết sức quan trọng quyết định đến độ bền và chất lượng cuả động cơ điện sau khi sửa chữa hoặc chế tạo. Có nhiều phương pháp kiểm nghiệm động cơ điện. Ở đây người nghiên cứu đã tiến hành tính toán kiểm nghiệm điện từ đối với động cơ điện không đồng bộ 3 pha sau khi chế tạo hoặc sửa chữa. 1
5. VI. Ý NGHĨA CỦA VIỆC TÍNH TOÁN VÀ KIỂM NGHIỆM Việc tính toán và kiểm nghiệm sẽ cho ta biết được những thông số của động cơ sau khi sửa chữa. Từ đó ta có thể đưa động cơ vào làm việc ở chế độ phù hợp. Những động cơ sau khi chế tạo cần phải kiểm tra điện từ để đảm bảo cho động cơ không bị quá nóng trong điều kiện làm việc bình thường, đảm bảo được những yêu cầu về thông số kĩ thuật trước khi xuất xưởng. 2
6. CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÂY QUẤN STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA MẤT SỐ LIỆU I. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN Trình tự tính toán áp dụng một trong các trường hợp như sau: . Tính toán lại dây quấn Stator của những động cơ mất lý lịch. . Tính toán lại số liệu dây quấn stator theo một số cực chọn trước, trong khi kết cấu ban đầu của động cơ được bố trí theo một giá trị số cực khác. . Tính toán hai bộ dây quấn bố trí chung trong cùng một lõi thép để động cơ có khả năng vận hành được 2 cấp tốc độ (tương ứng với hai giá trị 2p khác nhau). II. CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN ĐƯỢC THỰC HIỆN NHƯ SAU: BƯỚC 1: Xác định tham số cần thiết cho việc tính toán. Các tham số cần xác định. Kích thước lõi thép. Điều kiện thông gió, giải nhiệt, cấp cách điện. Sơ đồ ra dây, đấu dây và điện áp vận hành. Các tham số liên hệ về kích thước lõi thép Stator gồm có: Hình 2.1: Các kích thước chủ yếu của lõi thép Stator Dt : Đường kính trong lõi thép. L1 : Chiều dài của lõi thép. bg: Chiều cao gông lõi thép. br: Chiều rộng răng. 3
7. lg : Chiều rộng rãnh thông gió hướng kính (đối với động cơ điện có công suất lớn). Hình dạng và kích thước rãnh: ta có hai dạng rãnh thường gặp là hình thang hay quả lê (Ovalle) như hình vẽ: d1 d1 hr h hr h d2 d 2 Hình 2.2a: Rãnh hình thang Hình 2.2b: Rãnh quả lê Trong những động cơ có công suất lớn, lõi thép Stator chia thành nhiều thếp, ngăn cách giữa mỗi thếp là một khoảng trống, ta gọi khoảng trống này là rãnh thông gió hướng kính; chiều rộng của khoảng thông gió hướng kính là lg. Nếu L1 là chiều dài lõi thép kể cả các rãnh thông gió hướng kính, chiều dài thực của lõi thép dùng để tính toán là: L = L1-(Tổng chiều rộng các rãnh thông gió hướng kính). Các tham số về sơ đồ ra dây và đấu dây cho động cơ thường thuộc vào một trong các dạng sau đây: 6, 9, 12 đầu ra. BƯỚC 2 : Phỏng định số cực 2p. Gọi 2pmin là số cực nhỏ nhất ( thích hợp kết cấu sẵn có của động stator ). Dt 2pmin = ( 0,4 ÷ 0,5) . (2.1) bg BƯỚC 3: Lập mối quan hệ giữa từ thông qua một cực từ (Φ) và từ cảm qua khe hở không khí (Bδ): Φ = f(Bδ). Φ =αδ.( τ.L ).Bδ (2.2) Trong đó : ( τ.L ): diện tích mặt cực từ (m2) L: Chiều dài thực của lõi thép Stator (m) Φ: từ thông trung bình dưới bước cực (Wb) Bδ: Từ cảm trong khe hở không khí (T) αδ : hệ số cung cực từ (αδ = 0,7 ÷ 0,72) Bước cực từ  (m) được tính: 4
8. .D  t (2.3) 2p BƯỚC 4 : Xác định quan hệ giữa từ cảm qua gông lõi thép stator (Bg) và từ cảm qua khe hở không khí (Bδ). Bg f (B )  Bg (2.4) 2.bg.L.kc kc : hệ số ép chặt của lõi thép stator, thường kc = 0.93  0,95. BƯỚC 5 : Xác định quan hệ giữa từ cảm qua răng stator (Br) và từ cảm qua khe hở không khí ( Bδ ): Br = f (B ) .D t Br = .B (2.5) Z.b  r br: Chiều rộng của răng BƯỚC 6 : Lập quan hệ giữa Bδ , Bg và Br . Chọn Bgmax=1,4 (T) và Brmax= 1,5 (T). Từ biểu thức (2.4) và (2.5) ta có các giá trị Bδ tương ứng. Lấy giá trị Bδ trung bình và thay vào (2.2) ta được giá trị từ thông trung bình Φ (Wb). BƯỚC 7 : Chọn kiểu dây quấn và tính kdq sin q. đ 2 y 0 k k .k . sin .90 (2.6) dq r n  đ q.sin 2 Trong đó: q: Số rãnh phân bố cho mỗi pha trên mỗi khoảng bước cực. Z q 2.m.p đ : Góc lệch giữa 2 rãnh liên tiếp (tính theo đơn vị đo góc điện, lúc đó ta xem mỗi khoảng bước cực từ trải rộng trong không gian tương ứng với 1800 điện). 180 0 đ  y: Bước bối dây. Xác định bước bối dây:  Trường hợp dây quấn bước đủ y  ta có kn =1. Lúc đó hệ số dây quấn 1 lớp là: 5
9. đ sin q. 2 k (2.7) dq đ q.sin 2  Trường hợp dây quấn 2 lớp, q nguyên thì hệ số dây quấn được tính theo công thức (2.6). Bước dây quấn y được chọn trong khoảng 2/ 3 y  1 . BƯỚC 8 : Xác định tổng số vòng cho một pha dây quấn. . Gọi Npha : tổng số vòng của mỗi pha dây quấn (vòng/pha). . KE : Tỉ số giữa điện áp nguồn nhập vào mỗi pha dây quấn so với sức điện động cảm ứng trên bộ dây của mỗi pha . . Uđmpha : điện áp định mức cho mỗi pha . K .U E đmpha Ta có : Npha = (2.8) 4,44.f..k dq Thông thường KE phụ thuộc cấp công suất của động cơ và thuờng được cho theo diện tích mặt cực từ (τ.L): Quan hệ giữa KE và diện tích mặt cực từ (τ.L) 2 τ.L (cm ) 15 ÷50 50 ÷ 100 100 ÷ 150 150 ÷ 400 Trên 400 kE 0,75 ÷0,86 0.86 ÷0,9 0,9 ÷ 0,93 0,93 ÷0,95 0,96 ÷0,97 Khi tính xong Npha , điều chỉnh tròn số, sao cho Npha là bội số của tổng số bối dây chứa trong 1 pha và Npha là giá trị nguyên . Xác định số vòng mỗi bối dây trong pha Nb , ta có : Npha Nb = (2.9) Tổng số bối /pha/mạch nhánh song song Tổng số bối/pha được tính như sau:  Trường hợp dây quấn 1 lớp, q nguyên Z - Tổng số bối dây cho cả 3 pha luôn bằng bối dây. 2 Z 1 Z - Tổng số bối dây chứa trong mỗi pha luôn bằng: . bối 2 3 6 dây/pha.  Trường hợp dây quấn 2 lớp, q nguyên - Tổng số bối dây cho cả 3 pha luôn bằng Z bối dây. Z - Tổng số bối dây chứa trong mỗi pha luôn bằng: bối dây/pha. 3 BƯỚC 9 : Xác định tiết diện rãnh Stator Chọn hệ số lấp đầy klđ cho rãnh 6
10. Với các dạng rãnh trong hình 2.2, ta có công thức tính tiết diện rãnh Sr như sau: . Với rãnh hình thang : d d 1 2 Sr = .h (2.10) 2 . Với rãnh quả lê ( ovalle) ta có tiết diện Sr như sau : d d d  2 1 2 2 .d 2 Sr = . h - + (2.11) 2 2 8 Theo lý thuyết thiết kế máy điện, hệ số lắp đầy klđ được định nghĩa như sau: Tiết diện dây (không kể cách điện)/rãnh (2.12) klđ Tiết diện rãnh (Sr ) Ta có thể biểu diễn một dạng khác cho klđ như sau : n.ur .Nb.Scđ klđ (2.13) Sr Trong đó : n: số sợi chập. ur: số cạnh tác dụng chứa trong 1 rãnh . (Với dây quấn 1 lớp thì ur = 1, khi dùng dây quấn 2 lớp ur = 2). 2 Scđ: tiết diện dây kể cả cách điện (mm ). Thường chọn klđ = 0,36 ÷ 0,46 Từ (2.13) ta suy ra : klđ.Sr Scđ (2.14) n.ur .Nb Với dây dẫn có tiết diện tròn, gọi dcđ là đường kính 1 dây dẫn kể cả cách điện ta có: 4 d = .S 1,13. S (2.15) cđ cđ cđ Khi tìm được dcđ ta suy ra đường kính dây trần không kể cách điện là d, với: d = dcđ – 0,05 (mm) (2.16) Sau đó điều chỉnh trị số d đúng giá trị tiêu chuẩn, khi chỉnh d ta đã làm thay đổi klđ, nên cân nhắc để không thay đổi giá trị klđ quá mức đã chọn ban đầu . BƯỚC 10 : Chọn mật độ dòng điện J và suy ra dòng điện định mức (Iđmpha) mỗi pha dây quấn. Đối với động cơ có công suất trung bình, không chú ý đến kết cấu thông gió mà chỉ để ý đến cấp cách điện, ta có thể chọn J theo cấp cách điện như sau : J = 5,5 đến 6,5 A/mm2 (cấp A ) 7
11. J = 6,5 đến 7,5 A/mm2 (cấp B, E) Sau khi chọn J, ta định dòng điện định mức qua mỗi pha dây quấn theo mật độ dòng như sau : .d 2 I = n. .J.(Số mạch nhánh song song) (2.17) đmpha 4 BƯỚC 11 : Dựa theo hiệu suất động cơ ( η ) và hệ số công suất (cosφ) để xác định công suất định mức Pđm cho động cơ . Công suất động cơ được xác định bằng biểu thức: Pđm =3.Uđmpha . Iđmpha .η . cosφ (2.18) Thông thường ta chọn η 0,85 và cosφ 0,85 . BƯỚC 12: Xác định chu vi khuôn (CV) và khối lượng dây quấn (Wdây). - Muốn xác định chu vi khuôn, đầu tiên ta xác định hệ số KL Π  . .(Dt hr ) KL = (2.19) Z KL: Chiều dài phần đấu nối giữa 2 rãnh kề nhau γ : hệ số dãn dài đầu nối, phụ thuộc số cực 2p Sau khi tính xong KL, ta suy ra chu vi khuôn CV theo hệ thức : CV = 2.(KL.y + L’) (2.20) y: là bước bối dây L’: Chiều dài cạnh tác dụng cách điện rãnh có tính thêm phần cách điện lót dư ở 2 phía, theo công nghệ quấn dây ta có thể tính L' theo bề dài của lõi thép như sau: L’ = L + ( 5mm ÷ 10 mm ) (2.21) Quan hệ 2p theo 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 - Chiều dài mỗi pha dây quấn: Lpha = CV . Nb . (Tổng số bối /pha) (2.22) Từ đó, ta định ra khối lượng dây quấn cho bộ dây 3 pha, với dây quấn bằng đồng và dự phòng 10% sai số dư cho thi công . 2 3 n. .d -4 Wdây =1,1.(8,9kg/dm ).3Lpha. .10 (2.23) 4 Trong đó : [Wdây ] = [Kg] ; [L pha] = [dm] ;[d] = [mm ]. 8
12. CHƯƠNG III: ĐỒ THỊ VÒNG TRÒN CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I. ĐẠI CƯƠNG Để xác định các đặc tuyến của máy điện không đồng bộ ta có thể làm thí nghiệm kéo tải trực tiếp hoặc dựa vào mạch điện thay thế sau khi biết các tham số của máy. Thí nghiệm kéo tải trực tiếp đòi hỏi nhiều thiết bị và thời gian nhất là đối với máy lớn. Còn dựa vào mạch điện thay thế để tính toàn bộ các đặc tính thì khối lượng tính toán tương đối lớn và phức tạp. Vì vậy đơn giản nhất là thông qua thí nghiệm không tải và ngắn mạch rồi áp dụng cách vẽ đồ thị vòng tròn để xác định các đặc tính của máy điện không đồng bộ. Từ đồ thị vòng tròn ta có thể biết được qui luật biến thiên của các đại lượng điện từ và biết được tình hình làm việc của máy ở các chế độ động cơ điện, máy phát điện và chế độ hãm. Tuy vậy, phương pháp đồ thị vòng tròn có ưu và nhược điểm như sau: Nhược điểm: - Khi vẽ chưa xét đến tình trạng bão hoà lõi sắt làm thay đổi tổng trở từ hoá Zm và điện kháng tản. - Không xét đến ảnh hưởng của các sóng bậc cao của từ trường đối với mômen Do đó, những đặc tính tính toán được theo phương pháp này chưa được chính xác lắm. Ưu điểm: - Đồ thị vòng tròn cho ta biết được nhiều tính năng cơ bản của máy điện không đồng bộ. - Cách vẽ đơn giản. Vì vậy phương pháp này được coi là phương pháp có giá trị để phân tích tính năng của máy điện không đồng bộ. II. CÁCH XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VÒNG TRÒN Trong một mạch điện đơn giản gồm điện trở và điện kháng đặt dưới một điện áp không đổi, khi thay đổi điện trở thì quĩ tích dòng điện biến thiên là một đường tròn. Lợi dụng điều đó có thể vẽ đồ thị vòng tròn của máy điện không đồng bộ. 9
13. Trong mạch điện thay thế đơn giản hóa của máy điện không đồng bộ. Nếu z1 lấy C1 = 1 (ở động cơ điện nhỏ thì C1 ≠ 1 vì ≠ 0) thì giản đồ như hình3.1. z m ' Trong đó dòng điện sơ cấp đưa vào bằng tổng của 2 dòng điện İ0 và (İ 2 ). ' Ta có: İ1 = İ0 + (-İ 2 ). Hình 3.1: Mạch điện thay thế của máy điện không đồng bộ khi lấy C1 = 1. Dòng điện từ hóa İ0 chỉ phụ thuộc vào tham số Z1+ Zm. Do đó có thể xác định được bằng thí nghiệm. Trong thí nghiệm không tải, khi kéo rotor quay đến tốc độ đồng bộ, tức là s =0 thì ta được dòng điện từ hóa İ0 và biểu thị bằng vectơ OH trên hình 3.2. Điểm H được gọi là điểm làm việc đồng bộ. Hình 3.2: Cách xây dựng đồ thị vòng tròn 2 Công suất tiêu thụ trên mạch từ hóa lúc này chỉ gồm tổn hao đồng m1I 0 r1 2 và tổn hao sắt m1I 0 rm. Ta có công suất không tải lúc máy quay đồng bộ là: 10