Máy điện không đồng bộ

Lời nói đầu Kỹ thuật điện là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lý, tín hiệu… bao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử dụng điện năng, tín hiệu điện trong các sinh hoạt của con người. So với các hiện tượng vật lý khác như cơ, nhiệt, quang… hiện tượng điện từ được phát hiện chậm hơn vì các giác quan không cảm nhận trực tiếp được các hiện tượng này. Tuy nhiên, việc khám phá ra hiện tượng điện từ đã thúc đẩy mạnh mẽ cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật chuyển sang lĩnh vực điện khí hoá và tự động hoá. Các phát sinh, sáng chế liên tục ra đời thúc đẩy công nghiệp phát triển như vũ bão. Hàng loạt các máy móc, thiết bị điện được sản xuất, chế tạo giúp con người giải phóng lao động chân tay, thủ công, đưa nền sản xuất vào tự động hoá. Đồng thời, điện năng cũng phục vụ rất đắc lực cho con người trong mọi sinh hoạt. Để thực hiện việc biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại, người ta sử dụng các loại máy điện. Máy điện là một hệ điện từ bao gồm mạch từ và mạch điện liên quan đến nhau. Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ và khe hở không khí. Các mạch điện bao gồm hai hay nhiều dây quấn có thể chuyển động tương đối với nhau cùng với các bộ phận mang chúng. Từ nhu cầu tiêu dùng điện năng ngày càng cao nên máy điện càng được sử dụng nhiều trong cuộc sống. Máy điện được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế như công nghiệp, nông nghiệp,, giao thông vận tải… và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình. Vì vậy, trong chương trình học tại trường Đại học bách khoa hà nội, ngoài việc nghiên cứu lý thuyết, tất cả các sinh viên Viện khoa học và công nghệ nhiệt đều được bố trí 2 tuần thực tập tại xưởng điện nhằm nâng cao kiến thức thực tế và hiểu sâu sắc hơn về lý thuyết. Mỗi sinh viên đều có thể nắm vững kỹ thuật quấn và lồng dây của động cơ ba pha rôto lồng sóc và hiểu được nguyên lý vận hành cơ bản của chúng. Nội dung bản báo cáo gồm 2 phần chính: Phần 1: Cơ sở lý thuyết - Cơ sở lý thuyết máy điện - Máy điện không đồng bộ - Cơ sở thiết kế bộ dây quấn stato động cơ không đồng bộ - Kỹ thuật quấn dây. Phần 2: - Yêu cầu kỹ thuật - Công nghệ và số liệu kỹ thuật - Kết luận Em xin chân thành cảm ơn các thầy Nguyễn Quang Hùng – Nguyễn Huy Thiện đã tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập để hoàn thành tốt các bài thực tập kỹ thuật. Vì năng lực và thời gian có hạn, các bài tập cũng như bản báo cáo không thể tránh khỏi có những thiếu sót, em kính mong các thầy lượng thứ. Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên Phần 1: Cơ sở lý thuyết Bài 1: Cơ sở lý thuyết máy điện I. Giới thiệu chung về máy điện Máy điện là thiết bị điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Về cấu tạo, máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (dây quấn) dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc điện năng thành cơ năng (động cơ điện) hoặc dùng để biến đổi các thông số điện như điện áp, dòng điện, tần số pha… Sự biến đổi cơ điện trong máy điện dựa trên nguyên lý về điện từ. Nguyên lý này cũng đặt cơ sở cho sự làm việc của các bộ biến đổi cảm ứng dùng để biến đổi các thông số điện. Máy điện dùng làm máy biến đổi năng lượng là phần tử quan trọng nhất của bất cứ thiết bị điện năng nào. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh… Máy điện có nhiều loại, được phân loại theo nhiều cách khác nhau: phân loại theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dòng điện, theo nguyên lý làm việc… ở đây ta phân loại theo nguyên lý biến đổi năng lượng: * Máy điện tĩnh: Máy điện tĩnh thường gặp là các loại máy biến áp. Máy điện tĩnh làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có sự chuyển động tương đối với nhau. Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng. Do tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi có tính chất thuận nghịch. Ví dụ: máy biến áp có thể biến đổi điện năng có các thông số U1, I1, f1 thành điện năng có các thông số U2, I2, f2 và ngược lại. * Máy điện có phần động (quay hoặc chuyển động thẳng) Nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động, tương đối với nhau gây ra. Loại máy điện này thường dùng để biến đổi năng lượng. Ví dụ: biến điện năng thành cơ năng (động cơ điện) hoặc biến cơ năng thành điện năng (máy phát điện). Trong quá trình biến đổi có tính chất thuận nghịch nghĩa là máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát hoặc động cơ điện. Máy điện tĩnh Máy điện Máy điện có phần quay Máy điện xoay chiều Máy điện một chiều Máy điện không đồng bộ Máy điện đồng bộ Máy biến áp Động cơ không đồng bộ Máy phát không đồng bộ Động cơ đồng bộ Máy phát đồng bộ Động cơ 1 chiều Máy phát 1 chiều Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường dùng II. Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện Máy điện có tính thuận nghịch nghĩa là có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện. 1. Chế độ máy phát điện Cho cơ năng của động cơ sơ cấp tác dụng vào thanh dẫn 1 lực cơ học Fe, thanh dẫn sẽ chuyển động với tốc độ v trong từ trường của nam châm NS trong thanh dẫn sẽ cảm ứng một sức điện động e. Nếu nối 2 cực của thanh dẫn điện trở R của tải thì dòng điện i chạy trong thanh dẫn sẽ cung cấp điện cho tải. Nếu bỏ qua điện trở thanh dẫn thì điện áp đặt vào tải u = e. Công suất điện máy phát cung cấp cho tải là p = ui = ei. Dòng điện i nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ Fđt = B . i . l có chiều như hình vẽ. Khi máy quay với tốc độ không đổi, lực điện từ sẽ cân bằng với lực cơ của động cơ sơ cấp Fe = Fđt đ Fe.v ị B . i . l . v = ei Như vậy công suất cơ của động cơ sơ cấp đã được biến đổi thành công suất điện nghĩa là cơ năng đã được biến đổi thành điện năng. 2. Chế độ động cơ điện Cung cấp điện cho máy điện, điện áp U của nguồn điện sẽ gây ra dòng i trong thanh dẫn. Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ Fđt = B.i.l tác dụng lên thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v. Công suất điện đưa vào động cơ p = ui = ei = Bilv = Fđt.v Như vậy, công suất điện đưa vào động cơ đã biến thành công suất cơ trên trục Pe = Fđt.v. Điện năng đã biến thành cơ năng. Ta thấy, cùng một thiết bị điện từ, tuỳ theo dạng năng lượng đưa vào mà máy điện có thể làm việc ở chế độ máy phát điện hoặc động cơ điện. Đây chính là tính chất thuận nghịch của mọi loại máy điện. II. Sơ lược về các vật liệu chế tạo máy điện. Các vật liệu dùng để chế tạo có thể chia làm 3 loại: - Vật liệu tác dụng - Vật liệu kết cấu - Vật liệu cách điện 1. Vật liệu tác dụng Đây là vật liệu dẫn từ và dẫn điện. Các vật liệu này được dùng để tạo điều kiện cần thiết sinh ra các biến đổi điện từ. a. Vật liệu dẫn từ. Để chế tạo mạch từ của máy điện, người ta thường dùng các loại thép khác nhau như thép lá kỹ thuật điện, thép lá thường, thép đúc, thép rèn. Gang ít được dùng vì dẫn từ không tốt lắm. Người ta chủ yếu sử dụng thép lá kỹ thuật điện có hàm lượng silic khác nhau nhưng không được vượt quá 4,5%. Hàm lượng silic này dùng để hạn chế tổn hao do từ trễ, tăng điện trở của thép để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. Người ta hay sử dụng các lá thép dày 0,50 mm dùng trong máy điện quay, ghép lại làm lõi thép để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Tuỳ theo cách chế tạo người ta phân lá thép kỹ thuật điện làm 2 loại: Cán nóng và cán nguội. Loại cán nguội có đặc tính từ tốt hơn như độ từ thẩm cao hơn, tổn hao thép ít hơn loại cán nóng. Thép lá cán nguội lại chia làm 2 loại: đẳng hướng và vô hướng. Loại đẳng hướng có đặc điểm là dọc theo chiều cán thì tính năng từ tính tốt hơn hẳn so với ngang chiều cán, do đó, thường được sử dụng trong máy biến áp còn loại vô hướng thì đặc tính từ đều theo mọi hướng nên thường được dùng trong máy điện quay. Ví dụ: Thép cán nóng $21, $31A; Thép cán nguội: $410, $310 Chữ $ chỉ thép kỹ thuật điện Chữ A chỉ tổn hao thấp Chữ O chỉ thép cán nguội Chỉ số thứ nhất chỉ hàm lượng silic Chỉ số thứ hai chỉ tổn hao riêng của các loại thép ở đoạn mạch từ có từ thông biến đổi với tần số 50Hz thường dùng lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 á 0,5 mm trong thành phần thép có từ 2 á 5 silic. ở đoạn mạch từ có từ trường không đổi thường dùng thép đúc, thép rèn hoặc thép lá. b. Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện dùng để chế tạo các bộ phận dẫn điện. Vật liệu dẫn điện dùng trong máy tốt nhất là đồng vì giá thành không đắt lắm và có điện trở suất nhỏ. Ngoài ra còn dùng nhôm và các hợp kim khác nhau như đồng thau… Để chế tạo dây quấn ta thường dùng đồng đôi khi nhôm. Dây đồng và dây nhôm được chế tạo theo tiết diện tròn hoặc chữ nhật, có bọc cách điện khác nhau như vải, sợi thuỷ tinh, giấy, nhựa hoá học, sơn emay. Với các loại máy có công suất nhỏ và trung bình, điện áp dưới 700 V thường dùng sơn emay vì lớp cách điện của dây mỏng, đạt độ bền yêu cầu. Đối với các bộ phận khác như vành đổi chiều, lồng sóc hoặc vành trượt, ngoài đồng, nhôm người ta còn dùng cả các hợp kim của đồng hoặc nhôm hoặc có chô dùng cả thép để tăng độ bền cơ học và giảm kim loại màu. 2. Vật liệu kết cấu Vật liệu kết cấu là vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết chịu tác động cơ học như trục, ổ trục, vỏ máy, nắp máy, các bộ phận và chi tiết truyền động hoặc kết cấu của máy theo các dạng cần thiết, đảm bảo cho máy điện làm việc bình thường. Người ta dùng gang thép, các kim loại màu, hợp kim, các vật liệu bằng chất dẻo. 3. Vật liệu cách điện Để cách điện các bộ phận mang điện trong máy người ta sử dụng vật liệu cách điện. Trong máy điện, vật liệu cách điện phải có cường độ cách điện cao, chịu nhiệt tốt, tản nhiệt tốt, chống ẩm và bền về cơ học. Đồ bền vững về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho phép của dây và do đó quyết định tải của nó. Nếu tính năng chất cách điện càng cao thì lớp cách điện có thể mỏng và kích thước của máy giảm. Chất cách điện của máy điện chủ yếu ở thể rắn, gồm 4 nhóm: - Chất hữu cơ thiên nhiên như giấy, vải, lụa… - Chất vô cơ như amiăng, mica, sợi thuỷ tinh… - Các chất tổng hợp - Các loại men, sơn cách điện Chất cách điện tốt nhất là mica song tương đối đắt nên chỉ dùng trong các máy có điện áp cao, do đó thường dùng các vật liệu có sợi như giấy, vải…Chúng có độ bền cơ học tốt, rẻ tiền nhưng hút ẩm kém, dẫn nhiệt kém, cách điện kém. Vì vậy, dây dẫn cách điện sợi phải được sấy, tẩm để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện. Ngoài ra còn có chất cách điện ở thể khí (không khí, hydrô, khí trơ) hoặc thể lỏng (dầu máy biến áp). Vật liệu khí: không khí là một chất cách điện tốt, tuy nhiên để cách điện tốt hơn người ta thường dùng khí trơ. Hyđrô được sử dụng trong trường hợp cần cách điện và làm mát bên trong vật liệu. Vật liệu lỏng: Đây là loại vật liệu cách điện rất quan trọng trong máy điện vì nó có thể len lỏi vào các khe hở rất nhỏ và còn có thể sử dụng để dập hồ quang. Căn cứ vào độ bền nhiệt, vật liệu cách điện được đưa ra nhiều loại, cấp cách điện như sau: Cấp cách điện Vật liệu Nhiệt độ vật liệu giới hạn cho phép Nhiệt độ thiết bị dây quấn cho phép A Sợi xenlulô, bông hoặc tơ tẩm trong vật liệu hữu cơ lỏng 1050C 1000C E Vài loại màng tổng hợp 1200C 1150C B Amiăng, sợi thuỷ tinh có chất kết dính vật liệu gốc mica 1300C 1200C F Amiăng, vật liệu gốc mica, sợi thuỷ tinh có chất kết dính và tẩm tổng hợp 1550C 1400C H Vật liệu gốc mica, amiăng, sợi thuỷ tinh phối hợp chất kết dính và tẩm silic hữu cơ 1800C 1650C IV. Phát nóng và làm máy phát điện Trong quá trình làm việc có tổn hao công suất. Tổn hao năng lượng trong máy điện gồm tổn hao sắt từ (do hiện tượng từ trễ và dòng xoáy) trong thép, tổn hao đồng trong điện trở dây quấn và tổn hao do ma sát (ở máy điện quay). Tất cả tổn hao năng lượng đều biến thành nhiệt năng làm nóng máy điện. Khi đó do tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động lý hoá khác, lớp cách điện sẽ bị bão hoà nghĩa là mất dần các tính bền về điện và cơ. Thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ cho phép 8 á 100C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa. ở nhiệt độ làm việc cho phép, độ tăng nhiệt của các phần tử không vượt quá độ tăng nhiệt cho phép, tuổi thọ trung bình của vật liệu cách điện vào khoảng 10 á 15 năm. Khi máy làm việc quá tải, độ tăng nhiệt độ sẽ vượt quá nhiệt độ cho phép. Vì vậy khi sử dụng máy điện cần tránh để máy quá tải làm nhiệt độ tăng cao trong một thời gian dài. Để làm mát máy điện phải có biện pháp tản nhiệt ra ngoài môi trường xung quanh. Sự tản nhiệt không những phụ thuộc vào bề mặt làm mát của mặt máy mà còn phụ thuộc vào sự đối lưu của không khí xung quanh hoặc của môi trường làm mát khác như dầu máy biến áp… Thông thường, vỏ máy điện được chế tạo có các cách tản nhiệt và máy điện có hệ thống quạt gió để làm mát. Bài 2: Máy điện không đồng bộ I. Khái niệm chung Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ quay của rôto n khác với tốc độ quay của từ trường n1. Máy điện không đồng bộ có 2 dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp) nối với lưới điện tần số không đổi f1, dây quấn rôto (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc khép kín trên điện trở. Dòng điện trong dây quấn rôto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ f2 phụ thuộc vào rôto nghĩa là phụ thuộc vào tải ở trên trục của máy. Cũng như các 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. II. Phân loại và kết cấu 1. Phân loại Máy điện không đồng bộ có nhiều loại, được phân loại theo nhiều cách khác nhau: theo kết cấu của vỏ, theo kết cấu của rôto, theo số pha trên dây quấn stato… * 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… * Theo kết cấu của rôto: máy điện không đồng bộ chia làm 2 loại: loại rôto kiểu dây quấn và loại rôto kiểu lồng sóc. * Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia làm 3 loại: 1 pha, 2 pha, 3 pha. 2. Kết cấu Giống như những máy quay khác, máy điện không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau: 2.1. Stato: Stato là phần tĩnh gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn. Ngoài r còn có vỏ máy, nắp máy. a. Lõi thép Lõi thép được ép trong vỏi máy làm nhiệm vụ dẫn từ. Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Vì từ trường đi qua lõi thép lá, từ trường quay lên để giảm tổn hao lõi thép được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại. Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng xoáy gây nên. b. Dây quấn Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ) và được đặt trong các rãnh của lõi thép. Kiểu dây quấn, hình dạng và cách bố trí dây quấn sẽ được trình bày chi tiết trong bài sau. c. Vỏ máy Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc gang dùng để cố định lõi thép và dây quấn cũng như cố định máy trên bệ, không dùng để làm mạch dẫn từ. Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000 kw) thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau. Kiểu vỏ hở, vỏ bảo vệ, vỏ kín hay vỏ phòng nổ… Hai đầu vỏ có nắp máy và ổ đỡ trục. Vỏ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy. 2.2. Rôto Rôto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy a. Lõi thép Nói chung người ta sử dụng lá thép kỹ thuật điện như ở stato. Lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía ngoài của lá thép xẻ rãnh để đặt dây quấn. b. Dây quấn rôto Có 2 loại chính: rôto lồng sóc và rôto dây quấn - Loại rôto kiểu dây quấn: rôto có dây quấn giống như dây quấn stato. Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng 2 lớp vì bớt được những đầu dây nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm 1 lớp. Dây quấn ba pha của rôto thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường được làm bằng đồng đặt cố định ở 1 đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm của loại động cơ điện rôto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rôto 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 rôto được nối ngắn mạch. - Loại rôto kiểu lồng sóc: Kết cấu của loại dây quấn này rất khác so với dây quấn stato. Trong mỗi rãnh của lõi thép rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi thép và được nối tắt lại 2 đầu bằng 2 vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành 1 cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. ở các máy công suất nhỏ, lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép rôto tạo thành thanh nhôm 2 đầu đúc vòng ngắn mạch và cánh quạt làm mát. Dây quấn rôto lồng sóc không cần cách điện với lá thép. Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rôto có thể làm thành rãnh sâu hoặc làm thành 2 rãnh lồng sóc (rãnh lồng sóc kép). Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto thường được làm chéo đi một góc so với tầm trục. Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc bảo đảm. Động cơ rôto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành cao và vận hành kém tin cậy hơn rôto lồng sóc nên chỉ dùng khi động cơ rôto lồng sóc không đáp ứng các yêu cầu về truyền động. 2.3. Khe hở Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (0,2 á 1 mm trong máy điện cỡ vừa và nhỏ) để hạn chế dòng điện từ hoá và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn. III. Công dụng của máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu làm động cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là một loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến vài nghìn Kw. Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho các máy cán thép vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong các hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay gia công nông sản. Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh… Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản xuất, điện khí hoá và tự động hoá, phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi. Tuy vậy, máy điện không đồng bộ cũng vẫn có những nhược điểm như hệ số cosj của máy thường không cao, đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của máy điện không đồng bộ có phần bị hạn chế. Máy điện không đồng bộ có thể dùng làm máy phát điện nhưng đặc tính không tốt lắm so với máy phát điện đồng bộ nên chỉ trong một vài trường hợp đặc biệt nào đó (như trong quá trình điện khí hoá nông thôn) cần nguồn điện phụ hay tạm thời thì nó cũng có ý nghĩa quan trọng. IV. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ Khi trong lõi thép stato của máy điện không đồng bộ, ta tạo một từ trường quay với tốc độ f: tần số dòng điện lưới đưa vào p: số cặp cực thì từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi thép rôto và cảm ứng trong dây quấn đó sức điện động và dòng điện. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn tác dụng với từ thông khe hở sinh ra mômen, tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rôto. Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Khi rôto quay thuận với từ trường quay nhưng tốc độ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ thì dòng điện sinh ra trong dây quấn rôto cùng chiều với sức điện động và tác dụng từ trường tổng trong khe hở sinh ra lực F và mômen M kéo rôto quay theo chiều từ trường quay. Điện năng đưa tới rôto đã biến thành cơ năng liên tục, nghĩa là máy điện làm việc trong chế độ động cơ. Những máy chỉ làm việc ở chế độ này khi n < n1 vì khi đó mới có sự chuyển động tương đối giữa từ trường và dây quấn rôto và như vậy trong dây quấn rôto mới có dòng điện và mômen kéo rôto quay. Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy của máy cũng khác nhau. - Khi rôto quay thuận và nhanh hơn tốc độ đồng bộ dùng một động cơ sơ cấp nào đó quay rôto của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1, khi đó chiều của từ trường quay quét qua dây dẫn sẽ có chiều ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây dẫn rôto cũng đổi chiều nên chiều của mômen cũng ngược chiều quay của n1 nghĩa là ngược với chiều của rôto nên đó là mômen hãm. Máy điện đã biến cơ năng tác dụng liên tục 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. - Khi rôto quay ngượcvới chiều từ trường quay thì chiều của sức điện động, dòng điện và cả mômen vẫn giống như lúc ở chế độ động cơ điện. Vì mômen sinh ra ngược với chiều quay của rôto nên có tác dụng hãm rôto đứng lại. Trong trường hợp này, máy điện vừa lấy điện năng ở lưới điện vào vừa lấy cơ năng ở động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ. Bài 3: Cơ sở thiết kế bộ dây quấn stato động cơ không đồng bộ I. Khái niệm và các thông số cơ bản 1. Số cặp cực p Được hình thành bởi một cuộn dây hay nhóm cuộn dây và được đấu dây sao cho khi có dòng điện đi qua sẽ tạo được các cặp cực N-S xen kẽ kế tiếp nhau trong cùng 1 pha. Khoảng cách từ tâm cực từ này đến tâm cực từ kế tiếp được gọi là bước cực từ T. Bước từ T còn được hiểu là khoảng cách nhất định hay góc độ điện giữa pha A, pha B, pha C. Trong tính toán T được tính theo đơn vị rãnh và xác định bằng công thức: (rãnh) Trong đó: Z là tổng số rãnh được dập trên stato 2. Cuộn dây Có thể là 1 hoặc nhiều vòng, khi cuộn dây được bố trí trên stato thì chia làm các cạnh dây và các đầu dây (đầu ra, đầu vào) Bước dây quấn là khoảng cách giữa 2 cạnh dây của cuộn dây đang được bố trí trên stato và được tính theo đơn vị rãnh, ký hiệu là y. So sánh bước dây quấn với bước cực từ ta có: + Bước đủ: y = T + Bước ngắn: y < T + Bước dài: y > T 3. Các thông số khác - m: số pha của động cơ - a: số mạch nhánh song song trong máy - q: số rãnh tác động lên 1 cực 4. Nhóm cuộn dây Quấn dây trong máy điện nhìn chung có thể được thực hiện với 2 loại nhóm dây - Nhóm cuộn dây đồng tâm - Nhóm cuộn dây đồng khuôn a. Nhóm cuộn dây đồng tâm Nhóm cuộn dây đồng tâm được hình thành bởi nhiều cuộn dây có bước cuộn dây khác nhau và được mắc nối tiếp với nhau theo cùng một chiều cuốn. Các cạnh dây của mỗi cuộn chiếm các rãnh kề cận nhau để tạo thành cực từ. Để tạo hình nhóm cuộn dây đồng tâm người ta quấn liên tiếp các dây dần theo cùng một chiều quấn lên trên một bộ khuôn có kích thước khác nhau và đặt đồng tâm trên cùng 1 trục quấn. Ưu điểm của cách quấn dây này là dễ lắp đặt cuộn dây vào stato nhưng có nhược điểm là các đầu cuộn dây choán chỗ nhiều hơn so với cách quấn khác. Dạng nhóm cuộn dây đồng tâm thường phổ biến trong các động cơ điện công suất nhỏ. b. Nhóm cuộn dây đồng tâm Nhóm cuộn dây này có bước của các cuộn dây đều bằng nhau nên chúng cũng có một khuôn định hình. Các cuộn dây này được bố trí trên stato ở các rãnh kế tiếp nhau để tạo rãnh cực từ. Thông thường, bước cuộn dây trong nhóm cuộn dây đồng khuôn đều là bước ngắn nên có ưu điểm: ít tốn dây, thu gọn các đầu cuộn dây. Tuy nhiên để đạt yêu cầu thu gọn, các đầu cuộn dây ít choán chỗ thì việc lắp bộ dây cuốn dạng này khó khăn hơn và tốn nhiều thời gian hơn so với nhóm đồng tâm. II. Cách đấu giữa các nhóm cuộn dây Khi thiết lập sơ đồ bộ dây quấn trên động cơ ba pha, các nhóm dây có thể đấu để tạo các từ cực thật hoặc các từ cực giả tuỳ theo sự bố trí của nhóm cuộn dây trong cùng 1 pha. 1. Đấu dây các nhóm tạo các từ cực thật Trong cách đấu này các nhóm dây cùng 1 pha được bố trí sát nhau và nối dây giữa các nhóm sao cho dòng điện qua các nhóm tạo thành các cực từ N-S xen kẽ nhau. Đặc điểm của cách đấu này là số nhóm cuộn dây trong một pha bằng số cặp cực. Khi đấu dây có thể áp dụng nguyên tắc “đầu - đầu”, “cuối – cuối”. 2. Đấu dây các nhóm tạo các từ cực giả Khi muốn đấu dây tạo các cực từ giả tức là các cực từ cùng dấu người ta phải bố trí các nhóm dây trong cùng 1 pha phải cách xa nhau ít nhất là 1 rãnh trống. Khi đấu dây áp dụng nguyên tắc “đầu – cuối” bằng cách nối đầu của nhóm này với cuối của nhóm kế tiếp. Đặc điểm của cách đấu này là số nhóm cuộn dây trong 1 pha bằng nửa số cặp cực và cách đấu này chỉ áp dụng khi 2p > 2. Khi các cụm dây của cùng 1 pha nằm ở những vị trí khác nhau trên thân máy thì ta gọi đó là dây quấn tâp trung. Nếu ta tách nhỏ các phần tử dây cuốn tập trung và rải đều trên thân máy thì ta sẽ có dây quấn phân tán. III. Cách dựng sơ đồ dây quấn động cơ 3 pha * Muốn dựng sơ đồ dây quấn động cơ ba pha ta cần phải xác định các thông số cơ bản sau của stato: - Dạng dây quấn định thiết kế - Tổng số rãnh Z của stato - Số cặp cực 2p và sự phân bố của dây trên stato * Các bước thành lập - Xác định bước cực từ: T = Z/2p - Tính số cạnh dây của mỗi cực, của mỗi pha: q = Z/3.2p - Tiến hành dựng sơ đồ theo các bước: + Kẻ các đường song song và đánh số tương ứng với số rãnh của stato + Trải số cạnh dây/ cực/ pha cho phân bố đều tại các trục cực từ và xác định chiều dòng điện điện theo chiều đầu vào. + Căn cứ vào dạng dây quấn định dựng vẽ các đầu cuộn dây nối liền các cạnh dây lại thành hình dạng nhóm cuộn và nối dây giữa các nhóm cuộn pha sao cho chiều dòng điện của cùng 1 bối trên các cạnh dây kế tiếp không được ngược chiều nhau. + Dựa vào độ lệch pha a = Z/3p, xác định rãnh khởi đầu của pha B và vẽ tương tự. + Cuối cùng vẽ pha C tương tự pha B và cách pha B độ lệch pha a. * Các ví dụ: j Thành lập sơ đồ dây quấn đồng khuôn tập trung 1lớp có z = 24, 2p = 4, y = 6, q = 2. k Thành lập sơ đồ dây quấn đồng đồng khuôn phân tán 1 lớp có z = 24, 2p = 4, y = 5, q = 2 l Thành lập sơ đồ dây quấn đồng tâm tập trung 1 lớp có: z = 36, 2p = 4, y = 9, q = 3 Bài 4: kỹ thuật quấn dây I. Chuẩn bị khuôn Dùng khuôn quả trám có các kích thước: + a: bằng một cung ở 1/2 chiều cao của răng tính từ tâm rãnh cạnh tác dụng thứ nhất đến cạnh tác dụng thứ hai của cùng một phần tử. + b: Mỗi bên lấy 1/2 chiều sâu của nắp máy + h: chiều cao của lõi sắt + 3 cm Khuôn này thường dùng cho dây quấn đồng khuôn. Nếu là dây quấn đồng tâm phải có thêm 2 cổ lỗ nữa. Hai cổ lỗ này liền nhau và cách nhau bằng 1 bước rãnh trên stato. II. Dụng cụ lắp đặt dây Khi lắp bộ dây quấn vào các rãnh của stato cần phải có các dụng cụ chuyên dùng: búa, kéo, kìm, dao tre… III. Kỹ thuật cách điện rãnh Cách điện rãnh nhằm mục đích cách điện giữa cuộn dây với stato để tránh chạm masse và phải có hình dạng của rãnh để ôm sát vào rãnh thuận tiện cho việc vào dây. - Yêu cầu cách điện + Những vật dẫn điện phải được cách điện trọn vẹn trong vật liệu cách điện + Khi sử dụng vật liệu cách điện phải đảm bảo độ bóng của vật liệu tránh xước xát, gãy dập… Có 2 dạng cách điện: + Cách điện vỏ + Cách điện pha * Cách điện vỏ - Lớp thứ nhất là lớp giấy dày 0,3 mm có chiều rộng bằng diện tích rãnh và chiều dài bằng chiều dài của rãnh + 3 cm. Mỗi đầu của lớp giấy này được gập lại 0,75 cm để chống xê dịch. - Lớp thứ hai là lớp giấy dày 0,1mm có chiều rộng lớn hơn lớp giấy 0,3 mm một khoảng bằng 2 bản rãnh hai bên và có chiều dài bằng chiều dài lớp giấy 0,3 mm sau khi đã gập hai đầu. * Cách điện pha - Dùng một miếng giấy dày ( ³ 0,3 cm) có chiều dài bằng a, chiều cao bằng b, một đầu cắt tròn theo hình của đầu bối dây để cách điện giữa các bối dây trong các pha khác nhau. IV. Cách lắp dây vào rãnh Khi vào dây phải vuốt thẳng, tránh bị xây xước. Nếu như trong bối dây có mối nối ta phải cạo sạch lớp sơn cách điện ở trên hai đầu dây chỗ nối, nối dây thật chặt để đảm bảo khi động cơ làm việc mối nối không bị lỏng làm cho 2 đầu dây không tiếp xúc với nhau dẫn đến bối dây bị hở, động cơ sẽ không làm việc được. Khi cuốn dây phải chú ý đưa mối nối lên đầu bối dây và dùng gen cách điện để đảm bảo an toàn. Trước khi lắp dây vào rãnh nên chọn vị trí các nhóm cuộn sao cho thuận lợi nhất và có mỹ thuật. Thường chọn vị trí các nhóm sao cho đầu ra các bối dây ở gần phía hộp cực. Cần chú ý phần đầu cuộn che lấp các lỗ xỏ bu lông, giảm khó khăn khi lắp rôto. Phải kiểm tra thông mạch, đấu đúng cực tính sao cho động cơ chạy được. Thường khi đặt dây vào máy ta phải kiểm tra thông mạch ngay từ bối dây đầu tiên đồng thời kiểm tra sự chạm mase giữa bối dây và vỏ máy. Quy định chung; Đấu máy 220/380 – D/Y 1. Lắp nhóm cuộn dây đồng tâm Chọn vị trí đầu tiên sẽ lắp dây vào, nắn cuộn dây sao cho thu gọn vừa lọt lòng stato. Sau khi đặt cuộn bé nhất của bối dây thứ nhất vào stato, cẩn thận đưa từng lượng nhỏ dây nằm gần miệng rãnh cho vào rãnh. Nếu thấy lượng dây đưa vào rãnh đã hơi choán chỗ, dùng dao tre dạt dây cho song hàng rồi nêm chặt xuống. Khi dây đã cho vào rãnh hết, gạt lớp cách điện miệng rãnh. Chú ý: nén chặt lớp cách điện này vị khe hở giữa rôto và stato là rất nhỏ, nếu ta không nén chặt thì rôto sẽ không thể quay được. Chú ý luôn vào bin dây nhỏ trước, bin dây lớn sau để thuận tiện cho việc vào dây. Với mỗi bin dây đã vào cần cân đối hai đầu cuộn dây rồi uốn các đầu cuộn dây sao cho cong vòng xuống để rộng chỗ cho nhóm cuộn dây lắp sau. Sau khi vào hết các bối dây theo sơ đồ đã thành lập ta mới vào các cạnh chờ cuối cùng. 2. Lắp dây nhóm cuộn dây đồng khuôn Đối với dạng dây cuốn đồng khuôn ta cũng phải thực hiện các cạnh chờ để sau khi vào hết các bối dây thì mới được hạ xuống. Kỹ thuật vào dây cũng tương tự như trên nhưng cần chú ý đối với dạng dây quấn đồng khuôn phải luôn lót giấy cách điện giữa các bối của các pha để đạt được sự cách điện pha hoàn toàn. V. Đai bộ dây quấn Sau khi đã uốn nắn định hình bộ dây quấn, thực hiện nối đấu dây giữa các bối, giữa các đầu ra với dây dẫn mềm bọc cách điện. Sau đó định vị nơi tập trung đưa dây ra hộp cực. Cuối cùng tiến hành đai bộ dây quấn để cho bộ dây quấn vững chắc. Phần 2: Công nghệ và số liệu kỹ thuật Các bài tập thực hành I. Yêu cầu Bài tập 1. Thực hiện bài dây quấn đồng khuôn phân tán một lớp: z = 24, y = 5, q = 2, 2p = 4. Bài tập 2: Thực hiện bài dây quấn đồng tâm tập trung một lớp: z = 36, y = 9, q = 3, 2p = 4. II. Thực hành 1. Bài tập 1 * Cuộn dây: - Cuộn riêng từng bối một - Tổng số là 12 bối, mỗi bối có 55 vòng - Đo thông mạch kiểm tra từng cuộn - Chuẩn bị giấy cách điện và các dụng cụ để vào dây. * Vào dây: - Ta vào dây sao cho một cạnh đè lên hai cạnh trước. Cạnh sau này và cạnh trước lại tạo thành hai cạnh mới để đặt tiếp cạnh khác đè lên chúng. - Đầu tiên ta chọn một rãnh bất kỳ quy định đó là cạnh 1. Ta vào dây 2 cạnh là cạnh số 2 và cạnh số 4 trước, hai cạnh còn lại của 2 bối đó để chờ. Bối thứ nhất vào vị trí 1 và 6, tiếp tục bối thứ hai vào rãnh 3 và 8. Cứ như vậy ta vào tiếp các bối còn lại cho đến hết rồi đặt nốt 2 cạnh chờ xuống rãnh 21 và 23 là xong. - Vào dây được rãnh nào ta nhét giấy cách điện, nắn tròn và ép luôn bối dây đó xuống đồng thời kiểm tra luôn xem có thông mạch và chạm vỏ không để có biện pháp xử lý luôn. - Sau khi đã vào dây và nhét lớp cách điện 0,1 mm xong, ta tiến hành lót cách điện pha và dùng dao tre nắn cho các bối dây nằm ép sát vào nhau gọn gàng. Vì bài tập này không yêu cầu chạy máy nên không cần đai máy. * Đấu máy - Chọn một đầu của một bối bất kỳ quy định là pha A. Đấu đầu cuối bối A1 với đầu cuối bối A2, đầu vào bối A2 đấu với đầu vào của bối A3, đầu cuối bối A3 đấu với cuối bối A4 đầu còn lại của bối A4 là đầu X. Từ pha đầu vào pha A ta cách ra 3 rãnh đến rãnh thứ 4 là đầu vào của pha B. Từ pha B tương tự như pha A. Tương tự như pha B ta đấu pha C và hoàn thành bài tập. * Nhận xét - Ưu điểm: Hoàn thành cuốn và lắp đặt sớm. Đã biết xác định cực tính cho pha A tìm được pha C và đấu pha C nhanh đạt yêu cầu. - Khuyết điểm: Do bài tập đầu còn bỡ ngỡ, kỹ thuật chưa thành thạo, dây cũ nhiều mối nối nên các bối dây còn chưa gọn, hình thức lắp đặt chưa được đẹp mắt. Khi tập đấu dây do không chú ý nên có nhiều rãnh lớp giấy 0,1 mm không được ép chặt. 2. Bài tập 2 * Yêu cầu - Dòng mở máy: Imm = 4 A - Dòng điện pha: IA = IB =IC = 1,3 A - Tốc độ : 1480 v/p * Kỹ thuật - Quấn dây: Mỗi bin 70 vòng, bắt đầu quấn từ cuộn nhỏ nhất đến cuộn lớn nhất. Cố định ở mỗi bin bằng các dây đồng cho khỏi bị rối. Khi cuốn dây phải chú ý đưa các mối nối lên đầu các bin, cạo sạch và nối chặt hai đầu dây để chúng tiếp xúc nhau. Nếu có mối nối cũ phải bỏ gel cách điện ra, cạo sạch chỗ nối và nối lại. - Vào dây + Dựa vào sơ đồ để xác định các cạnh chờ và chiều lồng dây. + Đặt các cạnh chờ 45,6 xuống sau đó vào bối thứ nhất ở vị trí 1, 2, 3 và 10, 11, 12 đè lên cạnh chờ 4, 5, 6. Cứ tiếp tục hạ đến bối cuối cùng và đặt cạnh chờ 31, 32, 33 xuống. Thường thì ta xác định cực tính của chúng và tiến hành vào bối nhỏ trước. + Đặt dây vào rãnh nào thì tiến hành nhét giấy cách điện luôn vào rãnh đó. Sau đó nắn tròn các đầu bin dây từ cuộn nhỏ đến cuộn lớn. Nhét giấy cách điện ba pha vào 2 đầu rồi nắn dẹp, tròn đều để khi vào không bị chạm dây. + Đấu dây theo sơ đồ đã có: Khi đấu máy xong ta xác định được 6 đầu là A, B, C và X, Y, Z ta chọn 3 dây cùng màu khác. + Sau khi vào dây xong, dùng dây sợi đai máy cho gọn gàng. Chỉnh lại lớp giấy cách điện, sửa lại các bối dây cho hoàn chỉnh để lắp rôto và chuẩn bị chạy máy. Imm(A) IA(A) IB(A) IC(A) UA(V) UB(V) UC(V) h (v/p) > 5 1,9 1,6 1,9 215 215 215 1460 Nhận xét: + Ưu điểm: - Hoàn thành bài tập đúng thời gian quy định. - Máy đã hoạt động và cho số liệu tuy số liệu không được như yêu cầu đề ra. - Mặc dù dây xấu, nhiều mối nối, thiếu đồng dây bọn em (nhóm 9) đã hết sức tuỳ cơ ứng biến đã góp nhặt những dây thừa của các nhóm để đủ dây sử dụng và cho máy hoạt động, cũng như sự động viên và châm chước của 2 Thầy bộ môn xưởng điện đã giúp nhóm em hoàn thành bài tập này… Chúng em xin chân thành cảm ơn hai Thầy. + Khuyết điểm:- Do chủ quan trong lúc quấn dây, không kiên trì cạo những lớp oxi hoá của mối nối nên lúc thử máy có phần rò điện của 1 pha. - Khi lắp rôto máy chạy rung và có khói là do trong lúc nhét giấy không kỹ thuật nên rôto chạy chưa được đạt yêu cầu - Chúng em không lắng nghe kỹ lý thuyết nên có nhiều lúc nối dây các pha có phần sai sót nhưng đã chỉnh sửa lại cho chính xác hơn. Mục lục