Tính toán và kiểm tra dây quấn stator động cơ xoay chiều 1 pha

1. Mục tiêu

Đo đạc các thông số của động cơ và tính toán được số liệu dây quấn Stator theo đúng quy trình.

2. Phương tiện, thiết bị

• Động cơ KĐB một pha.
• Bộ dụng cụ tháo lắp
• Bút đánh dấu
• Thước kẹp
• Thước thẳng
• Kiềm cắt

3. Tháo lắp và lấy số liệu dây quấn

Bước 1: Tháo các bộ phận của động cơ.

• Tháo các ốc vít cố định trên thân động cơ và 2 mặt trục.
• Dùng búa gõ nhẹ phần trục để tách 2 mặt trục.
• Rút rotor ra khỏi gông từ.

Bước 2: Xác định thông số quấn dây

• Đếm số rãnh của Stator:  (rãnh)
• Tìm và đánh dấu các đầu dây vào và ra của các tổ bối.
• Xác định kiểu quấn dây và cách đấu dây.
• Kiểu quấn: đồng tâm phân tán
• Cách đấu: cực thật (Đ-Đ, C-C).
• Xây dựng sơ đồ trải dây quấn.

Hình 1. Đánh dấu các đầu dây trên stator.

Bước 3: Cắt dây quấn cũ và lấy số liệu dây quấn.

• Dùng búa và đục để đục dây quấn cũ.
• Đếm số vòng dây của từng bối dây và ghi lại số liệu.
• Cuộn chạy:  54 – 68 – 78 – 80 (vòng)
• Cuộn đề:  72 – 76 (vòng)
• Dùng thước kẹp để đo đường kính dây quấn:

+ Cuộn chạy: 1×0.7mm

+ Cuộn đề: 1×0.6mm

Hình 2. Đếm số vòng dây quấn

4. Xác định thông số lõi thép

Bước 1: Vệ sinh lõi thép

• Đục dây quấn cũ và thổi ba vớ.
• Thổi bụi trong các rãnh Stator.

Bước 2: Sửa lại các lá thép

• Trong quá trình đục dây quấn cũ phải chú ý tránh làm hư hỏng, trầy xướt lõi thép.

Hình 3. Lõi thép sau khi vệ sinh

Bước 3: Đo đạc các thông số của lõi thép

• Tổng số rãnh của lõi thép: Z = 24
• Đường kính trong lõi thép: D_t = 71 (mm)
• Chiều dài lõi thép: L = 40 (mm)
• Bề dày gông lõi thép: b_g =18 (mm)
• Bề dày răng lõi thép: b_r = 5 (mm)

Bước 4: Đo đạc cách thông số rãnh

• Thông thường rãnh stator có hai dạng hình thang và quả lê.
• Chiều cao rãnh: h = 13 (mm)
• Đường kính miệng rãnh: d₁ = 5 (mm)
• Đường kính đáy rãnh: d₂ = 8 (mm)

Hình 4. Đo đường kính trong lõi thép

Hình 5. Đo chiều dài lõi thép

5. Quy trình tính toán dây quấn

• Trong động cơ KĐB 1 pha người ta thường bố trí 2 dây quấn lệch nhau trong không gian để tạo ra từ trường khởi động cho máy.
• Phân bố rãnh cho pha chính và phụ.

Q_a = Q_b ⇒ q_A = q_B = τ/2 (τ là bội số của 2)

Q_a = 2Q_b ⇒ q_A = 2q_B = 2τ/3 (τ là bội số của 3)

Q_a = 3Q_b ⇒ q_A = 3q_B = 3τ/4 (τ là bội số của 4)

Bước 1: Xác định số cực từ:

2{p_{\min }} = \left( {0,4 \div 0,5} \right)\frac{{{D_t}}}{{{b_g}}} = 0,5 \cdot \frac{{71}}{{18}} \approx 2

Bước 2: Tính bước cực từ:

\tau  = \frac{{\pi {D_t}}}{{2p}} = \frac{{\pi .7,1}}{2} = 11,15

Bước 3: Xác định mối quan hệ giữa từ thông qua một cực từ ∅ và mật độ từ thông qua khe hở không khí B_δ:

\Phi  = {\alpha _\delta }.\tau .L.{B_\delta } (1)

Trong đó: α_δ là hệ số cung cực từ.

{\alpha _\delta } = \frac{2}{\pi } = 0,64

Bước 4: Xác định mối liên hệ giữa mật độ từ thông qua gông B_g và B:

{B_g} = \frac{{{D_t}.{B_\delta }}}{{2p.{K_c}.{b_g}}} = \frac{{71.{B_\delta }}}{{2.0,92.18}} \approx 2,14{B_\delta }\,(2)

Bước 5: Xác định mối liên hệ giữa mật độ từ thông qua răng rotor:

{B_r} = \frac{{\pi {D_t}.{B_\delta }}}{{Z.{b_r}}} = \frac{{\pi .71.{B_\delta }}}{{24.5}} \approx 1,86{B_\delta }\,(3)

Bước 6: Lập bảng quan hệ giữa B_g, B_r, B_δ:

• Từ (2) và (3) ta có:  Bảng 1

• Lựa chọn thông số B_r B_g gần giới hạn nhất theo bảng 2. Sau đó, lấy thông số B_δ trừ đi 0,02 .

Bảng 2

Tính lại từ thông qua một cực từ Φ ở bước 4. Suy ra: B_δ = 0.63

(1) ⇒ Φ = α_δ.τLB_δ = 0,64.11,15.10².4.10^-2.0,63 ≈ 1,8.10^-3(Wb)

Bước 7: Xác định dạng phân bố rãnh trên stator:

– Bước cực từ:

\tau  = \frac{Z}{{2p}} = \frac{{24}}{2} = 12

Góc lệch điện:

{\alpha _d} = \frac{{180^\circ }}{\tau } = \frac{{180^\circ }}{{12}} = 15^\circ 

• Với τ = 12 (rãnh/bước cực). Giá trị của là bội của 2, 3 và 4, như vậy có thể áp dụng các phân bố Q_a = Q_b, Q_a = 2Q_b và Q_a = 3Q_b.
• Do động cơ thuộc dạng khởi động không dùng tụ, nên ta chọn phân bố rãnh stator dạng Q_a = Q_b hay q_A = 2q_B.

Tổng số rãnh phân bố cho 1 pha trên 1 buớc cực:

+ Rãnh/pha chính/bước cực:

{q_A} = \frac{{2\pi }}{3} = \frac{{2.12}}{3} = 8

+ Rãnh/pha phụ/bước cực:

{q_B} = \frac{{{q_A}}}{2} = \frac{8}{2} = 4

Bước quấn của bin lớn nhất (rãnh):

{y_A} = {y_B} = \frac{Z}{{2p}} = \frac{{24}}{2} = 12

• Dây quấn đồng tâm, bối dây phía trong có bước quấn ít hơn 2 rãnh.

– Bước quấn dây cuộn chạy y_A : 12 – 10 – 8 – 6 (rãnh) .

– Bước quấn dây cuộn đề y_B : 12 – 10 (rãnh) .

Hình 6. Bước quấn dây trong một tổ bối.

Bước 8: Chọn kiểu dây quấn và tính toán hệ số K_dqch, K_dqph:

• Chọn kiểu dây quấn 1 lớp: đồng tâm phân tán.
• Chọn kiểu đấu dây: cực thật (số tổ bối bằng số cực từ 2p = 2).

Tính hệ số dây quấn cho pha chính và phụ:

{K_{dqch}} = {K_n}.{K_r} = \frac{{\sin \left( {{q_A} \cdot \frac{{{\alpha _d}}}{2}} \right)}}{{{q_A}.\sin \left( {\frac{{{\alpha _d}}}{2}} \right)}} = \frac{{\sin \left( {8 \cdot \frac{{15^\circ }}{2}} \right)}}{{8.\sin \left( {\frac{{15^\circ }}{2}} \right)}} \approx 0,83

{K_{dqph}} = \frac{{\sin \left( {{q_B} \cdot \frac{{{\alpha _d}}}{2}} \right)}}{{{q_B}.\sin \left( {\frac{{{\alpha _d}}}{2}} \right)}} = \frac{{\sin \left( {4 \cdot \frac{{15^\circ }}{2}} \right)}}{{4.\sin \left( {\frac{{15^\circ }}{2}} \right)}} \approx 0,96

Bước 9: Xác định tổng số vòng dây quấn cho pha chính:

{N_A} = \frac{{{K_E}.{U_{dm}}}}{{4,44.f.\Phi .{K_{dq}}}}

Trong đó:

• K_E: Hệ số điện áp giáng (bảng 3).
• f: Tần số lưới điện.
• U_dm: Điện áp định mức.
• Φ: Từ thông ở mỗi cực từ.
• K_dq: Hệ số dây quấn.

Bảng 3

Với:

x = \frac{{\tau .L - \tau .{L_{\min }}}}{{\tau .{L_{\max }} - \tau .{L_{\min }}}} \cdot \left( {{K_{E\max }} - {K_{E\min }}} \right) = \frac{{44,6 - 15}}{{50 - 15}} \cdot 0,11 \approx 0,09

{K_E} = {K_{E\min }} + x = 0,75 + 0,09 = 0,84

{N_A} = \frac{{0,84.220}}{{4,44.50.1,{{8.10}^{ - 3}}.0,83}} \approx 560

a = \frac{{{N_B}.{K_{dqph}}}}{{{N_A}.{K_{dqch}}}}

Ta có: τ.L = 11,15.4 =44,6 (cm² )

Bảng 4

Bước 10: Xác định số vòng dây quấn của các bối dây:

{N_B} = \frac{{a.{N_A}.{K_{dqch}}}}{{{K_{dqph}}}} = \frac{{0,62.560.0,83}}{{0,96}} \approx 300

Dây quấn pha chính (cuộn chạy):

• Xác định góc mở rộng của từng bối dây:

θ_i = α_d.y_i

Ta được:

θ₁ = α_d.y₁ = 15^o.6 = 90^o

θ₂ = α_d.y₂ = 15^o.8 = 120^o

θ₃ = α_d.y₃ = 15^o.10 = 150^o

θ₄ = α_d.y₄ = 15^o.12 = 180^o

• Xác định đại lượng trung gian:

B = \sin \frac{{{\theta _1}}}{2} + \sin \frac{{{\theta _2}}}{2} + \sin \frac{{{\theta _3}}}{2} + ... + \sin \frac{{{\theta _i}}}{2}

Hoặc:

B = \sum\limits_{i = 1}^n {\sin \frac{{{\theta _i}}}{2}}  \approx 3,54

• Xác định tỉ số vòng dây của các bối dây trong 1 tổ bối:

Gọi N_a là số vòng của một tổ bối trong pha chính.

Ta có:

{N_1} = \frac{{{N_A}.\sin \left( {\frac{{{\theta _1}}}{2}} \right)}}{B} = \frac{{280.\sin \left( {\frac{{90^\circ }}{2}} \right)}}{{3,54}} = 55,93 \approx 56

{N_2} = \frac{{{N_B}.\sin \left( {\frac{{{\theta _2}}}{2}} \right)}}{B} = \frac{{280.\sin \left( {\frac{{120^\circ }}{2}} \right)}}{{3,54}} = 68,49 \approx 69

{N_3} = \frac{{{N_C}.\sin \left( {\frac{{{\theta _3}}}{2}} \right)}}{B} = \frac{{280.\sin \left( {\frac{{150^\circ }}{2}} \right)}}{{3,54}} = 76,4 \approx 76

{N_4} = \frac{{{N_B}.\sin \left( {\frac{{{\theta _4}}}{2}} \right)}}{B} = \frac{{280.\sin \left( {\frac{{180^\circ }}{2}} \right)}}{{3,54}} = 79,09 \approx 79

• Lưu ý: Khi làm tròn số vòng phải đảm bảo:

\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{N_i}}}{{{N_a}}}}  = 1

• Dây quấn pha phụ (cuộn đề): Cách tính tương tự dây quấn pha chính. Số vòng dây quấn trong một tổ bối của pha phụ:

{N_b} = \frac{{{N_B}}}{2} = \frac{{300}}{2} = 150

Kết quả: N₁ = 74 vòng; N₂ = 76 vòng.

Bước 11: Xác định diện tích rãnh và tiết diện dây quấn

Diện tích rãnh hình thang:

{S_r} = \frac{{{d_1} + {d_2}}}{2} \cdot h = \frac{{8 + 5}}{2} \cdot 13 = 84,5m{m^2}

Hệ số lấp đầy:

{K_{ld}} = \frac{{n.{u_r}.{N_a}.{S_{A\left( {cd} \right)}}}}{{{S_r}}}

Số vòng dây của một bối:

{S_{A\left( {cd} \right)}} = \frac{{{K_{ld}}.{S_r}}}{{n.{u_r}.{N_a}}} = \frac{{0,4.84,5}}{{1.1.82}} \approx 0,41m{m^2}

Bảng 5.

Đường kính dây quấn:

{d_{A\left( {cd} \right)}} = 1,128.\sqrt {{S_{A\left( {cd} \right)}}}  = 1,128.\sqrt {0,41}  = 0,71mm

Chọn đường kính dây quấn là 0,7mm.

Bước 12: Kiểm tra hệ số lấp đầy.

{K_{ld}} = \frac{{{N_a}.d_{A\left( {cd} \right)}^2}}{{{S_r}.0,8}} = \frac{{82.0,{7^2}}}{{84,5.0,8}} \approx 0,6 < 0,75

Chọn dây quấn có đường kính 0,6mm.

Bước 13: Tính dòng điện định mức.

• Chọn mật độ dòng điện cho phép qua dây dẫn
• Động cơ trung bình: J = 3~4 (A/mm²)
• Động cơ kiểu hở, có cánh tản nhiệt: J = 4~5.5 (A/mm²)
• Động cơ kín: J = 3(A/mm²)
• Chọn J =4 ta có: I_dm = S_A(cd).J.n =0.41.4.1 =1.64 (A)

Bước 14: Tính công suất định mức động cơ:

{P_{dm}} = {U_{dm}}.{I_{dm}}.\cos \varphi .\eta  = 220.1,64.0,85.0,8 = 245W

Bước 15: Tính chọn tụ điện

Hình 7. Một số kiểu đấu tụ trong động cơ 1 pha

Điện dung của tụ điện:

C = \frac{{{I_{dm}}{{.10}^6}}}{{2\pi .f.{U_c}}}\, = \frac{{1,{{64.10}^6}}}{{2\pi .50.400}} = 13\left( {\mu F} \right)

Với U_c = (1,5 – 2).U_đm. Thông thường tụ điện có trị số U_c = 400 VAC.