Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mở máy động cơ KĐB 3 pha Rôto lồng sóc qua điện trở phụ chuyển đổi bằng rơ le thời gian

Cùng với sự phát triển của nhân loại ngành công nghệ kỹ thuật Điện- Điện Tử đang từng bước đến với tầm cao của tri thức và khoa học. Tuy là một nước đi sau về ngành công nghệ kỹ thuật Điện- Điện tử và ứng dụng nó vào đời sống nhưng Việt Nam cũng đang từng bước hoà nhập để đi cùng với xu hướng chung của thời đại. Máy móc sẽ thay thế con người thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế. Việc sử dụng động cơ điện trong sản xuất và đời sống là rất rộng rãi, đặc biệt là động cơ điện một chiều bởi vì động cơ điện một chiều có rất nhiều ưu điểm so với động cơ xoay chiều. Nhưng gắn liền với việc sử dụng động cơ điện một chiều là quá trình điều chỉnh tốc độ động cơ sao cho phù hợp với yêu cầu thực tế. Vì vậy để đáp ứng yêu cầu đó nhóm chúng em thực hiện với đề tài: Mạch điều khiển mở máy động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc qua điện trở phụ chuyển đổi tự động bằng rơ le thời gian.

TRƯỜNG ĐHSPKT – HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

*** BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊNKHOA : ĐIỆN ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂNMỞ MÁY ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA RÔTO LỒNG SÓC

QUA ĐIỆN TRỞ PHỤ CHUYỂN ĐỔI TỰ ĐỘNGBẰNG RƠ LE THỜI GIAN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : Nguyễn Thị Thùy Dương SINH VIÊN THỰC HIỆN : 1 Phan Đình Sơn

2 Trần Huy Tiến LỚP : 112216.1

Năm 2023

Ngành đào tạo: Điện công nghiệp

Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mở máy động cơ KĐB 3 pha

Rôto lồng sóc qua điện trở phụ chuyển đổi bằng rơ le thời gian”

Số liệu cho trước: Động cơ KĐB 3 pha Rôto lồng sóc (SV khảo sát tại xưởng)Nội dung cần hoàn thành và kết quả:

Phần thuyết minh:

Chương 1: Giới thiệu về động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc 1.1 Cấu tạo

1.2 Nguyên lý hoạt động

1.3 Các phương pháp khởi động động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc

1.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc

Chương 2: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển mở máy động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc qua điện trở phụ chuyển đổi bằng rơ le thời gian

2.1 Sơ đồ nguyên lý 2.2 Nguyên lý hoạt động 2.3 Tính chọn thiết bị

Chương 3: Kết luận, kiến nghị

Phần thực hành: Mạch điều khiển mở máy động cơ KĐB 3 pha roto lồng sócqua điện trở phụ chuyển đổi tự động bằng rơ le thời gian.

Ngày giao đề tài : Ngày hoàn thành:

Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Thị Thùy Dương

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 : Giới thiệu về động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc 6

1.1 Cấu tạo 6

1.2 Nguyên lý hoạt động 10

1.3 Các phương pháp khởi động động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc 10

1.3.1 Phương pháp mở máy trực tiếp 10

1.3.2 Phương pháp mở máy gián tiếp 12

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN MỞ MÁY ĐỘNG CƠ

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của nhân loại ngành công nghệ kỹ thuật Điện- Điện Tử đang từng bước đến với tầm cao của tri thức và khoa học Tuy là một nước đi sau về ngành công nghệ kỹ thuật Điện- Điện tử và ứng dụng nó vào đời sống nhưng Việt Nam cũng đang từng bước hoà nhập để đi cùng với xu hướng chung của thời đại Máy móc sẽ thay thế con người thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế.

Việc sử dụng động cơ điện trong sản xuất và đời sống là rất rộng rãi, đặc biệt là động cơ điện một chiều bởi vì động cơ điện một chiều có rất nhiều ưu điểm so với động cơ xoay chiều Nhưng gắn liền với việc sử dụng động cơ điện một chiều là quá trình điều chỉnh tốc độ động cơ sao cho phù hợp với yêu cầu thực tế Vì vậy để đáp ứng yêu cầu đó nhóm

chúng em thực hiện với đề tài: Mạch điều khiển mở máy động cơ KĐB 3 pha roto lồngsóc qua điện trở phụ chuyển đổi tự động bằng rơ le thời gian.

Trong thời gian làm đồ án với sự cố gắng của cả nhóm cùng với sự giúp đỡ tận tình của cô Nguyễn Thị Thùy Dương và các thầy cô trong khoa Điện - Điện Tử đến nay đồ án của chúng em đã hoàn thành.

Tuy đồ án của chúng em đã được hoàn thành nhưng do kiến thức cũng như tài liệu còn hạn chế cho nên bản đồ án của chúng em không tránh khỏi những sai sót Vậy chúng em kính mong thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến xây dựng để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn và chúng em có kinh nghiệm bổ sung kiến thức được tốt hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 : Giới thiệu về động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc1.1 Cấu tạo

Giống như các máy điện quay khác, cấu tạo của động cơ không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là stato và rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy Trục máy làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ KĐB

a.Phần tĩnh (stato)

Bộ phận chính của stato là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.

Hình 1.2 Stato của động cơ không đồng bộa) Mặt cắt ngang stato

b) Lá thép kỹ thuật điệnc) Stato của động cơ KĐB

1 Vỏ máy

Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000 KW) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ Tùy theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau Vỏ máy có tác dụng giữ chặt lõi sắt, dây quấn và cố định máy trên bệ, không dùng để làm mạch dẫn từ Hai đầu vỏ có nắp máy, ổ đỡ trục Vỏ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy.

2 Lõi thép

Lõi thép là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao thì lõi thép được làm từ những lá thép kỹ thuật điện đã dập sẵn, được ghép cách điện với nhau, chiều dày các lá thép thường từ 0,35 mm đến 0,5 mm, phía trong của lá thép xẻ rãnh để đặt dây quấn Yêu cầu lõi thép là phải dẫn từ tốt, tổn hao sắt nhỏ và chắc chắn Mỗi lá thép kỹ thuật điện được sơn cách điện với nhau để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên

3 Dây quấn

Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt vào các rãnh của lõi thép (hình 1.2c) và được cách điện tốt với lõi thép Với động cơ không đồng bộ ba pha các pha dây quấn đặt lệch nhau một góc 120° Chúng đặt lệch nhau một góc 120° khi đó mỗi pha sẽ được cân, và động cơ hoạt động êm Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba pha dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay.

Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hay ngược lại Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm một phần khá cao trong toàn bộ giá thành của máy.

b Phần quay (Roto)

Phần này có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn roto, ngoài ra còn có trục.

 Lõi sắt

Lõi sắt của roto bao gồm các lá thép kỹ thuật điện như ở stato, điểm khác biệt là không cần sơn cách điện giữa các lá thép vì tần số làm việc trong roto rất thấp, chỉ vài Hz, nên tổn hao do dòng fuco trong roto rất thấp Các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài (hình 1.3a, 1.3b) ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục ở giữa có lỗ để lắp trục.

Hình 1.3 Roto của động cơ không đồng bộ

 Dây quấn roto

Phân làm hai loại chính: Roto kiểu dây quấn và roto kiểu lồng sóc + Roto kiểu dây quấn

Giống như dây quấn stato và cu ốn theo sóng 2 lớp, bớt đầu nối, kết cấu dây quấn trên roto chặt chẽ.

+ Loại roto kiểu lồng sóc (hình 1.3c)

Kết cấu của loại dây quấn này rất khác với dây quấn stato Trong mỗi rãnh của lõi sắt roto đặt vào các 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 Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ lồng sóc (hình 1.3e).

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 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.

 Các đại lượng định mức:

Máy điện đồng bộ có các trị số định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy Các chỉ số này do các nhà thiết kế, chế tạo quy định và được ghi trên nhãn máy Vì máy điện không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ điện nên trên nhãn máy ghi các trị số định mức của động cơ điện khi tải định mức Các trị số đó thường bao gồm: công suất định mức ở đầu trục Pđm (KW hoặc W), dòng điện dây định mức Iđm (A), điện áp dây định

mức Uđm (V), cách đấu dây (Y hay ), tốc độ quay định mức nđm (vg/phút), hiệu suất định mức ηđm và hệ số công suất định mức cosđm

Các động cơ không đồng bộ do các nhà máy sản xuất phải làm việc trong những điều kiện nhất định với những số liệu xác định gọi là số liệu định mức (Sổ tay kỹ thuật điện) Những số liệu định mức của động cơ không đồng bộ được ghi trên nhãn của nhà máy chế tạo và được gắn trên thân máy, đó là:

- Công suất do động cơ sinh ra: Pđm =P2đm (KW hoặc W) - Tần số lưới điện: f1 (Hz)

- Điện áp dây quấn stato: U1đm (V) - Dòng điện dây quấn stato: I1đm (A) - Tốc độ quay rotor: nđm (vg/ph) - Hệ số công suất: cosđm - Hiệu suất: ηđm

 Nếu dây quấn stato có đưa ra các đầu ra và cuối pha để có thể đấu thành hình sao hoặc tam giác thì điện áp dây và dòng điện dây ở mỗi cách mắc có thể (Y/) được ghi dưới dạng phân số (UdY/Ud) và (Idy/ Id) Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ biến đổi trong phạm vi rất rộng.

 W đến hàng chục nghìn KW Tốc độ quay đồng bộ định mức n1đm= 60f1/p với tần số lưới Hz thì Mđm từ 300vg/phút đến 500vg/phút, trong những trường hợp đặc biệt còn lớn hơn nữa (tốc độ quay định mức của rotor thường nhỏ thì tốc độ quay đồng bộ 2%-5% trong các động cơ nhỏ thì từ 2%-5%-20% Điện áp định mức từ 2,4V-10V), trị số lớn ứng với công suất lớn.

 Hiệu suất định mức của các động cơ không đồng bộ tăng theo công suất và tốc độ quay của chúng Khi công suất lớn hơn 0,5 KW, hiệu suất nằm trong khoản từ 0,65 đến 0,95.

 Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ bằng tỉ số giữa công suất toàn phần và công suất toàn phần nhận được từ lưới.

√P2+Q2

Hệ số công suất cũng tăng lên so với chiều tăng công suất và tốc độ quay của động cơ Khi công suất động cơ lớn hơn 1KW, hệ số công suất khoảng 0,7 đến 0,9 còn các động cơ nhỏ thì khoảng từ 0,3 đến 0,7.

1.2 Nguyên lý hoạt động.

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1 /p (f1 là tần số lưới điện; p là số đôi cực từ của máy; n1 là tốc độ từ trường quay bậc một) Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt rôto, làm cảm ứng trong dây quấn rôto các sđđ E2 Do rôto kín mạch nên trong dây quấn rôto có dòng điện I2 chạy qua 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 rôto 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 Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ.

 Hệ số trượt s của máy:

s=I2n1−nn1 =

ω1−ωω1

Như vậy khi n = n 1 thì s = 0, còn n = 0 thì s = 1; khi n > n 1 , s < 0 và khi rôto quay ngược chiều từ trường quay n < 0 thì s > 1.

1.3 Các phương pháp khởi động động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc1.3.1 Phương pháp mở máy trực tiếp

Đây là phương pháp mở máy được thực hiện bằng cách đóng trực tiếp toàn bộ điện áp định mức lưới vào động cơ (UđmL = UđmĐ), không thông qua một loại thiết bị mở máy nào.

+ Đặc điểm: Là phương pháp mở máy đơn giản nhất nhưng dòng điện mở máy là khá lớn nếu quán tính của tải tương đối lớn mà thời gian mở máy quá dài có thể làm cho máy bị phát nóng nhanh gây ra sụt áp trên lưới lớn, làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác đồng thời cũng ảnh hưởng đến các thiết bị bảo vệ.

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý mở máy trực tiếp ĐCKĐB

Hình 1.5 Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi mở máy trực tiếp + Khi chọn mở máy trực tiếp ta dựa vào công thức kinh nghiệm sau:

+ Phạm vi ứng dụng: Chỉ dùng cho động cơ có công suất nhỏ, P ≤ 75 KW và công suất của nguồn điện phải tương đối lớn.

1.3.2 Phương pháp mở máy gián tiếp

Là phương pháp mở máy được thực hiện trong giai đoạn mở máy có thiết bị mở máy nối vào mạch động cơ Sau khi kết thúc mở máy, thiết bị đó bị loại ra khỏi mạch và động cơ được làm việc trực tiếp với lưới điện.

Phương pháp này thường dùng cho các động cơ công suất lớn P ≥ 75 KW  Mở máy gián tiếp dùng điện trở, điện kháng nối tiếp với mạch stato.

+ Đây là phương pháp mở máy được thực hiện bằng cách, khi mở máy điện áp lưới đặt vào dây quấn stato được giảm qua điện trở (điện kháng) Sau khi kết thúc quá trình mở máy, điện trở (điện kháng) được cắt ra khỏi mạch Động cơ làm việc bình thường với điện

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý mở máy dùng R, X nối tiếp với mạch stato và các đường đặc tính cơ khi mở máy.

+ Nguyên lý mở máy:

Trước hết đóng AT tổng, sau đó đóng K2 để cho động cơ mở máy gián tiếp qua điện trở, điện kháng, sau chừng 5-7s đóng K1 và mở K2, toàn bộ điện áp của lưới đặt vào dây quấn stato động cơ, loại toàn bộ cuộn kháng và điện trở ra khỏi mạch, động cơ quay nhanh dần tới mức độ định mức và làm việc bình thường.

Trong thực tế, người ta thường dùng mạch công tắc tơ kết hợp với rơle thời gian để tự động chuyển đổi trạng thái mở máy.

+ Đặc điểm: Từ biểu tính mômen mở máy Mmm và mômen tới hạn Mth trên ta thấy, nếu giảm điện áp lưới đặt vào dây quấn Stato lúc mở máy thì mômen mở máy của động cơ lúc mở máy bị giảm đi rất nhiều.

Mạch mở máy dùng cuộn kháng thường được dùng phổ biến hơn và chúng có nhiều ưu điểm hơn mạch dùng điện trở (xem đường đặc tính cơ) Nhìn chung 2 phương pháp này chỉ dùng cho các thiết bị có yêu cầu mômen mở máy nhỏ.

 Mở máy gián tiếp dùng biến thế tự ngẫu nối tiếp với mạch stato.

+ Đây là phương pháp mở máy được thực hiện bằng cách, khi mở máy điện áp lưới đặt vào dây quấn stato được giảm qua biến thế tự ngẫu Sau khi kết thúc quá trình mở máy, biến thế tự ngẫu được cắt ra khỏi mạch Động cơ làm việc bình thường với điện áp lưới định mức.

+ Sơ đồ nguyên lý:

Đóng AT, sau đó đóng K1, K2, mở K3, động cơ được khởi động qua biến thế tự ngẫu quay nhanh dần

Sau đó chừng từ 5-7s đóng K3, mở K1, K2, máy biến thế tự ngẫu bị loại ra khỏi mạch, động cơ được đặt toàn bộ điện áp lưới tốc độ tăng nhanh hơn và đạt tốc độ định mức nđm + Đặc điểm:

Do giảm điện áp đặt vào động cơ lúc mở máy nên mômen mở máy giảm mạnh.

So với cuộn kháng thì biến thế tự ngẫu có ưu điểm hơn là khi mở máy có thể điều chỉnh dần các cấp điện áp đặt vào động cơ, nên dòng mở máy cũng được giảm từ từ và vì vậy mà mômen mở máy có lớn hơn.

Giá thành đầu tư cao hơn so với cuộn kháng.

 Phương pháp đổi nối sao, tam giác ở dây quấn stato động cơ : (Y - )

+ Phương pháp này chỉ dùng được với những động cơ đang làm việc bình thường với sơ đồ dây quấn stato nối tam giác.

+ Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý mở máy động cơ dùng phương pháp đổi nối sao - tam giác ở dây quấn stato động cơ.

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý đấu dây trên hộp cực động cơ + Nguyên lý mở máy :

• Khi mở máy ta nối hình sao để điện áp đặt vào mỗi pha giảm đi √3 sau khi mở máy ta nối lại hình tam giác đúng như quy định của máy.

Trên hình 1.9 khi mở máy đóng K1, mở K2 sau đó chừng 57 giây, đóng K2, mở K1 đưa động cơ vào làm việc bình thường với sơ đồ nối tam giác.

• Dòng điện dây khi nối hình tam giác.

• So sánh (*) và (**) ta thấy lúc mở máy kiểu đổi nối sao tam giác dòng điện dây vào động cơ giảm đi 3 lần Cũng như trên phương pháp này cũng giảm đi 3 lần.

+ Đặc điểm:

• Không phải dùng thiết bị mở máy

• Quá trình mở máy xảy ra các tổn hao bên trong máy và điện áp mở máy giảm đi √3 lần, dòng điện dây giảm 3 lần.

• Nhược điểm: Phạm vi sử dụng hẹp, chỉ sử dụng cho những động cơ đang làm việc bình thường với sơ đồ nối tam giác.

1.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3pha rôt lồng sócA Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn cấp.

+ Từ n=60

Pf→ Thay đổi tần số của nguồn cấp → Thay đổi tốc độ không tải lý tưởng và cả mômen tới hạn của động cơ Tần số càng cao thì tốc độ động cơ càng lớn.

Đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn cùng với việc giữ luật điều chỉnh tần số - điện áp sao cho f/U ≈ Const (phần f < fđm được biểu diễn trên hình 1.10 ) Khi f > fđm thì do không thể tăng U > Uđm nên các đường đặc tính cơ bị giảm giá trị mômen tới hạn.

Hình 1.10 Đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số  Nhận xét:

Khi giảm tần số xuống dưới mức định mức Động cơ quay chậm nhưng độ cứng đường đặc tính cơ không thay đổi Ngược lại khi tăng tần số lớn hơn định mức, khả năng chịu tải của động cơ giảm tuy nhiên tốc độ tăng.

Để khắc phục tình trạng khi tăng tốc độ mômen giảm (xem đường 3, 4 hình 1.10) người ta thường tiến hành song song điều chỉnh cả điện áp và tần số.

B Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ

Pf thay đổi theo số đôi cực p Do số đôi cực p chỉ có thể là số nguyên ( p = 1,2,3 ) nên đối với động cơ KĐB làm việc ở lưới điện xoay chiều tần số 50Hz chỉ có thể có những tốc độ đồng bộ như trên.