Xây dựng phần mềm thiết kế tổng hợp máy điện

NGUYỄN NGỌC VĂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN NGỌC VĂN

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN

XÂY DỰNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ
TỔNG HỢP MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN
KHÓA 2008 - 2010
Hà Nội - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN NGỌC VĂN

XÂY DỰNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ
TỔNG HỢP MÁY ĐIỆN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHAN THỊ HUỆ

HÀ NỘI - 2011


Mục Lục
Trang
Lời cam đoan .................................................................................................. - 4 Lời cảm ơn ........................................................................................................ - 5 Danh mục các bảng..................................................................................... - 6 Danh mục hình vẽ và đồ thị ................................................................... - 8 Mở ĐầU.............................................................................................................. - 10 CHƯƠNG I: CƠ Sở Lý THUYếT động cơ một pha ............................... - 15 1.1. Giới thiệu chung về động cơ một pha............................................................ - 15 1.2. Động cơ không đồng bộ một pha - lý thuyết tổng quan................................ - 15 1.2.1. Động cơ không đồng bộ một pha với điện trở khởi động.................... - 15 1.2.2. Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động ............................. - 16 1.2.3. Động cơ không đồng bộ một pha với điện dung làm việc................... - 16 1.2.4. Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động và tụ làm việc...... - 17 1.3. Thiết kế động cơ một pha - nhiệm vụ và yêu cầu.......................................... - 18 1.3.1. Các số liệu cần thiết............................................................................. - 18 1.3.2. Sơ đồ khối và trình tự tính toán ........................................................... - 18 1.3.3. Các môđun thiết kế.............................................................................. - 19 1.4. Thiết kế chi tiết.............................................................................................. - 21 A. Xác định kích thớc cơ bản ...................................................................... - 21 B. Dây quấn stato........................................................................................... - 24 C. Rãnh và gông stato.................................................................................... - 28 D. Dây quấn, rãnh và gông rôto..................................................................... - 31 E. Tính toán mạch từ ..................................................................................... - 33 F. Trở kháng của dây quấn stato và rôto ....................................................... - 36 G. Tính toán chế độ định mức ....................................................................... - 43 H. Tính toán dây quấn phụ ............................................................................ - 44 I. Tính toán tổn hao sắt và dòng điện phụ ..................................................... - 47 J. Tính toán chế độ khởi động ....................................................................... - 52 -


K. Trọng lợng và chỉ tiêu kinh tế của vật liệu tác dụng............................... - 56 Chơng iI: cơ sở lý thuyết động cơ kđb ba pha ........................ - 57 2.1. Tổng quan về máy điện không đồng bộ ........................................................ - 57 2.2. Thiết kế động cơ không đồng bộ - nhiệm vụ và yêu cầu............................... - 57 2.2.1. Những yêu cầu kỹ thuật....................................................................... - 57 2.2.2. Thiết kế kết cấu ................................................................................... - 58 2.2.3. Sơ đồ khối và trình tự tính toán ........................................................... - 60 2.2.4. Các môđun thiết kế.............................................................................. - 61 2.2.5. Các thông số đầu vào........................................................................... - 62 2.3. Thiết kế chi tiết.............................................................................................. - 62 A. Kích thớc chủ yếu................................................................................... - 62 B. Dây quấn, rãnh stato và khe hở không khí ................................................ - 64 C. Dây quấn, rãnh và gông rôto..................................................................... - 69 D. Tính toán mạch từ ..................................................................................... - 71 E. Tham số của động cơ điện ở chế độ định mức.......................................... - 73 F. Tổn hao thép và tổn hao cơ........................................................................ - 76 G. Đặc tính làm việc ...................................................................................... - 79 H. Tính toán đặc tính khởi động.................................................................... - 82 I. Tính toán nhiệt ........................................................................................... - 85 J. Trọng lợng vật liệu tác dụng và chỉ tiêu sử dụng ..................................... - 89 CHƯƠNG Iii: ứNG DụNG công nghệ thông tin TRONG BàI TOáN
THIếT Kế thiết bị điện................................................................................ - 91 3.1. Sự phát triển của kỹ thuật thiết kế dựa vào máy tính .................................... - 91 3.2. Các luận điểm chủ yếu khi xây dựng hệ thống thiết kế tự động hóa ............ - 92 3.2.1. Định hớng đối tợng.......................................................................... - 92 3.2.2. Tính sáng tạo ....................................................................................... - 92 3.2.3. Tính tập thể.......................................................................................... - 92 3.2.4. Tính hệ thống....................................................................................... - 93 3.2.5. Tính tiến hóa........................................................................................ - 93 3.2.6. Tính thông tin ...................................................................................... - 93 -

-2-


3.2.7. Tính tổng hợp ...................................................................................... - 93 3.2.8. Tính liên hợp........................................................................................ - 93 3.2.9. Tính thống nhất.................................................................................... - 93 3.3. Cấu trúc chức năng của hệ thống thiết kế tự động ........................................ - 94 Chơng iv: lựa chọn ngôn ngữ và kiến trúc phần mềm ........ - 96 4.1. Sự phát triển của các ngôn ngữ lập trình ....................................................... - 96 4.2. Ngôn ngữ C# .................................................................................................. - 97 4.3. So sánh ngôn ngữ C# và những ngôn ngữ khác ............................................. - 98 4.4. Ưu điểm của ngôn ngữ C# ............................................................................. - 99 4.5. Kiến trúc phần mềm thiết kế máy điện ......................................................... - 99 4.5.1. Các bớc chuẩn bị cho chơng trình ................................................... - 99 4.5.2. Kiến trúc phần mềm và giao diện chính............................................ - 100 4.5.3. Cơ sở dữ liệu...................................................................................... - 105 4.5.4. Xử lý dữ liệu ...................................................................................... - 109 4.6. Tổ chức đề án .............................................................................................. - 110 Chơng v: kết quả thiết kế................................................................. - 112 5.1. Kết quả thiết kế động cơ một pha................................................................ - 112 5.1.1. Giao diện chơng trình thiết kế ......................................................... - 112 5.1.2. Tổng hợp kết quả thiết kế .................................................................. - 116 5.1.3. Đánh giá kết quả thiết kế................................................................... - 122 5.2. Kết quả thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha ......................................... - 124 5.2.1. Giao diện chơng trình thiết kế ......................................................... - 124 5.2.2. Tổng hợp kết quả thiết kế .................................................................. - 129 5.2.3. Đánh giá kết quả thiết kế................................................................... - 134 Kết luận và kiến nghị ............................................................................ - 136 TàI LIệU THAM KHảO.................................................................................. - 138 Phụ lục............................................................................................................... - 1 -

-3-


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan.
Tất cả kết quả nghiên cứu và đợc trình bày trong luận văn này đều do tôi trực
tiếp nghiên cứu và viết ra, các kết quả đó không đợc sao chép từ bất kỳ nguồn tài
liệu nào trớc đó.
Tất cả các dữ liệu và kết quả tính toán mà tôi đa ra trong luận văn này đều

trung thực, chính xác theo nh các kết quả tôi đã nghiên cứu đợc.
Tôi hứa sẽ chịu hoàn toàn trách nhiệm trớc khoa và nhà trờng nếu không thực
hiên đúng nh những lời cam đoan ở trên.

Ngời cam đoan

Nguyễn Ngọc Văn

-4-


Lời cảm ơn

Trong thời gian qua, đợc sự hớng dẫn, giúp đỡ tận tình của cô giáo TS. Phan
Thị Huệ, các thầy cô giáo trong bộ môn cùng các bạn đồng nghiệp, tôi đã hoàn
thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật với đề tài: Xây dựng phần mềm thiết kế tổng hợp
máy điện.
Đây là kết quả của sự giúp đỡ về kiến thức, kinh nghiệm của các thầy cô, các bạn
đồng nghiệp cùng sự nỗ lực của bản thân, nhng do trình độ và thời gian hạn chế,
bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong có thể nhận đợc
những ý kiến đóng góp quý báu.
Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn cô giáo TS. Phan Thị Huệ cùng các thầy
cô giáo, các bạn đồng nghiệp, cơ quan, nhà trờng đã tạo điều kiện về vật chất, tinh
thần cùng sự hỗ trợ về kiến thức, kinh nghiệm trong thời gian học tập và thực hiện
đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 04 năm 2011
Học viên

Nguyễn Ngọc Văn

-5-


Danh mục các bảng
Trang
Bảng 1.1. Chiều cao tâm trục theo đờng kính ngoài. ......................................... - 23 Bảng 1.2. Số răng rôto ZR theo ZS và số cực......................................................... - 25 Bảng 1.3. Hệ số k, k1 theo và loại dây quấn ................................................... - 37 Bảng 1.4. Suất tổn hao của một số loại thép kỹ thuật điện................................... - 48 Bảng 1.5. Hệ số gia công kgc ................................................................................ - 48 Bảng 2.1. Nhiệt độ làm việc cho phép ứng với các cấp cách điện........................ - 58 Bảng 2.2. Giá trị chiều cao tâm trục h theo đờng kính ngoài Dn ........................ - 63 Bảng 2.3. Giá trị kD theo số cực............................................................................ - 63 Bảng 2.4. Bảng đặc tính làm việc ......................................................................... - 81 Bảng 5.1. Kích thớc chủ yếu ............................................................................ - 116 Bảng 5.2. Tính toán dây quấn stato .................................................................... - 116 Bảng 5.3. Tính mạch từ stato.............................................................................. - 116 Bảng 5.4. Kích thớc rôto................................................................................... - 117 Bảng 5.5. Tính toán mạch từ .............................................................................. - 117 Bảng 5.6. Tính trở kháng dây quấn stato và rôto................................................ - 118 Bảng 5.7. Tham số của động cơ ở chế độ định mức........................................... - 118 Bảng 5.8. Tính toán dây quấn phụ...................................................................... - 119 Bảng 5.9. Tính tổn hao sắt và dòng điện phụ ..................................................... - 119 Bảng 5.10. Tính toán chế độ khởi động.............................................................. - 120 Bảng 5.11-1. Bảng đặc tính làm việc của động cơ ............................................. - 121 Bảng 5.11-2. Bảng đặc tính làm việc của động cơ (tiếp).................................... - 122 Bảng 5.12. Đánh giá kết quả thiết kế ................................................................. - 122 Bảng 5.13. Kích thớc chủ yếu .......................................................................... - 129 Bảng 5.14. Dây quấn, rãnh, gông stato và khe hở không khí............................. - 130 Bảng 5.15. Dây quấn, rãnh và gông rôto ............................................................ - 130 Bảng 5.16. Tính toán mạch từ ............................................................................ - 131 Bảng 5.17. Tham số của động cơ ở chế độ định mức......................................... - 132 -

-6-


Bảng 5.18. Tính toán tổn hao ............................................................................. - 132 Bảng 5.19. Số liệu ở chế độ định mức ................................................................ - 132 Bảng 5.20. Chế độ khởi động ............................................................................. - 132 Bảng 5.21. Tính toán nhiệt ................................................................................. - 133 Bảng 5.22. Trọng lợng và chỉ tiêu sử dụng vật liệu.......................................... - 133 Bảng 5.23. Bảng đặc tính làm việc của động cơ................................................. - 134 Bảng 5.24. Đánh giá kết quả thiết kế ................................................................. - 135 -

-7-


Danh mục hình vẽ và đồ thị
Trang
Hình 1.1. Mô hình máy điện một pha .................................................................. - 15 Hình 1.2. Động cơ KĐB một pha khởi động bằng điện trở.................................. - 16 Hình 1.3. Động cơ KĐB một pha khởi động bằng điện dung .............................. - 16 Hình 1.5. Động cơ KĐB một pha với tụ khởi động và tụ làm việc ...................... - 17 Hình 1.6. Trình tự tính toán động cơ điện không đồng bộ công suất nhỏ............ - 19 Hình 1.7. Một số dạng rãnh stato ......................................................................... - 28 Hình 1.8. Dạng rãnh rôto...................................................................................... - 31 Hình 1.9. Vành ngắn mạch................................................................................... - 41 Hình 1.10. Mạch điện thay thế pha chính động cơ một pha................................. - 44 Hình 2.1. Sơ đồ khối và trình tự tính toán động cơ KĐB ba pha.......................... - 60 Hình 2.2. Rãnh stato............................................................................................. - 68 Hình 2.3. Một vài dạng rãnh rôto đúc nhôm ........................................................ - 70 Hình 2.5. Sơ đồ thay thế nhiệt .............................................................................. - 86 Hình 2.6. Kích thớc cánh tản nhiệt trên thân máy ............................................. - 88 Hình 4.1. Sơ đồ khối cấu trúc phần mềm ........................................................... - 101 Hình 4.2. Giao diện chính của chơng trình ...................................................... - 101 Hình 4.3. Cửa sổ tùy chọn loại máy điện ........................................................... - 102 Hình 4.4. Form nhập thông số đầu vào của động cơ một pha............................ - 102 Hình 4.5. Giao diện của môđun thiết kế động cơ một pha................................ - 103 Hình 4.6. Giao diện kết quả thiết kế động cơ một pha....................................... - 104 Hình 4.7. Giao diện nhập số liệu động cơ ba pha............................................... - 104 Hình 4.8. Giao diện của môđun thiết kế động cơ ba pha ................................... - 105 Hình 4.9. Giao diện kết quả thiết kế động cơ ba pha ......................................... - 105 Hình 4.10. Bố cục của Solution .......................................................................... - 110 Hình 4.11. Bố cục của Project ............................................................................ - 110 Hình 5.1. Form nhập số liệu cơ bản ................................................................... - 112 Hình 5.2. Form xác định kích thớc chủ yếu ..................................................... - 113 -

-8-


Hình 5.3. Môđun tính toán dây quấn stato ......................................................... - 113 Hình 5.4. Form tính mạch từ stato...................................................................... - 114 Hình 5.5. Form tính toán thông số rôto.............................................................. - 114 Hình 5.6. Giao diện kết quả thiết kế................................................................... - 115 Hình 5.7. Kết quả môđun xác định kích thớc chủ yếu..................................... - 115 Hình 5.8. Đặc tính làm việc của động cơ một pha ............................................. - 123 Hình 5.9. Đặc tính cơ của động cơ một pha có tụ khởi động và làm việc.......... - 124 Hình 5.10. Form nhập số liệu cơ bản của động cơ............................................. - 125 Hình 5.11. Form sau khi tra tham số theo tiêu chuẩn Việt Nam........................ - 125 Hình 5.12. Form Kích thớc chủ yếu .............................................................. - 126 Hình 5.13. Kết quả tính của Form Kích thớc chủ yếu................................... - 126 Hình 5.14. Form Thiết kế stato và kết quả tính toán ....................................... - 127 Hình 5.15. Form Thiết kế rôto và kết quả tính toán ........................................ - 127 Hình 5.16. Form Các thông số khác ................................................................ - 128 Hình 5.17. Giao diện kết quả thiết kế................................................................. - 128 Hình 5.18. Kết quả môđun kích thớc chủ yếu.................................................. - 129 Hình 5.19. Đặc tính làm việc của động cơ ......................................................... - 135 -

-9-


Mở ĐầU

1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, tối u hóa quá trình sản xuất ngày càng là yêu cầu
cấp bách nhằm nâng cao u thế doanh nghiệp, sức cạnh tranh của sản phẩm, giảm
thiểu chi phí và cải thiện năng suất, chất lợng.
Trớc tình hình đó, việc tìm hiểu các công cụ thiết kế và quản lý mới nói chung,
công nghệ thông tin nói riêng vào công tác thiết kế kỹ thuật và quá trình sản xuất là
yêu cầu hết sức thiết thực.
Đối với ngành thiết kế và chế tạo máy điện, do đặc thù có rất nhiều thông số
tính toán và các điều kiện ràng buộc. Việc áp dụng công nghệ thông tin sẽ giúp
giảm thời gian tính toán, tận dụng và kết hợp năng lực tính toán của máy tính với
kiến thức của con ngời. Thời gian và chi phí thiết kế đợc giảm đáng kể và có thể
thiết kế cho nhiều chủng loại máy khác nhau, thiết kế đơn chiếc hoặc thiết kế dãy.
Đề tài này là một trong những nghiên cứu bớc đầu trong công tác ứng dụng tin
học vào lĩnh vực thiết kế, chế tạo máy điện. Nó cần đợc xây dựng và phát triển
trong tơng lai để đáp ứng các yêu cầu đa dạng của bài toán.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài là xây dựng phần mềm thiết kế thiết bị điện. Chơng trình
phải có khả năng thiết kế cho nhiều loại máy khác nhau, có giao diện thân thiện với
ngời sử dụng.
3. Đối tợng nghiên cứu
Đối tợng nghiên cứu là động cơ không đồng bộ một pha và ba pha.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ một pha và ba pha.
- Lập chơng trình thiết kế động cơ không đồng bộ một pha và ba pha.
- Xây dựng thành chơng trình thiết kế tổng hợp.
5. Giới hạn đề tài
Đề tài chỉ giới hạn cho việc thiết kế hai loại động cơ. Có thể bổ xung thêm
chơng trình thiết kế cho những thiết bị khác trong tơng lai.

- 10 -

6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Đây là tài liệu tham khảo tốt cho chơng trình đào tạo kỹ s, cử nhân ngành
Thiết bị điện - điện tử.
- Những nghiên cứu bớc đầu trong việc ứng dụng công nghệ thông tin vào công
tác thiết kế, sản xuất.
7. Phơng pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu tình hình thiết kế thiết bị điện ở các cơ sở trong và ngoài nớc.
- Trên cơ sở phân tích các ngôn ngữ lập trình, lựa chọn một ngôn ngữ phù hợp
với nhiệm vụ nghiên cứu.
- Triển khai đề án, xây dựng chơng trình thiết kế.
Lĩnh vực thiết kế và chế tạo thiết bị điện hiện nay rất sôi động với nhiều nhà sản
xuất nớc ngoài nh: ABB, Siemens, Teco, Hitachi ; các nhà sản xuất trong nớc
nh công ty cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội (HEM), công ty cổ phần chế tạo máy
điện Việt Nam - Hungary (VIHEM), công ty cổ phần chế tạo thiết bị điện Đông
Anh (EEMC), công ty cổ phần Thiết Bị Điện (ThiBiDi)
Công tác chế tạo máy điện hiện nay đã và đang đợc cải tiến với những máy
móc dây chuyền hiện đại, đợc tự động hóa cao, đồng thời việc thiết kế cũng đợc
cải tiến bằng việc ứng dụng các phần mềm thiết kế, các loại vật liệu mới. Có thể kể
đến tình hình sản xuất, thiết kế máy điện tại một số cơ sở nh:
1. Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam - Hungary (VIHEM)
Sản phẩm:
- Động cơ điện xoay chiều 1 pha điện áp 220V công suất từ 0,2 đến 3kW.
- Động cơ điện xoay chiều 3 pha các cấp tốc độ, công suất từ 0,125 đến 2500
kW (có các cấp điện áp :110V, 220V, 380V, 660V, 3300V, 6000V, 10000V).
- Các loại động cơ điện đặc biệt: động cơ gắn phanh từ, động cơ thông minh,
động cơ có khớp nối từ (VS).
- Quạt công nghiệp các loại.
Các sản phẩm động cơ điện đợc thiết kế bằng phần mềm thiết kế của Anh quốc

và chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN 1987-1994 tơng đơng với tiêu chuẩn IEC 60034
- 1:2004.

- 11 -


VIHEM có khả năng chế tạo và sửa chữa động cơ truyền thống tới cấp công suất
2500 kW và động cơ điện phòng nổ tới cấp công suất 500 kW.
Việc thử tải đợc thực hiện với các sản phẩm có công suất từ 30kW trở lên,
những sản phẩm dới 30kW đợc thử đại diện theo từng lô hàng
Sản phẩm động cơ điện dới 600kW đợc chế tạo khép kín trong Công ty, những
sản phẩm trên 600kW hợp tác với bên ngoài gia công thân và láng đờng kính rôto.
Khuôn dập đợc chế tạo trên các thiết bị cắt dây và các trung tâm gia công CNC
đảm bảo độ chính xác cao.
Quá trình gia công chi tiết phần lớn đợc thực hiện trên máy CNC, các chi tiết có
trọng lợng lớn chế tạo đơn chiếc đợc gia công trên máy vạn năng chuyên dùng.
Rôto đúc nhôm đợc đúc trên máy áp lực cao, rôto có kết cấu bằng thanh dẫn,
phần tử cứng đợc hàn bởi thiết bị chuyên dùng và đợc cân bằng động trớc khi lắp
ráp.
Bộ dây đợc tẩm sơn cách điện (nhập ngoại) bằng lò chân không và đợc sấy
trong hệ thống sấy tuần hoàn.
2. Công ty cổ phần chế tạo thiết bị điện Đông Anh (EEMC)
Năng lực sản xuất:
- Máy biến áp lực 220kV: 10ữ12 máy/năm.
- Máy biến áp lực 110kV - 16ữ63MVA: 30ữ40 máy/năm.
- Máy biến áp trung gian điện áp đến 38,5kV : 150ữ200 máy/năm.
- Máy biến áp khô: Công suất từ 30kVA ữ 5600 kVA, điện áp đến 35kV.
- Các trạm biến áp bộ - kios ( gồm nhiều cấp dung lợng, thiết kế bảo vệ, đo
lờng,.. khác nhau, phù hợp cho từng nhu cầu cụ thể): 200 trạm/năm
- Các loại máy biến dòng, biến điện áp, cầu chì tự rơi

Công ty đã đầu t nhiều loại máy phục vụ cho quá trình sản xuất nh: máy quấn
dây trục đứng; máy cắt bấm chéo; lò sấy hơi dầu trong dây chuyền sản xuất MBA từ
110kV ữ 500kV. EEMC đặc biệt quan tâm tới việc đầu t mua sắm các trang thiết bị
hiện đại nh: Máy cắt tôn tự động điều khiển CNC, dây chuyền lắp ráp máy biến áp
phân phối, máy lọc dầu chân không, lò sấy chân không cho máy biến áp 500 kV,
máy chuốt dây liên tục

- 12 -


3. Công ty cổ phần Thiết Bị Điện (THIBIDI)
Sản xuất máy biến áp các loại với dãy công suất: 3 pha từ: 30 ữ 10000 KVA và
1 pha từ: 10 ữ 160 KVA với cấp điện áp lớn nhất là 35 KVA
Sản phẩm đợc kiểm nghiệm theo tiêu chuẩn IEC-76 (làm mát tuần hoàn tự
nhiên bằng dầu) đợc lắp đặt trong nhà hoặc ngoài trời. Máy biến áp có thể kiểu kín
hoặc kiểu hở, máy có khả năng chịu ngắn mạch tốt. Cuộn dây đợc thiết kế có khả
năng chịu đợc quá điện áp do đờng dây hoặc sét gây ra.
Nghiên cứu và chế tạo thành công trạm biến áp 3 pha hợp bộ Pad-mounted dãy
công suất từ 50 ữ 2500 KVA với cấp điện áp đến 35 KV. Và máy biến áp khô chống
cháy dãy công suất từ 100 ữ 2500 KVA với cấp điện áp đến 22 KV.
4. Công ty cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội (HEM)
Thiết kế, chế tạo, sửa chữa các loại động cơ điện, máy phát điện, máy biến áp,
hệ thống tủ điện, thiết bị điện cao áp và hạ áp dùng trong công nghiệp, nông nghiệp
và dân dụng.
Dây chuyền sản xuất máy biến áp của HEM đợc trang bị các thiết bị và công
nghệ tiên tiến nhất nhằm nâng cao chất lợng sản phẩm nh: Máy xẻ băng, Dây
chuyền máy cắt chéo, Dây chuyền chế tạo vỏ máy biến áp, Hệ thống phun bi làm
sạch, Máy quấn đồng lá, Hệ thống lọc dầu, Hệ thống hút chân không, Máy tiện
đứng, Máy CNC, Máy dập xoay tự động, Máy đúc nhôm, Máy cắt dây tia lửa điện,
Lò tẩm sấy chân không.

5. Công ty cơ điện Thủ Đức (EMC)
Chuyên chế tạo mới và sửa chữa nâng cấp các loại máy biến thế điện lực có
dung lợng đến 125 MVA, cấp điện áp đến 110 - 220 - 230 kV.
Bình quân mỗi năm Công ty đổi mới đợc từ 14% đến 24,5% hệ thống thiết bị
công nghệ hiện có theo hớng hiện đại. Hiện nay, các dây chuyền sản xuất đã đợc
tự động hoá. Công ty đã ứng dụng công nghệ tự động hoá trong chế tạo máy biến
thế phân phối và truyền tải. Hệ thống máy tự động đã đợc ứng dụng cho các công
đoạn sản xuất nh cắt mạch từ tôn silíc, dập cánh tản nhiệt cho máy biến áp phân
phối, quấn dây máy biến áp điện lực, quấn dây ruột máy biến áp phân phối; các dây
chuyền vận hành máy đột dập liên hợp và đầu đột dập liên hợp CNC
8. Bố cục của luận văn

- 13 -


- Chơng I: Cơ sở lý thuyết động cơ một pha.
- Chơng II: Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ba pha.
- Chơng III: ứng dụng công nghệ thông tin trong bài toán thiết kế thiết bị điện.
- Chơng IV: Lựa chọn ngôn ngữ và kiến trúc phần mềm.
- Chơng V: Kết quả thiết kế.
- Kết luận và kiến nghị.
- Phụ lục.
- Tài liệu tham khảo.

- 14 -


CHƯƠNG I: CƠ Sở Lý THUYếT động cơ một pha
1.1. Giới thiệu chung về động cơ một pha
Động cơ điện công suất nhỏ đợc sử dụng rất nhiều

trong đời sống, các thiết bị tự động, thiết bị gia dụng,
công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp.
Phần lớn các động cơ công suất nhỏ là loại một pha
và thờng là động cơ không đồng bộ. Ưu điểm của loại
động cơ này là dùng nguồn một pha của lới sinh hoạt,
nên đợc ứng dụng rất rộng rãi. Ngoài ra, nó có kết cấu
đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành thấp, không
sinh ra nhiễu vô tuyến và ít tiếng ồn.

Hình 1.1. Mô hình máy
điện một pha

Hiện nay, ở các nớc đều sản xuất động cơ không đồng bộ công suất nhỏ theo
dãy công suất từ 15 W đến 750 W (có thể đến 1,5 kW), với số cực là 2 và 4.
1.2. Động cơ không đồng bộ một pha - lý thuyết tổng quan
Phần lớn các máy điện một pha đợc bố trí trên stato, hai cuộn dây A và B tơng
ứng vuông góc với nhau. Sự không đối xứng của máy thờng do số vòng dây hai
cuộn khác nhau hoặc do chúng chiếm số rãnh không bằng nhau.
Động cơ không đồng bộ một pha về cấu tạo, có thể xem là động cơ hai pha:
-

Cuộn làm việc (cuộn chính): Nối trực tiếp với nguồn một pha.
Cuộn phụ (cuộn khởi động): Nối với nguồn một pha qua phần tử lệch pha
trong toàn bộ thời gian làm việc hoặc chỉ trong thời gian mở máy.

1.2.1. Động cơ không đồng bộ một pha với điện trở khởi động
Hình 1.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của động cơ KĐB một pha khởi động bằng
điện trở. Động cơ khởi động nh động cơ hai pha không đối xứng. Khi động cơ đạt
tới tốc độ nhất định thì cuộn khởi động B đợc ngắt khỏi nguồn và động cơ chuyển
sang chế độ làm việc với cuộn chính A luôn đợc nối với điện áp nguồn.

Cuộn làm việc A thờng chiếm khoảng 2/3 số rãnh stato, còn cuộn khởi động B
thờng chiếm 1/3 số rãnh.

- 15 -


Động cơ một pha khởi động bằng điện trở
thờng có mômen khởi động thấp Mk = (0,50,7) Mđm.
Hiệu suất = 0,4-0,7.
Hệ số công suất cos = 0,5-0,6
Bội số mômen cực đại
m max =

M max
= 1, 4 2
M dm

Hình 1.2. Động cơ KĐB một pha
khởi động bằng điện trở

1.2.2. Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động
Động cơ KĐB một pha với tụ khởi động
thờng đợc sử dụng trong các trờng hợp yêu
cầu mômen khởi động Mk lớn và dòng khởi
động Ik nhỏ.
Cuộn chính thờng chiếm 2/3 số rãnh stato,
cuộn phụ chiếm 1/3. Số vòng dây của cuộn phụ
và điện dung của tụ khởi động đợc chọn từ giá
trị mômen khởi động cần đạt hoặc từ điều kiện
đạt từ trờng tròn khi khởi động. Sau khi kết Hình 1.3. Động cơ KĐB một pha

thúc quá trình khởi động, cuộn khởi động và tụ
khởi động bằng điện dung
đợc cắt khỏi mạch.
- Mômen khởi động: Mk = (2-2,5)Mđm
- Dòng khởi động: Ik = (3-6)Iđm
1.2.3. Động cơ không đồng bộ một pha với điện dung làm việc
Thực chất của động cơ điện dung làm việc là động cơ hai pha đợc mắc vào lới
một pha. Khi làm việc, cả hai dây quấn đều đợc nối với nguồn điện.
Việc lựa chọn trị số điện dung của tụ điện làm việc và số vòng dây của các dây
quấn phù hợp sẽ tạo ra từ trờng quay tròn (hoặc gần tròn) trong quá trình làm việc.

- 16 -


Động cơ một pha với điện dung làm việc
có nhiều u điểm nh cấu tạo đơn giản, hệ sô
công suất cos cao, nên đợc sử dụng rất rộng
rãi trong các thiết bị nh quạt điện, các động
cơ của hệ thống tự động v.v

Hình 1.4. Động cơ KĐB một pha
với điện dung làm việc
1.2.4. Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động và tụ làm việc
Nhợc điểm chung của các loại động cơ
với điện trở khởi động và tụ khởi động là
chúng có chỉ số năng lợng (,cos) tơng
đối thấp do ở chế độ làm việc chỉ có pha chính
đợc nối với nguồn điện tạo ra từ trờng đập
mạch, không phải từ trờng quay.
Trong trờng hợp yêu cầu chỉ số năng

lợng cao và đặc tính khởi động tốt, ngời ta
thờng sử dụng động cơ điện có tụ khởi động
và tụ làm việc.

Hình 1.5. Động cơ KĐB một pha
với tụ khởi động và tụ làm việc

Cuộn phụ B đợc nối với hai tụ Ck, Clv. Trong đó, tụ làm việc Clv luôn đợc nối
với mạch, còn tụ Ck chỉ đợc nối vào mạch trong thời gian khởi động.
Trong động cơ điện có điện dung khởi động và làm việc, thiết bị khởi động trong
thời gian khởi động (từ hệ số trợt s = 1 đến s = 0, 25 0, 2 ) sẽ nối thêm tụ điện khởi
động Ck vào pha phụ. Thiết bị khởi động có thể dùng công tắc ly tâm, nút ấn, rơ le
quá dòng điện v.v Thông dụng nhất vẫn là dùng công tắc ly tâm.
Khi khởi động cũng nh khi làm việc, động cơ luôn làm việc với 2 pha, các cuộn
dây A và B thờng chiếm số rãnh nh nhau trên stato.
Nhằm đạt đợc chỉ tiêu kỹ thuật cao, các thông số của động cơ và giá trị của tụ
đợc thiết kế sao cho khi ở chế độ định mức, từ trờng trong động cơ là từ trờng

- 17 -


tròn (hiệu suất biến đổi năng lợng điện - cơ cao nhất).
Điện dung của tụ khởi động đợc chọn sao cho tổng điện dung C k + Clv trong
quá trình khởi động, đảm bảo đợc giá trị cần thiết của mômen khởi động.
M k = ( 2,0 2, 2 ) M m

= ( 0,5 0,9 )

cos = ( 0,8 0,95 )

M max = (1,8 2,5 ) M m

1.3. Thiết kế động cơ một pha - nhiệm vụ và yêu cầu
1.3.1. Các số liệu cần thiết
Trớc yêu cầu thiết kế động cơ điện, cần phải có các thông số sau:
a, Số liệu định mức:
- Công suất định mức của động cơ: Pđm (W)
- Điện áp định mức Uđm (V)
- Số đôi cực p
- Tần số nguồn điện f (Hz)
b, Chế độ làm việc: Liên tục; Ngắn hạn; Ngắn hạn lặp lại
c, Điều kiện làm việc: Nhiệt độ, độ ẩm môi trờng v.v
d, Các điều kiện đặc biệt:
Các điều kiện này có thể gồm đặc tính của mômen theo hệ số trợt M = f ( s ) ,
đặc tính điều chỉnh, đặc tính khởi động (bội số mômen khởi động mk, bội số dòng
khởi động ik), năng lực quá tải (bội số mômen cực đại mmax) và yêu cầu về độ ồn nhỏ
v.v
Ngoài ra cần nói rõ vị trí làm việc của trục: nằm ngang hay đứng. Máy điện đa
số có trục nằm ngang. Máy điện trục đứng thờng dùng trong máy ly tâm, máy giặt,
máy ghi âm v.v
Thờng chọn loại và kiểu động cơ theo nhiệm vụ thiết kế và công dụng, còn kích
thớc chủ yếu thì xác định theo các số liệu định mức. Khi chọn tải điện từ, tính toán
rôto và pha phụ cũng nh giải quyết các vấn đề có liên quan đến kết cấu thì phải chú
ý đến các điều kiện đặc biệt.
1.3.2. Sơ đồ khối và trình tự tính toán

- 18 -


Trình tự tính toán của động cơ không đồng bộ một pha công suất nhỏ đợc thể

hiện nh hình 1.6:

Hình 1.6. Trình tự tính toán động cơ điện không đồng bộ công suất nhỏ
Những đặc điểm:
- Tính đặc tính làm việc theo mạch thay thế.
- Dùng những tham số có thể đảm bảo những điều kiện đặc biệt (nhất là tham số
về bội số mômen cực đại) để thiết kế rôto hợp lý.
- Tổn hao sắt đợc quy đổi thành một dòng điện phụ cộng vào dòng stato. Nh
vậy đơn giản hóa đợc việc tính toán mà lại tơng đối chính xác.
- Đối với động cơ điện dung, pha chính đợc thiết kế theo điều kiện động cơ hai
pha đối xứng. Đối với động cơ có phần tử khởi động thì tính theo điều kiện làm
việc một pha.
- Tính toán pha phụ.
- Tính toán đặc tính làm việc với từ trờng elip hay đập mạch.
1.3.3. Các môđun thiết kế
Để đơn giản trong điều khiển và xử lý dữ liệu, thuật toán thiết kế đợc xây dựng

- 19 -


thành các môđun chức năng. Mỗi môđun đảm nhận một khâu trong bài toán, có
thông số đầu vào, kết quả đầu ra. Các môđun đợc phân chia nh sau:
1. Môđun xác định kích thớc cơ bản: Xác định các kích thớc chủ yếu: Đờng
kính trong stato D, chiều dài lõi thép l
2. Môđun dây quấn stato: Xác định kiểu dây quấn, hệ số dây quấn stato, số vòng
dây của dây quấn chính, số thanh dẫn trong một rãnh, tiết diện dây quấn chính,
đờng kính dây dẫn và đờng kính dây kể cả cách điện.
3. Rãnh và gông stato: Xác định các kích thớc của rãnh và gông stato, diện tích có
ích của rãnh, hệ số lấp đầy rãnh stato.
4. Dây quấn, rãnh và gông rôto: Xác định dạng rãnh rôto, đờng kính ngoài rôto,

đờng kính trục, bớc răng rôto, chiều cao rãnh, gông rôto
5. Môđun tính toán mạch từ: Xác định hệ số khe hở không khí, sức từ động khe hở,
mật độ từ thông B, cờng độ từ cảm H, sức từ động F trên răng, gông stato và
rôto, hệ số bão hòa răng, hệ số bão hòa toàn mạch, dòng điện từ hóa Ià
6. Môđun trở kháng của dây quấn stato và rôto: Tính điện trở tác dụng của dây quấn
chính stato, các hệ số từ tản rãnh, phần đầu nối stato, điện kháng tản dây quấn
chính, điện trở tác dụng của thanh dẫn, của vành ngắn mạch, điện trở phần tử
lồng sóc, hệ số từ tản rôto, điện kháng rôto quy đổi.
7. Tính toán chế độ định mức: Xác định các thông số của động cơ ở chế độ định
mức.
8. Tính toán dây quấn phụ: Xác định tỷ số biến áp, dung kháng của dây quấn, số
thanh dẫn trong một rãnh của dây quấn phụ, số vòng dây, tiết diện và đờng kính
dây dẫn pha phụ, các giá trị điện trở, điện kháng của dây quấn phụ. Tính và kiểm
tra hệ số kE
9. Tính tổn hao sắt và dòng điện phụ: Xác định tổn hao sắt trên răng stato, rôto, tổn
hao sắt trên gông stato và rôto, dòng điện phụ do tổn hao sắt gây nên, các tổn hao
cơ, tổn hao phụ, tổn hao đồng stato, rôto. Hiệu suất, hệ số công suất, mômen tác
dụng, công suất tác dụng, điện áp trên tụ điện và trên dây quấn phụ.
10. Tính toán chế độ khởi động: Tính giá trị mômen khởi động, bội số mômen khởi
động, điện dung của tụ điện khởi động, bội số dòng điện khởi động, điện áp trên
dây quấn phụ và trên tụ khi khởi động.

- 20 -


11. Trọng lợng và chỉ tiêu kinh tế của vật liệu tác dụng: Xác định trọng lợng thép
silic cần chuẩn bị, trọng lợng đồng của dây quấn và các chỉ tiêu kinh tê gFe, gCu
1.4. Thiết kế chi tiết
A. Xác định kích thớc cơ bản
Kích thớc chủ yếu của động cơ không đồng bộ một pha là đờng kính trong

stato D và chiều dài tính toán lõi thép l.
Trong môđun thiết kế này, cần chú ý đến sự liên quan giữa các kích thớc của
động cơ qua một số hệ số:
- Hệ số k D =
- Tỷ số =

D
là tỷ lệ giữa đờng kính trong và đờng kính ngoài stato.
Dn

ls
là tỷ lệ giữa chiều dài lõi thép và đờng kính trong stato.
D

- Tỷ số k ls =

ls
là tỷ lệ giữa chiều dài lõi thép và đờng kính ngoài stato.
Dn

Khi chọn kích thớc chủ yếu cần xét đến các quan hệ sau:
- Quan hệ giữa hiệu suất ,cos với Pđm
- Quan hệ giữa hệ số sử dụng vật liệu trên đơn vị công suất với công suất định
mức: Vsd =

D 2n ls
= f ( Pm )
4Pm

- Quan hệ giữa tải điện từ với Pđm trên một đơn vị tốc độ:

A, B = f ( Pm / n b )
1. Công suất định mức của động cơ không đồng bộ 3 pha đẳng trị
Các kích thớc chủ yếu của động cơ ba pha và một pha đợc xác định theo cùng
một công thức. Do vậy khi xác định kích thớc chủ yếu, ta quy đổi công suất máy
một pha sang máy ba pha có cùng kích thớc:

PmIII = 1Pm
Với 1 là hệ số biểu thị tỷ số giữa công suất có ích của máy 3 pha và máy thiết kế
có cùng kích thớc.

- 21 -


Đối với động cơ điện dung, 1 = 1, 25 1,7 (với động cơ điện dung dãy 4A thì
1 = 1,33 1,55 ). Đối với động cơ có phần tử khởi động 1 = 2, 2 2,78 (với dãy 4A

thì 1 = 2 2,1 ).
Khi kích thớc bên ngoài của động cơ nh nhau thì công suất của động cơ điện
dung thờng bằng khoảng 57% động cơ ba pha, còn động cơ điện một pha thì bằng
khoảng 40%.
2. Công suất tính toán của động cơ ba pha đẳng trị
PSIII =

PmIII
(W)
III .cos III

Giá trị III .cosIII đợc tra theo hình 1.1 trang 20 TL2, phụ thuộc vào công suất
định mức và số cực.

Đờng cong trung bình đợc số hóa thành các điểm rời rạc và đa vào cơ sở dữ
liệu. Từ dữ liệu đã biết (Pđm , số cực 2p) ta tra đợc giá trị III .cosIII .
3. Chọn tải điện từ
Kích thớc chủ yếu phụ thuộc vào việc chọn tải điện từ, mà tải điện từ lại có
quan hệ với vật liệu dẫn từ, cấp cách điện, kết cấu và cách làm mát.
Trị số của A và B trong động cơ công suất nhỏ tơng đối bé. Mật độ từ thông
khe hở không khí B bị hạn chế bởi mật độ từ thông cho phép trong răng và gông lõi
thép. Theo sự phát triển của kỹ thuật vật liệu, chất lợng thép kỹ thuật điện ngày
càng tốt nên có thể chọn B cao hơn.
Đối với động cơ công suất nhỏ, cách điện dây dẫn chiếm một không gian tơng
đối lớn, hệ số lấp đầy rãnh khá thấp, do đó việc nâng cao tải đờng cũng bị hạn chế.
Trên thực tế, tải điện từ đợc chọn trong giới hạn sau:
B = 0,3 1 ( T )
A = 90 180 ( A / cm ) khi 2p = 2
A = 90 200 ( A / cm ) khi 2p = 4.

Khi chọn B nên xét đến:

- 22 -


- Độ bão hòa cho phép của mạch từ trong phần răng và gông stato (đặc biệt là máy 2
cực)
- Yêu cầu đạt đợc tính năng làm việc và khởi động tốt nhất.
- Yêu cầu có ít tiếng ồn nhất.
Muốn thỏa mãn yêu cầu thứ hai thì phải tăng B, nh vậy sẽ mâu thuẫn với yêu
cầu thứ nhất và thứ ba.
Tải đờng A thay đổi không nhiều ( 90 200 A / cm ) còn B lại thay đổi rất
nhiều, trong phạm vi lớn, trong đó trị số nhỏ dùng cho động cơ điện công suất tơng
đối nhỏ và ít tiếng ồn.

Với thép kỹ thuật điện cán nóng, thờng chọn B = 0,5 0,6 T , trong đó trị số
lớn dùng cho máy 4 cực. Dãy 4A của Nga dùng thép cán nguội với B = 0,8 1 T .
Giá trị A và B đợc đa ra cho ngời dùng nhập và có gợi ý lựa chọn.
4. Đờng kính ngoài stato
D n=

Hệ số =

PSIII .p
44
3
k D B .A..n db

(cm)

ls
là tỷ lệ giữa chiều dài lõi thép và đờng kính trong stato. =
D

0, 22 1,57 . Với máy đặc biệt nh máy ghi âm thì = 0, 22 0,33 .

Hệ số k D = 0, 485 0,615 khi 2p = 2
k D = 0, 495 0,655 khi 2p = 4

Giá trị Dn đợc chuẩn hóa theo các giá trị chuẩn. Từ đây tra đợc chiều cao tâm
trục h theo bảng 1.1
H, mm

50

56

63

71

80

90

Dn, mm

81

89

100

116

131

149

Bảng 1.1. Chiều cao tâm trục theo đờng kính ngoài.
5. Đờng kính trong stato: D = k D .D n

(cm)

6. Chiều dài lõi thép stato và rôto và bớc cực

- 23 -