Đo lường điện - Chương 8: Máy điện không đồng bộ

CHƯƠNG 8 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ I. KHÁI NIỆM CHUNG • Máy điện xoay chiều làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ quay của rôto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường stato n1. • Làm việc ở hai chế độ động cơ điện và chế độ máy phát điện ( Thực tế thường sử dụng làm động cơ không đồng bộ) • Động cơ không đồng bộ có các loại : động cơ ba pha, hai pha và một pha. Mô hình máy điện không đồng bộ ba pha Chế độ động cơ Chế độ máy phát II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ ba pha Gồm hai phần chủ yếu: 2. Phần quay Rôto 1. Phần tĩnh Stato 1. Stato Phần tĩnh gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy. Lõi thép Dây quấn Vỏ máy Lõi thép stato: Hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 – 0,5 mm được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau có sơn cách điện để hạn chế dòng điện xoáy. Trong các rãnh của lõi thép dùng để đặt dây quấn stato. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy. Lá thép kỹ thuật điện của lõi thép stato Lõi thép stato •Dây quấn stato: Làm bằng dây dẫn bọc cách điện được đặt trong các rãnh của lõi thép, dây quấn ba pha stato đặt cách nhau 120 0 điện. Dây quấn stato thường quấn hai lớp. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay. Nắp máy Chân đế Hộp nối dây Quạt làm mát Dòng khí làm mát Vỏ máyDây quấn stato Vỏ máy: Làm bằng nhôm ( ở máy điện nhỏ) và bằng gang hoặc thép (ở máy điện lớn), dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ. Vỏ máy và nắp máy dùng để đỡ trục rôto và bảo vệ máy. 2. Rôto  Phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. • Lõi thép Có dạng hình trụ giống như stato, gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục. • Dây quấn Dây quấn rôto phải được nối tắt lại hoặc khép kín qua điện trở. Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ ba pha có hai kiểu: Rôto ngắn mạch. Rôto dây quấn. Lá thép kỹ thuật điện của lõi thép rôto ngắn mạch Rôto ngắn mạch ( Rôto lồng sóc) Rôto lồng sóc ở động cơ công suất lớn, trong các rãnh của lõi thép rôto đặt các thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng nhằm làm kín mạch rôto. (Các thanh dẫn thường đặt nghiêng làm cho rôto quay êm hơn). Động cơ công suất nhỏ, lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc các thanh dẫn bằng nhôm với hai vòng ngắn mạch. Loại động cơ điện có rôto lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ lồng sóc. Rôto ngắn mạch ( Rôto lồng sóc) Thanh dẫn Lá thép kỹ thuật điện Vòng ngắn mạch Rôto dây quấn Vòng tiếp xúc Dây quấn Lá thép kỹ thuật điện Lõi thép do các lá thép kỹ thuật điện được ghép lại với nhau tạo thành các rãnh hướng trục . Trong rãnh lõi thép rôto đặt dây quấn ba pha. Loại động cơ có rôto dây quấn gọi là động cơ rôto dây quấn Rôto dây quấn • Dây quấn rôto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục rôto và được cách điện với trục . Nhờ ba thổi chan tỳ sát vào ba vòng tiếp xúc, nhờ chổi than dây quấn rôto được nối với ba biến trở bên ngoài, để mở máy và điều chỉnh tốc độ. • Khi mở máy dây quấn rôto được nối với biến trở mở máy, đầu tiên để để biến trở lớn nhất sau đó giảm dần về không. • Khi tăng biến trở thì tốc độ quay của động cơ giảm . Chổi than Vòng tiếp xúc Biến trở • Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản, làm việc đảm bảo và độ tin cậy cao. So sánh động cơ lồng sóc và rôto dây quấn • Động cơ rôto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và có chổi than vận hành kém tin cậy so với động cơ lồng sóc. Động cơ lồng sóc Động cơ rôto dây quấn 2. Từ trường quay của dây quấn ba pha Dòng điện xoay chiều ba pha có ưu điểm lớn là tạo ra từ trường quay trong các máy điện a. Sự tạo thành từ trường quay. Trên hỡnh vẽ mặt cắt ngang của máy điện ba pha đơn giaỷn trong đó dây quấn ba pha đối xứng ở xtato AX, BY, CZ đặt trong 6 rãnh. Trục của các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện. Giaỷ thiết trong dây quấn có dòng điện ba pha đối xứng chạy qua . iA = Imax sin t iB = Imax sin( t –1200) iC = Imax sin( t –2400) Thấy rõ sự hỡnh thành từ trường, khi vẽ từ trường ta quy ước chiều dòng điện như sau: - Dòng điện pha nào dương có chiều từ đầu đến cuối pha, đầu được ký hiệu bằng vòng tròn có dấu nhân ở giửừa , còn cuối ký hiệu bằng vòng tròn có dấu chấm ở giửừa  . Dòng điện pha nào âm có chiều và ký hiệu ngược lại, dấu ký hiệu bằng cuối ký hiệu bằng . ở thời điểm  t = 900 này, dòng điện pha A cực đại và dương, dòng điện pha B và C âm. i wt wt=90 +120 0 wt=90 +240 00 0 i A iCiB wt=90 0 B C S X N Y A Z Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác định chiều đường sức từ trường do các dòng điện sinh ra.Ta thấy từ trường tổng có một cực S và một cực N, ta gọi là từ trường một cực (p=1). Trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha A là dòng điện cực đại. i wt wt=90 +120 0 wt=90 +240 00 0 iA iCiB wt=90 0 B C S X N Y A Z Thời điểm pha  t = 900 +1200 : Là thời điểm sau thời điểm đã xét ở trên một phần ba chu kỳ. ở thời điểm này dòng điện pha B cực đại và dương, các dòng điện pha A và C âm. Dùng quy tắc vặn nút chai ta xác định chiều đường sức từ trường. Ta thấy từ trường tổng đã quay đi một góc là 1200 so với thời điểm trước. Trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha B là pha có dòng điện cực đại. wt=9 0 wt=90 +240wt=90 +120 i i A iB iC wt • Thời điểm pha  t = 900 +2400 : Là thời điểm chậm sau thời điểm đầu 2/3 chu kỳ; lúc này dòng điện pha C cực đại và dương, còn dòng điện pha A và B âm. Ta thấy từ trường tổng ở thời điểm này đã quay đi một góc là 2400 so với thời điểm đầu. Trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha C là pha có dòng điện cực đại. i wt wt=90 +120 0 wt=90 + 240 00 0 i A iCiB w t=90 0 Y C S X B N A Z Qua sự phân tích ở trên, ta thấy từ trường tổng của dòng điện ba pha là từ trường quay. Từ trường quay móc vòng với caỷ hai dây quấn xtato và rôto, đó là từ trường chính của máy điện, tham gia vào quá trỡnh biến đổi naờng lượng. C Btong Bb Ba Bc X Bc C Y S A B N Z Y Ba Bb Bc Btong Bb X Btong Z N S A Y B C N Ba X S B Z A . ẸẶC ĐIỂM CỦA TỪ TRƯỜNG QUAY: - TỐC ĐỘ TỪ TRƯỜNG QUAY. TỐC ĐỘ TỪ TRƯỜNG QUAY PHỤ THUỘC VÀO TẦN SỐ DÒNG ĐIỆN XTATO F VÀ SỐ ĐÔI CỰC P. MỘT CÁCH TỔNG QUÁT, KHI TỪ TRƯỜNG QUAY CÓ P ĐÔI CỰC, TỐC ĐỘ TỪ TRƯỜNG QUAY (CÒN GỌI LÀ TỐC ĐỘ ĐỒNG BỘ) LÀ : N1 =60F/P - CHIỀU QUAY CỦA TỪ TRƯỜNG. CHIỀU QUAY CỦA TỪ TRƯỜNG PHỤ THUỘC VÀO THỨ TỰ PHA CỦA DÒNG ĐIỆN. MUỐN ĐỔI CHIỀU QUAY CỦA TỪ TRƯỜNG TA THAY ĐỔI THỨ TỰ HAI PHA VỚI NHAU. . Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto, caỷm ứng các sức điện động. Vỡ dây quấn rôto nối ngắn mạch, nên sức điện động caỷm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rôto. Lực tác dụng tương hỗ giửừa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay cùng chiều từ trường với tốc độ n. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ KHI TA CHO DÒNG ĐIỆN BA PHA TẦN SỐ F VÀO BA DÂY QUẤN XTATO, SẼ TẠO RA TỪ TRƯỜNG QUAY P ĐÔI CỰC, QUAY VỚI TỐC ĐỘ LÀ N1 =60F/P Trên hỡnh vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn đối với từ trường. Nếu coi từ trường đứng yên, thỡ chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược với chiều n1, từ đó áp dụng quy tắc bàn tay phaỷi, xác định được chiều sđđ như hỡnh vẽ (dấu  chỉ chiều đi từ ngoài vào trong). Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1. Fdt Fdt n1 n Fdt Fdt n n1 Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vỡ nếu tốc độ bằng nhau thỡ không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rôto không có sđđ và dòng điện caỷm ứng, lực điện từ bằng không. ẹộ chênh lệch giửừa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2. n2 = n1- n Hệ số trượt của tốc độ là : s= n2 / n1 = (n1- n) / n1 Khi rôto đứng yên (n=0), hệ số trượt s=1; Khi rôto quay định mức s= 0,02 ữ0,06. Tốc độ động cơ là: n= n1(1- s )=60f/p *(1-s) ; CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN TỪ a) Phương trình điện áp dây quấn Stato : Tương tự dq sơ cấp MBA   jXRIEZIEU 11111111   (1) U1 : điện áp pha đặt vào dq Stato. E1 = 4.44fw1kdq1max : sđđ pha do từ trường quay sinh ra. kdq1 <1 : hệ số dq Stato, đặc trưng sự giảm  và E1 do quấn rải. R1 : đặc trưng tổn hao đồng Pcu1 của 1 pha dq Stato. X1 = L1 : điện kháng tản, đặc trưng từ trường tản trong dq Stato.  = 2f (rad/s) với f = 50Hz : tần số dòng điện Stato. b) Phương trình cân bằng điện áp dây quấn Rôto : Khi Rôto đứng yên (n = 0, s = 1), tính toán tương tự dq thứ cấp MBA ta có E2 = 4.44fw2kdq2max với kdq2 : hệ số dq Rôto.  22222222 jXRIEZIE0U   với X2 = L2 = 2f L2 Hệ số quy đổi sức điện động : dq22 dq11 2 1 e kw kw E E k  Khi Rôto quay với tốc độ n cùng chiều từ trường quay Stato, từ trường Stato chỉ quay so với Rôto tốc độ tương đối là n1 – n = n2  sđđ và dòng điện Rôto có tần số E2s = 4.44f2w2kdq2max = sE2 ; X2s = 2f2L2 = sX2 . Ptcb sđđ dq Rôto :    22222s222s jsXRIsEjXRIE0   (2)        2 2 22 jX s R IE0 • c) Phương trình cân bằng từ động cơ KĐB 3 pha Dòng điện i2 trong dq Rôto có tần số f2 = sf sinh ra từ trường quay Rôto với tốc độ bằng 60f2 /p = s60f / p = sn1 = n2 . Mà Rôto lại quay so với phần tĩnh Stato tốc độ tương đối là n  từ trường quay Rôto quay so với phần tĩnh Stato tốc độ tương đối là n + n2 = n1 . Vậy từ trường quay Rôto có cùng tốc độ quay với từ trường quay Stato, hay không có sự chuyển động tương đối với nhau. Từ trường tổng hợp của máy là từ trường quay với tốc độ n1 . Lý luận tương tự MBA do U1 = const  max = const , ta có 2 dq111 dq222 012dq2221dq1110dq111 I kwm kwm IIIkwmIkwmIkwm   III ' 201         (3) k I I kwm kwm I i 2 2 dq111 dq222' 2   Trong đó : hệ số quy đổi dòng điện dq222 dq111 i kwm kwm k  • 8.6 SƠ ĐỒ THAY THẾ ĐỘNG CƠ KĐB 1) Quy đổi dq Rôto về dq Stato : Sđđ và dòng điện dq Rôto quy đổi : E2’ = E1 = keE2 ; I2’ = I2 /ki Điện trở, điện kháng dq Rôto quy đổi : Đảm bảo tổn hao đồng không đổi  m2R2I22 = m1R2’I2’2  R2’= kekiR2 = kR2. Tương tự X2’= kekiX2 = kX2 ; với k = keki : hệ số quy đổi tổng trở Ptcb mạch điện Rôto sau khi quy đổi :                 ie 2 ie 2 2i e 2 2 2 22 kk X' j ksk R' 'Ik k 'E jX s R IE0         2 2 22 jX' s R' 'I'E0 Ta có s s1 R'R' s R' 22 2  s s1 R'2  : đặc trưng cho công suất cơ Pcơ = P2 + Pcf . P2 : công suất có ích trên trục động cơ. Pcf : tổn hao do ma sát ổ trục, quat gió Giống như máy biến áp -E1 và - E’2 là điện áp rơi trên tổng trở từ hóa: )jXR(I'E- E- thth021   Cuối cùng ta có hệ phương trinh động cơ điện như sau: )jXR(I)jX(RI U thth01111   )jX' s 'R ('I)jX(RI 0 2 2 2thth0   201 'III   U1 R1 R'2/sX1 Xth Rth X'2 I0 I'2I1 X0 I1 = U1 R1 Ro I0 X1 I'2 R'2/s X'2 MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ẸỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CÓ MÔMEM MỞ MÁY. ẸỂ MỞ MÁY ĐƯỢC, MÔMEN MỞ MÁY ĐỘNG CƠ PHAỶI LỚN HƠN MÔMEN CAỶN CỦA TAỶI LÚC MỞ MÁY, ĐỒNG THỜI MÔMEN ĐỘNG CƠ PHAỶI ĐỦ LỚN ĐỂ THỜI GIAN MỞ MÁY TRONG PHẠM VI CHO PHÉP. DÒNG ĐIỆN, MỞ MÁY LỚN BẰNG 5Ữ7 LẦN DÒNG ĐIỆN ĐỊNH MỨC. ẸỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ SẼ LÀM CHO ĐIỆN ÁP MẠNG ĐIỆN TỤT XUỐNG, AỶNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CÁC THIẾT BỊ KHÁC. VỠ THẾ TA CẦN CÓ CÁC BIỆN PHÁP MỞ MÁY. YÊU CẦU MỞ MÁY CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ: • MÔMEN MỞ MÁY ( MMM) PHAỶI LỚN • DÒNG ĐIỆN MỞ MÁY( IMM) PHAỶI NHỎ 1.Mở máy động cơ lồng sóc a. Mở máy trực tiếp: ẹây là phương pháp đơn giaỷn nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ điện vào lưới điện. Khuyết điểm của phương pháp này là dòng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp mạng điện rất nhiều, nếu quán tính của máy lớn, thời gian mở máy sẽ rất lâu, có thể làm chaựy cầu chỡ baỷo vệ. Vỡ thế phương pháp này dùng được khi công suất mạng điện (hoặc nguồn điện) lớn hơn công suất động cơ rất nhiều, việc mở máy sẽ rất nhanh và đơn giaỷn. b.Giam điện áp xtato : Khi mở máy ta giaỷm điện áp vào động cơ, cũng làm giaỷm được dòng điện mở máy. Khuyết điểm của phương pháp này mômen mở máy giaỷm rất nhiều, vỡ thế nó chỉ sử dụng được đối với trường hợp không yêu cầu mômen mở máy lớn. Có các biện pháp giaỷm điện như sau - Dùng điện kháng nối tiếp vào mạch xtato. điện áp mạng điện đặt vào động cơ qua điện kháng D.K. Lúc mở máy, cầu dao D2 mở, cầu dao D1 đóng. Khi động cơ đã quay ổn định thỡ đóng cầu dao 2 để ngắn mạch điện kháng. Nhờ có điện áp rơi trên điện kháng, điện áp trực tiếp đặt vào động cơ giaỷm đi k lần. Dòng điện sẽ giaỷm đi k lần, song mômen giaỷm đi k2 lần (vỡ mômen tỉ lệ với bỡnh phương điện áp). D1 D2 - Dùng máy tự biến áp. điện áp mạng điện đặt vào sơ cấp máy tự biến áp. điện áp thứ cấp máy tự biến áp đưa vào động cơ. Thay đổi vị trí con chạy để cho lúc mở máy điện áp đặt vào động cơ nhỏ, sau đó dần dần taờng lên bằng định mức. - Phương pháp đổi nối sao – tam giác Phương pháp này chỉ dùng được với nhưng động cơ khi làm việc bỡnh thường dây quấn xtato nối hỡnh tam giác. Khi mở máy ta nối hỡnh sao để điện áp đặt vào mỗi pha giaỷm lần. Sau khi mở máy ta đổi nối lại thành hỡnh tam giác như đúng quy định của máy. Trên hỡnh vẽ khi mở máy ta đóng cầu dao sang phía Y, mở máy xong đóng sang phía Δ. D1 A X B C Y Z 2. Mở máy động cơ rôto dây quấn Khi mở máy dây quấn rôto được nối với biến trở mở máy. đầu tiên để biến trở lớn nhất, sau đó giaỷm dần đến không. đường đặc tính mômen ửựng với các giá trị Rmở vẽ trên hỡnh vẽ. Muốn mômen mở máy cực đại, hệ số trượt tới hạn phaỷi bằng 1: 1 X'X R'R' s 21 2     mëth xtato roto Rmo M n Mc Mma x Rmo =0 Rmo lon nhat M M' Từ đó xác định được điện trở Rmở cần thiết. Khi có Rmở dòng điện pha mở máy là: Nhờ có Rmở dòng điện mở máy giaỷm xuống. Như vậy, có Rmở mômen mở máy taờng, dòng điện mở máy giaỷm, đó là ưu điểm lớn của động cơ rôto dây quấn. 2 21 2 21 1 )X'(X )R'R'(R U I   më pmë xtato roto Rmo M n Mc Mmax Rmo =0 Rmo lon nhat M M' ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ LÀ: N=60F/P* (1- S) VÒNG/PHÚT 1. Diều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số Việc thay đổi tần số f của dòng điện xtato thực hiện bằng bộ biến đổi tần số. 2. ẹiều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực Số đôi cực của từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn. vẽ cấu tạo dây quấn của một pha xtato, ứng với từ trường có p=1 và p = ẹộng cơ không đồng bộ có cấu tạo dây quấn không đồng bộ nhiều cấp tốc độ. Phương pháp này chỉ sử dụng cho loại rôto lồng sóc. 3. ẹiều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho xtato Phương pháp này chỉ thực hiện việc giaỷm điện áp. Khi giaỷm điện áp đường đặc tính M=f(s) sẽ thay đổi do đó hệ số trượt thay đổi, tốc độ động cơ thay đổi. 4. ẹiều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rôto của động cơ rôto dây quấn Thay đổi điện trở dây quấn rôto, bằng cách mắc biến trở ba pha vào mạch rôto như hỡnh vẽ . Ta thấy rằng khi taờng điện trở, tốc độ quay của động cơ giaỷm. Nếu mômen caỷn không đổi, dòng rôto không đổi, khi taờng điện trở để giaỷm tốc độ, sẽ taờng tổn hao công suất trong biến trở, do đó phương pháp này không kinh tế. Tuy nhiên phương pháp đơn giaỷn, điều chỉnh trơn và khoảng điều chỉnh tương đối rộng được sử dụng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ công suất cở trung bỡnh. ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA VỀ CẤU TẠO XTATO CHỈ CÓ DÂY QUẤN MỘT PHA, RÔTO THƯỜNG LÀ LỒNG SÓC . DÂY QUẤN XTATO ĐƯỢC NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU CHẠY VÀO DÂY QUẤN XTATO KHÔNG TẠO RA TỪ TRƯỜNG QUAY. DO SỰ BIẾN THIÊN CỦA DÒNG ĐIỆN, CHIỀU VÀ TRỊ SỐ TỪ TRƯỜNG THAY ĐỔI, NHƯNG PHƯƠNG CỦA TỪ TRƯỜNG CỐ ĐỊNH TRONG KHÔNG GIAN. TỪ TRƯỜNG NÀY GỌI LÀ TỪ TRƯỜNG ĐẬP MẠCH. 1. Dùng dây quấn phụ mở máy ở loại động cơ này, ngoài dây quấn chính( cuộn chạy), còn có dây quấn phụ( cuộn đề). Dây quấn phụ đặt trong một rãnh xtato, sao cho sinh ra một từ thông lệch với từ thông chính một góc 900 trong không gian, và dòng điện trong dây quấn phụ lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc 900. Dòng điện ở dây quấn phụ và dây quấn chính sinh ra từ trường quay để tạo ra mômen mở máy. ẹể dòng điện trong dây quấn phụ lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc 900, ta thường nối tiếp với dây quấn phụ điện dung C. A B C K