Đang tải... (xem toàn văn)
Máy điện không đồng bộ
Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 27 Chương 4 : MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 4.1 KHÁI NIỆM: Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy. Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở chế độ động cơ, hoặc ở chế độ máy phát. Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt so với máy phát đồng bộ nên ít được dùng. Trong sản xuất , máy điện không đồng bộ chủ yếu là động cơ để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành cơ năng. Hiện nay đa số các động cơ dùng trong công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp … đều là động cơ điện không đồng bộ, vì nó có cấu tạo và vận hành đơn giản dẫn đến giá thành rẻ, chi phí bảo trì thấp. Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ có khuyết điểm là khó đều chỉnh tốc độ và hệ số cosϕ thấp. 4.2 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA : Gồm hai phần chính : Stator và Rotor . 4.2.1 Stator: Stator của máy điện không đồng bộ gồm các phần chính là lõi thép, dây quấn và vỏ máy. Lõi thép stator do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã dập sẳn, ghép cách điện với nhau , chiều dài các lá thép thường là 0.5mm, phía trong có các rãnh để đặt dây quấn . Dây quấn ba pha stator đặt trong các rãnh lõi thép, xung quanh dây quấn có bọc các lớp cách điện với lõi thép. Các pha dây quấn đặt cách nhau 120° điện . Cấu tạo của động cơ ba pha Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 28 Vỏ máy để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator.Vỏ máy làm bằng nhôm (ở máy nhỏ), bằng gang hay thép đúc (ở máy lớn). Vỏ máy có chân máy để cố đònh máy trên bệ, hai đầu có nắp máy để đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn . 4.2.2 Rotor: Rotor làphần quay gồm lõi thép, trục và dây quấn Lõi thép rotor cũng gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Mặt ngoài lõi thép rotor có các rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có lỗ để lắp trục, có khi còn có các lỗ thông gió. Trục máy gắn với lõi thép rotor và làm bằng thép tốt. Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ bi. Tùy theo cấu tạo dây quấn phần quay, máy điện không đồng bộ chia ra làm hai loại : máy không đồng bộ rotor dây quấn và máy không đồng bộ rotor lồng sóc. Rotor dây quấn (Wound Rotor): trong các rãnh của lõi thép đặt dây quấn ba pha, thường nối thành hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vành trượt bằng đồng trên trục rotor. Ba vành trượt này cách điện với nhau và với trục. Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngoài (điện trở này có thể là điện trở mở máy hoặc điện trở điều chỉnh tốc độ). Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 29 Ưu điểm của động cơ cảm ứng rotor dây quấn (Slip Ring or Wound Induction Motor): • Dòng điện mở máy thấp • Momen khởi động lớn • Khởi động bằng phẳng • Có thể điều chỉnh tốc độ trong dãy hẹp • Đơn giản và mạnh • Độ tin cậy cao • Chi phí bảo trì thấp Ứng dụng: • Cần trục • Máy nâng • Máy cuốn trong nhà máy thép,… Rotor lồng sóc (Squirrel Cage Rotor): dây quấn là những thanh đồng hay nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rotor, hai đầu các thanh dẫn nối với hai vành đồng hay nhôm, gọi là vòng ngắn mạch . Như vậy dây quấn rotor hình thành một cái lồng, gọi là lồng sóc. Mỗi thanh dẫn của lồng sóc được xem như một pha. Người ta thường chế tạo rotor lồng sóc bằng cách đổ nhôm nóng chảy vào các rãnh lõi thép rotor. Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 30 Giữa phần tónh và phần quay là khe hở không khí. Khe hở rất nhỏ, thường từ 0,35 – 1,5cm. Mạch từ máy điện không đồng bộ khép kín từ stator sang rotor, qua khe hở không khí. Khe hở không khí càng lớn thì dòng điện từ hoá để gây ra từ thông cho máy càng lớn, hệ số cosϕ của máy càng giảm. Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 31 Ngoài ra còn có vỏ máy 4.3 NHỮNG THÔNG SỐ GHI TRÊN NHÃN MÁY: • Công suất đònh mức ( W, Kw, Hp ) : là công suất đònh mức đầu ra trên trục động cơ ( động cơ ), công suất điện đưa ra ( máy phát ). • Điện áp dây đònh mức m ( V): đối với động cơ ba pha là U dây, đối với động cơ một pha thì U là điện áp đặt trên đầu cực của động cơ ( pha – trung tính hoặc pha – pha ). • Dòng điện dây đònh mức Iđm ( A ) Ví dụ : Trên nhãn máy ghi : ∆/ Y – 220/380V – 7,5/ 4,3 A. có nghóa là khi điện áp dây lưới điện bằng 220V thì ta nối dây quấn stator theo hình tam giác và dòng điện dây đònh mức tương ứng là 7,5 A ; khi điện áp mạng điện là 380V thì dây quấn stator nối theo hình sao, dòng điện dây đònh mức là 4,3A. • Tốc độ quay đònh mức nđm ( vòng/ phút ). • Tần số đònh mức ( HZ ). • Cấp cách điện • Loại động cơ: Theo các tiêu chuẩn National Electrical Code và National Electrical Manufactures Association (NEMA), các motor được phân loại bởi ký tự đặc trưng cho tỷ số của dòng khởi động và dòng đònh mức. Có sáu loại: A, B, C. D, E, F. Bằng các ký tự này, có thể xác đònh chính xác được đònh mức của circuit breaker, cầu chì và các thiết bò bảo vệ khác. o Loại A: Dòng khởi động bình thường, 5 đến 7 lần dòng đònh mức. Trên 721HP phải giảm điện áp khởi động. Momen khởi động bình thường và khoảng 150% đònh mức. Đây là loại motor bình thường (Normal Type), thông dụng (General Purpose) như: máy công cụ, bơm ly tâm, bộ động cơ - máy phát, quạt, máy thổi, các thiết bò cần momen khởi động thấp. Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 32 o Loại B: điện kháng cao và dòng khởi động thấp do các rãnh của rotor kín, sâu và hẹp. Thông dụng như loại A. Nhiều nhà sản xuất chỉ chế tạo động cơ General purpose trên 5hp. o Loại C: dòng khởi động thấp, 214 đến 5 lần đònh mức. Full voltage start. Momen khởi động cao, khoảng 225% đònh mức; rotor lồng sóc kép: Ứng dụng: máy nén khí, máy bơm kiểu pitong, máy trộn, máy nghiền, băng tải (conveyor) khởi động dưới tải, máy làm lạnh lớn, các thiết bò cần momen khởi động lớn. o Loại D: Dòng khởi động thấp. Full voltage start. Momen khởi động cao , khoảng 275% đònh mức, dây quấn rotor có điện trở lớn. Loại motor này chỉ thích hợp với hoạt động không liên tục (intermittent) và tốc độ không phải ổn đònh bởi vì độ trượt quá cao và hiệu suất quá thấp. Ứng dụng: máy đóng, máy cắt tỉa, xe ủi đất, máy nâng nhỏ, máy kéo kim loại, máy khuấy,… o Động cơ rotor dây quấn: điện trở ở mạch rotor cho dòng khởi động thấp và momen khởi động cao. ng dụng: thang máy, máy nâng, cần trục (crane), (hoist), cán thép, máy ủi, tải quặng hoặc than, … • Dòng đầy tải của động cơ được xác đònh theo công thức sau : Động cơ 3 pha : Iđm = ϕηcos U.3Pđmđm Động cơ một pha : Iđm = ϕη cos UPđmđm • Momen quay đònh mức ở đầu trục: Mđm 60n2PPđmđmđmπ=ω Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 33 4.4 SỰ HÌNH THÀNH TỪ TRƯỜNG QUAY : Xét trường hợp dây quấn stator có 2 cực, trục các dây quấn đặt cách nhau 1200 điện. 4.4.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA TỪ TRƯỜNG QUAY: 4.4.2 Tốc độ của từ trường quay : Trong dây quấn hai cực (đã phân tích trong phần sự hình thành từ trường quay ở trên), từ trường quay được một vòng trong một chu kỳ của dòng điện. Nếu dây quấn có bốn cực (mỗi pha có hai nhóm cuộn dây độc lập được mắc nối tiếp) thì từ trường quay một vòng trong hai chu kỳ của dòng điện. Nếu dây quấn có sáu cực , từ trường quay một vòng trong ba chu kỳ của dòng điện. Tổng quát, từ trường quay một vòng trong 2p/2 chu kỳ, hay: Số chu kỳ = sốvòng2p2× Và số chu kỳ/ giây = sốvòng2p2× / giây Bởi vì số vòng trên giây bằng số vòng trên phút n1 chia 60 và số chu kỳ trên giây là tần số f. f 60np60n2p211×=×= n1 = pf60 vòng/phút 4.4.3 Tính chất của từ trường quay do hệ thống dòng điện ba pha đối xứng gây nên. Một hệ thống dòng điện ba pha đối xứng chạy trong ba dây quấn đặt lệch nhau 120° điện sẽ sinh ra một từ trường quay đối xứng có các tính chất sau : a) Từ trường quay có độ lớn không đổi và bằng 3/2 từ trường cực đại của một pha. Nó quay với tốc độ không đổi n1 = pf60 vòng/phút, gọi là tốc độ đồng bộ b) Đảo chiều quay của từ trường :Khi thứ tự dòng điện cực đại các pha lần lượt đi từ pha A, đến pha B,rồi trục pha C , thì chiều từ trường quay sẽ quay từ vò trí Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 34 trùng với trục pha A, đến trục pha B, rồi trục pha C. Nếu thay đổi thứ tự hai pha vào dây quấn stator. ( Ví dụ đổi thứ tự hai pha B và C vào dây quấn ) thì chiều từ trường quay sẽ quay ngược lại. Tính chất này được ứng dụng để thay đổi chiều quay động cơ không đồng bộ . 4.5 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Cũng như các máy điện quay khác , máy điện không đồng bộ có thể làm việc như là động cơ điện, máy phát điện hoặc máy hãm. Nhưng máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ động cơ là thường gặp nhất . 4.5.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ : n < n1 (0 < s < 1) Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha có tần số f vào ba pha dây quấn stator, hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha chạy vào dây quấn sẽ sinh ra từ trường quay, quay với tốc độ n1 = pf60. Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rotor, cảm ứng trong rotor sức điện động E2. Dây quấn rotor nối ngắn mạch nên E2 sẽ sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn rotor. Chiều của E2, và chiều của I2 được xác đònh theo qui tắc bàn tay phải. Dòng điện I2 nằm trong từ trường quay sẽ chòu lực tác dụng tương hỗ, tạo thành momen M tác dụng lên rotor, làm nó quay với tốc độ n theo chiều quay từ trường (dùng qui tắc bàn tay trái xác đònh chiều của lực và chiều của momen M tác dụng lên rotor ) Tốc độ trên trục của động cơ (n) không thể bằng được tốc độ từ trường quay (n1), mà phải nhỏ hơn một ít. Có như vậy mới có sự chuyển động tương đối giữa từ trường quay và dây quấn rotor, do đó mới có dòng điện I2 , có mômen M tác dụng lên rotor; (nếu tốc độ rotor bằng tốc độ đồng bộ thì rotor sẽ đứng yên đối với từ trường quay, sẽ không có sức điện động cảm ứng ở rotor, không có dòng điện rotor, và vì thế sẽ không sinh ra momen). Vì tốc độ rotor khác tốc độ từ trường quay nên ta gọi động cơ là động cơ không đồng bộ. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ quay của rotor gọi là tốc độ trượt n2 ( hay là vận tốc trượt ) n2 = n1 - n Hệ sốâ trượt của tốc độ là: Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 35 s = 11nnn − Hệ số trượt s thường thay đổi từ 1 đến 10 phần trăm tùy thuộc vào kích cỡ và loại động cơ Tốc độ trên trục động cơ được tính bằng : n = ( 1 – s ) n1 = ( 1 – s )pf60 Khi tải tăng, hệ số trượt cũng tăng. 4.5.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ : n1 < n < +:::: ( - ∞∞∞∞ < s <0) Nếu bây giờ stator vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rotor không nối với máy công cụ, mà nối với một động cơ sơ cấp kéo rotor quay với tốc độ n lớn hơn tốc độ từ trường quay n1, và cùng chiều với n1. Lúc này, chiều dòng rotor I2 ngược lại với trường hợp động cơ. Lực điện từ tác dụng lên rotor ngược lại với chiều quay, gây ra mômen quay động cơ sơ cấp. Máy điện làm việc ở chế độ máy phát . Hệ số trượt: s = 11nnn − < 0 Nhờ từ trường quay, cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rotor được biến thành năng lượng điện từ chuyển từ rotor sang stator . Máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát có nhiều khuyết điểm. Hiện nay rất ít dùng nó để phát điện. CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 36 4.6 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ: 4.6.1 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TRÊN DÂY QUẤN STATOR: E1 = 4,44 f kdq1N1φmax Ta có phương trình cân bằng điện áp stator : 1111ZI)E(U&&&&+−= )jxr(IEU11111++−=&&& với : Z1 = r1 + jx1 : tổng trở phức của một pha dây quấn stator. r 1 : điện trở dây quấn stator x1 : điện kháng tản dây quấn Stator x1 = 2π f L1 I1r1 : điện áp rơi trên điện trở một pha dây quấn stator. 4.6.2 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TRÊN DÂY QUẤN ROTOR: a. Khi rotor đứng yên: Sức điện động cảm ứng trong mỗi pha có biểu thức tương tự như trong stator : E1 = 4,44 f kdq2N2φm Vì rotor ngắn mạch nên 2U•= 0 0)jxr(IEU22222=++−=&&& )jxr(IE2222+=&& Trong đó : Z2 = r2 + jx2 : tổng trở của một pha dây quấn rotor ( đứng yên ). r 1 : điện trở dây quấn rotor ( đứng yên ). x2 : điện kháng tản dây quấn rotor ( đứng yên ). f : tần số dòng điện rotor = tần số dòng điện stator. b. Khi rotor quay: Khi rotor quay với tốc độ n, tức với hệ số trượt s, từ trường stator quay đối với rotor với vận tốc tương đối sn1 nên tần số dòng điện rotor, điện kháng tản rotor và sức điện động cảm ứng rotor lần lượt là : [...]... jX’2 I '2 I1 R1 jX1 2 Dòng điện stator 3 Hệ số công suất 4 Momen ngõ ra ⋅ Rc jXm U1 Trang 56 CHƯƠNG 4 BÀI TẬP MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Bài5 Một động cơ không đồng bộ ba pha đấu sao nối vào lưới Ud = 380V biết Rn = 0.122 Ω; Xn = 0.4 Ω; f = 50 Hz 1 Tính dòng điện mở máy 2 Dùng điện kháng mở máy ImmĐK = 300 A tính điện cảm L của cuộn điện kháng mở máy Bài6 Một động cơ điện không đồng bộ ba pha Pđm = 45 kW;... ở điện áp 3 pha không đối xứng → M < Mđm → gây nên tổn hao phụ làm hạn chế công suất động cơ đôi khi cháy máy Trang 46 CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 4.12 QUÁ TRÌNH MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ: Quá trình mở máy của động cơ là quá trình kể từ lúc đóng mạch đặt điện áp vào động cơ ( động cơ còn đứng yên n = 0) tới lúc động cơ làm việc với tốc độ quay ổn đònh (n = 0 → nđm) Trong quá trình mở máy. .. việc với lưới M đm điện 380V 1 Tính Iđm; Mđm; Imm; Mmm 2 Để mở máy với tải có momen cản ban đầu Mc = 0.45Mđm, người ta dùng biến áp tự ngẫu để ImmBA = 100A xác đònh hệ số biến áp k, và động cơ có thể mở máy được không? 3 Cũng với tải trên, dùng điện kháng mở máy với ImmĐK = 200A Xác đònh điện áp đặt lên động cơ lúc mở máy và động cơ có thể mở máy được không? Bài7 Một động cơ không đồng bộ ba pha, đấu sao,... quy đổi sức điện động, dòng điện và tổng trở rotor về stator sao cho điện áp và dòng điện ở chỗ nối bằng nhau Tương tự như máy biến áp, nhưng chú ý là ở động cơ thì số pha dây quấn rotor m2 có thể khác số pha dây quấn stator m1, ta rút ra : E '2 = k e E 2 = E 1 : sức điện động pha rotor quy về stator Trang 38 CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ke = E 1 k dq1 N 1 = = hệ số qui đổi sức điện động E 2... pháp mở máy phải đơn giản – vận hành chắc chắn 4.13 CÁC PHƯƠNG PHÁP MỞ MÁY: 4.13.1 Động cơ rotor lồng sóc: a) Phương pháp mở máy trực tiếp: Đây là phương pháp mở máy đơn giản Dùng trong trường hợp công suất của nguồn cung cấp lớn hơn nhiều so với công suất của động cơ hoặc mở máy không tải Trang 47 CHƯƠNG 4 L1 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ L3 L2 L1 L3 L2 CB D K M RN K M 3∼ K RN U V M 3∼ W Lúc mới đóng điện dòng... moment mở máy lớn thì dùng động cơ rotor đây quấn M 3∼ Rp 4.14 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA: Tốc độ quay của động cơ không đồng bộ được xác đònh bằng biểu thức : n = (1 – s) n1 = (1 – s) 60f1 P Vậy muốn thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ ta điều chỉnh 1 trong 3 yếu tố : s, f, p 4.14.1 Thay đổi số cực từ: • Trên rãnh stator đặt nhiều bộ dây có số đôi cực khác nhau ( độc lập ) bộ này... Trang 39 CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Kết hợp mạch tương đương stator ( câu 2.8.1) với mạch tương đương rotor (câu 2.8.4), ta được mạch tương đương của động cơ không đồng bộ : I1 r1 jx1 U1 Điện trở r2' jx’2 I 0 td ⋅ r ’2 I '2 E '2 r2' -jB0 G0 1− s s 1− s đặc trưng cho sự thể hiện công suất cơ trên trục của máy s Điện trở biến đổi, biểu thò cho sự thay đổi của tải trên trục máy Qua sơ đồ tương... của máy điện giảm rõ rệt, ảnh hưởng đến sự làm việc của máy điện nhất là trong quá trình mở máy của động cơ không đồng bộ Các loại moment phụ: Momen phụ không đồng bộ: do sóng bậc 5 và bậc 7 Momen phụ đồng bộ: do sức từ động sóng điều hòa răng của stator và rotor sinh ra Momen sinh ra chấn động và tạp âm do từ trường sóng điều hòa gây nên: động cơ điện khi làm việc thường kêu và rung Những tạp âm và chấn... k lần thì Mmm giảm k2 lần (a) Dùng cuộn kháng nối với mạch điện stator: Mở máy: đóng CD1, động cơ được khởi động qua cuộn kháng Khi mở máy xong đóng CD2, điện kháng bò nối ngắn mạch, dòng mở máy giảm k lần, Mmm giảm k2 lần A B C A B CD1 CD2 C K2 CK K3 BA M 3∼ Trang 48 M 3∼ K1 CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (b) Dùng biến áp tự ngẫu: Dòng mở máy giảm k2 lần, Mmm giảm k2 lần Thứ tự đóng mạch biến áp :... Σp 100 P 1 Trang 41 CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 4.9 MOMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ: Dựa vào mạch tương đương để tính momen điện từ theo hệ số trượt s: Pđt ω1 Mđt = ; Pđt = p cu 2 s ; pcu2 = m1I'22r'2 Trong mạch tương đương , ta bỏ nhánh giữa Z0 và suy ra : I '2 = U1 2 r' r1 + 2 + x t1 + x '2 s ( 2 ) Vậy momen điện từ ứng với điện áp nguồn đặt vào động cơ là : M đt = . Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 27 Chương 4 : MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 4.1 KHÁI NIỆM: Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều,. chiều quay động cơ không đồng bộ . 4.5 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Cũng như các máy điện quay khác , máy điện không đồng bộ có thể làm việc