CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1. Giới thiệu chung 1. Khái niệm máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của roto (n) khác với tốc độ từ trường quay trong máy (n1). Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và máy phát.
Máy phát không đồng bộ ít được dùng vì đặc tính làm việc không tốt so với máy phát đồng bộ. Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sinh hoạt. Động cơ không đồng bộ có các loại: động cơ không đồng bộ 3 pha, 2 pha và 1 pha. Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ là: + Công suất cơ có ích trên trục: Pđm + Điện áp dây stato: Uđm + Dòng điện dây stato: Iđm + Tốc độ quay roto: nđm + Hệ số công suất: cos φ đm + Hiệu suất: ηđm 1.
Cấu tạo và nguyên lý làm việc a. Cấu tạo: Động cơ không đồng bộ 3 pha là một loại của máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chủ yếu: stato và roto. - Stato (phần tĩnh): + Vỏ máy: có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ, vỏ máy thường làm bằng gang. Đối với máy có công suất lớn (1000 kW) thường dùng theo tấm hàn lại thành vỏ.
Tùy theo cách làm nguội của máy mà vỏ máy cũng khác nhau. + Lõi thép: làm nhiệm vụ dẫn từ. Lõi thép có dạng hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm được dập rãnh bên trong ghép lại. Khi có đường kính ngoài lỗi thép nhỏ hơn 990 mm dùng cả tấm thép tròn ép lại.
Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thài khối tròn. Mỗi lá thép kỹ thuật đều có sơn phủ cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. + Dây quấn: được làm bằng dây điện từ lõi đồng có bọc cách điện được đặt trong các rãnh của lõi thép và cách điện tốt với lõi thép. - Roto (phần quay): 1 + Lõi thép: người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện stato.
Lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía ngoài của là thép được xẻ rãnh để đặt dây quấn. + Dây quấn: Loại rôto kiểu lồng sóc: dây quấn là các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong các rãnh của lõi thép, hơi dài hơn lõi thép và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. Loại rôto kiểu dây quấn: rôto có dây quấn giống như dây quấn stato, thường được đấu hình sao, còn 3 đầu kia được đấu vào vành trượt thường được làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài.
Đặc điểm của động cơ rôto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch.1: Sơ đồ nối dây máy điện không đồng bộ ba pha roto dây quấn 2 b. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện không đồng bộ ba pha Khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f vào 3 dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay p đôi 60 f cực, quay với tốc độ n1 =. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto, cảm ứng p các sức điện động (chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải).
Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rôto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto kéo rôto quay cùng chiều từ trường quay với tốc độ n. Chú ý: Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải ta phải căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường. Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược chiều từ trường.
Tốc độ n của máy luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn stato không có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng 0. Độ lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2 n2 = n1 – n (1.1) Hệ số trượt của tốc độ là: n2 n1 - n s= = (1.2) n1 n1 Khi rôto đứng yên (n=0) => s=1 Khi rôto quay định mức s = 0,02 0,06. Tốc độ động cơ là: 60 f n =(1 - s )n1 =(1 - s ) (1.2: Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 3 1. Đặc điểm và ứng dụng a.
Đặc điểm: - Mômen mở máy phải lớn để thích ứng với phụ tải. - Dòng mômen phải nhỏ để khỏi ảnh hưởng đến các phụ tải khác. - Thời gian mở máy nhỏ để có thể làm việc được ngay. - Thiết bị mở máy đơn giản, rẻ tiền và ít tốn năng lượng.
Ứng dụng: Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha được sử dụng rất rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt: - Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ ba pha thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụở các nhà máy công nghiệp nhẹ. - Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. - Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hòa. Tóm lại cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi.
Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha 1. Sơ đồ thay thế một pha Hình 1.3: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ 3 pha Trong đó: + Rm, Xm, Im lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện của mạch từ hóa + R1, X1, I’2 lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện mạch Stato 4 + U1P: Điện áp pha đặt vào Stato + X’2, R2’/s lần lượt là điện trở, điện kháng Rôto đã quy đổi về Stato 1. Phương trình đặc tính cơ Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha ta sử dụng sơ đồ thay thế.3) là sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ ba pha. Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau đây: - Coi 3 pha là đối xứng.
- Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto, mạch từ không bão hòa nên điện kháng X1, X2 không đổi. - Tổng dẫn mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato của động cơ. - Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép. - Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng 3 pha.
Khi cuộn dây stato được cấp điện với điện áp định mức U 1f trên một pha mà giữ yên rôto(không quay) thì mỗi pha của cuộn dây rôto sẽ xuất hiện sức điện động E 2pha.đm theo nguyên lý máy biến áp. Hệ số quy đổi sức điện động là: E 1 pha. đm 1 Từ đó có hệ số quy đổi của dòng điện: K I = K E KE Hệ số quy đổi trở kháng: K R = K X = = K 2E KI Với các hệ số quy đổi nảy, các đại lượng điện ở mạch rôto có thể quy đổi về phía mạch stato theo cách sau: Dòng điện: I’2 = KI. I2 Điện kháng: X’2 = KX.
X2 Điện trở: R’2 = KR. R2 Dòng điện rôto quy đổi về phía stato có thể tính từ sơ đồ thay thế: 5 U1p I '2 = √ R '2 2 ( R 1 + ) +( X 1 + X '2 )2 s (1.5) Khi động cơ hoạt động, công suất điện từ P1,2 từ stato chuyển sang rôto thành công suất cơ Pcơ đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt P2 đốt nóng cuộn dây P1,2 = Pcơ + P2 (1.6) Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi mômen điện từ Mđt của động cơ bằng mômen cơ Mcơ Mđt = Mcơ = M Từ đó: ∆ P2 ∆ P2 P1,2 = M. ω Công suất nhiệt cuộn dây 3 pha là: ' '2 ∆ P 2 = 3.5) sau đó thay vào (1.[ R 1 + + ( X eq ) ] s Trong đó: Xeq = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch Phương trình (1.9) là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong như (hình 2).
Có thể xác định dM được điểm cực trị của đường cong này bằng cách giải = 0 ta sẽ được trị số M và S tại dS điểm cực trị ký hiệu là Mth và Sth (mômen và độ trượt tới hạn) cụ thể là: R '2 s th = ± (1. ω s ( R 1 ± √ R 12 + X 2eq ) 6 Trong hai biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái máy phát. Do đó Mth ở chế độ máy phát lớn hơn Mth ở chế độ động cơ. Ngoài ra khi nghiên cứu các hệ truyền động với động cơ không đồng bộ, người ta quan tâm đến trạng thái làm việc của động cơ nên các đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0 ≤ S ≤ Sth.
Để đơn giản, người ta tuyến tính hóa đoạn làm việc từ ω s → ωđm như đường 1 trên ( hình 1.4: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 1. Ảnh hưởng của các tham số đến dạng đặc tính cơ 1. Ảnh hưởng của điện áp: Khi điện áp đặt vào động cơ giảm: 3.U 12 p Từ phương trình: M th = ± (*) 2.