CHƯƠNG I: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Động cơ điện tiêu thụ khoảng 65% tổng năng lượng điện, tiêu thụ khoảng 75% tổng năng lượng điện trong công nghiệp và máy điện không đồng bộ chiếm hơn 90% trong số đó. Lý do máy điện không đồng bộ được sử dụng phổ biến là vì tính mạnh mẽ, tin cậy, bền bỉ, dễ bảo trì và tương đối rẻ, kích thước gọn nhẹ hơn so với động cơ một chiều cùng công suất. Hiện nay trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta, máy móc thiết bị càng tiên tiến, sự phổ biến rộng rãi của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu những ưu nhược điểm, ứng dụng của động cơ điện không đồng bộ 3 pha… từ các cơ sở lý thuyết để xây dựng nên bài toán thiết kế hệ thống nâng hạ cầu trục.KHÁI NIỆM, ĐẶC ĐIỂM, THÀNH PHẦN CẤU TẠO 1.Động cơ điện không đồng bộ 3 pha là gì? Dựa theo hiện tượng cảm ứng điện từ có tốc độ rotor thay đổi so với tốc độ của từ trường mà người ta xây dựng được nên động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha, tùy theo nhu cầu và các mức điện áp mà người ta có thể chế tạo các mẫu mã động cơ với các tốc độ khác nhau Động cơ không đồng bộ 3 pha (AC Induction Motor) giúp chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng, tạo ra các momen lực…Với các ưu điểm như: thiết kế đơn giản; dễ dàng lắp đặt, sữa chữa; chi phí đầu tư, vận hành thấp; hiệu suất làm việc cao, tuổi thọ dài…; các dãi công suất nhiều cho ta dễ dàng lựa chọn… mà đã đang được sử dụng phổ biến trong cuộc sống nói chung và các ngành công nghiệp nói riêng.Đặc điểm, thành phần cấu tạo, nguyên lý hoạt động.
Động cơ không đồng bộ 3 pha cấu tạo gồm 2 thành phần chính: - Phần Stator (đứng yên) gồm cuộn dây đồng quấn trên khung được ghép lại bởi các lá thép kỹ thuật điện. Khi cho dòng điện chạy qua đó, điện 2 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.Nguyễn Thị Mi Sa năng sẽ biến đổi thành hệ thống các đường sức từ trường lông có hướng, khép kín trên mạch từ. Phần đứng yên Stato có 3 cuộn dây - Phần quay của động cơ (Rotor) được chia làm hai dạng: Rotor dây quấn gồm 3 dây quấn đặt lệch nhau 1200 trong không gian và thường được nối sao, đưa 3 đầu dây ra bên ngoài nhờ hệ thống vành trượt và chổi than, khi làm việc, dây quấn rotor phải được nối kín mạch Rotor dây quấn Rotor lồng sóc (phổ biến hơn vì có nhiều ưu điểm) gồm có lõi thép hình trụ bên ngoài có xẻ rãnh để đặt các thanh dẫn và được nối ngắn mạch lại giống như lồng sóc. Trong thực tế, động cơ rotor lồng sóc chiến ưu thế hơn cả vì dễ dàng chế tạo và lắp đặt, chi phí giá thành rẻ hơn.
Nó gồm các thanh đồng được đúc xuyên qua các rãnh của rotor và được nối tắt ở hai đầu, kèm theo cánh tản nhiệt và quạt làm mát. 3 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.Nguyễn Thị Mi Sa Rotor lồng sóc Cấu tạo chi tiết của động cơ KĐB 3 pha Nguyên lý hoạt động: Khi chúng ta cấp điện áp 3 pha vào đầu cuộn dây stator sẽ có một từ trường như hình vẽ bên dưới, từ trường này quét qua các thanh đồng của rotor, sẽ tạo ra dòng điện kín bên trong đó, làm xuất hiện các suất điện động và dòng điện cảm ứng. Từ trường quay với tốc độ đồng bộ ns. Tốc độ đồng bộ được xác định như sau: 60 f ns = P (vg/ph) Với f(Hz) là tần số nguồn 3 pha, p là số đôi cực từ tùy thuộc vào kết cấu dây quấn động cơ D òng điện trong stator tạo nên từ trường quay 4 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.Nguyễn Thị Mi Sa Do tần số của nguồn lưới tiêu chuẩn (Ở Việt Nam và châu Âu chuẩn là 50Hz, ở Mĩ, Nhật thì là 60Hz), p là số đôi cực từ tùy vào kết cấu của dây quấn.
Ta có bảng thông dụng giữa tần số và số cặp cực như sau: Số cực(2p) Tần số 50Hz Tần số 60Hz 2 3000 3600 4 1500 1800 6 1000 1200 8 750 600 … … … Các thông số ta cần quan tâm khi lựa chọn động cơ không đông bộ 3 pha như: - Công suất định mức Pđm (kW, W) - Điện áp định mức Uđm ( V ) - Dòng điện động cơ Iđm (A) - Tần số làm việc f (Hz) - Tốc độ quay định mức nđm - Hiệu suất làm việc định mức l% - Hệ số công suất định mức Cosφ Giản đồ công suất được thể hiện như sau: 5 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.Nguyễn Thị Mi Sa Vì các tổn hao được cộng dồn duy trì qua từng giai đoạn nên ta cần phải tính toán chi li hợp lý để lựa chọn động cơ phù hợp. Tùy theo mục đích sử dụng, điện áp và tần số mà người ta sử dụng cách đấu dây tam giác hay sao cho phù hợp: Cách đấu dây hình sao và hình tam giác Cần phải cẩn thận lưu ý về điện áp của động cơ khi ta tiến hành đổi nối sao-tam giác (khi đấu tam giác chú ý điện áp pha phải nhỏ nhỏ hơn điện áp lớn nhất mà cuộn dây stator chịu được) Động cơ không đồng bộ 3 pha có các ưu nhược điểm như: - Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ Rotor lồng sóc. So với động cơ một chiều, Động cơ không đồng bộ giá thành thấp, vận hành tin cậy, độ bền cao. Ngoài ra động cơ không đồng bộ dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần đi kèm các thiết bị biến đổi điện năng.
6 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.Nguyễn Thị Mi Sa - Nhược điểm: Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình khó khăn; riêng với các động cơ Rotor lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động kém hơn.ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Mạch tương đương một pha của động cơ không đồng bộ 3 pha có được bằng cách tách riêng stator và rotor. Trong đó, R 1, X1 là điện trở và điện kháng mạch stator. Đặc trưng cho mạch từ lõi thép là Rm và Xm, Im gọi là dòng điện từ hóa. N1 là số vòng dây quấn stator.
Đối với động cơ công suất lớn thì có thể bỏ qua dòng từ hóa Im Mạch tương đương 1 pha của stator Ở trạng thái rotor đứng yên, có thể xem động cơ như là một máy biến áp cách ly. Tổng trở mạch rotor bao gồm R2 và X2, N2 là số vòng dây quấn rotor. E2 là sức điện động khi rotor đứng yên: Và để cho thuận tiện khi tính toán ta quy đổi mạch rotor về phía stator với điều kiện quy đổi là: cùng điện áp, tần số và công suất không đổi. Lúc này: E1= E’2 7 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.Nguyễn Thị Mi Sa Mạch tương đương 1 pha khi quy đổi rotor về stator Để tiện cho tính toán mạch điện có thể viết lại như sau: 8 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.Nguyễn Thị Mi Sa Mặt khác, vì thường Im<<I1 nên I1I’2 và có thể xem tổng trở stator và rotor nối tiếp nhau.
Để cho đơn giản gom hai thành phần trở kháng lại: X eq = X 1 + X 2 Lúc này sơ đồ hoàn chỉnh như sau: Trong đó: V là điện áp pha (trên nhãn thiết bị là điện áp dây) Đây cũng là mô hình tính toán gần đúng của động cơ KĐB 3 pha ở chế độ xác lập. Tốc độ đồng bộ của động cơ đặc trưng cho khả năng sinh ra từ trường biến 60. f thiên được xác định như sau: n s = p (vg/ph) Để đặc trưng cho độ sai lệch giữa tốc độ rotor và tốc độ đồng bộ là độ trượt ∆n ∆ω ns - n ωs - ω tốc độ s: S = n = ω = n = ωs s s s => n = n s(1-s); ω = ωs(1-s) 2π. ns Với: ω = 60 (rad/s); ωs = 60 Để đảo chiều quay động cơ không đồng bộ 3 pha, cần phải đảo thứ tự 2 trong 3 pha điện áp đưa vào stator.
Khi đó, chiều từ trường quay sẽ bị đảo và làm đảo chiều quay của động cơ. Dựa vào sơ đồ thay thế ta có được phương trình đặc tính tốc độ như sau: 9 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.Nguyễn Thị Mi Sa V I '2 = √( R 11 + R'2 s ) + X 2eq Vì lúc bắt đầu mở máy tốc độ n = 0 nên hệ số trượt là lớn nhất s max =1 nên dòng điện mở máy được tính theo công thức sau: V I mm = √( R 1 + R ) + X 1 ' 2 2 eq III.ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KĐB 3 PHA Công suất điên ngõ vào: P in = 3.cosθ 1 Tổn hao ở stator: P col = 3. Rm R'2 Công suất điện từ truyền qua khe hở không khí: P g = 3. '2 s Tổn hao đồng ở mạch rotor: P co 2 = 3.
P g '2 '2 Công suất cơ làm quay trục rotor: R'2 P d = P g – P co 2 = 3. (1-s) = P g(1-s) s Vì công suất này công suất cơ sinh ra trên trục động cơ và bằng với tổng công suất cơ và tổn hao cơ nên: P g = T d. ω Trong đó: T d là momen điện từ của động cơ, T dm là mô men đinh mức trên trục của động cơ, ω là tốc độ góc của rotor. Khi làm việc ở chế độ động cơ: T d > T dm, giản đồ công suất của động cơ được thể hiện như sau: 10 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.Nguyễn Thị Mi Sa Giản đồ công suất của động cơ Dựa vào giản đồ công suất như trên có được: 3 V 2.
ω R1 + + X 2eq s 1- s 1 Mà ω =ω s Do đó phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB 3 pha như sau: 3 V 2. ω [( ) ] (1) 2 R'2 s R1 + + X 2eq s Đây cũng là phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa momen động cơ và độ trượt tốc độ s. Mối quan hệ giữa tốc độ n và tốc độ góc ω: 2π .n n ω= 60 ≈ 9,55 Do đó viết lại biểu thức (1) ở dạng tốc độ quay của rotor n như sau: 11 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.Nguyễn Thị Mi Sa 3 V 2 .