CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG MÁY ĐIỆN QUAY XOAY CHIỀU 1.1 Máy điện không đồng bộ 1.1 Khái niệm chung: Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor n (tốc độ quay của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n1 Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn stator (sơ cấp) nối với lưới điện tần số f = const, dây quấn rotor (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc khép kín qua điện trở. Dòng điện trong dây quấn rôto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ rôto nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy. Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là làm việc ở 2 chế độ động cơ và máy phát. Máy điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt lằm so với máy phát điện đồng bộ, nên ít được dùng.
Động cơ điện 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 dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt. Động cơ điện không đồng bộ có các loại: động cơ 3 pha, 2 pha và 1 pha.2 Cấu tạo máy điện không đồng bộ a. Phần tĩnh (Stator): Gồm có vỏ máy, lõi sắt và dây quấn Hình 1.1 Stator của máy điện không đồng bộ 1 - Vỏ máy: Để cố định lõi sắt và dây quấn không dùng làm mạch dẫn từ. Thường làm bằng gang hay thép tấm hàn lại.
- Lõi sắt: Là phần dẫn từ, làm bằng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35 mm hay 0,5mm ép lại. Khi đường kính ngoài lõi thép Dn< 990 mm thì dùng những tấm tròn ép lại. Khi Dn> 990 mm thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. Mặt trong của thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn - Dây quấn: Dây quấn của stator được đặt vào các rãnh của lõi thép và cách điện tốt đối với rãnh.2 Dây quấn của Stato b.
Phần quay (Ro to): gồm lõi sắt và dây quấn - Lõi sắt: Dùng thép kỹ thuật điện như stator, lõi sắt được ép lên trục quay, phía ngoài có xẻ rãnh đễ đặt dây quấn - Dây quấn: thường được chế tạo bằng dây đồng hoặc dây nhôm có hình dạng và kích thước khác nhau để sử dụng cho từng loại máy điện. - Roto có hai loại: + Loại rotor kiểu dây quấn: 2 Là rotor có dây quấn giống như dây quấn của sator. Dây quấn 3 pha của rotor thường được đấu hình sao, còn ba đầu kia nối vối ba vành trượt đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than đấu với mạch điện bên ngoài. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch.3 Roto dây quấn + Loại rotor kiểu lồng sóc: Cấu tạo của loại dây quấn này khác với dây quấn stator.
Trong mỗi rãnh của stator đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm mà người ta thường quen gọi là lồng sóc. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt (vì số vòng ít nên điện áp thấp). Để cải thiện tính năng mở máy, với máy công suất lớn có thể làm rãnh sâu, hay hai rãnh lồng sóc. Trong máy công suất nhỏ rãnh ro to thường làm chéo đi một góc so với tâm trục nhằm mục đích là giảm sóng hài bậc cao cải thiện dạng sức điện động của máy.
Khe hở: Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2 đến 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa), càng nhỏ càng tốt để hạn chế dòng từ hóa lấy từ lưới điện vào.3 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ là loại máy điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cho hệ thống dòng điện ba pha đối xứng vào dây quấn ba pha stato của máy điện không đồng bộ, trong máy sẽ xuất hiện một từ trường quay với tốc độ đồng bộ n1: 60 f n1 . Trong đó: f là tần số dòng điện lưới đưa vào f = 50 Hz ; p là số đôi cực p của máy. Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt rotor và cảm ứng trong đó sức điện động và dòng điện.
Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ trường tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn của rotor tác dụng với từ thông này sinh ra mômen. Tác dụng của nó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor, với những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Để chỉ phạm vi tốc độ của mỗi máy, người ta dùng hệ số trượt s.
Theo định nghĩa hệ số trượt bằng: n1 n s% 100 n1 Như vậy thì: n = n1 s = 0; n=0s=1 n > n1 s < 0; n < 0 s > 1 (rotor quay ngược chiều từ trường quay) Động cơ KĐB 3 pha làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Để minh họa trên hình 1.5, vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn roto, chiều các lực điện từ F.5Chế độ động cơ Cho dòng điện xoay chiều 3 pha đi vào dây quấn 3 pha đặt trong lõi sắt Stato của động cơ, dòng điện xoay chiều 3 pha này sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ đồng bộ: 60 f n1 p Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha bị nối ngắn mạch đặt trên lõi sắt rôto và cảm ứng trong dây quấn đó sức điện động và dòng điện cảm ứng. Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng, ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn đối với từ trường. Nếu coi từ trường là đứng yên, thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn roto ngược với chiều n1.
Áp dụng qui tắc bàn tay phải xác định được chiều sđđ cảm ứng và dòng điện cảm ứng như hình vẽ. Dấu (+) chỉ chiều dòng điện từ ngoài vào trong; dấu (.) chỉ chiều dòng điện từ trong ra ngoài. Dòng điện cảm ứng tác dụng với từ trường sinh ra lực điện từ F tác dụng lên dây dẫn, có chiều xác định theo qui tắc bàn tay trái. Lực này sẽ tạo ra mô men làm cho rôto quay với tốc độ n theo chiều của từ trường và nhỏ hơn n1.
5 Do tốc độ quay của rôto khác tốc độ quay của từ trường nên gọi là động cơ không đồng bộ. Độ chênh lệch giữa tốc độ của từ trường quay n1 và tốc độ quay của rôto được đặc trưng bởi hệ số trượt s; Khi rôto quay với tốc độ đinh mức s = (0,02 0,06). Tốc độ động cơ là: n = n1 ( 1- s ) vòng/ phút a. Trường hợp rotor quay thuận với từ trường quay nhưng n < n1 (0 < s < 1).
Giả sử chiều quay n1 của khe hở và chiều quay n của rotor như hình vẽ. Do n < n1 nên chiều chuyển động của thanh dẫn suy ra chiều Eư, Iư được xác định bằng qui tắc bàn tay phải. Iư tác dụng với khe hở sinh ra F, M có chiều xác định bằng qui tắc bàn tay trái, M làm rotor quay theo chiều của từ trừơng với n<n1. Máy làm việc ở chế độ động cơ điện (biến điện năng thành cơ năng).Trường hợp rotor quay thuận với từ trường quay nhưng n<n1 hay s<0 Dùng một động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1.
Chiều của từ trường quay quét qua thanh dẫn ngược lại, chiều Eư,Iư đổi chiều nên chiều của M ngược với chiều quay của rotor nên nó là momen hãm. Máy biến cơ năng thành điện năng. Máy làm việc ở chế độ máy phát. Trường hợp rotor quay ngược chiều từ trường quay (n<0 hay s<1) Vì một lý do nào đó rotor quay ngựơc chiều với từ trường quay thì lúc đó chiều của Eư, Iư, máy giống như ở chế độ động cơ điện.
Vì M sinh ra ngược chiều với n nên có tác dụng hãm rotor lại. Trong trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vừa lấy cơ năng ở động cơ sơ cấp. Chế độ là việc như vậy gọi là chế độ hãm điện từ.4 Phương trình sức điện động và dòng điện của rotor Nếu mạch của rotor kín thì trong đó sẽ có I2 chạy và I2 sẽ tạo nên và đi qua r2, tương ứng với điều đó sẽ có sức điện động E2s =E2.s tạo nên bởi m và sức điện động tản E2 j.s Theo định luật kirkhoff 2: E 2 s E 2 E 2 s j.s : Tổng trở của trục rotor E 2s E Do đó: I2 2s Z 2s r2 j.s 2 Nếu dạng rotor quy đổi về stator: E2/ s I 2/ .s : Tổng trở quy đổi của rotor.s 2 Để thiết lập phương trình mới có ý nghĩa, ta có thể biến đổi như sau: E 2 s E 2 2 r2 j.s r2 jx 2 s Biểu thức của 2 có một ý nghĩa vật lý mới: Ở mạch thứ cấp bây giờ thay cho sức điện động khi rotor quay E2s với f2 = s.f1sẽ là sức điện động E2 khi rotor đứng yên với tần 7 số f1. Điện kháng khi rotor quay x2.s ở mạch thứ cấp sẽ là điện kháng khi rotor đứng yên x2.
Muốn trong mạch thứ cấp vẫn chỉ có dòng điện dòng điện I2 có cùng trị số và pha đối với I2 chỉ cần thiết thay r2 thực bằng điện trở mới bằng: r2 1 s r2 r2 s s Như vậy, nếu rotor quay muốn trong đó vẫn là dòng điện ấy, cần đưa vào mạch thứ 1 s cấp 1 điện trở giả tưởng: r2 s 1.5 Tốc độ quay của s.đ rotor Trong dây quấn rotor, I2 tạo nên F2 quay so với rotor tốc độ n2 tương ứng với tần số f2. Ngoài ra, bản thân rotor quay với tốc độ n. Do đó, F2 quay tương đối so với stator tốc độ: n2+n. Nhưng: n2 60pf2 60pf1.s n2 n1 n1 n n1 n n1 Như vậy: n2 + n = n 1 - n + n = n 1 Nghĩa là s.đ của rotor quay trong không gian luôn luôn với tốc độ và chiều như s.
Bởi vì F1 và F2 quay cùng tốc độ và chiều trong không gian nên có thể xem rằng nó chuyển động tương đối với nhau và tạo thành sóng s. Như vậy, hình sin s.