CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: 1. Giới thiệu động cơ xoay chiều 3 pha: 1.1 Giới thiệu chung: Động cơ điện không đồng bộ là loại máy điện có phần quay, làm việc với điện xoay chiều, theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của roto khác với tốc độ quay của từ trường. Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, có thể làm việc ở chế độ động cơ điện và máy phát điện. Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt nên ít được dùng.
Động cơ điện không đồng bộ có cấu tạo và vận hành đơn giản, gíá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Động cơ điện không đồng bộ gồm các loại: động cơ ba pha, hai pha và một pha. Động c ơ không đồng bộ có những ưu điểm mà các động cơ kh ác không có: - Giá thành rẻ. - Dễ vận hành , có thể làm vi ệc ở môi trường dễ cháy nổ, liên t ục và dài hạn.
- Đấu nối trực tiếp với nguồn điện 3 pha, không phải tốn kém thêm các thiết bị biến đổi. - Ít chi phí vận hành, bảo trì sử a chữa. Bên cạ nh nh ững ưu điểm động cơ không đồng b ộ ba pha cũng có các nhược điểm sau: - Dễ phát nóng đối với stato, nhất là khi điện áp lướ i tăng và đối với roto khi điện áp lưới gi ảm. - Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ.
- Khi điện áp sụt xuống thì momen khởi động và momen cực đại giảm rất nhiều vì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp. Việc điều khiển máy điện xoay chi ều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũng nh ư bản 3 chất phứ c tạp v ề mặt c ấu trúc máy của động c ơ xoay chiều so với má y điện một chiều. Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa momen và từ thông để có thể điều khiển độc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán c ực nhanh và chính xác trong việc quy đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản. Vì v ậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương ph áp điều khiển trước đây dùng cho máy điện th ường đắt và có hiệu suất kém.1 Phần tĩnh(stato): Trên stato có vỏ, lõi thép và dây quấn.
Vỏ máy: Vỏ có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thân vỏ máy làm bằng gang hoặc nhôm. Đối với máy có công xuất tương đối lớn ( 1000kw) thường dùng tấm kim loại làm thành vỏ. Lõi thép: Lõi thép là phần dẫn từ, vì từ thông đi qua lõi thép là từ thông quay nên để giảm tổn hao, lõi thép được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục.
Lõi thép được ép vào trong vỏ máy. Dây quấn: Dây quấn stato làm bằng dây dẫn điện được phủ cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép và cách điện tốt với lõi thép. Dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay.2 Phần quay(roto): Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. Lõi thép: Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa các lỗ để lắp trục.
Dây quấn: Phân làm 2 loại chính: Loại roto kiểu dây quấn và loại roto kiểu lồng sóc. 5 - Loại roto kiểu dây quấn: Roto có dây quấn giống dây quấn stato. Trong động cơ cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng 2 lớp vì bớt được những dây đầu nối kết cấu của dây quấn trên roto chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thường đồng tâm một lớp.
Dây quấn 3 pha của roto thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào ba rãnh trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục. Đặc biệt của roto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện roto để cải thiện hệ số công suất của máy khi máy làm việc bình thường. Dây quấn roto được nối ngắn mạch. - Loại roto kiểu lồng sóc, kết cấu của loại dây quấn này rất khác, với dây quấn stato trong mỗi rãnh của lõi sắt roto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng 2 vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng gọi là lồng sóc.
Dây quấn roto lồng sóc không cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính năng mở máy trong máy công suất lớn. Rãnh roto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc kín trong máy có công suất nhỏ, rãnh roto thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha: Máy điện không đồng bộ làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ.
Khi cho hệ thống dòng 3 pha đối xứng vào dây quấn 3 pha đối xứng (dây quấn Stato) của máy điện xoay chiều → trong máy sẽ xuất hiện 1 từ trường quay với tốc độ đồng bộ là n1 60f1 = (tốc độ của từ trường cơ bản); với f1 là tần số của lưới điện. p Từ trường quay này sẽ quét qua thanh dẫn nhiều pha tự ngắn mạch đặt ở roto và cảm ứng trong nó các sức điện động và dòng cảm ứng. Từ thông do dòng điện này sinh ra sẽ kết hợp với từ thông của dây quấn stato sinh ra tạo thành từ thông tổng khe hở. Tương tác giữa từ thông tổng khe hở và dòng điện trong dây quấn roto sinh ra momen điện từ có liên quan mật thiết đến tốc độ quay n của roto.
Để chỉ phạm vi biến đổi tốc độ của máy người ta dùng hệ số trượt s: n1 − n s% = 100% n1 6 Trong đó: n1 là tốc độ đồng bộ của từ trường quay, n là tốc độ của roto. Trường hợp roto quay thuận chiều từ trường quay với tốc độ nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n > n1: n1 Stato F,Mđt Roto n<n1 Hình 1.3 Quá trình tạo momen khi (0<s <1) Do roto quay cùng chiều từ trường quay với tốc độ nhỏ hơn nên từ trường quét qua thanh dẫn roto theo chiều quay của từ trường. Trong thanh dẫn roto sẽ xuất hiện sức điện động và dòng cảm ứng, chiều của chúng được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Dòng điện này tác dụng với từ trường tổng khe hở sinh ra lực F và momen điện từ Mđt có chiều được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Ta thấy Mđt cùng chiều quay với roto, kéo roto quay theo chiều từ trường quay. Như vậy điện năng máy nhận vào dây quấn stato đã biến thành cơ năng trên trục (làm quay roto) và máy làm việc ở chế độ động cơ. Trường hợp roto quay thuận chiều và nhanh hơn tốc độ từ trường quay n > n1 : n1 Stato F,Mđt Roto n>n1 Hình 1.4 Quá trình tạo momen khi (s<0) 7 Dùng 1 động cơ sơ cấp nào đó kéo roto của máy điện quay vượt tốc độ từ trường quay. Lúc đó chiều của từ trường quay quét qua thanh dẫn roto sẽ theo chiều ngược lại với chế độ động cơ.
Dùng quy tắc bàn tay phải xác định chiều sức điện động và dòng cảm ứng. Dùng quy tắc bàn tay trái xác định chiều của lực điện từ. Ta thấy chiều của chúng đều ngược lại so với ở chế độ động cơ. Momen quay ngược chiều với chiều quay roto nên là momen hãm.
Vậy máy nhận cơ năng vào trục và biến thành điện năng cung cấp cho lưới điện, nghĩa là máy làm việc ở chế độ máy phát. Trường hợp roto quay ngược chiều từ trường quay (s>1): n1 Stato F,Mđt Roto n Hình 1.5 Quá trình tạo momen khi (s>1) Trong trường hợp này chiều của sức điện động và dòng cảm ứng trong thanh dẫn rôto cũng như F, Mđt đều giống ở chế độ động cơ chỉ khác là roto quay theo chiều ngược lại. Mđt quay ngược chiều của roto nên cũng có tác dụng hãm rôto đứng lại và được gọi là M hãm. Như vậy máy điện làm việc ở chế độ hãm điện từ.
Các đặc tính cơ bản của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha: 1. Các đặc tính: Sơ đồ nguyên lý của đông cơ không đồng bộ: bao gồm động cơ không đồng bộ roto dây quấn và roto lồng sóc: 8 Hình 1.6 Động cơ roto lồng sóc và roto dây quấn Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, nhưng việc khống chế nó trong quá trình khởi động, điều chỉnh tốc độ và quá trình hãm là rất phức tạp. Đặc biệt là khi động cơ làm việc trong vùng bão hoà từ thì các đặc tính của nó đều là phi tuyến. Do vậy để đơn giản khi nghiên cứu động cơ không đồng bộ ba pha cần có các giả thiết sau : + Ba pha của động cơ là đối xứng + Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ , điện trở mạch roto không phụ thuộc vào tần số dòng điện trong nó, mạch từ không bão hào.
+ Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi , dòng điện từ hoá chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato của động cơ + Bỏ qua các tổn thất do ma sát, tổn thất trong lõi thép + Điện áp là hoàn toàn hình sin và đối xứng Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế của động cơ KĐB ba pha như sau : Hình 1.7 Sơ đồ thay thế của động cơ 9 Trong đó: : Trị số hiệu dụng điện áp pha ở stato. , , : Trị số dòng điện stato, dòng từ hoá, dòng điện roto qui đổi về stato. , , : Trị số điện trở stato, điện trở mạch từ hoá, điện trở roto qui đổi về stato. , , : Trị số điện kháng stato, điện kháng mạch từ hoá, điện kháng roto qui đổi về stato.
: Điện trở phụ thêm vào mỗi pha của roto. s: Độ trượt của động cơ.X Từ sơ đồ thay thế ta có trị số hiệu dụng gần đúng của dòng điện stato: Trong đó : : điện kháng ngắn mạch. Từ biểu thức trên ta nhận thấy: ω = 0 ; s = 1 ta có = : dòng điện ngắn mạch stato ω= ;s=0: = = Nghĩa là ở tốc độ đồng bộ động cơ vẫn tiêu thụ dòng điện từ hoá để tạo ra từ trường quay.