Chương 1 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR DÂY QUẤN 1. Động cơ 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. Khái niệm Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm biến điện từ có tốc độ quay của roto n khác với tốc độ quay từ trường.
Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp) với lưới điện tần số không đổi, dây quấn roto (thứ cấp). Dòng điện trong dây quấn roto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ phụ thuộc vào roto, nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy. Cũng như các máy điện khác, máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, có nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện hoặc máy phát điện. Cấu tạo Động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu tạo khá đơn giản gồm stator và rotor.
Trên lõi thép stator có đặt 3 dây quấn lệch nhau 1200 trong không gian. Rotor có 2 loại: 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. BÀI LÀM THUÊ CHƯA THANH TOÁN TIỀN Trang 1 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS. Nguyễn Thị Mi Sa 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.
Nguyên lý hoạt động Hình 1.Dòng điện xoay chiều 3 pha Khi cấp nguồn xoay chiều 3 pha như hình 1.1 vào dây quấn stator, trong stator sinh ra từ thông 3 pha. Từ thông 3 pha này tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ ns. Tốc độ đồng bộ được xác định như sau: 60 f ns [vg / ph] (1.1) p Với f [Hz] là tần số nguồn điện 3 pha, p là số đôi cực từ tùy thuộc kết cấu dây quấn của động cơ. Từ trường quay của stator cảm ứng lên các thanh dẫn rotor sức điện động E2 làm sinh ra dòng điện trong thanh dẫn rotor và làm rotor quay cùng chiều từ trường quay nhưng với tốc độ |n| < |ns| (chế độ động cơ) nên gọi động cơ không đồng bộ.
Vì vậy, ở điểm làm việc định mức có tốc độ định mức gần bằng tốc độ đồng bộ. Khi đó, dòng điện rotor cũng cảm ứng lên stator sức điện động E1. Đặc trưng cho độ sai lệch giữa tốc độ rotor và tốc độ đồng bộ là độ trượt tốc độ s và được xác định như sau: BÀI LÀM THUÊ CHƯA THANH TOÁN TIỀN Trang 2 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS. Nguyễn Thị Mi Sa n ns n s s (1.2) ns ns ns s Hay n ns (1 s ); s (1 s ) (1.4) 60 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 ns sẽ bị đảo và dẫn đến đảo chiều quay của động cơ. Phương trình đặc tính tốc độ Mạch tương đương một pha của động cơ không đồng bộ 3 pha có được bằng cách tách riêng stator và rotor. Trong đó, R1, 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. uur ur ur E1 V I1 ( R1 jX 1 ) (1.5) Đối với động cơ công suất lớn thì có thể bỏ qua dòng từ hóa Im Hình 1. Mạch tương đương 1 pha của stator BÀI LÀM THUÊ CHƯA THANH TOÁN TIỀN Trang 3 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS. Nguyễn Thị Mi Sa Ở trạng thái rotor đứng yên, ta 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: E2 N 2 (1.6) E1 N1 Giả sử rằng rotor quay với tốc độ n, khi đó, sức điện động mạch rotor Er tỉ lệ với tốc độ tương đối n, E2ns; Erns-n. Khi đó: Er ns n n n Er s E2 s E2 (1.7) E2 ns ns Tương tự đối với tần số mạch rotor: f r ns n fr s f (1.8) f ns Với điện kháng mạch rotor là: X r 2 f r L2 2 s f L2 s X 2 (1.9) Với L2 là điện cảm dây quấn rotor và X2 là điện kháng dây quấn rotor khi rotor đứng yên. Nên dòng điện rotor tại tốc độ n là: sE2 Ir (1.10) R2 jsX 2 Hay E2 Ir (1.11) R2 jX 2 s Nên mạch rotor có thể đơn giản như BÀI LÀM THUÊ CHƯA THANH TOÁN TIỀN Trang 4 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.
Nguyễn Thị Mi Sa Hình 1. Mạch tương đương 1 pha của stator và rotor Hình 1. Mạch tương đương 1 pha khi quy đổi rotor về stator Để thuận tiện cho tính toán, ta quy đổi mạch rotor về phía stator như hình 1. Điều kiện quy đổi: cùng điện áp và bảo toàn công suất.12) N X 2' X 2 1 N2 Và dòng điện : N2 I 2' I r (1.13) N1 Để tiện phân tích mạch rotor, ta viết lại: R2' R' R2' 2 (1 s) (1.14) s s BÀI LÀM THUÊ CHƯA THANH TOÁN TIỀN Trang 5 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS.
Nguyễn Thị Mi Sa Khi đó ta có mạch điện như sau: Hình 1. Mạch tương đương 1 pha khi phân tách điện trở rotor Mặt khác, vì thường Im<<I1 nên I1I’2 và chúng ta có thể xem tổng trở stator và rotor nối nối tiếp nhau. Mạch tương đương 1 pha khi xem Im<<I1 Để cho đơn giản ta gom hai thành phần trở kháng lại: X eq X 1 X 2' (1.15) Lúc này ta có sơ đồ hoàn chỉnh như sau: BÀI LÀM THUÊ CHƯA THANH TOÁN TIỀN Trang 6 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS. Nguyễn Thị Mi Sa Hình 1.
Mạch tương đương 1 pha Đây cũng là mô hình tính toán gần đúng của động cơ KĐB 3 pha ở chế độ xác lập. Phương trình đặc tính tốc độ: V I 2' (1.16) 2 R ' 2 R1 X eq 2 s Trong đó: - V là trị số hiệu dụng của điện áp pha stator. - Im, I1, I’2 là các dòng điện từ hóa, stator và dòng điện rotor đã quy đổi về stato. - Rm, R1, R’2 là các điện trở tác dụng của mạch từ hóa, của cuốn dây stator và rotor đã quy đổi về stator.
- Xm, X1, X’2 là điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stator và điện kháng tản rotor đã quy đổi về stator. - s là độ trượt của động cơ. BÀI LÀM THUÊ CHƯA THANH TOÁN TIỀN Trang 7 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS. Nguyễn Thị Mi Sa 1.
Giản đồ công suất Hình 1. Giản đồ công suất ở chế độ động cơ Giản đồ công suất ở hình 1.8 đặc trưng cho phân bố công suất của động cơ không đồng bộ 3 pha. Trong đó: công suất điện ngõ vào: Pin 3V I1 cos (1.17) Ở chế độ động cơ, nguồn điện lưới cấp vào Pin, do có dòng chạy qua dây quấn stator nên có tổn hao đồng 1 phía stator Pco1 và tổn hao ở mạch từ hóa của lõi thép (stator và rotor) là Piron. Trừ đi 2 tổn hao này, công suất còn lại chuyển thành công suất điện từ Pg truyền qua khe hở không khí đưa vào rotor.
Do có tổn hao trong dây quấn hoặc thanh dẫn rotor một lượng tổn hao đồng 2, nên công suất cơ Pd còn lại (làm quay trục động cơ) giảm đi một lượng Pco2. Ngoài ra, trong động cơ còn có ma sát giữa trục động cơ và ổ bi (bạc đạn) và quạt gió làm mát khi trục động cơ quay gọi là tổn hao cơ Prot, nên công suất ngõ ra ở đầu trục động cơ chỉ còn một BÀI LÀM THUÊ CHƯA THANH TOÁN TIỀN Trang 8 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS. Nguyễn Thị Mi Sa lượng Pout dùng để kéo tải. Giá trị Pout chính là công suất định mức được ghi trên nhãn động cơ.
Các đại lượng công suất trong giản đồ ở hình 1.8 được xác định như sau: Tổn hao ở stator: Pco1 3 I12 R (1.19) Rm Công suất điện từ truyền qua khe hở không khí: R2' '2 Pg 3 I 2 (1.20) s Tổn hao đồng ở mạch rotor: Pco 2 3 I 2'2 R2' s Pg (1.21) Và công suất cơ làm quay trục rotor: R2' Pd Pg Pco 2 3 I 2'2 (1 s) Pg (1 s) (1.22) s Công suất cơ này là công suất cơ sinh ra trên trục động cơ và bằng công suất cơ của tải cộng với tổn hao cơ. Mặt khác, cũng có thể xác định công suất điện từ Pg như sau: Pg Td s (1.23) Và Pd Pg (1 s ) Td s (1 s ) Td (1.24) Trong đó, là tốc độ góc của rotor Và Pout Tn (1.25) BÀI LÀM THUÊ CHƯA THANH TOÁN TIỀN Trang 9 ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: TS. Nguyễn Thị Mi Sa Với Tn là mô men định mức trên trục rotor. Ở chế độ động cơ: Tn Td Theo giản đồ công suất ở hình 1.26) s R2' 2 s R1 X eq2 s Từ biểu thức (1.27) s Nên suy ra: 3V 2 R2' Td (1.28) R2' 2 s s R1 X eq2 s Biểu thức (1.28) chính là đặc tính cơ biểu diễn mối quan hệ giữa mô men động cơ và độ trượt tốc độ s và đặc tính này có dạng bậc 3 theo s như hình.