CHƯƠNG I: ĐẶT TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR 1.ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 1. Khái niệm - Động cơ KĐB 3 pha là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Động cơ không đồng bộ ba pha là loại động cơ mà khi làm việc có tốc độ quay của roto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n. Động cơ không đồng bộ 3 pha 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 sản xuất và sinh hoạt.
Nguyên lý hoạt động - Tạo ra từ trường quay bằng cách cho dòng diện xoay chiều 3 pha đi vào trong stato gồm 3 cuộn dây giống nhau, đặt lệch nhau 120° trên một giá tròn thì trong không gian giữa 3 cuộn dây sẽ Có một từ trường quay với tần số góc bằng tån số góc Của dòng diện xoay chiều. - Đặt trong từ trường quay một rôto lồng sóc (có tác dụng như một khung dây dẫn có thể quay dưới tác dụng của từ trường quay) có thể quay xung quanh trục trùng với trục quay của từ trường. - Rôto lòng sóc quay do tác dụng của từ trường quay với tốc độ nhỏ hơn tốc độ của từ trường. Chuyển động quay của rôto được sử dụng để làm quay các máy khác.
Stato Stato là phần tĩnh gồm hai phần chính là lõi thép và dây quần, ngoài ra có võ máy và nắp máy. - Lõi thép Lõi thép stato hình trụ do 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 và bên trong vỏ máy. - Dây quấn Dây quấn stato làm bằng dây quẩn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh lõi thép.
Hình dưới là sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh của stato, dây quần pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt trong các rãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt trong các rãnh 2, 5, 8, 11. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quẩn stato sẽ tạo ra từ trường quay. - Vỏ máy Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cổ định máy trên bệ. Hai đầu vỏ có nắp máy, ở đỡ trục.
Võ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy. Roto Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quần 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 có lỗ để lắp trục. - Dây quấn Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi là roto KĐB lồng sóc) và roto dây quấn.
+ Roto lồng sóc: Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ KĐB lồng sóc. Loại roto lồng sóc công suất trên 100 kW, trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành các lồng sóc. Ở động cơ roto lồng sóc công suất nhỏ được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc ngắn mạch và cánh quạt làm mát. + Roto dây quấn: - Loại động cơ có roto dây quấn gọi là động cơ không đồng bộ ba pha roto dây quấn.
Trong rãnh lõi thép roto người ta đặt dây quấn ba pha. Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và được cách điện với trục. - Nhờ ba chổi than tì sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn roto được nối với 3 vòng tiếp xúc, nhờ đó chổi than dây quấn roto nối được với ba biến trở bên ngoài để mở máy hay điều chỉnh tốc độ. - Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo.
Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động.Ưu điểm của động cơ không đồng bộ ba pha -Kết cấu đơn giản nên giá thành rẻ. -Vận hành dể dàng, bảo quản thuận tiện. -Sử dụng rộng rãi và phổ biến trong phạm vi công suất nhỏ và vừa. -Sản xuất với nhiều cấp điện áp khác nhau (từ 24 V đến 10 kV) nên rất thích nghi cho từng người sử dụng.Nhược điểm của động cơ không đồng bộ ba pha -Hệ số công suất thấp gây tổn thất nhiều công suất phản kháng của lưới điện.
-Không sử dụng được lúc non tải hoặc không tải. -Khó điều chỉnh tốc độ. -Đặc tính mở máy không tốt, dòng mở máy lớn (gấp 6-7 lần dòng định mức). -Momen mở máy nhỏ.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 , là điện trở và điện kháng mạch stator.
Đặc trưng cho mạch từ lõi thép là,, gọi là dòng điện từ hóa. là số vòng dây quấn stator Đối với động cơ công suất lớn thì có thể bỏ qua dòng từ hoá Mạch tương đương 1 pha của stator. 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 và , là số vòng dây quấn rotor.
là sức điện động khi rotor đứng yên: = Giả sử rằng rotor quay với tốc độ n, khi đó, sức điện động mạch rotor tỉ lệ với tốc độ tương đối Δn, ~ ; ~ - n. Khi đó: = => = =s* Tương tự đối với tần số mạch rotor: = => = s*f Và điện kháng mạch rotor là : = 2π**=2π*s*f * = s* Với là điện cảm dây quấn rotor và là điện kháng dây quấn Rotor khi rotor đứng yên. Nên dòng điện rotor tại tốc độ n là: = Hay : = Mạch tương đương 1 pha khi xem << Để đơn giản hơn, ta có sơ đồ gần đúng như hình 2. Trong đó = + Trong sơ đồ thay thế 1 pha ở hình 2.2: + Là mô hình toán gần đúng của động cơ không đồng bộ 3 pha ở chế độ xác lập.
+ Điện áp V là điện áp pha (điện áp định mức ghi trên nhãn thiết bị 3 pha thường là điện áp dây). Mạch tương đương 1 pha Dựa vào sơ đồ tương đương 1 pha ở hình 2.2, ta có phương trình đặc tính tốc độ: Khi mở máy tốc độ n=0 nên hệ số trượt s=1 => = 3.PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA Ta có giản đồ công suất ở chế độ động cơ: Trong đó : : công suất điện ngõ vào : tổn hao đồng trên stator : tổn hao sắt trên stator : công suất điện từ : tổn hao đồng trên rotor : công suất cơ : tổn hao cơ : công suất ngõ ra Ta có công suất điện ngõ vào : = 3. Tổn hao ở stator : = 3. Công suất điện từ truyền qua khe hở không khí: = 3.
Tổn hao đồng ở mạch Rotor: =3. Công suất cơ làm quay trục rotor = - =3. (1-s) = (1-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 ta cũng có thể tính như sau: =. = Trong đó: là momen điện từ của động cơ, là momen định mức trên trục động cơ, ω là tốc độ góc của rotor Khi làm việc ở chế độ động cơ : > Ta có : = (1) Lấy đạo hàm cấp 1 của theo s và cho bằng 0, = 0 và có dạng bậc 2 nên có 2 nghiệm : (2) Từ (1) và (2) ta có : = Dấu + ứng với chế độ động cơ và dấu - ứng với chế độ máy phát Hệ số quá tải : = Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của T và s Ta thường vẽ đặc tính cơ ở chế độ động cơ để biểu diễn mỗi quan hệ giữa mô men và tốc độ động cơ.
Lúc mới khỏi động, tốc độ n = 0 và s =1, momen khởi động lúc này là. Nếu lớn hơn mô men tải và tổn hao thì động cơ sẽ tăng tốc và có tốc độ gần bằng với tốc độ đồng bộ khoảng 97-98% tốc độ đồng bộ và mô men cũng đạt giá trị max tại. Ta có các cách vẽ đặc tính cơ của động cơ khi thực hiện một yêu cầu của bài toán như sau: Đầu tiên ta vẽ mộ trục tọa độ Oxy, ta xác định điểm ns ứng với tốc độ định mức của đông cơ trên trục tung và Mmax trên trục hoành. Ta vẽ được đặc tuyến ứng với điểm và .f)/p Tiếp đó ta xác định điểm làm việc của tải ứng với vị trí TL và n và ta cũng vẽ đặc tuyến tương tự như trên.
Ta có hình vẽ như sau: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa momen, hệ số trượt và tốc độ động cơ 4.ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ ĐẾN ĐẶC TÍNH CƠ 4.Ảnh hưởng của điện áp = = = = Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thay đổi theo điện áp 4. Ảnh hưởng của tần số nguồn cấp Khi thay đổi tần số dẫn đến thay đổi tốc độ đồng bộ và điện kháng, thay đổi luôn dạng đặc tính cơ. Khi ta tăng tần số nguồn cấp giúp tăng tốc độ làm việc và giảm dòng điện động cơ, tuy nhiên điều này làm giảm khả năng mang tải do mo men động cơ suy giảm và ngược lại. Vì vậy khi thay đổi tần số nguồn cấp thì cũng cần thay đổi điện áp phần ứng để mo men ổn định.
Ta nhận thấy ở vùng < f thì sẽ giữ không đổi, còn ở vùng < f < thì không thể tăng điện áp nguồn cấp mà giữ nguyên = nên Tmax sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số. Hay là: = const. Ảnh hưởng của điện trở phụ hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch stator. Khi thêm điện trở phụ vào mạch stator thì tốc độ đồng bộ không đổi, hệ số trượt tới hạn giảm, moment tới hạn giảm và moment mở máy cũng giảm.
Động cơ KDB 3 pha khi thêm điện trở phụ và điện kháng = = = - Khi thêm điện kháng phụ Xp (giả sử Xp = Rp) vào mạch Stator ta thấy tốc độ đồng bộ không đổi, độ trượt tới hạn giảm (nhưng vẫn còn lớn hơn khi thêm Rp), moment mở máy Mmm giảm(bằng với khi thêm Rp). Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ và điện kháng váo Stator(=) 4.