Máy điện không đồng bộ

Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 27 Chương 4 : MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 4.1 KHÁI NIỆM: Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy. Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở chế độ động cơ, hoặc ở chế độ máy phát. Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt so với máy phát đồng bộ nên ít được dùng. Trong sản xuất , máy điện không đồng bộ chủ yếu là động cơ để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành cơ năng. Hiện nay đa số các động cơ dùng trong công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp … đều là động cơ điện không đồng bộ, vì nó có cấu tạo và vận hành đơn giản dẫn đến giá thành rẻ, chi phí bảo trì thấp. Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ có khuyết điểm là khó đều chỉnh tốc độ và hệ số cosϕ thấp. 4.2 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA : Gồm hai phần chính : Stator và Rotor . 4.2.1 Stator: Stator của máy điện không đồng bộ gồm các phần chính là lõi thép, dây quấn và vỏ máy. Lõi thép stator do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã dập sẳn, ghép cách điện với nhau , chiều dài các lá thép thường là 0.5mm, phía trong có các rãnh để đặt dây quấn . Dây quấn ba pha stator đặt trong các rãnh lõi thép, xung quanh dây quấn có bọc các lớp cách điện với lõi thép. Các pha dây quấn đặt cách nhau 120° điện . Cấu tạo của động cơ ba pha Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 28 Vỏ máy để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator.Vỏ máy làm bằng nhôm (ở máy nhỏ), bằng gang hay thép đúc (ở máy lớn). Vỏ máy có chân máy để cố định máy trên bệ, hai đầu có nắp máy để đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn . 4.2.2 Rotor: Rotor làphần quay gồm lõi thép, trục và dây quấn Lõi thép rotor cũng gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Mặt ngoài lõi thép rotor có các rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có lỗ để lắp trục, có khi còn có các lỗ thông gió. Trục máy gắn với lõi thép rotor và làm bằng thép tốt. Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ bi. Tùy theo cấu tạo dây quấn phần quay, máy điện không đồng bộ chia ra làm hai loại : máy không đồng bộ rotor dây quấn và máy không đồng bộ rotor lồng sóc. Rotor dây quấn (Wound Rotor): trong các rãnh của lõi thép đặt dây quấn ba pha, thường nối thành hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vành trượt bằng đồng trên trục rotor. Ba vành trượt này cách điện với nhau và với trục. Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngoài (điện trở này có thể là điện trở mở máy hoặc điện trở điều chỉnh tốc độ). Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 29 Ưu điểm của động cơ cảm ứng rotor dây quấn (Slip Ring or Wound Induction Motor): • Dòng điện mở máy thấp • Momen khởi động lớn • Khởi động bằng phẳng • Có thể điều chỉnh tốc độ trong dãy hẹp • Đơn giản và mạnh • Độ tin cậy cao • Chi phí bảo trì thấp Ứng dụng: • Cần trục • Máy nâng • Máy cuốn trong nhà máy thép,… Rotor lồng sóc (Squirrel Cage Rotor): dây quấn là những thanh đồng hay nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rotor, hai đầu các thanh dẫn nối với hai vành đồng hay nhôm, gọi là vòng ngắn mạch . Như vậy dây quấn rotor hình thành một cái lồng, gọi là lồng sóc. Mỗi thanh dẫn của lồng sóc được xem như một pha. Người ta thường chế tạo rotor lồng sóc bằng cách đổ nhôm nóng chảy vào các rãnh lõi thép rotor. Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 30 Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí. Khe hở rất nhỏ, thường từ 0,35 – 1,5cm. Mạch từ máy điện không đồng bộ khép kín từ stator sang rotor, qua khe hở không khí. Khe hở không khí càng lớn thì dòng điện từ hoá để gây ra từ thông cho máy càng lớn, hệ số cosϕ của máy càng giảm. Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 31 Ngoài ra còn có vỏ máy 4.3 NHỮNG THÔNG SỐ GHI TRÊN NHÃN MÁY: • Công suất định mức ( W, Kw, Hp ) : là công suất định mức đầu ra trên trục động cơ ( động cơ ), công suất điện đưa ra ( máy phát ). • Điện áp dây định mức Uđm ( V): đối với động cơ ba pha là U dây, đối với động cơ một pha thì U là điện áp đặt trên đầu cực của động cơ ( pha – trung tính hoặc pha – pha ). • Dòng điện dây định mức Iđm ( A ) Ví dụ : Trên nhãn máy ghi : ∆/ Y – 220/380V – 7,5/ 4,3 A. có nghĩa là khi điện áp dây lưới điện bằng 220V thì ta nối dây quấn stator theo hình tam giác và dòng điện dây định mức tương ứng là 7,5 A ; khi điện áp mạng điện là 380V thì dây quấn stator nối theo hình sao, dòng điện dây định mức là 4,3A. • Tốc độ quay định mức nđm ( vòng/ phút ). • Tần số định mức ( HZ ). • Cấp cách điện • Loại động cơ: Theo các tiêu chuẩn National Electrical Code và National Electrical Manufactures Association (NEMA), các motor được phân loại bởi ký tự đặc trưng cho tỷ số của dòng khởi động và dòng định mức. Có sáu loại: A, B, C. D, E, F. Bằng các ký tự này, có thể xác định chính xác được định mức của circuit breaker, cầu chì và các thiết bị bảo vệ khác. o Loại A: Dòng khởi động bình thường, 5 đến 7 lần dòng định mức. Trên 7 21 HP phải giảm điện áp khởi động. Momen khởi động bình thường và khoảng 150% định mức. Đây là loại motor bình thường (Normal Type), thông dụng (General Purpose) như: máy công cụ, bơm ly tâm, bộ động cơ - máy phát, quạt, máy thổi, các thiết bị cần momen khởi động thấp. Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 32 o Loại B: điện kháng cao và dòng khởi động thấp do các rãnh của rotor kín, sâu và hẹp. Thông dụng như loại A. Nhiều nhà sản xuất chỉ chế tạo động cơ General purpose trên 5hp. o Loại C: dòng khởi động thấp, 214 đến 5 lần định mức. Full voltage start. Momen khởi động cao, khoảng 225% định mức; rotor lồng sóc kép: Ứng dụng: máy nén khí, máy bơm kiểu pitong, máy trộn, máy nghiền, băng tải (conveyor) khởi động dưới tải, máy làm lạnh lớn, các thiết bị cần momen khởi động lớn. o Loại D: Dòng khởi động thấp. Full voltage start. Momen khởi động cao , khoảng 275% định mức, dây quấn rotor có điện trở lớn. Loại motor này chỉ thích hợp với hoạt động không liên tục (intermittent) và tốc độ không phải ổn định bởi vì độ trượt quá cao và hiệu suất quá thấp. Ứng dụng: máy đóng, máy cắt tỉa, xe ủi đất, máy nâng nhỏ, máy kéo kim loại, máy khuấy,… o Động cơ rotor dây quấn: điện trở ở mạch rotor cho dòng khởi động thấp và momen khởi động cao. Ưùng dụng: thang máy, máy nâng, cần trục (crane), (hoist), cán thép, máy ủi, tải quặng hoặc than, … • Dòng đầy tải của động cơ được xác định theo công thức sau : Động cơ 3 pha : Iđm = ϕη cos..U.3 P đm đm Động cơ một pha : Iđm = ϕη cos..U P đm đm • Momen quay định mức ở đầu trục: Mđm 60 n2 PP đm đmđm pi = ω Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 33 4.4 SỰ HÌNH THÀNH TỪ TRƯỜNG QUAY : Xét trường hợp dây quấn stator có 2 cực, trục các dây quấn đặt cách nhau 1200 điện. 4.4.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA TỪ TRƯỜNG QUAY: 4.4.2 Tốc độ của từ trường quay : Trong dây quấn hai cực (đã phân tích trong phần sự hình thành từ trường quay ở trên), từ trường quay được một vòng trong một chu kỳ của dòng điện. Nếu dây quấn có bốn cực (mỗi pha có hai nhóm cuộn dây độc lập được mắc nối tiếp) thì từ trường quay một vòng trong hai chu kỳ của dòng điện. Nếu dây quấn có sáu cực , từ trường quay một vòng trong ba chu kỳ của dòng điện. Tổng quát, từ trường quay một vòng trong 2p/2 chu kỳ, hay: Số chu kỳ = sốvòng 2 p2 × Và số chu kỳ/ giây = sốvòng 2 p2 × / giây Bởi vì số vòng trên giây bằng số vòng trên phút n1 chia 60 và số chu kỳ trên giây là tần số f. f 60 np 60 n 2 p2 11 × =×= n1 = p f60 vòng/phút 4.4.3 Tính chất của từ trường quay do hệ thống dòng điện ba pha đối xứng gây nên. Một hệ thống dòng điện ba pha đối xứng chạy trong ba dây quấn đặt lệch nhau 120° điện sẽ sinh ra một từ trường quay đối xứng có các tính chất sau : a) Từ trường quay có độ lớn không đổi và bằng 3/2 từ trường cực đại của một pha. Nó quay với tốc độ không đổi n1 = p f60 vòng/phút, gọi là tốc độ đồng bộ b) Đảo chiều quay của từ trường :Khi thứ tự dòng điện cực đại các pha lần lượt đi từ pha A, đến pha B,rồi trục pha C , thì chiều từ trường quay sẽ quay từ vị trí Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 34 trùng với trục pha A, đến trục pha B, rồi trục pha C. Nếu thay đổi thứ tự hai pha vào dây quấn stator. ( Ví dụ đổi thứ tự hai pha B và C vào dây quấn ) thì chiều từ trường quay sẽ quay ngược lại. Tính chất này được ứng dụng để thay đổi chiều quay động cơ không đồng bộ . 4.5 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Cũng như các máy điện quay khác , máy điện không đồng bộ có thể làm việc như là động cơ điện, máy phát điện hoặc máy hãm. Nhưng máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ động cơ là thường gặp nhất . 4.5.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ : n < n1 (0 < s < 1) Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha có tần số f vào ba pha dây quấn stator, hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha chạy vào dây quấn sẽ sinh ra từ trường quay, quay với tốc độ n1 = p f60 . Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rotor, cảm ứng trong rotor sức điện động E2. Dây quấn rotor nối ngắn mạch nên E2 sẽ sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn rotor. Chiều của E2, và chiều của I2 được xác định theo qui tắc bàn tay phải. Dòng điện I2 nằm trong từ trường quay sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ, tạo thành momen M tác dụng lên rotor, làm nó quay với tốc độ n theo chiều quay từ trường (dùng qui tắc bàn tay trái xác định chiều của lực và chiều của momen M tác dụng lên rotor ) Tốc độ trên trục của động cơ (n) không thể bằng được tốc độ từ trường quay (n1), mà phải nhỏ hơn một ít. Có như vậy mới có sự chuyển động tương đối giữa từ trường quay và dây quấn rotor, do đó mới có dòng điện I2 , có mômen M tác dụng lên rotor; (nếu tốc độ rotor bằng tốc độ đồng bộ thì rotor sẽ đứng yên đối với từ trường quay, sẽ không có sức điện động cảm ứng ở rotor, không có dòng điện rotor, và vì thế sẽ không sinh ra momen). Vì tốc độ rotor khác tốc độ từ trường quay nên ta gọi động cơ là động cơ không đồng bộ. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ quay của rotor gọi là tốc độ trượt n2 ( hay là vận tốc trượt ) n2 = n1 - n Hệ sốâ trượt của tốc độ là: Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 35 s = 1 1 n nn − Hệ số trượt s thường thay đổi từ 1 đến 10 phần trăm tùy thuộc vào kích cỡ và loại động cơ Tốc độ trên trục động cơ được tính bằng : n = ( 1 – s ) n1 = ( 1 – s ) p f60 Khi tải tăng, hệ số trượt cũng tăng. 4.5.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ : n1 < n < +: ( - ∞ < s <0) Nếu bây giờ stator vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rotor không nối với máy công cụ, mà nối với một động cơ sơ cấp kéo rotor quay với tốc độ n lớn hơn tốc độ từ trường quay n1, và cùng chiều với n1. Lúc này, chiều dòng rotor I2 ngược lại với trường hợp động cơ. Lực điện từ tác dụng lên rotor ngược lại với chiều quay, gây ra mômen quay động cơ sơ cấp. Máy điện làm việc ở chế độ máy phát . Hệ số trượt: s = 1 1 n nn − < 0 Nhờ từ trường quay, cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rotor được biến thành năng lượng điện từ chuyển từ rotor sang stator . Máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát có nhiều khuyết điểm. Hiện nay rất ít dùng nó để phát điện. CHƯƠNG 4 M ÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 36 4 . 6 C A ÙC P HƯ Ơ N G T RÌ N H CU ÛA ĐO ÄN G C Ơ K H O ÂN G Đ O ÀN G B O Ä : 4. 6 . 1 P H Ư Ơ N G TR Ì N H CA ÂN B A È N G Đ I E ÄN A ÙP T R E Â N D A ÂY Q U A ÁN S T A TO R: E1 = 4,44 f kdq1N1φmax Ta có phương trình cân bằng điện áp stator : 1111 ZI)E(U &&&& +−= )jxr(IEU 11111 ++−= &&& với : Z1 = r1 + jx1 : tổng trở phức của một pha dây quấn stator. r 1 : điện trở dây quấn stator x1 : điện kháng tản dây quấn Stator x1 = 2 pi f L1 I1r1 : điện áp rơi trên điện trở một pha dây quấn stator. 4. 6 . 2 P H Ư Ơ N G TR Ì N H CA ÂN B A È N G Đ I E ÄN A ÙP T R E Â N D A ÂY Q U A ÁN R O T O R : a. Khi rotor đứng yên: Sức điện động cảm ứng trong mỗi pha có biểu thức tương tự như trong stator : E1 = 4,44 f kdq2N2φm Vì rotor ngắn mạch nên 2U • = 0 0)jxr(IEU 22222 =++−= &&& )jxr(IE 2222 += && Trong đó : Z2 = r2 + jx2 : tổng trở của một pha dây quấn rotor ( đứng yên ). r 1 : điện trở dây quấn rotor ( đứng yên ). x2 : điện kháng tản dây quấn rotor ( đứng yên ). f : tần số dòng điện rotor = tần số dòng điện stator. b. Khi rotor quay: Khi rotor quay với tốc độ n, tức với hệ số trượt s, từ trường stator quay đối với rotor với vận tốc tương đối sn1 nên tần số dòng điện rotor, điện kháng tản rotor và sức điện động cảm ứng rotor lần lượt là : CHƯƠNG 4 M ÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 37 f2s = sf x2s = 2pi ( sf )L2 = s x2 ( ) 2m22dqs2 sENksf44,4E =φ=& Phương trình điện áp rotor lúc rotor quay là : ( ) ( )222s222s22 . jsxrIjxrIEEs +=+== &&& = . 2s2 IZ trong đó : Z2s = r2 +jsx2 là tổng trở một pha dây quấn rotor lúc rotor quay Tỉ số sức điện động pha stator và rotor : ke = == 22dq 11dq 2 1 N.k N.k E E hệ số qui đổi sức điện động. 4. 6 . 3 P H Ư Ơ N G T R Ì N H C A ÂN B A È N G S Ư ÙC TƯ Ø Đ O ÄN G : Phương trình cân bằng sức từ động của động cơ : m1N1kdq1 1 . I + m2N2kdq2 2 . I = m1N1kdq1 0 . I 0 . I : dòng điện stator khi không tải 1 . I , 2 . I : là dòng điện stator và rotor khi động cơ mang tải m1,m2 : là số pha của dây quấn stator và rotor Đặt . ' 2 i . 2 . 2 1dq11 2dq22 I k I I kNm kNm == Ta được : . ' 20 .. 1 III += Trong đó : . ' 2I : dòng điện rotor quy đổi về stator ki : hệ số quy đổi dòng điện ki = 2dq22 1dq11 kNm kNm 4 . 7 M A Ï C H T Ư Ơ N G Đ Ư Ơ N G CU Û A ĐO ÄN G CƠ ĐI E ÄN K HO Â N G ĐO À N G B O Ä : CHƯƠNG 4 M ÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 38 4.7.1 Mạch tương đương của stator: 4.7.2 Mạch tương đương của rotor quay: 4.7.3 Mạch tương đương của rotor quay, quy về rotor đứng yên : Chia hai vế phương trình ( )2222 . jsxrIEs += & cho s :       += 2 2 22 . jx s r IE & Vậy ta có mạch tương đương sau : 4.7.4 Mạch tương đương của rotor quy về stator : Để ráp mạch rotor vơi stator, ta tiến hành quy đổi sức điện động, dòng điện và tổng trở rotor về stator sao cho điện áp và dòng điện ở chỗ nối bằng nhau. Tương tự như máy biến áp, nhưng chú ý là ở động cơ thì số pha dây quấn rotor m2 có thể khác số pha dây quấn stator m1, ta rút ra : 1 .. 2e . ' 2 EEkE == : sức điện động pha rotor quy về stator r1 jxt1 . ' 2I td0 . I 1 . I G0 -jB0 1 . U r2 2 . I jsxt2 2 . Es r2/s 2 . I jx2 2 . E CHƯƠNG 4 M ÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 39 ke = == 22dq 11dq 2 1 N.k N.k E E hệ số qui đổi sức điện động. . i 2 . ' 2 k II = : dòng điện rotor quy về stator ki = 2dq22 1dq11 kNm kNm : hệ số quy đổi dòng điện r’2 = ke ki r2 : điện trở dây quấn rotor quy về stator x’2 = ke ki x2 : điện kháng dây quấn rotor quy về stator Ta có phương trình :       += '2 ' 2' 2 . ' 2 jxs r IE & Mạch tương đương như sau : Tách riêng điện trở r’2 khỏi r’2/s bằng cách viết : s s1rr s r ' 2 ' 2 ' 2 −+= Mạch tương đương trở thành : 4.7.5 Mạch tương đương chính xác, quy về stator : r’2/s . ' 2I jx’2 . ' 2E r’2 . ' 2I jx’2 . ' 2E s s1r '2 − CHƯƠNG 4 M ÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 40 Kết hợp mạch tương đương stator ( câu 2.8.1) với mạch tương đương rotor (câu 2.8.4), ta được mạch tương đương của động cơ không đồng bộ : Điện trở s s1r '2 − đặc trưng cho sự thể hiện công suất cơ trên trục của máy. Điện trở biến đổi, biểu thị cho sự thay đổi của tải trên trục máy Qua sơ đồ tương đương ta thấy rõ : Mỗi sự thay đổi tải ở trục động cơ đều dẫn đến sự thay đổi dòng điện rotor và stator. Ví dụ khi động cơ bị quá tải, tốc độ động cơ giảm đi, hệ số trượt tăng lên và điện trở r’2 s s1 − giảm, làm cho dòng điện rotor và stator đều tăng lên. Giả sử khi động cơ điện bị kẹt không quay được hoặc lúc mở máy tốc độ n = o và s = 1 điện trở r’2 s s1 − = 0 ; coi như thứ cấp bị ngắn mạch nên dòng điện stator và rotor đều tăng lên rất nhiều ( bằng từ 5-7 lần dòng điện định mức ), cũng vì thế tình trạng này được gọi là tình trạng ngắn mạch động cơ điện . 4 . 8 QU A Ù T RÌ N H B I E ÁN Đ O ÅI N A ÊN G L Ư Ơ Ï N G : P1 : công suất điện đầu vào Pđt : công suất điện từ chuyển qua rotor. Pcơ : công suất cơ P2 : công suất cơ hữu ích trên trục pCu1, pcu2 : tổn hao đồng trên dây quấn stator, rotor PFe : tổn hao sắt từ. pcơ + pf : tổn hao cơ + tổn hao phụ. Động cơ điện lấy điện năng từ lưới điện vào với công suất: P1 = m1U1I1cosϕ1 m1: số pha pCơ + pf P2 P1 Pđt pCu1 pCu2 pFe Pcơ r1 jx1 . ' 2I td0 . I 1 . I G0 -jB0 r’2 jx’2 . ' 2E s s1r '2 − ⋅ 1U CHƯƠNG 4 M ÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Trang 41 U1: điện áp pha ϕ1: góc lệnh pha giữa dòng và áp Một phần nhỏ của công suất đó biến thành tổn hao đồng của dây quấn stator: pcu1 = m1I12r1 và tổn hao lõi sắt stator: pFe = m1I02rm. (điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt từ). Còn lại phần lớn công suất đưa vào chuyển thành công suất điện từ Pđt truyền qua rotor: Pđt = P1 – (pcu1 + pFe) = m1I'22 s 'r 2 = s r Im 2222 Do trong rotor có dòng điện nên có tổn hao đồng trong rotor là: pcu2 = m1I'22r'2 =m2 222 rI Do đó công suất cơ của động cơ điện là: Pcơ = Pđt - pcu2 = m1.I'22r'2 s s−1 = s s1rIm 2 2 22 − Công suất đưa ra trục động cơ điện P2 sẽ nhỏ hơn công suất cơ vì khi máy quay có tổn hao cơ pcơ và tổn hao phụ: P2 = Pcơ – ( pcơ + pf )
Tổng tổn hao trong động cơ điện : Σp = pcu1 + pFe + pcu2 + pcơ + pf Công suất đưa ra đầu trục P2 = P1 - Σp Hiệu suất % : η% = 1 2 P P 100 = 100 P pP 1 1       Σ− s: hệ số