Động cơ không đồng bộ 3 pha

CHƢƠNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 1.1 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Động không đồng máy điện xoay chiều, có tốc độ rơto khác tốc độ stato Từ trường quay pha, pha pha, tuỳ thuộc vào cấu tạo dây quấn stato pha, pha pha Theo cấu tạo dây quấn rôto , động không đồng chia làm loại: Rơto lồng sóc rơto dây quấn động khơng đồng lồng sóc có cấu tạo đơn giản, vận hành bảo quản dễ dàng , độ tin cậy cao , giá thành rẻ , nên ứng dụng rộng rãi thực tế Động khơng đồng rơto dây quấn có cấu tạo phức tạp vận hành bảo quản khó hơn, độ tin hơn, giá thành cao có ưu điểm đưa điện trở phụ ngồi vào để cải thiện tính mở máy điều chỉnh Tốc độ khơng sử dụng cho nơi có cầu dao mở máy điều chỉnh tốc độ mà động lồng sóc khơng đáp ứng Tuy nhiên động khơng đồng có nhược điểm điều chỉnh tốc độ khống chế trình độ khó khăn riêng với động rơto lồng sóc , tiêu không đồng 1.1.1 Cấu tạo động dị 1.1.1.1 Phần tĩnh (stato) Stato bao gồm vỏ máy, lõi sắt dây quấn Vỏ máy Vỏ máy nơi cố định lõi sắt, dây quấn đồng thời nơi ghép nối nắp hay gối đỡ trục Để chế tạo vỏ máy người ta đúc, hàn, rèn nguyên liệu để làm vỏ máy làm gang, nhơm hay lõi thép Vỏ máy có hai kiểu: vỏ kiểu kín vỏ kiểu bảo vệ Hộp cực nơi để đấu điện từ lưới vào Đối với động kiểu kín hộp cực yêu cầu phải kín, thân hộp cực vỏ máy với nắp hộp cực phải có giăng cao su Trên vỏ máy cịn có bulon vịng để cẩu máy nâng hạ, vận chuyển bulon tiếp mát Lõi sắt Lõi sắt phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi thép từ trường quay, nên để giảm tổn hao lõi sắt làm từ thép kỹ thuật điện dày 0,5mm ép lại Yêu cầu lõi sắt phải dẫn từ tốt, tổn hao nhỏ chắn Mỗi thép kỹ thuật điện phủ sơn cách điện bề mặt để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên Dây quấn Dây quấn stato đặt vào rãnh lõi sắt cách điện tốt với lõi sắt Dây quấn đóng vai trị quan trọng máy điện trực tiếp tham gia vào q trình biến đổi lượng điện thành hay ngược lại, đồng thời mặt kinh tế giá thành dây quấn chiếm phần cao tồn giá thành máy 1.1.1.2 Phần quay (rơto) Rôto động không đồng gồm lõi sắt, dây quấn trục (đối với động dây quấn cịn có vành trượt ) Lõi sắt Lõi sắt rôto bao gồm thép kỹ thuật điện stato, điểm khác biệt không cần sơn cách điện thép tần số làm việc rôto thấp vài Hz, nên tổn hao dịng phuco rơto thấp Lõi sắt ép trực tiếp lên trục máy lên giá rơto máy Phía ngồi lõi sắt có xẻ rãnh để đặt dây quấn rôto Dây quấn rôto Phân làm hai loại chính: rơto kiểu dây quấn kiểu lồng sóc Loại rơto dây quấn: Rơto có dây quấn giống dây quấn stato Máy điện kiểu trung bình trở lên dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp, bớt dây đầu nối nên kết cấu dây quấn rôto chặt chẽ Máy điện cỡ nhỏ dùng dây quấn đồng tâm lớp Dây quấn ba pha rơto thường đấu hình Đặc điểm loại động kiểu dây quấn thơng qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rơto để cải thiện tính mở máy, điều chỉnh tốc độ hay cải thiện hệ số cơng suất máy Loại rơto kiểu lồng sóc: kết cấu loại dây quấn khác với dây quấn stato Trong rãnh lõi sắt rôto đặt dẫn đồng hay nhôm dài lõi sắt nối tắt lại hai đầu hai vịng ngắn mạch đồng hay nhơm Nếu rơto đúc nhơm vành ngắn mạch cịn có cánh quay gió Rơto đồng chế tạo từ đồng hợp kim có điện trở suất cao nhằm mục đích nâng cao mơmen mở máy Để cải thiện tính mở máy, máy có cơng suất lớn, người ta làm rãnh rơto sâu lồng sóc kép Đối với máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto làm chéo góc với tâm trục Dây quấn lồng sóc khơng cần cách điện với lõi sắt Trục Trục máy điện mang rơto quay lịng stato Trục máy điện chế tạo tùy theo kích thước nguyên liệu chủ yếu thép cacbon Trên trục rơto có lõi thép, dây quấn, vành trượt quạt gió 1.1.1.3 Khe hở Vì rơto khối trịn nên khe hở Khe hở máy điện không đồng nhỏ ( 0,2 – 1mm ) để hạn chế dòng từ hóa lấy từ lưới điện vào, nhờ hệ số công suất máy cao 1.1.2 Nguyên lý làm việc động dị Sau nối thông cuộn dây stato với nguồn điện pha , sản sinh từ trường quay Nếu từ trường quay theo chiều kim đồng hồ theo quy tắc bàn tay phải dây dẫn rôto phía cực N cắt từ trường , dịng điện cảm ứng theo chiều xuyên từ mặt giấy Dây dẫn chịu tác dụng lực làm cho roto quay theo chiều kim đồng hồ Tương tự phía cực S , roto chịu tác dụng lực quay theo chiều kim đồng hồ Các lực điện từ tạo thành mơmen điện từ trục quay, làm cho rôt quay theo chiều quay cảu từ trường quay Tốc độ quay N2 roto luôn nhỏ tốc độ quay n1 từ trường quay ( tốc độ quay đồng ) Nếu tốc độ quay roto đạt đến tốc độ quay đồng khơng cịn có chuyển động tương đối từ trường Dây điện rơto khơng cắt đường sức sức điện động cảm ứng , dịng điện momen điện từ Do ta thấy rơto ln quay theo từ trường quay với tốc độ n2 < n1 N n1 n S F Hình 1.1 Nguyên lý làm việc động không đồng Ta gọi động khơng đồng tốc độ quay n roto không tốc độ quay đồng trường quay rơto Trong đó: n1 - n2 : Là hiệu số tốc độ quay động KĐB Tỷ số hiệu số tốc độ quay với tốc độ quay đồng gọi độ trượt Ký hiệu S : n1 S n2 n1 Khi động KĐB pha trạng thái phụ tải định mức độ trượt bé ( 0,02 0,06) Sau nối thông cuộn dây stato động KĐB với nguồn điện xoay chiều pha , qua tác dụng từ trường quay truyền điện cho rôto Hiện tượng giống từ trường biến đổi xoay chiều lõi sắt MBA truyền điện từ cuộn sơ cấp cho sơ cấp cho cuộn thứ cấp Do dịng điện rơto tăng lên dịng điện stato tăng lên Momen điện từ (M) động KĐB tỷ lệ thuận với tích từ thông quay ( ) thành phần tác dụng dịng điện rơto (I2 cos M = CM I2 cos ) CM: Là số momen động KĐB Đối với động chế tạo hồn chỉnh trị số xác định khơng đổi, trị số cơng thức không thay đổi nên momen điện tử động KĐB tuỳ thuộc vào dòng điện I2 rôto hệ số công suất cos mạch điện rơto - Khi n1 - n2 giảm I2 giảm Khi bắt đầu khởi động động , rơto chưa quay , hiệu số tốc độ quay n1 - n2 = n1 , lúc dây dẫn rôto cắt từ trường quay với tốc độ lớn Khi rơto bắt đầu quay tốc độ tương đối dây dẫn rôto cắt từ trường quay giảm xuống, n1 - n2 giảm xuống I2 giảm - Khi n1 - n2 giảm cos tăng lên Mạch điện rôto tương đương với cuộn dây quấn lõi sắt có cảm kháng, độ lớn cảm kháng tỷ lệ thuận với tần số dịng điện rơto Cảm kháng nhỏ cos lớn Tần số dịng điện rơto giảm n1 - n2 giảm -> cos tăng Ta thấy quan hệ momen điện từ độ trượt phức tạp , đường cong quan trọng biểu thị đặc tính vận hành động KĐB cho ta thấy độ trượt momen điện từ thay đổi - Mmax : Momen cực đại - Mxđ : Momen khởi động - Mđm : Momen định mức - Sth : Độ trượt tới hạn M Mmax Mkdd Mđm S Sth S=1 Hình 1.2 Đường cong momen động KĐB Sau đấu động với nguồn điện thời điểm bắt đầu khởi động S = , lúc I2 lớn nhất, cos nhỏ gọi momen khởi động Nếu Mkđ lớn momen cản trục động roto quay tăng dần tốc độ , momen điện từ động tăng dần theo đoạn đường cong BA lên tới điểm A, sau đạt đến momen cực đại Mmaxlại giảm dần theo đoạn đường cong AO Khi M = Mcản động quay theo tốc độ không đổi vận hành ổn định theo đoạn đường cong OA Khi động làm việc ổn định OA , tăng momen cản ( tăng phụ tải) tốc độ quay động giảm xuống ( S tăng lên ) làm cho momen điện từ tăng lên Do tạo nên cân với momen cản, phụ tải tăng lên đến mức làm cho momen cản vượt momen cực đại Nếu phụ tải tăng lên đến mức làm cho momen cản vượt qua momen cực đại , tốc độ quay động giảm xuống nhanh chóng dừng lại Do phạm vi làm việc ổn định động hạn chế đoạn đường cong OA Khi động làm việc liên tục lâu dài, trục động truyền momen định mức Momen định mức động phải nhỏ momen cực đại Nếu thiết kế cho momen định mức gần momen cực đại , q tải động dừng lại Do động phải có khả tải định , khả tải tỷ số momen cực đại momen định mức kí hiệu M max M dm 1,8 Trên ta xét điện áp nguồn điện khơng thayđổi, điện áp thay đổi từ cơng thức : M= CM I2.cos Ta thấy: Vì I2 thay đổi theo điện áp U nên M biến đổi theo U2 Như điện áp có ảnh hưởng lớn momen điện từ động KĐB Điện áp thấp dịng điện stato tăng lên làm cháy động , động cỡ lớn có thiết bị bảo vệ điện áp thấp ( điện áp ) 1.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ DỊ BỘ 1.2.1 Đặc tính động di Để thành lập đặc tính cơ,ta cần đưa số giả thiết sau: - pha động đối xứng - Các thông số mạch không thay đổi, nghĩa không phụ thuộc nhiệt độ, điện trở mạch roto không phụ thuộc vào tần số dịng điện nó, mạch từ khơng bảo hồ, điện kháng dây stato X1 roto X2 không thay đổi - Tổng dẫn mạch dịng từ hố khơng thay đổi, dịng điện từ hố IM không phụ thuộc vào phụ tải mà phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato động - Bỏ qua tổn thất ma sát - Điện áp lưới hồn tồn hình sin đối xứng Như ta có sơ đồ thay pha động X1 I1 r1 X’2 I2’ X Uf r2' S I R 'f S r Hình 1.3 Sơ đồ thay pha động kđb Trong đó: kKKkđbKKKkhơngđồng bb XM, X1,X2’: điện kháng mạch từ hố, Stato Rơto qui đổi Stato ( ) rM, r1, r’2: điện trở tác dụng mạch từ hố cuộn dây stato, rơto qui đổi stato ( ) R’f điện trở phụ (nếu có) mắc thêm vào pha rơto qui đổi dây quấn stato ( ) Uf trị số hiệu dụng điện áp pha stato (V) IM,I1,I2 : Dịng điện từ hố , stato, rơto qui đổi stato (A) S độ trượt động S = ( Với 0- )/ (1.1) vận tốc góc từ trường quay, cịn gọi tốc độ đồng (rad) = f (1.2) p f: tần số điện áp nguồn đặc vào stato (Hz) P: số đôi cực động : tốc độ góc rơto (rad/s) Từ phương trình 1.1 phương trình 1.2 suy ra: = 0(1-s) = f (1-s) (1.3) p ' Mặt khác, từ sơ đồ thay ( hình 1.1) ta có, trị số hiệu dụng dòng điện roto qui đổi stato Uf I’2 = r1 r2 X1 X2 ' (1.4) Công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto P12 = Mdt Với Mdt : mô men điện từ động Nếu bỏ qua tổn thất Mdt = Mcơ = M Cơng suất chia hai thành phần : công suất đưa trục động Pcơ công suất tổn hao đồng rôto P2 nghĩa : P12 = Pcơ+ P2 Hay M = M Do P2 = M( Mặt khác P2 = Nên M = + P2 0- )=M 0.S 3I2’2R2 3I2’2R2/ 0.S (1.5) Thay phương trình (1.5) vào phương trình (1.4) ta phương trình đặc tính của động 3.U f R '/ S M = f (r1 P r2 / S) (X1 (1.6) X ') Vẽ quan hệ phương trình (1.6) lên trục toạ độ ta đặc tính động cần tìm (R = 0) f R M Hình 1.4 Đặc tính động KĐB rơto dây quấn Hai phương trình đặc tính cịn viết dạng khác: 2M max (1 a.S max ) S max S 2aS max S max S M = (1.7) Trong : Smax hệ số trượt tương ứng với mômen max r2 Smax = r1 ' X nm (1.8) Mnm : mômen ngắn mạch hay cịn gọi mơmen mở máy Mmax = a = r1 r2 ( r1 3U f r1 2 (1.9) X nm ) Đối với động có r1 nhỏ phương trình : Ta giả thiết Mc = const động làm việc xác lập đặc tính ứng với giá trị Ef Nếu tăng Ef lên dịng I2 giảm, mơmen điện từ động giảm có giá trị nhỏ mômen M c, nên tốc độ động giảm Khi tốc độ giảm, độ trượt tăng làm cho E = E2nms tăng lên Kết dòng điện rôto I2 mômen điện từ tăng lên Cho đến mômen thiết bị nối tầng cân với mơmen M c q trình giảm tốc kết thúc, động làm việc với tốc độ nhỏ trước Khi | E2 | = | Ef |, I2 = động có tốc độ khơng tải lý tưởng 0lt Khi Ef = động làm việc đặc tính gần đặc tính tự nhiên 2.5.2 Các phƣơng pháp nối tầng 2.5.2.1 Phƣơng pháp nối tầng dùng hệ thống van máy điện Đối với động không đồng rơto dây quấn có cơng suất lớn lớn tổn thất cơng suất trượt lớn Do khơng dùng thiết bị chuyển đổi điều chỉnh điện trở mạch rôto Để vừa tận dụng lượng trượt vừa điều chỉnh tốc độ động không đồng rôto dây quấn, nguời ta sử dụng sơ đồ nối tầng sau: Sơ đồ nối tầng máy điện, sơ đồ nối tầng van - máy điện, … Ở ta xét sơ đồ nối tầng van - máy điện o ~ U1 o o ĐKB o ckmc MC FD Hình 2.17 Sơ đồ nối tầng van máy điện Để điều chỉnh tốc độ động không đồng sơ đồ nối tầng, ta thực cách đưa vào roto sức điện động phụ Ef Sức điện động phụ xoay chiều chiều Trên sơ đồ hình (2.17), ta thấy muốn điều chỉnh tốc độ động ta thay đổi sức điện động phụ Ef Sức điện động máy chiều tạo Giả thiết Mc = const động làm việc trạng thái xác lập ứng với giá trị Ef Nếu tăng Ef lên dịng I2 giảm mơmen điện từ động giảm có trị số nhỏ mômen M c nên tốc độ động giảm Khi tốc độ động giảm độ trượt S tăng, làm cho E2 = E2nm S tăng, kết dịng I2 mơmen điện từ động tăng lên mômen thiết bị nối tầng cân với M c trình giảm tốc kết thúc động làm việc trạng thái xác lập với tốc độ ban đầu Dòng điện chỉnh lưu Id mạch roto động xác định: Id KsE Ef Rñt Trong đó: E2 : Trị số hiệu dụng sức điện động pha roto động Ks : Hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu (đối với sơ đồ cầu ba pha Ks = 2,34) Rđt : Điện trở đẳng trị mạch roto tính đổi phía chiều Ef : Sức điện động máy chiều Khi tốc độ động không đồng n < n1 Nếu bỏ qua tổn hao động khâu biến đổi cơng suất động không đồng lấy từ lưới vào P1 = Pđm cịn cơng suất phụ mạch roto (công suất trượt) Pf = Pđm S thông qua chỉnh lưu đưa vào phần ứng máy chiều MC quay, kéo theo FĐ quay FĐ phát điện trả lượng nguồn với công suất Pf = Pđm S, động làm việc trạng thái động Khi n > n1 động làm việc trạng thái máy phát 2.5.1.2 Phƣơng pháp nối tầng dùng thyristor o o o o o o U2 U2 ĐKB ĐKB BA BA Hình 2.18 Hệ thống nối tầng van máy điện Trên sơ đồ hình (2.18), lượng trượt từ roto động không đồng sau chỉnh lưu thành chiều biến thành xoay chiều nhờ nghịch lưu trả lưới điện nhờ biến áp BA Sức điện động phụ đưa vào mạch roto động không đồng sức điện động nghịch lưu Trị số điều chỉnh cách thay đổi góc mở van thyristor nghịch lưu Điện áp xoay chiều nghịch lưu có biên độ tần số khơng đổi xác định điện áp tần số lưới điện Bộ nghịch lưu làm việc với góc điều khiển dành cho góc chuyển mạch thay đổi từ 90o đến 240o , phần lại Độ lớn dịng điện roto phụ thuộc vào mơmen tải động mà khơng phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu Điện áp U2 chỉnh lưu thành điện áp chiều nhờ chỉnh lưu D1 D6 qua điện kháng lọc L cấp cho nghịch lưu phụ thuộc vào nghịch lưu Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu nghịch lưu nhau: Ud = Udn Sai lệch giá trị tức thời điện áp chỉnh lưu nghịch lưu điện áp điện kháng lọc L Giả thiết bỏ qua điện trở điện kháng tản mạch stato xem động có số vịng dây stato rơto nhau, giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu Id = là: Ud 3U n1 n n1 Trường hợp có tải Id điện áp giảm xuống sụt áp chuyển mạch van cầu chỉnh lưu sụt áp điện trở dây quấn rôto 2.5.3 Các ƣu, nhƣợc điểm phạm vi ứng dụng Ƣu điểm Chỉ tiêu lượng cao tận dụng công suất trượt mạch rôto Nhƣợc điểm Mạch điều khiển mạch động lực phức tạp dẫn đến chi phí vận hành sửa chữa lớn Phạm vi điều chỉnh tốc độ hệ thống không lớn mômen động giảm tốc độ giảm xuống Phạm vi ứng dụng Phương pháp điều chỉnh công suất trượt thường áp dụng cho truyền động công suất lớn tiết kiệm điện có ý nghĩa lớn Phương pháp nên áp dụng cho truyền động có số lần khởi động, dừng máy đảo chiều thường ta khởi động phương pháp khác tốc độ đến vùng làm việc sử dụng phương pháp để điều chỉnh tốc độ CHƢƠNG XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ RƠTO DÂY QUẤN BẰNG THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ MẠCH RÔTO 3.1 CHỌN VÀ TÍNH TỐN MẠCH ĐỘNG LỰC 3.1.1 Chọn mạch động lực Từ việc phân tích ưu, nhược điểm phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng với động yêu cầu đồ án động không đồng ba pha rôto dây quấn ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ thay đổi điện trở mạch rơto thích hợp Vì phương pháp mạch động lực điều khiển đơn giản làm cho thao tác điều khiển dễ dàng, chi phí vận hành sửa chữa thấp Hạn chế dịng điện mở máy làm tăng khả mở máy cho động Tự động hóa điều chỉnh tốc độ dễ dàng Do ta chọn sơ đồ mạch động lực hình vẽ đây: Hình 3.1 Sơ đồ mạch động lực 3.1.2 Tính tốn mạch động lực Các thơng số động KĐB rôto dây quấn: Pdm dm Idm = 3,7 kW = 1200 v/ph = 10,4 A Chọn Aptomat Aptomat khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện , để bảo vệ tải ngắn mạch Ta chọn Aptomat theo dịng định mức, có thơng số kỹ thuật sau - Số cực - Điện áp định mức Udm = 380 V - Dòng điện định mức Idm = 30 A - IN = kA Chọn công tắc tơ nút ấn Cơng tắc tơ khí cụ điện dùng để đóng , cắt mạch điện Ngồi cịn có tác dụng bảo vệ điện áp thấp điện áp khơng Chọn cơng tắc tơ theo dịng định mức động cơ, ta có Iđm = 10,4 A hảng LG, có thơng số sau: - Điện áp định mức Uđm = 220 V - Dòng điện định mức Iđm = 10,4 A Chọn nút ấn thường đóng có màu đỏ, hai nút ấn thường mở có màu xanh Chọn rơ le nhiệt Rơle nhiệt loại khí cụ thường dùng để bảo vệ tải Chọn rơ le nhiệt có Iđm = 10 A 3.2 TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Trang bị điện mạch - Cầu chì F - Nút ấn PB0, PB1, PB2 - Công tắc tơ K1, K2, K3 - Rơle nhiệt OL - Động dị rôto dây quấn - Rơle thời gian TS1, TS2 Nguyên lý hoạt động mạch Đóng aptomat nguồn Ấn nút PB1 , cuộn hút cơng tắc tơ K1 có điện đóng điện cho động hoạt động qua tiếp điểm động lực K11 động chạy với tốc độ n1 hoạt động mạch trì qua tiếp điểm K12 Sau thời gian định trì rơle TS1,tiếp điểm thường mở đóng chậm TS11 đóng lại, ấn nút PB2 cuộn hút cơng tắc tơ K2 có điện hút tiếp điểm K21 , ngắt ½ điện trở mạch rơto ra, động lại chạy với tốc độ n2 Đồng thời rơle TS2 trì khoảng thời gian định sau tiếp điểm thường mở đóng chậm TS22 đóng lại Cuộn hút cơng tắc tơ K3 có điện hút tiếp điểm K31 đóng lại cắt tồn điện trở khỏi mạch rôto, động lại chạy với tốc độ khác n3 3.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ BÀI THÍ NGHIỆM Ta bố trí thiết bị dựa vào sơ đồ nguyên lý xây dựng mơ hình thí nghiệm sau: 3.4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Động chạy với cấp tốc độ khác ta thay đổi điện trở mạch rôto