P đm (Kw) công suất động cơ 57 U1đm (V) điện áp định mức 400 2p số cực từ 10 N1 số vòng mỗi pha dây quấn stator 67 N2 số vòng mỗi pha dây quấn rotor 37 Kdq1 hệ số dây quấn stator 0.957 Kdq2 hệ số dây quấn rotor 0.957 R1 (Ω) điện trở dây quấn stator 0.27 R2 (Ω) điện trở dây quấn rotor 0.08 X1 (Ω) điện kháng dây quấn stator 0.37 X2 (Ω) điện kháng dây quấn rotor 0.057 m1 số pha dây quấn stator 3 m2 số pha dây quấn rotor 3 I0 Dòng điện không tải 37 η hiệu suất 0.87 cosφ hệ số công suất 0.877
ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3
Động cơ không đồng bộ ba pha
- Theo kết cấu vỏ, chia làm các loại: Kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín,…
- Theo kết câu roto chia làm 2 loại: Roto dây quấn và roto lồng sóc
- Theo số pha: 1pha, 3pha
- Phần tĩnh (stator): Vỏ, lõi sắt và dây quấn
Vỏ máy có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator Được chế tạo từ nhôm cho máy nhỏ hoặc gang, thép đúc cho máy lớn, vỏ máy không chỉ giúp cố định thiết bị trên bệ mà còn có nắp ở hai đầu để đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn.
Lõi thép được cấu tạo từ nhiều lá thép kỹ thuật dập sẵn, được ghép cách điện với nhau Chiều dài của các lá thép thường là 0.5mm, được thiết kế để đặt dây quấn bên trong các rãnh.
Hình: Lõi thép của Stator
Rotor lồng sóc là một cấu trúc trong đó dây quấn được làm từ các thanh đồng hoặc nhôm, được đặt trên các rảnh lõi thép của rotor Hai đầu của các thanh dẫn được nối tiếp với hai vành đồng hoặc nhôm, tạo thành một vòng ngắn mạch Do đó, dây quấn rotor hình thành một cái lồng, được gọi là lồng sóc.
Rotor dây quấn là bộ phận quan trọng trong động cơ điện, được cấu tạo từ dây điện từ được đặt trong các rãnh của lõi thép rotor Dây quấn rotor bao gồm ba dây, lệch nhau 120 độ điện, được đấu hình sao và kết nối với ba vành trượt bằng đồng Các vành trượt này được cách điện với nhau và với trục rotor, trong khi ba chổi than tiếp xúc với vành trượt để nối mạch điện với điện trở bên ngoài.
Khi dòng điện 3 pha có tần số f1 được cung cấp vào dây quấn stator, nó sẽ tạo ra một từ trường quay với tốc độ n1 = 60 f1/p Từ trường này sẽ cắt qua các thanh dẫn trong dây quấn rotor, dẫn đến sự cảm ứng điện động e2, gây ra dòng điện I2 trong dây quấn rotor Chiều của e2 và I2 được xác định theo quy tắc bàn tay.
Dòng điện I2 trong từ trường quay sẽ chịu tác động của lực tương hỗ, tạo ra moment tác dụng lên rotor, khiến nó quay với tốc độ n theo chiều của từ trường Quy tắc bàn tay trái được sử dụng để xác định chiều của lực và moment tác dụng lên rotor.
1.1.4 Các đại lượng định mức
Pđm(W, kW): Công suất định mức của động cơ
Iđm(A): Dòng điện dây định mức
Điện áp dây định mức (Uđm) và tần số định mức (fđm) là các thông số quan trọng trong hệ thống điện Tốc độ định mức của rotor (nđm) thể hiện hiệu suất hoạt động của động cơ, với hiệu suất định mức (ηđm) và hệ số công suất định mức (cosφđm) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng Các thông số này cần được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất tối đa cho động cơ.
Các phương trình cơ bản và mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ
Trong đó: kdq1: Hệ số dây quấn stator
W1: Hệ số vòng dây quấn stator Фmax: Từ thông cực đại
Ta có phương trinh cân bằng điện áp
Trong đó: Z1 = R1 + jX1: Tổng trở phức của một dây quấn stator
R1: Điện trở dây quấn stator
X1: Điện kháng tản dây quấn stator X1 = 2πfLfL1
1.2.2 Phương trình điện áp dây quấn rotor
1.2.2.1 Khi rotor đứng yên
Sức điện động cảm ứng mỗi pha có biểu thức tương tự như trong stator
Trong đó: kdq2: Hệ số dây quấn rotor
W2: Số vòng dây quấn rotor
Vì rotor ngắn mạch nên: U ´ 2 = 0
Trong đó: Z2 = R2 + jX2: Tổng trở của một pha dây quấn stator (khi đứng yên)
R2: Điện trở dây quấn rotor (khi đứng yên)
X2: Điện kháng tản dây quấn rotor (khi đứng yên)
Khi rotor quay với tốc độ n và hệ số trượt s, từ trường stator quay với vận tốc tương đối sn1 Do đó, tần số dòng điện rotor, điện kháng tản rotor và sức điện động cảm ứng rotor lần lượt được xác định.
Phương trình điện áp rotor lúc rotor quay là: s E ´ 2 = E ´ 2s = ´ I 2¿) = ´ I 2¿) = I2Z2s trong đó: Z2s = R2 + jsX2: Là tổng trở một pha dây quấn rotor (khi rotor quay)
Tỉ số quy đổi sức điện động pha stator và rotor:
Hệ số quy đổi sức điện động: ke = W W 1 × k dq1
Mạch điện thay thế của mạch điện không đồng bộ
Dựa trên các phương trình cơ bản, sơ đồ thay thế hình T cho động cơ không đồng bộ được thiết lập khi rotor quay tương tự như máy biến áp Qua sơ đồ thay thế này, ta có thể tính toán được dòng điện stator, dòng điện rotor, mô-men xoắn và công suất cơ.
Mạch điện thay thế hình T
Giản đồ năng lượng
P1: Công suất điện đầu vào
Pđt: Công suất điện từ chuyển qua rotor
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:
U1: Điện áp pha φ1: Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp
Một phần nhỏ của công suất đó biến thành tổn hao đồng, tổn hao sắt trong dây quấn stator:
Phần lớn công suất đưa vào chuyển thành công suất điện từ Pđt truyền qua rotor
Trong đó: s: Hệ trượt của động cơ
I`2: Dòng rotor quy đổi và stator
Do trong rotor có tổn hao điện nẻn có tổn hao đồng trong dây quấn rotor
Do đó công suất của động cơ
Công suất tại trục động cơ P2 thường thấp hơn công suất cơ Pcơ do ảnh hưởng của tổn hao cơ học như ma sát và tổn hao từ quạt gió, cùng với tổn hao phụ Pf.
Tổng tổn hao trong động cơ điện
Công suất đưa ra đầu trục: P2 = P1 - ∑ P
Đặc tính cơ
Để thành lập phương trình đặc tính cơ, ta sử dụng sơ đồ thay thế như hình dưới
Mạch tương đường một pha Dựa vào sơ đồ thay thế một pha ở trên ta có
I m ≈0 ¿qui đổi về stator có thể bỏ qua dòng từ hóa)
Khi mở máy tốc độ n=0, s=1
Phương trình đặc tính cơ:
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha được mô tả bằng phương trình M d = 3Up 2 ⋅R ' 2 s ω s [ ( R 1 + R s 2 ' ) 2 + X nm 2 ] Đường biểu diễn của phương trình này có dạng đường cong, và tọa độ điểm cực trị được xác định thông qua việc giải phương trình d M d / ds = 0 Kết quả cho thấy độ trượt tới hạn là s max = ± R 2 '.
Thay phương trình s max (1,2) vào phương trình đặc tính cơ ta được moment tới hạn:
Trong đó: (+): Hoạt động ở chế độ động cơ
Trong hai biểu thức về trạng thái động cơ, dấu (+) biểu thị cho hoạt động của động cơ, trong khi dấu (-) thể hiện trạng thái máy phát Khi nghiên cứu hệ truyền động điện với động cơ không đồng bộ, người ta thường chú trọng đến trạng thái làm việc của động cơ Do đó, các đường đặc tính cơ thường được biểu diễn trong khoảng tốc độ từ 0 đến s th ns.
Mc3 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ ba pha Nếu tải là M c 3 thì động cơ không kéo được tải
Nếu tải là M c 1 điểm làm việc ổn định ban đầu A
Nếu tải là M c 2 điểm làm việc ổn định ban đầu A, điểm C là không ổn định (vì khi khởi động đi qua C)
Phương tình đặc tính cơ có thể biểu diễn theo closs:
Ảnh hưởng của điện trở phụ hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch stator
Khi nối thêm R f hay X f phụ vào mạch stator: (Đường đặc tính màu đỏ)
Khi điện trở hoặc điện kháng trong mạch stato thay đổi do thêm trở kháng phụ Rf và Xf, nếu tốc độ n s giữ nguyên, thì cả mômen M max và s max đều giảm, dẫn đến đặc tính cơ của mạch có hình dạng tương tự như trong hình vẽ bên dưới.
1.6.1 Ảnh hưởng điện trở mạch Rotor (Động cơ rotor dây quấn):
Đối với động cơ không đồng bộ có rotor dây quấn, việc thêm điện trở Rf vào mạch rotor là cần thiết để hạn chế dòng khởi động và điều chỉnh tốc độ của động cơ.
Khi đưa R 2 f vào mạch rotor thì ω s =const, M max =const
1.6.2 Ảnh hưởng của cấp điện áp cấp cho stator
Khi Vp giảm thì M max giảm, s max = const (khả năng kéo tải của động cơ giảm)
Khi điện áp lưới suy giảm, mômen tới hạn M max sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của V.
Khi tốc độ đồng bộ n s và hệ số trượt tới hạn s max không thay đổi, đặc tính cơ của động cơ sẽ thay đổi theo sự biến đổi của Vp Momen cực đại thể hiện khả năng quá tải của động cơ.
1.6.3 Ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ
Khi thay đổi tần số f, tốc độ từ trường quay và tốc độ động cơ sẽ thay đổi.
Khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số ( f 1) thay đổi → tốc độ từ trường n 0 và tốc độ của động cơ n sẽ thay đổi theo.
1.6.4 Ảnh hưởng của số đôi cực p
2+X eq 2 Để thay đổi số đôi cực ở stator, người ta thường thay đổi cách đấu dây.
Khi thay đổi p, ω s =const, tốc độ động cơ sẽ thay đổi còn s max không đổi.
Khi thay đổi p, U, R, X có thể thay đổi do đó tùy vào trường hợp mà sẽ có ảnh hưởng khác nhau đến M max
Tính toán và thiết kế cơ cấu dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha
Đặc tính tự nhiên
2.1.1 Xác định dòng điện định mức Stator I 1đm
Vì stator đấu Y nên I1đm =I1pđm =I1dđm 7.83 (A)
Với I1pđm: dòng điện pha định mức
I1dđm: dòng điện dây định mức
2.1.2 Tính toán dòng điện rotor ở chế độ định mức I 2đm
Ta có sức từ động F = m √2 π ×N k dq p × I
Vì sức từ động phía stator lớn hơn sức từ động phí rotor 20% Nên 0.8F1 = F2
Vì rotor đấu Y nên I2đm =I2pđm =I2dđm = 159.2 (A)
2.1.3 Tính toán các thành phần trở kháng ngắn mạch Điện trở kháng ngắn mạch: Xnm = X1 + X2 `
Với: X1: Điện trở kháng stator
X2 `: Điện trở kháng rotor quy đổi về stator
Hệ số quy đổi sức điện động: ke = W W × k 1 × k dq1 dq 2= 67 37 ×0.957 ×0.957= 1.81
Hệ số quy đổi dòng điện: ki = m m 1 ×W 1 × k dq 1
Hệ số quy đổi trở kháng: k= ke ×ki = 1.81 2 = 3.27 Điện trở và điện kháng quy đổi từ rotor sang stator
X 2 = k × X2 = 3.27 × 0.057 = 0.1635(Ω) Điện trở và điện kháng ngắt mạch
2.1.4 Tính dòng điện mở máy I mm
Dòng điện mở máy trực tiếp
2.1.5 Xác định bội số dòng điện mở máy K I
Bội số dòng mở máy:
2.1.6 Tính tốc độ trượt định mức S đm
Quy đổi dòng điện thứ cấp: I 2 = I 2 k đm i = 159.2 1.81 (A) Mà: I 2 Up
2.1.7 Tính tốc độ định mức của động cơ n đm
Tốc độ động cơ trên dây quấn rotor: n1 = 60 p f =60× 5 50 = 600 (vòng/phút)Tốc độ định mức: nđm = (1- Sđm) × n1 = (1 – 0.11) × 600 = 534 (vòng/phút)
Moment cực đại của động cơ
2.1.9 Khả năng quá tải của động cơ
Khả năng quá tải của động cơ: km = M M max đm = 1468 933 =1.57
Hệ số km cho ta thấy được khả năng quá tải của động cơ
2.1.10 Động cơ mở máy có tải được hay không?
Moment cực đại là giới hạn làm việc của động cơ, muốn động cơ làm việc ổn định thì
Mđm < Mmax, với Mđm đó, động cơ có thể làm việc ổn định với tải định mức và có khản năng chịu tải ngắn hạn
2.1.11 Vẽ đặc tính cơ tự nhiên
Moment mở máy: khi mở máy n=0, và S = 1
Moment cực đại của động cơ
Moment định mức của động cơ:
Hệ số trượt cực đại của động cơ: Smax = R 2
Chọn các giá trị moment trong quá trình mở máy
Dựa vào thông số momen cực đại của động và momen định mức của động cơ ta có:
Vậy ta sẽ chọn được M1 = 1200 (Nm)
M2 ≥(1.1 ÷ 1.3) × Mđm M2 ≥(1.1 ÷ 1.3) × 933 => M2 ≥1119 (Nm)Vậy ta sẽ chọn M2 = 1150 (Nm)
Đồ thị đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha mở máy quá 3 cấp điện trở
Xác định điện trở mở máy bằng phương pháp đồ thị
B1: Xác định thông số và vẽ đặc tính cơ tự nhiên của động cơ
B2: Lựa chọn moment lớn nhất và moment nhỏ nhất trong quá trình mở máy
Để vẽ đồ thị, đầu tiên, vẽ hai đường thẳng từ M1 và M2 song song với trục tung, cắt đường đặc tính cơ tự nhiên tại hai điểm a và b Tiếp theo, nối hai điểm a và b để cắt đường tốc độ tại điểm t, điểm này là điểm xuất phát của chùm tia mở máy Từ điểm t, tiến hành vẽ tuần tự với điều kiện giống như động cơ điện kích từ độc lập, theo phương pháp song song.
Nếu đường thẳng c song song với trục hoành nhưng không cắt được điểm b thì phải chọn lại M1 hoặc M2 hoặc cả 2.
Xác định điện trở mở máy bằng phương pháp đồ thị: Đặc tính tự nhiên : STN = R 2
X nm Đặc tính nhân tạo: SNT = R 2
Lập tỷ số ta có
R I = R 2 [ kd−kb kb ] = R 2 [ bd kb ]
Tính toán các thông số:
1 = 600−n 600 => n = 306 là tốc độ quay tại điểm b(1200;306)
Tìm tòa độ điểm d(1200;nd)
Với tọa độ điểm h(1200;0), ta xác định phương trình đường thẳng đi qua g là n = Mx + y Tại h(1200;0), ta có x = -1 và y = 0, do đó phương trình trở thành n = -M + 1200 Từ phương trình này, chúng ta tìm được tọa độ điểm g là g(1150;50).
Từ tọa độ điểm g ta có được tọa độ điểm f(1200;50)
Vậy ta có tọa độ các điểm như sau: b(1200;306), c(1150;306), d(1200;96), e(1150;96), f(1200;50), g(1150;50), h(1200;0)
=> Điện trở phụ cần tìm là: R p 1 = R I = 0.06 (Ω)
Yêu cầu nâng tải
Yêu cầu hạ tải
Động cơ hạ tải với tốc độ bằng 2 lần tốc độ định mức
Sau khi nhận được hướng dẫn và sửa chữa các lỗi trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em đã áp dụng các thông số có sẵn trên thiết bị và sử dụng linh kiện bên ngoài để đáp ứng nhu cầu thực tế Điều này giúp chúng em vận dụng kiến thức đã học vào thực tiễn, phục vụ cho công việc và cuộc sống hàng ngày.
Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy, các Cô tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, cùng các bạn trong lớp đã đóng góp ý kiến quý báu, giúp đỡ để quyển đồ án của chúng em được hoàn thành thành công.