Phần 2.5_Chương 2: Các đặc tính của động cơ không đồng bộ ba pha potx

Các đặc tính : Sơ đồ nguyên lý của đông cơ không đồng bộ: bao gồm động cơ không đồng bộ ro to dây quấn và roto lồng sóc: Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, nhưng việc khống chế

§2.5 Các đặc tính của động cơ không đồng bộ ba pha

I Các đặc tính :

Sơ đồ nguyên lý của đông cơ không đồng bộ: bao gồm động cơ không đồng bộ ro to dây quấn và roto lồng sóc:

Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, nhưng việc khống chế nó trong quá trình khởi động, điều chỉnh

tốc độ và quá trình hãm là rất phức tạp Đặc biệt là khi động cơ làm việc trong vùng bão hoà từ thì các đặc tính của nó đều là phi tuyến Do vậy để đơn giản khi nghiên cứu động cơ không đồng bộ ba pha cần có các giả thiết sau :

+ Ba pha của động cơ là đối xứng

+ Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ , điện trở mạch rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện trong nó, mạch từ không bão hào

+ Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi , dòng điện từ hoá chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato của động cơ

+ Bỏ qua các tổn thất do ma sát , tổn thất trong lõi thép

+ Điện áp là hoàn toàn hình sin và đối xứng

Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế của động cơ KĐB ba pha như sau :

I1

I2 Iμ

r2'/s

Rf’/s rμ

xμ U1

Trong đó:

U1 : Trị số hiệu dụng điện áp pha ở stato

I1 , Iμ , I2 : Trị số dòng điện stato , dòng từ hoá , dòng điện roto qui đổi về stato

r1 , rμ , r2’ : Trị số điện trở stato , điện trở mạch từ hoá , điện trở roto qui đổi về stato

x1 , xμ , x2’ : Trị số điện kháng stato , điện kháng mạch từ hoá , điện kháng roto qui đổi về stato

Rf’ : Điện trở phụ thêm vào mỗi pha của roto

s : Độ trượt của động cơ

Từ sơ đồ thay thế ta có trị số hiệu dụng gần đúng của dòng điện stato:















































2 ' 2 1 2 2 1 1

1 1

nm x s

R r x

r U I





2 1 '

' 2 '

2 r R ;x x x

R   f nm   : điện kháng ngắn mạch

Từ biểu thức trên ta nhận thấy :

ω = 0 ; s = 1 ta có I1 = I1nm : dòng điện ngắn mạch stato

1

ω = ω0 ; s = 0 

















2 2 1 1

1



 x r U

Nghĩa là ở tốc độ đồng bộ động cơ vẫn tiêu thụ dòng điện từ hoá để tạo ra từ trường quay Ta có đặc tính dòng điện stato được trình bày như sau :

Trị số dòng điện roto quy đổi về stato là 2

' 2 1

1 '

2

nm

x s

R r

U I



















ω = 0 ; s = 1 ta có ' 2 2'

2 1

1 '

2

) (r R x nm I nm

U







ω = ω0 ; s = 0 I2’ = 0

Đặc tính dòng điện stato được trình bày như sau :

Để tìm phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ , công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto :

0

dt dt

P M 

với Mđt là mô men điện từ của động cơ Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì ta có Mđt = Mcơ và ta có Mđt = Mcơ =

M

Công suất đó được chia làm hai thành phần đó là : Công suất cơ trên trục động cơ Pcơ và công suất tổn hao đồng trong roto là ΔP2

P12 = Pcơ + ΔP2 MΔP2 = Mω + ΔP2

Do đó ta có ΔP2 = M ( ω0 - ω ) = Mωω0s

Mặt khác ΔP2 = 3I2’2 R2’ nên

s

R U M

0

' 2

2 1 3





Khi thay thế vào ta có phương trình đặc tính cơ như sau



















2 2

' 2 1 0

' 2

2 1 ) (

3

nm

x s

R r s

R U M

 Mối quan hệ M = f (ω) là một đường cong có cực trị , dạng của nó được biểu diễn trên hình vẽ

Mω

n

Mω th

sth

Điểm cực trị được gọi là điểm tới hạn có toạ độ [ Mth , sth ] , các giá trị đó được xác định như sau

' 2

1

2 1

3

th

nm th

R s

U M







Trong biểu thức trên dấu + ứng với trạng thái động cơ còn dấu - ứng với trạng thái máy phát

Phương trình đặc tính cơ còn được viết ở dạng sau :

th

th

1 ' 2

2 (1 as

2as

th th th

M M

s s

r a R







- Đối với những động cơ có công suất lớn thì r1 rất nhỏ hơn so với xnm nên ta có thể coi r1 =0 khi đó ta có

2 th

th th

M M

s s





Và

' 2

2 1

0

3 2

th

nm

th

nm

R s

x U M

x







- Trong nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những phương trình gần đúng bằng cách tuyến tính hoá đặc tính cơ trong đoạn làm việc Ở những vùng có độ trượt s < 0,4 ta xem như 0

th

s

s  và khi đó ta có phương

trình đặc tính cơ 2 th

th

M

s



- Có thể tuyến tính hoá đoạn đặc tính làm việc qua hai điểm làm việc là điểm không tải và điểm làm việc định mức Phương trình có dạng gần đúng như sau

dm

2

dm

M

s



- Độ cứng của đặc tính cơ

ĐTC của động cơ biến đổi cả về trị số lẫn dấu , vì vậy khi xét ta chỉ xét cho từng đoạn đặc tính

dM dM ds



II Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ

1 Ảnh hưởng của thông số diện áp

Khi điện áp thay đổi độ trượt tới hạn của động cơ không thay đổi , còn mô men tới hạn của động cơ thay đổi

tỷ lệ với bình phương của điện áp lưới

' 2

2 1 0

onst 3

ar 2

th

nm

th

nm

R

x U

x



Nếu điện áp đặ vào động cơ giảm quá thấp có thể làm cho mô men khởi động của động cơ giảm thấp và động

cơ sẽ không khởi động được

Khi giảm áp ta sẽ thu được một họ đường đặc tính cơ như sau :

3

ω 0 đt.tn

Mω th

Mω th.u

U 1

U 2

ω th

ω

Mω

2 Ảnh hưởng của thông số điện trở phụ mạch roto

Khi thay đổi điện trở mạch rôto thì độ trượt tới hạn của động cơ thay đổi , còn mô men tới hạn của động cơ không thay thay đổi

' 2

2 1 0

ar 3

onst 2

th

nm

th

nm

R

x U

x



Họ đường đặc tính thu được khi thay đổi như sau

đt.tn

ω

Mω

Mω th

đt.bt

ω 0

Mω 1

ω th1

ω th1

3 Ảnh hưởng của thông số tần số nguồn điện

Nếu cung cấp cho động cơ bằng một nguồn điện có tần số thay đổi thì tốc độ động cơ thay đổi và dạng đặc tính cơ cũng thay đổi

1

2 2

2

ar 2

ar

th

th



 

 

Như vậy mô men tới hạn thay đổi theo sự thay đổi của tỷ số U1/f1 Nếu ta giữ cho tỷ số này không đổi thì Mth cũng không thay đổi

ω

f1

fđm f2

ω 1

ωđm

ω2

Mω th

Mω C

4 Ảnh hưởng của số đôi cực p

Đối với những động cơ không đồng bộ roto lồng sóc nhiều cấp tốc độ để điều chỉnh tốc độ người ta thay đổi thông số đôi cực của máy

Khi thay đổi số đôi cực p ta có

1 0

' 2

2 1 0

2

ar

onst 3

onst 2

th

nm

th

nm

f v p R

x U

x







Với những động cơ mà thay đổi số đôi cực bằng cách thay đổi cách đấu các cuộn dây stato thi Mth có thể bị thay đổi Họ đường đặc tính cơ thu được khi thay đổi p = 1; p = 2 và Mth = const

Mω

ω

Mωth

P =1

P =2

III Cách dựng đặc tính tự nhiên và biến trở

1.Cách dựng đặc tính cơ tự nhiên

Vì đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KĐB là những đường cong phức tạp nên muốn dựng ta cần phải xác định nhiều điểm [M,s] Có thể sử dụng một trong hai cách sau đây :

a Cách dựng chính xác

- Khi biết đầy đủ các thông số của động cơ như :

Pđm , Uđm , I2đm , E2đm , r1 ,x1 , r2 , x2 , hoặc 2', ,2' th , . nm

r x

Từ các thông số đó ta sẽ xác điịnh được sth , Mth , 1'

2

r a r

 và thay chúng vào biểu thức tính mô men Cho độ trượt s biến thiên từ 0 -1 ta sẽ có các giá trị của mô men tương ứng Từ các giá trị [M,s] thu được tiến hành dựng đường đặc tính

+ Nếu không biết các thông số r r x x E1, ,2, , ,1 2' 2nm,I2dmthì có thể xác định các thông số sth , Mth , a như sau :

Dựa vào hệ số quá tải về mô men M ta xác định được M th M.M dm

5

Để xác định được thông số a và sth ta phải giả đồng thời biểu thức tính mô men cho hai điểm đặc biệt là điểm làm việc định mức và điểm khởi động :

Điểm định mức [ Mđm , sđm]

th

th

2 (1 as )

2as

th dm

dm th

th dm

M M





 

Điểm khởi động [Mkđ , s = 1]

th

th

2 (1 as ) 1

2as 1

th kd

th th

M M

s s





 

b Cách dựng gần đúng

Phương pháp này được sử dụng khi ta không biết các thông số , '

1, , , ,2 1 2 2nm, 2dm, Mkd

r r x x E I  Trong trường hợp này đối với các động cơ có công suất nhỏ hoặc trung bình và có độ trượt trung bình ( sth = 0,15 – 0,25 ) thì khi đó ta coi 1 ,2 1'

2

r r a

r

   , khi đó phương trình đặc tính cơ có dạng sau :

2 (1 )

2

th th th th th

M

s s

s





trong đó M th M.M dm còn độ trượt sth được xác định từ phương trình mô men viết cho điểm làm việc định mức

dm

2 s

M dm th dm

dm th

th th

M

s s



và ta có

1 2 ( 1)

th dm

dm M

s

s





Đối với những động cơ có công suất lớn do r1 << xnm nên có thể coi a.sth = 0 và khi đó ta có

2

th dm M M

phương trình đặc tính cơ có dạng đơn giản

2 th

th th

M M

s s





2.Cách dựng đặc tính cơ biến trở

a Cách dựng chính xác

Cách dựng này tiến hành khi ta biết đầy đủ các thông số của động cơ Từ các thông số đã cho ta xác định được

' ' 2

1

1 ' ' 2

f thnt

nm

nt

f

s

r a











2

tn thtn nt thnt

f

r

 và phương trình đặc tính cơ biến trở có dạng

2 (1 )

2

th nt thnt thnt

nt thnt thnt

M

s s

a s





Trong biểu thức trên : ath , sthtn : hệ số và độ trượt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên

ant , sthnt : hệ số và độ trượt tới hạn của đặc tính cơ nhân tạo

b Cách dựng gần đúng

- Khi bỏ qua điện trở tác dụng của cuộn dây stato ( r1 = 0 ) ta có

thnt

nm

s

x





Thay vào phương trình đặc tính cơ dạng biến trở và ở trên đoạn làm việc ta xem như 0

th

s

s  thì khi đó

phương trình đặc tính cơ có dạng

' ' 2

th

f

x





-Ta cũng có thể dựng đặc tính biến trở từ đặc tính cơ tự nhiên đã tìm được :

Với cùng một giá trị mô men từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên và biến trở ta có

thtn tn thnt nt

tn thtn nt thnt



2

f

hay



2

(*)

f

nt tn

r





Dựa vào (*) ta có cách dựng đặc tính biến trở như sau :

Ứng với mỗi giá trị của mô men M trên đặc tính cơ tự nhiên ta xác định được stn , thay vào * sẽ xác định được

snt từ đó dựng từng điểm trên đặc tính biến trở

đt.tn ω

Mω

Mω th

đt.bt

s nt 1

Mω 1 L

ư u ý :

Trong các biểu thức tính toán nếu đã cho E2nm , I2đm mà không cho r2 thì ta có thể xác định theo biểu thức :

2

2

3

nm dm

dm

E s

I

0,95

e

k

Trong đó : E2nm : Sđđ giữa 2 vành góp của roto khi roto đứng yên

7

I2nm : Dòng điện định mức ở roto

U1đm : Điện áp định mức của lưới điện

kr , ke , kx : hệ số qui đổi điện trở , điện áp và điện kháng

E1đm : Sức điện động định mức ở stato

IV Khởi động và cách xác định điện trở khởi động của động cơ KĐB

1 Khởi động động cơ KĐB

2 Xác định điện trở khởi động

Để xác định trị số các cấp điện trở khởi động ta sử dụng đồ thị hình tia với các đường đặc tính tuyến tính hoá trong quá trình khởi động

Các bước tiến hành như sau ;

Bước 1 : Dựa vào các thông số của động cơ tiến hành dựng đường đặc tính cơ tự nhiên

Bước 2 : Chọn giới hạn trên của mô men khởi động M1 0,85M thvà giới hạn dưới M2 (1,1 1,3) M c hoặc

2 (1,1 1,3) dm

Bước 3 : Đặt M2 , M1 lên trục hoành và kẻ hai đường thẳng song song với trục tung cắt đặc tính cơ tự nhiên tại hai điểm a và b Kẻ đường thẳng qua ab cắt đường thẳng song song với trục hoành qua điểm 0tại t , t là điểm đồng qui của các tia khởi động Lấy t làm điểm xuất phát ta vẽ các đặc tính biến trở Điều kiện giống như với động cơ điện một chiều kích từ độc lập

M h

M 2

R f = 0

a

b c

d e

t

ω

ω0

Bước 3 : Xác định trị số các cấp điện trở khởi động

Ta có 2

r r r

Vậy ta có f nt tn 2

tn

s s

s





từ đồ thị ta có

f f f

id ib bd

if id df

ih if fh























V Các trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ

1 Hãm tái sinh

Hãm tái sinh là một trạng thái máy phát mà động cơ biến cơ năng trên trục động cơ thành điện năng trả về lưới điện Trạng thái này xảy ra khi tốc độ của roto lớn hơn tốc độ không tải 0

Hình 2-34: a/ Sơ đồ nguyên lý; b/ Đặc tính cơ

Từ công thức dòng điện ro to:

s

s

jX R

E I

2 2

2 2







Sau khi biến đổi :

PK

TD I I X s R

X E J s X s R

R E































































2 2

2 2

2 20 2

2

2 2

2 20

Như vậy:

Khi s>0 thì dòng điện tác dụng và phản kháng đều nhận từ lưới vào

Khi s<0 Thì dòng điện tác dụng đổi dấu, còn dòng điện phản kháng vẫn giữ nguyên

Trạng thái hãm tái sinh thường xảy ra trong các trường hợp sau :

-Trong các hệ thống có tải thế năng , hãm tái sinh xảy ra khi hạ tải trọng ở những tốc độ lớn hơn tốc độ đồng

bộ 0 Đặc tính cơ được biểu diễn như sau :

ω

Mω

ω 0

- ω 0

HTS a

b

- Ở những động cơ có điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực hoặc tần số thì trạng thái hãm tái sinh xảy ra khi giảm tốc dộ động cơ Đặc tính cơ được biểu diễn như sau :

ω

M

M c

ω 01

ω 02

HTS

2 Hãm ngược

9

Hãm ngược là một trạng thái máy phát mà roto của động cơ quay ngược với từ trường quay tương ứng với thứ

tự pha của điện áp lưới đặt vào stato

Hãm ngược xảy ra trong các trường hợp sau :

a Đưa thêm điện trở phụ vào mạch roto của động cơ với tải là tải thế năng Đặc tính cơ được biểu diễn như sau

ω

Mω

ω 0

Mω1

a b

c

HN d

b Đổi chiều từ trường quay khi động cơ đang làm việc bằng cách đảo chéo hai trong ba pha của động cơ Đặc tính cơ trong trường hợp này như sau :

Mω

ω

ω 0

ω1

Mω c1

Mω c2

a b

c

d HN

Đoạn bc chính là đoạn hãm ngược của động cơ trong trường hợp này

3 Hãm động năng

Hãm động năng là trạng thái mà động cơ không đồng bộ làm việc như một máy phát điện đồng bộ cực ẩn có tần số biến đổi và được kích từ ở stato Động năng được tích luỹ trong quá trình làm việc trước đó , biến thành điện năng tiêu hao trên điện trở roto dưới dạng nhiệt Trạng thái này xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt nó khỏi lưới điện xoay chiều và đóng vào nguồn một chiều

Căn cứ vào loại nguồn một chiều đưa vào stato người ta chia hãm động năng của động cơ này thành 2 loại : hãm động năng tự kích và kích từ độc lập

- Khi cắt stato ra khỏi lưới điện xoay chiều rồi đóng vào nguồn điện một chiều , dòng một chiều chạy trong stato sinh ra một từ trường đứng yên so với stato , giả sử từ thông Φ có chiều như mũi tên Do có quán tính nên roto của động cơ vẫn quay theo chiều cũ ( chiều trên hình vẽ ) Các thanh dẫn ở roto sẽ cắt từ trường đứng yên nên xuất hiện trong nó một sđđ cảm ứng e2 có chiều được xác định theo qui tắc bàn tay phải Do roto vẫn kín mạch nên e2 sinh ra một dòng điện i2 cùng chiều với sđđ tác dụng tương hỗ giữa i2 với từ trường đứng yên tạo nên một lực F được xác định theo qui tắc bàn tay trái Lực F sinh ra một mô men Mh có chiều quay ngược với roto làm roto quay chậm dần , e2 giảm dần

ω Mωh

F

e2 , i2

Để tiện nghiên cứu ta thay trạng thái MF đồng bộ cực ẩn này bằng trạng thái động cơ KĐB khi stato được đấu vào lưới điện xoay chiều ba pha Nghĩa là ta phải thay dòng một chiều ở stato bằng dòng xoay chiều đẳng trị

I1 với điều kiện là sức từ động do hai dòng điện ấy tạo ra là như nhau Sức từ động xoay chiều do dòng điện đẳng trị sinh ra được xác định theo biểu thức

3

2 W 2

F  I

Sức từ động một chiều do dòng điện một chiều tạo ra phụ thuộc vào cách đấu dây ở mạch stato và được xác định bằng công thức tổng quát

Fmc = a.W1Imc Cân bằng hai biểu thức ta có

1 1

1

W 3 2W 2

a

I  I AI

Trong đó a,A : Hệ số phụ thuộc cách đấu dây mạch stato khi hãm Việc xác định các hệ số này phụ thuộc vào

đồ thị véc tơ sức từ động một chiều của stato

Ta có ví dụ sau đ ây

Theo sơ đồ dưới ta có

0

2 3;

3

W 1

W

1

W

1

I mc

I m c

+

_

R f

30 0

Imcw1

Có một số cách mắc cuộn dây stator để hãm động năng như sau :

11

-I mc

I mc

I mc W 1

I mc W 1

F mc

-I mc

1/2I mc

1/2I mc

1/2I mc

1/2I mc

Imc

F mc

+

-1/3I mc W 1

1/3I mc W 1

2/3I mc W 1

Ta có sơ đồ thay thế của động cơ trong chế độ hãm động năng như sau

Iμ

x2'

xμ

2 /

r 

'f / *

' 2

E

Ở chế độ động cơ không đồng bộ thì điện áp đặt vào stato không thay đổi nghĩa là nguồn stato là nguồn áp , dòng điện từ hoá Iμ và từ thông Φ là không đổi , còn I1 và I2 thay đổi theo độ trượt s

Trong trạng thái hãm động năng kích từ độc lấp vì Imc là không đổi nên coi như dòng đẳng trị I1 cũng không đổi , nguồn stato coi là nguồn dòng Mặt khác tổng trở mạch stato khi hãm phụ thuộc vào tốc độ nên I2 và Iμ đều thay đổi do đó từ thông ở stato thay đổi theo tốc độ roto Nếu quan niệm độ trượt là tốc độ cắt tương đối của thanh dẫn roto với từ trường thi ở trạng thái hãm động năng của nó được biểu diễn bằng tôc độ góc tương đối

* 0









Từ sơ đồ thay thế ta có đồ thị véc tơ dòng điện như sau

1

I

, 2

I

I



' 2

E



2



2



Từ sơ đồ thay thế ta có

'

' 2 2

*

I

R

x









