Chương 15: Đại cương về máy điện không đồng bộ docx

Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha lệch nhau góc 1200 điện đi vào dây quấn ba pha của stato đặt lệch nhau 1200 điện, trong máy sẽ sinh ra m

F

n < n 1

Hình 15-1 Chế độ động cơ điện của máy điện không đồng bộ

F

Phần thứ tư

Máy điện không đồng bộ (KĐB)

Chương 15

đại cương về máy điện không đồng bộ

15-1 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ

Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha lệch nhau góc 1200 điện đi vào dây quấn ba pha của stato đặt lệch nhau 1200 điện, trong máy sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc

độ đồng bộ

p

f

1 60

= , trong đó f1 là tần số dòng điện đưa vào, p số đôi cực của máy

Từ trường này quét qua dây quấn đặt trên lõi sắt rôto và cảm ứng trong dây quấn đó s.đ.đ và dòng điện Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở Dòng điện trong dây quấn rôto tác dụng với từ thông khe

hở này sinh ra mômen điện từ Trị số của mômen điện từ có quan hệ mật thiết với tốc

độ quay n của rôto Với những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau

Để chỉ sự khác nhau giữa tốc độ rôto và tốc độ từ trường quay người ta dùng hệ số trượt s Theo định nghĩa, hệ số trượt s bằng:

100

%

1

1

n

n n

Khi n = 0 thì s = 1; n = n1 thì s = 0; n > n1 thì s < 0 và khi rôto quay ngược chiều

từ trường quay (n < 0) thì s > 1

Sau đây sẽ nghiên cứu chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ trong ba phạm

vi tốc độ khác nhau

15.1.1 Trường hợp rôto quay cùng chiều với từ trường quay nhưng tốc độ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ (0 < n < n1 hay 0 < s < 1)

Giả thiết chiều quay của từ trường tổng Φ1

và của rôto như ở hình 15-1

Do n < n1 nên từ trường đó vẫn quét qua

thanh dẫn theo chiều quay của từ trường và

cảm ứng trong dây quấn rôto s.đ.đ và dòng

điện có chiều xác định theo quy tắc bàn tay

phải (dấu ⊕ trên hình 15-1)

Tác dụng giữa từ trường tổng với dòng

điện trong dây quấn rôto sinh ra lực điện từ F,

chiều của lực điện từ xác định bằng quy tắc

bàn tay trái Lực điện từ sinh ra mômen điện từ

kéo rôto quay theo chiều từ trường quay Điện

năng đưa vào dây quấn stato đã biến thành cơ năng trên trục máy, nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ động cơ điện

n -∞ +∞

1

1

n

n n

s= −

Chế độ làm việc Chế độ hãm Động cơ điện Máy phát điện

0

n1

Hình 15-2 Chế độ máy phát điện

của máy điện không đồng bộ

n 1

n > n 1

F

Hình 15-3 Chế độ hãm điện từ của máy điện không đồng bộ

n 1

F

n

F

Máy chỉ làm việc ở chế độ động cơ điện khi n < n1 vì chỉ khi n < n1 mới có sự chuyển động tương đối giữa từ trường quay và dây quấn rôto, trong dây quấn rôto mới

có dòng điện và sinh ra mômen kéo rôto quay

15.1.2 Trường hợp rôto quay cùng chiều từ trường quay nhưng nhanh hơn tốc

độ đồng bộ (n > n1 hay s < 0)

Dùng động cơ sơ cấp kéo rôto của máy điện không đồng bộ quay cùng chiều từ trường quay nhưng nhanh hơn tốc độ đồng bộ n > n1 (hình 15-2) Lúc đó chiều của từ trường quay quét qua dây quấn của rôto ngược lại so với trường hợp trên S.đ.đ và dòng điện cảm ứng trong dây quấn rôto cũng đổi chiều Mômen điện từ có chiều ngược với chiều của tốc độ và trở thành mômen hãm (xem hình 15-2) Máy điện không đồng

bộ đã biến cơ năng thành điện năng cung cấp cho mạng, nghĩa là máy làm việc ở chế

độ phát điện

15.1.3 Trường hợp rôto quay ngược chiều từ trường quay (n < 0 hay s >1)

Vì nguyên nhân nào đó, rôto quay ngược chiều từ trường quay (hình 15-3) thì lúc

đó s.đ.đ, dòng điện và mômen điện từ có chiều giống như ở chế độ động cơ điện Vì mômen sinh ra ngược với chiều quay của rôto nên có tác dụng hãm cho rôto đứng lại Trong trường hợp này máy vừa lấy điện năng từ lưới điện vào, vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp Chế độ làm việc như vậy gọi là chế độ hãm điện từ Tóm lại có thể biểu thị các chế độ làm việc theo phạm vi tốc độ và hệ số trượt như sau:

Vì máy điện làm việc ở những tốc độ khác tốc độ của từ trường quay nên gọi là máy điện không đồng bộ

b) c) Hình 15-4 Lõi thép stato: a) lá thép hình vành khăn;

b) lá thép hình rẻ quạt; c) mạch từ stato a)

15-2 Phân loại và kết cấu của máy điện không đồng bộ

15.2.1 Phân loại

Theo kết cấu của vỏ, máy điện không đồng bộ có thể chia thành các kiểu chính sau: kiểu kín, kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu chống nổ v.v…

Theo kết cấu của rôto, máy điện không đồng bộ chia làm hai loại: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc

Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia thành các loại một pha, hai pha và ba pha

15.2.2 Kết cấu

Giống như các máy điện quay khác, máy điện không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau:

1 Phần tĩnh (hay stato)

Trên stato có lõi sắt, dây quấn và vỏ máy

a Lõi sắt

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao do dòng điện xoáy (dòng Phucô), lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật

điện dày 0,35 mm ữ 0,5 mm, trên bề mặt có phủ sơn cách điện Khi đường kính ngoài

lõi sắt nhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấm tròn, dập theo dạng như ở hình 15-4a rồi ép lại

thành hình trụ rỗng, bên trong hình thành các rãnh để đặt dây quấn (hình 15-4c) Khi

đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 15-4b) ghép lại thành khối tròn

Nếu lõi sắt dài quá thì thường ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp dài từ 6 đến 8

cm, đặt cách nhau 1 cm để thông gió cho tốt

b Dây quấn

Dây quấn stato được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt (hình 15-5) Kiểu dây quấn, hình dạng và cách bố trí dây quấn đã được trình bày ở phần thứ ba (Chương 13) Dây quấn làm bằng đồng

1

2

3

4

Hình 15-5 Stato của máy điện KĐB

1 - Vỏ máy; 2 - Mạch từ; 3 - Dây quấn; 4 - Chân đế

Hình 15-6 Lá thép rôto của máy điện KĐB

c Vỏ máy

Vỏ máy gồm thân máy, nắp máy và chân đế Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn (hình 15-5), không dùng làm mạch dẫn từ Thường vỏ máy làm bằng gang

Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000 kW) thường dùng thép tấm cuốn và hàn

lại thành vỏ Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau

2 Phần quay hay rôto

Phần này gồm có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn

a Lõi sắt

Nói chung lõi sắt rôto cũng được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, được dập như hình 15-6a để sau khi ghép lại mặt ngoài hình thành các rãnh là nơi đặt dây quấn rôto,

ở giữa có lỗ để ghép trục Trên thực tế tổn hao sắt trong lõi sắt rôto khi máy làm việc rất bé nên không cần dùng thép kỹ thuật điện Nhưng để lợi dụng phần thép kỹ thuật

điện sau khi đập lõi sắt stato (hình 15-6b), thường người ta ép làm lõi sắt rôto luôn Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy

R

Vòng trượt Chổi than

Dây quấn rôto

Hình 15-7 Rôto (a) và sơ đồ mạch điện (b) của rôto dây quấn

b Dây quấn rôto

Dây quấn rôto của máy điện KĐB phân làm hai loại chính: loại rôto kiểu dây quấn

và loại rôto kiểu lồng sóc

- Loại rôto kiểu dây quấn: Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato Trong các

máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của rôto thường đấu hình sao, còn

ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục (hình 15-7a), tì lên ba vành trượt là ba chổi than để đấu dây quấn rôto với mạch

điện bên ngoài (hình 15-7b) Đặc điểm của loại động cơ điện rôto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than để đưa điện trở phụ hay s.đ.đ phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch

- Loại rôto kiểu lồng sóc: Kết cấu của

kiểu dây quấn này rất khác với dây quấn

stato Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto đặt

vào thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm dài ra

khỏi lõi sắt, các thanh dẫn được nối tắt lại

với nhau ở hai đầu bằng hai vành ngắn

mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một

cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc

(hình 15-8) Cũng chính vì vậy mà rôto loại

này còn có tên gọi là rôto ngắn mạch Dây

quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi

sắt (hình 15-9)

Để cải thiện tính năng mở máy, trong

các máy có công suất tương đối lớn, rãnh

rôto có thể làm rãnh sâu hoặc làm thành hai

rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép

(hình 15-10) Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh

rôto thường được làm chéo đi một góc so

với tâm trục (hình 15-9) Hình 15-8 Dây quấn rôto lồng sóc

Hình 15-10 Những kiểu rãnh đặc biệt của rôto lồng sóc: a) rãnh sâu; b) rãnh hai lồng sóc thanh dẫn bằng đồng; c) rãnh hai lồng sóc thanh dẫn đúc nhôm

c)

Hình 15-9

Rôto lồng sóc rãnh chéo

Hình 15-11 Động cơ không đồng bộ 3 pha

a) Hình dáng bên ngoài; b) Cấu tạo bên trong

3 Khe hở

Vì rôto là khối tròn nên giữa rôto và stato có khe hở rất đều Khe hở trong máy

điện không đồng bộ rất nhỏ (khoảng từ 0,2 mm đến 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và

vừa) để hạn chế dòng điện từ hoá lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

Hình dáng bên ngoài và cấu tạo của một động cơ không đồng bộ 3 pha được chỉ ra như ở hình 15-11

15-3 Các đại lượng định mức của máy điện KĐB

Các đại lượng định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy, do các nhà thiết

kế và chế tạo quy định và được ghi trên nhãn máy Vì máy điện không đồng bộ chủ

yếu làm việc ở chế độ động cơ nên trên nhãn máy ghi các trị số định mức của động cơ

điện khi tải của máy là định mức Các trị số đó bao gồm:

1 Công suất định mức ở đầu trục P đm (W, kW) Đây là công suất cơ, nói lên khả

năng sinh công của động cơ Ngoài đơn vị tính là W, kW còn tính bằng sức ngựa HP 1HP = 0,736 kW

2 Điện áp dây định mức U đm (V)

3 Dòng điện dây định mức I đm (A) Đây là dòng điện dây của cuộn dây stato lấy từ

nguồn điện khi điện áp đặt vào động cơ là định mức và trục động cơ kéo phụ tải định mức

4 Tốc độ định mức n đm (vòng/phút) Đây là tốc độ quay của rôto khi điện áp đặt

vào là định mức và mômen cản trên trục động cơ là định mức

5 Tần số nguồn định mức f đm (Hz)

6 Hiệu suất định mức ηđm, là tỷ số giữa công suất cơ trên trục động cơ và công suất

điện mà động cơ tiêu thụ khi phụ tải định mức:

dm

dm dm

P

P

1

=

η

Từ hiệu suất định mức ta tìm được công suất định mức mà động cơ tiêu thụ từ lưới:

dm dm dm dm

I U

P

= dm 1dm

và mômen quay định mức ở đầu trục:

KGm ph v n

W P P

M

dm

) ( 975 , 0 81 , 9

1

dm

ω

trong đó

60

.

2 dm

dm

n π

ω = là tốc độ quay tính bằng rad/s

7 hệ số công suất định mức cosϕđm

Ngoài ra trên nhãn máy còn ghi cách đấu dây Y hay ∆, kiểu máy, độ tăng nhiệt độ

15-4 Công dụng của máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ

điện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ

điện không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành của nền kinh

tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilôwats

Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ v.v… Trong hầm mỏ dùng làm tời hay quạt gió Trong nông nghiệp dùng

để làm máy bơm hay máy gia công chế biến nông sản Trong đời sống hàng ngày máy

điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm vị trí quan trọng như: quạt gió, máy quay đĩa,

động cơ trong tủ lạnh v.v… Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá,

tự động hoá và sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi

Tuy vậy, máy điện không đồng bộ có những nhược điểm như: cosφ của máy thường không cao lắm và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt lắm nên ứng dụng của máy điện không đồng bộ có phần hạn chế

Máy điện không đồng bộ có thể dùng làm máy phát điện nhưng đặc tính không tốt

so với máy điện đồng bộ, nên chỉ trong một vài trường hợp nào đó (như trong quá trình

điện khí hoá nông thôn) cần nguồn điện phụ hay tạm thời thì nó cũng có một ý nghĩa quan trọng

Câu hỏi

1 Một động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn, dây quấn stato ngắn mạch Cho dòng điện xoay chiều 3 pha tần số f1 vào dây quấn rôto, từ trường quay so với rôto quay với tốc độ n1 theo chiều kim đồng hồ Hỏi lúc đó rôto quay theo chiều nào? Tính toán hệ số trượt s như thế nào? Khi s = 0 thì tốc độ bằng bao nhiêu?

2 Tại sao máy điện không đồng bộ là loại máy điện được dùng rộng rãi nhất?

3 Máy điện không đồng bộ thường chia thành những loại nào? Đặc điểm của từng loại?