GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN II - PHẦN IV MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ - CHƯƠNG 3 pdf

77 CHƯƠNG III: MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ § 3.1. QUÁ TRÌNH MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Quá trình mở máy động cơ điện là quá trình đưa tốc độ động cơ từ n = 0 ÷ n đm khi n tăng thì phương trình cân bằng động về moment như sau: M Đ – M C = M đl = dt d J ω Trong đó: M Đ , M C , M đl : moment điện từ của động cơ, moment cản, moment quán tính. 49 DG J 2 . = : hằng số quán tính g = 9,81m/s 2 : gia tốc trọng trường. G: khối lượng phần quay. D: đường kính phần quay. ω : tốc độ góc của rotor. Để tốc độ của động cơ tăng thuận lợi thì M Đ > M c 0 dt d > ω → Khi bắt đầu mở máy s = 1: Dòng điện mở máy I mm : () () đm đm ' I74 XRR U I 2 n 2 21 pha1 mm ÷= ++ = Trong đó: U 1phm : Điện áp pha đònh mức đặt vào dây quấn stator. Trên thực tế, mạch từ tản của máy bão hoà nhanh X giảm → I mm còn lớn hơn nhiều so với trò số tính theo công thức trên. § 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP MỞ MÁY Các yêu cầu khi mở máy: + M mm phải đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải. + I mm phải được hạn chế đến mức thấp nhất. + Thời gian mở máy nhanh. + Phương pháp và thiết bò mở máy phải đơn giản, vận hành chắc chắn. + Tổn hao công suất trong quá trình mở máy thấp. 1. Mở máy trực tiếp động cơ rotor lồng sóc Dòng điện mở máy lớn, chỉ dùng cho các máy có công suất nhỏ. Nếu máy có công suất lớn thì dùng trong lưới điện có công suất lớn. Phương pháp này mở máy nhanh, đơn giản. 2. Phương pháp hạ điện áp mở máy: Chỉ dùng với các thiết bò yêu cầu moment mở máy nhỏ. H ình 3.1 Mở máy trực tiếp đo ä ng cơ điện KĐB 3 pha rotor lồng sóc 78 a) Dùng cuộn kháng bão hoà trong mạch stator: Khi mở máy đóng D 1 , D 2 mở: Khi đm nn ≈ đóng D 2 . - Lúc mở máy trực tiếp: n 2 n mm Z U x U I đm 2 n đm R = + = 1 2 2 mm1 mm rIm M ω = ' - Lúc mở máy có cuộn kháng (điện kháng x k ): () 2 kn mmk xx U I ++ = 2 n đm R 1 2 2 mmk1 mmk rIm M ω = ' Từ đó ta có: () 1k xxR xR I I 2 kn 2 n 2 n 2 n mm mmk <= ++ + = () 2 2 kn 2 n 2 n 2 n mm mmk k xxR xR M M = ++ + =⇒ Theo phương pháp này I mm giảm k lần thì M mm giảm k 2 lần. Phương pháp chỉ được dùng trong các trường hợp mà vấn đề trò số M mm không có ý nghóa quan trọng. b) Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy: Khi mở máy đóng D 1 và D 3 , khi đm nn ≈ đóng D 2 , ngắt D 3 . Gọi: - U 1 , I 1 : là điện áp và dòng điện của lưới. - U’ mm , I’ mm : điện áp trên cực động cơ và dòng điện stator của động cơ khi mở máy. - k T : là tỉ số biến áp (k T < 1). 1 mm mm 1 2 1 T I I U U w w k ' ' === - Z n : tổng trở ngắn mạch của một pha động cơ. T 1 mm k U U = ' T1 n mm mm kI Z U I . ' ' == T mm 1 k I I ' = 2 Tn 1 Tn mm 1 kZ U kZ U I . . ' == H ình 3.2 Hạ điện áp mở máy bằng điện kháng H ình 3.3 Hạ điện áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu 79 Như vậy, khi mở máy bằng biến áp tự ngẫu dòng điện từ lưới vào sơ cấp máy biến áp giảm đi 2 T k so với I mm khi nối trực tiếp và moment mở máy giảm 2 T k lần so với M mm trực tiếp. c) Phương pháp đổi nối Y - Δ : Chỉ sử dụng với động cơ có 2 cấp điện áp 220/380 và làm việc bình thường ở cấp điện áp 220V. Cách mở máy: Đóng cầu dao đổi nối D 2 về vò trí mở máy (Y). Đóng D 1 khi đm nn ≈ đổi D 2 sang vò trí làm việc. Gọi: - U L : là điện áp dây của lưới. - U fY , Δf U : điện áp pha khi dây quấn nối Y, Δ . - I mmLY , ΔmmL I : dòng điện dây mở máy trong lưới khi đấu Y, Δ - I mmfĐY , ΔmmfĐ I : dòng điện pha mở máy trong dây quấn stator khi nối Y, Δ . - Z n : tổng trở ngắn mạch một pha. ¾ Nếu đóng động cơ điện vào lưới khi đấu Y: n L n fY mmLY Z3 U Z U II . mmfĐY === ¾ Nếu đóng động cơ vào lưới khi đấu Δ : n L n f Z U Z U I == Δ Δ ImmfĐ Và n L mmL Z U3 I3I . . mmfĐ == ΔΔ Lập: 3 1 U3 Z Z3 U I I L n n L mmL mmLY == Δ . . . Dòng điện mở máy trong lưới khi nối Y nhỏ hơn khi nối Δ 3 lần. M mm cũng giảm đi 3 lần: 3 U UM 2 L 2 YmmY =≡ . Trong khi 2 L 2 mm UUM =≡ ΔΔ . 3. Thêm R f vào dây quấn rotor Chỉ áp dụng với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn nếu M c > M Đ mà động cơ sinh ra khi s = 1 thì động cơ không thể khởi động được. Ta phải đóng R f vào để khi mở máy M mmmax cần phải chọn 2 2 n 2 1f RxRR −+= . Quá trình mở máy ứng với các R f như hình vẽ 3.5. H ình 3.4 Mở máy bằng phương pháp sao tam giác H ình 3.5 Đặc tính moment ứng với các điện trở phụ khác nhau trong mạch rotor 80 § 3.3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Người ta phân biệt các phương pháp điều chỉnh tốc độ theo cách tác động vào động cơ:  Từ phía stator: Thay đổi điện áp U 1 , tần số f, số đôi cực p.  Từ phía rotor: Thay đổi điện trở trong mạch rotor, đưa vào mạch rotor một s.đ.đ phụ có cùng tần số với s.đ.đ chính của rotor. 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực p: Tốc độ quay đồng bộ p f60 n 1 1 = nếu f 1 đã cho thì khi p thay đổi → n 1 thay đổi → thay đổi. n = n 1 (1-s) Sơ đồ nguyên tắc đổi số đôi cực: Có thể đổi nối số đôi cực stator bằng cách sau:  Đặt vào stator một dây quấn và thay đổi số cực bằng cách đổi nối tương ứng các phần của nó, chỉ dùng với động cơ có 2 cấp tốc độ có tỉ số biến tốc 2 : 1.  Chế tạo 2 dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, chỉ dùng với động cơ có tỉ số biến tốc 4/3 hoặc 6/5.  Chế tạo 2 dây quấn độc lập trên stator, mỗi bộ dây lại có đổi nối các cực. Ví dụ: Muốn cho động cơ có 4 cấp tốc độ quay đồng bộ quay đồng bộ 1500, 1000, 750, 500vòng/1 phút thì trên stator có thể đặt 2 dây quấn: một dây quấn có số cực là 2p = 4 và 2p = 8, còn một dây quấn có số cực là 2p = 6 và 2p = 12. H ình 3.6 Sơ đồ nguyên lý về thay đổi số đôi cực 81 Sơ đồ ra dây được biểu diễn như sau: Tốc độ Sơ đồ Liên kết Nhanh Δ Nguồn vào T 4 ; T 5 ; T 6 Chậm Y//Y Nguồn vào T 1 ; T 2 ; T 3 Nối tắt T 4 – T 5 – T 6 Tốc độ Sơ đồ Liên kết Nhanh Y//Y Nguồn vào T 4 ; T 5 ; T 6 Nối tắt T 1 – T 2 – T 3 Chậm Δ Nguồn vào T 1 , T 2 , T 3 Tốc độ Sơ đồ Liên kết Nhanh Y//Y Nguồn vào T 4 ; T 5 ; T 6 Nối tắt T 1 – T 2 – T 3 Chậm Y Nguồn vào T 1 ; T 2 ; T 3 H ình 3.7 Sơ đồ ra dây, động cơ hai cấp tốc độ, loại moment không đổi (M = const) H ình 3.8 Sơ đồ ra dây, động cơ hai cấp tốc độ, loại công suất không đổi (P = const) H ình 3.9 Sơ đồ ra dây, động cơ hai cấp tốc độ, loại moment và công suấ t thay đổi (M,P =var). 82 Nếu động cơ rotor dây quấn phải đổi nối số đôi cực đồng thời trên cả stator và rotor, điều này hơi phức tạp nên các động cơ có đổi nối số đôi cực p thường là rotor lồng sóc. Cách đổi nối trên hình 3.6a, b gọi là đổi nối nối tiếp, còn cách đổi nối trên hình 3.6c gọi là đổi nối song song. Phương pháp đấu giữa các pha để đổi cực: Tuỳ theo cách đấu Y hay Δ và cách đấu dây quấn pha song song hay nối tiếp mà người ta chế tạo động cơ điện hai tốc độ thành hai loại: M = const và P = const. Khảo sát lần lượt từng sơ đồ đổi tốc độ ta rút ra các nhận xét để vận hành cũng như tính toán sửa chữa; để đơn giản khi khảo sát ta đặt: U d : Điện áp dây nguồn cung cấp cho động cơ. I : Dòng điện cho phép đi qua dây dẫn của mỗi pha dây quấn (tương ứng với một giá trò mật độ dòng điện chọn cho dây dẫn). th η : Hiệu suất động cơ vận hành tại tốc độ thấp (ứng với 2p 2 ). c η : Hiệu suất động cơ vận hành tại tốc độ cao (ứng với 2p 1 ). th ϕcos : Hệ số công suất động cơ tại tốc độ thấp. c ϕcos : Hệ số công suất động cơ tại tốc độ cao. a) Trường hợp thay đổi tốc độ (M = const). + Khi vận hành ở tốc độ cao ta có mạch điện đấu Y//Y. + Điện áp mỗi pha dây quấn: 3 U U d pha = + Dòng điện mỗi pha (một pha có hai nhánh) là 2I. + Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ cao là P c ; ta có: cc d c I2 3 U 3P ϕη ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = cos.)( Vậy : ccdc IU32P ϕη= cos.).( - Khi vận hành tốc độ thấp, ta có mạch điện đấu Δ . - Điện áp mỗi pha dây quấn là: U pha = U d (3-1) 83 - Dòng điện qua mỗi pha là I. - Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ thấp là P th , ta có: ththdth IU3P ϕ η= cos.))(( Vậy : ththdth IU3P ϕ η= cos.).( Lập tỉ số giữa (3-2) và (3-1) ta có: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ϕη ϕη = ϕη ϕη = cc thth ccd ththd c th 2 3 IU32 IU3 P P cos. cos. . cos.).( cos.).( Hay : ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = cc thth c th P P ϕη ϕη cos. cos. .866,0 Gọi M c là moment động cơ ở tốc độ cao. Gọi M th là moment động cơ ở tốc độ thấp. Ta suy ra: c c c n2 P M Π = (3-4) th th th n2 P M Π = Trong đó n c = 2n th Vậy : c th th c c th c th P P 2 n n P P M M == . Tóm lại: Theo một số tài liệu thiết kế máy điện cho động cơ 2 cấp tốc độ tỉ số biến tốc 2/1 ta có được: 70 cc thth , cos. cos. ≈ ϕη ϕη Thay (3-8) vào (3-3) và (3-7) ta suy ra: (3-2) (3-3) (3-5) (3-6) (3-7) (3-8) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ϕη ϕη = cc thth c th 3 M M cos. cos. . 84 2160 P P c th , M M và , c th ≈≈ TÓM LẠI: Với sơ đồ đấu đổi tốc độ, dạng Y//Y (tốc độ nhanh) và Δ (tốc độ chậm) khi thay đổi tốc độ:  Tại tốc độ thấp công suất đạt khoảng 0,6 lần công suất khi vận hành tại tốc độ cao.  Tại tốc độ thấp moment đạt khoảng 1,2 lần moment khi vận hành tại tốc độ cao (trong kỹ thuật ta có thể xem như moment không đổi). b) Trường hợp thay đổi tốc độ (P = const). + Khi vận hành ở tốc độ cao ta có mạch điện đấu Δ . + Điện áp mỗi pha dây quấn: dpha UU = + Dòng điện mỗi pha là I. + Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ cao là P c ; ta có: - Khi vận hành tốc độ thấp, ta có mạch điện đấu Y//Y. - Điện áp mỗi pha dây quấn là: 3 U U d pha = - Dòng điện qua mỗi pha là 2I (mỗi pha có 2 nhánh song song). - Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ thấp là P th : thth d th I2 3 U 3P ϕη ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = cos.)( Vậy : Lập tỉ số giữa (3-10) và (3-9), ta suy ra: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ϕη ϕη = ϕη ϕη = cc thth ccd ththd c th 3 3 2 IU3 IU32 P P cos. cos. . cos.).( cos.).( Suy ra : (3-9) (3-10) (3-12) (3-11) ccdc IU3P ϕ η = cos.))(( ththdth IU32P ϕη= cos.).( ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ϕη ϕη = cc thth c th 151 P P cos. cos. ., 85 Theo (3-6) và (3-12) ta có: Thay (3-8) vào (3-12) và (3-13) suy ra: 6180 P P c th , M M và , c th ≈≈ TÓM LẠI: Với sơ đồ đấu đổi tốc độ dạng đấu Δ (tốc độ nhanh), Y//Y (tốc độ chậm) khi thay đổi tốc độ:  Tại tốc độ thấp công suất bằng 0,8 lần công suất khi vận hành tại tốc độ cao (trường hợp này, trong kỹ thuật xem như công suất không đổi).  Tại tốc độ thấp moment gấp 1,6 lần moment khi vận hành tại tốc độ cao. c) Trường hợp thay đổi tốc độ, moment và công suất thay đổi (M, P = var). + Khi vận hành ở tốc độ cao ta có mạch điện đấu Y//Y. + Điện áp mỗi pha dây quấn: 3 U U d pha = + Dòng điện mỗi pha là 2I (một pha có hai nhánh song song). + Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ cao là P c ; ta có: cc d c I2 3 U 3P ϕη ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = cos.)( Vậy : ccdc IU32P ϕη= cos.).( - Khi vận hành ở tốc độ thấp, ta có mạch điện đấu Y nối tiếp. - Điện áp mỗi pha dây quấn là: 3 U U d pha = - Dòng điện qua mỗi pha là I. - Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ thấp là P th , ta có: thth d th I 3 U 3P ϕη ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = cos.)( (3-13) (3-14) (3-15) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ϕη ϕη = cc thth c th 32 M M cos. cos. ., 86 Hay : ththdth IUP ϕη cos.).(3= Lập tỉ số giữa (3-14) và (3-15) ta có: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ == cc thth ccd ththd c th IU IU P P ϕη ϕη ϕη ϕη cos. cos. .5,0 cos.).(32 cos.).(3 Suy ra: Thay (3-8) vào (3-16) và (3-17) ta có: 70350 P P c th , M M và , c th ≈≈ TÓM LẠI: Với sơ đồ đấu đổi tốc độ, dạng Y//Y (tốc độ nhanh) và Y (tốc độ chậm) khi thay đổi tốc độ:  Tại tốc độ thấp, công suất đạt khoảng 0,35 lần công suất khi vận hành tại tốc độ cao.  Tại tốc độ thấp moment đạt khoảng 0,7 lần moment khi vận hành tại tốc độ cao. 2. Thay đổi tần số: Ta đã biết: () () s1 p f60 s1nn 1 −=−= M.P Kôxtenkô đã nghiên cứu vấn đề này và chứng minh rằng: Nếu ta muốn cho động cơ làm việc ở những tần số khác nhau với các trò số hiệu suất, hệ số công suất, k M … không đổi, thì khi mạch từ không bão hoà, đồng thời với việc biến thiên tần số ta phải điều chỉnh U 1 theo f và M theo qui luật sau: M M f f U U 1 1 1 1 ' '' = (1) Ở đây: U’ 1 , M’ là điện áp và moment ứng với f’ 1 . U 1 , M là điện áp và moment ứng với f 1 . Khi M = const: const f U f f U U 1 1 1 1 1 1 =⇒= '' Tức là điện áp đặt vào động cơ phải tỉ lệ thuận với f. Khi P = const: Thì moment của động cơ biến thiên tỉ lệ nghòch với n: 1 f 1 M n 1 M ≡⇒≡ (3-17) (3-16) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = cc thth c th M M ϕη ϕη cos. cos. [...]... cách hạ điện áp mở máy, ta có: s' = 1 s X2 88 ⇒ X2 = ⇒X= ⇒ U' = s 0,01 1 = = s' 0 ,3 30 1 30 1 1 U đm = U đm = 0,183U đm X 30 Câu hỏi: 1 Tại sao khi thêm điện trở phụ vào mạch rotor thì có thể cải thiện được đặc tính mở máy của động cơ điện không đồng bộ rotor dây quấn? Nếu thêm điện kháng vào thì đặc tính mở máy có bò ảnh hưởng không? 2 Tóm tắt các phương pháp mở máy động cơ không đồng bộ và so sánh ưu... P2 giảm ⇒ η giảm f Hình 3. 12 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch rotor Thí dụ: Cho một động cơ điện KĐB 3 pha rotor dây quấn p = 2; f = 50Hz; r2 = 0,02 Ω ; n = 1485vòng/phút Nếu moment tải không đổi, muốn có n = 1050vòng/phút thì phải thêm điện trở phụ vào rotor là bao nhiêu?Nếu thay đổi điện áp đặt vào dây quấn stator để có được tốc độ nói trên (không có điện trở phụ vào rotor)... một điện áp là bao nhiêu? ĐS: rf = 0,58 Ω ; U’= 0 ,31 6m Giải: 1 Tốc độ đồng bộ: n 1 = 60f 60.50 = = 1500vg / phút p 2 Hệ số trượt đònh mức: s đm = n 1 − n 1500 − 1485 = = 0,01 n1 1500 Khi n’ = 1050vg/phút ta có: s= n 1 − n' 1500 − 1050 = = 0 ,3 n1 1500 Khi mắc thêm điện trở phụ: r2 r' 2 + rf = s s' r s'− r2 s r2 (s'−s) 0,02(0 ,3 − 0,01) ⇒ rf = 2 = = = 0,58Ω s s 0,01 Để đạt n’ = 1050vg/phút bằng cách hạ điện. .. cơ không đồng bộ và so sánh ưu nhược điểm của mỗi phương pháp 3 Trong động cơ điện rotor dây quấn, nếu nối điện kháng vào mạch điện rotor thì có thể điều chỉnh tốc độ được không, lúc đó đặc tính cơ thay đổi như thế nào?Mmm, Mmax, sm, sđm, hiệu suất, cos ϕ thay đổi như thế nào? 4 Tóm tắt các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, so sánh ưu khuyết điểm và phạm vi ứng dụng của từng phương... 2 ⇒ 1 = 2 ⇒ 21 = const M f1 U1 f1 f1 Điện áp đặt vào động cơ phải tỉ lệ thuận với bình phương f 3 Thay đổi điện áp đặt vào dây quấn stator U1: Hình 3. 11 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp Giả thiết đường 1 ứng với U = m, Mc = const Nếu U1 giảm x lần: U1 = xm (x < 1) thì M giảm x2 lần: M = x2Mđm vì Mc = const ⇒ n giảm ⇒ tăng từ sa → sb → sc Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn stator: U 1... r' 2 1 2 = ; Pđt = M 1ω1 = const → s' = 2 s Pđt M 1ω1 x (vì M = const, ω1 = const) Tốc độ quay của rotor: 1 ⎞ ⎛ n = n 1 (1 − s') = n 1 ⎜1 − 2 s ⎟ ⎝ x ⎠ 4 Thêm điện trở phụ Rf vào mạch của rotor (đối với rotor dây quấn): Hiện tượng vật lý của quá trình xảy ra khi điều chỉnh tốc độ: Đưa Rf vào n chưa thay đổi kòp ⇒ I2 giảm ⇒ M = c M I 2 Φ cos ψ 2 giảm ⇒ Mđl < 0 ⇒ n giảm ⇒ s tăng ⇒ E2s = sE2 tăng ⇒ tăng . 70 cc thth , cos. cos. ≈ ϕη ϕη Thay ( 3- 8 ) vào ( 3- 3 ) và ( 3- 7 ) ta suy ra: ( 3- 2 ) ( 3- 3 ) ( 3- 5 ) ( 3- 6 ) ( 3- 7 ) ( 3- 8 ) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ϕη ϕη = cc thth c th 3 M M cos. cos. . 84 2160 P P c th , M M . ( 3- 9 ) ( 3- 1 0) ( 3- 1 2) ( 3- 1 1) ccdc IU3P ϕ η = cos.))(( ththdth IU32P ϕη= cos.).( ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ϕη ϕη = cc thth c th 151 P P cos. cos. ., 85 Theo ( 3- 6 ) và ( 3- 1 2) ta có: Thay ( 3- 8 ) vào. 77 CHƯƠNG III: MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ § 3. 1. QUÁ TRÌNH MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Quá trình mở máy động cơ điện là quá trình đưa tốc độ động cơ từ n