CHƯƠNG 2 vận HÀNH máy điện KHÔNG ĐỒNG bộ

CHƯƠNG 2: VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ  Khởi động động cơ không đồng bộ  Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ  Động cơ không đồng bộ dùng hiệu ứng mặt ngoài  Máy phát điện không đồng bộ  Các chế độ hãm  Động cơ không đồng bộ một pha §1. KHÁI NIỆM CHUNG 1. Khởi động động cơ không đồng bộ • Phương trình mô men: dω M − Mc = J dt • Dòng điện khởi động: Ik = U1 (R 1 + R′2 )2 + (X 1 + X′2 )2 Ik = (4 - 7)Iđm khi Uk = Uđm • Mô men khởi động: m 1pU12R′2 Mk = 2 πf 1 (R 1 + R′2 )2 + (X 1 + X′2 )2  2. Các yêu cầu khi khởi động  Mk càng lớn càng tốt  Ik càng nhỏ càng tốt  tk nhỏ  Thiết bị khởi động đơn giản, làm việc tin cậy, tiêu thụ ít năng lượng §2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG 1. Khởi động trực tiếp • Ưu điểm - Thiết bị khởi động đơn giản - Mô men khởi động Mk lớn - Thời gian khởi động tk nhỏ • Nhược điểm: U1 CD ĐC - Dòng điện khởi động Ik lớn • Ứng dụng: - Dùng để khởi động các động cơ có công suất nhỏ 2. Khởi động bằng cách giảm điện áp a. Dùng cuộn kháng • Đóng CD1, mở CD2 U1 • Khi tốc độ động cơ ổn định, CD1 đóng CD2 CD2 K • Uk = kUđm (k < 1) • Ik giảm k lần • Mk giảm k lần 2 IM Ví dụ: Một động cơ điện không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc có: Pđm= 55kW, f = 50Hz, Uđm = 2300V nối Y, Iđm = 20A, 2p = 2, n = 2880 vg/ph. Giả thiết góc pha của tổng trở vào một pha khi roto đứng yên là 75o. Động cơ có mI = 7 và mK = 1.25. Tính điện kháng của cuộn dây mắc nối tiếp vào mạch stato để dòng điện khởi động bằng 3.5 lần dòng điện định mức biết Rcd = 0; tính điện áp đặt vào động cơ và mô men khởi động khi cuộn dây được nối nối tiếp với động cơ. Dòng điện khởi động I k = m I × Idm = 7 × 20 = 140A Tổng trở của động cơ khi roto đứng yên: U1 2300 zv = = = 9.485∠75o Ω = (2.45 + j9.16)Ω Ik 3 × 140 Khi nối thêm cuộn dây, tổng trở toàn mạch là: z vt = [2.45 + j(X cd + 9.16)]Ω Dòng điện khởi động khi dùng cuộn kháng: I′k = 20 × 3.5 = 70A Như vậy: U fdm I′k = = z vt 2300 2.452 + (X cd + 9.16)2 = 70 Điện kháng của cuộn dây là: X cd = 23.6Ω Điện áp đặt vào động cơ khi khởi động là: U k = I k × z v = 70 × 9.485 = 663.9V Mô men khởi động của động cơ: 2 2   M k 1.5M dm U1 2300   = = = = 12 ÷ ÷ M′k M′k  U k   663.9  M′k = 1.5M dm = 0.125M dm 12 b. Khởi động nhờ MBA tự ngẫu • Đóng CD1 và CD3, mở U1 CD2 • Khi tốc độ động cơ ổn định, đóng CD2 và mở CD1 CD2 TN CD3 • Uk = kUđm • Ik giảm k2 lần • Mk giảm k2 lần CD3 IM Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc có Pdm = 40kW, 50Hz, 440V, 2p = 6, n = 940 vg/ph cosϕ = 0.89, η = 0.91, mI = 5, mk = 1.7. Tính hệ số trượt định mức; Mđm; Mk; điện áp thứ cấp của MBA tự ngẫu dùng để khởi động sao cho dòng điện khởi động bằng 200% dòng điện định mức; dòng điện sơ cấp của MBA Tốc độ đồng bộ: 60f 60 × 50 n1 = = = 1000vg / ph p 3 Hệ số trượt định mức: sdm n1 − n 1000 − 980 = = = 0.02 n1 1000 Mô men định mức: M dm Pdm 40 × 10 3 × 60 = = = 389.7Nm ω 980 × 2 π Mô men khởi động: M k = m k M dm = 1.7 × 389.7 = 662.6Nm Dòng điện định mức: Pdm 40 × 10 3 Idm = = = 64.8A 3Udm ηcosϕ 3 × 440 × 0.91 × 0.89 Dòng điện khởi động khi dùng MBA tự ngẫu: I′k = 2Idm = 2 × 64.8 = 129.6A Dòng điện khởi động khi khởi động trực tiếp: I k = m I × Idm = 5 × 64.8 = 324A Điện áp thứ cấp của MBA: I′k 129 U 2 = Udm = × 440 = 175.2V Ik 324 Dòng điện sơ cấp của MBA: U2 175.2 I1 = I′k = × 129.6 = 51.6A Udm 440 c. Đổi nối tam giác - sao U1 • Đóng CD1, CD2 đóng sang vị trí Y. CD1 • Khi tốc độ động cơ ổn định, đóng CD2 sang phía ∆. • Uk = √3Uđm • Ik giảm 3 lần • Mk giảm 3 lần ÂC ∆ CD2 Y Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc có Pdm = 18kW, 50Hz, 440V, 2p = 6, n = 940 vg/ph, mk = 1.5 được thiết kế để khởi động bằng cách đổi nối ∆-Y. Tổng trở khi roto đứng yên là 3.5∠78oΩ/pha. Tính dòng điện dây và pha khi khởi động bằng các nối Y; dòng điện dây và pha khi khởi động bằng cách nối ∆; mô men khởi động khi nối ∆ và nối Y. Khi nối Y, dòng điện dây bằng dòng điện pha nên: I kY U fdm = = zv 440 = 72.58A 3 × 3.5 Dòng điện pha khởi động nối bằng cách ∆: U fdm 440 I kf∆ = = = 125.7A zv 3.5 Dòng điện dây khi khởi động bằng cách nối ∆: I kd∆ = 3I kf∆ = 3 × 125.7 = 217.74A Mô men định mức của động cơ: 3 Pdm 18 × 10 × 60 M dm = = = 182.86Nm ω 940 × 2 π Mô men khởi động: M k∆ = m k × M dm = 1.5 × 182.86 = 274.3Nm M kY = (1/ 3) × M k∆ = (1/ 3) × 274.3 = 91.43Nm 3. Đưa điện trở vào mạch roto M U1 r2 r2+ rp2 CD r2+ rp2+ rp1 ĐC O K2 1 s rp2 • Ưu điểm : Mk lớn Ik nhỏ. K1 rp1 • Nhược điểm: động cơ có cấu tạo phức tạp, khó bảo dưỡng §3. ĐIỀU CHỈNH n CỦA Đ.C.K.Đ.B 1. Các phương pháp điều chỉnh n 60f1 n = (1 − s)n1 = (1 − s) p Như vậy để điều chỉnh n ta có thể điều chỉnh: • số đôi cực p • tần số f1 • hệ số trượt s  thay đổi điện áp U1  thay đổi điện trở của mạch roto  nối cấp các động cơ 2. Thay đổi số đôi cực p τ τ τ τ τ τ τ τ τ τ  Số đôi cực có thể thay đổi theo tỉ số 2:1. Roto của động cơ phải có cấu tạo lồng sóc  Nối nối tiếp hay song song các phần dây quấn cho phép ta thay đổi p: A1 X1 A2 n thấp A1 X1 X2 A2 n thấp X2 A1 X1 A2 A1 X2 n cao X1 A2 n cao X2  Thay đổi từ nối tam giác nối tiếp tốc độ thấp sang nối Y song song tốc độ cao được thực hiện như sau: A X1 A1 A2 A B C n thấp Pt = 3U1I1ηtcosϕ A2 C n cao Pc = 3U1 (2I1 )ηc cosϕc B Pt η cosϕ t = 0.866 Pc ηc cosϕ c   Mt η cosϕ t = 1.732 Mc ηc cosϕ c Nói chung, cosϕt < cosϕc và ηt < ηc nên: ηtcosϕ = 0.7 ηc cosϕ c Mt = 1.732 × 0.7 = 1.21 M Mc Đặc tính cơ của động cơ ∆ YY khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi p như hình bên. n  Thay đổi từ nối Y song song tốc độ thấp sang nối tam giác nối tiếp tốc độ cao thực hiện như sau: A X1 X2 A1 A2 A C n thấp Pt = 3U1 (2I1 )ηtcosϕ B B C n cao Pc = 3U1I1ηc cosϕ c Pt η cosϕ t = 1.15 = 1.15 × 0.7 = 0.8 ≈ 1 Pc ηc cosϕ c Mt = 2 × 0.7 = 1.6 Mc  Đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh tốc độ M YY ∆ bằng cách thay đổi p như hình bên. n  Thay đổi từ nối Y nối tiếp n thấp sang nối Y song song n caođược thực hiện theo sơ đồ sau: A X1 A2 A1 X2 A B C n thấp Pt = 3U1I1ηtcosϕ C n cao B Pc = 3U1 (2I1 )ηc cosϕ c Pt η cosϕ t = 0.5 = 0.5 × 0.7 = 0.35 Pc ηc cosϕ c Mt = 2 × 0.35 = 0.7 Mc  Đường cong mô men: M YY Y n 3. Thay đổi điện áp U1 • Khi U1 = xUđm (x < 1) thì M = x2Mđm và n giảm từ na tới nb. Với tải định mức E = xEdm n n1 nm Φ = xΦ dm M = C m I′2 Φ  1 I = Idm x b a MC U1 U2 U3 O M 2 ′ ′ m I pCu2 1 1 2 r2 s= = ≈ 2 sdm Mω1 Pdt x s   n = n1  1 − 2 ÷ x   • Để thay đổi U, ta có thể dùng sơ đồ có 3 cặp thyistor nối song song ngược A B C ĐC như hình bên • sm không thay đổi khi U1 thay đổi. Như vậy tốc độ chỉ thay đổi từ n1 tới nm • Phương pháp này chỉ dùng được khi động cơ có tải. Tốc độ khi không tải không thay đổi. 4. Điều chỉnh n bằng cách thay đổi tần số nguồn f1 60f1 n = n1 (1 − s) = (1 − s) p • Từ thông trong khe hở không khí: 1 U  Φ=  ÷ 4.44N1k dq  f  • Do đó, để tránh bão hòa mạch từ làm cho dòng không tải có dạng nhọn đầu, từ thông Φ phải bằng hằng số khi f thay đổi. • Muốn thế, khi f thay đổi, U cũng phải thay đổi sao cho U/f = const. • Mặt khác ta có: U12 M max = C 2 f1 • Do ta muốn động cơ có khả năng quá tải không đổi nên: M′max M max = M′ M M′ M′max U′12 f12 = = 2× 2  M M maxx U1 f1′ U′1 f1′ =  U1 f1 M′ M • Khi Mc = const n U′1 f1′  U1 = const = f1 U1 f1 MC f decreases • Trường hợp Mc tỉ lệ nghịch với f1: M′ f1 ′1 ′ U f 1  = = M f1′ U1 f1 O Mmax • Trường hợp Mc tỉ lệ với bình phương tần số f1 2 2 M′  f1′  U′1  f1′  = ÷  = ÷ M  f1  U1  f1  M • Để tạo ra tần số biến đổi ta có thể dùng sơ đồ: 3 fa Rectifier (ac- dc) Invertor (dc - ac) U f IM • Uđm – điện áp định mức, fđm – tần số định mức và X20 – điện kháng khi roto đứng yên quy đổi về stato. Vậy với tần số f :  f  U= Udm ÷  fdm   f  X′2 =  X′20 ÷  fdm   f  ω1 =  ω1dm ÷  fdm  • Bỏ qua tổng trở roto ta có: fdm   R 2   fdm   sm =  = ÷ ÷s m ,dm ÷  f   X′20   f  M max   f 2 2  Udm   0.5  ÷ 2 f 3 3 0.5U dm   dm  = =    ω1dm X′20  f   f ÷ω1dm   ÷X′20   dm    dm     f 2 2  Udm R′2   ÷ fdm  3    Mk = 2    f    f X′20   f ÷ω1dm  R′2 +  ÷  dm   fdm    • Mô men cực đại Mmax = const. Hệ số trượt sm và Mk giảm khi f tăng. • Khi s nhỏ, R′2 s ? X′2 M nên: Mmax  f  s Udm ÷ fdm   I′2 = R′2 O 2 3 M=  f   f ÷ω1dm  dm  ffđm 1 f=fđm s  f  2 s Udm ÷ 2 f   3 f sUdm   dm  = ÷ ′ R′2 ω1dm  fdm ÷ R  2  • Đặc tính n = f(M) khi điều chỉnh U/f: • Với ω1 < ω1đm, U/f M = const, Mmax = const và động cơ có thể truyền động cho tải có Mc = const. • Với ω1>ω1đm , U < n ω1ω1đm Uđm. Vậy U/f trong vùng này giảm và M giảm tỉ lệ với (U/f)2. Động cớ thể dùng truyền động cho tải có Pt = const Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ ba pha 50Hz có điện áp định mức U1. Hệ số trượt sm = 0.2. Động cơ làm việc với điện áp U2 có tần số 60Hz. Tổng trở của stato có thể bỏ qua. Nếu U2 = U1, tìm bội số dòng điện mở máy và tỉ số Mk/Mmax. Tìm tỉ số U2/U1 sao cho động cơ có cùng giá trị dòng điện khởi động tại tần số 50 và 60Hz. Ta có: R′2 s m1 = 0.2 = X′2 Với tần số định mức fđm = 50Hz và điện áp U1 ta có: U1 I k1 = I′21 = R′22 + X′22 U R′2 M k1 = 2 R′2 + X′22 2 1 M max1 3 0.5U12 = ω1 X′2 Với tần số f = 60Hz và điện áp U2: I k2 = I′22 = U1 6 2  R′ +  ÷ X′2 5 2 2 M k2 2 U R′2 = 2 6 2  2 R′2 +  ÷ X′2 5 2 1 M max2 3 0.5U12 =  6  ω  6  X′  ÷ 1 ÷ 2  5  5 Tỉ số các dòng điện khởi động: I k2 U 2 = I k1 U1 R′22 + X′22 U2 = 2 6  2 U1  2 R′2 +  ÷ X′2 5 2 s m1 +1 2 = 0.838 6  2 s m1 +  ÷ 5 M k2 M k1 2  U2  = ÷ U  1 M max2 M max1 U2 U1  s 2 m1 +1 0.2 + 1 2 = 1× 2 = 0.703 6 6   2 2 s m1 +  ÷ 0.2 +  ÷ 5 5 2  U2  = ÷  U1  2  6  = 0.694  ÷ 5 0.2 2 + 1 2 =1 6  2 0.2 +  ÷ 5 U2 = 1.19 U1 2 5. Thay đổi điện trở mạch roto: • Rđc thay đổi, n thay đổi U1 CD • Trên Rđc xuất hiện tổn IM hao công suất. Rđc • Khi không tải Rđc thay M R2 R2+ Rđc1 R2+Rđc2+Rđc1 đổi nhưng n = const • Do M ≡ Pđt nên: O s s s s s 1 2 3 4 5 s 1 R 2 R 2 + R dc = s sf • s tăng khi tổn hao công suất trên roto tăng. Do vậy ta có thể dùng sơ đồ sau: 3 fa Id + Rcd UC ĐC 1 f= t1 + t1 R C = R = ρR T R − 3 fa Tach n * + n Σ ĐC Id + UC − − Id Σ + 2 1 = T Rcd R α • Từ đặc tính M = f(s) ta thấy trong đoạn M = 0 ÷ 1.1Mđm, đặc tính có dạng tuyến tính. • Như vậy khi s < 0.03 ta có các công thức gần đúng sau: I′2 ,s[...]... (U/f )2 Động cớ thể dùng truyền động cho tải có Pt = const Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ ba pha 50Hz có điện áp định mức U1 Hệ số trượt sm = 0 .2 Động cơ làm việc với điện áp U2 có tần số 60Hz Tổng trở của stato có thể bỏ qua Nếu U2 = U1, tìm bội số dòng điện mở máy và tỉ số Mk/Mmax Tìm tỉ số U2/U1 sao cho động cơ có cùng giá trị dòng điện khởi động tại tần số 50 và 60Hz Ta có: R 2 s m1 = 0 .2 = X 2. .. cho động cơ có cùng giá trị dòng điện khởi động tại tần số 50 và 60Hz Ta có: R 2 s m1 = 0 .2 = X 2 Với tần số định mức fđm = 50Hz và điện áp U1 ta có: U1 I k1 = I 21 = R 22 + X 22 U R 2 M k1 = 2 R 2 + X 22 2 1 M max1 3 0.5U 12 = ω1 X 2 Với tần số f = 60Hz và điện áp U2: ...  dm     f 2 2  Udm R 2   ÷ fdm  3    Mk = 2    f    f X 20   f ÷ω1dm  R 2 +  ÷  dm   fdm    • Mô men cực đại Mmax = const Hệ số trượt sm và Mk giảm khi f tăng • Khi s nhỏ, R 2 s ? X 2 M nên: Mmax  f  s Udm ÷ fdm   I 2 = R 2 O 2 3 M=  f   f ÷ω1dm  dm  ffđm 1 f=fđm s  f  2 s Udm ÷ 2 f   3 f sUdm   dm  = ÷ ′ R 2 ω1dm  fdm ÷ R  2  • Đặc tính... cấp của MBA: I′k 129 U 2 = Udm = × 440 = 175.2V Ik 324 Dòng điện sơ cấp của MBA: U2 175 .2 I1 = I′k = × 129 .6 = 51.6A Udm 440 c Đổi nối tam giác - sao U1 • Đóng CD1, CD2 đóng sang vị trí Y CD1 • Khi tốc độ động cơ ổn định, đóng CD2 sang phía ∆ • Uk = √3Uđm • Ik giảm 3 lần • Mk giảm 3 lần ÂC ∆ CD2 Y Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc có Pdm = 18kW, 50Hz, 440V, 2p = 6, n = 940 vg/ph,... ∆: I kd∆ = 3I kf∆ = 3 × 125 .7 = 21 7.74A Mô men định mức của động cơ: 3 Pdm 18 × 10 × 60 M dm = = = 1 82. 86Nm ω 940 × 2 π Mô men khởi động: M k∆ = m k × M dm = 1.5 × 1 82. 86 = 27 4.3Nm M kY = (1/ 3) × M k∆ = (1/ 3) × 27 4.3 = 91.43Nm 3 Đưa điện trở vào mạch roto M U1 r2 r2+ rp2 CD r2+ rp2+ rp1 ĐC O K2 1 s rp2 • Ưu điểm : Mk lớn Ik nhỏ K1 rp1 • Nhược điểm: động cơ có cấu tạo phức tạp, khó bảo dưỡng §3 ĐIỀU... 0. 02 n1 1000 Mô men định mức: M dm Pdm 40 × 10 3 × 60 = = = 389.7Nm ω 980 × 2 π Mô men khởi động: M k = m k M dm = 1.7 × 389.7 = 6 62. 6Nm Dòng điện định mức: Pdm 40 × 10 3 Idm = = = 64.8A 3Udm ηcosϕ 3 × 440 × 0.91 × 0.89 Dòng điện khởi động khi dùng MBA tự ngẫu: I′k = 2Idm = 2 × 64.8 = 129 .6A Dòng điện khởi động khi khởi động trực tiếp: I k = m I × Idm = 5 × 64.8 = 324 A Điện áp thứ cấp của MBA: I′k 129 ... f1 • hệ số trượt s  thay đổi điện áp U1  thay đổi điện trở của mạch roto  nối cấp các động cơ 2 Thay đổi số đôi cực p τ τ τ τ τ τ τ τ τ τ  Số đôi cực có thể thay đổi theo tỉ số 2: 1 Roto của động cơ phải có cấu tạo lồng sóc  Nối nối tiếp hay song song các phần dây quấn cho phép ta thay đổi p: A1 X1 A2 n thấp A1 X1 X2 A2 n thấp X2 A1 X1 A2 A1 X2 n cao X1 A2 n cao X2  Thay đổi từ nối tam giác nối... – điện áp định mức, fđm – tần số định mức và X20 – điện kháng khi roto đứng yên quy đổi về stato Vậy với tần số f :  f  U= Udm ÷  fdm   f  X 2 =  X 20 ÷  fdm   f  ω1 =  ω1dm ÷  fdm  • Bỏ qua tổng trở roto ta có: fdm   R 2   fdm   sm =  = ÷ ÷s m ,dm ÷  f   X 20   f  M max   f 2 2  Udm   0.5  ÷ 2 f 3 3 0.5U dm   dm  = =    ω1dm X 20  f   f ÷ω1dm   ÷X 20 ... c Pt η cosϕ t = 0.5 = 0.5 × 0.7 = 0.35 Pc ηc cosϕ c Mt = 2 × 0.35 = 0.7 Mc  Đường cong mô men: M YY Y n 3 Thay đổi điện áp U1 • Khi U1 = xUđm (x < 1) thì M = x2Mđm và n giảm từ na tới nb Với tải định mức E = xEdm n n1 nm Φ = xΦ dm M = C m I 2 Φ  1 I = Idm x b a MC U1 U2 U3 O M 2 ′ ′ m I pCu2 1 1 2 r2 s= = ≈ 2 sdm Mω1 Pdt x s   n = n1  1 − 2 ÷ x   • Để thay đổi U, ta có thể dùng sơ đồ có 3 cặp... 3.5∠78oΩ/pha Tính dòng điện dây và pha khi khởi động bằng các nối Y; dòng điện dây và pha khi khởi động bằng cách nối ∆; mô men khởi động khi nối ∆ và nối Y Khi nối Y, dòng điện dây bằng dòng điện pha nên: I kY U fdm = = zv 440 = 72. 58A 3 × 3.5 Dòng điện pha khởi động nối bằng cách ∆: U fdm 440 I kf∆ = = = 125 .7A zv 3.5 Dòng điện dây khi khởi động bằng cách nối ∆: I kd∆ = 3I kf∆ = 3 × 125 .7 = 21 7.74A Mô men ... = I 21 = R 22 + X 22 U R 2 M k1 = R 2 + X 22 M max1 0.5U 12 = ω1 X 2 Với tần số f = 60Hz điện áp U2: I k2 = I 22 = U1 6  R′ +  ÷ X 2 5 2 M k2 U R 2 = 6  R 2 +  ÷ X 2 5 M max2 0.5U 12 =... = R2 R 12 + (X + X )2 0.39 0.3 723 + (1.434 + 2. 151) = 0.108 Mô men cực đại động cơ: M max = 21 .12U 2n1  R 12 + (X + X )2 + R    21 . 12 × (500 / 3 )2 = × 1000  0.3 723 2 + (1.434 + 2. 151 )2 +... Tỉ số dòng điện khởi động: I k2 U = I k1 U1 R 22 + X 22 U2 =  U1  R 2 +  ÷ X 2 5 s m1 +1 = 0.838 6  s m1 +  ÷ 5 M k2 M k1  U2  = ÷ U  1 M max2 M max1 U2 U1  s m1 +1 0 .2 + = 1× =