Bài giảng máy điện chương 4 TS nguyễn quang nam

Bài giảng Chương 4: Máy điện không đồng pha TS Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Phần 1 Máy điện không đồng – Tổng quan Như giới thiệu trước đó, động không đồng (KĐB) động có dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn stato (đã giới thiệu), dòng điện dây quấn rôto xuất cảm ứng từ phía stato Khi cấp nguồn nhiều pha cân bằng, máy có từ trường khe hở quay tốc độ đồng bộ, xác định số cực stato tần số dòng điện stato Rôto máy KĐB dạng dây quấn lồng sóc Phần Tổng quan (tt) Hình minh họa cấu trúc máy KĐB Dây quấn stato Quạt thông gió Cánh khuấy Rôto lồng sóc Trục Ổ đỡ Phần Tổng quan (tt) Hình minh họa dây quấn nhiều pha phía stato máy KĐB Rãnh stato Nêm Đầu nối cuộn dây Răng stato Phần Tổng quan (tt) Rôto dây quấn tạo thành từ dây quấn nhiều pha giống phía stato, với số cực với số cực dây quấn stato Cần có chổi than tỳ lên vành trượt để nối mạch điện rôto với bên Các máy KĐB rôto dây quấn dùng, tìm thấy số ứng dụng đặc biệt Phần Tổng quan (tt) Hình minh họa kết cấu rôto dây quấn máy KĐB Thanh dẫn rôto Trục Cánh khuấy Vành trượt Phần Tổng quan (tt) Rôto lồng sóc chế tạo cách đúc dẫn rãnh rôto nối tắt dẫn với hai đầu rôto Kết cấu đơn giản bền rôto lồng sóc ưu điểm bật động KĐB rôto lồng sóc, giúp trở thành loại động sử dụng phổ biến Động KĐB rôto lồng sóc có công suất từ vài chục W đến hàng trăm kW hay Phần Tổng quan (tt) Hình vẽ biểu diễn kết cấu rôto lồng sóc máy KĐB Thanh dẫn rôto Cánh khuấy Vòng ngắn mạch Phần Tổng quan (tt) Phần Tổng quan (tt) Gọi n (vòng/phút) tốc độ quay xác lập động cơ, ns (vòng/phút) tốc độ đồng từ trường quay Độ chênh lệch tốc độ đồng tốc độ rôto thường gọi tốc độ trượt Tuy nhiên, mức độ chênh lệch tốc độ thường biểu diễn dạng tương đối, độ trượt n s − n ω s − pω m s= = ωs ns Phần (4.1) 10 Tổng quan (tt) Như biểu diễn tốc độ rôto theo độ trượt tốc độ đồng sau: n = (1 − s )ns (4.2) Tương tự, biểu diễn tốc độ (rad/s) theo tốc độ đồng (rad/s) độ trượt sau: pωm = (1 − s )ω s (4.3) Phần 11 Tổng quan (tt) Do đó, tần số điện áp cảm ứng dẫn rôto là: f r = sf s (4.4) gọi tần số trượt Do đó, máy KĐB xem MBA có thêm đặc tính biến đổi tần số, tạo chuyển động tương đối dây quấn stato rôto Phần 12 Tổng quan (tt) Ở hai loại rôto, cực rôto nối ngắn mạch Từ thông quay khe hở làm cảm ứng điện áp dây quấn rôto tần số trượt Vì vậy, dòng điện rôto xác định độ lớn điện áp cảm ứng tổng trở rôto tần số trượt Khi mở máy, rôto đứng yên (n = 0) nên độ trượt đơn vị (s = 1), tần số rôto với tần số stato Phần 13 Tổng quan (tt) Khi rôto quay chiều với từ trường quay, tần số dòng điện rôto sfs, tạo từ trường quay với tốc độ sns (vòng/phút) so với hệ rôto, theo chiều quay Vì rôto quay với tốc độ n (vòng/phút), nên so với hệ quy chiếu đứng yên, tốc độ từ trường quay rôto: sns + n = sns + (1 − s )ns = ns Phần (4.5) 14 Tổng quan (tt) Như từ trường quay dòng rôto tạo quay tốc độ đồng bộ, đồng với từ trường quay stato Hai từ trường quay rôto stato đứng yên so với nhau, tạo mômen ổn định, trì chuyển động rôto Mômen đó, tồn tốc độ rôto khác với tốc độ đồng bộ, gọi mômen không đồng Phần 15 Tổng quan (tt) tính mômen-tốc độ điển hình động KĐB rôto lồng sóc Các yếu tố ảnh hưởng đến đường cong có Mômen, % mômen định mức Hình bên cho thấy đặc Tốc độ, % tốc độ đồng (ns) thể thấy từ phương trình Độ trượt s mômen (3.43) Phần 16 Tổng quan (tt) Chú ý từ thông tổng gần không thay đổi điện áp tần số stato không đổi Còn sức từ động rôto tỷ lệ thuận với dòng điện rôto Do (3.43) viết lại dạng T e = − KI r sin (δ r ) (4.6) với K số δr góc vượt trước sóng sức từ động rôto so với sóng sức từ động tổng Phần 17 Tổng quan (tt) Dấu trừ (4.6) phản ánh thực tế dòng điện rôto chương định nghĩa dòng điện từ hóa, dòng điện rôto tính theo điện áp cảm ứng tổng trở rôto có tác dụng khử từ Dưới điều kiện làm việc bình thường, độ trượt nhỏ: 2% đến 10% đầy tải hầu hết động lồng sóc Do đó, tần số rôto thấp (1 đến Hz động 50 Hz) Phần 18 Tổng quan (tt) Ở dải tần số này, tổng trở rôto chủ yếu mang tính trở, không phụ thuộc vào độ trượt Mặt khác, điện áp cảm ứng tỷ lệ với độ trượt vượt trước từ thông tổng góc 90° Do đó, dòng điện rôto xem tỷ lệ thuận với độ trượt, tỷ lệ lệch pha 180° so với điện áp rôto Dẫn đến sóng stđ rôto trễ pha so với từ thông tổng khoảng 90°, sinδr ≈ – Phần 19 Tổng quan (tt) Do đó, coi mômen tỷ lệ thuận với độ trượt độ trượt có giá trị nhỏ Khi độ trượt tăng lên, tổng trở rôto tăng lên có đóng góp điện kháng tản rôto Và dòng điện rôto giảm dần mức độ tỷ lệ với độ trượt Dòng điện rôto trễ pha nhiều so với điện áp cảm ứng, độ lớn sinδr giảm xuống Phần 20 Phân tích mạch tương đương (tt) Ví dụ 6.1: Động KĐB pha, cực, 60 Hz có tốc độ 3502 vòng/phút tiêu thụ 15,7 kW dòng điện ngõ vào 22,6 A Điện trở dây quấn stato 0,2 Ω/pha Tính tổn hao I2R rôto Phần Phân tích mạch tương đương (tt) Nhớ lại công suất với tích số mômen tốc độ cơ, suy mômen tính T = e Pm ωm = Pag ωs = 3I 22 (r2 / s ) ωs =p 3I 22 (r2 / s ) ωe (4.22) Te Pm giá trị ngõ đầu trục, có tổn hao ma sát, quạt gió, tổn hao phụ Nếu coi Prot tổng tổn hao quay (có thể gộp tổn hao phụ vào) công suất đầu trục là: Phần Phân tích mạch tương đương (tt) P2 = Pm − Prot (4.23) Có thể dẫn quan hệ tương tự cho mômen đầu trục Việc phân tích mạch tương đương máy biến áp thường đơn giản hóa cách bỏ qua hay chuyển nhánh từ hóa lên sát đầu cực Với máy KĐB vận hành bình thường phép xấp xỉ không dùng diện khe hở làm cho tổng từ hóa thấp, dẫn đến dòng kích từ cao – 30 đến 50% dòng định mức, điện kháng tản cao Phần Phân tích mạch tương đương (tt) Có thể đơn giản hóa mạch tương đương máy KĐB bỏ qua điện trở rc kể đến tổn hao lõi thép tính Te hay Pm lúc với tổn hao quay tổn hao phụ Khi đó, mạch tương đương lại xm nhánh từ hóa, sai số thường không đáng kể Quy trình có ưu điểm thử nghiệm động cơ, tổn hao lõi thép không tải không cần phải tách khỏi tổn hao ma sát thông gió Phần Phân tích mạch tương đương (tt) Ví dụ 6.2: Một động KĐB pha, nối Y, 220 V (điện áp dây), 7,5 kW, 60 Hz, cực có tham số mạch tương đương (tính Ω/pha) quy phía stato sau: r1 = 0,294 r2 = 0,144 x1 = 0,503 x2 = 0,209 xm = 13,25 Tổng tổn hao ma sát, quạt gió lõi thép coi không đổi 403 W, độc lập với tải Ở độ trượt 2%, tính tốc độ, mômen công suất ngõ ra, dòng điện stato, hệ số công suất hiệu suất, động vận hành điện áp tần số định mức Phần Tính mômen công suất Thevenin Khi mối quan tâm quan hệ công suất mômen, đơn giản hóa việc phân tích nhiều việc ứng dụng định lý Thevenin Toàn phần mạch nằm phía trước tổng trở rôto thay nguồn áp phức nối tiếp với tổng trở phức Phần 10 Tính mômen công suất Thevenin (tt) jxm Vth = V1 r1 + j ( x1 + xm ) Z th = jxm (r1 + jx1 ) r1 + j ( x1 + xm ) (4.23) (4.24) Các công thức (4.23) (4.24) rút với giả thiết bỏ qua điện trở tổn hao lõi thép rc Từ mạch thay (slide 10), rút I2 = Vth Z th + jx2 + r2 / s (4.25) Phần 11 Tính mômen công suất Thevenin (tt) Như mômen   V e th (r2 / s ) T =   ω s  (Rth + r2 / s )2 + ( X th + x2 )2  (4.26) Rth Xth phần thực phần ảo Zth Khi động vận hành bình thường, tốc độ nằm tốc độ đồng bộ, độ trượt tương ứng nằm Động mở máy điều kiện ứng với s = Phần 12 Tính mômen công suất Thevenin (tt) Để vận hành độ trượt lớn 1, cần phải kéo động ngược chiều từ trường quay, nguồn có khả thắng mômen điện từ Ứng dụng vùng làm cho động dừng nhanh phương pháp có tên hãm ngược Thực tế người ta đảo số pha nguồn, để làm đảo chiều quay từ trường cách đột ngột, khiến độ trượt có giá trị xấp xỉ 2, động nhanh chóng dừng lại Phần 13 Tính mômen công suất Thevenin (tt) Máy vận hành máy phát cực stato nối với nguồn áp nhiều pha, rôto ĐCSC kéo quay nhanh tốc độ đồng (tạo độ trượt âm) Ứng dụng chế độ máy phát điện gió Để xác định giá trị mômen cực đại, hay mômen đồng bộ, áp dụng nguyên lý truyền đạt công suất cực đại, dẫn đến điều kiện r2/s có độ lớn độ lớn tổng trở nằm nguồn áp Thevenin r2/s Phần 14 Tính mômen công suất Thevenin (tt) Tức máy đạt mômen cực đại s = smaxT, với r2 smax T = Rth2 + ( X th + x2 ) (4.27) Do đó, độ trượt mômen đạt cực đại smax T = r2 R + ( X th + x2 ) th (4.28) Mômen e max T  1,5Vth2    = ω s  Rth + Rth2 + ( X th + x2 )    (4.29) Phần 15 Tính mômen công suất Thevenin (tt) Ví dụ 6.3: Với động ví dụ 6.2, xác định (a) thành phần tải I2 dòng điện stato, mômen điện từ, công suất điện từ độ trượt s = 0,03; (b) mômen điện từ cực đại tốc độ tương ứng; (c) mômen khởi động Tstart dòng điện tải I2,start tương ứng Phần 16 Tính mômen công suất Thevenin (tt) Từ (4.28) (4.29), thấy độ trượt ứng với mômen cực đại phụ thuộc vào r2, mômen cực đại lại không phụ thuộc vào r2 Do đó, thêm điện trở phụ vào mạch rôto (dây quấn) kéo đỉnh đặc tính bên trái (tăng smaxT) mà không làm thay đổi độ cao đỉnh Phần 17 Hình bên minh họa trình thay đổi đặc tính cách thêm điện trở phụ vào mạch rôto Đặc tính bị kéo dãn Mômen (% mômen định mức) Tính mômen công suất Thevenin (tt) Mômen cực đại r23 r24 r21 r22 r24 > r23 > r22 > r21 Tốc độ (% tốc độ đồng bộ) hiệu suất giảm Độ trượt Một số rôto thiết kế theo hướng để có đặc tính mở máy tốt hiệu suất cao vận hành bình thường Phần 18 Đặc tính gần – công thức Klauss Nhìn lại (4.26) thấy đặc tính cần nhiều thông số để xây dựng Sẽ thuận lợi xây dựng đặc tính từ số thông số nhãn máy Công thức Klauss cho phép thực việc này, với giả thiết Xth + x2 lớn nhiều lần so với Rth (càng hợp lý công suất máy lớn) Te = e (s / smax T ) + (smax T / s ) Tmax (4.30) Phần 19 Dòng điện rôto gần Cũng thực phép xấp xỉ tương tự cho dòng điện rôto Và với giả thiết Xth + x2 lớn nhiều lần so với Rth (càng hợp lý công suất máy lớn), ta có công thức xấp xỉ dòng điện rôto sau: I2 I (max T ) = + (smax T / s ) (4.31) Các tập sử dụng công thức công thức Klauss Phần 20 Thí nghiệm không tải Giống với MBA, thí nghiệm không tải động KĐB cung cấp thông tin dòng điện kích từ tổn hao không tải Thí nghiệm thường thực tần số định mức với điện áp nhiều pha cân đặt vào stato Số liệu đọc ứng với điện áp định mức, sau động chạy đủ lâu để ổ đỡ bôi trơn đầy đủ Phần 21 Thí nghiệm không tải Giả thiết thí nghiệm thực tần số định mức đo điện áp pha, dòng điện dây, công suất ngõ vào Khi không tải, dòng điện rôto mang giá trị nhỏ đủ để tạo mômen thắng ma sát tổn hao thông gió Do đó, tổn hao đồng phía rôto không tải bỏ qua Tuy nhiên, tồn khe hở không khí động KĐB, tổn hao đồng stato bỏ qua, dòng điện kích từ lớn nhiều so với trường hợp MBA Phần 22 Thí nghiệm không tải Bỏ qua tổn hao đồng rôto không tải, tổn hao quay xác định cách trừ tổn hao đồng stato khỏi tổng công suất ngõ vào không tải Prot = P0 − 3I102 r1 (4.32) Tổn hao quay điện áp tần số định mức thường coi không đổi giá trị không tải Chú ý điện trở rc bỏ qua, tổn hao lõi thép gộp chung với tổn hao ma sát quạt gió Phần 23 Thí nghiệm không tải (tt) Nếu biết mômen quán tính J rôto, xác định tổn hao quay theo độ giảm tốc Prot (ωm ) = −ωm J dω m dt (4.33) Khi đó, tổn hao lõi thép xác định Pi = P0 − Prot − 3I102 r1 (4.34) Tổn hao lõi thép không tải tương ứng với điện áp thử nghiệm không tải Phần 24 Thí nghiệm không tải (tt) Nếu bỏ qua điện áp rơi tổng trở tản stato thí nghiệm không tải (vì dòng stato nhỏ), xác định giá trị điện trở rc theo 3V102 rc = Pi (4.35) Nếu máy hoạt động gần tốc độ điện áp định mức việc tách tổn hao lõi thép đưa rc vào mạch tương đương không tạo khác biệt đáng kể Phần 25 Thí nghiệm không tải (tt) Vì độ trượt không tải nhỏ, r2/s lớn Tổng trở tạo nhánh từ hóa song song với mạch rôto quy đổi stato thường có giá trị gần jxm Như điện kháng không tải x0 có giá trị x0 = x1 + xm (4.36) Và x10 xác định Q10 V10 x0 = ≈ 3I10 I10 Phần (4.37) 26 Thí nghiệm chèn chặt rôto Thí nghiệm cho phép xác định tổng trở tản Rôto chèn chặt để không quay (s = 1), điện áp nhiều pha cân đặt vào stato Thí nghiệm đo điện áp pha, dòng điện dây, công suất ngõ vào tần số Mạch tương đương điều kiện giống máy biến áp bị ngắn mạch Tuy nhiên, động KĐB phức tạp MBA, tổng trở tản bị ảnh hưởng bão hòa từ Phần 27 Thí nghiệm chèn chặt rôto (tt) Nguyên tắc định hướng thí nghiệm nên thực điều kiện tần số giống máy đo hiệu Ví dụ, để khảo sát điều kiện mở máy, thí nghiệm chèn chặt rôto nên thực tần số nguồn, dòng điện gần với giá trị khởi động Ngược lại, đặc tính vận hành bình thường cần xác định dòng điện định mức tần số giảm xuống Phần 28 Thí nghiệm chèn chặt rôto (tt) Điện kháng ngắn mạch xác định  f  Q  xn =  dm  12n   f n  3I1n  (4.38) Điện trở ngắn mạch xác định bình thường rn = P1n 3I12n (4.39) Sau xác định thông số này, xác định thông số mạch tương đương Phần 29 Thí nghiệm chèn chặt rôto (tt) Có thể thấy tổng trở tản thử nghiệm chèn rôto tổng trở tản stato nối tiếp với cụm tổng trở tản rôto song song với nhánh từ hóa (chỉ gồm jxm) Giả sử r2 [...]... slide 31 Phần 1 43 Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt) Kết hợp 2 mạch tương đương cho ta mạch tương đương 1 pha của máy KĐB Hiệu ứng tổng hợp của trục máy và điện trở rôto được biểu diễn bởi điện trở r2/s jx1 r1 jx2 Iϕ I1 I2 r2/s U1 gc bm Phần 1 E1 44 Bài giảng Chương 4: Máy điện không đồng bộ 3 pha TS Nguyễn Quang Nam 2013 – 20 14, HK 2 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn... của nó so với stato, các điện áp này sẽ có quan hệ: E1s = sE1 (4. 13) Các vectơ pha điện áp cũng sẽ thỏa mãn quan hệ đó, vì chúng đều lệch pha 90° so với từ thông tổng Do đó E1s = sE1 (4. 14) Chia (4. 14) cho (4. 12) và sử dụng (4. 11): Phần 1 42 Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt) E1s sE1 = = Z 2 s = r2 + jsx2 I 2s I2 (4. 15) Chia hai vế cho s, ta có Z2 = E1 r2 = + jx2 I2 s (4. 16) với Z2 là tổng trở của... (4. 33) Khi đó, tổn hao lõi thép có thể được xác định bởi Pi = P0 − Prot − 3I102 r1 (4. 34) Tổn hao lõi thép không tải ở đây tương ứng với điện áp thử nghiệm không tải Phần 2 24 Thí nghiệm không tải (tt) Nếu bỏ qua điện áp rơi trên tổng trở tản stato khi thí nghiệm không tải (vì dòng stato khá nhỏ), có thể xác định giá trị của điện trở rc theo 3V102 rc = Pi (4. 35) Nếu máy hoạt động ở gần tốc độ và điện. .. jxm (r1 + jx1 ) r1 + j ( x1 + xm ) (4. 23) (4. 24) Các công thức (4. 23) và (4. 24) được rút ra với giả thiết bỏ qua điện trở tổn hao lõi thép rc Từ mạch thay thế (slide 10), rút ra I2 = Vth Z th + jx2 + r2 / s (4. 25) Phần 2 11 Tính mômen và công suất bằng Thevenin (tt) Như vậy mômen sẽ là 2   1 3 V e th (r2 / s ) T =   ω s  (Rth + r2 / s )2 + ( X th + x2 )2  (4. 26) trong đó Rth và Xth là phần thực... I2 của dòng điện stato, mômen điện từ, và công suất điện từ ở độ trượt s = 0,03; (b) mômen điện từ cực đại và tốc độ tương ứng; và (c) mômen khởi động Tstart và dòng điện tải I2,start tương ứng Phần 2 16 Tính mômen và công suất bằng Thevenin (tt) Từ (4. 28) và (4. 29), có thể thấy độ trượt ứng với mômen cực đại phụ thuộc vào r2, nhưng mômen cực đại lại không phụ thuộc vào r2 Do đó, nếu thêm điện trở phụ... lệch so với sức điện động E1 một lượng đúng bằng điện áp rơi trên tổng trở tản stato Z1 = r1 + jx1 Vậy U1 = E1 + I1 (r1 + jx1 ) Phần 1 (4. 8) 30 Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt) Dẫn đến mạch tương đương 1 pha như sau của stato máy KĐB U1 là điện áp pha đầu cực jx1 r1 stato Iϕ I1 E1 là sức điện động pha U1 I’2 Ic gc Im bm E1 I1 là dòng điện stato r1 và x1 là điện trở hiệu dụng và điện kháng tản stato... điện và từ thông trong máy KĐB Xét một rôto dây quấn, với phân bố từ thông – sức từ động như sơ đồ khai triển dưới đây Số cực của rôto sẽ bằng với số cực của stato (mặc dù số pha không nhất thiết phải bằng) Stđ rôto Mômen Stđ rôto Từ cảm khe hở Từ cảm khe hở Mômen Chiều quay Chiều quay Phần 1 24 Dòng điện và từ thông trong máy KĐB (tt) Nếu điện kháng tản rôto là rất nhỏ so với điện trở rôto, dòng điện. .. 220 V (điện áp dây), 7,5 kW, 60 Hz, 6 cực có các tham số mạch tương đương (tính bằng Ω/pha) quy về phía stato như sau: r1 = 0,2 94 r2 = 0, 144 x1 = 0,503 x2 = 0,209 xm = 13,25 Tổng tổn hao ma sát, quạt gió và lõi thép có thể được coi không đổi và bằng 40 3 W, độc lập với tải Ở độ trượt 2%, tính tốc độ, mômen và công suất ngõ ra, dòng điện stato, hệ số công suất và hiệu suất, khi động cơ vận hành ở điện. .. thích từ điện áp nhiều pha cân bằng Giả thiết các máy 3 pha được nối hình Y Dưới đây sẽ rút ra mạch tương đương cho 1 pha, hiểu rằng điện áp và dòng điện trong các pha còn lại có thể tìm được bằng cách thêm vào các góc lệch pha thích hợp Phần 1 29 Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt) Trước hết xét stato của máy Sóng từ thông quay khi quét qua các dây quấn stato sẽ tạo ra các sức điện động cân bằng Điện. .. ) Phần 1 (4. 7) 26 Dòng điện và từ thông trong máy KĐB (tt) Từ cảm Hình bên minh họa quá trình Điện áp thanh dẫn rôto ωs (1-s)ωs của một rôto lồng sóc có 16 Dòng thanh dẫn rôto thanh dẫn ωs (1-s)ωs Trong hình trên cùng, điện áp cảm ứng trong các thanh dẫn Chiều quay Stđ rôto được biểu diễn bởi 1 vạch thẳng ωs đứng nét liền (1-s)ωs T/p cơ bản stđ rôto Phần 1 27 Dòng điện và từ thông trong máy KĐB (tt) ... đương pha máy KĐB Hiệu ứng tổng hợp trục máy điện trở rôto biểu diễn điện trở r2/s jx1 r1 jx2 Iϕ I1 I2 r2/s U1 gc bm Phần E1 44 Bài giảng Chương 4: Máy điện không đồng pha TS Nguyễn Quang Nam 2013... stato, điện áp có quan hệ: E1s = sE1 (4. 13) Các vectơ pha điện áp thỏa mãn quan hệ đó, chúng lệch pha 90° so với từ thông tổng Do E1s = sE1 (4. 14) Chia (4. 14) cho (4. 12) sử dụng (4. 11): Phần 42 Mạch... r1 + j ( x1 + xm ) (4. 23) (4. 24) Các công thức (4. 23) (4. 24) rút với giả thiết bỏ qua điện trở tổn hao lõi thép rc Từ mạch thay (slide 10), rút I2 = Vth Z th + jx2 + r2 / s (4. 25) Phần 11 Tính