Khởi động và hãm động cơ đồng bộ ba pha roto lồng sóc

Khi khung quay với tốc độ không đổi 2 thanh dẫn ab và cd lần lượt nằm dưới 2 cực từ khác nên từ trường của 2 cực nam châm không đổi, khung quay sẽ cảm ứng lên một sức điện động xoay chiề

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

KHỞI ĐỘNG VÀ HÃM

HÀ NỘI Tháng 08 năm 2016

MỤC LỤC

I TÌM HIỂU VỀ MÁY ĐIỆN 2

1.1 MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU 2

1.2 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA 7

1.3 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 11

II TÌM HIỂU VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN 17

2.1 APTOMAT 17

2.2 CÔNG TẮC TƠ 19

2.4 ROLE THỜI GIAN 20

2.5 RƠ LE NHIỆT 21

CHƯƠNG II THỰC HÀNH TRÊN CÁC BÀN THÍ NGHIỆM 23

I THỰC HÀNH TRÊN BÀN THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 23

1.1 MỞ MÁY TRỰC TIẾP ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC 23

1.2 KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC BẰNG ĐỔI NỐI Y/∆ 24

1.3 ĐẢO CHIỀU VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 26

1.4 HÃM ĐỘNG NĂNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC 27

1.5 HÃM NGƯỢC ĐỘNG CƠ KĐB ROTO LỒNG SÓC 29

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ

I TÌM HIỂU VỀ MÁY ĐIỆN

1.1 MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU

Ngày nay mặc dù máy điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực sản xuất và đời sống Tuy vậy các loại MĐMC có nhưng vai trò quan trong riêng trong một số lĩnh vực khác

mà ở đó các loại máy điện xoay chiều không đáp ứng được

MĐMC khi làm việc ở chế độ máy phát điện, gọi là máy phát điện một chiều (MPĐMC) sẽ tạo ra điện năng của dòng điện một chiều để cung cấp cho các loại phụ tải cần sử dụng loại năng lượng này như: tàu hỏa chạy điện, tàu điện, ô tô,… Ngày nay các linh kiện điện tử bán dẫn công suất phát triển mạnh mẽ, nó có khả năng chuyển đổi từ nguồn xoay chiều sang một chiều để cung cấp cho các tải trên nên MPĐMC hiện nay ít được sử dụng MPĐMC là máy phát kích từ cho máy điện đồng bộ, dùng trong kỹ thuật hàn, mạ điện chất lượng cao, dùng trong điện hóa, điện ô

tô

MĐMC khi làm việc ở chế độ động cơ (ĐCĐMC) có momen khởi động lớn, có khả năng điều chỉnh tốc độ bằng phẳng, liên tục trong phạm vi rộng (do loại đông cơ này hơn hẳn các loại động cơ xoay chiều) ĐCMC được sử dụng vào những nơi làm việc nặng nhọc như trong giao thông vận tải, nghành cán kéo thép, cần trục MĐMC công suất bé còn được sử dụng trong một

số lĩnh vực khác như máy khuếch đại từ, máy chuyển đổi tốc độ hoặc làm động cơ chấp hành… Nhược điểm của MĐMC là có cổ góp làm cho cơ cấu phức tạp, giá thành cao, làm việc kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ (do dự xuất hiện của tia lửa điện ở chỗ tiếp xúc giữa cổ góp điện và chổi than), tuổi thọ của máy bị giảm, hơn nữa khi sử dụng động cơ DC thì phải có nguồn DC đi kèm (vd :chỉnh lưu )

chính trong máy Mặt cực giữ dây cuốn và phân bố từ trường trên bề mặt phần cứng Cực từ gắn lên vỏ máy bằng bulong hoặc ốc vít Dây cuốn bằng đồng bọc cách điện mắc nối tiếp với phần ứng Loại cực từ thứ 2 là cực từ phụ có kích thước bé hơn cực từ chính có tác dụng để cải thiện qua quá trình làm việc của MĐMC mỗi khi làm việc có phụ tải

Gông từ ( vỏ máy ): dùng để gắn các cực từ, làm mạch từ nối liền các cực từ do vậy vỏ máy được dẫn từ, đây là điểm khác biệt với máy điện xoay chiều

Trong máy điện lớn gông từ thường làm bằng thép đúc, máy điện vừa và nhỏ thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại

Các bộ phận khác: nắp máy và cơ cấu chổi than (gồm chổi than đặt trong hộp chổi than, giá chổi than)

b Phần quay hay phần ứng

Phần ứng bao gồm: trục, lõi thép, dây cuốn, cổ góp điện

Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình trụ, trên bề mặt lõi thép (dọc theo đường sinh) người ta dập rãnh để đặt dây cuốn phần ứng

Dây cuốn phần ứng thường làm bằng đồng, giũa các phiến góp cách điện với nhau bởi mica và cổ góp cũng được cách điện với trục roto bằng ống phíp Nhiệm vụ của cổ góp điện là chỉnh lưu điện xoay chiều thành điện 1 chiều

Để lấy điện ra ngoài hoặc ngược lại đưa nguồn điện 1 chiều vào trong dây cuốn phần ứng Các bộ phận khác gồm : cánh quạt để làm mát, trục quay

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

a Nguyên lý làm việc của máy điện 1 chiều:

Dùng 1 động cơ sơ cấp (tua bin hoặc động cơ đốt trong,…) quay phần ứng máy phát Khi khung quay với tốc độ không đổi 2 thanh dẫn ab và cd lần lượt nằm dưới 2 cực từ khác nên (từ trường của 2 cực nam châm không đổi), khung quay sẽ cảm ứng lên một sức điện động xoay chiều:

e = B.L.v Trong đó: B: từ cảm

L: chiều dài tác dụng của thanh dẫn ab +cd

v: tốc độ dài của thanh dẫn

Chiều của sức điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, trên thanh ab chiều từ a ->

b, trên thanh cd chiều từ d -> c Sức điện động trong khung dây là sức điện động xoay chiều nhưng nhờ có phiến góp và chổi than A (+), B (-) (sau khi quay 180 độ nó cũng không thay đổi cực tính)

Dạng sóng trên 2 đầu chổi than:

Trên thực tế người ta chế tạo phần ứng gồm nhiều khung dây đặt lệch nhau góc nào đấy trong không gian để giảm bớt sự đập mạch ở cổ góp, chổi than và cuốn tăng số vòng dây để tăng sức điện động

b Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều DC

Để động cơ có thể quay được ta phải cung cấp nguồn 1 chiều mà cực dương điện áp U của nguồn đặt vào chổi than A, còn cực âm của điện áp U đặt vào cực âm của chổi than B, như vậy dòng điện đi trong khung dây có chiều theo abcd Hai thanh dẫn tác dụng ab và cd có dòng điện được đặt trong không gian có từ trường mạnh của nam châm vĩnh cửu N-S Theo định luật ampe thì 2 thanh dẫn đó chịu một lực điện tác dụng lên, chiều của lực điện được xác định theo quy tắc bàn tay trái Như vậy ta nhận thấy khung dây abcd quay theo chiều của lực từ Fđt ngược chiều kim đồng hồ Khi khung dây đã quay dễ dàng xác định chiều của s.đ.đ cảm ứng xuất hiện trong khung dây, ngược chiều với dòng điện, vì thế s.đ.đ được tạo ra trong dây quấn khi động cơ quay được gọi là Sức phản điện động

Khi khung quay được 1800, thì dòng điện ở trong khung dây lúc này đã đổi chiều dcba chúng

tở đã đổi chiều so với vị trí ban đầu, để đảm bảo an toàn chiều của lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn tác dụng không thay đổi, do vậy làm cho động cơ có khả năng tự mở máy và tốc độ quay ổn định theo 1 chiều nhất định

1.1.3 Các đại lượng định mức ( do nhà chế tạo quy định )

1.2 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA

Máy điện đồng bộ ba pha là một loại máy điện xoay chiều, có tốc độ từ trường quay Stato n1 bằng tốc độ quay của roto n Dây quấn Stato là dây quấn ba pha, đặt lệch nhau trong không gian một góc 1200 về điện, roto thực chất là một nam châm điện kích từ bằng dòng điện một chiều Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay của roto n luôn không đổi Hoàn toàn có thể thay đổi vị trí của dây quấn ba pha và nam châm điện cho nhau mà không ảnh hưởng tới nguyên lý làm việc cơ bản của máy

1.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ ba pha bao gồm 2 bộ phận chính là phần tĩnh, phần quay và đặc biệt là có thêm phần nguồn kích từ

Máy phát điện đồng bộ 3 pha

a Phần tĩnh (stato-phần ứng)

Stato của máy điện đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là lõi thép stato và dây quấn stato

- Lõi thép stator được làm bằng các lá tôn silic dày 0,5 mm, 2 mặt có phủ sơn cách điện Dọc chiều dài lõi thép stator cứ cách khoảng 3 – 6 cm có 1 rãnh thông gió ngang trục rộng khoảng 10 mm Lõi thép stator được đặt cố định trong thân máy

- Dây quấn stato còn gọi là dây quấn phần ứng Ngoài ra còn có vở máy, nắp máy làm bằng gang hoặc thép đúc, nó dùng để bảo vệ dây quấn stato và đỡ trục roto

b Phần quay(roto-phần cảm)

Rotor của máy điện đồng bộ là nam châm điện gồm có lõi thép và dây quấn kích thích Dòng điện đưa vào dây quấn kích thích là dòng điện 1 chiều Rotor của máy điện đồng bộ có 2 kiểu là rotor cực lồi và rotor cực ẩn

- Rotor cực ẩn

Rotor của máy điện đồng bộ cực ẩn được làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn Phần không phay rãnh của rotor hình thành mặt cực từ

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi cách thanh nêm bằng thép không từ tính Phần đầu nối (nằm ngoài rãnh) của dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống trụ thép không từ tính Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với 2 vành trượt đặt ở đầu trục thông qua 2 chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều

- Rotor cực lồi

Rotor của máy điện đồng bộ cực lồi có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ (bánh xe) trên mặt có đặt các cực từ Ở các máy lớn, lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày 1 – 6 mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ của rotor Giá này lồng vào trục máy Cực từ đặt trên lõi thép rotor được ghép bằng những lá thép dày 1 – 1,5 mm

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây Cách điện giữa các vòng dây là lớp cách điện bằng mica hoặc amiang Các cuộn dây sau khi gia công được lồng vào thân cực

Dây quấn cản được đặt trên các đầu cực Các dây quấn này được làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và được nối 2 đầu bởi 2 vòng ngắn mạch

Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn

1.2.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 3 pha

Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện đồng bộ 3 pha

1 Động cơ sơ cấp(tua bin hơi), 2 Dây quấn stato, 3 Roto, 4 Dây quấn Roto,

5 Vành góp, 6 Chổi than, 7 Máy phát một chiều

Động cơ sơ cấp 1 quay roto máy phát điện đồng bộ đến gần tốc độ định mức, máy phát điện một chiều 7 được thành lập điện áp và cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích từ 4 máy phát điện đồng bộ thông qua chổi than 5 và vành góp 6, roto 3 của máy phát điện đồng bộ trở thành nam châm điện Do roto quay, từ trường roto quét qua dây quấn phần ứng stato và cảm ứng ra sđđ xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là:

Nếu roto có số đôi cực là p, quay với tốc độ n thì Sđđ cảm ứng trong stato có tần số:

Hoặc:

Khi qua dây quấn stato nối với tải, trong dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha chạy qua Hệ

thống dòng điện này sẽ sinh ra từ trường quay, gọi là từ trường phần ứng có tốc độ là :

Ta thấy tốc độ roto n bằng với tốc độ từ trường quay trong máy n1, nên gọi là máy điện

đồng bộ

1.3 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng

điện từ, có tốc độ của rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy

Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn

giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao, và gần như không cần bảo trì Dải

công suất rất rộng từ vài Watt đến 10.000hp Các động cơ từ 5hp trở lên hầu hết là 3 pha còn

động cơ nhỏ hơn 1hp thường là một pha

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

Động cơ không đồng bộ roto dây quấn

1.3.1 Cấu tạo

Giống như các loại máy điện quay khác ,động cơ không đồng bộ ba pha gồm có các bộ phận chính sau :

+ phần tĩnh hay còn gọi là stato

+ phần quay hay còn gọi là roto

thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại

Khi đường kính ngoài của lõi thép nhỏ

hơn 990mm thì dùng cả tấm thép tròn

ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn

trị số trên thì phải dùng những tấm thép

hình rẻ quạt

Mỗi lõi thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên Nếu lõi thép ngắn thì có thể ghép thành một khối nếu lõi thép quá dài thì ghép thành những tấm ngắn mỗi tấm thép dài từ 6 đến 8 cm đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt Mặt trong cùa lá thép có sẽ rảnh để dặt dây quấn

- Dây Quấn

Dây quấn stator được đặt vài các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi thép Dây quấn phấn ứng là phần dây bằng đồng được trong các rãnh phần ứng và làm thành một hoặc nhiều vòng kín Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến dổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong toàn bộ giá thành của máy

+ Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm:

- Sinh ra được một sức điện động cần thiết có thể cho một dòng điện nhất định chạy qua

mà không bị nóng quá một nhiệt độ nhất định để sinh ra một moment cần thiết đồng thời đảm bảo đổi chiều tốt

- Triệt để tiết kiệm vật liệu, kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn an toàn

- Dây quấn phấn ứng có thể phân ra làm các loại chủ yếu sau : + Dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức tạp

+ Dây quấn song đơn và dây quấn song phức tạp

 Trong một số máy cỡ lớn còn dùng dây quấn hỗn hợp đó là sự kết hợp giữa hai dây quấn xếp

và song song

- Vỏ Máy:

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn Thường võ máy làm bằng gang Đối với vỏ máy có công suất tương đối lớn (1000 kw) thường dùng thép tấm hàn lại làm vỏ máy,

tùy theo cách làm nguội, máy và dạng vỏ máy cũng khác nhau

b.Phần Quay ( hay Roto)

Phần quay gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn roto:

Phân loại làm hai loại chính roto kiểu dây quấn va roto kiểu lồng sóc:

- Loại roto kiểu dây quấn: roto kiểu dây quấn ( hình 1.3) cũng giống như dây quấn ba

pha stato và có cùng số cực từ dây quấn stato Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao (Y)

và có ba đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và cách điện với trục Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện và một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

Hình 1.3 : rotor kiểu dây quấn

- Rotor kiểu lồng sóc (hình 1.4) : Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và

bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đấu Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ công suất trên 100kw thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh roto

và gắn chặt vành ngắn mạch

+ Khe hở

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều, khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ

0,2mm đến 1mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào, và như vậy có thể làm cho hệ số công suất của máy tăng cao

+ Trục

Trục máy điện mang roto quay trong lòng stato Vì vậy nó cũng là 1 chi tiết quan trọng Trục của máy điện tùy theo kích thước có thể được chế tạo từ thép Carbon từ 5-45

Trên trục của roto có lõi thép, dây quấn, vành trượt và quạt gió

1.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí suất hiện

từ trường quay với tốc độ n1 = 60 f1/p (f1 là tần số lưới điện, p là số cặp cực, tốc độ từ trường quay) Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng diện I2 chạy qua Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành

từ thông tổng ở khe hở Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của roto Trong những phạm vi tồc

độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng