bài giảng máy điện không đồng bộ 3 pha

Bài giảng về động cơ không đồng bộ 3 pha bao gồm : Cấu tạo chung của DCKDB. Cấu tạo dây quấn , cách quấn dây, tính toán dây quấn,các bước quấn dây.(đồng khuôn tập trung, đồng không phân tán,đồng tâm,...) tính toán điện áp , dòng điện, moment cho MDKDB.

Đề cương bài giảng môn học

MÁY ĐIỆN

(Electric machines)

Năm học:2014/2015

GVC.TS Đặng Văn Thành; ĐT:0918056515; email:dvthanh24a@yahoo.com

Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM- Khoa Điện - ĐT

Bộ môn CSKTĐ

Phaàn 3

MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Chương 1

Những vấn đề chung về máy điện

xoay chiều

1 Vai trò, vị trí của máy điện xoay chiều, xoay

chiều không đồng bộ trong sản xuất

Máy phát điện xoay chiều

Máy phát điện công suất nhỏ

Động cơ điện xoay chiều

Động cơ điện chuyên dùng

Máy điện không đồng bộ (chủ yếu là ĐCĐ)

Vỏ máy

Rôto

Stato

2 Kết cấu của MĐKĐB

Kết cấu chung

• 2.1 Phần tĩnh (stato )

• -Lõi sắt (số rãnh Z, cực từ 2p)

• -Dây quấn (số bối dây S)

• -Vỏ maý

2.2 Phần quay ( rotor)

-Lõi sắt

-Dây quấn:

+Rotor lồng sóc

+Rotor dây quấn

Chú ý : giữa stato và rôto có khe hở không khí σ

3.1 Kết cấu các chi tiết dây quấn MĐXC

Phần đầu bối dây Cạnh tác dụng Bước dây quấn Y

- Bối dây (phần tử)

3.Kết cấu của dây quấn mđxc

A

x

Tổ bối dây1 Tổ bối dây2

- Tổ bối dây, sơ đồ trải 1 pha dây quấn

- Ký hiệu trên sơ đồ điện 1 pha:

Sơ đồ trải 1 pha dây quấn

Số rãnh 1 pha dưới 1 cực

•

Z

360





m P 2

Z

q 

Góc độ điện

( góc lệch pha giữa s.đ.đ hai cạnh tác dụng

liên tiếp)

Góc độ điện (góc lệch) tương ứng 3 pha

Sơ đồ trải dây quấn ( 3 pha)

Dây quấn 3 pha

Sơ đồ điện dây quấn 3 pha

Bước cực τ Bước cực τ Bước cực τ Bước cực τ

: AX –BY – CZ, lêch nhau 1200 điện

Vị trí dây quấn 3 pha

3.2.Dây quấn kiểu đồng khuôn tập trung

• Sơ đồ trải dây quấn

C A C A C A C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1 2 3

24

Hình 1.5 Sơ đồ trải dây quấn (sđtdq)

Đồng khuôn : Tất cả các bối dây (phần tử dây quấn)có cùng kích thước, hình dạng

Tập trung: Các bối dây tập trung theo 1 phía nhất định( phân biệt với phân tán)

Một lớp : Mỗi rảnh chỉ chứa 1 cạnh tác dụng

Thiết lập(vẽ)s.đ.t.d.q:

Tính toán thông số kết cấu dây quấn: τ, chọn y, tính q,α,θ

Phân bố rảnh 3 pha

Cấu tạo dây quấn

Vẽ SĐTDQ

Đặc điểm:

3.3.Các loại dây quấn khác

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1 2 3 24

Đồng tâm

Một lớp

Hai mặt phẳng

- Dây quấn đồng tâm

A Z B C X Y

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1 2 3 24

- Dây quấn hai lớp

- Kết cấu dây quấn : Hai lớp (2 cạnh tác dụng của 2 bối khác nhau đặt trong 1 rãnh)

Thường chọn bước ngắn (y< τ )

- Ví dụ: Máy có Z = 24, 2p = 4, m=3, τ =6, chọn y = 5 < τ, dây quấn 2 lớp

- Sơ đồ trải dây quấn máy có Z = 24, 2p = 4, m=3, τ =6, chọn y = 5 < τ, dây quấn 2 lớp

1 1 3

4

15 m

p 2

z

48

240 48

360

ranh Z

15 8 , 0

8 ,

y

- Chọn sđtdq hai lớp , dây quấn có 15 phần tử (15 bối dây ), quấn sóng

- Mỗi pha 5 rảnh, 5 phần tử

- Xắp xếp các rãnh 3 pha như sau:

Pha A 1, 2, 5, 9, 13 Pha B: 6 ,7, 10, 14, 3 Pha C: 4,8,11,12,15

- Mỗi pha có hai cặp cực từ Xếp 1 cặp có 2 bối, 1 cặp có 1 bối dây

- Dây quấn với q phân số, dây quấn khác

4

3

3 4

15 



Sơ đồ trải dây quấn q phân số, quấn sóng hai lớp

- Dây quấn ngắn mạch lồng sóc( rô to lồng sóc)

Rôto ngắn mạch

(rô to lống sóc)

rotor stator

Dây quấn ngắn mạch

Thanh dẫn rôto

Vành ngắn mạch

- Chú ý: dây quấn kích từ (1 chiều ) trong ro to máy phát điện xoay chiều

- Vị trí dây quấn trong stato, rô to MĐXC không đồng bộ

Thanh dẫn rôto

Vành ngắn mạch

Rotor dây quấn

Dây quấn 3 pha

Dây quấn stato

Rotor lồng sóc

Hình ảnh 1 loại dây quấn statto động cơ điện xoay chiều

Dây quấn máy phát điện xoay chiều

Dây quấn Rôto(kích

từ)

Dây quấn Stato(1 lớp, 2 lớp)

Trục MPĐ

4 Sức điện động(S.Đ.Đ) và sức từ động

trong dây quấn máy điện xoay chiều (MĐXC)

4.1 Sức điện động trong MĐXC

19

))](

((

))(

[((

))]

(((

))(

19

))](

((

))(

[((

))]

(((

))(

- Tính S.Đ.Đ của 1 thanh dẫn

v l B

f.

.

2 60

n p

2 60

n D

Thanh dẫn chuyển động trong từ trường







.f.22,

22

.f

Trị hiệu dụng 1 thanh dẫn:

t f

Thay vào

- Tính S.đ.đ của 1 vòng dây (2 thanh dẫn)

Hình 2.2.S.đ.đ một vòng dây



n

K : hệ số bước ngắn

- Khi y = τ ( haicạnh tác dụng 1 bối dây cách nhau 180 0

f44,4

S.đ.đ của 1 bối dây( trị hiệu dụng) :

n S V

S

S W E 4,44 f .W K

- Tính S.Đ.Đ của 1 bối dây, 1 nhóm bối dây

Sức điện động của một nhóm q bối dây ( ví dụ nhóm có 4 bối):

Đồ thị véc tơ nhóm 4 bối dây

2.qsin



Tổng s.đ.đ 4 bối dây

- Hệ số quấn rải  E q Kr Eq' Với Eq’= q.Es

r n S

r S q

Kdq = Kn.Kr = sin (βπ/2) (Sin qα/2)/( q Sinα/2)

Kdq gọi là hệ số dây quấn

Tổng số học s.đ.đ q bối dây là E’q = q.Es

n S V

- Tính S.Đ.Đ của một pha dây quấn

dqS

rSq

E     Với n – số nhóm (tổ) bối dây

W = n.Ws.q – số vòng dây trong 1 pha

dq

S.đ.đ của 1 pha dây quấn :

S.đ.đ do từ trường bậc cao :

;

;

2

2 5

2 3

Κdq  n

2

sin

Kn.    

2

sin

2

sin

Vớ i :

Hệ số dây quấn:

- Phương pháp cải thiện dạng sóng s.đ.đ

Chế tạo mặt cực

Rút ngắn bước quấn

Phân bố khe hở khi chế tạo

Dây quấn rải

Xẻ rãnh chéo:

1 2

sin q

2

q

Khi q =1 thì : Khi q >1 thì Krν <1, từ truờng bậc cao giảm

Giả sử muốn khử sóng bậc 5 nghĩa là tạo ra Kn.5  0

2

5 sin

4 5 sin

4.2 Từ trường, tính sức từ động dây quấn MĐXC

Tại trục cực từ ( điểm A), s.t.đ hình sin

Từ trường tại điểm (B) cách trục cực từ

- Từ trường đập mạch của dây quấn 1 pha

- Sức từ động 1 phần tử F A , B có giá trị: Fs = Fm.sin ωt Cos α ;

coù phương tác động không đổi, chiều và độ lớn thay đổi theo thời gian(ωt),

vị trí không gian (α ) Đó là 1 sóng đập mạch (từ trường đập mạch)

- Từ trường (1 pha) theo từng cực từ, là tổng s.t.đ của các phần tử

dưới 1 cực Nên nó cũng là từ trường đập mạch (sóng đập mạch)

trục cực từ

i.w s

δ

i.Ws

Tính sức từ động S.t.đ đập mạch 1 pha

Tính S.T.Đ phần tử (1 bối dây)

Giả sử 1 cặp cực từ, S.t.đ do 1 phần tử : i.Ws

(từ trường qua 2 khe không khí)

S.t.đ 1 phần tử (tại 1 khe không khí dưới 1 cực từ) :

Fs 1 = iWs/2; i – dòng điện bậc 1;

Trị hiệu dụng (bậc 1) F s1 = Iw s /2

Biên độ F sm1 =

I- trị hiệu dụng dòng điện

Ws – là số vòng 1 bối dây

√ 2 Iw s /2

Tính toán s.t.đ cụ thể, phù hợp cho máy điện như sau

Vì từ trường dưới mỗi cực từ thực tế phân bố không sin, nên ta coi là phân bố chu kỳ (hàm chu kỳ) là tổng các phân bố Sin bậc 1,3,5,… (theo fourier).

Tính toán s.t.đ cụ thể, phù hợp cho máy điện như sau

- Vì từ trường dưới mỗi cực từ thực tế phân bố không sin, nên ta coi là phân bố chu kỳ (hàm chu kỳ) như hình a.

Hình a/ Từ trường dưới mỗi cực từ Hình b/ Mô phỏng phân bố từ trường

dùng trong tính toán

- Trong tính toán, coi phân bố từ trường theo chu kỳ(hình b) , dạng phân bố hình chữ

nhật, có chiều cao iw/2, chiều rộng bằng một bước cực từ Từ đó, tính toán theo phân tích chuỗi fourier

Tính từ trường dựa theo phân tích theo fourier :

- Coi phân bố từ trường theo chu kỳ

dạng phân bố hình chữ nhật, có chiều cao iw/2

Phân tích phân bố theo fourier

4

cos

2 /2

2 /

Trị biên độ : Fsmν = 2 4.Iw2 s sin 2  0,9. I.W s

( Với ν = 2,4,6 → Fsm ν = 0 ; dấu + khi ν = 1,5,9,…; dấu - khi ν = 3,7,11,…)

v

smv cos sin 

5 , 3 , 1





S.t.đ dây quấn 1 pha

Ff = Fq =

Dây quấn 1 lớp bước đủ:

Công vec tơ các s.t.đ một nhám bối dây lệch nhau góc α = P360/Z.

(Sức từ động 1 nhóm (tổ) bối dây /1 cực từ)

Iw

2

sin 2

4

2

Trị tức thời

Tương tự như với sức điện động, được:

Với: ωt,α – Thời gian và vị trí không gian tính s.t.đ

t va

F

v

smv cos sin 

5 , 3 , 1





Coi là tổng hai s.t.đ của hai lớp dây quấn cách nhau độ điện

α = P360/Z, cho kết quả:

.

.

9 , 0 (



t va





ff = fq =

Với : W – số vòng dây 1 pha; Kdqν – hê số dây quấn bậc ν ;

P – số đội cực; I – cường độ dòng điện pha; ν - từ trường bậc tươn ứng

I p

K

.

.

9 ,



Có biên độ F fν = F fν K dq

Trường hợp tổng quát: dây quấn bước ngắn, 2 lớp

Hình 3.3 Phân bố dòng và S.t.đ trong dây quấn 3 pha

Sự tạo thành từ trường quay 3 pha trong máy điện

Quĩ tích của từ trường quay 3 pha trong máy điện

S.t.đ từng pha:

FA = Fmcosα cosωt

FB = Fmcos(α+ 1200 )cos(wt + 1200)

FC = Fmcos(α- 1200 )cos(wt - 1200)

Tính S.t.đ của dây quấn 3 pha (tổng 3 s.t.đ đập mạch từng pha)

Biến đổi lượng giác từng pha:

FA = Fmcosα coswt = (½) Fmcos(α -ωt) + (½) Fmcos(α + ωt)

FB = Fmcos(α+ 1200 )cos(wt + 1200)

= (½) Fmcos(α -ωt) + (½) Fmcos(α + ωt +2400)

FC = Fmcos(α- 1200 ) cos(ωt - 1200)

= (½) Fmcos(α -ωt) + (½) Fmcos(α + ωt -2400)

Cộng từng vế các s.t.đ 3 pha

F3p = FA + FB + FC Kết quả:

Cho F3p = (3/2)FAcos(α - wt) + 0 , Hay F3p = (3/2)Fmcos(α - wt)

Tổng quát, S.T.Đ 3 pha:

F3f = F3fmsin(ωt ± α ) ; đây là 1 sóng quay, với ωt ± α = α 0 = const ;

α 0 - góc pha ban đầu

Với biên độ F 3fm , sóng cơ bản (bậc 1)

I p

K

W I

35 , 1

.

.

9 , 0

Biểu thức từ trường 3 pha F3f = F3fmsin(ωt ± α )

với ωt ± α = α 0 = const ;

hay α = ωt ± α 0

α 0 - góc pha ban đầu

Đặc điểm: - Trị số F3fm không đổi, luôn bằng 3/2 lần biên độ s.t.đ 1 pha

- Phương chiều biến dổi (quay trong không gian với góc quay α

có tốc độ ω(rad/s);

Từ trường có tính chất và đặc điểm trên gọi là từ trường quay 3 pha

Đặc điểm của từ trường 3 pha

- Quan hệ giữa từ trường đập mạch và từ trường quay và ứng dụng của nó

)

sin(

2

1 )

sin(

2

1 cos

sin  t   F  t    F  t  

cos(

).

2

sin(

cos sin )

sin(

t F

t F

- Ưùng dụng:

Dây quấn máy điện 1 pha cấu tạo thành hai cuộn (hai pha)

lệch nhau 900 (trong không gian và thời gian) để tạo từ trường quay

3 pha khi hoạt động

Dây quấn máy điện 3 pha đấu lại hai pha khi cần chạy trong lưới 1 pha

5.Nguyên tắc làm việc, các trị số định mức

P

f.

60

n1 

Khi tốc độ rôto n< n1

100

n

n

n

% S

Hệ số trượt

Có B,Iư, F, M – rô to quay

Khí n >n 1 : s < 0 : Máy điện KĐB làm việc ở chế độ MPĐKĐB

Khi n quay ngược chiều n 1 > 1 : Tạo mômen hãm, máy điện làm việc chế độ hãm

: 0< s<1 – Chế độ động cơ điện

Từ trường stato

dòng rôto

Nguyên tắc làm việc

Động cơ 3 pha rôto dây quấn

Stato

Rôto dquấn

Các trị số định mức

-Công suất định mức: Pđm (w; kw) là công suất cơ ở đầu trục động cơ., HP (ngựa), 1HP = 0,736 kw

Pđm = 3 Uđm Iđm.cosφđm.ηđm -Dòng điện định mức: Iđm (A; kA) là dòng điện dây định mức

-Điện áp định mức: Uđm (V;kV) là điện áp dây định mức -Cách đấu dây: sao hoặc tam giác

-Tốc độ quay định mức: ( vòng/ phút)

Chương 2

Quan hệ điện từ trong máy điện

không đồng bộ (MĐ KĐB)

1 Mạch điện & mạch từ trong máy điện KĐB 3 pha

Dây quấn 3 pha rơto Dây quấn 3 pha stato

(tự cảm tản với từ thông tản ɸϬ1 )

R 1- Điện trở d quấn stato

(với từ thông chính ɸ)

E Ϭ2 - S.Đ.Đ tản (tự cảm tản với từ thông tản ɸϬ2 )

R2- Điện trở d quấn rôto

.22

2

222

2

0

:

0

r I E

E hay

r i e

1

111

11

1

:

.

r I E

E U

hay

r i e

e u

1 1 1

1 1

:

.

r I E

E hay

r i e

e u

1 1

111

1 E I r j I x

U       

Được Ptrình stato dưới dạng phức:

1 1 1

1

1 L 2 f L

1 1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

.

2

.

) 2

sin(

).

.(

2

) 2

sin(

.

cos

.

I x j I

x E

t L

t I

L

t I

L dt

di L

hay dt

d e

Phương trình rôto

r I E

E hay

r I E

E hay

r i e

e

0

:

0

:

0

2 2

2

2

2 2

2

2 2 2

22

2 I r j I x E

0       Với: x2  1 L2  2  f.1 L2X2 – điện kháng tản của dây quấn rôto

Phương trình mạch từ trong ĐCĐKĐB

Từ trường khi không tải : F 0 , ɸ ,

Từ trường khi có tải: F 1,, , ɸ 1 phía stato; F 2, , ɸ 2 phía rôto

PT cân bằng: ɸ 0 = ɸ 1 + ɸ 2, = ɸ Hay : F0 = F1 + F2, Từ trường không tải và có tải bằng nhau ,

Trị số s.t.đ tính theo:

Khi không tải :

F0 = (m1.2 /π).(w1.kdq1/p ).I0 Khi có tải:

3 Hệ 3 phương trình qui đổi, mạch điện thay thế MĐ ĐKB

11

111

1 E I r j I x

U       

Ptrình stato:

22

22

2 I r j I x E

Với : x1  1 L1  2  f.1 L1

Ptrình rôto:

2 1 2

-Phương trình qui đổi rôto

)

(

K

I

I   và

2ie

2ie

x  

Và

22

22

2 I r j I x E

Ta được pt qui đổi rôto về stato :

1 1

1 1 1

1 E I r j I x

22

22

2 I r j I x E

0        

) x j r

( I Z

I

Tương tự MBA, với

- Phương trình qui đổi khi rôto đứng yên(n =0)

k

I

I

I I

I

2

,2

,20

1 1

2

n

n 60

) n n

( P 60

n

P

2 1

2 dq 2

S

2 4 , 44 w K S f S E

22

12

22

2S

2 L 2 f L 2 f S L S x

3.2 Hệ phương trình qui đổi, mạch điện thay thế của MĐKĐB khi rô

to quay

Nên trị số các đại lượng tương ứng phía rôto: E 2s ; f 2 ; X 2s ; r 2s

-S.đ.đ của rôto khi quay E 2s (n≠0)

r2s = r2

S 2 2

2 2 S

2 I r j I x E

- Phương trình rôto qui đổi khi quay

2 2

2 2

2 I r j I S x E

S

2 2

2 2

2 j I x

S

r I E

S

r I

Hay:

Hay:

- Hệ 3 phương trình qui đổi khi rôto quay

111

11

111

22

22

- Mạch điện thay thế toàn phần máy điện KĐB

Mạch thay thế toàn phần (mạch hình T )

Nhánh 1: stato - Nhánh 2: rôto - Nhánh 3: mạch từ

Chú ý:nhánh rôto:

s

r s

s r

r

, 2

, 2 ,

2  ( 1  ) 

- Mạch điện thay thế đơn giản

Mạch điện thay thế hình Γ : Dùng tính toán gần đúng

, mạch gồm hai nhánh song song: Nhánh stato nối tiếp nhánh mạch từ; nhánh sato nối tiếprôto qui đổi, coi các hệ số C ≈1

Chương 3 Các chế độ làm việc của Động cơ điện không đồng bộ

1 Qúa trình biến đổi năng lượng trong máy điện KĐB

Máy làm việc ở chế độ động cơ (0 < s < 1)

1 1

1 m U I cos

1

2111

Fe m I r.

S

r I

m S

r I m P

P P

2 2 2

2 2 1 1

1      



2

2 2 2 2

2 2 1 2

2

P

P

1 P

QT Biến đổi công suất tác dụng

QT Biến đổi Cs phản kháng, chế độ MPĐ, chế độ hãm, SV tự đọc

2.Mômen điện từ & đặc tính cơ của máy điện KĐB

2.1 Mômen điện từ

2 1

2 2

1 2

;

x

x s

r r

U I

P

M 

s

r I

2 2 1

1

2

2 1 1

1

.

2

2 2 1 dt

x

x s

r r

f 2

s

r P U

m s

r I.

.

m M

Dựa vào quan hệ M/ ω và mạch điện thay thế đơn giản :

Với ω1= 2 π n1/ 60 = 2πf1/p ; n1= 60f1/p

Đồ thị quan hệ M = f(s); I(s)

Chế độ MPĐ Chế độ ĐCĐ

Yù nghĩa của biểu thức quan hệ M(s)

2 1

2 2 1

1

2

2 1

1 mm

x x

r r

f.

2

r.

P U

m M

dM 

Tính hệ số trượt, mômen cực đại, khi

0

; ) (

1 2 2

, 1

2 1

1 max

x x

r f 4

P U

m M

) 1

s

2 M

M

mm

3 Chế độ Mở máy, điều chỉnh tốc độ, hãm của ĐCĐKĐB

dm2

n

2n

x r

U





Dòng mở máy trực tiếp:

Dựa vào mạch điện thay

Yêu cầu mở máy:

Có moment mở máy đủ lớn

Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

Thiết bị mở máy đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn

Tổn hao công suất khi mở máy ít

*Mở máy trực tiếp

*Hạ điện áp mở máy

- Dùng cuộn kháng :

- Các phương pháp mở máy

* Dùng biến áp tự ngẫu mở máy

BATN

Đông cơ điện

Lưới điện

* Dùng thiết bị đổi nối Y/Δ mở máy:

Thiết bị đổi nối Y/Δ

Phương pháp mở máy khác:

- Thêm điện trở phụ vào mạch rôto dây quấn

- Dùng mạch khống chế với các phần tử bán dẫn, vi mạch…

1

2

211

dt

x

x s

r r

f.

2

s

r U P

m M

3.2.Điều chỉnh tốc độ ĐCĐKĐB

- Dựa vào đặc tính cơ :M(s)

Từ đó : n,s phụ thuộc quan hệ trên: U, p,f, r2+rf

 Thay đổi số đôi cực

Thực hiện đổi nối trong dây quấn stato động cơ điện KĐB

 Thay đổi tần số nguồn cung cấp

Dùng bộ biến tần hoặc máy phát tần số

 Thay đổi điện áp

Dùng biến áp` tự ngẫu, nguồn điều chỉnh điện áp riêng

 Thêm điện trở phụ vào mạch rotor

Chỉ dùng được với rôto dây quấn

- Các phương pháp chính điều chỉnh tốc độ