Nghiên cứu ảnh hưởng răng, rãnh, khe hở không khí, và các thông số khác tới khả năng quá tải của động cơ không đồng bộ

Vì vậy, nhằm nâng cao khả năng làm việc của động cơ không đồng bộ với mô men quá tải lớn, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng răng, rãnh, khe hở không khí tới khả năng quá tải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TS PHẠM HÙNG PHI

HÀ NỘI – Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN Sau một thời gian tôi nghiên cứu và học tập tại Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS Phạm Hùng Phi - Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi đã hoàn thành được bản luận văn này Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn mà tôi thực hiện trong thời gian vừa qua là trung thực, không sao chép của

ai, có nguồn trích dẫn tài liệu rõ ràng và chưa được công bố trong công trình nghiên cứu nào khác

Hà Nội, tháng 03 năm 2014

Học viên

Vũ Đức Trọng

LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành tại Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc của mình tới thầy giáo TS Phạm Hùng Phi - Bộ môn Thiết bị điện - điện tử, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội Với những kiến thức, kinh nghiệm quý báu của mình, thầy đã giúp đỡ và chỉ bảo cho tôi để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn theo đúng thời hạn mà nhà trường cũng như bộ môn giao cho

Qua đây cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Đào tạo Sau đại học, đến các thầy, cô giáo tham gia giảng dạy khóa học Tôi xin chân thành cảm ơn những nhận xét, đóng góp ý kiến thiết thực của các thầy, cô giáo trong bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo, các nhà khoa học chấm phản biện, các thầy, cô giáo trong hội đồng bảo vệ và tất cả các đồng nghiệp đã cho những nhận xét quý báu để luận văn được hoàn thiện hơn

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè tôi và đơn vị chủ quản đã luôn luôn động viên, giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và làm luận văn

Hà Nội, tháng 03 năm 2014

Học viên

Vũ Đức Trọng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

LỜI MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1

1.1 LỊCH SỬ RA ĐỜI, PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1

1.2 CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2

1.2.1 Phần tĩnh hay stator 3

1.2.2 Phần động hay rotor 4

1.3 MÔ HÌNH TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 5

1.3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 5

1.3.2 Mô hình của động cơ không đồng bộ 6

1.4 ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 8

1.4.1 Phương trình đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ 8

1.4.2 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ……… 13

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 14

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 15

2.1 CÁC ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 15

2.1.1 Mối quan hệ trong biến đổi năng lượng điện cơ của động cơ không đồng bộ…… 15

2.1.2 Khả năng quá tải của động cơ không đồng bộ 16

TRỞ ROTOR TRONG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 17

2.2.1 Sự thay đổi các thông số do hiện tượng hiệu bề ứng mặt ngoài 17

2.2.2 Ảnh hưởng của bão hòa răng đến giá trị điện kháng tản 19

2.3 BIỆN PHÁP THAY ĐỔI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 22

2.3.1 Điều chỉnh thông số liên quan đến hiệu ứng bề mặt 22

2.3.2 Điều chỉnh thông số liên quan tới sự bão hòa răng 26

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 29

CHƯƠNG 3: KIỂM NGHIỆM SỰ PHỤ THUỘC CỦA MÔ MEN CỰC ĐẠI VÀO CÁC THÔNG SỐ 30

3.1 THÔNG SỐ YÊU CẦU ĐỘNG CƠ ĐƯỢC LỰA CHỌN THIẾT KẾ 30

3.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỪ CỦA ĐỘNG CƠ 30

3.2.1 Các thông số chính của mạch từ 30

3.2.2 Cuộn dây stator 32

3.2.3 Thiết kế răng- rãnh stator 36

3.2.4 Thiết kế răng- rãnh rotor 38

3.2.5 Tính toàn vành ngắn mạch 41

3.2.6 Kiểm định thông số thiết kế trong phần mềm RMxprt 41

3.3 PHÂN TÍCH MỐI QUAN HỆ GIỮA KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA ĐỘNG CƠ VÀ CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ 52

3.3.1 Lựa chọn thông số điều chỉnh 52

3.3.2 Phân tích mối quan hệ giữa momen và kích thước miệng rãnh rotor trên RMxprt và Maxwell 2D 52

3.3.3 Phân tích mối quan hệ giữa momen và kích thước miệng rãnh stator trên RMxprt và Maxwell 56

3.3.4 Phân tích mối quan hệ giữa momen và độ dài khe hở không trên RMxprt và Maxwell 61

Kết luận chương 3 63

KẾT LUẬN 64

PHỤ LỤC 65

A PHẦN MỀM ANSOFT MAXWELL VÀ ỨNG DỤNG 65

1 Giới thiệu chung về Ansoft Maxwell 65

2 Các thông số ban đầu được nhập vào trong phần mềm RMxprt 66

B DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

rotor

Ky Hệ số bước ngắn ở tần số cơ bản

cực từ

hiệu ứng bề mặt rotor

λr2ζbh Hệ số từ dẫn tản rãnh khi bão hòa từ và hiệu ứng

bề mặt rotor

λt2ζbh Hệ số từ dẫn tản răng khi bão hòa từ và hiệu ứng

bề mặt rotor

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại động cơ điện 1

Hình 1.2: Tổng giá trị sản phẩm động cơ điện thị trường Bắc Mỹ năm 2007 2

Hình 1.3: Cấu tạo đặc trưng động cơ không đồng bộ 3

Hình 1.4: Kết cấu cơ bản của động cơ không đồng bộ kiểu rotor lồng sóc 3

Hình 1.5: Lõi thép stator và rotor động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 4

Hình 1.6: Phần động của động cơ không độ bộ 5

Hình 1.7: Mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ 7

Hình 1.8: Giản đồ năng lượng trong động cơ không đồng bộ 8

Hình 1.9 Sơ đồ thay thế máy điện không đồng bộ hình Γ 9

Hình 1.10: Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ 11

Hình 1.11: Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ 13

Hình 2.1: Ảnh hưởng hiện tượng hiệu ứng bề mặt trong rãnh 18

Hình 2.2: Đường cong φ, ψ = f(ζ) 18

Hình 2.3: Mật độ phân bố đường sức từ trong máy điện không đồng bộ 20

Hình 2.4: Kích thước rãnh rotor dùng để xác định chiều sâu quy đổi 24

Hình 2.5: Kích thước rãnh rotor dùng để xác định điện kháng tản rotor 26

Hình 2.6: Đồ thị hàm kβ = f(β) 27

Hình 2.7: Ảnh hưởng của thông số đầu răng của các loại răng stator 28

Hình 3.1: Sơ đồ dây quấn của stator 33

Hình 3.2: Quan hệ giữa hệ số bão hòa với hệ số cung cực từ và hệ số sóng 34

Hình 3.3: Kích thước cơ bản của rãnh stator 36

Hình 3.4: Kích thước cơ bản rãnh rotor 38

Hình 3.5: Mặt cắt ngang vòng ngắn mạch 41

Hình 3.6: Cấu trúc lá thép và dây quấn được thiết kế 42

Hình 3.7: Dòng điện stator theo tốc độ 48

Hình 3.8: Hiệu suất theo tốc độ 48

Hình 3.9: Hệ số công suất theo tốc độ 49

Hình 3.10: Công suất ra đầu trục theo tốc độ 49

Hình 3.11: Momen theo tốc độ 49

Hình 3.11: Momen theo hệ số trượt 49

Hình 3.12: Mô men của động cơ khi mảng tải định mức 50

Hình 3.13: Tốc độ của động cơ khi mang tải định mức 50

Hình 3.14: Dòng điện của stator của động cơ khi mang tải định mức 50

Hình 3.15: Giá trị tổn hao lõi khi động cơ mang tải định mức 50

Hình 3.16: Phân bố mật độ dòng điện khi khởi động 51

Hình 3.17: Phân bố mật độ từ trường khi động cơ khởi động 51

Hình 3.18: Phân bố mật độ dòng điện khi động cơ làm việc ổn định 51

Hình 3.19: Phân bố mật độ từ trường khi động cơ làm việc ổn định 51

Hình 3.20: Giá trị mô men cực đại theo kích thước miệng rãnh rotor 52

Hình 3.21: Giá trị dòng điện cực đại theo kích thước miệng rãnh rotor 52

Hình 3.22: Giá trị mô men khởi động theo kích thước miệng rãnh rotor 53

Hình 3.23: Giá trị tốc độ định mức theo kích thước miệng rãnh rotor 53

Hình 3.24:Mô men theo tốc độ với sự thay đổi của miệng rãnh rotor 54

Hình 3.25: Dòng điện stator theo tốc độ thay đổi theo miệng rãnh rotor 54

Hình 3.26: Hiệu suất động cơ theo sự thay đổi của miệng rãnh rotor 55

Hình 3.27: Mô men cực đại theo độ rộng miệng rãnh rotor 55

Hình 3.28: Mô men cực đại theo độ cao miệng rãnh rotor 56

Hình 3.29: Giá trị mô men cực đại theo kích thước miệng rãnh stator 57

Hình 3.30: Giá trị dòng điện cực đại theo kích thước miệng rãnh stator 57

Hình 3.31: Giá trị mô men khởi động theo kích thước miệng rãnh stator 57

Hình 3.32: Giá trị tốc độ định mức theo kích thước miệng rãnh stator 57

Hình 3.33:Mô men theo tốc độ với sự thay đổi của miệng rãnh stator 58

Hình 3.34: Dòng điện stator theo tốc độ với thay đổi theo miệng rãnh stator 59

Hình 3.35: Hiệu suất động cơ theo sự thay đổi của miệng rãnh stator 59

Hình 3.36: Mô men cực đại theo độ rộng miệng rãnh stator 60

Hình 3.37: Mô men cực đại theo độ cao miệng rãnh stator 60

Hình 3.38:Mô men theo tốc độ với sự thay đổi độ dài khe hở không khí 61

Hình 3.39: Dòng điện stator theo tốc độ với thay đổi độ dài khe hở không khí 62

Hình 3.40: Hiệu suất động cơ theo sự thay đổi của độ dài khe hở không khí 62

Hình 3.41: Mô men cực đại theo đường kính ngoài rotor 63

Hình A1: Ứng dụng phần mềm RMxprt& Maxwell 2D/3D 65

Hình A.3: Đặc tính B-H vật liệu được dùng thiết kế động cơ của luận văn 67

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay yêu cầu về khả năng làm việc cũng như hiệu suất sử dụng của động

cơ ngày càng cao khi giá thành năng lượng gia tăng, cùng với ứng dụng của các nguồn động lực từ động cơ điện đang dần thay thế cho các nguồn động lực sử dụng dạng năng lượng khác Do đó vấn đề nghiên cứu giải pháp thiết kế để nâng cao khả năng hoạt động cho nguồn động lực này là một yêu cầu thực tế

Động cơ không đồng bộ là loại động cơ điện có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, làm việc chắc chắn, ít hỏng hóc, giá thành thấp và có dải công suất rộng Là một nguồn động lực phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp cũng như dân dụng

Vì vậy, nhằm nâng cao khả năng làm việc của động cơ không đồng bộ với mô

men quá tải lớn, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng răng, rãnh, khe hở

không khí tới khả năng quá tải của ĐCKĐB”

Luận văn này sẽ đi từ phân tích cấu trúc và đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ, qua đó xác định các thông số ảnh hưởng đến giá trị mô men cực đại

và các thông số đặc tính khác từ đó đưa ra phương hướng điều chỉnh thiết kế nhằm nâng cao khả năng quá tải của động cơ với nội dung cơ bản như sau:

hình thành và ứng dụng của động cơ không đồng bộ Xác định đặc tính làm việc cùng với các thông số ảnh hưởng đến đặc tính làm việc

cứu mối quan hệ năng lượng điện cơ Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá tải, qua đó nêu ra phương hướng nâng cao khả năng quá tải của động cơ không đồng bộ

số thiết kế”- Kiểm nghiệm thiết kế của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc cùng với phân tích ảnh hưởng của thông số miệng rãnh stator, rotor

và độ dài khe hở không khí tới khả năng quá tải của động cơ trên hai phần mềm phần mềm RMxprt và Maxwell 2D

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Nội dung trong chương 1 nêu khái quát lịch sử ra đời, phân loại, cấu tạo, nguyên lý làm việc và những ứng dụng của động cơ không đồng bộ Xác định đặc tính làm việc qua mô hình, nêu ra những yếu tố ảnh hưởng đến các đặc tính làm việc

và sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các thông số này

KHÔNG ĐỒNG BỘ

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại động cơ điện

Năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng từ trường của dòng điện Một năm sau đó, Michael Faraday đã khám phá

ra trường điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời Faraday tiếp tục khám phá ra cảm ứng điện từ năm 1831 nhưng phải đến 1833 thì Tesla mới phát minh ra động cơ không độ bộ xoay chiều, đến ngày nay các thiết kế động cơ điện vẫn xây dựng theo các lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla Các động cơ điện được chia làm hai loại

cơ bản là động cơ xoay chiều và động cơ một chiều Động cơ điện xoay chiều phổ thông gồm hai nhóm chính là động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ theo sơ đồ hình 1.1

Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất Ưu điểm của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản (đặc biệt là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc), làm việc chắc chắn, khả năng quá tải cao, hiệu suất cao, giá thành hạ,

có khả năng làm việc trong các mô trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao

Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được ứng dụng với dải công suất rộng từ vàn chục oát đến vài nghìn ki lô oát vì vậy như giá trị thị trường của động cơ không đồng bộ chiếm một thị phần rất lớn trên thị trường động cơ thế giới ví dụ như thị trường động cơ điện Bắc Mỹ với nền tản công nghệ phát triển

Hình 1.2: Tổng giá trị sản phẩm động cơ điện thị trường Bắc Mỹ năm 2007

So với động cơ một chiều thì động cơ điện không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo

Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn Riêng với động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc

có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn so với động cơ một chiều và động cơ không đồng

bộ rotor dây quấn Tuy nhiên với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển… nên việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ngày càng hiệu quả Vì vậy các hệ truyền động dùng động cơ không ngày càng chiếm

ưu thế

Tùy theo đặc điểm của dạng thiết kế, kiểu điều khiển và mục đích sử dụng có thể phân loại theo nhiều dạng khác nhau: kiểu hở, kiểu phòng nổ, rotor dây quấn, rotor lồng sóc, dây quấn một pha, dây quấn hai pha hoặc dây quấn ba pha…

Đặc trưng của động cơ không đồng bộ cũng giống như các máy điện quay khác gồm hai phần chính là phần tĩnh hay stator và phần động hay rotor

Giữa rotor và stator là khe hở không khí Có giá trị thích hợp để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và thay đổi hệ số công suất của động cơ không đồng bộ

Tuy nhiên do đặc điểm cấu tạo thì động cơ quay không đồng bộ thường được thiết kế kiểu trụ với hai dạng chính là phần tĩnh (stator) nằm bên ngoài như hình 1.3a

và phần động (rotor) nằm bên ngoài như hình 1.3b

Hình 1.3: Cấu tạo đặc trưng động cơ không đồng bộ

1.2.1 Phần tĩnh hay stator

Vỏ máy

Hình 1.4: Kết cấu cơ bản của động cơ không đồng bộ kiểu rotor lồng sóc

1 Lõi thép stator; 2 Dây quấn stator; 3 Nắp máy; 4 Ổ bi; 5 Trục máy; 6 Hộp đấu dây; 7 Lõi thép rotor; 8 Thân máy; 9 Quạt gió làm mát; 10 Hộp quạt

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, vỏ máy không phải là mạch dẫn từ, thường làm bằng gang Với vỏ máy có công suất lớn (từ 1000 kW trở lên) thường dùng thép tấm hàn lại

Lõi sắt

Hình 1.5: Lõi thép stator và rotor động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt là từ trường quay, nên có tổn hao, để giảm tổn hao người ta dùng thép kỹ thuật điện dày (0,35 ÷ 0,5 mm) ghép lại với nhau Mỗi lá thép kỹ thuật điện có sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra

Dây quấn stator

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được được cách điện với lõi sắt, dây quấn stator thường làm bằng đồng

1.2.2 Phần động hay rotor

Lõi sắt

Nói chung thì người ta dùng thép kỹ thuật điện như ở stator Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

Rotor và dây quấn của rotor

Rotor có hai loại chính của động cơ không đồng bộ được thiết kế với hai kiểu

là rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc

- Rotor kiểu dây quấn: Rotor có dây quấn giống như dây quấn stator Dây quấn

ba pha của rotor thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than

phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch

- Rotor kiểu lồng sóc: Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng

đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm gọi là lồng sóc Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rotor lồng sóc kép Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục

Hình 1.6: Phần động của động cơ không độ bộ

1.3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ

khí xuất hiện từ trường quay với tộc độ

1 1

60 f

n p



Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi rotor

từ thông của stator tạo thành từ thông khe hở không khí Dòng điện trong dây quấn rotor tác động với từ thông khe hở sinh ra mô men

1.3.2 Mô hình của động cơ không đồng bộ

Như mạch điện tương đương của stator như hình 1.7 ta thấy điện áp pha đặt vào stator khác với suất điện động cảm ứng trên dây quấn stator bởi vì có điện áp rơi trên trở kháng stator

U1 = E1 + I1(R1+jX1) (1.1)

Dòng điện pha rotor:

2 2

sE

I =

R +jsX (1.2)

2 Cu2 = 3I R2 2

Có thể được viết lại công thức tính dòng điện pha rotor ở trên bằng cách chia

cả tử và mẫu cho hệ số trượt s

2 2

2 2

E

I =R+jXs

Hình 1.7: Mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ

Dòng điện I2 theo (1.2) là tại tần số f2, còn I2 theo (1.4) ứng với tần số f1 và

gồm công suất cơ và công suất tổn hao trên dây quấn rotor(1.5)

ta có:

2 2

Hình 1.8: Giản đồ năng lượng trong động cơ không đồng bộ

1.4.1 Phương trình đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ

Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay thế hình Γ như hình 1.9 với một số giả thiết:

- Ba pha của động cơ là đối xứng, khe hở không khí là đồng đều

- Các thông số của động cơ không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rotor không phụ thuộc vào tần số dòng điện Mạch từ của máy điện chưa bão hòa nên các điện kháng không đổi

- Tổng dẫn mạch từ hóa không đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc vào tải

mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator động cơ

- Bỏ qua tổn hao ma sát

- Điện áp lưới đối xứng hình sin

Từ sơ đồ thay thế hình Γ ta dễ dàng tính được quan hệ của mômen điện từ của máy so với hệ số trượt theo biểu thức 1.6:

2 / 2

Đây chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ

Hình 1.9 Sơ đồ thay thế máy điện không đồng bộ hình Γ

2 f

p



Nếu ta biểu diễn đặc tính theo công thức 1.6 trên đồ thị sẽ là đường cong như hình 1.10 Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong này bằng cách giả phương

 

Trong hai biểu thức (1.7) và (1.8) dấu “+” ứng với chế độ động cơ; dấu “-”

2 1

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ có thể biểu diễn thuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số giữa (1.7) và (1.9) và biến đổi ta có biểu thức 1.10 dưới đây:

th

th th

M

s s

1

r C

r

a 

Trong các động cơ điện không đồng bộ thường r 1 r2/ và s th0 ,1 0,2 nên as th

rất nhỏ so với các số hạng đứng trước nó, ta có thể viết công thức (1.10) như sau (công thức Klox):

2

(1.11)

th dt

th th

M M

s s





Trong đó:

' 2

th nm

r s x

cơ không đồng bộ M j  f n( ) có thể coi bằng M đt  f (n), do đó đường đặc tính

Hình 1.10: Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ

Trong chế độ động cơ điện (0<s<1) không đồng bộ lấy điện năng từ lưới điện

và biến năng lượng điện thành năng lượng cơ, quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của động cơ điện không đồng bộ như hình 1.11

Công suất cơ này có giá trị dương nếu mô men động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay Ngược lại, công suất cơ có giá trị âm khi mô men động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay theo công thức 1.13

GD J g

cơ từ tải và công suất điện từ từ lưới và biến thành tổn hao đồng trên rotor

Trong quá trình khởi động động cơ điện không đồng bộ, mô men khởi động là đặc tính chủ yếu nhất trong quá trình khởi động động cơ Muốn cho động cơ khởi động được thì mô men khởi động của động cơ phải lớn hơn mô men tải tĩnh và ma sát tĩnh Trong quá trình tăng tốc, phương trình cân bằng động về mô men tuân theo công thức 1.13

Khi bắt đầu mở máy thì rotor đứng yên, hệ số trượt s = 1 nên giá trị dòng điện

mở máy có thể tính theo công thức 1.14

r C r x C x



Hình 1.11: Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ

Trên thực tế, do mạch từ tản bão hoà rất nhanh, điện kháng giảm xuống nên dòng điện mở máy sẽ lớn hơn giá trị tính toán ở công thức 1.14

Từ phân tích quá trình khởi động của động cơ không đồng bộ thấy rằng đặc điểm dòng khởi động động cơ rotor dây quấn khi khởi động có thể thay đổi giá trị điện trở rotor cho lên dòng điện khởi động không có bội số, dòng điện khởi động quá lớn so với giá trị điện trở thật của dây quấn rotor (1-1.5Iđm) Còn với động cơ rotor lồng sóc, khi khởi động đóng trực tiếp động cơ vào lưới với điện áp định mức thì giá trị bội số

1.4.2 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ theo công thức 1.10

lúc này đã lớn hơn 2.5 lần giá trị dòng điện định mức dẫn đến việc bão hòa răng, lúc

đó có hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn rotor lên các tham số về điện trở và kháng trở của động cơ cũng thay đổi

Ta có thể dựa vào những phương án để thay đổi đặc tính làm việc của động cơ như phương án thay đổi thiết kế dây quấn, vật liệu, thông số của răng rãnh của rotor

và stator động cơ không đồng bộ, kích thước khe hở không khí giữa stator và rotor để thay đổi giá trị điện trở và điện kháng của động cơ với các kích thước cơ bản đã được thiết kế theo tiêu chuẩn

Từ phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ công thức đã phân tích ta thấy các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ bao gồm:

- Giá trị của điện trở, điện kháng stator

- Giá trị của điện trở, điện kháng mạch rotor

- Số pha của nguồn cấp cho động cơ

- Số cặp cực trên dây quấn stator

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trong chương 1 tác giả đã nêu ra được quá trình hình thành, phát triển và vai trò của động cơ không đồng bộ trong các ứng dụng công nghiệp cũng như dân dụng rộng lớn Để đạt được các kết quả như vậy thì những ưu điểm về cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ đã được phát huy mạnh mẽ

Từ đặc tính của động cơ không đồng bộ xác định được công thức tính giá trị

mô men cực đại liên quan đến các thông số kết cấu động cơ thông qua các giá trị điện trở và điện kháng của rotor và stator Đây là cơ sở lý thuyết để phân tích các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến khả năng quá tải của động cơ Đồng thời từ đó xác định sự ảnh hưởng giữa các thông số trên đường đặc tính như mô men cực đại với mô men khởi động, mô men định mức

Qua đó thấy rằng việc thiết kế động cơ không đồng bộ là bài toán thỏa thuận giữa các thông số và đặc tính của động cơ như mô men khởi động, mô men cực đại

và mô men định mức của động cơ

CHƯƠNG 2

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Qua những phân tích trong chương 1 tác giả đã đưa ra được công thức chỉ ra ảnh hưởng của các thông số thiết kế tới mô men của động cơ Trong chương này tác giả sẽ nói rõ hơn các ảnh hưởng của thông số thiết kế tới giá trị của mô men quá tải qua giá trị của điện kháng tản, điện trở rotor và những phương án điều chỉnh thiết kế

để làm tăng giá trị của mô men cực đại nhằm nâng cao khả năng quá tải của động cơ

os

'

(2.1) [(R ' / ) ( ' ) ]

I2: dòng điện pha dây quấn rotor cosφ2: hệ số công suất suất trên rotor

Từ công thức 2.1 ta thấy rõ quan hệ trao đổi năng lượng từ sang năng lượng

cơ trong động cơ không đồng bộ Về mặt điện từ cho thấy sự phụ thuộc vào góc lệch pha giữa sức điện động và dòng điện, về mặt cơ khí thì phụ thuộc vào mô men điện

- Mô men cực đại không phụ thuộc vào điện trở rotor

- Điện trở rotor càng lớn thì hệ số trượt tới hạn càng lớn

- Với tần số cho trước thì mô men cực đại tỉ lệ nghịch với điện kháng (x1+C1x2)

- Hệ số trượt tới hạn và mô men khởi động phụ thuộc vào giá trị điện trở rotor

- Với tần số cho trước thì sự thay đổi giá trị mô men cực đại kéo theo sự thay

đổi giá trị của hệ số trượt tới hạn và mô men khởi động

Theo phương trình cân bằng mô men ta thấy động cơ điện không đồng bộ có thể làm việc ở nhiều điểm khác nhau khi có sự thay đổi của mô men tải thì đáp ứng tốc độ sẽ phải thay đổi theo đường đặc tính làm việc phù hợp với xu hướng thay đổi của mô men tải Điều kiện để động cơ không đồng bộ làm việc ổn định phải thỏa mãn điều kiện trong công thức 2.2

dt c dt c

2.1.2 Khả năng quá tải của động cơ không đồng bộ

Khi động cơ điện không đồng bộ làm việc bình thường thì mô men điện từ của

ngắn động cơ có khả năng mang tải lớn hơn mà không có hỏng hóc về mặt kết cấu cũng như khả năng thay đổi đặc tính, do đó thông số động cơ cần quan tâm đó là thời gian quá tải và giá trị mô men quá tải Vì vậy khi xét khả năng quá tải động cơ không đồng bộ thì ta xét đến thông số chính là giá trị mô men cực đại với hệ số trượt tới hạn

mà động cơ đó có thể đạt được

Tùy vào tính chất từ và độ bền cơ của vật liệu được sử dụng thì giá trị của mô men quá tải có thể lớn hơn 1.6-1.8 lần giá trị mô men định mức đối với động cơ điện không đồng bộ loại nhỏ, lớn hơn 1.8-2.5 lần giá trị mô men định mức đối với động

cơ điện không đồng bộ loại trung bình và lớn

ĐIỆN TRỞ ROTOR TRONG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

2.2.1 Sự thay đổi các thông số do hiện tượng hiệu bề ứng mặt ngoài

Khi động cơ làm việc, trên rotor xuất hiện hiệu ứng bề mặt, dòng điện có sự phân bố mật độ cao về phía miệng rãnh và giá trị của từ trường tản được phân bố như hình 2.1a

Với chiều cao tương đối của rãnh theo công thức 2.3

5 11

sf b

ψ = 1.5/ ζ

Hình 2.1: Ảnh hưởng hiện tượng hiệu ứng bề mặt trong rãnh

theo công thức 2.3

Hình 2.2: Đường cong φ, ψ = f(ζ)

cao rãnh rotor có ảnh hưởng rất lớn tới giá trị điện trở của thanh dẫn rotor, những ảnh hưởng này sẽ được làm rõ ở mục sau

tính toán điện trở thanh dẫn theo công thức 2.4

(2.4)

Khi đó điện trở rotor được tính toán theo công thức 2.5

2

2 2

v r

r

p Z

 



Dòng điện do hiệu ứng bề mặt chỉ gây ra sự thay đổi từ dẫn tản rãnh rotor Từ

tổng từ dẫn rotor theo công thức 2.6

    

trị được tính toán tùy theo kiểu rãnh

Khi đó điện kháng rotor khi xét đến hiệu ứng bề mặt theo công thức 2.7

2

2(2.7)





2.2.2 Ảnh hưởng của bão hòa răng đến giá trị điện kháng tản

Các giá trị về sức từ động và sức điện động có quan hệ với từ thông và dòng điện qua đường cong từ hóa của vật liệu chế tạo mạch từ

Theo sự phân bố của từ thông như hình 2.3 cho thấy mật độ từ thông tập trung lớn hơn trên đầu răng Do sự bão hòa này trên răng cho lên hệ số dẫn từ của từ trường tản giảm xuống Căn cứ vào đó tìm ra sự biến đổi tương đương của rãnh theo giá từ thông tản khi bão hòa

Khi dòng điện trong dây quấn lớn sẽ sinh ra hiện tượng bão hòa mạch từ, chủ yếu ở phần đầu răng do từ trường tản trong rãnh và từ trường tản làm cho giá trị điện kháng của stator cũng như rotor giảm xuống

Hình 2.3: Mật độ phân bố đường sức từ trong máy điện không đồng bộ

Xét trạng thái làm việc của động cơ không đồng bộ ở trạng thái làm việc quá

độ Giá trị của dòng điện ngắn mạch khi bão hòa có thể được tính gần đúng theo công thức 2.8

Sức từ động trung bình của một rãnh stator theo công thức 2.9 ở trạng thái bão hòa từ

Z1, Z2: số rãnh stator và rotor

Mật độ từ thông quy đổi trong khe hở không khí ở trạng thái bão hòa từ theo công thức 2.10

(2.10) 1.6

rtb bh

F B

Quan hệ giữa từ thông bão hòa qui đổi và tỉ số giữa từ thông tản bão hòa với

đầu răng nên hệ số từ dẫn trên răng của từ trường tản giảm xuống Qua đó xác định

λt1bh: hệ số từ dẫn tản răng khi bão hòa stator

Và giá trị của điện kháng stator khi xét đến bão hòa từ theo công thức 2.13

bh r bh t bh d bh

nbh

n bh

U I

Z



KHÔNG ĐỒNG BỘ

2.3.1 Điều chỉnh thông số liên quan đến hiệu ứng bề mặt

Công thức tính điện trở của một thanh dẫn được tính toán theo công thức 2.18 dưới đây:

lv td

L R

Ltd: chiều dài dây quấn của một pha ở một nhánh song song

Std: tiết diện tác dụng của dây dẫn

Điện trở mỗi pha dây quấn stator theo công thức 2.19

i i

L R

S a





Điện trở của rotor được tính theo công thức 2.20

Trong phân tích ở chương 1 về đặc điểm kết cấu rãnh rotor thấy rằng tổng từ thông của dây quấn gồm từ thông móc vòng chính và từ thông móc vòng tản được nêu ra trong công thức 2.22

 Thông số ảnh hưởng tới điện trở rotor

vậy tại mỗi loại rãnh khác nhau thì giá trị của hệ số này khác nhau Phân tích các hình dạng rãnh rotor điển hình với động cơ không đồng bộ như hình 2.4

Hình 2.4: Kích thước rãnh rotor dùng để xác định chiều sâu quy đổi

l 

 

gió ngang trục

td R hr

S K S



Với rãnh rotor dạng tròn thì điều kiện xét đến hiệu ứng mặt ngoài khi ζ>1 và giá trị của hệ số KR theo công thức 2.25

l 

 

 Thông số ảnh hưởng đến điện kháng rotor

kiểu rãnh Với loại rãnh hình 2.4a thì giá trị của hệ số từ tản theo công thức 2.26 với dây dẫn bằng đồng

h

b b



Với loại rãnh như hình 2.5d giá trị của hệ số từ tản rãnh theo công thức 2.31

số giữa h4/b4 được thay bằng giá trị theo công thức 2.32

Hình 2.5: Kích thước rãnh rotor dùng để xác định điện kháng tản rotor

2.3.2 Điều chỉnh thông số liên quan tới sự bão hòa răng

mạch từ vì vậy tại mỗi loại rãnh khác nhau thì giá trị của hệ số này khác nhau Phân tích các hình dạng rãnh rotor điển hình với động cơ không đồng bộ cho thấy:

Trong công thức 2.9 và 2.10 cho thấy giá trị của mật độ từ thông bão hòa quy

Các giá trị thay đổi của hệ số từ dẫn stator theo kiểu rãnh stator như hình 2.4

- Rãnh hở hình 2.7a theo công thức 2.33

1 1

Các giá trị thay đổi của hệ số từ dẫn rotor theo kiểu rãnh stator như hình 2.4