Giáo trình Máy điện 1 (Phần 3: Máy điện không đồng bộ) - Chương 9: Nguyên lý máy điện không đồng bộ

Máy điện 1 (Phần 3: Máy điện không đồng bộ) - Chương 9: Nguyên lý máy điện không đồng bộ giới thiệu tới người đọc các nội dung: đại cương về máy điện không đồng bộ, cấu tạo của động cơ không đồng bộ, nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ, phương trình cân bằng của động cơ không đồng bộ, mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết

155 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 2008 156 PHẦN THỨ BA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Chƣơng NGUYÊ N LÝ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 9.1 ĐẠI CƢƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ Máy điện khơng đồng máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ rotor n khác với tốc độ từ trường quay máy n1 Máy điện khơng đồng làm việc hai chế độ: Động máy phát Máy phát điện khơng đồng dùng có đặc tính làm việc khơng tốt, nên chương nầy ta chủ yếu xét động không đồng Động không đồng sử dụng nhiều sản xuất sinh hoạt chế tạo đơn giản, giá thàng rẽ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao gần khơng bảo trì Gần kỹ thuật điện tử phát triễn, nên động không đồng đáp ứng yêu cầu điều chỉnh tốc độ động sử dụng rộng rãi Dãy công suất rộng từ vài watt đến hàng ngàn kilowatt Hầu hết không đồng động ba pha, có số động cơng suất nhỏ pha Trên nhãn máy người ta ghi số liệu định mức động không đồng sau: Công suất định mức động cơ: Pđm.(W, kW) Điện áp định mức stator: Uđm(V) Dòng điện định mức stator: Iđm.(A) Tốc độ quay định mức rotor: nđm.(vòng/phút) Hệ số công suất định mức: cosđm Hiệu suất định mức: đm Công suất định mức động công suất có ích trục, nên cơng suất tác dụng định mức động không đồng nhận từ lưới điện: P P1âm  âm   U âm I âm cos âm (9-1) âm Mômen định mức động xác định theo công thức: Pđm ( W) M đm   đm (rad / s) (9-2) 157 n đm , nên 9,55 Pđm (kW )  9550 n đm ( vòng/ phút)  đm  2  n đm / 60  với M đm (9-3) Trong đó: Pđm (W, kW) cơng suất có ích trục đm (rad/s) = tốc độ góc định mức động Trên nhãn động ba pha ghi Uđm - /Y- 220/380V, nghĩa lưới điện có điện áp dây 220V, động nối hình tam giác , 380V nối hình Y 9.2 CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Cấu tạo máy điện khơng đồng trình bày hình 9-1, gồm hai phận chủ yếu stator rotor, ngồi có vỏ máy, nắp máy trục máy Trục làm thép, gắn rotor, ổ bi phía cuối trục có gắn quạt gió để làm mát máy dọc trục 9.2.1 Stator (sơ cấp hay phần ứng) Stator gồm hai phận lõi thép dây quấn, ngồi có vỏ máy nắp máy Còn hình 9-3c ký hiệu động sơ đồ điều khiển 10 Hình 9-1 Cấu tạo động điện không đồng Lõi thép stato; Dây quấn stato; Nắp máy; ; Ổ bi; Trục máy; 6.Hộp dầu cực; 9- Lõi thép rôto; Thân máy; Quạt gió làm mát; 10 Hộp quạt a) Lõi thép : 158 Lõi thép stator phần dẫn từ, có dạng hình trụ (hình 9-2b), làm thép kỹ thuật điện để giảm tổn hao từ trường qua lõi thép từ trường quay Phía lõi thép dập rãnh (hình 9-2a) ghép lại với tạo thành rãnh theo hướng trục Lõi thép ép vào vỏ máy b) Dây quấn : Dây quấn stator thường làm dây đồng có bọc cách điện đặt rãnh lõi thép cách điện tốt với lõi sắt Kiểu dây quấn, hình dạng cách bố trí dây quấn trình bày chương (xem lại chương 3) Dòng điện xoay chiều ba pha chạy dây quấn ba pha stator tạo nên từ trường quay (xem lại chương 5) c) Vỏ máy : Vỏ máy gồm có thân nắp, thường làm gang (hình 9-1) iA iA (b) (a) Hình 9-2 Kết cấu stator máy điện không đồng a) Lá thép stator rotor; b) Lõi thép stator 9.2.2 Rotor (thứ cấp hay phần quay) Rotor phần quay gồm lõi thép, dây quấn trục máy ĐC (a) (b) Hình 9-3 Cấu tạo rotor động không đồng a) Dây quấn rotor lồng sóc c) Lõi thép rotor d) Ký hiệu động sơ đồ (d) 159 a) Lõi thép: Lõi thép rotor gồm thép kỹ thuật điện lấy từ phần bên lõi thép stator ghép lại, mặt ngồi lõi thép dập rãnh (hình 9-2a) để đặt dây quấn, có dập lỗ để lắp trục b) Dây quấn: Dây quấn rotor máy điện khơng đồng có hai kiểu : rotor ngắn mạch gọi rotor lồng sóc rotor dây quấn  Rotor lồng sóc (hình 9-3a) gồm đồng nhôm đặt rãnh bị ngắn mạch hai vành ngắn mạch hai đầu Với động nhỏ, dây quấn rotor đúc nguyên khối gồm dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt cánh quạt làm mát (hình 9-3b) Các động công suất 100kW dẫn làm đồng đặt vào rãnh rotor gắn chặt vào vành ngắn mạch  Rotor dây quấn (hình 9-4) quấn giống dây quấn ba pha stator có số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu nầy ln ln đấu (Y) có ba đầu đấu vào ba vành trượt Vành trượt gắn vào trục quay rotor cách điện với trục Ba chổi than cố định tỳ vành trượt nầy để dẫn điện vào biến trở nối nằm động để khởi động điều chỉnh tốc độ A B C Vành trượt Chổi than Dây quấn stator Dây quấn rotor (đấu Y) (đấu Y ) Biến trở Hình 9-4 Cấu tạo động không đồng ba pha rotor dây quấn 160 9.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Khi có hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha, tần số f 1, chảy dây quấn stator, hệ thống dòng dòng điện tạo từ trường quay với tốc độ n1=60f1/p Từ trường quay cắt dẫn dây quấn rotor cảm ứng sđđ E2 Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên sđđ cản ứng E2 sinh dòng điện I2 dẫn rotor Từ thơng dòng điện nầy sinh hợp với từ thơng stator tạo thành từ thông tổng khe hở Dòng điện dây quấn rotor I2 tác dụng với từ thơng khe hở sinh moment Tác dụng có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n rotor (hình 9-5) Trong phạm vi tốc độ khác chế độ làm việc máy khác Sau ta nghiên cứu tác dụng chúng ba phạm vi tốc độ Hệ số trượt s máy Sự khác tốc độ từ trường quay (tốc độ đồng bộ) n1 tốc độ rotor n gọi tốc độ trƣợc n2, tỉ số tốc độ trược tốc độ đồng gọi hệ số trƣợt s Các biểu thức tương ứng là: n2 = n1 - n (9-4) s n1  n n1 (9-5) Như tốc độ rotor tốc độ từ trường quay (n = n1) hệ số trượt s = 0, n = s = 1; n > n1, s < rotor quay ngược chiều từ trường quay n < s > 9.3.1 Rotor quay chiều từ trƣờng quay có tốc độ n < n1 (0 < s < 1) Gỉa thiết chiều quay từ trường khe hở quay với tốc độ n1 rotor quay với tốc độ n trình bày hình 9-5a Theo qui tắc bàn tay phải, xác định chiều sđđ E2 I2; theo qui tắc bàn tay trái, xác định lực F moment M Ta thấy lực F chiều quay rotor, nghĩa điện đưa tới stator, thông qua từ trường biến đổi thành trục làm quay rotor theo chiều từ trường quay với tốc độ n, máy làm việc chế độ động điện S Fđt n1 n1 Fđt  Fđt  BB n Fđt S S n1 BB n Fđt  Fđt BB n N N N (a) (b) (c) Hình 9-5 Quá trình tạo moment máy điện không đồng 161 Tốc độ rotor máy n nhỏ tốc độ từ trường quay n1, tốc độ khơng có chuyển động tương đối, dây quấn rotor khơng có sđđ dòng điện cảm ứng, nên lực điện từ không Khi rotor đứng yên, tốc độ n = 0, hệ số trượt s = 1; rotor quay định mức sđm= 0,02  0,08 từ cơng thức (9-5), ta có tốc độ động là: n = n1(1-s) = 60f1 (1-s) vg/ph p (9-6) Như động làm việc chế độ định mức thường hệ số trượt khoảng sđm= 0,02  0,08, rotor có tốc độ n gần tốc từ trường quay (độ đồng bộ) n1 9.3.2 Rotor quay chiều từ trƣờng quay nhƣng có tốc độ n > n1 (s < 0) Dùng động sơ cấp quay rotor máy điện không đồng vượt tốc độ đồng bộ, n > n1 Lúc chiều từ trường quay quét qua dây quấn rotor ngược lại, sđđ dòng điện dây quấn rotor đổi chiều nên chiều moment M ngược chiều n1, nghĩa ngược chiều rotor, nên moment hãm (hình 9-5b) Như máy biến tác dụng lên trục động cơ, động sơ cấp kéo thành điện cung cấp cho lưới điện, nghĩa máy điện không đồng làm việc chế độ máy phát điện 9.3.3 Rotor quay ngƣợc chiều từ trƣờng quay độ n < (s > 1) Vì nguyên nhân mà rotor máy quay ngược chiều từ trường quay (hình 9-5c), lúc nầy chiều sđđ, dòng điện moment giống chế độ động Vì moment sinh ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotor lại Trong trường hợp nầy, máy vừa lấy điện lưới điện vào, vừa lấy từ động sơ cấp Chế độ làm việc gọi chế độ hãm điện từ 9.4 PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 9.4.1 Phƣơng trình điện áp dây quấn stator Dây quấn stator động tương tự dây quấn sơ cấp máy biến áp, ta có phương trình điện áp là: 1 E   I1 (R  jX1 )  E   I1Z1 U (9-7) đó: Z1 = R1 + jX1: tổng trở pha dây quấn stator * R1 điện trở dây quấn stator * X1 điện kháng tản dây quấn stator E1 sđđ pha stator từ thơng từ trường quay sinh có trị số là: Với E1 = 4,44f1N1kđq1max N1, số vòng dây pha dây quấn stator kdq1 hệ số dây quấn dây quấn stator max biên độ từ thông từ trường quay f1 tần số dòng điện dây quấn stator (9-8) 162 9.4.2 Phƣơng trình điện áp dây quấn rotor a Ảnh hưởng hệ số trượt đến tần số rotor Từ trường quay với tốc độ n1, rotor quay với tốc độ n theo chiều từ trường quay Vậy từ trường quay dây quấn rotor có tốc độ trượt n2: n2 = n1 - n Tần số sđđ dòng điện dây quấn rotor : f2  n p n  n n 1p    sf1 60 n1 n1 (9-9) đó, s - hệ số trượt động không đồng bộ, lúc làm việc chế độ tải định mức, thường sđm = 0,02  0,08 Nếu f1 = 50Hz f2 = (1-4)Hz b Ảnh hưởng hệ số trượt đến sđđ rotor Sđđ pha cảm ứng dây quấn rotor lúc quay E2s là: E2s = 4,44f2N2kdq2max (9-10) Từ cơng thức (9-13), vào (9-14a), ta có: E2s = 4,44sf1N2kdq2max (9-11) Trong đó: N2 số vòng dây pha dây quấn rotor kdq2 hệ số dây quấn dây quấn rotor Khi rotor đứng yên s = 1, tần số f2 = f1 Sđđ cảm ứng dây quấn rotor lúc đứng yên E2 là: E2 = 4,44f1N2kdq2max So sánh (9-11) (9-12), ta nhận được: E 2s  sE Từ (9-8) (9-12), ta có tỉ số sđđ pha stator rotor : k dq1 N1 N s E ae    E k dq2 N N r với: (9-12) (9-13) (9-14) ae gọi hệ số qui đổi sđđ rotor stator Ns = kdq1N1 số vòng dây hiệu dụng dây quấn stator Nr = kdq2N2 số vòng dây hiệu dụng dây quấn rotor c Phương trình điện áp dây quấn rotor Phương trình cân điện áp dây quấn rotor của động khơng đồng có cách phân tích mơ hình mạch điện pha trình bày hình 9-6 Để thuận tiện cho việc phân tích, ta giả thiết stator lí tưởng nghĩa từ trường sinh có biên độ tốc độ quay khơng đổi, khơng có tổn hao sắt, đồng sụt áp dây quấn stator Rotor thay mạch điện đứng yên gồm điện trở R2, điện kháng X2 sđđ cảm ứng dây quấn rotor E2 Sđđ cảm ứng dây quấn rotor từ trường quay stator có tần số f2 =f1 Mơ hình 163 pha động rotor dây quấn trình bày hình 9-6a, động rotor lồng sóc qui đổi rotor dây quấn tương đương Từ trường quay stator 1 U I jX2 E Stator R2 Rotor f2 = f1 (a) Từ trường quay stator I R2 jsX2 sE jsX2 Rotor 2 f2 = sf1 (c) (b) Từ trường quay stator I E (d) jX2 Z2s R2/s R2 jX2 Rotor Z2/s 2 (e) R2/s Hình 9-6 Sơ đồ mạch điện tương đương động điện không đồng với stator lí tưởng rotor thực Điện trở rotor R2 phụ thuộc vào chiều dài, tiết diện ngang, điện trở xuất hiệu ứng mặt dẫn rotor, điện trở điều chỉnh động rotor dây quấn Điện kháng tản dây quấn rotor phụ thuộc vào chiều sâu rãnh, tần số dòng điện dây quấn rotor khe hỡ khơng khí lõi thép stator rotor Điện kháng tản dây quấn rotor lúc đứng yên (blocked-rotor): X2 = 2f1L2 (9-15) Điện kháng tản dây quấn rotor lúc quay: 164 X2s = 2f2L2 = 2sf1L2 X2s = sX2 (9-16) đó: L2 điện cảm tản dây quấn rotor Giống MBA, ta viết phương trình cân điện áp mạch điện rotor lúc quay, ý dây quấn rotor ngắn mạch nên U2 = 0, ta có phương trình là:  2s  I (R  jX 2s ) (9-17) 0E hay: (9-18)  sE  I (R  jsX )  sE  I Z 2 2 2 2s đó: Z2s = R2 + jsX2 tổng trở dây quấn rotor lúc quay trình bày hình 9-6c, R2 điện trở pha dây quấn rotor Từ phương trình (9-18), ta có mạch điện tương đương hình 9-6b, tính dòng điện dây quấn rotor:  sE I  sE  (9-19) Z 2s R  jsX Ta viết lại (9-19) chia tử mẫu số cho s, ta có sau:  E I  E  Z 2s / s R / s  jX (9-20) Từ phương trình (9-20), ta có mạch điện tương đương hình 9-6d Z Z Giả thiết E  E 0o  2 , ta có: s s o  I  E  E 0  E    2 Z 2s / s Z / s2 Z / s (9-21) Trong góc 2 góc tổng trở phức Ẕ 2/s trình bày hình 9-6e, góc lệch pha sđđ E2 dòng điện I2 Hai tổng trở Ẕ 2s Ẕ 2/s khác môđun không khác argumen Biểu diễn Ẕ 2/s 2 mối quan hệ hình thành chúng, trình bày hình 9-6e Từ phương trình (9-21), ta có trị số hiệu dụng dòng điện rotor: sE sE2 (9-22) I2   Z 2s R  (sX ) 2 Ta viết lại (9-22) chia tử mẫu số cho s, ta có trị số hiệu dụng dòng điện rotor sau: E2 I2  (9-23) R ( )  X 22 s  X  Và: (9-24) 2  artg  R / s   184 R 1  2R 1  R 1 R 1  2R 1  1,5R DC R DC  R1 (9-68) 9.9.2 Thí nghiệm khơng tải Thí nghiệm khơng tải để xác định điện kháng từ hóa XM tổ hao sắt, ma sát, quạt gió Các tổn hao khơng đổi tải thay đổi Sơ đồ nối dây thí nghiệm động khơng đồng trình bày hình 9-15, dây quấn stato động nối vào lưới điện có điện áp tần số định mức, đầu trục động khơng nối với tải, lúc ta đo đại lượng nhờ dụng cụ đo sau : Công suất không tải Po (3-pha, tổng cơng suất hai Watt kế) Dòng điện khơng tải Io (tính trung bình từ ampe kế) Điện áp khơng tải Uo (tính trung bình từ vôn kế) Công suất không tải Po (tổn hao không tải) tổn thất công suất đầu trục zéro, bao gồm : tổn hao đồng stato, tổn hao sắt tổn hao quay (tổn hao quạt gío, ma sát tổn hao phụ) Tổn hao sắt lõi thép xảy stato, rôto không đáng kể, hệ số trượt thấp (so=0,001), nên tần số dòng điện dây quấn rơto thấp, khoảng 0,05Hz K Nguồn AC ba pha * * W A V V ĐK A V A * W * Hình 9.15 Sơ đồ thí nghiệm ĐK ba pha Trị số dòng điện khơng tải động khơng đồng khoảng 20 - 40% dòng điện định mức có khe hở khơng khí Tổn thất đồng stato khơng tải cần tính tốn, cách đo điện trở chiều hiệu chỉnh theo dòng điện xoay chiều (50Hz) Công suất Pcơ tương ứng với điện trở giả tưởng có hệ số trượt so thấp Vì R’2/so + jX’2 >> Rfe jXM nên bỏ qua R’2/so + jX’2 Từ mạch điện thay hình 9-7b khơng tải trình bày hình 9.16a Ta thấy mạch điện thay hình 9-16a có hai nhánh Rfe XM nối song song nên chuyển mắc nối tiếp thành Z0: 185 Z0  Trong đó: R  R fe  X 2M R fe2  X 2M R1 I  U R fe  jX M  R  jX R fe  jX M X  R fe2  X M R fe2  X 2M  X M Rfe