Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 7: Máy điện không đồng bộ

Bài giảng chỉ tập trung vào các hiện tượng và các mạch tương đương cơ bản, rút ra từ quan điểm năng lượng. Tham khảo nội dung bài giảng để nắm bắt nội dung chi tiết.

Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Máy điện không đồng - Giới thiệu ĐH Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử – Bộ Môn Thiết Bị Điện  Đây loại máy điện dùng rộng rãi động Bài giảng: Biến đổi lượng điện cơ công nghiệp Cả stato lẫn rôto tải dòng điện Chương 7: Máy điện khơng đồng xoay chiều  Các đặc tính hồn hảo thu thơng qua biến đổi công suất tiên tiến Biên soạn: Nguyễn Quang Nam Cập nhật: Trần Công Binh  Bài giảng tập trung vào tượng mạch tương đương bản, rút từ quan điểm lượng NH2012–2013, HK2 Máy điện không đồng Máy điện không đồng Máy điện không đồng - Giới thiệu (tt) Cấu tạo máy  Lõi thép stato rôto ghép từ thép, với rãnh cho dây  Stato giống hệt máy điện đồng bộ, với dây quấn Rơto có số cánh khuấy hai đầu để đối lưu khơng khí bên quấn pha, tạo từ trường quay tốc độ đồng ws máy Ở phía khơng gắn tải trục máy quạt thơng gió = pwm, với p số đôi cực wm tốc độ học tính Dây quấn stato Quạt thơng gió rad/s  Rơto có dây quấn pha có số cực với Cánh khuấy stato, nhờ cảm ứng từ trường, biện pháp nhân Rơto lồng sóc tạo Rơto ngắn mạch bên máy (rơto lồng sóc) hay bên ngồi thơng qua vành trượt (rôto dây quấn) Trục Ổ đỡ Máy điện không đồng Máy điện không đồng Cấu tạo stato Cấu tạo rôto dây quấn  Lõi thép ghép từ mỏng, có rãnh cho dây quấn pha Các nêm  Lõi thép ghép từ mỏng, với rãnh cho dẫn rôto Các dùng để giữ cuộn dây rãnh Dây quấn pha tạo từ dẫn rơto bố trí thành dây quấn pha Dây quấn pha trường quay cung cấp hệ dòng điện pha nối với điện trở ngồi hay nguồn độc lập thơng qua vành trượt, để đạt đặc tính mong muốn, tùy theo điều kiện tải Thanh dẫn rôto Rãnh stato Nêm Trục Đầu nối cuộn dây Răng stato Cánh khuấy Vành trượt Máy điện không đồng Máy điện không đồng Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Cấu tạo rơto lồng sóc Hình ảnh động khơng đồng thực  Lõi thép ghép từ mỏng, có rãnh cho dẫn rôto Các dẫn nối ngắn mạch với thơng qua vòng ngắn mạch hai đầu Có cánh khuấy vòng ngắn mạch để cải thiện việc làm mát bên máy Các dẫn động nhỏ nghiêng rãnh để giảm nhiễu cải thiện hiệu Thanh dẫn rơto Cánh khuấy Vòng ngắn mạch Máy điện khơng đồng Máy điện không đồng Hoạt động động không đồng Hoạt động động khơng đồng (tt)  Dòng điện pha đưa vào dây quấn stato, tạo từ  Một cách lý tưởng, mơmen sinh (bởi dòng điện cảm trường quay tốc độ đồng Nếu tốc độ rôto khác với tốc ứng) tăng tốc rôto, theo định luật Lenz’s, tốc độ đồng bộ, xuất dòng điện cảm ứng bên dây độ rôto với tốc độ đồng bộ, mơmen giảm xuống quấn rơto, với số cực dây quấn stato  Dòng điện cảm ứng bên dây quấn rôto tạo  Trong thực tế, tổn hao công suất (thơng gió, ma từ trường quay, tương tác với từ trường tạo dây quấn sát, v.v ) rôto không đạt tốc độ đồng bộ, mà stato, sinh mômen trượt lùi so với từ trường quay, tạo vừa đủ mômen để chống lại mômen cản (trong điều kiện không tải hay có tải) Máy điện khơng đồng Hoạt động động KĐB (tt) 10 Hoạt động động KĐB (tt)  Trong động có p đơi cực, tốc độ học wm (tính rad/s) thỏa mãn Máy điện không đồng  Dẫn đến wr  w s  pwm  sw s w s  wr  pwm với ws wr tần số stato rơto tính rad/s  Hai trường hợp đặc biệt: s = tốc độ đồng bộ, s =  Độ lớn dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào khác biệt điều kiện đứng yên (mở máy) tốc độ từ trường quay stato thân rôto Sự khác biệt tốc độ biểu diễn đại lượng không thứ nguyên gọi độ trượt s sau s ns  n w s  pw m  ns ws Máy điện không đồng 11 Máy điện không đồng 12 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Phân tích máy cực Phân tích máy cặp cực (tt)  Bằng phương pháp lượng, thấy mơmen  Thực tế, động khơng đồng xem cho máy biến áp tổng quát với thứ cấp quay tròn T e   I ms I mr M sin      Giả sử số vòng dây hiệu dụng stato a lần số với Ims Imr tương ứng giá trị đỉnh dòng điện vòng dây rôto, tất đại lượng rôto quy đổi stato rơto phía stato sau  Sẽ có ích mơmen biểu diễn mạch tương đương, giống với mạch tương đương a Rr  Rr' máy biến áp Máy điện không đồng a Lr  L'r a Lmr  L'mr Máy điện không đồng 13 Mạch tương đương pha iˆar a  iˆar' ' avar  var tham số điện máy Điều thực với 14 Mạch tương đương gần  Để nối hai mạch stato rôto với nhau, hai mạch phải  Điện trở rơto coi tổ hợp R’r R’r(1 – s)/s Phần tử thứ tần số mức điện áp Nếu bỏ qua điện trở stato, mạch tương biểu diễn tổn hao đồng rơto, phần tử thứ hai biểu diễn tổng công đương cho pha máy với trở kháng quy đổi stato có suất học tạo động dạng hình  Có thể rút phiên đơn giản hóa cách chuyển điện cảm từ hóa aM sang bên trái, tạo thành mạch tương đương gần  Lls điện cảm tản stato, L’lr điện cảm tản rơto quy đổi hình stato R’r điện trở rôto quy đổi stato Iˆr' Ia Va Va j w s aM Máy điện không đồng Ra mạch tương đương gần Tổng công suất PT  3Va I a cos   3I r'2 Ra I r' jxls Rr' jX m với Pag, Pscl, Pc tương ứng công suất truyền qua khe hở,  Pag bao gồm tổn hao đồng Pr công suất học sinh   V2 Rr'  I r' Ra  a  Pag  Pscl  Pc s Rc Pm Có thể dễ dàng thấy Pm  3I r'2 Rr' jxlr' Rr' Rc 16 tổn hao đồng stato, tổn hao lõi thép ngõ vào thỏa mãn Im 1 s s Quan hệ công suất (tt)  Các tổn hao lõi thép stato kể đến Rc Ia Rr' Máy điện không đồng 15 Quan hệ công suất Va Rr' I r' Ia Rr' s j w s aM jw s L'lr jw s Lls 1 s s 1 s  Pag 1  s  s  Ngoài ra, tổn hao đồng rơto Pr biểu diễn theo Pag sau Pr  3I r'2 Rr'  sPag Máy điện không đồng 17 Máy điện không đồng 18 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Quan hệ công suất (tt.) Biểu thức mơmen  Dùng mạch tương đương gần đúng, tính  Xét tồn tổn hao nêu trên, hiệu suất máy dòng điện rơto quy đổi stato sau Va I r'  Ra  Rr' s   jxls  xlr'  P   Pscl  Pc  Prcl  P  m  T PT PT  Nếu tổn hao quay Prot_loss xét đến, hiệu suất cho PT   Pscl  Pc  Prcl  Prot _ loss  P   shaft  PT PT  Công suất sinh   Pm  I r' Rr'      Với máy cực wm = ws(1 – s), mômen cho Te  Máy điện khơng đồng 3Va2 Rr' 1  s  s 1 s  s Ra  Rr' s  xls  xlr' w s Ra  R s 2  xls  xlr' 2 ' r Máy điện không đồng 19 Ví dụ 7.2 3Va2 Rr' s 20 Ví dụ 7.2 (tt)  Một động không đồng pha 866 V, nối Y, 60 Hz, 2-  Chọn điện áp pha A làm vectơ tham chiếu, với mạch gần cực có wsLls = 0,5 W, 3wsaM/2 = 50 W, wsL’lr = 0,5 W, R’r = đúng, vectơ pha dòng điện pha ngõ vào 0,1 W Tìm mơmen độ trượt s = 0,05 công suất phức Ia  ngõ vào pha Bỏ qua Ra Rc Dùng mạch tương đương gần xác  Do đó, cơng suất phức ngõ vào  Điện áp pha stato 866 /  500 V  Áp dụng công thức cho mạch gần đúng, mơmen có giá trị Máy điện không đồng mômen Tương tự với MBA, tính nguồn tương đương Thevenin  Tổng trở nhánh từ hóa song song với nhánh rơto Z ab   Dòng điện rơto có giá trị 500 0,1/0,052  0,495  0,52 Ia  0,1/0,05  j50,5 W 5000  224 - 28,72 A 1,9575  j1,0726  Công suất phức ngõ vào (sai lệch khoảng 1,87% so với trị tính theo mạch gần đúng) kết tính mạch gần đúng) 30,1 / 0,05223,83  797.4 N.m 120 Máy điện không đồng  j50 0,1 / 0,05  j 0,5  1,9575  j0,5726  Vec tơ pha dòng điện ngõ vào  223,83 A  Và mơmen có giá trị (sai lệch khoảng 0,2% so với giá Te  22 Ví dụ 7.2 (tt)  j50 j 0,5  j 0,495 W 5000  j50  4950 V, Z th  j 50  0,5 j 50  0,5 I r  Máy điện khơng đồng 21 Ví dụ 7.2 (tt) Vth    ST  3Va I a*  3500228,328,81  300  j165 kVA  Với mạch xác, cần tính dòng điện rơto để tính 3500 0,1 / 0,05  795,8 N.m 120 0,1 / 0,052  0,5  0,52 Te  5000 5000   228,3  28,81 A 0,1 / 0,05  j1 j50 S  3500022428,72  294,67  j161,46 kVA 23 Máy điện không đồng 24 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ 7.3 Ví dụ 7.3 (tt)  Dùng mạch tương đương gần cho ví dụ 7.2, tính I’r,  Cơng suất sinh Pm  1  s Pag  0,95300  285 kW Pag, Pm, Pr mômen  Dòng điện rơto mạch tương đương gần  Tổn hao đồng rôto 5000 I r   223,6 - 26,57 A 0,1 / 0,05  j 0,5  0,5 Pr  sPag  0,05300  15 kW  Mơmen tính ví dụ 7.2  Cơng suất điện từ (bằng cơng suất thực tính ví dụ 7.2) 0,1 223,62  300 kW Pag  0,05 Máy điện khơng đồng Đặc tính (đặc tính mơmen-tốc độ)  Từ đặc tính cơ, thấy tồn giá trị độ trượt mà 3Va2 Rr' s mơmen đạt cực đại Có thể tìm độ trượt cách w s Ra  Rr' s 2  xls  xlr' 2 đặt dTe/ds = 0, dẫn đến  Với điện áp đặt vào tần số số, giá trị độ trượt s nhỏ hay T e s  Ở giá trị s lớn (xấp xỉ 1) Te  hay 3Va2 w s xls  xlr'  Te Rr' s  Rr'  Ra2  xls  xlr' s Torque (pu) 3V s T  a ' w s Rr e s   Như vậy, độ trượt mà mơmen đạt giá trị cực đại Rr' s mT   Ra2  xls  xlr'  Slip Máy điện không đồng 28 Máy không đồng nhiều cặp cực  Với máy có P đơi cực, việc phân tích lặp  Mơmen tương ứng (khi Ra = 0) lại với góc học q thay Pq Mạch tương đương 3Va2 3Va2  ' 2ws R  R  x  x '  ls lr  2ws  x ls  x lr  a a pha khơng có thay đổi  Cơng suất cho  Như vậy, mômen cực đại không phụ thuộc vào điện trở Pm  T ew m  T e mạch rôto  Điều ứng dụng để thay đổi đặc tính động rơto dây quấn: thay đổi điện trở rôto làm độ trượt tới hạn 29 w s 1  s  p  Mômen tương ứng Te  thay đổi, mômen cực đại không đổi Máy điện không đồng Máy điện không đồng 27 Biểu thức mômen cực đại (tt) e Tmax  26 Biểu thức mômen cực đại  Biểu thức mômen rút Te  Máy điện không đồng 25 P 3Va2 R 'r s ws  R a  R s 2   x ls  x lr' 2 ' r Máy điện không đồng 30 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Máy không đồng nhiều cực (tt) Ví dụ 7.5  Việc thay đổi số cực máy hồn tồn khơng ảnh hưởng đến mạch điện tương đương Do đó, độ trượt ứng với mômen cực đại không đổi Tuy nhiên, mômen cực đại có giá trị e Tmax  P a 3V 2ws  x ls  x 'lr   Cho động KĐB pha, nối Y, 60 Hz 400 V, cực với thông số: xm = 20 W, xls = 0,5 W, x’lr = 0,2 W, R’r = 0,1 W Tính mơmen tốc độ 1755 vòng/phút mạch gần đúng, e tính smT Tmax mạch xác Bỏ qua Ra Rc  Để áp dụng cơng thức, cần tính độ trượt s ns  n 60  60 /  1755 1800  1755    0,025 ns 60  60 / 1800  Mômen điện từ: Te  Máy điện không đồng 32 Ví dụ 7.5 (tt)  Cũng tính độ trượt tới hạn mômen cực đại theo Z th  công thức rút e Tmax  P  Máy điện khơng đồng 31 Ví dụ 7.5 (tt) smT   400 / 0,1 / 0,025  205,9 N.m 120 0,1 / 0,0252  0,5  0,22 Rr'   ' lr R  xls  x a  0,1 0,5  0,2    j 20 j 0,5  j 20  0,5 j 0,4878 W  Điều kiện để truyền công suất cực đại (mômen cực đại)  0,1429 Rr 0,1    j 0,4878  0,2  smT  0,1454 s 0,6878 400 / 3Va2  2  606,3 N.m 120  0,5  0,  2ws  x ls  x lr'   Mô men cực đại tương ứng 3225,3 0,1 / 0,1454  587,3 N.m 120 0,1 / 0,14542  0,4878  0,22 e Tmax   Với mạch xác, tính nguồn Thevenin tương đương: Vth  400 / 30 j 20  225,30 V j 20  0,5 Máy điện không đồng Máy điện khơng đồng 33 Ví dụ 7.6 34 Ví dụ 7.6 (tt)  Cho động KĐB pha, 60 Hz, 866 V, cực, nối Y với  Cần tính mơmen hàm theo s, từ tìm s Vậy cần thơng số: xls = 1,5 W, x’lr = 1,15 W, xm = 13,5 W, R’r = 0,6 W tìm nguồn Thevenin tương đương: Bỏ qua Ra Rc Động làm việc điện áp định mức có mơmen điện từ 160 N.m Dùng mạch xác, tính độ Vth  5000 trượt, tốc độ động (vòng/phút), tần số rôto, mômen cực Z th  đại, mômen mở máy Lặp lại tính tốn với mạch gần  Điện áp pha tốc độ đồng j13,5  4500 V j 13,5  1,5  j13,5 j1,5  j 13,5  1,5 j1,35 W  Mômen điện từ: 3450 0,6 / s   160 N.m 120 0,6 / s 2  1,35  1,152 866 Va   500 V Te  60  60 ns   1200 v/p Máy điện không đồng 35 Máy điện không đồng 36 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ 7.6 (tt) Ví dụ 7.6 (tt)  Đặt biến phụ y = 0,6/s giúp việc giải dễ dàng hơn: 3450  y   160 N.m 120  y 2  1,35  1,152  Tốc độ động cơ: n  1  s ns  1  0,021200  1176 v/p  Tần số rôto: f r  sf  0,02  60  1,2 Hz Te   Dẫn đến phương trình bậc 2:  Độ trượt tới hạn: smT  60318 y  1822500 y  376991   Giải nghiệm: 3450 0,6 / 0,24  966,9 N.m 120 0,6 / 0,242  1,35  1,152 e  Mômen cực đại: Tmax  y1  30, y2  0,2083  Loại nghiệm y2 dẫn đến giá trị s > Vậy: 3450 0,6 / 1  438,8 N.m 120 0,6 / 12  1,35  1,152  Mômen mở máy: 0,6 / s  30  s  0,02 Máy điện không đồng Rr 0,6   0,24 Z th  jxlr 1,35  1,15 37 e Tstart  Máy điện không đồng 38 Ví dụ 7.6 (tt)  Với mạch gần đúng, thực tương tự, ta có s  0,016  Độ trượt:  Tần số rôto: f r  0,96 Hz  Tốc độ động cơ: n  1180,8 v/p smT  0,2264  Độ trượt tới hạn:  Mômen cực đại:  Mômen mở máy: e max T  1126 N.m e Tstart  485 N.m Máy điện không đồng 39 ...  s  s  Ngồi ra, tổn hao đồng rơto Pr biểu diễn theo Pag sau Pr  3I r'2 Rr'  sPag Máy điện không đồng 17 Máy điện không đồng 18 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Quan hệ công... lr' 2 ' r Máy điện không đồng 30 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Máy khơng đồng nhiều cực (tt) Ví dụ 7.5  Việc thay đổi số cực máy hoàn tồn khơng ảnh hưởng đến mạch điện tương... V Te  60  60 ns   1200 v/p Máy điện không đồng 35 Máy điện không đồng 36 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ 7.6 (tt) Ví dụ 7.6 (tt)  Đặt biến phụ y = 0,6/s giúp việc giải