Để có được mômen mở máy, người ta tạo ra góc lệch pha giữa dòng điện qua cuộn chính Ic và dòng qua cuộn dây phụ Ip bằng cách mắc thêm một điện trở nối tiếp với cuộn phụ hoặc dùng dây quấ[r]
(1)1 Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Nhóm Chuyên môn Điện Công Nghiệp Giaïo trçnh Biãn soản: MÁY ĐIỆN Bùi Tấn Lợi Chæång 16 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 16.1 PHẠM VI ÁP DỤNG, CẤU TẠO & NGUYÊN LÝ LAÌM VIỆC 16.1.1 Phaûm vê ap duûng Động điện không đồng pha sử dụng rộng rãi dân dụng và công nghiệp máy giặt, tủ lạnh, máy lau nhà, máy bơm nước, quạt, các dụng cụ cầm tay, Nói chung là các động công suất nhỏ Cụm từ “động công suất nhỏ” các động có công suất nhỏ 750W Phần lớn động pha thuộc loại nầy, mặt dù chúng còn chế tạo với công suất đến 7,5kW và hai cấp diện áp 110V và 220V 16.1.2 Cấu tạo + Stato : giống động ba pha, đặt trên đó dây quấn pha + Rôto : rôto lồng sóc giống động ba pha 16.1.3 Nguyên lý làm việc Chiều lực điện từ F&12 m &I1 Từ thông räto F&11m ω1 p ω1 p (a) Ω Từ thông stato U∼ (b) Hình 16.1 Động không đồng pha dây quấn a) Từ trường đập mạch phân thành hai từ trường quay thuận và quay ngược b) Từ thông và lực điện từ tác dụng lên rôto (2) Khi nối dây quấn pha stato vào lưới điện có điện áp u1 thì dây quấn có dòng điện xoay chiều hình sin chạy qua : i1 = I1 sin ωt Dòng điện này sinh từ trường stato có phương không đổi có độ lớn thay đổi hình sin theo thời gian, gọi là từ trương đập mạch: F = Fm sin ωt cos α (16.1) Ta phân stđ đập mạch này thành hai stđ quay : jω t • Stđ quay thuận : F&11m e − jω t • Stđ quay ngược : F&12m e Hai stâ quay naìy coï : F1m W1k dq1 I = F11m = F12 m = p π • Biên độ từ trường đập quay: • Tốc độ quay : + Sóng quay thuận : Ω1 = ω1 cùng chiều quay rôto p + Sóng quay ngược : Ω = −Ω1 ngược chiều quay rôto So với rôto có hệ số trượt : Ω −Ω + Thuận : s1 = =s Ω1 (−Ω1 ) − Ω + Ngược : s = = (2 − s ) ( −Ω1 ) Phương trình cân stđ tổng : + Thuận : F& 01m = F& 11m + F& 21m sinh từ cảm B1m e j(ω t +α ) + Ngược : F& 02m = F& 12m + F& 22m sinh từ cảm B m e − j( ω t +α 1 Từ cảm tổng : ~ B = B1m e j( ω t +α ) + B m e − j( ω t +α 1 rôto tạo mômen quay ngược M2 (hình16.2) Tổng đại số hai mômen ) M ) M1 hình thành từ trường quay Ellip r Từ trường quay thuận B1 tác dụng với dòng điện rôto tạo mômen quay thuận M1 (hình 16.2); Còn từ trường r quay ngược B2 tác dụng với dòng điện M s M2 Hçnh 16.2 Mämen cuía âäüng cå khäng đồng pha (3) nầy cho ta đặc tuyến M=f(s) : M = M1 + M2 = f(s) Từ đặc tính ta thấy lúc mở máy (n = 0, s = 1), M1 = M2 và ngược chiều nên M = 0, vì động không thể tự quay Nếu ta quay động theo chiều nào đo,ï s ≠ tức M ≠ động tiếp tục quay theo chiều đó Vì để động pha làm việc được, ta phải có biện pháp mở máy, nghĩa là tìm cách tạo cho động mômen lúc rôto đứng yên (M = Mk s =1) 16.2 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN & SƠ ĐỒ THAY THẾ 16.2.1 Caïc phæång trçnh cå baín U1 B &I1 = &I B &I1 &I B1 = &I11 A &I B2 = &I12 &I A1 &I A &I A Hình 16.2 Sơ đồ động pha tạo nên cách tách hai pha Xét động không đồng pha chế độ không đối xứng động hai pha m =2, có hai cuộn dây đặt lệch góc 900 điện, đó pha A tách nên dòng IA= và pha B còn lại có &I1 = &I B , máy nối vào lưới điện có điện áp & Ta coï : U &I A = &I A1 + &I A &I B = &I B1 + &I B2 (16.2a) (16.2b) Với &I A1 ; &I B1 và &I A ; &I B2 là dòng thứ tự thuận và ngược, còn : &I A1 = j&I B1 vaì &I A1 = − j&I B1 Giải hệ phương trình (16.2a,b) ta tìm : &I B1 = &I11 (&I B − j&I A ) / = &I B / vç &I A = &I B2 = &I 21 (&I B + j&I A ) / = &I B / vç &I A = Điện áp pha : &1 =U &B =U & B1 + U & B2 = U & 11 + U & 12 U Biểu diễn điện áp thứ tự thuận và ngược theo dòng I và Z tương ứng : (4) & B1 = U & 11 = &I11Z11 = &I1Z11 / U & B2 = U & 12 = &I12 Z12 = &I1Z12 / U (16.3a) (16.3b) Trong đó : &I11 ; &I12 là dòng điện thứ tự thuận và ngược Còn Z11; Z12 là tổng trở thứ tự thuận và ngược Vaì r2' + jx ' s r' với Z' 22 = + jx ' 2−s Z11 = Z1 + (Z −m1 + Z' −211 ) −1 với Z' 21 = (16.4a) Z12 = Z1 + (Z −m1 + Z' −221 ) −1 (16.4b) 16.2.2 Mạch điện thay Từ các phương trình cân ta vẽ mạch điện thay động không đồng hình 16.4a Đây là mạch điện thay chính xác động pha &I1 r1/2 jx1/2 & 11 U &I 01 &I '21 jx’2/2 rm/2 jxm/2 &1 U &I 02 & 12 U jxm/2 rm/2 r1/2 &I r 1 x1 &I '22 jx1/2 (a) &I r1 0,5x’2 xm &1 U r2' 2.s r2' 2(2 − s ) jx’2/2 Chuï yï : r’2 = kr2 x’2 = kx2 k = kekI m 1= x1 0,5r2' s RT ZT XT &1 U 0,5X’2 RN xm (b) 0,5r2' ZN XN 2−s (c) Hình 16.4 Mạch điện thay gần đúng động không đồng pha Trong âoï : (5) r1 = điện trở dây quấn stator x1 = điện kháng tản dây quấn stator xm = điện kháng từ hóa r’2 = điện trở dây quấn rotor qui dây quấn stator x’2 = điện kháng tản dây quấn rotor qui dây quấn stator U1 = điện áp nguồn Giả thiết rotor quay với tốc độ nào đó từ trường quay thuận, ứng hệ số trượt s Lúc này dòng điện cảm ứng dây quấn rotor có tần số sf, f tần số lưới điện nối vào dây quấn stator Cho tổn hao sắt không đáng kể gộp vào tổn hao quay Như giống máy điện không đồng ba pha, tổng trở dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận qui dây quấn stator là 0,5r’2/s + j0,5x’2.(hình 16.4b) Cũng tương tự từ trường quay ngược, ta có tổng trở dây quấn rotor ứng với từ trường quay ngược qui dây quấn stator là 0,5r’2/(2-s) + j0,5x’2.(hình 16.4b) Mạch điện tương đương trình bày trên hình 16.4c, có tổng trở thứ tự thuận ZT và thứ tự ngược ZT sau : Z T = R T + jX T = j0,5X m ( j0,5X '2 + 0,5R '2 / s ) Z N = R N + jX N = 0,5R '2 / s + j0,5(X m + X '2 ) j0,5X m [ j0,5X '2 + 0,5R '2 /( − s )] 0,5R '2 /(2 − s ) + j0,5(X m + X '2 ) (16.5) (16.6) Công suất điện từ (khe hở không khí) từ trường thứ tự thuận và ngược : PâtT = R T I12 (16.7) PâtN = R N I12 (16.8) Moment tương ứng : MT = PâtT Ω1 (16.9) MN = PâtN Ω1 (16.10) I12 M = MT − M N = (R T − R N ) Ω1 (16.11) Moment tổng là : Công suất : PCå = MΩ (16.12) PCå = MΩ1 (1 − s ) (16.13) (6) PCå = I12 (R T − R N )(1 − s ) (16.14) PCå = (PâtT − PâtN )(1 − s ) (16.15) Công suất trên đầu trục : P2 = PCå - pq (16.16) pq là tổn hao quay, gồm tổn hao và tổn hao phụ, có gộp tổn hao sắt vào tổn hao quay Tổn hao đồng dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận và ngược : pCu2T = sPâtT (16.17) pCu2N = (2-s)PâtN (16.18) Tổn hao đồng dây quấn rotor : pCu2 = sPâtT + (2-s)PâtN (16.19) VÊ DUÛ 16.1 Một động không đồng pha công suất 1/4 mã lực, 230V, 60Hz và cực từ có tham số và tổn thất sau : X1 = X’2 = 12,5Ω; R’2 = 11,5Ω; Xm = 250Ω; R1 = 10Ω; Tổn hao sắt 230V là 35W; Tổn hao ma sát và quạt gió là 10W; Với hệ số trượt là 0,05, xác định dòng điện stato, công suất cơ, công suất trên trục, tốc độ và hiệu suất động làm việc động pha điện áp và tần số định mức với dây quấn khởi động cắt Giaíi Từ các thông số đã cho, ta tính tổng trở thứ tự thuận ZT và thứ tự ngược ZT cuía âäüng cå mäüt pha nhæ sau : Z T = R T + jX T = Z T = R T + jX T = Z N = R N + jX N = j0,5X m ( j0,5X '2 + 0,5R '2 / s ) 0,5R '2 / s + j0,5(X m + X '2 ) j0,5 × 250( j0,5 × 12,5 + 0,5 × 11,5 / 0,05) = 59 + 57,65 j 0,5 × 11,5 / 0,05 + j0,5(250 + 12,5) j0,5X m [ j0,5X '2 + 0,5R '2 /( − s )] 0,5R '2 /(2 − s ) + j0,5(X m + X '2 ) j0,5 × 250[ j0,5 × 12,5 + 0,5 × 11,5 /( − 0,05)] Z N = R N + jX N = = 2,67 + 6,01 j 0,5 × 11,5 /( − 0,05) + j0,5(250 + 12,5) Tổng trở vào tương đương : Ztâ = Z1 + ZT + ZN = 10 + 12,5j +59 + 57,65j +2,67 + 6,01j (7) = 71,67 + 76,16j = 104,6 ∠46,74o Ω Dòng điện vào stato : & 230∠0 o &I1 = U = = 2,2∠ − 46,74 o A o Z tâ 104,6∠46,74 Hệ số công suất : cosϕ = cos 46,74o = 0,685 60 × 60 Tốc độ động : n = (1 − s )n = (1 − 0,05) = 1.710 vg/ph Công suất : PCơ = I12 (R T − R N )(1 − s ) = 2,22.(59-2,67).(1-0,05) = 259 W Công suất trên đầu trục : P2 = PCơ -pFe- pq = 259 -35- 10 = 214 W Công suất động tiêu thụ từ lưới điện : P = U.Icosϕ = 230.2,2 cos 46,74o = 346,77 W Hiệu suât động : η = P2 214 = = 0,617 = 61,7% P1 347.22 16.3 MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 16.3.1 Động không đồng dùng cuộn dây phụ Loại động này dùng khá phổ biến máy điều hòa, máy giặt, dụng cụ cầm tay, quạt , bơm ly tâm CD I K M Cuäün chênh NC IP & U &I p IC Np Cuäün chênh Vaì cuäün phuû &I c &I Mk s Mâm (a) (b) (c) Hình 16.5 Động dùng dây quấn phụ a) Sơ đồ kết cấu b) Đồ thị vectơ lúc mở máy c) Đặc tính M = f(s) Các phần chính loại động nầy cho trên hình 16.5a, gồm dây quấn chính N c (dây quấn làm việc), dây quấn phụ (dây quấn mở máy N k ) Hai cuộn dây nầy đặt lệch góc 90o điện không gian Và rôto lồng sóc (8) Để có mômen mở máy, người ta tạo góc lệch pha dòng điện qua cuộn chính Ic và dòng qua cuộn dây phụ Ip cách mắc thêm điện trở nối tiếp với cuộn phụ dùng dây quấn cở nhỏ cho cuộn phụ, góc lệch nầy thường nhỏ 300 Dòng dây quấn chính và dây quấn phụ sinh từ trường quay để tạo momen mở máy Đồ thị vectơ lúc mở máy trình bày trãn hçnh 16.5b Khi tốc độ đạt 70÷75 % tốc độ đồng bộ, cuộng dây phụ cắt nhờ công tắt ly tâm K và động tiếp tục làm việc với cuộn dây chính Đặc tính momen trình bày trên hình 16.4c 16.3.2 Động dùng tụ điện (hình 16.6) Các động không đồng pha có cuộn dây phụ mắt nối tiệp với tụ điện gọi là động tụ điện Loại động nầy có cuộn dây phụ bố trí lệch so với cuộn dây chính góc 900 điện không gian, để tạo góc lệch thời gian ta mắt nối tiếp với cuộn dây phụ tụ điện Nếu tụ điện mắt nối tiếp với cuộn phụ chọn giá trị thích hợp thì góc lệch pha IC và Ip là gần 900 (hình 16.6b) Tùy theo yêu cầu momen mở máy và momen lúc làm việc, ta có các loại động tụ điện sau: Động dùng tụ điện mở máy (hình 16.6a) Khi mở máy tốc độ động đạt đến 75÷85% tốc độ động bộ, công tắt K mở và động đạt đến tốc độ ổn âënh Động dùng tụ điện thường trực (hình 16.6b) Cuộn dây phụ và tụ điện mở máy mắt luôn động làm việc bình thường Loại nầy có công suất thường nhỏ 500W và có đặc tính tốt CD I CD I K &I p IP IP WC C IC WC C IC Wp & U &I Wp &I c (a) (b) Hình 16.6 Động pha dùng tụ điện a) Tụ điện mở máy b) Tụ điện thường trực c) Đồ thị vectơ (c) (9) Ngoài ra, để cải thiện đặc tính làm việc và momen mở máy ta dùng động hai tụ điện Một tụ điện mở máy khá lớn (khoảng 10 ÷15 lần tụ điện thường trực) ghép song song với tụ điện thường trực Khi mở máy tốc độ động đạt đến 75÷85% tốc độ động bộ, tụ điện mở máy cắt khỏi cuộn phụ, còn tụ điện thường trực nối với cuộn dây phụ làm việc bình thường 16.3.3 Động dùng vòng ngắn mạch (hình 16.7) Hình 16.7a cho thấy cấu tạo loại động nầy Trên stato ta đặt dây quấn pha và cực từ chia làm hai phần, phần có vòng ngắn mạch K ôm 1/3 cực từ và rôto lồng sóc Dòng điện chạy dây quấn stato &I1 tạo nên từ thông φ& ' qua phần cực từ không vòng ngắn mạch và từ thông φ& '' qua phần cực từ có vòng ngắn mạch Từ thông φ& '' cảm ứng vòng ngắn mạch sđđ E& n , chậm pha so với φ& '' góc 900 (hình 16.7b) Vòng ngắn mạch có điện trở và điện kháng nên tạo dòng điện &I chậm pha so với E& góc ϕn < 900 Dòng điện &I tạo từ thông φ& và ta có n n n n từ thông tổng qua phần cực từ có vòng ngắn mạch : φ& ∑ = φ& '' + φ& n φ& ' &I φΣ M φ& '' Mmax φΣ ϕ K φn φ” φ’ (a) E& n ϕn φ &I n φ& n (b) s sth (c) Hình 16.7 Động KĐ pha có vòng ngắn mạch cực từ a) Cấu tạo; b) Đồ thị vectơ; c) Đặc tính mômen Từ thông nầy lệch pha so với từ thông qua phần cực từ không có vòng ngắn mạch góc là ϕ Do từ thông φ& ' và φΣ lệch không gian nên chúng tạo từ trường quay và làm quay rôto Loại động nầy có momen mở máy khá nhỏ Mk= (0,2-0,5)Mđm, hiệu suất thấp (từ 25 - 40%), thường chế tạo với công suất 20 - 30W, đôi có chế tạo công suất đến 300W và hay sử dụng làm quạt bàn, quạt trần, máy quay đĩa ] [ (10)