Bài giảng Mạch điện tử - Chương 8: Máy điện không đồng bộ

Bài giảng Mạch điện tử - Chương 8: Máy điện không đồng bộ cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản sau: Khái quát chung về máy điện không đồng bộ, cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha, từ trường của máy điện không đồng bộ,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chương 8: Máy điện không đồng 8.1 Khái quát chung máy điện khơng đồng • Khái niệm: Máy điện không đồng loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ quay roto n (tốc độ máy) khác với tốc độ quay từ trường • Máy điện khơng đồng có hai dây quấn: dây quấn stato nối với lưới điện tần số không đổi f, dây quấn rơto nối tắt khép kín qua điện trở Dịng điện dây quấn rơto sinh nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ rôto (phụ thuộc vào tải trục máy) • Máy điện khơng đồng có tính chất thuận nghịch, làm việc chế độ động máy phát, nhiên máy phát điện khơng đồng sử dụng có đặc tính làm việc máy phát đồng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Động khơng đồng so với loại động khác có cấu tạo vận hành đơn giản, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên sử dụng nhiều • Trong môn học xét động điện không đồng • Động điện khơng đồng có loại - Động ba pha: có ba dây quấn làm việc có trục lệch khơng gian góc 120 o - Động hai pha: có dây quấn làm việc có trục lệch khơng gian góc 90 o - Động pha: có dây quấn làm việc Các động có cơng suất lớn 600W thường động ba pha, động có cơng suất nhỏ 600W thường động hai pha pha • Các số liệu định mức: Pđm (cơng suất có ích trục) U1đm , I1đm (dịng điện điện áp dây stato) f (tần số dòng điện stato) nđm(tốc độ quay rôto) cosđm (hệ số công suất) đm (hiệu suất) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.2 Cấu tạo máy điện không đồng ba pha Máy điện không đồng gồm phận stato rôto: a/ Stato: phần tĩnh máy, gồm phận lõi thép dây quấn, ngồi cịn có vỏ máy nắp máy • Lõi thép: - hình trụ, ghép từ thép kỹ thuật điện có dập rãnh bên trong, ghép lại với tạo thành rãnh theo hướng trục - lõi thép ép vào vỏ máy • Dây quấn: - làm dây dẫn bọc cách điện đặt rãnh lõi thép - dây quấn có pha, hai pha ba pha • Vỏ máy: - làm nhôm gang, dùng để giữ chặt lõi thép cố định máy bệ - hai đầu vỏ có nắp máy, ổ đỡ trục - vỏ nắp cịn có nhiệm vụ bảo vệ máy CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt b/ Rôto: phần quay máy, gồm lõi thép, dây quấn trục máy • Lõi thép: ghép từ thép kỹ thuật điện dập rãnh mặt ngoài, ghép lại tạo thành rãnh theo hướng trục, có lỗ để lắp trục • Dây quấn rơto có kiểu: rơto lồng sóc rơto dây quấn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Rơto lồng sóc: Cơng suất lớn 100kW: rãnh lõi thép rôto đặt đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành lồng sóc Cơng suất nhỏ: đúc nhơm vào rãnh lõi thép rôto tạo thành nhôm, hai đầu đúc vịng ngắn mạch cánh quạt làm mát • Rơto dây quấn: rãnh lõi thép rôto đặt dây quấn ba pha, dây quấn thường nối sao, Động không Động không đồng rôto đồng rơto ba đầu nối với ba vịng tiếp xúc đồng lồng sóc dây quấn trục nối với biến trở bên để mở máy hay điều chỉnh tốc độ động Động khơng đồng rơto lồng sóc: giá thành rẻ, làm việc đảm bảo Động không đồng rôto dây quấn: giá thành đắt, vận hành tin cậy, song có ưu điểm mở máy điều chỉnh tốc độ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.3 Từ trường máy điện không đồng 8.3.1 Từ trường đập mạch dây quấn pha Từ trường dây quấn pha từ trường đập mạch, có phương khơng đổi, song trị số chiều biến đổi theo thời gian Tùy thuộc vào cấu tạo dây quấn, ta tạo từ trường cực cực Xét dây quấn pha đặt rãnh stato Dòng điện dây quấn dòng pha i  I sin t m Căn vào chiều dòng điện dẫn rôto xác định chiều từ trường theo qui tắc vặn nút chai X CuuDuongThanCong.com A https://fb.com/tailieudientucntt 8.3.2 Từ trường quay dây quấn ba pha a/ Sự tạo thành từ trường quay Giả thiết dây quấn stato có: i A  I m sin t   sin t  240  i B  I m sin t  120o iC  Im o Từ trường tổng dịng điện ba pha từ trường quay, móc vịng với dây quấn stato rơto, từ trường máy điện, tham gia vào trình biến đổi lượng Tùy vào cách cấu tạo dây quấn, có từ trường 1, 2, hay đôi cực CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt b/ Đặc điểm từ trường quay • Tốc độ quay từ trường: Tốc độ quay từ trường phụ thuộc vào tần số dịng điện stato f số đơi cực p: 60f vg/ph  n1  p • Chiều quay từ trường: Chiều quay từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha dòng điện Muốn đổi chiều quay từ trường, ta thay đổi thứ tự hai pha với Xét hình vẽ: Khi cho dịng điện iB vào dây quấn CZ, iC vào dây quấn BY, từ trường quay theo chiều từ trục dây quấn AX đến trục dây quấn CZ đến trục dây quấn BY, nghĩa từ trường quay theo chiều ngược lại CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hiệu suất động điện: P P2   P1 P2  P P tổng công suất tổn hao máy: P  Pst  Pđ1  Pđ  Pcf Có thể tính hiệu suất gần đúng:  kt  I1 I1đm P2 P2  Po  k 2t Pn ( 0,75  0,95) hệ số tải Po  Pst  Pcf tổn hao không tải Pn tổng tổn hao dây quấn stato rơto dịng điện định mức CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.8 Mômen động không đồng ba pha Ở chế độ động điện, mơmen điện từ đóng vai trị mơmen quay: P M  M đt  đt 1 ' ' R2 Pđt cơng suất điện từ tính theo công thức: Pđt  3I s 1 tần số góc từ trường quay: 1  Theo sơ đồ thay gần đúng, ta có: I '2  M 3pU12 R '2  p Số đôi cực từ U1  R '2   R    X1  X '2 s    R '2    X1  X '2 s R  s    Tần số góc dịng điện stato  2 2   Quan hệ M = f(s) n = f(M) Điểm làm việc động cơ: M = MC CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Các đặc điểm Mômen quay động không đồng bộ: a/ Mơmen tỷ lệ với bình phương điện áp, điện áp đặt vào động thay đổi, mômen động thay đổi nhiều b/ Mômen có trị số cực đại Mmax ứng với giá trị sth làm cho đạo hàm M  s th  R '2 R  X1  X '2  s R '2 X1  X '2 3pU12 3pU12 M max    ' 2 2 R  X1  X '2 2 R  R  X1  X   sth tỷ lệ thuận với R’2 , Mmax không phụ thuộc vào R’2,, đó, cho thêm Rp vào rơto, đường đặc tính M= f(s) thay đổi Mmax khơng đổi Tính chất sử dụng điều chỉnh tốc độ động mở máy động rôto dây quấn Quan hệ M, Mmax , sth viết gần đúng:     2M max s s th  s th s Mômen mở máy động (s = 1): 3pU12 R '2 M mm  2  R  R '2  X1  X '2    M     Đối với động lồng sóc: M mm  1,1  1,7 ; M max  1,6  2,5 M đm M đm CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.9 Mở máy động không đồng ba pha Để mở máy được, mômen mở máy động phải lớn mômen cản tải lúc mở máy, đồng thời mômen động phải đủ lớn để thời gian mở máy phạm vi cho phép Dòng điện pha mở máy – lần dòng định mức Đối với lưới điện công suất nhỏ làm cho điện áp mạng điện tụt xuống, ảnh hưởng đến làm việc thiết bị khác Vì cần phải có biện pháp giảm dịng điện mở máy 8.9.1 Mở máy động rôto dây quấn: Khi mở máy, dây quấn rôto nối với biến trở mở máy Đầu tiên để biến trở lớn nhất, sau giảm dần đến không Muốn Mmm cực đại, hệ số trượt sth phải 1: Stato R '2  R 'mm s th  1 ' X1  X Từ tìm Rmm cần thiết Khi đó, dòng điện mở máy là: U1 I '2  R  R '2  R 'mm  X1  X '2    R mở 2 Rôto Nhờ có Rmm, Mmm tăng, Imm giảm CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.9.2 Mở máy động lồng sóc: a/ Mở máy trực tiếp: • Đóng trực tiếp động vào lưới • Imm lớn, làm tụt điện áp mạng điện nhiều, qn tính máy lớn thời gian mở máy lâu, làm chảy cầu chì bảo vệ • Chỉ sử dụng công suất nguồn điện lớn nhiều so với công suất động b/ Giảm điện áp stato mở máy • Giảm điện áp đặt vào động để giảm Imm • Mmm giảm nhiều, thể sử dụng trường hợp khơng yêu cầu Mmm lớn • Các biện pháp giảm điện áp: - Dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stato Khi mở máy: đóng D1, mở D2 Khi động quay ổn định, đóng D2 để ngắn mạch điện kháng Nhờ điện áp rơi điện kháng, điện áp trực tiếp đặt vào động giảm k lần, dịng điện mở máy giảm k lần, song mơmen lại giảm k2 lần - Dùng máy tự biến áp: Điện áp mạng điện đặt vào sơ cấp máy tự biến áp Điện áp thứ cấp máy tự biến áp đưa vào động Thay đổi vị trí chạy để lúc mở máy, điện áp đặt vào động nhỏ, sau tăng dần định mức CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt k: hệ số biến áp máy tự biến áp U1: điện áp pha lưới điện Zn tổng trở động lúc mở máy Điện áp pha đặt vào động cơ: U U đc  k U U Dịng điện chạy vào động lúc có máy tự biến áp: I đc  đc  Z n kZ n I U Dòng điện lưới cung cấp cho động lúc có máy tự biến áp: I1  đc  k k Zn Khi mở máy trực tiếp: I  U lúc có máy tự biến áp, dịng điện lưới giảm k2 lần, so với dùng Z n điện kháng dòng giảm k lần, phương pháp tốt hơn, dùng nhiều cho động công suất lớn - Phương pháp đổi nối – tam giác: Phương pháp dùng với động làm việc bình thường dây quấn stato nối tam giác Khi mở máy: nối hình sao, điện áp đặt vào pha giảm lần, sau mở máy nối lại tam giác qui định máy Dòng điện dây nối hình tam giác hình là: 3U1 U1 ; I dY  Zn 3Z n Như vậy, mở máy theo phương pháp này, dòng điện dây giảm lần, mômen giảm lần Tất phương pháp, Mmm giảm nhiều, để khắc phục, người ta chế tạo động lồng sóc kép loại rãnh sâu, cho đặc tính mở máy tốt I d  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.9.3 Động điện lồng sóc có đặc tính mở máy tốt a/ Động điện lồng sóc rãnh sâu: • Chế tạo rãnh rơto hẹp sâu (chiều sâu 10 – 12 lần chiều rộng rãnh) • Khi có dịng điện cảm ứng dẫn rơto, từ thơng tản rơto móc vịng với đoạn dẫn nhiều đoạn • Khi mở máy, rơto chưa quay, dịng điện rơto có tần số lớn tần số stato, điện kháng tản rơto lớn điện trở có tác dụng định đến phân bố dịng điện rơto Khi mở máy, điện kháng tản phía lớn, dịng điện tập trung phía dẫn Do phân bố dịng điện tập trung nhiều phía miệng rãnh, tiết diện dẫn điện coi bị nhỏ đi, điện trở rôto R2 tăng lên, làm tăng mômen mở máy Khi mở máy xong, tần số dòng điện rôto nhỏ, tác dụng bị yếu đi, điện trởi rơto giảm xuống bình thường b/ Động điện lồng sóc kép: Rơto động có lồng sóc, dẫn lồng sóc ngồi (lồng sóc mở máy) có tiết diện nhỏ điện trở suất lớn Lồng sóc có tiết diện lớn, điện trở nhỏ Khi mở máy, dòng điện tập trung lồng sóc ngồi có điện trở R2 lớn, Mmm lớn Khi làm việc bình thường, dịng điện lại phân bố lồng sóc, điện trở R2 nhỏ xuống Động điện rãnh sâu lồng sóc kép có đặc tính mở máy tốt, từ thơng tản lớn nên hệ số công suất thấp động lồng sóc thơng thường CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.10 Điều chỉnh tốc độ động điện không đồng Tốc độ động điện không đồng bộ: 60f 1  s  n  n1 1  s   p Để thay đổi tốc độ n: • Với động lồng sóc: thay đổi f, thay đổi cách quấn dây để thay đổi p, thay đổi U1 để thay đổi s • Với động dây quấn: thay đổi điện trở rôto để thay đổi s a/ Điều chỉnh tốc độ thay đổi tần số: Việc thay đổi tần số f dòng điện stato thực biến đổi tần số Khi thay đổi tần số, người ta mong muốn giữ từ thông  max không đổi để mạch từ máy tình trạng định mức Muốn phải điều chỉnh đồng thời tần số điện áp giữ cho tỷ số U1/f không đổi  max ~ U1 / f  Điều chỉnh tốc độ thay đổi tần số cho phép điều chỉnh tốc độ cách phẳng phạm vi rộng, song giá thành lớn b/ Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi số đôi cực: Số đôi cực từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn Động khơng đồng có cấu tạo dây quấn để thay đổi số đôi cực từ gọi động không đồng nhiều cấp tốc độ Phương pháp sử dụng cho loại rơto lồng sóc Mặc dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp song điều chỉnh theo cách giữ nguyên độc đặc tính Loại động sử dụng rộng rãi máy luyện kim, máy tàu thủy… CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt c/ Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato • Chỉ giảm điện áp • Phương pháp có nhược điểm giảm khả tải động cơ, dải điều chỉnh tốc độ hẹp, làm tăng tổn hao dây quấn rơto Pđ  sPđt • Phương pháp dùng chủ yếu với động công suất nhỏ, có hệ số sth lớn d/ Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch rôto động rôto dây quấn Thay đổi điện trở dây quấn rôto cách mắc biến trở ba pha vào mạch rơto Biến trở làm việc lâu dài nên có kích thước lớn so với biến trở mở máy Khi điện trở tăng, tốc độ quay động giảm Nếu Mcản khơng đổi, dịng rơto khơng đổi, tăng điện trở để giảm tốc độ tăng tổn hao cơng suất biến trở, phương pháp không kinh tế Tuy nhiên phương pháp đơn giản, điều chỉnh trơn, khoảng điều chỉnh tương đối rộng, sử dụng cho động công suất cỡ trung bình Stato Biến trở Rơto CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.11 Các đặc tính làm việc động điện khơng đồng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.12 Động điện không đồng hai pha Ở động điện không đồng hai pha, rơto kiểu lồng sóc, stato có dây quấn hai pha, lệch khơng gian góc 90o điện Dịng điện hai dây quấn có biên độ lệch pha góc 90o tạo máy từ trường quay tròn với tần số quay n1 = 60f/p 8.12.1 Động tụ điện • Để tạo lệch pha thời gian dòng điện hai dây quấn, người ta nối tiếp với hai dây quấn điện dung C Hai dây quấn nối song song với nối vào lưới điện pha • Việc phối hợp trị số điện dung C số vòng dây quấn phù hợp có từ trường quay trịn, máy có tiêu kinh tế kỹ thuật tốt • Loại động sử dụng nhiều dân dụng (quạt), thiết bị hệ thống tự động… CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.12.2 Động điều khiển hai pha • Stato động có dây quấn hai pha, dây quấn nối với tụ C dây quấn kích thích, dây quấn nối với điều chỉnh pha (hay biên độ) dây quấn điều khiển Rôto lồng sóc có điện trở lớn • Điều chỉnh dịng điện dây quấn điều khiển, ta có đường đặc tính theo yêu cầu điều khiển truyền động • Loại động có cơng suất vài W đến vài chục W • Khi hai dây quấn stato lệch pha khơng gian góc  dịng điện hai dây quấn lệch pha thời gian góc  ,từ trường nói chung khơng trịn, mơmen quay M  kI A I B sin  sin  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.13 Động điện không đồng pha • Cấu tạo: stato có dây quấn pha nối với lưới điên xoay chiều pha, rơto thường lồng sóc • Dịng điện xoay chiều chạy vào dây quấn stato không tạo từ trường quay Do biến thiên dòng điện, chiều trị số từ trường thay đổi phương từ trường không đổi, gọi từ trường đập mạch Khi cho điện vào dây quấn stato, động không tự quay, ta phải quay rơto động điện theo chiều đó, rơto tiếp tục quay theo chiều động làm việc  Từ trường đập mạch phân tích thành hai B từ trường quay, quay ngược chiều có tần số n1 biên độ nửa biên độ từ trường đập mạch:   B 60f n1  ; BmaxI BmaxII  max p  B I : từ trường thuận, quay chiều với rôto  B II : từ trường nghịch, quay ngược chiều với rôto CuuDuongThanCong.com BI n1 BII n1    B  B I  B II https://fb.com/tailieudientucntt n: tốc độ rôto, hệ số trượt từ trường là: sI  n1  n s n1 s II  sI sII n1  n n1  1  s n1    sI   s n1 n1 Mômen quay động tổng đại số MI từ trường thuận sinh có trị số dương MII từ trường ngược sinh có trị số âm M = MI - MII Khi s = sI = sII = 1, MI = MII, Mmm = 0: động điện khơng tự mở máy Do phải có biện pháp mở máy, tạo cho động Mmm, thường dùng phương pháp: - Phương pháp dùng dây quấn phụ - Phương pháp dùng vòng ngắn mạch cực từ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.13.1 Dùng dây quấn phụ mở máy Dây quấn phụ đặt số rãnh stato cho sinh từ thông lệch với từ thơng góc 90o khơng gian dịng điện dây quấn phụ lệch pha với dòng điện dây quấn góc 90o Dịng điện dây quấn phụ dây quấn sinh từ trường quay để tạo M mở máy Thường nối nối tiếp dây quấn phụ với điện dung C để tạo góc lệch pha dịng điện góc 90o 8.13.2 Động điện pha có vịng ngắn mạch cực từ Chẻ cực từ ra, cho vào vịng đồng ngắn mạch, vịng ngắn mạch coi dây quấn phụ, có dòng điện cảm ứng Tổng hợp hai từ trường dây quấn phụ sinh từ trường quay để tạo mơmen mở máy • Động điện pha thường chế tạo với công suất nhở từ 0,5 – 30W • Nhược điểm hệ số cos  thấp, hiệu suất thấp tổn hao rôto lớn, mômen nhỏ nên làm việc ổn định, khả tải • Ưu điểm: cấu tạo gọn, sử dụng lưới điện pha nên sử dụng nhiều hệ tự động dân dụng (quạt điện, máy giặt, máy bơm nước công suất nhỏ…) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... điện không đồng bộ: Động điện không đồng nhận điện lưới điện, nhờ từ trường quay, điện biến thành Quá trình biến đổi lượng hình vẽ: Khi số pha m = 3, ta có: Pđ1 Pst P1: cơng suất tiêu thụ điện. .. từ cho máy Đó nhược điểm máy phát khơng đồng bộ, dùng máy phát không đồng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8.5 Mô hình tốn học động điện khơng đồng 8.5.1 Phương trình điện. .. không đồng ba pha Máy điện không đồng gồm phận stato rôto: a/ Stato: phần tĩnh máy, gồm phận lõi thép dây quấn, ngồi cịn có vỏ máy nắp máy • Lõi thép: - hình trụ, ghép từ thép kỹ thuật điện có