Máy điện - thiết bị điện chương 3: động cơ dị bộ

Máy điện - thiết bị điện chương 3: động cơ dị bộ

MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ CHƢƠNG ĐỘNG CƠ DỊ BỘ (3.1.0.6) Giúp sinh viên hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, đặc tính động dị 3.1 Tổng quan khái niệm (0,5.0.0.1) Máy điện không đồng (máy điện dị bộ) loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay nhỏ tốc độ quay từ trƣờng Máy điện khơng đồng làm việc hai chế độ: động máy phát Máy phát không đồng đƣợc dùng đặc tính làm việc không tốt; nên chƣơng ta xét động không đồng Chúng đƣợc dùng nhiều tàu thủy chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, hiệu suất cao, vận hành, bảo dƣỡng sửa chữa dễ dàng Dải công suất rộng, từ vài đến hàng ngàn Các động từ trở lên hầu hết pha; động nhỏ thƣờng pha Hầu hết động điện sử dụng tàu thủy động không đồng pha lồng sóc Hình 3.1 3.2 Hình dạng bên số loại động dị Cấu tạo, nguyên lý hoạt động động không đồng (1.0.0.1) Cấu tạo: Cấu tạo máy điện không đồng bao gồm hai phận hình 11 nhƣ MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Vỏ máy Stator Rotor Hình 3.1.1 Máy điện dị 3.2.1 có hai phần lõi thép dây quấn (hình ) Lõi thép hình trụ gồm nhiều thép kỹ thuật điện ghép lại Mặt có rãnh để chứa dây quấn pha Dây quấn làm dây dẫn bọc cách điện, đặt rãnh đƣợc phân bố dọc theo chu vi lõi thép Dây quấn nhận điện từ nguồn pha để tạo từ trƣờng quay Tốc độ quay từ trƣờng phụ thuộc tần số nguồn điện số cực dây quấn (a) (b) máy điện dị Hình 3.1.2 (a) Lá thép Hình hình rãnh (c) ; (b) Cuộn dây; (c) cho thấy sơ đồ khai triển dây quấn pha đặt rãnh lõi thép Cuộn dây pha đặt rãnh ; pha ; pha rãnh 12 MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Y B A X 12 Z 11 C 10 Stator 7 10 11 12 Khe khơng khí Rotor A B C (a) X Y Z (b) Hình 3.1.3 (a) Mạch từ dây quấn ; (b) Sơ đồ khai triển dây quấn 3.2.2 có hai phần lõi thép dây quấn Lõi thép hình trụ gồm nhiều thép kỹ thuật điện ghép lại Mặt ngồi có rãnh để chứa dây quấn có hai loại: lồng sóc dây quấn (1) lồng sóc (hình ) gồm đồng nhôm đặt rãnh, bị ngắn mạch hai vành ngắn mạch hai đầu Với động nhỏ, đƣợc đúc nguyên khối, gồm dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt quạt Với động lớn, đồng đƣợc đặt vào rãnh siết chặt vào vành ngắn mạch Nhờ khơng có vành trƣợt chổi than nên bền, chắc; cần bảo trì Các dẫn thƣờng nghiêng so với trục (ta có cảm tƣởng nhƣ bị vặn xoắn); lý do: làm cho quay không bị dao động máy ồn làm việc, tránh đƣợc vị trí song song đối diện với ; tức vị trí từ trở cực tiểu bị “khóa" đó; và, tăng chiều dài tác dụng dẫn (a) (b) 13 MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Lá thép KTĐ Trục Thanh dẫn Vịng ngắn mạch (c) lồng sóc máy điện dị Hình 3.1.4 a- Lá thép (2) ; b- Hình dạng ; c- Hình cắt dây quấn (hình ) dây quấn pha có số cực nhƣ dây quấn Dây quấn ln ln đấu có đầu đấu vào vành trƣợt gắn vào trục quay Ba chổi than cố định quét lên vành trƣợt để dẫn điện biến trở pha đấu nằm động cơ, dùng để khởi động điều chỉnh tốc độ (a) (b) dây quấn máy điện dị Hình 3.1.5 a- Vành trượt; b- 14 dây quấn MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Nắp mỡ Vòng bi Quạt làm mát Stator Rotor Vòng bi Nắp mỡ Vỏ máy Hình 3.1.6 Kết cấu máy điện dị Nguyên lý hoạt động: Sự hình thành từ trường quay: Xét dây quấn pha đơn giản hình Cuộn đặt hai rãnh đối diện tạo thành pha ; cuộn đặt cách góc pha cuộn đặt cách góc pha Trục cuộn dây lệch khơng gian góc Giả sử dây quấn có hệ thống dòng điện pha cân thứ tự thuận chạy qua (chiều giả thiết từ đầu đến cuối dây quấn) Dòng điện chạy i iA cuộn dây có dạng sóng nhƣ hình iB biểu thức tức thời là: iC wt wt = 90o Hình 3.2.1 wt = 90o + 240o Dạng sóng dịng điện 15 wt = 90o + 120o pha cuộn dây MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ A A A fS Y Z Y Z Y Z C B C B C B fS X Hình 3.2.2 X fS X Từ trƣờng thời điểm Lúc đó, từ cảm dịng mạch có phƣơng lần lƣợt trùng với trục pha tắc vặn nút chai; độ lớn tỷ lệ lần lƣợt với tạo tổng : tạo riêng rẻ từ cảm đập Chiều đƣợc xác định quy Từ cảm tổng hợp ba dòng BS BA 60o BC BA BS BB 60o BB BC BC 60o BB BA BS Hình 3.2.3 Ta xét từ trƣờng thành phần từ trƣờng tổng Biểu diễn thời điểm sau: Thời điểm Lúc này, dòng qua pha cực đại dƣơng theo chiều dƣơng trục pha cực đại hƣớng Đồng thời, hƣớng theo chiều âm trục pha hƣớng theo chiều dƣơng trục pha Thời điểm nên 16 có chiều dài có chiều dài nên Từ cảm tổng hợp MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Lúc này, dòng qua pha dƣơng trục pha cực đại dƣơng Tƣơng tự, ta thấy có chiều dài Thời điểm Từ cảm tổng hợp quay Lúc dòng qua pha dƣơng trục pha hƣớng theo chiều cực đại dƣơng Tƣơng tự, ta thấy có chiều dài hƣớng theo chiều Từ cảm tổng hợp quay thêm Hoạt động: Khi ta cho dòng điện pha tần số trƣờng quay với tốc độ vào cuộn dây , tạo từ Giả sử vào thời điểm , từ trƣờng quay theo chiều kim đồng hồ với tốc độ đồng có chiều hình Lúc đó, dây dẫn từ cảm chuyển động tƣơng với tốc độ tƣơng đối nên dây dẫn có sức điện động cảm ứng có chiều cho bởi: tức hƣớng từ trƣớc sau (hình Vì Dịng ngắn mạch nên đặt từ cảm ) tạo dòng cảm ứng , hƣớng từ trƣớc sau chịu tác dụng lực điện từ: tức chiều với chiều quay từ trƣờng Tƣơng tự, dây dẫn rõ ràng lực tác động lên dây dẫn tạo kéo quay theo từ trƣờng , nghĩa tìm cách "đuổi theo" từ trƣờng Tuy thiên, khơng bắt kịp từ trƣờng tốc độ , kéo theo , nghĩa khơng cịn lực để kéo tải Vì lẽ đó, ln ln quay với tốc độ ; nghĩa từ trƣờng quay với tốc độ tƣơng đối , gọi tốc độ trƣợt 17 MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Trục từ trường Stator B n1 S + a Trục từ trường Rotor v i2 + a e2 F x e2 -v B B x · -F i2 · N (a) Hình 3.2.4 (b) quay động a- Quá trình tạo b- Biểu diễn Tỷ số tốc độ trƣợt tốc độ đồng gọi hệ số trƣợt: Tốc độ là: = (tốc độ đồng bộ) – (tốc độ trƣợt) đứng yên Khi quay tốc độ định mức , Thông số định mức: - Điện áp định mức : điện áp dây định mức - Công suất định mức : với động dị bộ, cơng suất trục động - Dịng điện định mức định mức : dòng - Tần số định mức - Tốc độ định mức - Hệ số công suất định mức - Hiệu suất định mức - Cấp cách điện, cấp bảo vệ máy ứng với thông số máy tải : tần số nguồn cấp, thƣờng : tốc độ quay , thƣờng tính đơn vị vịng/phút Ngồi ra, nhãn cịn ghi thơng số khác nhƣ: tên nhà sản xuất, năm sản xuất, khối lƣợng, mã vòng bi, kiểu máy, số pha, … Từ trị số định mức ghi nhãn, ta tính đƣợc: 18 MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ - Công suất định mức mà động tiêu thụ từ lƣới điện: - Mômen quay định mức đầu trục: tốc độ góc rotor Với 3.3 Mạch điện tương đương, hiệu suất (1.1.0.1) 3.3.1 Mạch điện tương đương Để xây dựng mạch điện tƣơng đƣơng, trƣớc hết ta xây dựng mơ hình tốn động dị bộ; từ mơ hình tốn này, ta thiết lập mạch điện thay thế, gọi mạch điện tƣơng đƣơng 3.3.1.1 Phương trình điện áp dây quấn Khi nối dây quấn với nguồn pha dây quấn có dịng điện trình cân điện áp dây quấn là: , phƣơng đó, - nội trở cuộn dây quấn - điện kháng tản dây quấn - tần số dòng điện cuộn dây - điện cảm tản cuộn dây , đặc trƣng cho từ thông tản - sức điện động cảm ứng cuộn dây Sức điện động từ thông qt qua cuộn dây có trị số: , dây quấn rải rãnh mà không quấn tập trung nhƣ 3.3.1.2 Phương trình điện áp dây quấn Từ trƣờng (từ trƣờng ) quay với tốc độ , từ trƣờng quay dây quấn với tốc độ Do đó, tần số sức điện động dòng điện cuộn dây quấn Khi quay, sức điện động cảm ứng cuộn dây Khi đứng yên, nghĩa , lúc này: 19 là: quay với tốc độ , nhƣ là: MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ So sánh đứng yên quan hệ: , ta thấy sức điện động pha quay Tƣơng tự: Gọi hệ số quy đổi sức điện động , ta có: ngắn mạch, phƣơng trình cân điện áp pha Do 3.3.1.3 là: Phương trình sức từ động Khi khơng quay, dịng dịng sinh sức từ động quay với tốc độ đồng Hai sức từ động tác dụng với tạo thành sức từ động tổng khe hở Phƣơng trình cân sức từ động: hay đó: - số pha; Nhƣ vậy, từ So sánh sức từ động - số đôi cực suy ra: dòng thành phần Từ đó, ta có hệ số quy đổi dịng điện sinh ra, ta có: : Các phân tích ứng với trƣờng hợp trƣờng lệch góc 3.3.1.4 đứng yên, quay (tức trục từ bất kỳ) kết Mơ hình tốn động dị Các phƣơng trình đặc trƣng cho động dị bộ: 20 MÁY ĐIỆN 3.3.1.5 CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Sơ đồ thay động dị Quy đổi đại lượng Để thuận tiện cho việc nghiên cứu tính tốn, ta thiết lập sơ đồ điện gọi sơ đồ thay từ hệ phƣơng trình mơ tả Để thiết lập đƣợc sơ đồ, ta cần phải quy đổi Trong hệ phƣơng trình mơ tả, ta biến đổi phƣơng trình thứ nhƣ sau: Đặt: sức điện động pha quy đổi dòng điện trở dây quấn quy đổi quy đổi điện kháng dây quấn hệ số quy đổi tổng trở Lúc này, quy đổi về trở thành: Tƣơng tự nhƣ , thành phần điện áp tổng trở đặc trƣng cho từ thơng tổn hao sắt từ lõi thép Coi tổn hao khơng đáng kể (tổn hao dịng xốy từ thơng tản móc vịng qua khơng khí); nên từ thơng dịng khơng tải sinh Do đó, ta viết: Trong đó: tổng trở từ hoá đặc trƣng cho mạch từ + + điện trở từ hoá đặc trƣng cho tổn hao sắt từ Cuối cùng, ta có phƣơng trình thay mơ tả động dị nhƣ sau: Sơ đồ thay Từ hệ phƣơng trình ta thiết lập sơ đồ thay nhƣ sau: 21 MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ I1 R1 R‘2 X1 ‘ X2 s I2‘ Io Rth U1 Xth Hình 3.4.1 3.3.2 Sơ đồ tƣơng đƣơng máy điện khơng đồng Hiệu suất Công suất điện động nhận từ nguồn: (với hệ số công suất động cơ); sau bị phần tổn hao đồng dây quấn phần tổn hao sắt từ lõi thép cơng suất cịn lại đƣa vào Công suất đƣa vào là , gọi công suất điện từ: , sau bị phần tổn hao đồng dây quấn : cịn lại cơng suất trục: Công suất cơ, sau trừ tổn hao ma sát, quạt gió tổn hao phụ, cịn lại cơng suất có ích trục, hay cơng suất ra: Tổng tổn hao động là: Hiệu suất động là: Lƣu đồ công suất đƣợc vẽ hình 22 MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Pđ t P1 P2 Pc DP đ DP m q DPF đ DP e Lƣu đồ cơng suất động khơng đồng Hình 3.4.2 Đặc tính (0,5.0.0.1) 3.4 Gọi: tốc độ từ trƣờng tốc độ Ta có tính vịng/giây rad/giây tính vịng/giây rad/giây tần số góc dịng điện ; với quay động là: tính gần bằng: Dịng trở kháng mạch mạch quy Suy ra, đƣợc vẽ hình Quan hệ Quan hệ tốc) vẽ hình Điểm cực đại hình , gọi đặc tính (hay đặc tính có tọa độ cho cực đại: 23 - vận Suy hệ số trƣợt tới hạn: MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Ngoài ra, thay Quan hệ với ,( , đứng yên) vào , ta đƣợc mở máy: viết gần nhƣ sau: hệ số trƣợt tới hạn Trên hình , ta có Gọi đặc tính tải mà động kéo Nếu hệ thống quay động cản tải điểm làm việc giao điểm hai đặc tính (hình ) M Mth M M = f(s) M = f(n) Mth Mc Mm Mđm Mm A no sth s (a) Hình 3.4.3 3.5 nđm (b) a- Đặc tính - hệ số trƣợt; b- Đặc tính Quấn dây (0.0.0.2) Chƣơng tài liệu BK Đà Nẵng 3.6 nth Động pha, hai pha (0.0.0.2) Chƣơng 12 tài liệu BK Đà Nẵng 24 n ... trƣợt để dẫn điện biến trở pha đấu nằm động cơ, dùng để khởi động điều chỉnh tốc độ (a) (b) dây quấn máy điện dị Hình 3.1.5 a- Vành trượt; b- 14 dây quấn MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Nắp mỡ Vòng... hình tốn động dị Các phƣơng trình đặc trƣng cho động dị bộ: 20 MÁY ĐIỆN 3.3.1.5 CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Sơ đồ thay động dị Quy đổi đại lượng Để thuận tiện cho việc nghiên cứu tính tốn, ta thiết lập... trƣợt 17 MÁY ĐIỆN CHƯƠNG – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ Trục từ trường Stator B n1 S + a Trục từ trường Rotor v i2 + a e2 F x e2 -v B B x · -F i2 · N (a) Hình 3.2.4 (b) quay động a- Quá trình tạo b- Biểu diễn