V. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM
5.4. Đặc tính không tải
a) Mục đích:
Sau khi hoàn thành bài tập này, bạn có thể chứng minh được đặc tính vận hành không tải của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc.
b) Yêu cầu thiết bị:
TT Mô tả Số lượng Model
1 Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 3 pha 1 EM-3330-3C
2 Module nguồn cấp 3 pha AC/DC điều chỉnh
được 1 EM-3310-1D
3
Đồng hồ phân tích công suất kỹ thuật số hoặc Ampekế AC kỹ thuật số,
Vônkế AC kỹ thuật số, Đồng hồ công suất số Đồng hồ đo hệ số công suất
1 EM-3310-3H EM-3310-3C EM-3310-3C EM-3310-3E EM-3310-3F 4 Bộ cầu chì 1 EM-3310-5B 5 Bàn thí nghiệm 1 EM-3380-3A c) Trình tự tiến hành thí nghiệm:
1. Cài đặt các module cần thiết trong khung thí nghiệm. Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc trên bàn thí nghiệm. Xây dựng mạch theo sơ đồ mạch trong hình 5-4-1 và sơ đồ đấu nối trong hình 5-4-2. Có người hướng dẫn kiểm tra mạch của bạn hoàn thành.
2. Bật bộ nguồn cung cấp 3 pha AC/DC, xoay núm điều chỉnh để điện áp đạt 220V. Động cơ bắt đầu vận hành trong đấu nối hình Δ.
3. Ghi dòng động cơ I, điện áp động cơ E, công suất động cơ P và hệ số công suất cosθ được thể hiện các giá trị bằng đồng hồ phân tích công suất kỹ thuật số trong bảng 5-4-1.
6. Tuần tự tắt nguồn cung cấp 3 pha và khóa bảo vệ giới hạn dòng.
Bảng 3.3 Các giá trị đo của I, E, P và cosθ
I(A) P(W) Cos θ E(V)
Nhận xét và so sánh kết quả với kết quả thí nghiệm.
……… ……… ……… ……… ……… ………
32
33
34
BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 4 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO DÂY QUẤN
I. MỤC TIÊU
- Tìm hiểu cấu tạo và biết cách vận hành động cơ không đồng bộ (ĐK) ba pha. - Khảo sát một số đường đặc tính của động cơ.
- Tính hệ số trượt và xác định các thông số mạch điện thay thế bằng thí nghiệm.
II. NHIỆM VỤ THỰC HÀNH
2.1. Tìm hiểu kiến thức lý thuyết của bài thực hành
1. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ
2. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ
3. Các quá trình năng lượng trong động cơ không đồng bộ
2.2. Thực hành theo quy trình
1. Vận hành đảo chiều quay của động cơ
2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở roto 3. Xác định đặc tính tải của động cơ không đồng bộ roto dây quấn 4. Cải thiện hệ số công suất động điện không đồng bộ
III. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
3.1. Cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của roto n(tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n1.
Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chủ yếu là stato và roto, ngoài ra còn vỏ máy và nắp máy.
1.Stato
Stato là phần tĩnh gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.
a. Lõi thép: Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
b. Dây quấn: Dây quấn stato làm bằng các dây dân bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều bap ha chạy qua dây quấn stao sẽ tạo ra các từ trường quay.
c. Vỏ máy: Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ.
2. Roto
35
a. Lõi thép : Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục ở giữa có lỗ để lắp trục.
b. Dây quấn : Dây quấn roto của máy điện không đồng bộ có hai kiểu:
roto ngắn mạch (còn gọi là roto lồng sóc) và roto dây quấn. Loại roto lồng sóc công suất trên 100kW, trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh đồng hai đầu nối ngắn mạch bằng 2 vòng đồng tạo thành lồng sóc.
Ở động cơ công suất lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch và cánh quạt làm mát. Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ lồng sóc.
Loại roro dây quấn, trong lõi thép roto, đặt dây quấn ba pha. Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và được cách điện.
Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn rôto được nối với 3 vòng tiếp xúc, đồng thời nối với 3 biến trở bên ngoài, để mở máy hay điều chỉnh tốc độ. Loại động cơ này gọi là động cơ không đồng bộ dây quấn, trên các sơ đồ điện.
Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo. Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu truyền động.
3.2. Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng của động cơ không đồng bộ
Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha có tần số f1 vào dây quấn stato, trong dây quấn stato sẽ có hệ thống dòng ba pha chạy qua, dòng điện này sẽ tạo ra từ trường quay có tốc độ n1 = 60f1/p (hình 2.1). Từ trường này cắt các thanh dẫn của dây quấn roto và cảm ứng trong đó các sđđ E2. Vì dây quấn roto nối ngắn mạch, nên E2 sẽ sinh ra dòng điện I2 trong các thanh dẫn roto. Lực tác dụng tương hỗ (Fđt) giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện I2, sẽ kéo roto quay theo chiều của từ trường quay với tốc độ n.
36
Tốc độ roto n luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, vì nếu hai tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn roto không có sđđ và dòng điện cảm ứng, nên lực điện từ bằng không.
Hệ số trượt của tốc độ là: 2 1 1 1 1 1 n n n ω ω s = n n ω (4.1) Khi roto đứng yên, tốc độ n = 0, hệ số trượt s = 1; khi roto quay với tốc độ định mức sđm = 0,04. ÷ 0,06. Tốc độ động cơ là: 1 1 60f n = n (1- s) = (1- s) p
Dây quấn stato của động cơ như dây quấn sơ cấp MBA, ta có phương trình điện áp là:
1 1 1 1 1 1 1 1
U = -E + I (r + jx ) = E + I Z (4.2) Trong đó: Z1 = r1+jx1: tổng trở của dây quấn stato.
r1 là điện trở của dây quấn stato.
x1 là điện kháng tản của dây quấn stato.
E1 là sđđ pha stato do từ thông của từ trường quay sinh ra có trị số là:
1 1 1 dq1 m
E = 4, 44f w k Φ (4.3) Trong đó: w1, kdq1 lần lượt là số vòng dây và hệ số dây quấn của dây quấn stato. Từ trường chính quay với tốc độ n1, roto quay với tốc độ n theo chiều từ trường quay. Vậy giữa từ trường quay và dây quấn roto có tốc độ trượt:
n2 = n1 – n Tần số sđđ cảm ứng trong dây quấn roto:
2 1 1 2 1 1 1 n p n n n p f = sf 60 n n (4.4) Sđđ pha cảm ứng trong dây quấn roto lúc quay là:
2s 2 2 dq2 m
E = 4, 44f w k Φ (4.5a) Hoặc E2s = 4, 44sf w k1 2 dq2Φm (4.5b) Trong đó: w2, kdq2 lần lượt là số vòng dây và hệ số dây quấn của dây quấn roto. Khi roto đứng yên f2 = f1. Sđđ dây quấn roto lúc đứng yên là:
2 1 2 dq2 m
E = 4, 44f w k Φ (4.6) So sánh (4.7) và (4.5b), ta thấy:
2s 2
E = sE (4.7) Điện kháng của dây dây quấn roto:
+ Lúc đúng yên:
x2 = 2πf1L2 (4.8) + Lúc quay: x2s = 2πf2L2 = 2πsf1L2 = sx2 (4.9)
37
Trong đó: L2 là điện cảm tản của dây quấn roto. Từ (4.3) và (4.6), ta có tỷ số sđđ pha stata và roto là :
1 dq1 1 e 2 2 dq2 w k E k = E w k (4.10) Với: ke gọi là hệ số qui đổi sđđ roto về stato.
Phương trình điện áp của mạch điện roto lúc quay là:
0 = E - I (r + jx )2s 2 2 2 (4.11a) Hay : 0 = sE - I (r + jx )2 2 2 2 (4.11b)
Phương trình stđ của động cơ không đồng bộ
Khi động cơ làm việc, từ trường quay trong máy do dòng điện của cả hai dây quấn sinh ra. Dòng điện trong dây quấn stato sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 so với stato. Dòng điện trong dây quấn roto sinh ra từ trường quay với tốc độ n2 so với tốc độ roto bằng: 2 1 2 1 60f 60sf n = sn p p
Vì roto quay với tốc độ n, nên từ trường roto sẽ quay đối với stato sẽ có tốc độ là: n2 + n = sn1 + n = sn1 + n1(1-s) = n1
Vậy từ trường quay stato và từ trường quay roto cùng tốc độ n1, nên từ trường tổng hợp là từ trường quay với tốc độ n1. Từ thông Φm có trị số hầu như không đổi ứng với chế độ không tải và có tải. Do đó ta có thể viết phương trình sức từ động của động cơ:
1 1 dq1 1 2 2 dq2 2 1 1 dq1 0
m w k I + m w k I = m w k I
Trong đó: I0 là dòng điện stato lúc không tải.
I1, I2 là dòng điện stato và roto lúc có tải.
kdq1, kdq2 là hệ số dây quấn của dây quấn stato và roto. Chia hai vế cho m1w1kdq1 và đặt:
' 2 2 2 1 1 dq1 i 2 2 dq2 I I = = I , m w k k m w k Ta có: I = I + (-)I1 0 '2 (4.12) Trong đó, ' 2
I là dòng điện roto qui đổi về stato, còn hệ số qui đổi dòng điện là:
i 1 1 dq1
2 2 dq2
m w k k =
m w k (4.13)
3.3. Mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ
Để thuân tiện cho việc nghiên cứu và tính toán, từ hệ phương trình điện áp và sức từ động của động cơ, ta thành lập sơ đồ điện đặc trưng cho động cơ gọi là mạch điện thay thế. Hệ phương trình của động cơ điện là:
38 U = -E + I (r + jx ) = -E + I Z1 1 1 1 1 1 1 1 (4.14a) 2 2 2 2 0 = sE - I (r + jsx ) (4.14b) ' 1 0 2 I = I + (-I ) (4.14c) Phương trình (4.14b) là phương trình mạch điện roto lúc quay, trong đó dòng điện I2 có tần số f2 = sf1. Chia (4.14b) cho s, ta có: 2 2 2 2 r 0 = E - I ( + jx ) s (4.15) Phương trình (4.15) là phương trình điện áp roto lúc quay đã được qui đổi về roto đứng yên. Có thể gọi là phương trình điện áp roto qui đổi về tần số stato.
Nhân phương trình (4.15) với ke, chia và nhân với ki, ta có:
2 2 e 2 e i 2 e i i I r 0 = k E - ( k k + jx k k ) k s (4.16a) ' ' ' 2 ' ' ' ' ' ' 2 2 2 2 2 2 2 2 r 1- s 0 = E - I ( + jx ) = E - I (r + r + jx ) s s (4.16b) Trong đó: ' 2 e 2 1
E = k E = E là sđđ pha roto qui đổi về stato;I = I / k'2 2 ilà dòng điện roto qui đổi về stato; k = kike là hệ số qui đổi tổng trở; cònRc¬ r (1- s) / s2' gọi là điện trở giả tưởng.
Giống như máy biến áp, -E1 và –E’2 là điện áp rơi trên tổng trở nhánh từ hóa:
'
2 1 0 m m 0 m
-E = -E = I (r + jx ) = I Z (4.17) Cuối cùng ta có phương trình cơ bản lúc roto quay là:
1 1 1 1 ' ' ' ' ' 2 2 2 2 2 ' 2 1 ' 1 0 2 1 0 m U = -E + I Z 1- s 0 = E - I (r + r + jx ) s E = E I = I + (-)I -E = I Z (4.18)
Dựa vào phương trình cơ bản sau khi qui đổi (4.18), ta thành lập sơ đồ thay thế hình T (hình 4.2a) cho động cơ điện không đồng bộ khi roto quay giống như máy biến áp, ở dây dây quấn sơ cấp máy biến áp là dây quấn stato, dây quấn thứ cấp máy biến áp là dây quấn roto và phụ tải máy biến áp là điện trở giả tưởng '
2
Rc¬ r (1- s) / s, đây là điện trở đặc trưng cho công suất cơ Pcơ của động cơ. Để thuận tiện cho việc tính toán, sơ đồ hình 4.2a được xem gần đúng với sơ đồ hình 4.2b khi bỏ qua tổn hao lõi thép do IEEE đề xuất, được sử dụng nhiều trong tính toán hiện nay, hoặc được xem gần đúng tương đương hình 4.2c trong đó:
39
Làm một vài phép biến đổi đơn giản, ta có sơ đồ thay thế động cơ như hình 4.2d, trong đó:
' '
n 1 2 n 1 2
r = r + r ; x = x + x (4.19b) Từ đó sơ đồ thay thế có thể tính dòng điện stato, dòng điện roto, momen, công suất cơ…và những tham số khác. Như vậy đã chuyển việc tính toán một hệ Điện – Cơ về việc tính toán mạch điện đơn giản.
Hình 4.2 Mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ. a) mạch điện thay thế hình
T; b) mạch điện thay thế IEEE; c) mạch điện thay thế Г gần đúng; d) mạch điện thay thế Г biến đổi.
3.4. Quá trình năng lượng trong động cơ
Động cơ điện không đồng bộ nhận điện năng từ lưới điện, nhờ từ trường quay điện năng đã được biến đổi thành cơ năng trên trục động cơ.
Công suất tác dụng động cơ điện nhận từ lưới điện :
1 1 1 1 1
P = m U I cosφ
Trong đó : U1, I1, φ1 là điện áp, dòng điện và góc lệch pha của dòng điện và điện áp pha.
Công suất này là một phần bù và tổn hao đồng trên dây quấn stato: 2 Cu1 1 1 1
p = m I r và
tổn hao sắt trong lõi thép: 2
Fe 1 0 0
p = m I r .Công suất còn lại gọi là công suất điện từ truyền qua roto: ' 2 2 1 Cu1 Fe1 1 2 r P = P - (p + p ) = m I s ®t (4.20)
Công suất điện từ truyền qua roto, sau khi mất một phần vì tổn hao đồng trên dây
quấn roto: '2
Cu2 2 2 2
40 ' '2 2 '2 '2 ' Cu2 1 2 2 2 2 1 2 2 r 1- s P = P - p = m I - m I r' = m I r s s ®t c¬ (4.21)
Công suất cơ sau khi trừ đi tổn hao cơ pcơ do ma sát quạt gió và tổn hao phụ pf, còn lại là công suất có ích trên trục hay công suất ra
của động cơ điện:
2 f q
P = Pc¬ (pc¬ p ) = Pc¬ p
Tổn hao của động cơ điện:
Cu1 Fe1 Cu2 f
p p p p p p
co
Hiệu suất của động cơ điện:
2 1 1 P p 1 P P
IV. CÂU HỎI CHUẨN BỊ
Câu 1. Các loại máy điện không đồng bộ? Đặc điểm của từng loại?
Câu 2. Các yêu cầu cơ bản khi mở máy máy động cơ không đồng bộ ba pha?
Câu 3. Các phương pháp mở máy động cơ không đồng bộ và so sánh ưu khuyết điểm của chúng?
Câu 4. Phân tích những điểm giống nhau và khác nhau về nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ và máy biến áp?
Câu 5. Mômen phụ của động cơ không đồng bộ là những mômen gì? Ý nghĩa và ảnh hưởng của các loại mômen đó?
Câu 6. Vẽ và giải thích các đường đặc tuyến làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha?
Câu 7. Những ảnh hưởng chính khi động cơ không đồng bộ làm việc trong điều kiện tần số, điện áp không định mức?
Câu 8. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, so sánh ưu khuyết điểm và phạm vi ứng dụng của chúng?
Câu 9. Tại sao máy điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi nhất?
V. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM