3.1.1. Định nghĩa
Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của quay rotor n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n1.
Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stator (sơ cấp) nối với lưới điện, dây quấn rotor (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc nối kín qua điện trở. Dòng điện trong dây quấn rotor sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ rotor nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy.
Máy điện không đồng bộ cũng có tính thuận nghịch là có thể làm việc trong chế độ máy phát điện hay trong chế độ động cơ điện.
Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt so với máy phát điện đồng bộ nên ít được sử dụng, chỉ dùng trong trường hợp cần nguồn điện phụ hay tạm thời thì mới có ý nghĩa quan trọng.
Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành đơn giản hơn, giá thành rẽ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực với công suất từ vài chục W đến vài MW.
3.1.2. Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha
Hình 3.1. Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha
Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay),ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy, trục máy và khe hở không khí.
3.1.2.1. Stator
Hình 3.2. Cấu tạo stator động cơ điện không đồng bộ ba
Stator là phần tĩnh gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.
Lõi thép là phần dẫn từ, dạng hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, có sơn cách điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục và được ép vào trong vỏ máy. Nếu lõi thép ngắn thì làm thành một khối, nếu lõi thép qúa dài thì ghép nhiều khối lại đặt cách nhau 1cm để thông gió.
b. Dây quấn
Dây quấn làm bằng dây đồng có bọc cách điện, được đặt bên trong các rãnh lõi thép và cách điện với lõi thép. Khi có dòng điện xoay chiều 3 pha đi vào trong dây quấn sẽ tạo ra từ trường quay.
c. Vỏ máy
Vỏ máy thường làm bằng gang dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ. Đối với máy công suất lớn thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà có các dạng vỏ khác nhau. Hai đầu vỏ có nắp máy, ổ đỡ trục. Vỏ và nắp dùng để bảo vệ máy tránh các vật bên ngoài rơi vào.
3.1.2.2. Rotor
Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy 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 dọc trục, ở giữa có lỗ để lắp đặt trục.
b. Dây quấn: Gồm 2 kiểu là rotor dây quấn và rotor lồng sóc. Rotor dây quấn:
Giống như dây quấn stator gồm có ba cuộn dây thường đấu hình sao, ba đầu còn lại được nối vào ba vành trượt bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than để nối với mạch điện bên ngoài.
Ưu điểm: Có thể đưa điện trở phụ vào mạch điện rotor cải thiện qúa trình mở máy và điều chỉnh tốc độ.
Nhược điểm: Giá thành cao và vận hành kém tin vậy.
Rotor lồng sóc: Trong mỗi rãnh của lõi thép đặt vào thanh dẫn bằng đồng và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng tạo thành cái lồng sóc.
Hình 3.3. Cấu tạo rotor lồng sóc động cơ điện không đồng bộ ba pha
Ưu điểm: Giá thành rẻ và làm việc tin cậy và dùng rất phổ biến. Nhược điểm: Ít dùng trong truyền động điện.
3.1.3. Những đại lượng định mức
- Công suất hữu ích trên trục: Pđm (W, kW, HP) - Công suất điện định mức động cơ tiêu thụ:
- Momen quay định mức đầu trục:
- .Điện áp định mức: Uđm (V, kV) ghi hai trị số tương ứng cách đấu dây giữa đấu sao hay tam giác,
- Dòng điện dây định mức: Iđm (A) tương ứng với động cơ vận hành chế độ đấu sao hay tam giác.
- Tốc độ quay định mức: nđm (vòng/phút)
- Tần số định mức: fđm (hZ) thường tần số là 50 Hz hoặc 60 Hz - Hệ số công suất: cos
- Hiệu suất động cơ: đm
3.1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ
Giả thiết về chiều quay n1 của từ trường khe hở và của rotor n (hình vẽ 3.4). Theo qui tắc bàn tay phải, xác định được chiều sđđ E2 và I2; theo qui tắc bàn tay trái, xác định được lực F và mômen M. Ta thấy F cùng chiều quay của rotor, nghĩa là điện năng đưa tới stator, thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay rotor theo chiều từ trường quay n1, như vậy máy làm việc ở chế độ động cơ điện. Rotor quay cùng chiều quay từ trường nhưng tốc độ quay rotor nhỏ hơn tốc độ của từ trường.
Hình 3.4. Nguyên lý quay động cơ điện không đồng bộ ba pha
Tốc độ quay n luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 nên gọi là không đồng bộ. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy là tốc độ trượt n2 . Tốc độ trượt tính: n = n – n
Hệ số trượt tính theo biểu thức:
Khi rotor đứng yên thì hệ số trượt s = 1. Khi rotor quay định mức thì s = 0,02 0,06. Tốc độ quay động cơ là:
3.1.5. Mô hình toán và sơ đồ thay thế của động cơ điện không đồng bộ. 3.1.5.1. Phương trình điện áp dây quấn stator 3.1.5.1. Phương trình điện áp dây quấn stator
Nối dây quấn stator với nguồn điện 3 pha thì trong dây quấn có dòng điện. Phương trình điện dây quấn stator tương tự dây quấn sơ cấp của máy biến áp là:
Trong đó:
Z1 : tổng trở dây quấn stator E1 : sứ điện động pha stator.
3.1.5.2. Phương trình sức điện động dây quấn stator
Phương trình cân bằng sức điện động của dây quấn stator tương tự dây quấn sơ cấp của máy biến áp là:
E1 = 4,44fw1.kdq1.max Trong đó:
w1 : số vòng dây 1 pha stator.
max : biên độ từ trường một pha. kdq1: hệ số dây quấn.
3.1.5.3. Phương trình dây quấn rotor
Tần số sức điện động trong dây quấn rotor là: f2 = s.f
Khi rotor quay, sức điện động dây quấn rotor là: E2s = 4,44fw2.kdq2.max
Khi rotor đứng yên (s = 1), sức điện động dây quấn rotor là: E2 = 4,44fw2.kdq2.max
Gọi ke là hệ số quy đổi sức điện động rotor,
Trị hiệu dụng I2 là:
Sơ đồ thay thế của động cơ điện không đồng bộ
I2 U1 Rn Xn I0 R0 X0 R21 − s s
Hình 3.5. Sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ ba pha
Từ hình 3.5 thì Rn = R1 + R’2 và Xn = X1 + X’2 Tỉ số đặc trựng cho công suất cơ của động cơ.
3.1.6. Hiệu suất và biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ điện KĐB. 3.1.6.1. Giản đồ năng lượng 3.1.6.1. Giản đồ năng lượng
P1 Pđt P2 PCu1 PCu2 PFe PCf PCơ
Stato Khe hở không khí Roto Hình 3.6. Giản đồ năng lượng động cơ điện
Động cơ điện không đồng bộ nhận điện năng từ lưới điện, biến điện năng nhận được thành cơ năng. Quá trình này được thể hiện qua giản đồ năng lượng hình 3.14 a
Công suất động cơ tiêu thụ từ lưới điện là:
Công suất điện từ động cơ là: Pđt = P1- PCu1- PFe Trong đó:
:
Công suất cơ trên trục là:
Với
Công suất hữu ích trên trục động cơ P2 = Pcơ - Pcơ - Pf
Hiệu suất động cơ điện
Trong đó:
Với kt : hệ số tải
Vậy hiệu suất động cơ tính theo phần trăm Với: P0 = PFe + PCơ + Pcf Pn = PCu1 + PCu2 Thông thường thì đm = 75% 95% Trong đó:
PCu1 : Tổn hao đồng trên dây quấn stator.
PFe : tổn hao lõi thép stator do dòng điện xoáy và từ trễ.
PCu2 : Tổn hao đồng trên dây quấn rotor.
Pcơ : tổn hao cơ do ma sát, ổ bi, quạt gió.
Pf : tổn hao phụ P0 : tổn hao không tải. Pn : tổn hao đồng.
3.1.7. Momen quay động cơ điện KĐB bộ 3 pha.
Ở chế độ động cơ điện, mômen điện từ đóng vai trò mômen quay, được tính là
Momen điện từ tính:
Công suất điện từ tính:
Tần số góc tính:
Kết luận:
Đối với động cơ lồng sóc thì:
Tỉ số và
3.1.8. Mở máy động cơ điện KĐB 3 pha Rotor lồng sóc.
Các yêu cầu khi mở máy
- Mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải. - Imm càng nhỏ càng tốt
- Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn. - Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt
a. Mở máy trực tiếp: là đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện.
Ưu điểm: Mở máy nhanh và đơn giản
Khuyết điểm: Dòng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp lưới rất nhiều, nếu quán tính máy lớn thời gian mở máy lâu chảy cầu chì bảo vệ.
Khi mở máy giảm điện áp đặt vào động cơ, để giảm dòng điện mở máy. Khuyết điểm là mômen mở máy giảm đi rất nhiều nên dùng cho các trường hợp không yêu cầu mômen mở máy lớn, có các biện pháp sau:
c. Dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stator
Hình 3.7. Sơ đồ điện cuộn kháng nối tiếp và stator động cơ
- Lúc mở máy thì D2 mở, D1 đóng. Khi động cơ quay ổn định thì đóng D2 ngắn mạch cuộn kháng.
- Nhờ có cuộn kháng, điện áp đặt vào động cơ giảm đi k lần. Dòng điện giảm đi k lần, và M giảm đi k2 lần.
Dùng máy biến áp tự ngẫu
Gọi k là tỉ số biến áp của tự ngẫu U1 là điện áp pha lưới
Zn là tổng trở động cơ lúc mở máy ta có điện áp đặt vào động cơ khi mở máy là: Điện áp pha đặt vào động cơ khi mở máy là:
Dòng điện chạy vào động cơ là:
Khi mở máy trực tiếp: (2)
So sánh (1) và (2) khi có máy biến áp tự ngẫu, dòng điện của lưới giảm đi k2 lần nhưng điện áp vào động cơ giảm k lần, momen giảm k2 lần.
Phương pháp đổi nối Y -
Hình 3.8. Sơ đồ điện đổi nối Y/ động cơ ba pha
Dùng động cơ bình thường dây quấn nối tam giác Khi mở máy nối hình sao: (3)
Khi mở máy nối hình tam giác: (4) So sánh (3) và (4):
Kết luận: khi mở máy sao sang tam giác dòng điện dây mạng điện giảm đi 3 lần và momen giảm 3 lần.
Hình 3.9. Sơ đồ điện cuộn kháng nối tiếp và stator động cơ
Khi mở máy dây quấn rotor nối với biến trở mở máy. Lúc đầu biến trở lớn nhất, sau đó giảm dần về không.
Khi có Rmở , dòng điện mở máy là:
Momen mở máy cực đại khi sth = 1. Khi mở máy nối hình sao: Kết luận: dòng điện mở máy giảm nhưng momen mở máy tăng.
3.1.9. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ
Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ là
Vậy có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách: + Thay đổi tần số dòng điện stator
+ Thay đổi số đôi cực p của từ trường bằng cách đổi nối dây quấn stator + Thay đổi điện áp đặt vào stator để thay đổi hệ số trượt s
Ưu điểm: Điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng bằng phẳng.
Khuyết điểm: Cần có nguồn điện đặt biệt, chỉ thích hợp khi điều chỉnh nhóm động cơ cùng thay đổi tốc độ theo qui luật chung vì lúc này có thể dùng một nguồn biến tần chung.
b. Điều chỉnh tôc độ bằng cách thay đổi số đôi cực
- Thay đổi số đôi cực p bằng cách thay đổi cấu tạo dây quấn stator.
- Có bao nhiêu số đôi cực thì có bấy nhiêu cấp tốc độ, tốc độ chỉ có thể thay đổi từng cấp, không bằng phẳng (thường dùng 2 cấp tốc độ).
Ưu điểm: Giữ nguyên độ cứng của đặt tính cơ, động cơ có nhiều cấp tốc độ được dùng rộng rải trong các máy luyện kim, máy tàu thủy.
Khuyết điểm: Điều chỉnh tốc độ nhảy cấp, không bằng phẳng, chỉ áp dụng cho động cơ rotor lồng sóc.
c. Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stator
- Chỉ có thể giảm Uđm, khi U giảm M=f(s) giảm S tăng n giảm.
- Nhược điểm: Giảm khả năng quá tải của động cơ, miền điều chỉnh tốc độ hẹp, tăng tổn hao đồng rotor vì động cơ công suất nhỏ.
d. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch rotor
Khi điện trở phụ tăng thì hệ số trượt tăng, nên tốc độ quay của động cơ giảm xuống. Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, điều chỉnh liên tục và tương đối rộng động cơ công suất trung bình.
Nhược điểm: Tổn hao tăng hiệu suất giảm.
3.1.10.Định nghĩa sơ đồ trải dây quấn stator động cơ KĐB 3 pha .
Dây quấn động cơ điện xoay chiều ba pha bao gồm các dạng dây quấn bố trí trên stator động cơ hay trên rotor dạng động cơ rotor dây quấn.
Về các kiểu ta có dây quấn một lớp, dây quấn hai lớp hoặc dây quấn số nguyên hay dây quấn phân số.
Về thuật ngữ ta có:
Bối dây là cuộn dây quấn tạo nên do nhiều vòng dây nối tiếp nhau và được quấn theo hình dạng định trước.
Cạnh tác dụng: phần tử bối dây được lồng vào rãnh.
Bước bối dây: khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng của cùng một bối dây. Nhóm bối dây: tập hợp nhiều bối dây cùng một pha bằng cách đấu nối tiếp.
1 2 5 6 7 8
Đ C Đ
C
Hình 3.10. Hình vẽ bối dây và nhóm bối dây trong động cơ điện
3.1.11. Công thức tính và các dạng sơ đồ trải dây quấn stator động cơ ba pha.
Công thức tính sơ đồ trãi dây quấn rãnh/bước cực từ
rãnh/pha/bước cực từ độ điện
Trong đó:
q : số rãnh phân bố cho mỗi pha.
: Bước cực từ. Z : tổng số rãnh stator 2p : số cực động cơ. p : số đôi cực động cơ.
đ : góc lệch điện giữa hai rãnh động cơ. Đấu cực động cơ, đấu cực giả và cực thật.
Đấu cực giả: áp dụng khi tổng số nhóm bối dây một pha bằng số đôi cực động cơ. Đấu cực thật: áp dụng khi tổng số nhóm bối dây một pha bằng số cực động cơ. Các dạng sơ đồ trãi dây quấn
Ví dụ: Stator động cơ ba pha có Z = 24 rãnh, 2p = 4 và lệch pha 120 độ điện. Yêu cầu tính và vẽ sơ đồ trãi dây quấn kiểu tập trung, phân tán, hai lớp.
Bài giải
rãnh/pha/bước cực từ độ điện
Sơ đồ trãi dây quấn kiểu tập trung (hình 3.11)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1 2 3 4 A X ĐẦU C Đ C Đ CUỐI Y CUỐI ĐẦU B C Đ Z C { q = 2 q = 2 { q = 2 { ĐẦU
Hình 3.11. Sơ đồ trãi dây quấn kiểu tập trung Z = 24, 2p =4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1 2 3 4 A X C C C C Y B C Đ Z C Đ Đ C C Đ Đ Đ C C C
Hình 3.12. Sơ đồ trãi dây quấn kiểu phân tán Z = 24, 2p =4
Sơ đồ trãi dây quấn kiểu hai lớp (hình 3.13)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 30 1 2 3 4 5 6 A Z B C X Y