(TIỂU LUẬN) TIỂU LUẬN môn học kỹ THUẬT điện đề tài tóm tắt và ỨNG DỤNG các KIẾN THỨC CHƯƠNG ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ TRONG các bài tập

Sự trượt giữa vận tốc quay của từ trường và vận tốc quay chậm hơn của rotor là thực chất không đồng bộ của việc vận hành động cơ điện tử.. Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KINH TẾ

TIỂU LUẬN MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN

Đề tài

TÓM TẮT VÀ ỨNG DỤNG CÁC KIẾN THỨC CHƯƠNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC BÀI TẬP

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Ngọc Thảo

Lớp: ELEN232044_01 Sinh viên thực hiện: Nhóm 8

1 Nguyễn Thị Mỹ Hằng

2 Trần Thị Phương Linh

3 Nguyễn Thị Thùy Oanh

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2022

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ NHÓM 8

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Nguyễn Thị Mỹ Hằng Nguyễn Thị Ngọc Thảo

MỤC LỤC

PHẦN LÝ THUYẾT 1

Mục tiêu của chương 1

1 Giới thiệu 1

2 Cấu tạo 3

3 Từ trường của máy điện không đồng bộ 12

a Từ trường đập mạch của dây quấn một pha 12

b Từ trường quay của dây quấn ba pha 13

4 Nguyên lý làm việc 16

4.1 Động cơ điện không đồng bộ 16

4.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ 17

4.3 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ khi làm việc ở chế độ hãm điện từ 18

4.4 Các tình trạng làm việc 19

4.4.1 Tình trạng ngắn mạch 19

4.4.2 Tình trạng không tải 19

4.4.3 Tình trạng mất điện một pha 19

4.4.4 Tình trạng có tải 19

4.4.5 Các nguyên nhân gây cháy động cơ 20

5 Mở máy động cơ không đồng bộ 20

5.1 Mở máy động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 20

5.2 Mở máy động cơ không đồng bộ rotor dây quấn 26

6 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 26

6.1 Thay đổi tần số: 27

6.2 Thay đổi số đôi cực 27

6.4 Thay đổi điện trở phụ nối vào rotor 27

7 Giản đồ năng lượng của máy điện không đồng bộ 28

8 Dòng và momen khi mở máy 30

PHẦN BÀI TẬP 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………40

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Minh họa các thông số trên nhãn dán của máy 3 Hình 2.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ _ 4 Hình 2.2 Hộp đấu dây _ 4

Hình 2.3 Vòng ngắn mạch Hình 2.4 Chụp gió _ 5 Hình 2.5 Cánh quạt Hình 2.6 Hộp đấu nối _ 5 Hình 2.7 Cuộn dây Hình 2.8 Bạc đạn _ 5 Hình 2.9 Nắp Hình 2.10 Trục bơm _ 5

Hình 2.11 Rotor dây quấn và rotor lồng sóc _ 6

Hình 2.17 Sơ đồ đấu nối thực tế Y _ 8

Hình 18 Sơ đồ đấu nối thực tế

_ 8

Hình 2.19 Sơ đồ lý thuyết _ 8

Hình 2.20 Cấu tạo của Rotor _ 9

Hình 2.21 a: Dây quấn rotor lồng sóc; b: Lõi thép rotor; c: Ký hiệu động cơ trên sơ đồ 9 Hình 2.22 Cấu tạo của rotor lồng sóc _ 10

Hình 2.23 Hình dạng rotor dây quấn (a) và kí hiệu động cơ rotor dây quấn (b) 10 Hình 2.24 Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn _ 11 Hình 2.25 Sơ đồ đầu nối dây quấn rotor với điện trở ngoài 11 Hình 3.1 Từ trường đập mạch 2 cực của dây quấn một pha 13 Hình 3.2 Từ trường đập mạch 4 cực của dây quấn một pha 13 Hình 3.3 Từ trường quay 2 cực của dây quấn 3 pha 15 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ _ 17 Hình 5.1 Mở máy trực tiếp 21

Hình 5.2 Điện kháng nối tiếp mạch stator 22

Hình 5.5 Mở máy động cơ không đồng bộ rotor dây quấn _ 26 Hình 6.1 Thay đổi điện trở phụ nối vào rotor _ 28 Hình 7.1 Giản đồ năng lượng _ 28

PHẦN LÝ THUYẾT Mục tiêu của chương

- Phân loại, nhận biết được các loại động cơ không đồng bộ.

- Trình bày được nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộ.

- Trình bày được các phương pháp mở máy động cơ không đồng bộ.

1 Giới thiệu

Máy điện không đồng bộ: máy điện xoay chiều làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có

thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và Máy phát Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện, cũng như chế độ máy phát điện.

Động cơ điện không đồng bộ, so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, độ tin cậy cao, hiệu suất cao và gần như không bảo trì nên được sử dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt.

Máy phát điện đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt và tiêu tốn công suất phản kháng của lưới nên ít được dùng Động cơ điện không đồng bộ có các loại: ba pha, hai pha và một pha Công suất > 600 W → ba pha, công suất < 600 W → một pha (hai pha). Tại sao gọi là không đồng bộ?

Những động cơ dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ đều được gọi là động cơ không đồng

bộ Sự trượt giữa vận tốc quay của từ trường và vận tốc quay chậm hơn của rotor là thực chất không đồng bộ của việc vận hành động cơ điện tử Động cơ không đồng bộ có một thành phần quay (rotor) được mô phỏng như kiểu lồng sóc Cái lồng sóc này gồm nhiều thanh nhôm hoặc thanh đồng nối với nhau bằng 2 vòng dẫn điện ở 2 đầu làm những thanh gắn mạch trọn vẹn với nhau Phần lõi của rotor được làm bằng thép Ngoài động cơ không đồng bộ có sử dụng lồng sắt thì còn có nhiều loại sử dụng cuộn dây nhằm mục đích giảm bớt dòng khởi động của động

cơ nhờ vào những điện trở được đấu tiếp nối đuôi nhau vào mỗi cuộn dây Phần Stator của động cơ là phần đứng yên trong động cơ được nối với nguồn điện xoay chiều AC để tạo ra dòng điện chạy bên trong nó Nếu độ trượt của động cơ không bằng 0 (s), thì động cơ được gọi

là động cơ không đồng bộ Tốc độ quay của rôto khác với tốc độ quay của trường stato Trong động cơ không đồng bộ, độ trượt xác định mômen sinh ra Động cơ cảm ứng là một ví

dụ điển hình về động cơ không đồng bộ, trong đó các bộ phận chính là rôto lồng sóc và stato Ngược lại với động cơ đồng bộ, rôto không được cấp điện bằng bất

kỳ nguồn điện nào và RPM của động cơ không đồng bộ thay đổi theo tải.

Dựa vào nguyên lý vận hành, cấu tạo cũng như số pha hoạt động, hiện trên thị trường các loại động cơ điện không đồng bộ ngày càng được cung ứng phổ biến và đa dạng hơn Trong đó có thể kể đến một số loại tiêu biểu như:

Theo kết cấu của vỏ: Máy được chia thành 3 loại là máy điện kiểu kín, kiểu hở và kiểu bảo vệ.

Theo số pha: Gồm các loại phát điện không đồng bộ 3 pha, 2 pha 1 pha.

Theo kiểu dây quấn Roto: Động cơ điện không đồng bộ được chia thành

bộ roto dây quấn hoặc roto lồng sóc.

Do kỹ thuật điện tử phát triển, nên động cơ không đồng bộ đã đpá ứng được yêu cầu điều chỉnh tốc độ vì vậy động cơ ngày càng sử dụng rộng rãi hơn Dãy công suất của nó rất rộng từ vài watt đến hàng ngàn kilowatt Hầu hết là động

cơ ba pha, có một số động cơ công suất nhỏ là một pha.

Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ

Điện áp dây stator: U đm (V)

Dòng điện dây stator: I đm (A)

VOLT: là đơn vị đo điện áp của động cơ, động cơ trên được thiết kế để

sử dụng 230/460 VAC Dòng điện đầy tải của động cơ này là 56,8/28,4 amps R.P.M: là đơn vị đo tốc độ cơ sở, tốc độ cơ bản của động cơ này là 1.750 RPM HERTZ: là đơn vị đo tần số, với tần số là 60 Hz.

Hình 1.1 Minh họa các thông số trên nhãn dán của máy

Service factor: Hệ số công suất Trong trường hợp một động cơ với hệ số

là 1,15 có thể hoạt động cao hơn 15% công suất ghi trên động cơ Ví dụ với 1 động cơ 30HP có thể hoạt động với công suất tối đa là 34,5 HP

CLASS INSUL: lớp cách nhiệt

AMB: chỉ số đo nhiệt độ môi trường xung quanh.

NEMA NOM.EFF: chỉ số đo hiệu suất của động cơ Hiệu suất danh nghĩa của động cơ này là 93% Một động cơ 30 HP với hiệu suất 93% sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn so với một động cơ 30 HP với hiệu suất là 83% Điều này có nghĩa là ta sẽ tiết kiệm đáng kể một khoảng năng lượng và chi phí.

Nếu gọi P 1đm là công suất tác dụng động cơ không đồng bộ ba pha nhận từ lưới điện khi làm việc với tải định mức, ta có:

Trục làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.

Hình 2.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

Hình 2.2 Hộp đấu dây

Hình 2.3 Vòng ngắn mạch Hình 2.4 Chụp gió

Hình 2.11 Rotor dây quấn và rotor lồng sóc

Hình 2.12 Vị trí các bộ phận

a Stator (phần tĩnh)

Stator gồm ba bộ phận chính là lõi thép, dây quấn stator và vỏ máy.

Hình 2.13 Stator máy điện không đồng bộ

Vỏ máy: để cố định lõi thép và dây quấn, không dùng làm mạch dẫn từ Thường làm bằng nhôm (ở máy nhỏ), bằng gang hay thép đúc (ở máy lớn) Vỏ máy có chân máy để

cố định máy trên bệ, hai đầu có nắp máy để đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn.

Lõi thép stator có dạng hình trụ, từ các lá thép kỹ thuật điện, có dập rãnh bên trong, ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép được ép vào trong vỏ máy

Hình 2.14 Lõi thép của stator

Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn

ba pha stator sẽ tạo nên từ trường quay.

Hình 2.15 Dây quấn stator

Qui ước:

- A, B C: Đầu đầu

- X, Y, Z: Đầu cuối

Đấu hình sao (Y):

HìnhHình2 172.16:.SơSơđồ đồđấulý nốithuyếtthựcY tế Y

Đấu hình tam giác ( ):

Hình 2.19 Sơ đồ lý thuyết Hình 18 Sơ đồ đấu nối thực tế

b Rotor (phần quay)

Rotor gồm lõi thép, dây quấn rotor và trục máy.

Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi thép stator khép lại, mặt ngoài dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục.

Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu là rotor ngắn mạch còn gọi là rô to lồng sóc và rotor dây quấn.

Hình 2.20 Cấu tạo của Rotor

Rotor lồng sóc gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ cỡ nhỏ, dây quấn rotor được đúc bằng nhôm nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch.

Hình 2.21 a: Dây quấn rotor lồng sóc; b: Lõi thép rotor; c: Ký hiệu động cơ trên sơ đồ

Hình 2.22 Cấu tạo của rotor lồng sóc

Rotor dây quấn cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ như dây quấn stator Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu hình sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của rô to và cách điện với trục Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.

Hình 2.23 Hình dạng rotor dây quấn (a) và kí hiệu động cơ rotor dây quấn (b)

Hình 2.24 Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

Hình 2.25 Sơ đồ đầu nối dây quấn rotor với điện trở ngoài

Ưu điểm:

- Dòng điện mở máy thấp

Nhược điểm:

- Cấu tạo phức tạp, đắt tiền

- Chi phí bảo trì cao

Ứng dụng:

- Cần trục

- Máy cuốn trong nhà máy thép,…

Vậy từ trường quay là gì? Khi quay một nam châm quanh một trục, từ trường do nam châm gây ra có các đường sức từ quay trong không gian Đó là một từ trường quay.

Sự khác biệt của quay đồng bộ và sự quay không đồng bộ

và tác dụng của từ trường quay mà khung dây quay và sinh công cơ học Động cơ hoạt động dựa theo nguyên tắc nói trên gọi là động cơ không đồng bộ

Từ trường của dây quấn một pha là từ trường có phương không đổi, song trị

số và chiều biến đổi theo thời gian, được gọi là từ trường đập mạch.

3.1a,b Căn cứ vào chiều dòng điện, vẽ chiều từ trường theo quy tắc vặn nút chai Dây quấn hình 3.1a tạo thành từ trường một đôi cực.

Hình 3.1 Từ trường đập mạch 2 cực của dây quấn một pha

Từ trường đấu dây quấn như trên hình 3.2, ta sẽ được một từ trường đập mạch 4 cực Chú ý rằng trên hình 3.1 dây quấn được chia làm hai nhóm nối song song, còn trên hình 3.2 dây quấn được mắc nối tiếp.

Hình 3.2 Từ trường đập mạch 4 cực của dây quấn một pha

b Từ trường quay của dây quấn ba pha Sự hình thành từ trường quay

Xét máy điện ba pha đơn giản, trên stator có 6 rãnh (hình 7.7) Trong đó người ta đặt dây quấn ba pha đối xứng AX, BY, CZ Trục của các dây quấn ba pha lệch nhau trong không gian một góc 120 0 điện.

Giả thiết rằng trong ba dây quấn có hệ thống dòng điện ba pha đối xứng thứ

tự thuận chạy qua:

i A = I m sin t

i B = I m sin( t – 120 0 )

i C = I m sin( t – 240 0 )

mạch có phương lần lượt trùng với trục các pha A, B, C còn chiều cho bởi quy tắc vặn nút

B

⃗

=B

⃗

+B

⃗

+B

⃗

Ta xét B tại các thời điểm khác nhau:

Xét thời điểm t = 90 0 (hình 3.3a)

Ở thời điểm này, dòng điện pha A cực đại và dương (i A = I m ) nên B A cũng cực đại và hướng theo chiều dương của trục pha A (B A = B m ) Đồng thời các dòng điện pha B và C

âm (i B = i C = -I m /2) nên B B hướng theo chiều âm của trục pha B và C, và có độ dài B m /2 Từ cảm tổng B hướng theo chiều dương của trục pha A và có độ dài (3/2)B m

Xét thời điểm t = 90 0 + 120 0 (hình 3.3b)

Lúc này là thời điểm sau thời điểm đã xét ở trên một phần ba chu kỳ Ở thời điểm này, dòng điện pha B cực đại và dương, các dòng điện pha A và C âm Lý luận tương tự, ta thấy từ trường tổng B hướng theo chiều dương của trục pha

B, có độ dài (3/2)B m và đã quay đi một góc 120 0 so với thời điểm t = 90 0

Xét thời điểm t = 90 0 + 240 0 (hình 3.3c)

Lúc này là thời điểm sau thời điểm đầu hai phần ba chu kỳ Ở thời điểm này, dòng điện pha C cực đại và dương, các dòng điện pha A và B âm Lý luận tương tự, ta thấy từ trường tổng B hướng theo chiều dương của trục pha C, có

độ dài (3/2)B m và đã quay đi một góc 240 0 so với thời điểm t = 90 0

Hình 3.3 Từ trường quay 2 cực của dây quấn 3 pha

Qua phân tích trên ta thấy, từ trường tổng của hệ thống dòng điện hình sin bap ha đối xứng chạy qua dây quấn bap ha là từ trường tròn có biên độ bằng 3/2 từ trường cực đại của một pha Từ trường quay móc vòng với cả hai dây quấn stato và rô to là từ trường chính của máy điện, nó tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng.

Với cách cấu tạo và quấn như hình 3.3, ta có từ trường quay một đôi cực Nếu thay đổi cách cấu tạo dây quấn, ta có từ trường quay 2, 3, … đôi cực.

Tính chất của từ trường

quay Tốc độ từ trường quay

Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stator f và số đôi cực từ p Thật vậy, với dây quấn hình 3.1, máy có một đôi cực p = 1, khi dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay một vòng Do đó dòng điện biến thiên f chu kỳ trong một giây, từ trường quay f vòng/giây.

kỳ, từ trường quay ½ vòng (từ cực N qua S đến N là 1/2 vòng) Do đó dòng điện biến thiên f chu kỳ trong một giây, từ trường quay f/2 vòng/giây Một cách tổng quát, khi máy cóp đôi cực từ, dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay 1/p vòng Do đó dòng điện biến thiên f chu kỳ trong một giây, từ trường quay f/p vòng/giây Vậy tốc độ

từ trường quay (hay còn gọi là tốc độ đồng bộ) trong một giây là:

n 1 = (vòng/giây) hoặc n 1 = (vòng/phút)

Chiều từ trường quay

Chiều của từ trường quay phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện Muốn đổi chiều quay của từ trường ta thay đổi thứ tự hai trong ba pha cho nhau Giả sử đi dọc theo chu vi stator ta lần lượt gặp trục các pha A, B, C theo chiều kim đồng hồ (3.3) Nếu thứ

tự pha thuận, từ trường B sẽ lần lượt quét qua các trục pha A, B, C,… theo chiều kim đồng hồ (nam châm giả SN quay theo chiều kim đồng hồ) Nếu thứ tự pha ngược, cực đại dòng các pha i A , i B , i C lần lượt xảy ra theo thứ tự A, C, B, … và từ trường B sẽ lần lượt quét qua các trục pha theo thứ tự A, C, B… nghĩa là ngược chiều kim đồng hồ. Biên độ của từ trường quay: Từ trường quay sinh ra từ thông ϕ xuyên qua mỗi dây quấn và có biên độ bằng 3/2 từ thông cực đại của mỗi pha.

max = p max

Tổng quát đối với dây quấn m pha: max = p max

4 Nguyên lý làm việc

4.1 Động cơ điện không đồng bộ

Khi cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n = Từ trường quay này cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor cảm

ứng thành các sức điện động Vì rotor nối ngắn mạch nên sức điện động này sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn của rotor, lực điện từ tác dụng tương hỗ giữa từ trường và thanh dẫn có dòng điện sẽ kéo rotor quay theo chiều quay của từ trường quay với tốc độ n.

Để minh hoạ, trên hình 4.1 vẽ từ trường quay tốc độ n 1 , chiều sức điện động

và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rotor, chiều của lực điện từ.

Khi xác định sức điện động cảm ứng theo qui tắc bàn tay phải, ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn đối với từ trường Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển

động của thanh dẫn ngược chiều n 1 , từ đó áp dụng qui tắc bàn tay phải xác định được chiều sức điện động như hình vẽ ( dấu chỉ chiều đi từ ngoài vào trong ) Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n 1

Tốc độ n của máy luôn nhỏ hơn tốc độ n 1 vì nếu n = n 1 thì không có sự

chuyển động tương đối giữa các thanh dẫn rotor và từ trường quay, trong

dây quấn rotor sẽ không có dòng điện cảm ứng, lực điện từ sẽ bằng 0

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ

Độ chênh lệch tốc độ giữa từ trường quay và rotor gọi là tốc

4.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ

Nếu stato vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rotor không nối với tải mà

nối với một động cơ sơ cấp.

Dùng động cơ sơ cấp kéo rotor quay cùng chiều với n 1 (như trên) và với tốc

độ quay n lớn hơn tốc độ từ trường n 1 Lúc này, chiều dòng điện rôto I 2 ngược

lại với chế độ động cơ và lực điện từ đổi chiều Lực điện từ tác dụng lên rotor

ngược với chiều quay, gây ra moment hãm cân bằng với moment quay của động

cơ sơ cấp, hình 6-4b, máy điện làm việc ở chế độ máy phát Hệ số trượt là:

Nhờ từ trường quay, cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rotor được biến