Giáo trình phân tích khả năng ứng dụng các đặc tính của diot trong mạch xoay chiều p6 pot

Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còng sử dụng đặc tính góc: M= fθ Đặc tính góc biểu diễn quan hệ giữa mômen của động cơ với góc lệnh của véc tơ điện áp pha lưới điện v

Bên cạnh những ưu điểm động cơ không đồng bộ ba pha còn có những nhược điểm sau:

Dễ phát nóng với Stato, nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với rôto khi điện

áp lưới giảm

Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ

Khi điện áp sụt xuống thì mômen khởi động và mômen cực đại giảm rất nhiều vì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp

2.2.2 Khái quát về động cơ đồng bộ

+ Định nghĩa và công dụng

Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của

từ trường n1 gọi là máy điện đồng bộ Máy điện đồng bộ có 2 dây quấn: dây quấn stato nối với lưới điện có tần số f không đổi, dây quấn rôto được kích thích bằng dòng điện một chiều ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi

Động cơ đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong những truyền động công suất trung bình và lớn, có yêu cầu ổn định tốc độ cao Động cơ đồng bộ thường dùng cho máy bơm, quạt gió, các hệ truyền động của nhà máy luyện kim và cũng thường được sử dụng làm động cơ sơ cấp trong các tổ máy phát -

động cơ công suất lớn

ưu điểm của động cơ đồng bộ là có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cosφ và hiệu suất lớn

Mạch stato của nó tương tự động cơ không đồng bộ, mạch rôto có cuộn kích từ và cuộn dây khởi động

+ Các đặc tính của động cơ đồng bộ

Khi đóng stato động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tấn số f1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ:

ω= 2πf1p-1 (2- 25)

Trong phạm vi mômen cho phép M≤ Mmax , đặc tính cơ là tuyệt đối cứng, nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ β= ∞ Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ

được trình bày trên hình: 2.5 ω

ω1

0 Mmax M Hình 2.5: Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ

Khi mômen vượt quá trị số Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còng sử dụng đặc tính góc:

M= f(θ)

Đặc tính góc biểu diễn quan hệ giữa mômen của động cơ với góc lệnh của véc tơ điện áp pha lưới điện và vectơ sức điện động cảm ứng trong dây quấn stato do từ trường một chiều rôto sinh ra

Đặc tính M= f(θ) được xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị véctơ của mạch stato với giả thiết bỏ qua điện trở R của mạch stato

Hình 2.6: Đồ thị véc tơ của mạch stato động cơ đồng bộ

Trên đồ thị véctơ Hình 2.6:

E - sức điện động pha stato (V)

I1- dòng điện stato (A)

XS- điện kháng pha stato bằng tổng điện kháng cuộn dây một pha của cuộn stato: Xs = Xμ + X1,

θ góc lệch pha giữa U và E

φ - góc lệch pha giữa véctơ điện áp U1 và dòng điện I1

Từ đồ thị véctơ ta có:

U1cosφ = Ecos(φ - θ)

Theo tam giác ABC: cos(φ - θ)=

1

sin

s

U

I X

θ

Thay vào phương trình trên ta

được: U1cosφ = E

1

sin

s

U

I X

θ

hay U1I1 cosφ = 1 sin

s

EU

U1I1 cosφ là công suất một pha của động cơ

Vậy công suất ba pha của động cơ là:

P = 3 1 sin

s

EU

X θ (2- 26) Momen động cơ:

M=

1

P

ω = 1 1

3 sin

s

EU

X θ

ω (2- 27)

Đây là phương trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ

Một cách gần đúng ta thấy đặc tính góc có dạng hình sin biểu diễn trên hình 2.7

Hình 2.7: Đặc tính góc của động cơ đồng bộ

Khi θ= π/2 ta có biểu đồ cực đại:

Mmax= 1

1

3

s

EU X

ω (2- 28)

Lúc này: M= Mmsinθ, Mm đặc trưng cho khả năng quá tải của động cơ, khi tải tăng góc lệch θ, nếu θ > π/2 thì mômen giảm

Động cơ đồng bộ thường làm việc định mức với θđm = 450

Hệ số quá tải về mômen:

λM = M m

Mủt = 2ữ 2.5 Những điều phân tích ở trên chỉ đúng với động cơ đồng bộ cực ẩn và mômen chỉ xuất hiện khi có kích từ voà rôto Còn với động cơ đồng bộc cực lồi do sự phân bố khe hở không khí giữa rôto và stato không đều nên trong máy xuất hiện mômen phản kháng phụ và phương trình đặc tính góc có dạng sau:

M=

2

1

2

ω

Xq, Xd là điện kháng dọc trục và ngang trục

Đường cong biểu diễn momen sẽ là tổng của hai thành phần:

M1= 3 1sin

d

EU

X θ, và

M2=

2 1 1

sin 2

U

ω

ư

⎝ ⎠ (2- 30)

Trên đồ thị đặc tính góc biểu diễn M1, M2 bằng các đường nét đứt Đối với máy cực ẩn Xq= Xd nên M2= 0 và M= M1 Nhưng thường M2 rất nhỏ nên

có thể bỏ qua Khi đó đặc tính góc của động cơ cực ẩn và cực lồi như nhau

Chương 3

ảnh hưởng của nguồn điện đến sự làm việc của động cơ ba pha 3.1 ảnh hưởng của nguồn đến quá trình khởi động của động cơ ba pha

Chế độ động cơ là chế độ được sử dụng chủ yếu của các máy điện không đồng bộ Các chế độ khác được dùng rất hạn chế Tên gọi động cơ không đồng bộ là để nhấn mạnh rằng các máy điện không đồng bộ được tạo ra

có các chỉ tiêu, kĩ thuật chỉ đảm bảo ở chế độ động cơ tuy về nguyên tắc nó có thể làm việc ở các chế độ khác

Tất cả các động cơ không đồng bộ phải tự mở máy được nghĩa là tự lấy

đà được từ trạng thái đứng yên lên tới tốc độ góc gần tốc độ đồng bộ sau khi thắng được mômen cản của tải Yêu cầu đó đối với đặc tính mở máy trong các kiểu động cơ không đồng bộ khác nhau được đặt ra là khác nhau

3.1.1 ảnh hưởng của điện áp

Ta có phương trình mômen động cơ:

M=

2 '

1 2 2 ' 2 2

1 1 2

3

nm

U R S

R S R S X

(3- 1)

Với Xnm: Điện kháng ngắn mạch

M: Mômen cản của động cơ, M tỉ lệ với bình phương điện áp nguồn U12

và Mnm cũng tỉ lệ với bình phương điện áp nguồn U12

Trong đó: Snm là độ trượt ngắn mạch

Snm=

' 2

2 2

1 nm

R

R +X (3- 2)

Ta thấy Snm không phụ thuộc vào điện áp nguồn U1 nên khi điện áp nguồn thay đổi thì mômen M thay đổi nhưng độ trượt S không thay đổi

Do đó muốn điều chỉnh điện áp nguồn U1 để khởi động động cơ thì chỉ

được điều chỉnh trong phạm vi hẹp

3.1.2 ảnh hưởng của tần số

Khi mở máy động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc thì hiệu ứng bề mặt trong các thanh dẫn sinh ra lúc bắt đầu mở máy là lúc tần số dòng điện trong rôto: f2= sf1

Ta thấy khi thay đổi tần số điện áp lưới f1 thì tần số dòng điện trong rôto f2 cũng thay đổi theo từ đó làm thay đổi đặc tính mở máy của động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc

3.1.3 ảnh hưởng của mất pha

Hiện tượng mất pha là hiện tượng nguồn xoay chiều ba pha cấp cho

động cơ ba pha xoay chiều ba pha bị mất một hoặc hai pha trong ba pha

Khi mất pha thì sức điện động sinh ra trong dây quấn của động cơ là hệ thống sức điện động không đối xứng, từ trường quay cũng là từ trường không

đối xứng Đây là nguyên nhân dẫn đến động cơ khởi động rất nặng nề, thường gây ra những tiếng ồn lạ trong quá trình khởi động của động cơ, khi khởi động

và khi quá tải đều gây nóng động cơ, nếu thời gian diễn ra dài có thể gây hỏng cách điện và dây quấn động cơ, động cơ sẽ bị hỏng nặng nề Trong trường hợp khác có thể không khởi động được động cơ do từ trường quay quá yếu không

đủ để thắng momen cản của động cơ

3.1.4 ảnh hưởng của mất thứ tự pha

Hiện tượng mất thứ tự pha là hiện tượng hai trong ba pha của nguồn cung cấp cho động cơ bị thay đổi Khi đó sẽ có hiện tượng là từ thông trong

động cơ đổi chiều dẫn đến động cơ quay theo chiều ngược lại

Ta thấy động cơ khởi động được nhưng chiều quay bị đổi ngược lại do

hệ thống sức điện động sinh ra hệ thống từ trường quay bị đổi ngược lại Trường hợp này xẩy ra sẽ rất nguy hiểm nếu động cơ làm việc ở các hệ thống truyền động như: băng tải, thang máy nó gây ra những tác hại cả về con người lẫn tài sản Như vậy với những dây truyền quan trong như vậy thì bắt buộc khi mất thứ tự pha thì phải có mạch bảo vệ cắt ngay động cơ ra khỏi nguồn

3.1.5 ảnh hưởng của nguồn không đối xứng

Khi nguồn ba pha là không đối xứng thì khi cấp nguồn đó cho động cơ

ba pha các sức điện động sinh ra trong dây quấn stato sẽ là hệ thống sức điện

động không đối xứng Khi đó lực tác dụng tương hỗ từ trường quay và thanh dẫn mang dòng điện rôto sẽ ảnh hưởng đến sự mở máy của động cơ

Như vậy khi nguồn ba pha không đối xứng cấp cho động cơ thì công suất nguồn cấp cho động cơ để mở máy phải lớn hơn nguồn đối xứng một lượng nhất định Lượng này tuỳ thuộc vào công suất máy và chế độ mở máy của động cơ (mang tải hoặc không mang tải)

3.2 ảnh hưởng của nguồn đến sự làm việc của động cơ ba pha

3.2.1 ảnh hưởng của điện áp

Mômen của động cơ không đồng bộ ba pha tỉ lệ với bình phương điện

áp nguồn Do đó khi điện áp nguồn thay đổi thì dẫn đến mômen của động cơ cũng thay đổi theo

Hình 3.1: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi giảm điện áp

Khi điện áp lưới suy giảm thì mômen tới hạn Mth sẽ giảm tỉ lệ với bình phương lần độ suy giảm của điện áp Trong khi đó tốc độ đồng bộ ω1 và độ trượt tới hạn sth là không thay đổi Ta có đặc tính cơ khi điện áp lưới giảm trên hình 3.1

3.2.2 ảnh hưởng của tần số

Từ biểu thức: ω1= 2 f1

p

π

(3- 3) Với ω1: tốc độ đồng bộ

f1: tần số điện áp lưới

P: số cặp cực

Ta thấy khi f1 thay đổi thì sẽ là thay đổi tốc độ động cơ và tốc độ từ trường quay

Xét trường hợp khi tăng tần số f1> f1đm thì mômen tới hạn Mth sẽ giảm, tốc độ động cơ giảm tương ứng

Xét trường hợp khi giảm tần số f1< f1đm thì dòng điện trong rôto động cơ

sẽ tăng rất lớn có thể gây qúa tải nếu f1 giảm quá nhiều

ω

ω11 f11 f1> f1đm

ω12 f12

ω1đm

f1đm

ω13

f13 f1< f1đm

Mth M

Hình 3.2: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ

3.2.3 ảnh hưởng của nguồn không đối xứng

Chế độ làm việc trong đó dòng điện trong các pha stato hay rôto của máy

điện không đồng bộ không bằng nhau gọi là chế độ làm việc không đối xứng

Chế độ này thường do điện áp lưới sơ cấp cung cấp cho máy là không

đối xứng Chúng ta xét sự làm việc của chế độ này:

Nếu dây quấn stato được nối hình sao trung tính cách điện thì thành phần thứ tự không của dòng điện không xuất hiện và hệ thống điện áp sơ cấp không đối xứng (Ua1, Ub1, Uc1) có thể biểu diễn như là tổng các thành phần thứ

Ua11= U11 = (Ua1+aUb1+a2Uc1)/3 (3- 4)

Ua12= U12 = (Ua1+a2Ub1+aUc1)/3 (3- 5) Trong đó:

Ua1, Ub1, Uc1: là các thành phần của hệ thống điện áp sơ cấp không

đối xứng

Ua11: thành phần điện áp thứ tự thuận của pha A

Ua12: thành phần điện áp thứ tự nghịch của pha A

a: toán tử quay a= ej2π/3

Lúc này ta có thể biểu diễn dòng điện trong dây quấn stato như tổng các dòng điện thứ tự thuận (ia11, ib11, ic11) và thứ tự nghịch (ia12, ib12, ic12) do hệ thống điện áp thứ tự thuận và thứ tự nghịch tạo ra

Dòng điện thứ tự thuận ia11= i11 ở trong một pha chính của stato có thể tìm được nhờ giản đồ thay thế thông thường của máy điện không đồng bộ

R1+jX1 I. 11 I. 12 jX2

11

U Z0 I01

' 2

R S

Hình 3.3: Sơ đồ thay thế của máy điện không đồng bộ với điện áp TTT

R1+jX1 I. 11 I. 12 jX2

11

U Z0 I01

' 2

R S

Hình2.4: Sơ đồ thay thế của máy điện không đồng bộ với điện áp TTN

Hệ số trượt của rôto đối với từ trường thứ tự thuận là:

S1= 1

1

ω ω ω

ư

(3- 7)

Trong đó:

ω1: tốc độ góc của từ trường thứ tự thuận

ω: tốc độ góc của rôto

Ta có thể tính được dòng điện thứ tự thuận i11 và dòng điện thứ tự nghịch i12 trong một pha trong một pha và tìm được dòng điện toàn phần trong mỗi một pha stato:

ia1= i11+ i21

ib1= a2i11+ ai21 (3- 8)

ic1= ai11+ a2i21

ia1, ib1, ic1 là các thành phần của hệ thống dòng điện sơ cấp không

đối xứng

ia11 : thành phần dòng điện thứ tự thuận của pha A

ia12 : thành phần dòng điện thứ tự nghịch của pha A Việc mất đối xứng của các dòng điện là do có thêm thành phần dòng

điện thứ tự nghịch

Khi đó mômen quay M, khi điện áp nguồn mất đối xứng cộng từ mômen quay M1 do thành phần điện áp thứ tự thuận và mômen quay M2 do thành phần điện áp thứ tự nghịch gây ra:

M= M1 + M2 (3- 9)

M: Mômen quay điện áp nguồn mất đối xứng

M1: Mômen quay thành phần điện áp thứ tự thuận

M2: Mômen quay thành phần điện áp thứ tự nghịch

Từ (3- 9) ở chế độ làm việc nguồn không đối xứng thì máy điện không

đồng bộ làm việc nặng nề hơn

Vì vậy những yêu cầu về mức độ đối xứng của điện áp trong lưới cung cấp cho máy điện không đồng bộ là rất cao

3.2.4 ảnh hưởng của nguồn khi mất thứ tự pha và mất pha