CHƯƠNG 2 vận HÀNH máy điện KHÔNG ĐỒNG bộ

CHƯƠNG 2: VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ  Khởi động động cơ không đồng bộ  Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ  Động cơ không đồng bộ dùng hiệu ứng mặt ngoài  Máy phát điện

CHƯƠNG 2: VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN

KHÔNG ĐỒNG BỘ

 Khởi động động cơ không đồng bộ

 Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ

 Động cơ không đồng bộ dùng hiệu ứng mặt ngoài

 Máy phát điện không đồng bộ

 Các chế độ hãm

 Động cơ không đồng bộ một pha

1 Khởi động động cơ không đồng bộ

• Phương trình mô men:

(R R ) (X X )



• Mô men khởi động:

§1 KHÁI NIỆM CHUNG

- Thiết bị khởi động đơn giản

- Mô men khởi động Mk lớn

- Thời gian khởi động tk nhỏ

2 Khởi động bằng cách giảm điện áp

Ví dụ: Một động cơ điện không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc có: Pđm= 55kW, f = 50Hz, Uđm = 2300V nối Y,

Iđm = 20A, 2p = 2, n = 2880 vg/ph Giả thiết góc pha

của tổng trở vào một pha khi roto đứng yên là 75o Động cơ có mI = 7 và mK = 1.25 Tính điện kháng của

cuộn dây mắc nối tiếp vào mạch stato để dòng điện khởi động bằng 3.5 lần dòng điện định mức biết Rcd =

0; tính điện áp đặt vào động cơ và mô men khởi động khi cuộn dây được nối nối tiếp với động cơ

Điện kháng của cuộn dây là:

b Khởi động nhờ MBA tự ngẫu

CD1 CD2

U1

IM

• Uk = kUđm

Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc có Pdm = 40kW, 50Hz, 440V, 2p = 6, n = 940 vg/ph

cos = 0.89,  = 0.91, mI = 5, mk = 1.7 Tính hệ số trượt định mức; Mđm; Mk; điện áp thứ cấp của MBA tự ngẫu dùng để khởi động sao cho dòng điện khởi động bằng 200% dòng điện định mức; dòng điện sơ cấp của MBA

Hệ số trượt định mức:

1 dm

Dòng điện khởi động khi dùng MBA tự ngẫu:

c Đổi nối tam giác - sao

Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc có Pdm = 18kW, 50Hz, 440V, 2p = 6, n = 940 vg/ph,

mk = 1.5 được thiết kế để khởi động bằng cách đổi nối

-Y Tổng trở khi roto đứng yên là 3.578o/pha Tính dòng điện dây và pha khi khởi động bằng các nối Y; dòng điện dây và pha khi khởi động bằng cách

nối ; mô men khởi động khi nối  và nối Y

Khi nối Y, dòng điện dây bằng dòng điện pha nên:

fdm kY

Dòng điện pha khởi động nối bằng cách :

fdm kf

3 Đưa điện trở vào mạch roto

s 1

 thay đổi điện áp U1

 thay đổi điện trở của mạch roto

 nối cấp các động cơ

§3 ĐIỀU CHỈNH n CỦA Đ.C.K.Đ.B

2 Thay đổi số đôi cực p

 Nối nối tiếp hay song song các phần dây quấn cho phép ta thay đổi p:

 Thay đổi từ nối tam giác nối tiếp tốc độ thấp sang nối Y song song tốc độ cao được thực hiện như sau:

t 1 1 tt

P 3U I  cos Pc  3U (2I ) cos1 1 c c

cơ khi điều chỉnh tốc độ

bằng cách thay đổi p như

M

 Thay đổi từ nối Y song song tốc độ thấp sang nối tam giác nối tiếp tốc độ cao thực hiện như sau:

P 3U I  cos

P  3U (2I ) cos 

cơ khi điều chỉnh tốc độ

bằng cách thay đổi p như

M

 YY

 Thay đổi từ nối Y nối tiếp n thấp sang nối Y song song n caođược thực hiện theo sơ đồ sau:

3 Thay đổi điện áp U 1

• Để thay đổi U, ta có thể dùng sơ đồ

có 3 cặp thyistor nối song song ngược

ps

m I rM

 



1sx



4 Điều chỉnh n bằng cách thay đổi tần số nguồn f 1

1 1

• Mặt khác ta có:

2 1

Mmax

• Để tạo ra tần số biến đổi ta có thể dùng sơ đồ:

Rectifier (ac- dc)

Invertor (dc - ac) IM

3 fa

• Uđm – điện áp định mức, fđm – tần số định mức và X20– điện kháng khi roto đứng yên quy đổi về stato Vậy với tần số f :

dm dm

   

2 k

f

U Rf

3M

• Mô men cực đại Mmax = const Hệ số trượt sm và Mkgiảm khi f tăng.

O

M

s f>fđm

Mmax

f=fđmf<fđm

1

• Khi s nhỏ, R s2 X2

nên:

dm dm

• Đặc tính n = f(M) khi điều chỉnh U/f:

nM

Uđm Vậy U/f trong

vùng này giảm và M giảm tỉ lệ với (U/f)2 Động cớ thể dùng truyền động cho tải có Pt = const

Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ ba pha 50Hz có

cho động cơ có cùng giá trị dòng điện khởi động tại tần số 50 và 60Hz

Ta có:

2 m1

3 0.5UM

X





Với tần số f = 60Hz và điện áp U2:

3 0.5UM

2 2

• Rđc thay đổi, n thay đổi

• Trên Rđc xuất hiện tổn hao công suất

• Khi không tải Rđc thay đổi nhưng n = const

• Từ đặc tính M = f(s) ta thấy trong đoạn M = 0  1.1Mđm, đặc tính có dạng tuyến tính.

• Như vậy khi s < 0.03 ta có các công thức gần đúng sau:

1

2 ,s 0.03

2 dc

sUI

sM



  

Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ 3 pha roto dây quấn nối Y 18kW, 500V, 50Hz, 6 cực, làm việc trong điều kiện định mức với n = 960vg/ph Tỉ số vòng dây stato/roto là 2.15 và các thông số động cơ tính theo /pha là: R1 = 0.3723; R2 = 0.39; RFe = 26.59; X1 = 1.434; X2

= 2.151; Xm = 354.6 Tính hệ số trượt sm; Mmax; điện trở của biến trở nối vào một pha để động cơ làm việc với

mô men tải định mức tại n = 850v/ph

2 2

0.39

0.1080.3723 (1.434 2.151)



• Dây quấn roto động cơ A được nối với dây quấn roto động cơ B.

• Năng lượng tiêu thụ trên Rđc được đưa tới roto động

cơ B và biến thành cơ năng

A

60fn

p



2 1B

B

60fn

B

p(n n )

p

6 Nối cấp các động cơ



1B c B

• Dây quấn roto được nối với bộ chỉnh lưu 3 pha Bộ chỉnh lưu này được nối với bộ nghịch lưu 3 pha dùng

để biến đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng điện xoay chiều đưa trả về lưới

7 Trả năng lượng về nguồn

§3 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG

HIỆU ỨNG MẶT NGOÀI

1 Khái niệm chung

• Yêu cầu:

 Khi khởi động, R2 phải lớn để cho Mk lớn.

 Khi làm việc bình thường, R2 phải nhỏ để  cao

• Trong động cơ roto dây quấn, điều này thực hiện dễ dàng Tuy nhiên động cơ loại này có giá thành cao

• Động cơ roto lồng sóc:

 Ưu điểm: rẻ, làm việc ổn định, đặc tính tốt

 Nhược điểm: Ik lớn, Mk không lớn lắm

2 Khắc phục: Chế tạo động cơ có R 2 lớn khi khởi động và R 2

nhỏ khi làm việc:

– Động cơ roto rãnh sâu,

– Động cơ roto hai lồng sóc

• Khi khởi động, f2 = f1, sự phân

bố dòng điện trong thanh dẫn

• Lúc này mô men chủ yếu do lồng sóc trên cung cấp

và nó được gọi là lồng sóc mở máy

• Bội số mô men khởi động:

1

3 2

s

.2 6

1

.4 1.2 2

k dm

M

1.2 2

• Đặc tính làm việc:

§5 CÁC ĐIỀU KIỆN KHÔNG ĐỊNH MỨC

• Điện áp không định mức

 Thường U1 < U1đm nên M giảm vì U giảm

 M = CI2cos2, nếu Mc = const   giảm  I2 tăng

 Tổn hao sắt giảm và đồng tăng

§6 Đ.C.K.Đ.B MỘT PHA

1 Phạm vi sử dụng

• Động cơ không đồng bộ một pha thường được dùng rộng rãi trong dân dụng và công nghiệp như trong đồng hồ, máy giặt, mài bơm, máy mài v.v

3 Nguyên lý làm việc

• Cho dòng điện hình sin vào dây quấn stato Trong khe hở không khí có từ trường đập mạch

• Từ trường này cảm ứng trong các thanh dẫn s.đ.đ và dòng điện như hình vẽ.

m

B B sin t cos 

d

• Lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Mô men tổng tác dụng lên roto bằng zero nên n = 0

• Bây giờ ta dùng tay quay roto theo một chiều nào đó

• Trong thanh dẫn roto sẽ

xuất hiện s.đ.đ và dòng điện

Dòng điện này tạo ra từ

• d là từ trường đập mạch nên nó được phân tích thành hai từ trường quay theo hai chiều ngược nhau.

• Khi quay roto, đối với một từ trường(từ trường thuận), máy làm việc trong chế độ động cơ:

 Đối với từ trường kia(từ trường ngược), máy làm việc trong chế độ hãm

 Từ trường quay thuận tạo ra mô men động cơ M1 Trường quay ngược tạo ra mô men hãm M2

1 1

4 Mạch điện thay thế

• Mạch điện thay thế của động cơ một pha khi roto đứng yên giống MBA khi dây quấn thứ cấp nổi ngắn mạch:

• Khi roto đứng yên, T = N nên ET = EN

• Quy đổi từ roto sang stato ta có sơ đồ thay thế khi roto quay:



• Công suất điện từ của từ trường thuận và ngược là:

2 dtT T 1

P R I

• Mô men điện từ tương ứng:

2 dtN N 1

P R I

2 dtT T 1 T

• Công suất trên trục máy:

• Tổn hao đồng trong dây quấn roto ứng với từ trường thuận và ngược là:

Ví dụ: Một động cơ một pha 120V, 50Hz, 180W có các

stato, công suất cơ, công suất đưa ra, n và 



j0.5 240(j0.5 4 0.5 10 / 0.04)0.5 10 / 0.04 j0.5(240 4)



N N N

j0.5X [j0.5X 0.5R /(2 s)]0.5R /(2 s) j0.5(X X )

Công suất cơ:

59%

P 105.15

5 Động cơ dùng dây quấn phụ để khởi động

• Động cơ có cấu tạo như hình sau:

• Đồ thị vec tơ và đặc tính mô men của động cơ:

• Mô men khởi động của động cơ:

Na

N



Ví dụ: Thông số của cuộn chính và cuộn phụ của một động cơ không đồng bộ một pha 220V, 50Hz khi roto đứng yên là:

Rc = 3.94, Xc = 4.2, Rf = 8.42, Xf = 6.28

Tính dòng điện trong mỗi dây quấn khi roto đứng yên, góc lệch pha giữa các dòng điện, mô men khởi động, điện trở cần nối thêm vào dây quấn phụ để góc lệch

Tổng trở của các cuộn dây:

o c

Z 3.94  j4.2 5.7588 46.83 

o f

Muốn góc pha giữa các dòng điện 30o thì góc pha của dòng điện trong cuộn phụ If phải là:

Ví dụ: Cuộn chính và cuộn phụ của một động cơ

220V, 50Hz có các thông số khi roto đứng yên là:

Z 3.94 j4.2 5.7588 46.83   

o f

Z 8.42 j6.28 10.5 36.71   

Dòng điện trong cuộn dây chính:

điện bằng 90o góc pha của dòng

điện trong cuộn phụ phải là

f c f

7 Động cơ một pha dùng vòng ngắn mạch

• Trên cực từ có xẻ rãnh để đặt vòng ngắn mạch bằng đồng hay nhôm, ôm lấy một phần cực từ.

• Dòng điện trong dây quấn cực từ

 Từ thông tổng trong máy là 

  lệch về thời gian so với c

 Như vậy trong máy xuất hiện

từ trường quay hình ellip và do

đó động cơ quay được

6 Động cơ 3 pha làm việc với lưới điện một pha

• Các động cơ điện 3 pha có thể làm việc với lưới điện một pha

• Khi này động cơ ba pha bị mất điện một pha.

• Nếu động cơ đang làm việc, nó sẽ tiếp tục làm việc nếu tải bé hơn 80% tải định mức

• Giả sử pha A bị đứt và tải không đổi thì:

3UI cos UI cos

• Nếu sự cố mất một pha xảy ra khi động cơ làm việc với tải định mức hay gần định mức thì sự tăng dòng điện pha sẽ làm dây quấn bị đốt nóng quá mức.

• Do đó, thiết bị bảo vệ phải cắt động cơ ra khỏi lưới

để tránh sự cố động cơ

 Từ trường đập mạch này được phân tích thành hai

từ trường có cùng biên độ bằng một nửa biên độ của từ trường đập mạch, quay cùng tốc độ theo hai chiều ngược nhau

 Như vậy trong máy không có từ trường quay nên không có mô men quay.

d



q



 Nếu roto được quay theo chiều

nào đó(bằng tay chẳng hạn) như

hình bên, các thanh dẫn roto sẽ cắt

qua  Trong thanh dẫn roto sẽ xuất hiện d

s.đ.đ và dòng điện Dòng điện này

tạo ra từ thông q

 d gọi là từ thông dọc trục và q –

từ thông ngang trục

 Quan hệ về pha của d, d và s.đ.đ:

3 Động cơ phân pha

 Để tạo ra từ trường quay cần có 2 dây quấn stato và một thiết bị phân pha

 Dây quấn chính tạo ra d còn dây quấn phụ đặt lệch

90o điện so với dây quấn chính sẽ tạo ra q

 The phase splitter is connected in series with the auxiliary winding and causes the current in the auxiliary winding to be out of phase with the current

in the main winding

 The splitter is normally resistance or capacitor

 Dây quấn phụ gọi là dây quấn

 The locked-rotor torque of a split-phase motor is proportional to the product of the magnitude of the locked-rotor current in each winding times the sin of the angle of phase displacement between two currents Expressed mathematically:

mm c f

M kI I sin

Ic – current in main winding

If – current in auxiliary winding

4 Locked-rotor torque

Example: The main and auxiliary windings of a 220V,

50Hz split-phase motor have the following rotor parameters:

Rc = 3.94, Xc = 4.2, Rf = 8.42, Xf = 6.28

Determinate locked rotor current in each winding, phase-displacement angle between two currents, locked-rotor torque, external resistance required in series with the auxiliary winding in order to obtain a

windings

The impedances of the two windings:

o c

Z 3.94 j4.2 5.7588 46.83 

o f

 



5 Resistance-start split-phase motor

• The circuit diagram for

winding

Aux

winding

• The auxiliary winding is

wound with smaller

diameter wire than the

main winding, causing the

auxiliary winding to have a higher ratio of resitance

to reactance than the main winding

Main winding

Aux

winding

• The switch in the

auxiliary circuit is magnetic

relay, a solid-state switch

or a centrifugally operated

switch

• A representative phase

diagram for the motor is

shown in the next figure

• The circuit diagram of the

motor is shown in the fig.:

• The phase-displacement

between the currents is

performed by capacitor C

Main winding

Aux

winding

C

• A phasor diagram and torque-speed characteristic for the motor is as follows:

locked-Example: The main and auxiliary windings of a 220V,

50Hz split-phase motor have the following rotor parameters:

Rc = 3.94, Xc = 4.2, Rf = 8.42, Xf = 6.28

Determinate the capacitance required in series with the

displacement between the current in the main winding and the current in the auxiliary winding at locked-rotor

The impedances of the windings:

o c

Z 3.94 j4.2 5.7588 46.83 

o f

The current in the auxiliary winding If:

o

o f

• The shaded-pole motor utilizes a short-circuited coil

or copper ring, called shading coil

• The current flow in the stator

winding and produces a magnetic

flux  in poles:

     

c - magnetic flux don’t pass

through the short-circuited

 In the shading coil appears a

current In This current creates a

flux s

 The resultant flux through the shading coil is 

  is shifted in time relative to c an angle of  and

in space an angle of  Therefore in the air gap there is

a ellipse rotating magnetic field

6 Operation of three-phase induction motors from single-phase lines

• Sometimes, three-phase induction motors can oprerate from single-phase lines

7 Single phasing(a fault condition)

• Single phasing is a fault condition in which a three- phase motor is operating with one line open

• If motor is running when single phasing occurs, it will continue to run as long as the shaft load is less than 80 percent rated load and remaining single-phase

is normal

• Assuming that the A line is opened and the shaft load remains the same when single phasing as when operating three phase:

3UI cos UI cos

• The current for this fault condition:

• For delta connection:

• Therefore, protective devices must be provided to trip the machine from the supply lines or severe damage to stator and rotor winding may be occur