Bài giảng máy điện chương 4 TS nguyễn quang nam

Khi được cấp nguồn nhiều pha cân bằng, máy sẽ có từ trường khe hở quay ở tốc độ đồng bộ, được xác định bởi số cực stato và tần số dòng điện stato.. Với máy KĐB vận hành bình thường các p

Ph ầ n 1

Bài gi ả ng

Ch ươ ng 4: Máy đ i ệ n không đồ ng b ộ 3 pha

TS Nguyễn Quang Nam

2013 – 2014, HK 2

http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php

nqnam@hcmut.edu.vn

Như đã giới thiệu trước đó, động cơ không đồng bộ (KĐB)

là động cơ có dòng điện xoay chiều được đưa vào dây quấn stato (đã được giới thiệu), và dòng điện trong dây quấn rôto

xuất hiện do cảm ứng từ phía stato

Khi được cấp nguồn nhiều pha cân bằng, máy sẽ có từ

trường khe hở quay ở tốc độ đồng bộ, được xác định bởi số

cực stato và tần số dòng điện stato

Rôto của máy KĐB có thể ở dạng dây quấn hoặc lồng sóc

Máy đ i ệ n không đồ ng b ộ – T ổ ng quan

C ầ n có các ch ổ i than t ỳ lên các vành tr ượ t để n ố i

m ạ ch đ i ệ n rôto v ớ i bên ngoài.

Các máy K Đ B rôto dây qu ấ n ít đượ c dùng, ch ỉ đượ c tìm th ấ y trong m ộ t s ố ứ ng d ụ ng đặ c bi ệ t.

Cánh khu ấ y Vòng

ng ắ n m ạ ch

th ườ ng đượ c g ọ i là t ố c độ trượ t Tuy nhiên, m ứ c độ

chênh l ệ ch t ố c độ thườ ng đượ c bi ể u di ễ n ở d ạ ng t ươ ng

Ph ầ n 1

Như vậ y có th ể bi ể u di ễ n t ố c độ rôto theo độ trượ t và

t ố c độ đồ ng b ộ như sau :

Tương tự , có th ể bi ể u di ễ n t ố c độ cơ (rad/s) theo t ố c

độ đồ ng b ộ (rad/s) và độ trượ t nh ư sau:

Ph ầ n 1

Ở c ả hai lo ạ i rôto, các c ự c rôto đề u đượ c n ố i ng ắ n

m ạ ch T ừ thông quay khe h ở làm c ả m ứ ng đ i ệ n áp trong dây qu ấ n rôto ở t ầ n s ố trượ t.

Vì v ậ y, các dòng đ i ệ n rôto đượ c xác đị nh b ở i độ l ớ n

c ủ a đ i ệ n áp c ả m ứ ng và t ổ ng tr ở rôto ở t ầ n s ố trượ t.

Khi m ở máy, rôto đứ ng yên ( n = 0 ) nên độ trượ t b ằ ng

đơ n v ị ( s = 1 ), và t ầ n s ố rôto b ằ ng v ớ i t ầ n s ố stato.

T ổ ng quan (tt)

Khi rôto quay cùng chi ề u v ớ i t ừ trườ ng quay, t ầ n s ố

c ủ a các dòng đ i ệ n rôto s ẽ là sfs, và s ẽ t ạ o ra t ừ trườ ng quay v ớ i t ố c độ sns (vòng/phút) so v ớ i h ệ rôto, theo cùng chi ề u quay.

Vì rôto đang quay vớ i t ố c độ n (vòng/phút), nên so v ớ i

h ệ quy chi ế u đứ ng yên, t ố c độ c ủ a t ừ trườ ng quay rôto:

Ph ầ n 1

Như vậ y t ừ trườ ng quay do dòng rôto t ạ o ra quay ở

t ố c độ đồ ng b ộ , và đồ ng b ộ v ớ i t ừ trườ ng quay stato Hai t ừ trườ ng quay rôto và stato do đ ó s ẽ đứ ng yên

so v ớ i nhau, và t ạ o ra mômen ổ n đị nh, duy trì chuy ể n

độ ng c ủ a rôto.

Mômen đ ó, t ồ n t ạ i ở b ấ t k ỳ t ố c độ rôto nào khác v ớ i

t ố c độ đồ ng b ộ , đượ c g ọ i là mômen không đồ ng b ộ

Ph ầ n 1

Chú ý r ằ ng t ừ thông t ổ ng g ầ n nh ư không thay đổ i khi

đ i ệ n áp và t ầ n s ố stato không đổ i Còn s ứ c t ừ độ ng rôto thì t ỷ l ệ thu ậ n v ớ i dòng đ i ệ n rôto.

t ổ ng tr ở rôto có tác d ụ ng kh ử t ừ

Dướ i đ i ề u ki ệ n làm vi ệ c bình th ườ ng, độ trượ t r ấ t nh ỏ : 2% đế n 10% khi đầ y t ả i trong h ầ u h ế t các độ ng c ơ l ồ ng sóc Do đ ó, t ầ n s ố rôto r ấ t th ấ p (1 đế n 5 Hz trong các

độ ng c ơ 50 Hz).

T ổ ng quan (tt)

Ph ầ n 1

Ở d ả i t ầ n s ố này, t ổ ng tr ở rôto ch ủ y ế u mang tính tr ở ,

và do đ ó không ph ụ thu ộ c vào độ trượ t M ặ t khác, điệ n

áp c ả m ứ ng t ỷ l ệ v ớ i độ trượ t và vượ t tr ướ c t ừ thông

t ổ ng m ộ t góc 90 °

Do đ ó, dòng đ i ệ n rôto xem nh ư t ỷ l ệ thu ậ n v ớ i độ

tr ượ t, và c ũ ng t ỷ l ệ nhưng lệ ch pha 180 ° so v ớ i đ i ệ n áp rôto D ẫ n đế n sóng st đ rôto tr ễ pha so v ớ i t ừ thông t ổ ng kho ả ng 90 ° , nh ư v ậ y sin δr ≈ – 1.

T ổ ng quan (tt)

Do đ ó, có th ể coi mômen t ỷ l ệ thu ậ n v ớ i độ trượ t khi

độ trượ t có giá tr ị nh ỏ

Khi độ trượ t t ă ng lên, t ổ ng tr ở rôto tăng lên do c ó s ự

đ óng góp c ủ a đ i ệ n kháng t ả n rôto Và dòng điệ n rôto s ẽ

gi ả m d ầ n m ứ c độ t ỷ l ệ v ớ i độ trượ t.

Dòng điệ n rôto c ũ ng tr ễ pha nhi ề u h ơ n so v ớ i đ i ệ n áp

c ả m ứ ng, và độ l ớ n c ủ a sin δr gi ả m xu ố ng.

T ổ ng quan (tt)

Ph ầ n 1

Tổng hợp các yếu tố đó, mômen sẽ tăng theo độ trượt đến

một giá trị cực đại, và sau đó giảm, như có thể thấy ở slide 16

Giá trị cực đại của mômen, gọi là mômen mất đồng bộ,

thường có giá trị gấp đôi mômen định mức, làm giới hạn khả

Ph ầ n 1

Tuy nhiên, v ớ i k ế t c ấ u đắ t ti ề n và c ồ ng k ề nh h ơ n, cùng v ớ i ch ế độ b ả o trì ph ứ c t ạ p h ơ n, ph ươ ng pháp

đ i ề u khi ể n t ố c độ này ít khi đượ c dùng.

Xét m ộ t rôto dây qu ấ n, v ớ i phân b ố t ừ thông – s ứ c t ừ

độ ng nh ư s ơ đồ khai tri ể n d ướ i đ ây.

S ố c ự c c ủ a rôto s ẽ b ằ ng v ớ i s ố c ự c c ủ a stato (m ặ c dù

s ố pha không nh ấ t thi ế t ph ả i b ằ ng).

Dòng đ i ệ n và t ừ thông trong máy K Đ B

St đ rôto

Mômen

Chi ề u quay

Ph ầ n 1

N ế u đ i ệ n kháng t ả n rôto là r ấ t nh ỏ so v ớ i đ i ệ n tr ở rôto , dòng đ i ệ n pha a s ẽ ở giá tr ị c ự c đạ i, và sóng st đ rôto s ẽ

Dòng đ i ệ n và t ừ thông trong máy K Đ B (tt)

Dòng điệ n pha a s ẽ không ở giá tr ị Sóng st đ rôto do

đ ó s ẽ không đồ ng tr ụ c v ớ i pha a, mà ph ả i sau 1 kho ả ng

th ờ i gian khi sóng t ừ thông đã di chuyể n đượ c φ2 độ

ωs (1-s)ωs

ωs

ωs

T ừ c ả m

Đ i ệ n áp thanh d ẫ n rôto

Sau đ ó 1 kho ả ng th ờ i gian ng ắ n, các dòng đ i ệ n thanh

d ẫ n có giá tr ị t ứ c th ờ i đượ c minh h ọ a b ở i các v ạ ch

th ẳ ng đứ ng nét li ề n trong hình gi ữ a Trong kho ả ng th ờ i gian này, sóng t ừ c ả m đ ã di chuy ể n đượ c 1 kho ả ng ứ ng

v ớ i góc φ2 theo chi ề u quay, so v ớ i rôto.

Hình d ướ i cùng bi ể u di ễ n sóng st đ rôto Thành ph ầ n

c ơ b ả n c ủ a sóng st đ là đườ ng nét đứ t.

Dòng đ i ệ n và t ừ thông trong máy K Đ B (tt)

Ph ầ n 1

Xét máy K Đ B v ớ i dây qu ấ n nhi ề u pha đố i x ứ ng, đượ c kích thích t ừ điệ n áp nhi ề u pha cân b ằ ng Gi ả thi ế t các máy 3 pha đượ c n ố i hình Y.

Dướ i đ ây s ẽ rút ra m ạ ch t ươ ng đươ ng cho 1 pha,

hi ể u r ằ ng đ i ệ n áp và dòng điệ n trong các pha còn l ạ i có

th ể tìm đượ c b ằ ng cách thêm vào các góc l ệ ch pha

U = + +

r1 và x1 là điệ n tr ở hi ệ u d ụ ng và điệ n kháng t ả n stato

T ừ thông t ổ ng trong khe h ở đượ c t ạ o ra b ở i st đ t ổ ng

Nhánh song song đượ c t ạ o b ở i m ộ t đ i ệ n tr ở đặ c

tr ư ng t ổ n hao lõi thép Rc và m ộ t đ i ệ n kháng t ừ hóa Xm,

m ắ c song song v ớ i nhau, có điệ n áp E1 đặ t vào 2 đầ u.

Rc và Xm thườ ng đượ c xác đị nh ở t ầ n s ố stato đị nh

m ứ c và cho giá tr ị E1 x ấ p x ỉ v ớ i giá tr ị làm vi ệ c bình

th ườ ng Các ph ầ n t ử đượ c coi nh ư không đổ i khi E1 có

nh ữ ng thay đổ i nh ỏ so v ớ i giá tr ị làm vi ệ c bình th ườ ng.

M ạ ch t ươ ng đươ ng c ủ a độ ng c ơ K Đ B (tt)

Ph ầ n 1

M ạ ch t ươ ng đươ ng cho stato gi ố ng h ệ t nh ư m ạ ch đ ã dùng để bi ể u di ễ n s ơ c ấ p c ủ a máy bi ế n áp.

Để hoàn t ấ t mô hình, c ầ n tích h ợ p các ả nh h ưở ng

c ủ a rôto Nhìn t ừ m ạ ch t ươ ng đươ ng c ủ a stato, rôto có

th ể đượ c bi ể u di ễ n b ở i m ộ t t ổ ng tr ở tương đương Z2

t ươ ng ứ ng v ớ i t ổ ng tr ở t ả n c ủ a 1 rôto đứ ng yên.

M ạ ch t ươ ng đươ ng c ủ a độ ng c ơ K Đ B (tt)

(4.9)

2

1 2

Trướ c h ế t, c ầ n quy đổ i m ạ ch rôto v ề m ộ t rôto t ươ ng

đươ ng có cùng s ố vòng dây v ớ i dây qu ấ n stato N ế u t ỷ

s ố vòng dây đã biế t, vi ệ c quy đổ i hoàn toàn gi ố ng nh ư

trong tr ườ ng h ợ p c ủ a máy bi ế n áp.

M ạ ch t ươ ng đươ ng c ủ a độ ng c ơ K Đ B (tt)

r s

s

I

E a I

Ch ỉ s ố s ở đây để nh ấ n m ạ nh các đạ i l ượ ng thu ộ c v ề

rôto đượ c quy đổ i T ứ c là E1s là điệ n áp c ả m ứ ng c ủ a rôto t ươ ng đươ ng, còn I2s là dòng điệ n t ươ ng ứ ng.

Ti ế p theo, c ầ n xét đế n chuy ể n độ ng t ươ ng đố i c ủ a stato và rôto, t ứ c là xét đế n y ế u t ố t ầ n s ố khác nhau c ủ a

m ạ ch stato và m ạ ch rôto.

M ạ ch t ươ ng đươ ng c ủ a độ ng c ơ K Đ B (tt)

M ạ ch t ươ ng đươ ng c ủ a độ ng c ơ K Đ B (tt)

(4.11)

2 2

s

s

V ớ i r2 là điệ n tr ở rôto quy đổ i, và sx2 là điệ n kháng t ả n

ở t ầ n s ố trượ t c ủ a rôto quy đổ i.

Chú ý r ằ ng x2 đượ c đị nh ngh ĩ a là điệ n kháng t ả n ở

t ầ n s ố stato c ủ a rôto quy đổ i Vì t ầ n s ố c ủ a rôto b ằ ng s

l ầ n t ầ n s ố c ủ a stato, điệ n kháng ở t ầ n s ố trượ t đượ c xác đị nh b ằ ng cách nhân x2 v ớ i độ trượ t s.

Ti ế p đế n, xét sóng st đ khe h ở do I1 và I2 t ạ o ra C ũ ng

có th ể coi stđ n ày do I1 và I2s t ạ o ra.

M ạ ch t ươ ng đươ ng c ủ a độ ng c ơ K Đ B (tt)

Ph ầ n 1

Như vậ y, I2 và I2s ph ả i có cùng độ l ớ n vì hai dây qu ấ n

có cùng s ố vòng dây Ngoài ra, sóng st đ t ổ ng là như

nhau nên I2 và I2s ph ả i cùng pha, t ừ đ ó

Sau cùng, xét đ i ệ n áp c ả m ứ ng do t ừ thông t ổ ng quét qua các dây qu ấ n, ở t ầ n s ố trượ t và t ầ n s ố stato N ế u không có khác bi ệ t t ố c độ , các đ i ệ n áp này ph ả i b ằ ng nhau vì có cùng s ố vòng dây.

Ph ầ n 1

Chia hai v ế cho s, ta có

v ớ i Z2 là t ổ ng tr ở c ủ a rôto đứ ng yên t ươ ng đươ ng ở t ầ n

s ố stato, t ứ c là t ổ ng tr ở đượ c n ố i vào phía t ả i c ủ a s ơ đồ

t ươ ng đươ ng stato ở slide 31.

M ạ ch t ươ ng đươ ng c ủ a độ ng c ơ K Đ B (tt)

(4.15)

2 2

2 2

1 2

1

jsx r

Z I

E s I

E

s s

(4.16)

2 2

E

Z = = +

K ế t h ợ p 2 m ạ ch t ươ ng đươ ng cho ta m ạ ch t ươ ng

đươ ng 1 pha c ủ a máy K Đ B Hi ệ u ứ ng t ổ ng h ợ p c ủ a tr ụ c máy và điệ n tr ở rôto đượ c bi ể u di ễ n b ở i đ i ệ n tr ở r2/s

Ph ầ n 2

Bài gi ả ng

Ch ươ ng 4: Máy đ i ệ n không đồ ng b ộ 3 pha

TS Nguyễn Quang Nam

đổi của dòng điện, tốc độ, và tổn thất công suất khi mômen

tải thay đổi, cũng như mômen mở máy và mômen cực đại

Mạch tương đương cho thấy công suất điện từ truyền qua khe hở của stato là

Phân tích m ạ ch t ươ ng đươ ng

Pag 3 22 2

2 2

I r

I s

r I

P P

Pm ag c

1 3

3

3 22 2 22 2 22 2

2

So sánh (4.17) và (4.19) có thể thấy

Như vậy, trong lượng công suất truyền qua khe hở, 1 – s

phần được chuyển thành cơ năng, và s phần được chuyển thành tổn hao trên các thanh dẫn rôto Do đó, động cơ KĐB

vận hành với độ trượt cao là một thiết bị có hiệu suất kém

Phân tích m ạ ch t ươ ng đươ ng (tt)

ag m

m

p s

r I P

P T

ω ω

ω ω

/ 3

Ph ầ n 2

Có thể dẫn ra quan hệ tương tự cho mômen đầu trục

Việc phân tích mạch tương đương của máy biến áp

thường được đơn giản hóa bằng cách bỏ qua hay chuyển nhánh từ hóa lên sát đầu cực

Với máy KĐB vận hành bình thường các phép xấp xỉ này không được dùng vì sự hiện diện của khe hở làm cho tổng từ

hóa khá thấp, dẫn đến dòng kích từ khá cao – 30 đến 50% dòng định mức, và vì điện kháng tản cũng cao hơn

Phân tích m ạ ch t ươ ng đươ ng (tt)

Có thể đơn giản hóa mạch tương đương của máy KĐB

nếu bỏ qua điện trở rc và kể đến tổn hao lõi thép khi tính Te

hay Pm cùng lúc với tổn hao quay và tổn hao phụ

Khi đó, mạch tương đương chỉ còn lại xm ở nhánh từ hóa,

và sai số thường không đáng kể

Quy trình này có ưu điểm khi thử nghiệm động cơ, vì tổn hao lõi thép không tải không cần phải tách ra khỏi tổn hao ma sát và thông gió

Phân tích m ạ ch t ươ ng đươ ng (tt)

Ph ầ n 2

Ví dụ 6.2: Một động cơ KĐB 3 pha, nối Y, 220 V (điện áp dây), 7,5 kW, 60 Hz, 6 cực có các tham số mạch tương

đương (tính bằng Ω/pha) quy về phía stato như sau:

r1 = 0,294 r2 = 0,144 x1 = 0,503 x2 = 0,209 xm = 13,25

Tổng tổn hao ma sát, quạt gió và lõi thép có thể được coi không đổi và bằng 403 W, độc lập với tải Ở độ trượt 2%, tính

tốc độ, mômen và công suất ngõ ra, dòng điện stato, hệ số

công suất và hiệu suất, khi động cơ vận hành ở điện áp và

tần số định mức

Phân tích m ạ ch t ươ ng đươ ng (tt)

Khi mối quan tâm chính là quan hệ giữa công suất và

mômen, có thể đơn giản hóa việc phân tích rất nhiều bằng

Ph ầ n 2

Các công thức (4.23) và (4.24) được rút ra với giả thiết bỏ

qua điện trở tổn hao lõi thép rc

x x

j r

jx V

V

+ +

=

1 1

x x

j r

jx r

jx Z

+ +

+

=

1 1

1 1

(4.25)

s r jx

Z

V I

th

th

/

2 2

2

+ +

+

2

2 2

2 2

/

/ 3

1

x X

s r R

s r V T

th th

th s

e

ω

Ph ầ n 2

Để vận hành ở độ trượt lớn hơn 1, cần phải kéo động cơ

ngược chiều từ trường quay, bằng một nguồn cơ năng có

khả năng thắng được mômen điện từ

Ứng dụng chính của vùng này là làm cho động cơ dừng nhanh bằng phương pháp có tên là hãm ng ượ c

Thực tế người ta đảo 2 trong số 3 pha của nguồn, để làm

đảo chiều quay của từ trường một cách đột ngột, khiến độ

trượt có giá trị xấp xỉ 2, và động cơ nhanh chóng dừng lại

Tính mômen và công su ấ t b ằ ng Thevenin (tt)

Máy sẽ vận hành như 1 máy phát nếu các cực stato được

nối với nguồn áp nhiều pha, và rôto của nó được ĐCSC kéo quay nhanh hơn tốc độ đồng bộ (tạo ra độ trượt âm)

Ứng dụng của chế độ này có thể là máy phát điện gió

Để xác định giá trị mômen cực đại, hay mômen mất đồng

bộ, có thể áp dụng nguyên lý truyền đạt công suất cực đại,

dẫn đến điều kiện r2/s có độ lớn bằng độ lớn của tổng trở

nằm giữa nguồn áp Thevenin và r2/s

Tính mômen và công su ấ t b ằ ng Thevenin (tt)

2

x X

R s

r

th th

T

+ +

=

(4.28)

( )2

2 2

2 max

x X

R

r s

th th

T

+ +

+

=

2 2 2

2 max

5 , 1 1

x X

R R

V T

th th

th

th s

Do đó, nếu thêm điện trở phụ vào mạch rôto (dây quấn) thì

sẽ có thể kéo đỉnh của đặc tính cơ về bên trái (tăng smaxT) màkhông làm thay đổi độ cao của đỉnh

Tính mômen và công su ấ t b ằ ng Thevenin (tt)

Hình bên minh họa quá trình

e

/ /

2

max max

2

2

/ 1

2

s s

I

I

T

Ph ầ n 2

Giống như với MBA, thí nghiệm không tải của động cơ

KĐB cung cấp thông tin về dòng điện kích từ và tổn hao

không tải

Thí nghiệm này thường được thực hiện ở tần số định mức

và với điện áp nhiều pha cân bằng đặt vào stato

Số liệu được đọc ứng với điện áp định mức, sau khi động

cơ đã chạy đủ lâu để các ổ đỡ được bôi trơn đầy đủ

Thí nghi ệ m không t ả i

Giả thiết thí nghiệm được thực hiện ở tần số định mức và

đo được điện áp pha, dòng điện dây, và công suất ngõ vào.Khi không tải, dòng điện rôto chỉ mang giá trị rất nhỏ đủ để

tạo ra mômen thắng được ma sát và tổn hao thông gió Do

đó, tổn hao đồng phía rôto khi không tải được bỏ qua

Tuy nhiên, tồn tại khe hở không khí trong động cơ KĐB,

tổn hao đồng stato không thể bỏ qua, vì dòng điện kích từ lớn

hơn nhiều so với trường hợp MBA

Thí nghi ệ m không t ả i

Ph ầ n 2

Bỏ qua tổn hao đồng rôto khi không tải, tổn hao quay có

thể được xác định bằng cách trừ tổn hao đồng stato khỏi

tổng công suất ngõ vào khi không tải

Tổn hao quay ở điện áp và tần số định mức thường được coi không đổi và bằng giá trị khi không tải

Chú ý rằng ở đây điện trở rc được bỏ qua, và tổn hao lõi thép được gộp chung với tổn hao ma sát và quạt gió

Thí nghi ệ m không t ả i

(4.32)

1

2 10

Khi đó, tổn hao lõi thép có thể được xác định bởi

Tổn hao lõi thép không tải ở đây tương ứng với điện áp

Prot ωm = − ωm ωm

(4.34)1

2 10

P

Pi = − rot −

Ph ầ n 2

Nếu bỏ qua điện áp rơi trên tổng trở tản stato khi thí

nghiệm không tải (vì dòng stato khá nhỏ), có thể xác định giá

2 10

3

=

Vì độ trượt khi không tải rất nhỏ, r2/s sẽ rất lớn Tổng trở

tạo bởi nhánh từ hóa song song với mạch rôto quy đổi về

stato thường có giá trị rất gần jxm

Như vậy điện kháng không tải x0 sẽ có giá trị

x0 = 1 +

(4.37)10

10 2

10

10 0

V I

Q

x = ≈

Ph ầ n 2

Thí nghiệm này cho phép xác định các tổng trở tản Rôto

được chèn chặt để không quay (s = 1), và điện áp nhiều pha cân bằng được đặt vào stato

Thí nghiệm sẽ đo điện áp pha, dòng điện dây, công suất ngõ vào và tần số

Mạch tương đương trong điều kiện này giống như của một máy biến áp bị ngắn mạch Tuy nhiên, động cơ KĐB phức

tạp hơn MBA, vì tổng trở tản bị ảnh hưởng bởi bão hòa từ

Thí nghi ệ m chèn ch ặ t rôto

Nguyên tắc định hướng ở đây là thí nghiệm nên được thực

hiện dưới các điều kiện tần số giống như khi máy được đo

hiệu năng

Ví dụ, để khảo sát điều kiện mở máy, thí nghiệm chèn chặt rôto nên được thực hiện ở tần số nguồn, và dòng điện gần

với giá trị khi khởi động

Ngược lại, đặc tính vận hành bình thường cần được xác

định ở dòng điện định mức và tần số giảm xuống

Thí nghi ệ m chèn ch ặ t rôto (tt)