TRÌNH BÀY ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐẶC TÍNH CƠ

Nghiên cứu, tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của động cơ không đồng bộ ba pha và các đặc tính cơ của chúng. Qua đó nghiên cứu các đặc tính cơ và các đặc tính liên quan xung quanh việc ứng dụng động cơ điện ba pha trong truyền động điện sản xuất công nghiệp. Đồng thời qua các công thức tính toán và các đặc tính cho ví dụ tính toán cụ thể một giải pháp ứng dụng trong truyền động của động cơ điện ba pha liên quan trực tiếp đến đặc tính cơ.

Ngày nay trong thời đại khoa học kỹ thật ngày càng phát triển, đặc biệt là thế giới đang đi vào giai đoạn công nghệ 4.0 thì nhu cầu về việc sử dụng các trang thiết bị động cơ ngày càng nhiều.Không những trong sản xuất mà còn trong đời sống sinh hoạt

Từ những yêu cầu thực tiễn trong đời sống và trong sản xuất, chúng em nhận thấy được tầm quan trọng và sự cấn thiết của việc ứng dụng động cơ không đồng bộ ba pha trong hoạt động sản xuất công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực truyền động điện tự động Chính vì vậy nhóm chúng em quyết định chọn đề tài này làm nội dung của bài báo cáo Qua đó sẽ giúp chúng em hiểu rõ hơn về các quá trình làm việc, các đặc tính cơ của động cơ

Từ đó chúng em có thể áp dụng vào thực tiễn công việc mà chúng em đang làm Đồng thời cũng là điều kiện để chúng em tìm hiểu và học hỏi thêm kinh nghiệm từ các thầy,

cô

MỤC TIÊU CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu, tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của động cơ không

đồng bộ ba pha và các đặc tính cơ của chúng Qua đó nghiên cứu các đặc tính cơ và các đặc tính liên quan xung quanh việc ứng dụng động cơ điện ba pha trong truyền động điện sản xuất công nghiệp Đồng thời qua các công thức tính toán và các đặc tính cho ví dụ tính toán

cụ thể một giải pháp ứng dụng trong truyền động của động cơ điện ba pha liên quan trực tiếp đến đặc tính cơ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

1.1 Khái niệm và cấu tạo

1.1.2 Cấu tạo

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ KĐB ba pha

Giống như các loại máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ 3 pha gồm có các bộ phận chính sau

Phần tỉnh hay còn gọi la stator

Phần quay hay còn gọi la rotor

a) Stator

- Trên stator có vỏ , lõi thép và dây quấn

- Võ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn

- Lõi sắt là phần dẫn từ được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm ghép lại

- Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt

b) Rotor

- Phần này có 2 bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn

- Nói chung người ta sử dụng các lá thép kỹ thuật điện như ở stator

- Dây quấn rotor có 2 loại chính là rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc

c) khe hở không khí

Vì rotorlà 1 khối tròn nên khe hở đều.Khe hở trong mày điện không đồng bộ rất nhò (từ 0,2 đến 1mm trong máy điện nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

 Ưu điểm

Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ Rotor lồng sóc So với động cơ một chiều,Động cơ không đồng bộ giá thành hạ,vận hành tin cậy, chắc chắn Ngoài ra động cơ không đồng bộ dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo

và tạo ra 1 momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay

Tốc độ quay của roto luôn luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từtrường Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ không quét qua các thanh dẫn nữa nên

sẽ không có dòng điện cảm ứng nên momen quay cũng không còn Khi đó, do momen cản roto sẽ quay chậm hơn từ trường quay và các thanh dẫn lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn của từ trường quay Động cơ hoạt động với nguyên tắc này nên được gọi là động cơ không đồng bộ

Tố độ từ trường quay phụ thuộc vào số đôi cực của động cơ và tần số dòng điện

 : Tốc độ của từ trường quay (vòng /phút)

 f : tần số của điện áp nguồn đặt vào Stator (Hz)

 p : số đôi cực từ của động cơ

 n : tốc độ quay của Rotor (vòng /phút)

 2 . 0 2 . 1 ( / )

s rad p

f p

0

n

n n

0: tốc độ góc của từ trường quay (rad/s)

 : tốc độ góc của từ trường (rad/s)

ở chế độ động cơ, hệ số trượt s có giá trị 0 s 1

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor cũng là dòng xoay chiều với tần số xác định qua tốc độ tương đối của rotor khi từ trường quay:

) ( 60

) (

1 2

' 1

1 '

2

N

p

X S

R R

U I

Khi mở máy tốc độ n = 0 nên hệ số trượt s =1



 '2 2 1

1 2

'

N

p mm

X R

R

U I

1 1

2 '

p mm

p mm

X R R

U Z

U I

1.1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha

Hình 1.2: Giản đồ đặc tính cơ của động cơ điện KĐB ba pha

Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất động cơ

Công suất điện từ chuyển từ Stator sang Rotor

 Mđt: moment điện từ động cơ

3 3

1

' 2 ' 2 0

2

s n

R I s

I R

1 0

nm

p

X s

R R s n

U R

Phương trình trên là phương trình đặc tính cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha

- Đường biểu diễn của phương trình đặc tính cơ có dạng đường cong nên toạ độ điểm cực trị được xác định bằng cách giải phương trình  0

N

X R

R s

1 0

2 1 max

55 , 9 2

3

R X

R n

U M

N p

Trong đó : (+) : ứng với trạng thái động cơ

(-) : ứng với trạng thái máy phát

- Hệ số quá tải về moment :

ñm

th M

Hình 1.3: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KĐB ba pha

- Bước 1: xác định toạ độ 3 điểm đặt biệt

 Điểm đồng bộ của từ trường : A(M = 0,n = n0)

2

21

2 max

max

2

max max

0

max max

dm dm

0

dm dm

dm

m ax dm ñm

n

S

S S

S S

S

S S

S

n n

S

S

S S

M M

M

M M

Thay S = 1 vào phương trình (2) ta được :

1 0

2 1

55 , 9

3

N

p mm

X R R n

U R M

2

max max

max

S S

th

th th

aS S

S S

S

aS M

M

2

12





2 2

1

1 max

nm

X R

R aS

S

M M

max max

P X n

U M

55 , 9 2

Toạ độ điểm tới hạn:

Thay toạ độ điểm làm việc định mức vào phương trình đặc tính cơ (1.23)

m m

m

S

S S

S

M M

d d

d

max max

th th

ñm ñm

th

M

M S

S S

S  2  2

max 2

max  M S m S S m 

S  d d giải phương trình bậc 2 theo Smax

Ta được toạ độ điểm tới hạn B( Mmax , Smax)

Thay S = 1 vào phương trình (1.23) ta được :

th th

th mm

S S

M M



 1

I I

(1.30)

1.2 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ của động cơ KĐB

Qua chương trình đặc tính cơ bản của hoạt động cơ, ta thấy các thông số có ảnh hưởng đến đặc tính cơ như: R1, R2, X1, X2, UL, fL,… Sau đây, ta xét ảnh hưởnh của một số thông số:

1.2.1 Ảnh hưởng của điện áp lưới

Khi điện áp đặt vào động cơ giảm :

2 1

55,92

3

R X R n

U M

1 0

2 1

55,92

3

R X

R n

U M

1 0

2 1

55,92

3

R X

R n

U M

N

p

- Mmax nói lên khả năng quá tải của động cơ

- Moment mở máy (Mmm = K2U1P2 ) giảm theo tỉ lệ bình phương lần độ suy giảm của điện áp

Hình 1.4: Biểu đồ ảnh hưởng của điện áp lưới

1.2.2 Ảnh hưởng của điện trở phụ hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch Stator

- Khi thêm điện trở phụ Rp vào Stator thì tốc độ đồng bộ n0 không đổi, trượt tới hạn Smax giảm, moment tới hạn Mmax giảm và moment mở máy Mmm cũng giảm

Ñ

R 1 L1 L2 L3

Hình 1.5: Động cơ KĐB bộ 3 pha khi thêm điện trở phụ

- Khi thêm điện kháng phụ Xp (giả sử Xp = Rp) vào mạch Stator ta thấy tốc độ đồng

bộ n0 không đổi, độ trượt tới hạn giảm (nhưng vẫn còn lớn hơn khi thêm Rp), moment mở máy Mmm giảm (bằng với khi thêm Rp)

R p

Hình 1.6: Động cơ KĐB khi thêm điện kháng và điện trở phụ

- Ta thấy khi thêm Xp ta tăng được khả năng quá tải của động cơ (Mth nói lên khả năng quá tải của động cơ)

- Đặc tính cơ khi thêm Rp (R1f); Xp (X1f) có dạng:

Hình 1.7: Biểu đồ ảnh hưởng của điện kháng và điện trở phụ

1.2.3 Ảnh hưởng của điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rotor

R p

Hình 1.8: Động cơ KĐB 3 pha khi thêm điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rotor

- Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch) không thể thay đổi được điện trở mạch rotor Việc thay đổi chỉ sử dụng đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn vì mạch rotor có thể nối với điện trở ngoài qua hệ vòng trượt, chổi than.(như hình vẽ)

- Dễ thấy ,điện trở mạch rotor R2 (R2f1), do đó điện trở quy đổi R2' (R2f1’), chỉ có thể thay đổi về phía tăng Khi R2' (R2f2) tăng thì độ trượt tới hạn tăng, còn tốc độ đồng bộ và môment tới hạn giữ nguyên

Hình 1.9: Biểu đồ ảnh hưởng của điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rotor

1.2.4 Ảnh hưởng của tần số lưới

R S

1 max

Khi thay giảm f1 thì smax và Mmax tăng , nhưng Mmax tăng mạnh hơn

Do vậy độ cứng đặc tính cơ tăng khi f1 giảm

Khi f1 giảm xuống dưới fđm.thì tổng trở các cuộn dây giản nên nếu giữ nguyên điện áp cấp Uđm thì dòng điện động cơ sẽ tăng ,đốt nóng động cơ quá mức

- Từ biểu thức

2 1

2 1

1

2 1

2 55 , 9

60 2 3 2

55 , 9

60 2 3

f L

pU L

f

p U M

nm P

nm

P th

const f

CHƯƠNG II ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.1 Các dạng khởi động của động cơ KĐB

Có rất nhiều phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ: khởi động trực tiếp, khởi động bằng điện trở phụ, khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu, khởi động mềm, khởi động bằng cuộn kháng, khởi động part-winding

Trong phần này chúng ta chỉ đề cập đến một vài phương pháp cơ bản

2.1.1 Khởi động trực tiếp

Hình 2.1: Mạch khởi động trực tiếp động cơ

Đặc điểm của khởi động trực tiếp:

- Điều khiển đơn giản, đóng các pha của động cơ trực tiếp vào nguồn ba pha bằng công tắt cơ khí hay dùng contactor

- Dòng khởi động lớn có thể gây sụt áp trên lưới điện quá mức cho phép, đặc biệt khi động cơ có công suất lớn

- Moment khởi động chứa thành phần xung khá lớn, do đó có thể gây sốc động cơ, động cơ khởi động không êm

2.1.2 Khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu

Hình 2.2: là sơ đồ nguyên lý của hai phương pháp khởi động trực tiếp (dùng tiếp điểm K1) và khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu (dùng tiếp điểm K2, K3)

Gọi :ImmTT,ImmTN lần lượt là dòng điện qua lưới khi khởi động trực tiếp và khi khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu

mmTT mmTN

M ,M lần lượt là moment khởi động khi khởi động trực tiếp và khi khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu

Nếu không khởi động trực tiếp thì dòng điện qua lưới nguồn và moment động cơ được

xác định theo biểu thức: khi mở máy thì: n = 0 & s = 1

1p

UI

' 2 ' 2 ñb

3R UM

' 2

2 mmTN mmTN

' 2 ' 2 ñb

2.1.3 Khởi động bằng điện trở phụ mạch rotor

Hình 2.3: là sơ đồ nguyên lý mạch khởi động bằng điện trở phụ mạch Stator

Khi bắt đầu khởi động các contactor K1, K2, K3 ở trạng thái đóng Lần lượt thực hiện

mở K3, K2, K1 để loại bỏ dần điện trở phụ ra khỏi mạch rotor

Dòng điện qua stator lúc khởi động

ñb

3U (R R )M

2.1.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Trong phần điều chỉnh tốc độ, chúng ta sẽ xem xét sơ lược các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ Chủ yếu trong phần này chúng ta sẽ tập trung vào phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch rotor

2.1.5 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ vào mạch rotor

Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ khi gắn điện trở phụ R vào pmạch rotor

2 ñb

3U (R )M

2 2 ñb

3UM

+ Smax tăng lên do R tăng

+ Mmax =const

+ Mmm luôn luôn biến đổi chưa kết luận được khi s = 1

Họ các đường đặc tính cơ là :

Hình 2.5: Biểu đồ mạch chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ mạch Rotor

2.1.6 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch stator

Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ khi gắn điện trở phụ R1p vào mạch rotor

 

1p '

2

2 '

2 ' 2

1 2

UI

2 ñb

N

3U (R )M

2 2 n

Rs

2 2 ñb

N

3UM

Khi thêm Rp vào mạch stator thì :

+ Smax giảm do R tăng

+ Mmax = giảm

+ Mmm giảm khi s = 1

Hình 2.7: Biểu đồ mạch chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ vào mạch Stator

2.1.7 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp

Moment của động cơ

2 ' 1p 2 2 '

2

3.U RM

2 2

1 n

Rs



Momment tới hạn :

2 1p max

2 2 ñb

3UM

Khi thay đổi điện vào mạch stator thì :

+ Smax không thay đổi

+ Mmax =giảm

+ Mmm giảm khi s = 1

Hình 2.8: Biểu đồ mạch hiệu chỉnh tốc độ bằng thay đổi nguồn cung cấp

2.2 Hãm máy

2.2.1 Hãm tái sinh

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ n > n0 Lúc này động cơ máy phát điện trả điện năng về lưới điện và tạo ra moment hãm ngược chiều với chiều mà dòng điện đang quay Vì tốc độ hãm lớn nên hãm tái sinh không dùng để hãm dừng mà chỉ dùng trong trường hợp hãm ghìm

 Hãm tái sinh có thể thực hiện một trong hai cách sau :

- Cách 1: giảm tốc độ bằng phương pháp tăng số đôi từ cực đảm bảo moment

không đổi

+ Lúc này hãm tái sinh xảy ra ở góc phần tư thứ hai

Hình 2.9: Đồ thị hãm tái sinh góc phần tư thứ hai

+ Ở góc phần tư thứ hai :

S thay vào phương trình

1 0

1

55,9

.3

N

p

X S

R R S n

U R M

 MĐ <0

 đoạn Bn02 là đoạn hãm tái sinh

 Đoạn n02C : vì n < n02  S > 0 nên khi thay vào phương trình đặc tính cơ

MĐ > 0

Đoạn n02C là đoạn đặc tính động cơ giảm tốc

Đến điểm C thì MĐ=MC và động cơ quay ổn định với tốc độ nhỏ C

- Cách 2: Ta tiến hành hạ tải thế năng bằng phương pháp đảo cực tính 2 trong 3

pha nguồn đưa vào động cơ

Thì hãm tái sinh sẽ xảy ra ở góc phần tư thứ tư

Động cơ quay ngược

Hình 2.10: Đồ thị hãm tái sinh góc phần tư thứ tư

2.2 2 Hãm ngược

Giống như động cơ một chiều kích từ độc lập, trạng thái hãm ngược của động cơ không đồng bộ cũng có hai cách :

Hình 2.11: Đồ thị hãm ngược động cơ

- Cách 1: Động cơ đang quay thuận thì tiến hành đảo thứ tự 2 trong 3 pha nguồn đưa

vào động cơ thì hãm ngược xảy ra ở góc phần tư thứ hai

Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đặc tính cơ 1 sang B trên đặc tính cơ với cùng tốc độ E (do quán tính cơ ).Quá trình hãm nối ngược bắt đầu khi tốc độ động cơ giảm theo đặc tính 2 tới điểm D thì E lúc này nếu cắt điện thì động cơ sẽ dừng Đoạn hãm ngược (MĐ<0,E) là BD.nếu không cắt điện khi E thì MĐ>MCnên bắt đầu tămg tốc ,mở máy quay ngựơc lại theo đặc tính 2 và làm việc ổn định tại E với tốc độ E theo chiều

CI U

X  p

ω

0

ω -

(2)

0

M (N.m)

Hình 2.12: Đồ thị hãm ngược

Tới điểm L thì I d  3I p Lúc này nếu cắt điện động cơ sẽ dừng Nếu không cắt điện động cơ sẽ quay theo chiều ngược tới điểm N.Lúc này nếu lại cắt điện trở phụ thì động

cơ sẽ chuyển điểm làm việc sang đặc tính cơ 2 và tăng tốc tiếp tới điểm E

Trường hợp Rp quá lớn ,động cơ có đặc tính 3 khi hãm nối ngược thì quá trình hãm kết thúc tại điểm I.Động cơ không thể tăng tốc chạy ngược vì I d  3I p

- Cách 2: Ta thêm điên trở phụ vào mạch Rotor lúc đó hãm ngược xảy ra ở góc phần

tư thứ tư

+ Đoạn BC :là đoạn đặc tính cơ giảm tốc

+ Đoạn CD :là đoạn đặc tính cơ hãm ngược thêm điện trở phụ RP

Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ rotor dây quấn truyền động các cơ cấu nâng -hạ tải Để dừng và hạ vật xuống ,động cơ được nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng nhờ mở cáctiếp điểm K (công tắc tơ K thôi tác động ).Đặc tính cơ tương ứng là đường rất dốc

Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đường 1 sang B trên đường 2 với tốc độ

A

 Lúc này Moment động cơ MĐ=MB<MC nên động cơ giảm tốc độ vật vẫn được nâng lên với tốc độ nhỏ dần điểm làm việc của động cơ dịch từ B xuống D theo đặc tính 2.Tới D thì 0 và vật dừng lại.Do tải trọng gây moment MC>MĐ nên vật bắt đầu tụt xuống Chiều quay đảo lại Động cơ vẫn sinh moment dương ,nhưng vì MĐ<MC nên vật vẫn tiếp tục tụt xuống và lúc này động cơ làm việc ở trạng thái hãm ngược.Đặc tính hãm ngược nằm ở góc phần tư thứ IV Điểm làm việc khi hãm của động cơ dịch chuyển theo đặc tính hãm từ D tới E

Tại E thì MĐ=ME=MC và động cơ quay đều ,hãm ghìm vật để hạ vật xuống đều với tốc độ E

Ở chế độ này động cơ làm việc ở chế độ máy phát

0

M (N.m)