(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn Rôto

NINH THUẬN, NĂM 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ QUỐC DUY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

3 PHA RÔTO LỒNG SÓC RÃNH SÂU CÓ TÍNH ĐẾN HIỆU

ỨNG MẶT NGOÀI TRONG THANH DẪN RÔTO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NINH THUẬN, NĂM 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ QUỐC DUY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

3 PHA RÔTO LỒNG SÓC RÃNH SÂU CÓ TÍNH ĐẾN

HIỆU

ỨNG MẶT NGOÀI TRONG THANH DẪN RÔTO

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số: 60520202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS: Lê Quang Cường

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các kết quả nghiên cứu

và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào

và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiệntrích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Lê Quốc Duy

LỜI CÁM ƠN

Để có kết quả và hoàn thành tốt trong thời gian học tập tại Trường Đại Học Thủy lợi

em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô khoa Năng Lượng Trường Đại HọcThủy lợi Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những hỗtrợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp Trong suốt khoảng thời gianhọc tập tai trường cho đến nay em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ củacác quý thầy, cô gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến cácquí thầy, cô ở khoa Năng Lượng, Trường Đại học Thủy Lợi Trong suốt thời gian họctập đã truyền đạt những kiến thức hết sức thiết thực và cần thiết về ngành nghề điện

mà em theo học, với sự hướng dẫn dạy bảo tận tình của thầy cô trong suốt 5 tháng làmluận văn Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến GVHD là thầy TS Lê Quang Cường đãgiúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập cũng như luận văn của em Do vậy khôngtránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn em rất mong nhận được ngững ý kiếnđóng góp quý báo của quý thầy cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em tronglĩnh vực này được hoàn thiện hơn

Em gởi lời cảm ơn chân thành và lời tri ân sâu sắc đến quý thầy cô khoa Năng Lượng,Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học, do trình độ lýluận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên không tránh khỏi sự thiếu sót emrất mong nhận được sự gớp ý của quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinhnghiệm và hoàn thành tốt hơn Em xin chân thành cám ơn

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1

1.1 Kết cấu, các đại lượng định mức và công dụng 1

1.1.1 Lõi sắt: là phần dẫn từ 1

1.1.2 Dây quấn: 1

1.1.3 Vỏ máy: gồm thân máy, nắp máy và chân đế 2

1.1.4 Lõi thép 2

1.1.5 Dây quấn rôto: 3

1.2 Quan hệ điện từ trong máy điện không đồng bộ 5

1.2.1 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto đứng yên 6

1.2.2 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto quay 10

1.3 Các chế độ làm việc, giản đồ năng lượng, đồ thị vectơ của máy điện không đồng bộ 15 1.4 Các đặc tính của máy điện không đồng bộ 18

1.4.1 Các đặc tính làm việc của động cơ điện không đồng bộ 18

1.4.2 Đặc tính moment 19

1.4.3 Tổn hao và đặc tính hiệu suất của động cơ h = f (P2) 19

1.4.4 Đặc tính hệ số công suất cosφ = f (P2) 19

1.4.5 Năng lực quá tải 20

1.5 Hiệu ứng mặt ngoài ở thanh dẫn rôto lòng sóc 20

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 21

2.1 Những vấn đề chung khi thiết kế động cơ không đồng bộ 21

2.2 Tính toán thiết kế máy điện không đồng bộ 27

2.2.1 Xác định kích thước chủ yếu 27

2.2.2 Thiết kế stato 29

2.2.3 Thiết kế rôto 31

2.2.4 Tính toán điện từ 34

2.2.5 Tham số của động cơ định mức 44

2.2.6 Tính toán tổn hao 49

2.2.7 Tính toán các đặc tính làm việc 51

2.2.8 Tính toán đặc tính khởi động 54

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA RÔTO LỒNG SÓC RÃNH SÂU KHI TÍNH ĐẾN HIỆU ỨNG MẶT NGOÀI TRONG THANH DẪN RÔTO 59

3.1 Xây dựng module tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng tần số đến các điện trở và điện kháng của rôto lồng sóc rãnh sâu 59

3.1.1 Sự thay đổi các tham số do hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện 59

3.1.2 Phương pháp tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng tần số trong thanh dẫn rôto 63

3.2 Mô phỏng và khảo sát đặc tính động của động cơ không đồng bộ khi tổng trở của rôto thay đổi trong quá trình làm việc 69

3.2.1 Công nghê xây dựng S-Funtion trong SIMULINK 69

3.2.2 Mô hình toán học 72

3.2.3 Xây dựng mô hình DKB trong Simulink sử dụng hàm S-function đã lập trình cho DKB 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC 85

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Lá thép kĩ thuật điện 1

Hình 1.2 Dây quấn stator 2

Hình 1.3 Stator của máy điện không đồng bộ 2

Hình 1.4 Lá thép rôto kĩ thuật điện không đồng bộ 3

Hình 1.5 Rôto (a) và sơ đồ mạch điện (b) của rôto dây quấn 3

Hình 1.6 Dây quấn rôto lồng sóc (a) và rôto lồng sóc rãnh chéo (b) 4

Hình 1.7 Đồ thị véc tơ của máy điện điện không đồng bộ khi ngắn mạch 10

Hình 1.8 Mạch điện thay thế của máy không đồng bộ khi rôto đứng yên 10

Hình 1.9 Giản đồ thay thế hình T 14

Hình 1.10 Giản đồ năng lượng của động cơ điện 15

Hình 1.11 Giản đồ năng lượng của máy phát điện không đồng bộ 17

Hình 1.12 Đồ thị vec tơ của máy điện không đồng bộ 17

Hình 1.13 Đồ thị vectơ và giản đồ năng lượng của máy điện không đồng bộ ở chế độ hãm điện từ 18

Hình 2.1 Dạng rãnh rôto loại thường 33

Hình 2.2 Kích thước rãnh và cách điện 37

Hình 2.3 Kích thước rãnh rôto và vòng ngắn mạch 40

Hình 2.4 Đồ thị biểu thị đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc 53 Hình 3.1 kích thước rãnh rôto dung để xác định chiều sâu qui đổi hx, hr 61

Hình 3.2 Đường cong,' f ( ) 61

Hình 3.3 Sơ đồ thay thế cuộn dây của rôto khi chia nhiều lớp 63

Hình 3.4 Bố trí không gian tổng quát 72

Hình 3.5 Mô hình hệ thống được xây dựng 78

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Trị số KD 27

Bảng 2.2 Hiệu suất và cosϕ dãy động cơ điện không đồng bộ 3K 28

Bảng 2.3 Xác định bước răng stato 31

Bảng 2.4 Số liệu đặc tính làm việc 52

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài:

Trong các loại động cơ thì động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản nhất, đặc biệt

là động cơ rôto lồng sóc Do đơn giản nên giá rẻ, làm việc tin cậy, thao tác vận hànhthuận tiện Ngày nay, với sự phát triển của các bộ biến tần nên việc điều khiển Động

cơ không đồng bộ được thực hiện dễ ràng Do những nguyên nhân đó động cơ khôngđồng bộ được sử dụng rộng rãi

Động cơ không đồng bộ bao gồm động cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc Cácđộng cơ không đồng bộ rôto dây quấn hoặc rôto lồng sóc đơn giản không được sửdụng rộng rãi vì mô men mở máy nhỏ và dòng điện mở máy lại lớn Ngoài ra đối vớiloại rôto dây quấn phải có vành trượt, cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có điện trở mởmáy nên làm việc kém đảm bảo, điều khiển mở máy phức tạp Trên thực tế ngưởi ta sửdụng rộng rãi động cơ rôto lồng sóc rãnh kép hoặc rãnh sâu để cải thiện đặc tính mởmáy Khi thiết kế tính toán động cơ không đồng bộ, việc khảo sát tính toán các đặctính của động cơ thường được nghiên cứu bằng phương pháp giải tích, tính toán cácđặc tính của động cơ dự trên sơ đồ thay thế, khảo sát đặt tính theo độ trượt Trong quátrình tính toán ta coi điện kháng tản của stato và rôto, từ hóa không phụ thuộc vào bãohòa của lõi thép, còn tổn thất do từ thông tản và các sóng điều hòa bậc cao bằngkhông, bỏ qua sự phụ thuộc của tổng trở rôto vào hệ số trượt Thực chất các thông sốcủa động cơ sẽ thay đổi do hiện tượng bão hòa mạch từ, hiệu ứng tần số trong rôto.Với sự phát triển của công nghệ thông tin, chúng ta có thể vận dụng để tính toán vàkhảo sát các đặc tính động của động cơ có tính đến sự thay đổi của các tham số động

cơ theo thời gian, nhờ đó chúng ta có thể tính toán được các chỉ tiêu động của động cơngay ở bước thiết kế Chính vì vậy em xin chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế động cơkhông đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc rãnh sâu có đến tính đến hiệu ứng mặt ngoài trongthanh dẫn rôto”

2 Mục đích của Đề tài:

Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc rãnh sâu nhằm cải thiện đặc tính khởiđộng, xây dựng module tính toán và mô hình khảo sát đặc tính động của động cơ khitham số của động cơ thay đổi trong quá trình làm việc, từ đó có thể tìm được các chỉtiêu động của động cơ ngay trong quá trình thiết kế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc rãnh sâu

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế, lập trình giải quyết bài toán trên máy tính, môphỏng và thực nghiệm trên mô hình mô phỏng để khảo sát đặc tính động của động cơkhông đồng bộ

5 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 3 chương, 4 bảng và 22 hình được trình bày trong 82 trang với các nội dung đại cương về máy điện, thiết kế máy điện không đồng bộ Xây dựng module tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng tần số đến các điện trở và điện kháng của rôto lồng sóc rãnh sâu Mô phỏng và khảo sát đặc tính động của ĐCKĐB khi tổng trở của rôto thay đổi trong quá trình làm việc và kết luận của luận văn

CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 Kết cấu, các đại lượng định mức và công dụng

990 mm) các lá thép được dập thành hình rẻ quạt (hình b)

Các lá thép ghép lại với nhau rồi ép chặt tạo thành hình trụ rỗng, bên trong hình thànhcác rãnh để đặt dây quấn như ở hình c Nếu lõi thép dài quá thì các lá thép được ghépthành từng thếp dày 6 ÷ 8 cm, các thếp đặt cách nhau 1 cm để tạo đường thông gióhướng tâm

Hình 1.2 Dây quấn stator

1.1.3 Vỏ máy: gồm thân máy, nắp máy và chân đế.

- Vỏ dùng để cố định lõi thép và dây quấn, đồng thời bảo vệ an toàn cho người khỏi chạm vào dây quấn (hình vẽ)

- Vỏ không làm nhiệm vụ dẫn từ, thường đúc bằng gang Vơi các máy công suất tươngđối lớn (1000 kw) thường dùng thép tấm cuốn lại và hàn thành vỏ

1 2

4

Hình 1.3 Stator của máy điện không đồng bộ

1 Mạch từ; 2 Vỏ máy; 3 Dây quấn

+ Phần quay (rôto): Phần quay gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn

1.1.4 Lõi thép.

- Lõi thép rôto được làm bằng các lá thép kĩ thuật điện, dập như hình a

- Các lá thép sau khi ghép lại thành khối hình trụ mặt ngoài hình thành các rãnh để đặtdây quấn rôto, ở giữa có lỗ để ghép trục.Trên thực tế, tổn hao sắt ở lõi thép rôto khi

máy làm việc là rất nhỏ nên không cần dùng thép kĩ thuật điện Nhưng để lợi dụngphần thép kĩ thuật điện sau khi dập lõi sắt stato, người ta dùng để ép lõi thép rôto luôn(hình b)

Hình 1.4 Lá thép rôto kĩ thuật điện không đồng bộ

1.1.5 Dây quấn rôto:

- Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ chia thành hai loại: loại rôto kiểu dâyquấn và loại rôto kiểu lồng sóc Loại rôto kiểu dây quấn: Dây quấn được đặt trongrãnh của lõi thép rôto Dây quấn 3pha của rôto thường đấu hình sao (Y), ba đầu còn lạiđược nối với ba vòng trượt làm bằng đồng cố định ở đầu trục (hình a), tì lên ba vòngtrượt là ba chổi than (hình b).Thông qua chổi than có thể ghép thêm điện trở phụ hayđưa sức điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện đặc tính mở máy, điều chỉnh tốc độhoặc cải thiện cos Khi làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch

Vòng trượt

Hình 1.5 Rôto (a) và sơ đồ mạch điện (b) của rôto dây quấn

- Loại rôto lồng sóc (còn gọi là rôto ngắn mạch)

b)

Hình 1.6 Dây quấn rôto lồng sóc (a) và rôto lồng sóc rãnh chéo (b)

- Trong mỗi rãnh của lõi thép rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm, haiđầu dài ra khỏi lõi thép Các thanh dẫn được nối tắt lại với nhau ở hai đầu bằng haivòng ngắn mạch cũng bằng đồng hoặc nhôm tạo thành một cái lồng (gọi là lồng sóc)như ở hình a

- Để cải thiện tính năng mở máy, trong các máy có công suất tương đối lớn rãnh rôtothường làm rãnh sâu hoặc lồng sóc kép (2 rãnh lồng sóc) Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnhrôto thường làm chéo đi một góc so với tâm trục để cải thiện dạng sóng s.đ.đ (hình b)

Ở phần quay còn có các bộ phận khác như trục máy, cánh quạt làm mát (với máy cỡnhỏ) Khe hở: Giữa rôto và stato có khe hở rất đều Khe hở trong máy điện khôngđồng bộ rất nhỏ (khoảng 0,2 ÷ 1,0 mm) để hạn chế dòng từ hoá lấy từ lưới vào, làmcho cos của máy cao hơn

- Dòng điện dây định mức: Iđm (A).Đây là dòng điện của cuộn dây stato lấy từ nguồnkhi điện áp đặt vào động cơ là định mức và trục động cơ kéo phụ tải định mức.Trênnhãn động cơ thường ghi hai trị số dòng điện ứng với hai cách đấu dây

- Tốc độ quay định mức nđm (vòng/phút) Đây là tốc độ quay của động cơ khi điện ápđặt vào động cơ là định mức và mômen cản trên trục động cơ là định mức

- Tần số nguồn định mức fđm (Hz)

- Hiệu suất định mức ηđm là tỉ số giữa công suất cơ trên trục và công suất điện màđộng cơ tiêu thụ khi tải định mức

- Hệ số công suất định mức cosđm

- Từ các số liệu định mức trên nhãn máy, có thể tìm được các trị số quan trọng khácnhư công suất điện định mức mà động cơ tiêu thụ từ lưới P1đm, mômen quay định mức

ở đầu trục động cơ Mđm

* Công dụng: Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làmđộng cơ điện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nênđộng cơ không đồng bộ là loại máy được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tếquốc dân Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn độnglực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ Trong hầm mỏdùng làm máy tời hay quạt gió Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy giacông nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày máy điện không đồng bộ cũng dầndần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, động cơ tủ lạnh Tóm lại phạm vi ứng dụngcủa máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi Tuy vậy máy điện không đồng bộ cónhững nhược điểm sau: cosj của máy thường không cao lắm, đặc tính điều chỉnh tốc

độ không tốt nên ứng dụng của nó có phần bị hạn chế

1.2 Quan hệ điện từ trong máy điện không đồng bộ

Ta có thể coi máy điện không đồng bộ như một máy biến áp mà dây quấn stator là dâyquấn sơ cấp, dây quấn rotor là dây quấn thứ cấp, sự liên hệ giữa sơ và thứ thông qua từtrường quay (ở máy biến áp là từ trường xoay chiều) Do đó có thể dùng cách phântích kiểu máy biến áp để thiết lập các phương trình cơ bản, mạch điện thay thế, đồ thị

vectơ Ta chỉ xét đến tác dụng của sóng cơ bản không xét đến tác dụng của sóng bậccao vì ảnh hưởng của chúng là thứ yếu.

1.2.1 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto đứng yên

Mục đích của chúng ta là chứng minh rằng khi rôto đứng yên máy điện không đồng bộđược xem như máy biến áp chỉ khác về phần cấu tạo Còn về phần bản chất vật lý đềunhư nhau Để nghiên cứu một cách hợp lý ta bắt đầu nghiên cứu từ những trạng tháilàm việc giới hạn của máy: không tải, ngắn mạch để phần sau mở rộng khái niệm máyđiện không đồng bộ cũng như máy biến áp ngay cả ở trường hợp với rôto quay

+ Không tải của máy điện không đồng bộ khi n = 0 (Rôto đứng yên)

Ta giả thuyết của máy điện không đồng bộ hở mạch và đứng yên stator được

đặt vào lưới điện có điện áp U1, tần số f1 Trong trường hợp này máy điện khôngđồng bộ được xem như máy biến áp lúc không tải Dưới tác dụng của điện áp U1 trongstator có dòng điện không tải I0, I0  F1   , một phần của  là  m móc vòng vớihai dây quấn của máy, còn phần kia 1 chỉ móc vòng với dây quấn stator Nếu máy

có p đôi cực thì tốc độ n1 của f1 và  m là n1 = 60f1/p.Từ thông  m sinh ra ở dây quấn stator và rôto rotor hai sức điện động E1 và E2 xác định theo công thức:

U1 = - E1 + l0 Z1

E 2.  f1.w1.kdq.1.m

2  f1.w2 .kdq.2 .m

Đồ thị không tải của máy điện không đồng bộ tương ứng về nguyên tắc với những đồthị không tải của máy biến áp Nhưng trong quan hệ về lượng giữa hai đồ thị có một sựkhác nhau rõ rệt:

Trong máy điện không đồng

Trong máy biến áp: l

0 = (3 10) lđmĐiện áp rơi trên dây quấn máy điện không đồng bộ khi không tải chiếm (2  5)%Uđm còn của máy biến áp thường không quá (0,1  0,4)% Uđm Hệ số biến đổi sứcđiện động của máy điện không đồng bộ:

áp ta bỏ qua pcu1 lúc không tải

+ Ngắn mạch của máy điện không đồng bộ khi n = 0:

Nếu chúng ta dịch chuyển điểm tiếp xúc động của biến trở trong mạch rôto từ vị trí 1

bản chất vật lý ngắn mạch như vậy tương tự ngắn mạch của máy biến áp Đặt một điện

Dùng các hệ số biến đổi sức điện động và dòng điện chúng ta có thể xác định đượcđiện trở và điện kháng qui đổi r/2 và x2/ của rôto.

Ở đây k = ke.ki là hệ số qui đổi của điện trở.

Khi qui đổi điện kháng đến x2 ta xuất phát từ góc y2 giữa E2 và I2 không phụ thuộcvào sự qui đổi:

Với E2/ = E1 và I2/ = -I1 (vì F0 nhỏ = 0)

Giải 2 phương trình đầu ta có:

2 r

 U1

Z

U1 1 2

Trong đó : Zn = rn+jxn; rn = r1 + r2/; xn = x1 + x2/

1.2.2 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto quay

Trong trường hợp này nó được xem như một máy biến áp tổng hợp nghĩa là ở đâykhông chỉ có biến đổi điện áp dòng điện và số pha mà còn có cả tần số và các dạng năng lượng Tóm lại viết phương trình sức điện động của máy điện không đồng bộ vàgiải theo dòng điện, chúng ta có thể có được về nguyên tắc, những giản đồ đẳng trị như đối với máy biến áp

Đồ thị véc tơ và mạch điện thay thế

U1   E1  I1 (r  jx1 )

 m quay với tốc độ:  60 f1

2s 2s 2s 1 2s

+ Tần số sức điện động cảm ứng trong dây quấn rôto:

Khi quay rôto với tốc độ n trong từ trường quay có tốc độ n1 (và cùng chiều) thì tốc độquay tương đối của  m với rôto có tốc độ n2 = n1 - n và tần số dòng điện trong rôtolà: f

Thường động cơ không đồng bộ khi tải định mức thì sđm = 0,02 - 0,05 nên suy ra tần

số trên rôto thấp và tổn hao ít

+ Sức điện động của rôto: Theo biểu thức chung thì

E2s = 4,44.f2.w2.kdq2 = 4,44.f1.s.w2.kdq2. = s.E2

Qui đổi về stator: E/2s = s.E2/

Nghĩa là với từ thông chính đã cho  m thì sức điện động cảm ứng trong rôto khi quaybằng sức điện động E2 khi rôto đứng yên nhân thêm với hệ số trượt

Ví dụ: khi n = 0 và rôto hở mạch ta có ở các vành trượt U2 = E2 = 600v, thì khi

vừa nâng cao dần tốc độ quay của rôto theo chiều từ trường quay n = 0  n = n1 thì

ta có sự biến thiên bậc nhất của E từ E =600vE với n > n thì

E bắt đầu tăng và có

trị số âm nghĩa là biến đổi gốc pha của mình so với lúc đầu 1800

+ Điện trở của dây quấn rôto:

Giả sử rôto khép kín mạch qua một điện trở phụ nào đó muốn vậy chúng ta dịch điểmtiếp xúc của biến trở về vị trí 3 Vậy điện trở của rôto là: R2 = r2 + rf

r2: điện trở tác dụng của rôto;

rf: điện trở phụ.

2 2

2

r 2  x2.s222

Qui đổi: R/2 = r2/+ r/f

+ Điện kháng của rôto:

Điện kháng tản của phần quay đứng

+ Phương trình sức điện động và dòng điện của rôto

Nếu mạch của rôto kín thì trong đó sẽ có I2 chạy và I2 sẽ tạo nên và đi qua r2, tương ứng với sẽ có sức điện động E2s =E2.s tạo nên bởi  m và sức điện động tản

E 2   j.2 .x2 .s   j.2 .x2 .s

Theo định luật kirkhoff

2: E 2s  E 2  E 2s  j.2.x 2s  2.r2

có một ý nghĩa vật lý mới: Ở mạch thứ cấp bây giờ thay cho sức điện

động khi rôto quay E2s với f2 = s.f1 sẽ là sức điện động E2 khi rôto đứng yên với tần

số f1 Điện kháng khi rôto quay x2.s ở mạch thứ cấp sẽ là điện kháng khi rôto đứngyên x2 Muốn trong mạch thứ cấp vẫn chỉ có dòng điện dòng điện I2 có cùng trị số vàpha đối với

I chỉ cần thiết thay r thực bằng 1 điện trở mới bằng: r2 

+ Tốc độ quay của s.t.đ rôto: Trong dây quấn rôto, I2 tạo nên F2 quay so với rôto tốc

độ n2 tương ứng với tần số f2.Ngoài ra, bản thân rôto quay với tốc độ n Do đó, F2quay tương đối so với stator tốc độ n2+n

tương đối với F1 một góc để F0 đủ tạo nên  m, theo điều kiện cân bằng st.đ:

F  F  F  I  I/  I

Tóm lại, hệ phương trình cơ bản lúc rôto quay là:

1

/

+ Mạch điện thay thế của máy điện không đồng bộ:

Dựa vào hệ phương trình (ta có thể lập được mạch điện thay thế hình T cho máy điệnkhông đồng bộ với:

r /1  s : đặc trưng cho sự thể hiện P

s trên trục: ( P  m I / 2r / 1  s  ).

 s 

Khác với máy biến áp chỉ có sự biến đổi điện năng ở điện áp này qua điện năng ở điện

áp khác, động cơ không đồng bộ là một máy điện biến đổi điện năng ra cơ năng Khigiảm phụ tải điện áp ở các cực thường không thay đổi, còn khi phụ tải biến đổi thì từthông hỗ cảm và sức điện động tương ứng với nó E1  E/

2

ở các đầu cực của mạch từ

hóa hình T cũng biến đổi dưới ảnh hưởng của điện áp rơi I1z1 ở mạch sơ cấp Vớinhững lý do trên, ta thấy rằng mạch điện thay thế hình T đôi khi không tiện lợi choviệc nghiên cứu các quá trình công tác của máy điện không đồng bộ Tiện lợi hơn làgiản đồ thay thế hình T trong đó mạch từ hóa được đưa ra các đầu cực sơ cấp và vớimọi sự biến thiên của phụ tải, nghĩa là khi hệ số trượt s thay đổi thì dòng điện vẫnkhông đổi và bằng dòng điện không tải lý tưởng Io khi s = 0

1 X 1 

1 r 1 2 X' 2 2 r' 2 / s

11 2 ' 2

E

Hình 1.9 Giản đồ thay thế hình T

z  

x

1: hệ số hiệu chỉnh (hệ số sửa chữa biến đổi)

Tỷ số của dòng điện ở mạch chính của hình T và T là:

Máy điện làm việc ở chế độ động cơ điện (0 < s < 1):

+ Giản đồ năng lượng:

Động cơ điện lấy công suất tác dụng từ lưới vào: một phần biến thành tổn hao đồngcủa dây quấn stator: p  m l

Tổn hao đồng trong rôto: p  m l /

2r / còn lại chuyển thành công suất cơ ở trục độngcơ:

cu P

Hình 1.10 Giản đồ năng lượng của động cơ điện

- Khi máy quay có tổn hao cơ và tổn hao phụ pcơ và pf: P2  P cô  p cô  P f

Như vậy, tổng tổn hao

là:  p p Cu1  p Fe  p Cu2  p cô  p1

- Từ đó, ta vẽ được giản đồ năng lượng:

+ Đồ thị vectơ: Giống như máy biến áp, đồ thị vectơ của máy điện không đồng bộ

được lập tương ứng với giản đồ thay thế hình T Các đồ thị được vẽ cho 1 pha của mpha với dạng rôto quy đổi về stator m tạo

E /

bằng với điện áp trên các

cực của mạch từ hóa sắt stator

1

s

+ Giản đồ năng lượng: Công suất cơ P1 đưa vào trục, trừ đi tổn hao cơ pcơ, tổn hao

phụ pf Ta có công suất hiệu dụng Pcơ Công suất cơ trừ đi pCu2 ta có Pđt Pđt trừ đitổn hao sắt pFe và pCu1 ta có công suất điện phát ra P2

 0r   ' 2

 jX' 2 ' 2

Hình 1.12 Đồ thị vec tơ của máy điện không đồng bộ

Đồ thị véc tơ và giản đồ năng lượng của máy điện không đồng bộ ở chế độ hãm điện từ.

Hình 1.13 Đồ thị vectơ và giản đồ năng lượng của máy điện không đồng bộ ở chế độ

lấy từ ngoài vào đều biến thành tổn hao đồng trên mạch rôto:

1.4 Các đặc tính của máy điện không đồng bộ

1.4.1 Các đặc tính làm việc của động cơ điện không đồng bộ

Các đặc tính làm việc của động cơ điện không đồng bộ gồm n, M, h và

với U1 = const, f1 = const Đặc tính tốc độ n = f (P2)

Khi không tải lí tưởng pcu2= 0 Khi phụ tải tăng MC= Mđm do hiệu suất  của động

Đặc tính moment M = f (P2) Ta đã biết ở tình trạng làm việc ổn định

M = M2 + M0 khi Mc = 0 ÷ Mđm thì coi như n = const ( s biến đổi trong giới hạn bé)nên M = f(P2) coi như một đường thẳng (M

1.4.3 Tổn hao và đặc tính hiệu suất của động cơ h = f (P2).

Khi máy làm việc có các tổn hao: Tổn hao đồng trong stator và rotor pcu1 và pCu2, tổnhao sắt pFe, tổn hao cơ pCơ, tổn hao phụ pf, 4 loại tổn hao đầu đã có công thức xácđịnh (pCu1= m1I12r1, pFe = m1 I02rm,pcu2 = m1I2'2r'2 pcơ= Pcơ- P2 - pf ) còn tổn haophụ bao gồm tổn hao phụ trong đồng và sắt Cách tính rất phức tạp nên thường lấy là

pf = 0,5%P1.Thường thiết kế  max vào khoảng

(0,5 ÷ 0,75) P2.Hiệu suất của máy:

1.4.4 Đặc tính hệ số công suất cosφ = f (P2)

Động cơ không đồng bộ lấy công suất kích từ lưới vào nên hệ số công suất luôn luônkhác 1 và cosφ <1.Khi không tải

cos2  0.2 rồi sau đó tăng tương đối nhanh theo phụtải và

đạt cos max kh i

2

 = arc tg s.x

/

/ 2

tăng và cos2 và cos2 giảm

1.4.5 Năng lực quá tải

Năng lực quá

tải k  M M M đmmax

Khi làm việc bình thường M ≤ Mđm nhưng trong một thời gian ngắn, máy có thể tảilớn hơn (quá tải) mà không bị hư hỏng gì thì được gọi là năng lực quá tải của máy.Thường các động cơ công suất bé và trung bình có kM = 1,6 ÷ 1,8 Động cơ công suấttrung bình và lớn hơn có kM = 1,8 ÷ 2,5 Động cơ đặc biệt kM = 2,8 ÷ 3 và hơn nữa

1.5 Hiệu ứng mặt ngoài ở thanh dẫn rôto lòng sóc

Tất cả các động cơ không đồng bộ phải tự mở máy được, tức là tự lấy đà được từ trạngthái đứng yên, tốc độ gần đồng bộ, sau khi thắng momen cản của tải Yêu cầu đó đốivới đặc tính mở máy của các kiểu động cơ lúc mở máy mà thôi Đối với động cơkhông đồng bộ rôto lồng sóc, ta cần tính toán kỹ để động cơ bảo đảm yêu cầu khi mởmáy và chú ý hai điểm:

- Thứ nhất, khi mở máy thì hệ số trượt s=1 (rôto đứng yên) nên bị ảnh hưởng của hiệuứng mặt ngoài xảy ra ở thanh dẫn rôto, dòng điện trong các dây quấn lúc mở máy tănglên rất nhiều so với bình thường nên mạch từ sẽ bão hòa mạch

- Thứ hai, khi dòng mở máy lớn mà các momen điện từ không lớn sẽ làm cho quá trình

mở máy kéo dài, nhiệt độ dây quấn có thể vượt quá giới hạn cho phép Việc tính chínhxác đối với hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài và bảo hòa rất phức tạp cho việc xác địnhđặc tính khởi động, do đó thường chỉ tính đặc tính mở máy lúc khởi động (s=1) Và chỉdùng phương pháp tính gần đúng

r