tài liệu  lớp 14ddc02

vôùi w 2 vaø k dq2 laàn löôït laø soá voøng daây vaø heä soá daây quaán roâto.. Tính doøng ñieän ñònh möùc, coâng suaát taùc duïng, coâng suaát phaûn khaùng, toác ñoä quay, moâ men ñi[r]

BÀI 3: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BÔ

1 KHÁI NIỆM CHUNG

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ rôto n khác với tốc độ từ trường n1

- Phân loại theo kết cấu vo: kiểu hở, kiểu kín, kiểu bảo vệ.

Máy điện có tính thuận nghịch: động cơ hoặc máy phát

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo đơn giản, giá thành rẽ, vận hành tin cậy, nên được dùng rộng rãi

Phân loại: gồm các kiểu sau đây

- Phân loại theo kết cấu rôto: rôto lồng sóc và rôto dây quấn.

- Phân loại theo số pha: một pha, hai pha, ba pha.

Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt so với máy phát điện đồng bộ nên ít khi sử dụng

Hình 3.1 Đợng cơ khơng đờng bợ

Các thơng sớ định mức:

- Công suất cơ định mức Pđm(kW)

- Cách đấu dây (Y hay )…

- Công suất định mức động cơ điện tiêu thụ là:

- Mô men cơ định mức đưa ra đầu trục là:

v i ơ

đm đm

đm đm

đm đm

1 P

) m N (

2 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BÔ

Gồm có: stato (phần tĩnh), rôto (phần

quay), và khe hở không khí

Stato:

Hình 2.4

Lõi thép: dẫn từ

Dây quấn: dẫn điện Vỏ máy

Rôto:

Lõi thép: dẫn từ

Dây quấn: rôto dây quấn và rôto lồng sóc Trục máy

- Rôto lồng sóc

- Rôto dây quấn

3 TỪ TRƯỜNG QUAY CỦA MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỜNG BƠ

1 Sự tạo thành từ trường quay

- Dòng điện xoay chiều ba pha

Thời điểm pha t=90 0 :

Thời điểm pha t=90 0 +120 0:

Thời điểm pha t=90 0 +240 0:

Trục của tường trường tổng trùng với trục dây quấn pha A có dòng điện cực đại

Từ trường tổng lệch đi 120 0 so với thời điểm trước và trùng với trục dây quấn pha B

có dòng điện cực đại

Từ trường tổng lệch đi 240 0 so với thời điểm ban đầu và trùng với trục dây quấn pha C

có dòng điện cực đại

Vậy từ trường tổng của dòng điện 3 pha là từ trường quay

t sin I

)120t

2 Đặc điểm từ trường quay

 Tốc độ từ trường quay

(vòng/phút)

 Chiều quay của từ trường

Chiều quay của từ trường phụ

thuộc vào thứ tự các pha của

dòng điện  muốn đổi chiều

quay từ trường ta thay đổi thứ

tự hai pha với nhau

 Biên độ của từ trường

Vậy từ thông tổng của từ trường quay xuyên qua dây quấn biến thiên hình sin và có biên

độ bằng 3/2 từ thông cực đại của một pha

p

f 60

n1 

t sin I

iA  m 

t sin

m



t sin 2

4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỜNG BƠ

Khi đưa dòng điện ba pha vào đợng cơ, sẽ tạo ra từ trường quay, làm cảm ứng trên dây quấn rơto sức điện đợng, vì dây quấn rơto nới ngắn mạch sẽ sinh ra dòng điện

trong các thanh dẫn Lực tương tác của từ trường lên các thanh dẫn sẽ sinh ra lực điện từ làm quay rơto.

1 Động cơ điện

Tốc độ trượt: n2 = n1 – n

Hệ số trượt:

Khi rôto đứng yên n=0  s=1, khi rôto quay định mức s=0,020,06

Tốc độ động cơ là:

1

1 1

2

n

n

nn

n

s   

)s1

(p

f60)

s1(n

2 Máy phát điện

Stato vẫn được nối với lưới điện, còn trục rôto không nối với tải mà nối với động cơ

sơ cấp Động cơ sơ cấp kéo rôto quay cùng chiều với n1 và n > n1 Lúc này chiều dòng điện ngược chiều với chế độ động cơ và lực điện từ đổi chiều  sinh ra mômen hãm cân bằng với mômen quay của động cơ sơ cấp  máy phát điện

Hệ số trượt là:

Máy phát điện nhận công suất phản kháng Q từ lưới điện  tạo ra từ trường quay Nhờ từ trường quay cơ năng đưa vào rôto máy phát được biến thành điện năng ở stato Máy phát nhận Q  cos của lươi thấp và khi làm việc riêng lẻ thì phải dùng tụ điện nối ở đầu cực để kích thích cho máy  ít được sử dụng

0n

nn

5 MƠ HÌNH TOÁN CỦA ĐƠNG CƠ ĐIỆN KHƠNG ĐỜNG BƠ

a) Phương trình sức điện đợng dây quấn stato:

(5.1)

trong đó: là tổng trở dây quấn stato

là điện trở dây quấn stato

điện kháng tản dây quấn stato đặc trưng cho từ thông tản statolà sức điện động pha stato do từ trường quay sinh ra

(5.2)

w1 là số vòng dây của một pha stato

Kdq1 là hệ số dây quấn của một pha stato

là biên độ của từ trường một pha

b Phương trình sức điện động dây quấn rôto

Tần số của sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto là:

(5.3)

1 1

1

U   1

m 1 dq 1

spn60

pn

Sức điện động pha dây quấn rôto lúc quay là:

(5.4)với w2 và kdq2 lần lượt là số vòng dây và hệ số dây quấn rôto

Khi rôto đứng yên s =1  f2 = f thì sức điện động pha dây quấn rôto lúc đứng yên là:

Từ (5.2) và (5.5) suy ra tỉ số sức điện động pha stato và rôto là:

: hệ số qui đổi sđđ rôto (5.8)

m dq m

dq

E2 4,44 2 2 2 4,44 2 2

m dq

k fw

E2  4 , 44 2 2

2 s

E 

2 2

2 2

X s     

2 dq 2

1 dq 1

E

Phương trình sức điện động dây quấn rôto là:

Dòng điện rôto có tần số f2 =sf và có trị hiệu dụng là:

(5.10)

c) Phương trình sức điện đợng dây quấn stato:

Vì điện áp đưa vào động cơ U1 không đổi  sức động động E1 không đổi  từ thông

m gần như không đổi trong chế không tải và có tải  phương trình cân bằng sức từ động của động cơ là:

(5.11)với: m1, m2 là số pha dây quấn stato và rôto

là dòng điện stato lúc không tảilà dòng điện stato và rôto lúc có tải

) jX R

( I

E2s  2 2  2s

) jsX R

( I E s

0   2 2 2  2

2 2

2 2

2 2

) sX ( R

sE I





0 1 dq 1 1 2

2 dq 2 2 1

1 dq 1

0I

1

I I2

Chia hai vế (5.9) cho m1w1kdq1 ta được:

dòng điện rôto qui đổi về stato

ki = : hệ số qui đổi dòng điện rôto về stato

Ví dụ 1: Một động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto dây quấn, số vòng dây pha stato

W1 = 100, rôto W2 = 80 Hệ số dây quấn stato kdq1=0,95, rôto kdq2=0,96.Tần số dòng điện bên stato f=50Hz, từ thông dưới mỗi cực từ max=0,02Wb, tốc độ từ trường quay n1= 1000vòng/phút Tính,

•a) Sức điện động pha cảm ứng trong dây quấn stato và rôto lúc quay với tốc độ 950vòng/phút và lúc bị ghìm đứng yên

•b) Tần số dòng điện bên rôto trong hai trường hợp trên

•c) Biết điện trở dây quấn rôto R2=0,05 và điện kháng dây quấn rôto X2=0,1 Tính dòng điện bên rôto trong hai trường hợp trên

0

2 dq 2 2

1 dq 1 1

2

k w m

k w m

I

2 0

1 dq 1 1kwm

kwm

a) Lúc rôto đứng yên, sức điện động cảm ứng:

E1 = 4,44fW1kdq1max = 4,44.50.100.0,95.0,02= 422V

E2 = 4,44fW2kdq2max = 4,44.50.80.0,96.0,02= 341V

Lúc rôto quay với tốc độ n=950vòng/phút, hệ số trượt:

Sức điện động cảm ứng stato E1 = 422V

Sức điện động rôto lúc quay: E2s = sE2 = 0,05.341 =17V

b) Tần số dòng điện bên rôto lúc đứng yên: f2 = f1 = 50Hz

Tần số dòng điện bên rôto lúc quay: f2 = s.f1 = 0,05.50=2,5Hz

c) Dòng điện rôto lúc không quay:

Dòng điện rôto lúc quay:

So sánh I2 trong hai trường hợp ta thấy, lúc rôto bị giữ chặt không quay dòng điện rôto tăng lên rất nhiều

05

0 1000

R

E

1 0 05

0

341

2 2

2 2

2 2

A X

s R

E

1 0 05 0 05

0

17

2 2

2 2

2 2

) (

6 SƠ ĐỒ THAY THẾ ĐÔNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BÔ

(6.2)(6.3)

Nhân (6.4) với ke, nhân và chia với ki ta được:

(6.5)với ke, ki lần lượt là hệ số qui đổi sđđ và dòng điện rôto về stato

là sđđ động pha rôto qui đổi về statolà dòng điện rôto qui đổi về stato

là điện trở dây quấn rôto qui đổi về statolà điện kháng dây quấn rôto qui đổi về statolà hệ số qui đổi tổng trở

1 1

1 1

1 I ( R jX ) E

) jsX R

( I E s

0   2 2 2  2

2 0

R(IE

2 R k k

R  

i e 2

Sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ

Giống như mba –E1 và là điện áp rơi trên tổng trở nhánh từ hóa

js

R(IE

( I ) jX R

( I

U 1 1 1  1  0 m  m

) X j s

R ( I ) jX R

( I

2 m

m

2 0

trong đó: là điện trở ngắn mạch

là điện kháng ngắn mạch

Sơ đồ thay thế mới

với

Đặc trưng cho công suất cơ Pcơ của động cơ

m 1

m 1

2 1

s

)s1(

R2 

7 GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG VÀ HIỆU SUẤT CỦA ĐÔNG CƠ ĐIỆN

s

R I s

R I

P ñt 3 2'2 2' 3 22 2

- Công suất cơ trên trục là:

với

- Công suất cơ hữu ích trên trục động cơ là:

(7.3)

(7.4)

trong đó: = tổn hao cơ do ma sát ổ trục, quạt gió

= tổn hao phụ

= tổn hao đồng dây quấn stato

= tổn hao lõi thép stato do dòng điện xoáy và từ trễ

= tổn hao đồng dây quấn rôto

với

2 1 1

I s

s R

I m P

P

2

2 2

' 2

2 ' 2 2 2

2 2 2

2 ' 2

' 2

2 3.R I 3.R I



f Cô

%100

2

2 1

P P

P

P P Cu1 P Fe P Cu2  P Cô  P f P0 k t2P n

= tổn hao không tải

= tổn hao đồng

= hệ số tải

2 0

2

2

n

t P k P P

1

1



f Cô

Fe P P P

75 



ñm

Ví dụ 2: Một động cơ điện không đồng bộ ba pha Pđm = 7,5kW; Y/-380/220V; 50Hz; p=2,

hệ số công suất 85%, hiệu suất 90% Tổn hao thép 180W, tổn hao cơ và phụ 125W điện trở mỗi pha dây quấn stato là 0,5 Tính dòng điện định mức, công suất tác dụng, công suất phản kháng, tốc độ quay, mô men điện từ Biết động cơ nối vào lưới điện Uđm = 380V

Giải:

Công suất tác dụng động cơ tiêu thụ:

Dòng điện định mức của động cơ:

Công suất phản kháng động cơ tiêu thụ:

Tổn hao đồng dây quấn stato:

Công suất điện từ:

Tổn hao đồng dây quấn rôto:

Hệ số trượt định mức:

W

P

9 0

85 0 380

3

P

1đm

1 1đm



Var tg

P

Q1  1  8333.0,62 5164

W I

R

P Cu 3 2 3 05 152 337 5

1 1



W P

P P

P đt  1   Fe   Cu1 8333 180 337, 5 7815,5

W P

P P

P Cu2  đt   Cf  2  7815 , 5  125  7500  190 , 5



024

057815

5190

Tốc độ từ trường quay:

Tốc độ góc từ trường quay:

Tốc độ động cơ:

Mômen điện từ:

phút

vòng p

f

2

5060

60

s

rad p

8 MÔ MEN QUAY CỦA ĐÔNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BÔ

Ở chế độ động cơ điện, mô men điện từ là mô men quay

là công suất điện từ được tính là

Từ sơ đồ gần đúng ta được:

M

s

R I

P ñt 3 2'2 2'

ñt

P

2 ' 2 1

2

' 2 1

1 '

2

)X(X

)s

R(R

UI

)[(

/ 3

2 ' 2 1

2

' 2 1

' 2

2 1

X

X s

R R

s R U p M

là đặc tính cơ

điểm làm việc

* Các đặc điểm của mơmen quay:

- Mơmen tỉ lệ với bình phương điện áp

M

s

Điện áp tăng

s  1 

- Mômen có giá trị cực đại Max ứng với giá trị tới hạn Sth →

Khi thêm điện trở phụ

vào thì đường đặc tính

M=f(s) như sau:

Dùng để mở máy và

điều chỉnh tốc độ cho

động cơ rôto dây quấn

' 2 1

' 2 2

' 2 1

2 1

' 2

)

R X

X R

[ 2

.

3

2 ' 2 1

2 1 1

2 1 max

X X

R R

U p M

- Quan hệ giữa M, Max và Sth như sau:

(8.7): Biểu thức Klôx

- Thay s=1 vào (8.4) ta được mô men mở máy:

s M

M

th th



max

])(

)[(

3

2 ' 2 1

2 ' 2 1

' 2

2 1

X X

R R

R U p

U

( X  X )

7 1 1

max  

ñm

M M

Ví dụ 3: Cho động cơ không đồng bộ ba pha, Pđm=20kW, nđm= 1450 vòng/phút, cos =0,85, hiệu suất định mức  = 90%, Y/-380/220V, fđm=50Hz Cho biết các tỉ số Imm/Iđm=6,

Mmm/Mđm=1.4, Mmax/Mđm= 2, xác định:

a) Công suất tác dụng và công suất phản kháng động cơ tiêu thụ trong chế độ định mức

b) Dòng điện định mức, hệ số trượt, và mômen định mức

c) Dòng điện mở máy, mômen mở máy và mômen cực đại

Giải:

Công suất tác dụng động cơ tiêu thụ:

Công suất phản kháng động cơ tiêu thụ:

P

Q1  1   22 , 2 0 , 62  13 , 75

A U

P I

dm

85 , 0 380 3

10 2 , 22 cos

.

3

3 1



%3,

31500

14501500

M

N n

P P

1450

2

10 20

60

2

Dòng điện mở máy: Imm =6.Iđm = 6.39,72 = 238,2A

Mômen mở máy: Mmm = 1,4.Mđm = 1,4.131,78= 184,5N.m

Mômen cực đại: Mmax = 2.Mđm = 2.131,78 = 263,56 N.m

9 MỞ MÁY ĐƠNG CƠ ĐIỆN KHƠNG ĐỜNG BƠ

* Các yêu cầu khi mở máy:

- Mơmen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

- Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tớt

- Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn

- Tởn hao cơng suất trong quá trình mở máy càng nhỏ càng tớt

1 Mở máy đợng cơ lờng sóc

a) Mở máy trực tiếp: là đóng trực tiếp đợng cơ vào

lưới điện

* Ưu điểm: Mở máy nhanh, đơn giản

* Khuyết điểm: dòng điện mở máy lớn, làm giảm điện áp lưới, nếu quán tính máy lớn

thì thời gian mở máy lâu → cháy cầu chì bảo vệ

b) Hạ điện áp mở máy: giảm áp vào động cơ để giảm dòng mở máy → mômen mở

máy giảm đi nhiều → các biện pháp sau:

* Dùng điện kháng nối tiếp vào stato

Lúc mở máy thì D2 mở, D1 đóng Khi động cơ quay

ổn định thì đóng D2 ngắn mạch cuộn kháng

Có cuộn kháng, điện áp vào động cơ giảm đi K lần,

dòng điện giảm đi K lần, mômen giảm đi K2 lần

* Dùng máy biến áp tự ngẫu

Gọi K là tỉ số biến áp tự ngẫu

U1 là điện áp pha lưới

zn là tổng trở động cơ lúc mở máy

Điện áp đặt vào động cơ là: (9.1)

(9.2)Dòng điện chạy vào động cơ là:

So sánh (9.3) và (9.4) khi có biến áp tự ngẫu, dòng điện của lưới giảm đi K2 lần nhưng áp giảm đi k lần, M giảm đi k2 lần

* Phương pháp đổi nối Y-∆

Dùng cho những động cơ bình thường dây quấn stato nối tam giác

k

U

U ñc  1

n n

ñc

U Z

U I

U k

I I

2 1

n Z

3

So sánh (9.5) và (9.6) ta thấy:

dòng điện dây của lưới giảm đi 3 lần, M giảm đi 3 lần

(9.7)

2 Mở máy động cơ rôto dây quấn

Khi mở máy dây quấn rôto nối với biến trở mở máy Lúc đầu biến trở để lớn nhất, sau đó giảm dần về không

Dòng điện pha mở máy là:

(9.8)

(9.9)Mơmen mở máy cực đại khi:

* Ưu điểm: dòng điện mở máy giảm, mơmen mở máy tăng.

Ví dụ 4: Một động cơ điện không đồng bộ ba pha, rôto dây quấn, R1=0,45; X1=2,25;

kdq1=0,92; W1=190 vòng, R2=0,02; X2=0,08; kdq2=0,95; W2= 36 vòng Dây quấn stato đấu tam giác, mạng điện U=220V, f=50Hz, số pha m1=m2=3

Tính hệ số qui đổi sức điện động ke, hệ số qui đổi dòng điện ki, điện trở mở máy mắc vào mạch rôto để mômen mở máy cực đại Tính dòng điện stato và rôto khi có biến trở mở máy và khi mở máy trực tiếp

Giải

Hệ sớ qui đởi sức điện đợng:

Hệ sớ qui đởi dòng điện:

' '

1

595036

9201902

2

1

,

1

5950363

9201903

2 2 2

1 1

,

,

Hệ số qui đổi tổng trở:

Điện trở rôto qui đổi về stato:

Điện kháng rôto qui đổi về stato:

Để mômen mở máy cực đại:

Điện trở phụ chưa qui đổi:

Dòng điện mở máy khi có điện trở phụ ở rôto:

Dòng điện dây lúc mở máy (stato nối tam giác)

I2=ki.I1 = ki.Immp= 5,1.34,72= 177ADòng điện rôto lúc mở máy (rôto nối sao)

(1’)

26 1

5 1

'

1

f th

,

,

'

i e

f

f k k

R R

A X

X R

R R

U I

f

P

225271

3540450

220

2 2

2 2 1

2 2

1

,)

,()

,,

,()

()

Immd  3 mmp  3 34 , 72  60 , 14

Nếu khơng dùng điện trở phụ mà mở máy trực tiếp thì dòng điện mở máy:

So sánh (1’) và (2’) khi có điện trở phụ mắc vào rơto thì dòng điện mở máy giảm 1.45 lần

(2’)

Ví dụ 5: Một động cơ điện không đồng bộ ba pha có số liệu như ví dụ 3 điện

áp lưới điện U=380V tính tóan các phương pháp mở máy sau:

• a) Dùng biến áp tự ngẫu để giảm dòng điện mở máy 2,25 lần thì hệ số biến áp là bao nhiêu? Tính mômen cản tối đa để động cơ có thể mở máy được trong trường hợp này.

lúc mở máy để động cơ có thể mở máy được bằng phương pháp này.

A X

X R

0 45 0

220

2 2

2 2 1

2 2 1

, )

, ( ) , ,

( )

( )

I mmd  3 mmp  3.50,4187,32

Gọi kba là hệ số biến áp tự ngẫu kba=U1/U2 để dòng điện mở máy giảm đi 2,25 lần thì hệ số biến áp sẽ là

Dòng điện mở máy khi dùng biến áp tự ngẫu là:

Trong đó Immtt làdòng điện mở máy trực tiep đã tính ở bài 9.6

Mômen mở máy khi dùng biến áp tự ngẫu

Mmmtt là mômen mở máy trực tiếp

Để động cơ có thể mở máy khi kba=1,5 thì mômen cản phải nhỏ hơn 53,24N.m

b) Khi dùng cuộn cảm, điện áp đặt vào dây quấn động cơ sẽ bằng 0,9Uđm do đó dòng điện mở máy sẽ là:

Imm = 0,9Immtt = 0,9.150,2=135,18AMômen mở máy sẽ là:

Để động cơ có thể mở máy được trong trường hợp này thì mômen cản lúc mở máy phải nhỏ hơn 97N.m

5 1 25

I I

ba

mmtt

252

M mm 0,92 mmtt 0,81.119,8 97





