Tài liệu Kỹ thuật điện_ Phần 2.9 ( tiếp theo) ppt

Khi s nằm trong khoảng 0-1, máy dị bộ làm việc như động cơ, còn khi s biếnđổi từ 1 đến , máy dị bộ làm việc ở chế độ máy hãm, khi s biến thiên từ 0 đến -máy điện làm việc như máy phát.



 2

Góc lệch pha giữ dòng điện và điện áp có giá trị:

 =arctg X R Trên hình 9.13b biểu diễn đồ thị véc tơ của mạch điện

Chọn véc tơ U trùng với trục tung, hợp với U một góc  ta dựng véc tơ I Từmút véc tơ I ta dụng đường vuông góc với I, cắt trục tung tại điểm C, cắt trục hoànhtại điển B Ta có:

OC=cos1 =IZ R U R và

OB=sin1 =

X

U X

Khi X=var dòng I sẽ biến đổi, điểm mút của nó luôn nhìn OC dưới một góc

900, nên nằm trên nửa đường tròn có đường kính OC (hình 9.13b) Ngược lại khiR=var thì mút của véc tơ I sẽ nằm trên đường tròn có bán kính OB, vì nó luôn nhìn

OB dưới một góc 900 Như vậy mạch R, X khi R biến đổi từ 0 (ngắn mạch) tới  (hởmạch), điểm mút của véc tơ I của mạch luôn nằm trên nửa đường tròn có đường kính

là U/X=OA, trong đó điểm O ứng với trường hợp R= (hở mạch), còn điểm B ứngvới R=0 (ngắn mạch)

9.8.2 Đồ thị đường tròn của máy điện không đồng bộ.

Như chúng ta đã biết, sơ đồ tương đương của máy điện không đồng bộ chiathành 2 nhánh mắc song song với nhau: nhánh kích từ và nhánh công tác Với mỗinhánh ta có đồ thị véc tơ độc lập Nhánh công tác của máy điện dị bộ biểu diễn trên

ULX

R

U1U

A I

U/R

U/X

U C

B O

hình 9.14 Ở nhánh này trở kháng có giá trị không đổi, còn điện trở thuần (R2’+R2’/s)lại có giá trị biến đổi theo độ trượt của máy.

Chúng ta thấy, mạch điện này giống như mạch điện có tải R, X mà ta xét ởtrên Dòng điện trong mạch tính được:

X X j s

R R

U Z

Khi độ trượt s thay đổi từ 0 đến 1, thì véc tơ dòng I’2 sẽ chạy trên đường tròn

có đường kính (X1+X’2) Khi s=0 ứng với chế độ không tải, dòng I’2=0, còn khi s=1máy ngắn mạch, đây là 2 điểm đặc trưng nằm trên đường tròn (hình 9.15)

Trên hình tròn, ta đã ký hiệu các điểm đặc trưng của đường tròn ứng với cácchế độ làm việc của nó

X’2

Động cơ

Hãm

Máy phát S=0

Khi s nằm trong khoảng 0-1, máy dị bộ làm việc như động cơ, còn khi s biếnđổi từ 1 đến , máy dị bộ làm việc ở chế độ máy hãm, khi s biến thiên từ 0 đến -máy điện làm việc như máy phát.

Để dựng sơ đồ đường tròn ta cần:

-Dòng không tải I0;

-Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện không tải 0;

-Dòng khởi động (dòng ngắn mạch) của động cơ và góc ngắn mạch z Với 4đại lượng này ta mới tìm được 2 điểm Để có điểm thứ 3, qua thực tế thí nghiệm làmnhư sau: Từ mút véc tơ I0 ta dựng đường song song với véc tơ U1 cắt đường Ingm ởđiểm A Giao điểm O’ của 2 đường trung tuyến PA và PK là tâm đường tròn cầndựng (hình 9.16)

9.9 Xác định các thông số của động cơ điện dị bộ bằng sơ đồ đường tròn

Dùng sơ đồ đường tròn ta có thể xác định các thông số của máy điện Để làmđiều đó, ta chỉ việc đo các đoạn tương ứng trên sơ đồ đường tròn rồi đem nhân với tỷxích của các đại lượng cần tìm

Công suất nhận từ lưới điện.

Giả thiết rằng, động cơ đang làm việc tại điểm A (hình 9.17) trên sơ đồđường tròn Công suất nhận từ lưới điện biểu diễn bởi (9.17) cụ thể là:

P1=m1U1I1cos =KI1cos= mp Aa

Trong đó mp-tỷ xích công suất đo bằng [W/mm]

Aa-là đoạn vuông gócvới OC, xác định trên đường tròn đo bằng [mm]

Chính vì thế đường O’C’ là đường công suất nhận vào (đường O’C’ có côngsuất P1=0) Công suất cực đại cần thiết nhận từ lưới xác định bằng:

A P

Công suất điện từ.

Khi tốc độ quay bằng ze-rô thì công suất điện từ bằng 0, đó là điểm s= (điểm T trên hình 9.17) Khi tốc độ quay bằng tốc độ quay từ trường, thì mô menđiện từ cũng bằng 0 (chế độ không tải lý tưởng s=0) đó là điểm O trên hình 9.17, nhưvậy đường OT là đường công suất điện từ (đường Pđt=0) Công suất điện từ chuyển

từ stato sang rô to xác định:

Pđt= mpAb

Công suất cơ khí

Công suất này bằng không ở chế độ không tải lý tưởng, tức là khi không cónăng lượng truyền từ stato sang rô to và khi rô to không quay, không tạo ra một công

cơ học nào Trên sơ đồ đường tròn, đó là đường thẳng nối điểm O và điểm K, do vậyđường OK là đường công suất cơ học (Pcơ=0) Tại một điểm làm việc nhất định (ví

dụ điểm A) công suất cơ học xác định:

Pcơ = mpAG

Tổn hao và công suất hữu ích.

Sau khi ta xác định được các đặc tính công suất, ta dễ dàng xác định tổn haotrong máy điện Tại điểm làm việc A, thì đoạn ad là tổng tổn hao, trong đó đoạn ab-làtổn hạo sắt từ, nó là tổn hao không đổi, không phụ thuộc vào chế độ làm việc Đoạnbc-ứng với tổn hao đồng của mạch stato, tổn hao này biến đổi, phụ thuộc vào dòngđiện, tức là phụ thuộc vào điểm làm việc, đoạn cg-là tổn hao đồng ở mạch rô to, đoạn

cgd

C

K I’2

I

1

U

Mô men quay

Vì M=Pđt/cơ, mà tốc độ cơ không phụ thuộc vào chế độ động cơ, do đó đường

OT cũng là đường mô men quay Để xác định mô men quay, ta đo đoạn thẳng trên đường tròn nhưng nhân với một tỷ xích khác, tỷ xích của mô men Ví dụ:

9.10 Khởi động động cơ không đồng bộ

Dòng khởi động lớn gây ra 2 hậu quả quan trọng:

-Nhiệt độ máy tăng vì tổn hao lớn, nhiệt lượng toả ra ở máy nhiều (đặc biệt ởcác máy có công suất lớn hoặc máy thường xuyên phải khởi động)

Vì thế trong sổ tay kỹ thuật sử dụng máy bao giờ cũng cho số lần khởi độngtối đa, và điều kiện khởi động

-Dòng khởi động lớn làm cho sụt áp lưới điện lớn, gây trở ngại cho các phụtải cùng làm việc với lưới điện

Vì những lý do đó khởi động trực tiếp chỉ áp dụng cho các động cơ có côngsuất nhỏ, và khởi động nhẹ (mô men cản trên trục động cơ nhỏ) Khi khởi động nặngngười ta không dùng phương pháp này

9.10.2 Khởi động dùng phương pháp giảm dòng khởi động

Dòng khởi động của động cơ xác định bằng biểu thức:

2 1

2 2 1

1

) ' (

-Giảm điện áp nguồn cung cấp

-Đưa thêm điện trở vào mạch rô to;

-khởi động bằng thay đổi tần số

9.10.2.1 Khởi động động cơ dị bộ rô to dây quấn

Với động cơ dị bộ rô to dây quấn để giảm dòng khởi động ta đưa thêm điệntrở phụ vào mạch rô to Lúc này dòng ngắn mạch có dạng:

2 1

2 2 1

1

) ' (

ta có thể đạt được mô men khởi động bằng giá trị mô men cực đại hình 9.18b

Khi mới khởi động, toàn bộ điện trở khởi động được đưa vào rô to, cùng vớităng tốc độ rô to, ta cũng cắt dần điện trở khởi động ra khỏi rô to để khi tốc độ đạtgiá trị định mức, thì điện trở khởi động cũng được cắt hết ra khỏi rô to, rô to bây giờ

là rô to ngắn mạch

9.10.2.2 Khởi động động cơ dị bộ rô to ngắn mạch

Với động cơ rô to ngắn mạch do không thể đưa điện trở vào mạch rô to nhưđộng cơ dị bộ rô to dây quấn để giảm dòng khởi động ta thực hiện các biện pháp sau:

-giảm điện áp

Người ta dùng các phương pháp sau đây để giảm điện áp khởi động:dùngcuộn kháng, dùng biến áp tự ngẫu và thực hiện đổi nối sao-tam giác Sơ đồ các loạikhởi động này biểu diễn trên hình 9.19

Đặc điểm chung của các phương pháp giảm điện áp là cùng với việc giảmdòng khởi động, mô men khởi động cũng giảm Vì mô men động cơ tỷ lệ với bìnhphương điện áp nguồn cung cấp, nên khi giảm điện áp mô men giảm theo tỷ lệ bìnhphương, ví dụ điện áp giảm 3 lần thì mô men giảm đi 3 lần Việc thực hiện đổi nốisao tam giác chỉ thực hiện được với những động cơ khi làm việc bình thường thìcuộn dây stato nối tam giác Do khi khởi động cuộn dây stato nối sao, điện áp đặt lênstato nhỏ hơn 3 lần khi chuyển sang nối tam giác, dòng điện giảm 3 lần mô mengiảm đi 3 lần Khi khởi động bằng biến áp, nếu hệ số biến áp là ku thì điện áp trên tụđấu dây của động cơ giảm đi ku lần so với điện áp định mức, dòng khởi động giảm đi

ku, mô men khởi động sẽ giảm đi ku2 lần.Tất cả các phương pháp khởi động bằnggiảm điện áp, chỉ thực hiện được ở những động cơ có khởi động nhẹ, còn động cơkhởi động nặng không áp dụng được, người ta khởi động bằng phương pháp ‘nhớm’

A

B

C

X Y Z M

2

phương pháp khởi động bằng tần số Thực chất của phương pháp này như sau: Động

cơ được cấp điện từ bộ biến tần tĩnh, lúc đầu tần số và điện áp nguồn cung cấp có giátrị rất nhỏ, sau khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, ta tăng dần tần số và điện ápnguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ động cơ tăng dần, khi tần số đạt giá trị địnhmức, thì tốc độ động cơ đạt giá trị định mức Phương pháp khởi động này đảm bảodòng khởi động không vượt quá giá trị dòng định mức

9.10.2.3 Khởi động động cơ có rãnh sâu và động cơ 2 rãnh.

Như chúng ta đã biết khởi động động cơ dị bộ bằng đưa điện trở vào mạch rô

to là tốt nhất, tuy nhiên với động cơ dị bộ rô to lồng sóc thì không làm điều đó được.Song chúng ta có thể thực hiện khởi động động cơ dị bộ rô to lồng sóc có đưa điệntrở phụ vào bằng dùng những động cơ ngắn mạch đặc biệt: động cơ rãnh sâu và động

cơ 2 rãnh

a.Động cơ rô to lồng sóc 2 rãnh.

Để cải thiện khởi động đối với động cơ dị bộ lồng sóc, người ta chế tạo động

cơ lồng sóc 2 rãnh: rãnh công tác làm bằng vật liệu bình thường, còn rãnh khởi độnglàm bằng đồng thau là kim loại có điện trở riêng lớn (Hình 9.20) Từ hình vẽ ta thấy

rằng, độ dẫn từ của từ thông tản rãnh dưới lớn hơn của rãnh ngoài (trên) Như vậytrở kháng của các rãnh này rất khác nhau: trở kháng của rãnh dưới lớn hơn trở khángcủa rãnh trên rất nhiều Khi mới bắt đầu khởi động (s=1) trở kháng của rãnh dướilớn, nên dòng điện bị đẩy lên rãnh trên, dòng điện chạy trong nó nhỏ Ở rãnh trên trởkháng nhỏ nhưng điện trở thuần lại lớn, kết quả làm cho dòng khởi động nhỏ - đó làhậu quả của việc đưa thêm điện trở vào rô to Khi tốc độ rô to tăng lên, s giảm đi, trở

hN

h1

2 1

bộ 2 rãnh

n0

kháng rãnh dưới giảm, dòng điện lại chạy từ rãnh trên xuống rãnh dưới Khi tốc độđạt giá trị định mức, thì dòng điện chạy trong thanh trên rất nhỏ.

Như vậy thanh trên chỉ hoạt động khi khởi động nên được gọi là thanh khởi động

Để xác định đặc tính cơ của động cơ 2 rãnh, ta giả thiết rằng 2 rãnh hoạt độngđộc lập với nhau Rãnh trên có điện trở lớn nên đặc tính cơ là đặc tính 1 trên hình9.21, còn rãnh dưới có đặc tính cơ như đường 2 Tổng của 2 đặc tính là của động cơ

2 rãnh (đường 3)

a.Động cơ rô to lồng sóc rãnh sâu.

Động cơ rãnh sâu có cấu trúc khác với động cơ rãnh thường Chiều cao h củarãnh động cơ rãnh sâu thường gấp 15-20 lần chiều rộng của rãnh (hình 9.22) Rãnh

có nhiều dạng khác nhau:Chữ nhật, hình thang hay tròn dưới, trên chữ nhật

Để nghiên cứu tính chất của máy điện rãnh sâu ta chia rãnh ra từng lớp vớichiều cao hi Do trong rãnh có nhôm, nên độ dẫn từ thông tản quyết định bởi độ dẫn

Xk=2Lk =Ckf2 (9.38)

Đến đây, ta có thể nói về sự phân bố mật độ dòng điện theo chiều cao củathanh dẫn Giá trị dòng điện chạy trong mỗi lớp phụ thuộc vào điện áp và tổng trởcủa mỗi lớp Do sđđ cảm ứng bởi từ thông chính trong các lớp như nhau do đó sựphân bố dòng điện các lớp phụ thuộc vào tổng trở của lớp Khi động cơ mới đóngvào lưói, tần số f2=f1 nên Xk lớn hơn Rk rất nhiều, ngược lại khi rô to quay với tốc độgần bằng tốc độ định mức thì tần số f2 rất nhỏ nên Xk<<Rk Do đó khi mới khởiđộng, dòng điện chạy trong các lớp dưới rất nhỏ, ngược lại khi rô to quay với tốc độgần định mức thì dòng điện chạy ở lớp trên rất nhỏ Sự phân bố độ dẫn từ và mật độdòng điện biểu diễn trên hình 9.22b và 9.22c Ta thấy có hiện tượng đẩy dòng lên lớptrên, do đó dòng khởi động nhỏ, ta có hiện tượng giống như đưa điện trở ngoài vàomạch rô to (vì dòng điện bị đẩy lên lớp trên diện tích dẫn nhỏ, nên điện trở lớn) Nhưvậy khởi động với động cơ rãnh sâu mô men khởi động lớn (Mkđ =1,2-1,6)Mđm

Trên hình 9.23 biểu diễn đặch tính mô men và dòng điện của động cơ rãnhsâu, còn trên hình 9.24 biểu diễn đặc tính cơ của 3 loại động cơ : dây quấn, lồng sócthường và lồng sóc rãnh sâu

Do động cơ lồng sóc rãnh sâu có mô men khởi động lớn nên nó được dùngcho các hệ truyền động có khởi động nặng ví dụ: cần cẩu So với động cơ dị bộ rô todây quấn, thì động cơ lồng sóc rãnh sâu có cấu tạo nhẹ hơn, rẻ tiền hơn

9.11 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ.

9.11.1 Mở đầu

Trong thực tế sản xuất và tiêu dùng, các khâu cơ khí sản xuất cần có tốc độ thay đổi Song khi chế tạo, mỗi động cơ điện lại được sản xuất với một tốc độ địnhmức, vì vậy vấn đề điều chỉnh tốc độ các động cơ điện là rất cần thiết

Khi mô men cản trên trục động cơ thay đổi, thì tốc độ động cơ thay đổi,nhưng sự thay đổi tốc độ như thế không gọi là điều chỉnh tốc độ

Hình 9.24, Đặc tính cơ của động cơ dị bộ 1) Động

cơ dây quấn, 2) Động cơ lồng sóc thường, 3)Động

cơ rãnh sâu

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là quá trình thay đổi tốc độ động

cơ theo ý chủ quan của con người phục vụ các yêu cầu về công nghệ

Phụ thuộc vào đặc tính cơ của cơ khí sản xuất mà quá trình thay đổi tốc độxảy ra khi mô men cản không đổi (hình 9.25a) hoặc khi mô men cản thay đổi (hình9.25b)

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ cần thoả mãn những yêu cầu sau:

Phạm vi điều chỉnh, sự liên tục trong điều chỉnh và tính kinh tế trong điềuchỉnh Với các thiết bị vận chuyển, phải điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, cònthiết bị dệt hoặc giấy thì lại đòi hỏi tốc độ không đổi với độ chính xác cao

Để nghiên cứu các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ tadựa vào các biểu thức sau:

E2=I2

2 20 2

2 (X s)

R 

Vậy s= 20 2 2

2 20

2 2 ) (X I E

I R

Từ các công thức (9.39) rút ra các phương pháp điều chỉnh tốc độ sau đây:1.Thay đổi tần số f1;

2.Thay đổi số đôi cực p;

3.Thay đổi điện trở R2 ở mạch rô to;

4.Thay đổi E20 hoặc U1;

5.Thay đổi điện áp E2;

M

Hình 9.25 Điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ a) Khi mô men cản không đổi,

b)Khi mô men cản thay đổi

8.Thay đổi tần số f2.

Trong các phương pháp trên, người ta hay sử dụng phương pháp 1, 2 và 4,còn động cơ dị bộ rô to dây quấn người ta sử dụng phương pháp 3 Dưới đây trìnhbày ngắn gọn một số phương pháp thường dùng

9.11.2 Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f 1

Phương pháp này chỉ sử dụng được khi nguồn cung cấp có khả năng thay đổitần số Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ điện tử các bộ biến tần tĩnh đượcchế tạo từ các van bán dẫn công suất đã đảm nhiệm được nguồn cung cấp năng lượngđiện có tần số thay đổi, do đó phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần sốđang được áp dụng rộng rãi và cạnh tranh với các hệ thống truyền động điện dòngmột chiều

Nếu bỏ qua tổn hao điện áp ở mạch stato ta có:

Từ biểu thức này ta thấy nếu thay đổi f1 mà giữ U1=const thì từ thông sẽ thayđổi Việc thay đổi từ thông làm giảm điều kiện công tác của máy điện, thay đổi hệ sốcos1, thay đổi hiệu suất và tổn hao lõi thép, do đó yêu cầu khi thay đổi tần số phảigiữ cho từ thông không đổi

Mặt khác trong điều chỉnh tốc độ phải đảm bảo khả năng quá tải của động cơkhông đổi trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh, điều đó có nghĩa là phải giữ cho

Mmax=const Muốn giữ cho Mmax=const thì phải giữ cho từ thông không đổi Muốngiữ cho từ thông không đổi thì khi thay đổi tần số ta phải thay đổi điện áp đảm bảo

sự cân bằng của (9.40a)

Mô men cực đại có thể biểu diễn bởi biểu thức:

2 1

2 1 2 1

2 1 ''

' ''

'

''

'' '

'

U

f f

U M

M M

M

c

c th

Từ đây ta có:

'' ' 1

1 1

1

''

' ''

f U

mô men của động cơ tỷ lệ nghịch với tốc độ do vậy:

1 ''

' 1 1

' 1 1

U

(9.47)Theo các biểu thức trên đây thì khi thay đổi tần số, mô men cực đại khôngđổi Điều đó chỉ đúng trong phạm vi tần số định mức, khi tần số vượt ra ngoài phạm

vi định mức thì khi tần sô giảm, mô men cực đại cũng giảm do từ thông giảm, sở dĩnhư vậy vì để nhận được các biểu thức trên ta đã bỏ qua độ sụt áp trên các điện trởthuần, điều đó đúng khi tần số lớn, nhưng khi tần số thấp thì giá trị X giảm, ta khôngthể bỏ qua độ sụt áp trên điện trở thuần nữa, do đó từ thông sẽ giảm và mô men cựcđại giảm Trên hình 9.26 biểu diễn đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số với f1>f2>f3

Ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tần só là phạm vi điều chỉnh rộng, độđiều chỉnh láng, tổn hao điều chỉnh nhỏ

9.11.3 Thay đổi số đôi cực

Nếu động cơ dị bộ có trang bị thiết bị đổi nối cuộn dây để thay đổi số đôi cựcthì ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực

Để thay đổi số đôi cực ta có thể :

-Dùng đổi nối một cuộn dây Giả sử lúc đầu cuộn dây được nối như hình9.27a, khi đó số cặp cực là p, nếu bây giờ đổi nối như hình 9.27b ta đuợc số cặp cựcp/2

Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực biểu diễn trên hình 9.27c