Bài giảng Kỹ thuật điện: Chương 7 - Nguyễn Thế Hoạch

Bài giảng Kỹ thuật điện: Chương 7 Máy điện không đồng bộ cung cấp cho người học những kiến thức như: Đại lượng định mức cơ bản; Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ; Các phương trình đặc trưng; Sơ đồ mạch thay thế của máy không đồng bộ; Ứng dụng mở máy và đổi chiều quay; Chế độ làm việc đặc biệt. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương 7 Máy điện không đồng bộ

7 Máy điện không đồng bộ

Chương 7 Máy điện không đồng bộ

7.1 Khái niệm chung

Định nghĩa: Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều mà tốc độ

quay của rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy.

Trong sản xuất máy điện không đồng bộ chủ yếu dùng làm động cơ để biến

đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành cơ năng

Phân loại máy điện không đồng bộ

- Theo số pha:

+ Máy điện không đồng bộ 1 pha

+ Máy điện không đồng bộ 2 pha

+ Máy điện không đồng bộ 3 pha (là loại thông dụng)

- Theo điều kiện vành đổi chiều:

+ Máy điện không đồng bộ có vành đổi chiều

+ Máy điện không đồng bộ không có vành đổi chiều

- Theo dây quấn của rotor:

+ Máy điện không đồng bộ rotor dây quấn

+ Máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc: Loại máy điện không đồng

bộ rotor lồng sóc có rotor lồng sóc đơn, loại máy điện không đồng bộ

rotor lồng sóc có rotor lồng sóc kép, loại máy điện không đồng bộ rotor

lồng sóc có rotor lồng sóc rãnh sâu

7.2 Cấu tạo máy điện không đồng bộ 3 pha

Gồm 2 phần chính

- Phần tĩnh

- Phần quay

7.2.1 Phần tĩnh (stator)

Gồm các phần chính: Lõi thép – dây quấn – vỏ máy

Lõi thép: stator do nhiều lá thép kỹ thuật điện đãdập sẵn ghép cách điện vớinhau Chiều dày lá thép thường là 0,5mm phía trong cso các rãnh để đặt dâyquấn

Dây quấn ba pha: được đặt trong các rãnh loãi thép dây quấn bọc lớp cách

điện Các pha dây quấn đặt cách nhau 1200 điện (cách thành lập dây quấn

7.2.1 Phần tĩnh (stator)

Vỏ máy để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator:

- Máy công suất nhỏ vỏ máy làm bằng nhôm, nhựa

- Máy có công suất lớn vỏ máy làm bằng gang hay thép đúc vỏ

máy có chân máy để cố định máy và 2 nắp máy vỏ máy có chân máy

để cố định máy, và 2 nắp máy để đỡ trục quay của rotor và bảo vệ

dây quấn…

Stator

7.2.2 Phần quay

Gồm lõi thép, trục quay, dây quấn

- Lõi thép rotor: cũng gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại, mặtngoài lõi thép có rãnh để đặt dây quấn ở giữa có lỗ để lắp trục

quay, có khi còn có lỗ thông gió

- Trục máy: gắn với lõi thép rotor, làm bằng thép tốt trục được đỡtrên 2 nắp máy nhờ ổ cắm (ổ trượt)

- Dây quấn rotor có 2 loại: dây quấn roto làm bằng dây đồng vàdây quấn roto làm bằng các thanh nhôm hay còn gọi là roto lồng

sóc

Rotor

Các thông số thường ghi trên máy:

7.3 Từ trường quay của máy điện không đồng bộ 3 pha

7.3.1 Sự hình thành từ trường quay

Xét trường hợp đơn giản nhất stator gồm 6 rãnh, trong đó đặt 3 dây quấn,

trục các dây dẫn đặt cách nhau 1200 trong không gian

Từ trường trong máy điện khi cho hệ thống dòng điện 3 pha đối xứng chạy

qua dây quấn stator: các dòng điện

iA = Imaxsinwt

iB = Imaxsin (wt – 1200)

iC = Imaxsin (wt - 2400)

Sự hình thành từ trường quay

Hình 7.2 Dòng điện hình sin ba pha đưa vào máy điện

Sự hình thành từ trường quay

Hình 7.3 a từ trường tổng trong máy điện

b đồ thị vector

a Tại thời điểm góc pha wt = 900

Do dòng điện tỉ lệ với từ trường nên ta có:

Như vậy từ trường tổng trùng với chiều của từ trường pha A (có dòng

điện cực đại)

2

I I

I

I I

max C

B

max A

B A

max A C

B max

A A

B 2

3 B

B B

B

2

B B

B

; B

B

= +

b Tại thời điểm góc pha wt = 900 +1200

Do dòng điện tỉ lệ với từ trường nên ta có:

Như vậy từ trường tổng trùng với chiều của từ trường pha B (có dòng

điện cực đại)

2

I I

I

I I

max C

A

max B

B A

max B C

A max

B B

B 2

3 B

B B

B

2

B B

B

; B

B

= +

c Tại thời điểm góc pha wt = 90 0 +240 0

Do dòng điện tỉ lệ với từ trường nên ta có:

Như vậy từ trường tổng trùng với chiều của từ trường pha C (có dòng điện cực

đại)

Kết luận: Từ trường trong máy điện không đồng bộ là từ trường quay và có trị

2

I I

I

I I

max B

A

max C

B A

max C B

A max

C C

B 2

3 B

B B

B

2

B B

B

; B

B

= +

7.3.2 Tốc độ từ trường quay

Nếu máy có p đôi cực từ khi cho dòng điện 3 pha đối xứng hình sin

với chu kỳ f chạy vào 3 dây quấn stator sẽ hình thành từ trường

7.3.3 Tính chất của từ trường quay

a Từ trường quay có độ lớn không đổi và bằng 3/2 từ trường của pha có

dòng điện cực đại, nó quay với tốc độ không đổi Đó là tốc độ dồng bộ.

b Khi dòng điện trong các pha A, pha B, pha C lần lượt đạt trị số cực đại thì

chiều của từ trường quay sẽ quay từ vị trí trùng với trục pha A đến trục pha

B, rồi trục pha C Tóm lại từ trường trong quay theo chiều kim đồng hồ với

tốc độ đồng bộ.

Nếu thay đổi thứ tự các pha B và C vào dây quấn sẽ thấy chiều của từ

trường quay sẽ quay ngược lại nghĩa là ngược chiều quay của kim đồng hồ

Tính chất này được sử dụng để thay đổi chiều quay của động cơ KĐB trong

các thang máy, cần trục…

7.4 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở một trong ba chế độ sau:

- Động cơ điện

- Máy phát điện

- Máy hãmTrong đó chế độ động cơ điện là phổ biến nhất

7.4.1 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Đưa dòng điện xoay chiều ba pha vào dây quấn stator, nó sinh ra từ trường quayvới tốc độ đồng bộ n1 theo chiều kim đồng hồ

Từ trường tổng quay cắt các thanh dẫn của rotor và cảm ứng trong dây quấnrotor sức điện động E2 Dây dẫn rotor khép kín nên E2 sẽ sinh ra dòng điện I2cùng chiều với E2 Thanh dẫn mang dòng điện I2 nằm trong từ trường quay nên chịu tác dụng lực điện từ Fđt chiều của lực điện từ được xác định theo qui tắc bàntay trái

Mọi thanh dẫn bố trí trên toàn chu vi rotor đều chịu lực Fđt như nhau và theo cùngchiều quay Kết quả các lực điện từ này tạo nên mômen quay M cho rotor

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Rotor quay cùng chiều với từ trường tổng nhưng tốc độ của nó không thể bằng

được tốc độ từ trường quay mà phải nhỏ hơn vì nếu bằng (n = n1) thì từ trườngquay tổng sẽ không cắt thanh dẫn của rotor do đó không có dòng điện I2 và lực

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Tốc độ tương đối giữa từ trường quay và rotor còn gọi là tốc độ trượt (n1 – n)

và mỗi động cơ điện được đánh giá bằng hệ số trượt:

Từ trường quay của động cơ không đồng bộ ba pha làm cho rotor chịu tác

dụng momen quay M Điều đó có nghĩa chính từ trường tổng cũng chịu

momen M tác dụng

Để cho từ trường tổng quay với tốc độ đồng bộ n1 động cơ phải nhận một

công suất đưa vào động cơ, đó là công suất điện từ chuyển từ dây quấn

stator sang dây quấn rotor, ta có:

( 0 , 02 0 , 06 ) n

n

n s

1

=

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Gọi công suất nguồn điện cấp cho dây quấn mạch stator của động cơ điện là P1, ta

có:

Trong đó U1, I1 là điện áp, dòng điện dây của mạch stator Trong dây quấn stator có

hai tổn hao là tổn hao đồng (là lượng tổn hao trên điện trở r1 dây quấn stator) DPđ1 = 3r1.I 2

1 và tổn hao sắt từ P0 = DPst.

Do đó công suất điện từ của động cơ:

Pđt = P1 - DPđ1 - DPst

Sau khi chuyển sang mạch rotor, công suất điện từ bị mất một lượng do tổn hao trên

dây quấn rotor: DPđ2 = m2r2I 2

2 (m2 là số pha của dây rotor).

a

= 3 U I cos

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

P2 là công suất cơ mà rotor đưa ra ngoài để kéo các máy công cụ

chính, đây cũng là công suất định mức của động cơ Pđm Công suất cơ

của động cơ điện tại cửa ra là:

' 2

P = - D - D

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Như vậy có thể coi như có một dòng năng lượng liên tục chảy qua động cơ khi nó làm việc với công suất đưa vào là P1 và công suất tại cửa ra là P2.

Hình 7.4 Dòng năng lượng trong động cơ điện

Hiệu suất của động cơ không đồng bộ là:

phu co

2 d st

1 d 1

=

= h

7.4.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện K.Đ.B 3 pha

Dây quấn stator máy điện không đồng bộ được nối với lưới điện, trục củarotor được nối với trục động cơ sơ cấp

Động cơ sơ cấp kéo rotor máy điện với tốc độ n lớn hơn tốc độ từ trườngquay n1 và cùng chiều với n1

Lúc này lực điện từ Fđt tác dụng lên thanh dẫn của rotor ngược lại với chiềuquay động cơ sơ cấp tạo thành mômen hãm

Để cho máy phát điện có rotor quay với tốc độ không đổi n thì mômen quay của động cơ sơ cấp phải cân bằng với momen hãm

Máy điện làm việc ở chế độ máy phát điện với hệ số trượt:

0

n n

s 1 - <

Nguyên lý làm việc của máy phát điện K.Đ.B 3 pha

Hình 7.5 Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ 3 pha

7.4.3 Nguyên lý làm việc của máy không đồng bộ ở chế độ hãm

Máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ máy hãm là để ngừng quay động cơ điện một cách nhanh chóng an toàn để giảm bớt tốc độ hoặc gia tốc của một số chuyển động Chế

độ hãm:

- Rotor quay ngược chiều với chiều từ trường quay (hệ số s>1).

- Lúc này chiều dòng điện I2 trong dây quấn rotor vẫn giống như trường hợp máy điện làm việc ở chế độ động cơ.

- Lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn sinh ra mômen quay, quay cùng chiều với từ trường quay, nghĩa là ngược với chiều quay rotor mômen điện từ có tác dụng hãm rotor lại

- ở chế độ hãm máy điện không đồng bộ nhận năng lượng từ 2 phía: điện năng ở lưới

điện và cơ năng ở rotor tất cả đều tiêu hao trên điện trở dây quấn của rotor máy điện.

Nguyên lý làm việc của máy không đồng bộ ở chế độ hãm

Theo nguyên lý làm việc của máy hãm không đồng bộ, chúng ta có một số phươngpháp hãm động cơ điện không đồng bộ sau đây:

a Phương pháp hãm đổi thứ tự pha

Khi cắt mạch stator ra khỏi nguồn điện 3 pha, để cho rotor ngừng quay ngay, ta

đóng mạch stator về phía nguồn điện có thứ tự pha ngược với nguồn điện cũ Do đóquán tính rotor động cơ vẫn quay theo chiều từ trường quay cũ nên rotor quay ngược với chiều từ trường quay do nguồn điện mới tạo ra Động cơ làm việc ở chế

độ hãm và mômen hãm ngược với chiều quay quán tính của rotor Nó có tác dụnghãm động cơ điện ngừng lại sau một thời gian ngắn

Nguyên lý làm việc của máy không đồng bộ ở chế độ hãm

b Phương pháp hãm chuyển động cơ thành máy phát điện

Khi động cơ làm việc kéo theo một phụ tải, vì một lý do nào đó phụ tải làm rotor động cơ tăng tốc độ Rotor động cơ quay cùng chiều với từ trường quay nhưng với tốc độ lớn hơn, trong động cơ sẽ sinh ra mômen hãm điện từ có tác dụng hãm chuyển động hạn chế tốc độ của rotor.

ở tình trang hãm này động cơ làm việc như máy phát điện trả lại năng lượng cho nguồn điện.

Muốn giảm tốc độ động cơ điện trong thời gian ngắn nhất, người ta tăng số đôi cực từ của động cơ (bằng cách thay đổi cách nối dây ngắn quấn stator) tốc độ từ trường quay giảm xuống và nhỏ hơn tốc độ rotor, do đó trong động cơ sẽ có momen điện từ hãm chuyển động rotor

Nguyên lý làm việc của máy không đồng bộ ở chế độ hãm

c Phương pháp hãm động năng

Khi cắt mạch điện stator ra khỏi nguồn điện 3 pha, lập tức ta đóng ngay nó

vào nguồn điện 1 chiều

- Dòng điện 1 chiều đi vào dây quấn stator tạo thành một từ trường tĩnh

- Do có quán tính, rotor còn tiếp tục quay trong từ trường tĩnh đó và làm

xuất hiện sức điện động và dòng điện trong dây quấn rotor

- Tác dụng của từ trường tĩnh lên dòng điện cảm ứng trong dây quấn

rotor sẽ sinh momen ngược chiều với chuyển động rotor làm rotor bị ngừng

nhanh chóng

7.5 Sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ

Bằng cách nào đó mà ta chuyển được động cơ khi nó đang quay với hệ sốtrượt s về tình trạng đứng yên nhưng vẫn đảm bảo các quá trình năng lượngtrong động cơ như khi nó quay, thì ta có thể sử dụng ngay kết quả của sơ đồthay thế máy biến áp cho động cơ

Ba pha của động cơ K.Đ.B đối xứng nên chỉ cần thành lập sơ đồ thay thế chomột pha trong công thức:

s 2

t 2

2

2

2 2

jX R

E Z

E I

7.5 Sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ

Nếu thay và Xt2s = s.Xt2 thì có thể xác định dòng điện rotor bằng biểu thức sau:

Biểu thức này là trị số dòng điện rotor khi nó đứng yên nhưng trong mạch rotor có mắc thêm biến trở:

Do đó ta đãcó cơ sở để chuyển động cơ K.Đ.B khi nó quay với hệ số trượt s về tình trạng khi rotor đứng yên mà vẫn đảm bảo được quá trình năng lượng xảy ra trong dây quấn rotor vẫn như khi rotor quay bằng cách nối thêm vào mạch dây quấn rotor biến trở

2 t 2

2

20

2 t 2

20

2 t 2

20 2

jX s

s 1 R R

E jX

S R

E jsX

R

E

s I

+

ữ ứ

ử ỗ

ố

-= +

= +

R2

r2

-7.5 Sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ

Mặt khác từ thông F trùng pha với U1 trong máy điện không đổi nên

dòng điện từ hoá I0 cũng không đổi nên trong mạch stator

cũng không đổi trong cả hai tình trạng khi rotor quay và roto đứng yên

Điều đó có nghĩa là động cơ nhận năng lượng tại cửa vào ở cả hai tình

trạng nói trên là tương đương P1 = U1.I1.cosj1

ở trạng thái động cơ đứng yên, năng lượng tiêu tán trên biến trở tương

đương với năng lượng điện từ được biến đổi thành cơ năng trên trục

động cơ khi rotor quay

' 2 0

I & &

& = +

7.5 Sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ

Việc thành lập sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ giống hệt như việc thành lập sơ đồ

thay thế máy biến áp Dây quấn sơ cấp máy biến áp tương ứng với dây quấn rotor động cơ

đãđược nối thêm biến trở , còn mạch từ hoá được biểu thị bằng nhánh bao gồm

điện trở R0, nối tiếp với X0 Sơ đồ thay thế cho một pha động cơ không đồng bộ cũng có

dạng hình T như sơ đồ sau.

s

s 1

r2 =

-7.5 Sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ

Cũng tương tự như máy biến áp ở sơ đồ thay thế T mạch rotor được nối trựctiếp về điện với mạch stator không qua mạch từ nên các thông số của mạch rotor phải được tính đổi về stator Nhưng ở đây cần chú ý là sốpha dây quấnstator m1 có thể khác số pha dây quấn rotor m2 nên ta có:

X K K X

; R K K R

K

I I.

K W m

K W

m I

E K E

K W

K

W E

E

2 t i e

' 2 2

i e

' 2

i

2 2

gq 1 1

gq 2 2 '

2

20 e

20 gq

2

gq 1 1

' 20

1 2 2 1

7.5 Sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ

gọi là hệ số quy đổi sức điện động và dòng điện

gọi là suất điện động, dòng điện, điện trở điện kháng của rotor đã

quy đổi về mạch stator

2 1 2

1

gq 2 2

gq 1 1 i

gq 2

gq 1 e

K W m

K W

m K

; K W

K

W

' 2 t

' 2

' 2

20, I , R , X E

7.6 Momen quay của động cơ điện không đồng bộ

Công suất cơ tác dụng lên trục động cơ làm nó quay với tốc độ n là:

M là momen quay do lực điện từ tác dụng lên rotor

wr là tốc độ góc của rotor: wr = w1(1-s)

w1 là tốc độ của từ trường quay

w là tần số góc dòng điện xoay chiều thường bằng 314rad/s

p là số đối cực từ

s

s

1 R I 3

7.6 Momen quay của động cơ điện không đồng bộ

ự ờ

ờ ở

ộ

+ +

ữ ứ

ử ỗ

ỳỷ

ự ờở

-=

w

= -

w

-= w

=

2 2 t 1

t

2 ' 2 1

' 2

2 1

2 ' 2 t 1

t

2 '

2

' 2 1

1

' 2

' 2

2

' 2

' 2

2

' 2

' 2

x

x s

R R

s

R U p

3 M

x

x s

s 1 R R

R

U I

s

R I.

p 3 s

1 p

s

s 1 R I.

3 r

P M

7.6 Momen quay của động cơ điện không đồng bộ

Để tính momen cực đại lấy đạo hàm biểu thức trên theo s và cho bằng 0 ta được:

14 , 0 05 ,

0 X

X

R S

X X

R

U

2

p

3 M

2 t 1

t

' 2 th

2 t 1

t 1

2 1 max

á

= +

±

=

+ +

w

=

7.7 Động cơ không đồng bộ một pha

7.7.1 Cấu tạo

Gồm 2 bộ phận chủ yếu: phần tĩnh và phần quay

- Phần tĩnh gồm có vỏ máy, lõi thép và dây quấn Lõi thép bên trong

có rãnh đặt dây quấn một pha Loại động cơ có vòng ngắn mạch lõi

thép stato không có rãnh mà có cực từ, dây quấn stato quấn quanh

cực từ Ngoài dây quấn chính còn có dây quấn phụ để mở máy

- Phần quay gồm có lõi thép và dây quấn Thường thì dùng loại rotolồng sóc

7.7.2 Nguyên lý làm việc

Đặt điện áp của nguồn vào dây quấn 1 pha, dòng điện trong dây quấn sẽ

sinh ra từ trường đập mạch F Từ trường đập mạch có thể phân thành 2 từ

trường quay FA, FB quay ngược chiều nhau với cùng tốc độ n1 Chúng có

biên độ bằng nhau và bằng một nửa từ trường đập mạch

Tại thời điểm bất kỳ bao giờ ta cũng có:2

max B

A

F

= F

= F

F

= F +

Nguyên lý làm việc

Theo đồ thị trên ta thấy ở thời điểm t = 0, n = 0 và s = 1 thì momen tổng bằng không.

Gọi n là tốc độ của rotor thì đối với từ trường quay thuận rotor có hệ số trượt là:

Hệ số trượt của từ trường quay ngược chiều kim đồng hồ:

sB = 2 – s1Lúc mở máy sA = sB = 1 thì MA = MB

đ M = MA + MB = 0 động cơ không tự mở máy được Nếu tác động cho động cơ quay theo chiều nào

nó quay mãi theo chiều ấy Vậy để cho động cơ tự mở máy ta dụng phương pháp sau:

- Phương pháp 1: dùng cuộn dây phụ mở máy

- Phương pháp 2: động cơ cảm ứng 1 pha có vòng ngắn mạch ở cực từ.

1

1 A

1

1 B

n

n s 1

n n

n n