Máy điện - thiết bị điện chương 3: động cơ dị bộ

Máy điện - thiết bị điện chương 3: động cơ dị bộ

CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ DỊ BỘ (3.1.0.6)

Giúp sinh viên hiểu cơ bản về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, đặc tính của động cơ dị bộ

3.1 Tổng quan khái niệm ( 0,5 0.0.1)

Máy điện không đồng bộ (máy điện dị bộ) là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo

nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường

Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: động cơ và máy phát

Máy phát không đồng bộ ít được dùng vì các đặc tính làm việc không tốt; nên trong

chương này ta chỉ xét động cơ không đồng bộ Chúng được dùng nhiều trên tàu thủy vì

chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, hiệu suất cao, vận hành, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng Dải công suất rất rộng, từ vài đến hàng ngàn Các động cơ từ trở lên hầu hết là pha; còn các động cơ nhỏ hơn thường là pha

Hầu hết các động cơ điện sử dụng trên tàu thủy là động cơ không đồng bộ pha

lồng sóc

Hình 3.1 Hình dạng bên ngoài một số loại động cơ dị bộ

3.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộ ( 1 0.0.1)

Cấu tạo:

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chính là và như trên hình

Vỏ máy Stator

Rotor

Hình 3.1.1 Máy điện dị bộ

3.2.1

có hai phần chính là lõi thép và dây quấn (hình )

- Lõi thép hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại Mặt trong có những rãnh để chứa bộ dây quấn pha

- Dây quấn làm bằng các dây dẫn bọc cách điện, đặt trong các rãnh được phân bố đều dọc theo chu vi của lõi thép Dây quấn nhận điện từ một nguồn pha để tạo ra một từ trường quay Tốc độ quay của từ trường này phụ thuộc tần số nguồn điện và số cực của bộ dây quấn

Hình 3.1.2 máy điện dị bộ

(a) Lá thép ; (b) Cuộn dây; (c)

Hình cho thấy sơ đồ khai triển dây quấn pha đặt trong rãnh của lõi thép trên hình Cuộn dây của pha đặt trong các rãnh ; của pha trong các rãnh ; và của pha trong các rãnh

Khe không khí

C Z

B Y A

X

11

2

3

4

5

10

9

8

(a)

Stator

Rotor

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2

(b)

Hình 3.1.3 (a) Mạch từ và dây quấn ;

(b) Sơ đồ khai triển dây quấn 3.2.2

cũng có hai phần chính là lõi thép và dây quấn

Lõi thép hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại Mặt ngoài có những rãnh để chứa dây quấn

có hai loại: lồng sóc và dây quấn

(1) lồng sóc (hình ) gồm các thanh đồng hoặc nhôm đặt trong rãnh, và

bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ nhỏ, được đúc nguyên khối, gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và quạt Với động cơ lớn, các thanh bằng đồng được đặt vào các rãnh và siết chặt vào vành ngắn mạch Nhờ không có vành trượt và chổi than nên rất bền, chắc; ít cần bảo trì

Các thanh dẫn thường nghiêng so với trục (ta có cảm tưởng như bị vặn xoắn); vì các lý do:

làm cho quay không bị dao động và máy ít ồn khi làm việc, tránh được vị trí ở đó răng song song và đối diện với răng ; tức là

vị trí từ trở cực tiểu và sẽ bị “khóa" ở đó; và, tăng chiều dài tác dụng của thanh dẫn

Lá thép KTĐ

Trục

Thanh dẫn Vòng ngắn mạch

(c) Hình 3.1.4 lồng sóc máy điện dị bộ

a- Lá thép ; b- Hình dạng ; c- Hình cắt

(2) dây quấn (hình ) là dây quấn pha có cùng số cực nhƣ dây quấn

Dây quấn luôn luôn đấu và có đầu ra đấu vào vành trƣợt

gắn vào trục quay của Ba chổi than cố định quét lên vành trƣợt này để

dẫn điện ra một biến trở pha đấu nằm ngoài động cơ, dùng để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

Hình 3.1.5 dây quấn máy điện dị bộ

a- Vành trượt; b- dây quấn

Vòng bi

Rotor

Quạt làm mát Vòng bi Nắp mỡ

Nắp mỡ

Vỏ máy

Hình 3.1.6 Kết cấu của máy điện dị bộ Nguyên lý hoạt động:

Sự hình thành từ trường quay:

Xét dây quấn pha đơn giản trên hình Cuộn đặt trong hai rãnh đối diện tạo thành pha ; cuộn đặt cách một góc là pha và cuộn đặt cách một góc là pha Trục của cuộn dây này lệch nhau trong không gian một góc Giả sử trong dây quấn có một hệ thống dòng điện pha cân bằng thứ tự thuận chạy qua (chiều giả thiết từ đầu đến cuối dây quấn)

Dòng điện chạy trong cuộn dây có dạng sóng nhƣ hình và biểu thức tức thời là:

wt = 90 o + 240 o wt = 90 o + 120 o

wt = 90 o

wt

i

0

Hình 3.2.1 Dạng sóng dòng điện pha trong các cuộn dây

Z Y

X

B C

A

Z Y

X

B C

A

Z Y

X

B C

fS

fS

fS

Hình 3.2.2 Từ trường tại các thời điểm và

Lúc đó, các từ cảm do các dòng tạo ra riêng rẻ là các từ cảm đập mạch có phương lần lượt trùng với trục các pha Chiều được xác định bằng quy tắc vặn nút chai; và độ lớn tỷ lệ lần lượt với Từ cảm tổng hợp do cả ba dòng tạo ra là tổng :

BC

BB

BA

BB

BA

BS

B A

B B

BS

60 o

Hình 3.2.3 Biểu diễn từ trường thành phần và từ trường tổng

Ta xét tại các thời điểm sau:

Thời điểm

Lúc này, dòng qua pha cực đại và dương nên cũng cực đại và hướng theo chiều dương của trục pha Đồng thời, nên

hướng theo chiều âm của trục các pha và có chiều dài Từ cảm tổng hợp hướng theo chiều dương của trục pha và có chiều dài

Lúc này, dòng qua pha cực đại và dương Tương tự, ta thấy hướng theo chiều dương của trục pha và có chiều dài Từ cảm tổng hợp đã quay

Lúc này dòng qua pha cực đại và dương Tương tự, ta thấy hướng theo chiều dương của trục pha và vẫn có chiều dài Từ cảm tổng hợp đã quay thêm

Hoạt động:

Khi ta cho dòng điện pha tần số vào cuộn dây , trong sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ Giả sử vào thời điểm , từ trường đang quay theo chiều kim đồng hồ với tốc độ đồng bộ và đang có chiều trên hình Lúc đó, dây dẫn của ở trong từ cảm và đang chuyển động tương đối với với tốc độ tương đối nên trong dây dẫn sẽ có sức điện động cảm ứng có chiều cho bởi:

tức là hướng từ trước ra sau (hình )

Vì ngắn mạch nên tạo ra dòng cảm ứng , cũng hướng từ trước ra sau

Dòng đặt trong từ cảm sẽ chịu tác dụng của lực điện từ:

tức là cùng chiều với chiều quay của từ trường Tương tự, đối với dây dẫn và rõ ràng các lực và tác động lên các dây dẫn và sẽ tạo ra một kéo

quay theo từ trường , nghĩa là tìm cách "đuổi theo" từ trường Tuy thiên, nó không bao giờ bắt kịp từ trường đó vì nếu tốc độ đúng bằng thì , kéo theo , nghĩa là sẽ không còn lực để kéo tải Vì lẽ đó, luôn luôn quay với tốc độ ; nghĩa là từ trường quay đối với với tốc độ tương đối , gọi là tốc độ trượt

·

a

x B S

N

Trục của

từ trường Stator

Trục của

từ trường Rotor

n 1

(a)

+

·

a

x

i 2 e 2

i 2 e 2

B

B

F v

-v -F

(b)

Hình 3.2.4 a- Quá trình tạo quay trong động cơ

b- Biểu diễn bằng

Tỷ số giữa tốc độ trượt và tốc độ đồng bộ gọi là hệ số trượt:

Tốc độ là: = (tốc độ đồng bộ) – (tốc độ trượt)

Thông số định mức:

- Điện áp định mức : là điện áp dây định mức

- Công suất định mức : với động cơ dị bộ, đây là công suất cơ trên trục động

cơ

- Dòng điện định mức : là dòng ứng với khi các thông số máy và tải định mức

- Tần số định mức : tần số nguồn cấp, thường là

- Tốc độ định mức : tốc độ quay của , thường tính đơn vị là vòng/phút

- Hệ số công suất định mức

- Hiệu suất định mức

- Cấp cách điện, cấp bảo vệ của máy

Ngoài ra, trên nhãn còn ghi các thông số khác như: tên nhà sản xuất, năm sản xuất, khối lượng, mã vòng bi, kiểu máy, số pha, …

- Công suất định mức mà động cơ tiêu thụ từ lưới điện:

- Mômen quay định mức ở đầu trục:

3.3 Mạch điện tương đương, hiệu suất ( 1 1.0.1)

3.3.1 Mạch điện tương đương

Để xây dựng mạch điện tương đương, trước hết ta xây dựng mô hình toán của động cơ dị bộ; từ mô hình toán này, ta thiết lập một mạch điện thay thế, gọi là mạch điện tương đương

3.3.1.1 Phương trình điện áp dây quấn

Khi nối dây quấn với nguồn pha thì trong dây quấn có dòng điện , phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn là:

trong đó,

- nội trở cuộn dây quấn

- điện kháng tản dây quấn , đặc trưng cho từ thông tản

- tần số dòng điện trong cuộn dây

- điện cảm tản cuộn dây

- sức điện động cảm ứng trên cuộn dây Sức điện động này do từ thông chính quét qua cuộn dây và có trị số:

, do các dây quấn rải đều trên rãnh mà không quấn tập trung như trong

3.3.1.2 Phương trình điện áp dây quấn

Từ trường chính (từ trường ) quay với tốc độ , quay với tốc độ , như vậy từ trường chính quay đối với dây quấn với tốc độ là

Do đó, tần số của sức điện động và dòng điện trong cuộn dây quấn là:

Khi quay, sức điện động cảm ứng trên cuộn dây là:

Khi đứng yên, nghĩa là , lúc này:

So sánh và , ta thấy sức điện động pha khi quay và khi

đứng yên quan hệ:

Tương tự:

Gọi là hệ số quy đổi sức điện động về , ta có:

Do ngắn mạch, phương trình cân bằng điện áp pha là:

3.3.1.3 Phương trình sức từ động

Khi không quay, dòng và dòng sinh ra sức từ động quay và với tốc độ đồng bộ Hai sức từ động này tác dụng với nhau tạo thành sức từ động tổng trong khe hở

Phương trình cân bằng sức từ động:

hay

trong đó:

- số pha; - số đôi cực Như vậy, từ suy ra:

So sánh sức từ động do dòng của và thành phần của sinh ra, ta có:

Từ đó, ta có hệ số quy đổi dòng điện :

Các phân tích trên ứng với trường hợp đứng yên, và khi quay (tức trục từ trường và lệch nhau một góc bất kỳ) thì kết quả trên vẫn đúng

3.3.1.5 Sơ đồ thay thế động cơ dị bộ

Quy đổi các đại lượng

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán, ta thiết lập sơ đồ điện gọi là sơ đồ thay thế từ hệ phương trình mô tả Để thiết lập được sơ đồ, ta cần phải quy đổi

về Trong hệ phương trình mô tả, ta biến đổi phương trình thứ như sau:

Đặt:

là sức điện động pha quy đổi về

là dòng quy đổi về

là điện trở dây quấn quy đổi về

là điện kháng dây quấn quy đổi về

là hệ số quy đổi tổng trở về Lúc này, trở thành:

Tương tự như trong , thành phần chính là điện áp trên tổng trở đặc trưng cho từ thông chính và tổn hao sắt từ của lõi thép Coi tổn hao không đáng kể (tổn hao dòng xoáy và từ thông tản móc vòng qua không khí); nên từ thông chính do dòng không tải sinh ra Do đó, ta có thể viết:

Trong đó:

+ là tổng trở từ hoá đặc trưng cho mạch từ

+ là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ

Cuối cùng, ta có phương trình thay thế mô tả động cơ dị bộ như sau:

Sơ đồ thay thế

Từ hệ phương trình ta thiết lập sơ đồ thay thế như sau:

R 1 X 1

R 2

R th

X th

U 1

I o

‘

.

.

‘

X 2 ‘ s

Hình 3.4.1 Sơ đồ tương đương máy điện không đồng bộ

3.3.2 Hiệu suất

Công suất điện do động cơ nhận từ nguồn:

(với là hệ số công suất của động cơ);

sau khi bị mất một phần vì tổn hao đồng trong dây quấn là

và một phần vì tổn hao sắt từ trong lõi thép là

công suất còn lại đưa vào , gọi là công suất điện từ:

Công suất đưa vào , sau khi bị mất một phần vì tổn hao đồng trong dây quấn :

sẽ còn lại công suất cơ trên trục:

Công suất cơ, sau khi trừ đi tổn hao cơ do ma sát, quạt gió và tổn hao phụ, sẽ còn lại công suất có ích trên trục, hay công suất ra:

Tổng tổn hao trong động cơ là:

Hiệu suất động cơ là:

Lưu đồ công suất được vẽ trên hình

P1 Pđ t Pc

DPđ 1

DPF e

DPđ 2

DPm q P2

Hình 3.4.2 Lưu đồ công suất trong động cơ không đồng bộ

3.4 Đặc tính cơ ( 0,5 0.0.1)

Gọi:

và là tốc độ từ trường tính bằng vòng/giây và rad/giây

và là tốc độ tính bằng vòng/giây và rad/giây

Ta có ; với là tần số góc của dòng điện

quay của động cơ là:

Dòng tính gần đúng bằng:

là trở kháng mạch và mạch quy về Suy ra,

Quan hệ được vẽ trên hình

Quan hệ vẽ trên hình , gọi là đặc tính cơ (hay đặc tính - vận tốc)

Điểm cực đại trên hình có tọa độ cho bởi Suy ra hệ số trượt tới hạn:

và cực đại:

Ngoài ra, thay , ( , đứng yên) vào , ta được mở máy:

Quan hệ có thể viết gần đúng như sau:

với là hệ số trượt tới hạn

Gọi là đặc tính cơ của tải mà động cơ kéo Nếu hệ thống quay đều thì của động cơ bằng cản của tải và điểm làm việc là giao điểm của hai đặc tính cơ

và (hình )

M

s

M th

M = f(s)

0

M

n

M th

M đm

n th

n đm

n o

A

M c

M = f(n)

0

Hình 3.4.3 a- Đặc tính - hệ số trượt; b- Đặc tính cơ

3.5 Quấn dây ( 0 0.0.2)

Chương 9 trong tài liệu BK Đà Nẵng

3.6 Động cơ một pha, hai pha ( 0 0.0.2)

Chương 12 trong tài liệu BK Đà Nẵng