Giáo trình Máy điện 1 (Phần 3: Máy điện không đồng bộ) - Chương 9: Nguyên lý máy điện không đồng bộ

Chia sẻ: Vo Quang Man | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

204
lượt xem 34
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Máy điện 1 (Phần 3: Máy điện không đồng bộ) - Chương 9: Nguyên lý máy điện không đồng bộ giới thiệu tới người đọc các nội dung: đại cương về máy điện không đồng bộ, cấu tạo của động cơ không đồng bộ, nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ, phương trình cân bằng của động cơ không đồng bộ, mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Máy điện 1 (Phần 3: Máy điện không đồng bộ) - Chương 9: Nguyên lý máy điện không đồng bộ

155 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
156 PHẦN THỨ BA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Chƣơng 9 NGUYÊ N LÝ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 9.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ và có tốc độ của rotor n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n1. Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và máy phát. Máy phát điện không đồng bộ ít dùng vì có đặc tính làm việc không tốt, nên trong chương nầy ta chủ yếu là xét động cơ không đồng bộ. Động cơ không đồng bộ được sử dụng nhiều trong sản xuất và trong sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá thàng rẽ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không bảo trì. Gần đây do kỹ thuật điện tử phát triễn, nên động cơ không đồng bộ đã đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh tốc độ vì vậy động cơ này càng sử dụng rộng rãi hơn. Dãy công suất của nó rất rộng từ vài watt đến hàng ngàn kilowatt. Hầu hết không đồng bộ là động cơ ba pha, có một số động cơ công suất nhỏ là một pha. Trên nhãn máy người ta ghi các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ như sau: Công suất định mức của động cơ: Pđm.(W, kW) Điện áp định mức stator: Uđm(V) Dòng điện định mức stator: Iđm.(A) Tốc độ quay định mức của rotor: nđm.(vòng/phút) Hệ số công suất định mức: cosđm. Hiệu suất định mức: đm. Công suất định mức của động cơ là công suất cơ có ích trên trục, nên công suất tác dụng định mức động cơ không đồng bộ nhận từ lưới điện: P P1âm  âm  3  U âm I âm cos âm (9-1) âm Mômen định mức của động cơ được xác định theo công thức: Pđm ( W) M đm  (9-2)  đm (rad / s)
157 n đm với  đm  2  n đm / 60  , nên 9,55 Pđm (kW ) M đm  9550 (9-3) n đm ( vòng/ phút) Trong đó: Pđm (W, kW) là công suất cơ có ích trên trục đm (rad/s) = tốc độ góc định mức của động cơ. Trên nhãn động cơ ba pha ghi Uđm - /Y- 220/380V, nghĩa là khi lưới điện có điện áp dây 220V, động cơ nối hình tam giác , còn 380V nối hình sao Y. 9.2. CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Cấu tạo của máy điện không đồng bộ được trình bày trên hình 9-1, gồm hai bộ phận chủ yếu là stator và rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy. Trục làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục. 9.2.1. Stator (sơ cấp hay phần ứng) Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy. Còn hình 9-3c là ký hiệu động cơ trên sơ đồ điều khiển. 10 9 1 8 2 3 7 4 5 6 Hình 9-1 Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ 1. Lõi thép stato; 2. Dây quấn stato; 3. Nắp máy; ; 4. Ổ bi; 5. Trục máy; 6.Hộp dầu cực; 9- Lõi thép rôto; 8. Thân máy; 9. Quạt gió làm mát; 10. Hộp quạt a) Lõi thép :
158 Lõi thép stator là phần dẫn từ, có dạng hình trụ (hình 9-2b), được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện để giảm tổn hao vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay. Phía trong lõi thép được dập rãnh (hình 9-2a) rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy. b) Dây quấn : Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi sắt. Kiểu dây quấn, hình dạng và cách bố trí dây quấn đã được trình bày ở chương 3 (xem lại chương 3). Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo nên từ trường quay (xem lại chương 5). c) Vỏ máy : .Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang (hình 9-1). iA iA (b) (a) Hình 9-2 Kết cấu stator máy điện không đồng bộ a) Lá thép stator và rotor; b) Lõi thép stator 9.2.2. Rotor (thứ cấp hay phần quay) Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. ĐC (a) (b) (d) Hình 9-3 Cấu tạo rotor động cơ không đồng bộ. a) Dây quấn rotor lồng sóc c) Lõi thép rotor d) Ký hiệu động cơ trên sơ đồ
159 a) Lõi thép: Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài lõi thép dập rãnh (hình 9-2a) để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục. b) Dây quấn: Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu : rotor ngắn mạch còn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn.  Rotor lồng sóc (hình 9-3a) gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát (hình 9-3b). Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch.  Rotor dây quấn (hình 9-4) cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ như dây quấn stator. Dây quấn kiểu nầy luôn luôn đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt. Vành trượt gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt nầy để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ. A Vành trượt B C Chổi than Dây quấn stator Dây quấn rotor (đấu Y hoặc ) (đấu Y) Biến trở Hình 9-4 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn
160 9.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Khi có hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha, tần số f 1, chảy trong dây quấn stator, hệ thống dòng dòng điện này sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n1=60f1/p. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor và cảm ứng trong đó các sđđ E2. Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên sđđ cản ứng E2 sẽ sinh ra dòng điện I2 trong các thanh dẫn rotor. Từ thông do dòng điện nầy sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn rotor I2 tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor (hình 9-5). Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ. Hệ số trượt s của máy Sự khác nhau giữa tốc độ từ trường quay (tốc độ đồng bộ) n1 và tốc độ của rotor n được gọi là tốc độ trƣợc n2, và tỉ số của tốc độ trược trên tốc độ đồng bộ gọi là hệ số trƣợt s. Các biểu thức tương ứng là: n2 = n1 - n (9-4) n1  n s (9-5) n1 Như vậy khi tốc độ của rotor bằng tốc độ từ trường quay (n = n1) thì hệ số trượt s = 0, còn n = 0 thì s = 1; khi n > n1, s < 0 và khi rotor quay ngược chiều từ trường quay n < 0 thì s > 1. 9.3.1. Rotor quay cùng chiều từ trƣờng quay có tốc độ n < n1 (0 < s < 1) Gỉa thiết về chiều quay của từ trường khe hở quay với tốc độ n1 và của rotor quay với tốc độ n như trình bày trên hình 9-5a. Theo qui tắc bàn tay phải, xác định được chiều sđđ E2 và I2; theo qui tắc bàn tay trái, xác định được lực F và moment M. Ta thấy lực F cùng chiều quay của rotor, nghĩa là điện năng đưa tới stator, thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay rotor theo chiều từ trường quay với tốc độ n, như vậy máy làm việc ở chế độ động cơ điện. S S S n1 n1 Fđt n1 Fđt Fđt    Fđt BB n BB n Fđt Fđt n BB N N N (a) (b) (c) Hình 9-5 Quá trình tạo moment của máy điện không đồng bộ
161 Tốc độ rotor của máy n luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rotor không có sđđ và dòng điện cảm ứng, nên lực điện từ bằng không. Khi rotor đứng yên, tốc độ n = 0, hệ số trượt s = 1; khi rotor quay định mức sđm= 0,02  0,08 và từ công thức (9-5), ta có tốc độ động cơ là: 60f1 n = n1(1-s) = (1-s) vg/ph. (9-6) p Như vậy động cơ khi làm việc ở chế độ định mức thường hệ số trượt trong khoảng sđm= 0,02  0,08, như vậy rotor có tốc độ n gần bằng tốc từ trường quay (độ đồng bộ) n1. 9.3.2. Rotor quay cùng chiều từ trƣờng quay nhƣng có tốc độ n > n1 (s < 0) Dùng động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ, n > n1. Lúc đó chiều của từ trường quay quét qua dây quấn rotor sẽ ngược lại, sđđ và dòng điện trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nên chiều của moment M cũng ngược chiều của n1, nghĩa là ngược chiều của rotor, nên đó là moment hãm (hình 9-5b). Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ, do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện, nghĩa là máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát điện. 9.3.3. Rotor quay ngƣợc chiều từ trƣờng quay tức tốc độ n < 0 (s > 1) Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy quay ngược chiều từ trường quay (hình 9-5c), lúc nầy chiều sđđ, dòng điện và moment giống như ở chế độ động cơ. Vì moment sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotor lại. Trong trường hợp nầy, máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vào, vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ. 9.4. PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 9.4.1. Phƣơng trình điện áp ở dây quấn stator. Dây quấn stator của động cơ tương tự như dây quấn sơ cấp máy biến áp, ta có phương trình điện áp là: 1 E U  1  I1 (R 1  jX1 )  E  1  I1Z1 (9-7) trong đó: Z1 = R1 + jX1: tổng trở pha của dây quấn stator. * R1 là điện trở của dây quấn stator. * X1 là điện kháng tản của dây quấn stator. E1 là sđđ pha stator do từ thông của từ trường quay sinh ra có trị số là: E1 = 4,44f1N1kđq1max (9-8) Với N1, là số vòng dây của một pha dây quấn stator kdq1 là hệ số dây quấn của dây quấn stator. max là biên độ từ thông của từ trường quay. f1 là tần số dòng điện trong dây quấn stator.
162 9.4.2. Phƣơng trình điện áp ở dây quấn rotor a. Ảnh hưởng của hệ số trượt đến tần số của rotor Từ trường chính quay với tốc độ n1, rotor quay với tốc độ n theo chiều từ trường quay. Vậy giữa từ trường quay và dây quấn rotor có tốc độ trượt n2: n2 = n1 - n Tần số sđđ và dòng điện trong dây quấn rotor : n 2 p n 1  n n 1p f2     sf1 (9-9) 60 n1 n1 trong đó, s - là hệ số trượt của động cơ không đồng bộ, lúc làm việc ở chế độ tải định mức, thường sđm = 0,02  0,08. Nếu f1 = 50Hz thì f2 = (1-4)Hz b. Ảnh hưởng của hệ số trượt đến sđđ của rotor Sđđ pha cảm ứng trong dây quấn rotor lúc quay E2s là: E2s = 4,44f2N2kdq2max (9-10) Từ công thức (9-13), thế vào (9-14a), ta có: E2s = 4,44sf1N2kdq2max (9-11) Trong đó: N2 là số vòng dây của một pha dây quấn rotor kdq2 là hệ số dây quấn của dây quấn rotor. Khi rotor đứng yên s = 1, tần số f2 = f1. Sđđ cảm ứng trong dây quấn rotor lúc đứng yên E2 là: E2 = 4,44f1N2kdq2max (9-12) So sánh (9-11) và (9-12), ta nhận được: E 2s  sE 2 (9-13) Từ (9-8) và (9-12), ta có tỉ số sđđ pha stator và rotor là : E k dq1 N1 N s ae  1   (9-14) E 2 k dq2 N 2 N r với: ae gọi là hệ số qui đổi sđđ rotor về stator. Ns = kdq1N1 là số vòng dây hiệu dụng của dây quấn stator. Nr = kdq2N2 là số vòng dây hiệu dụng của dây quấn rotor c. Phương trình điện áp ở dây quấn rotor Phương trình cân bằng điện áp ở dây quấn rotor của của động cơ không đồng bộ có được bằng cách phân tích mô hình mạch điện một pha trình bày trên hình 9-6. Để thuận tiện cho việc phân tích, ta giả thiết stator lí tưởng nghĩa là từ trường do nó sinh ra có biên độ và tốc độ quay không đổi, không có tổn hao sắt, đồng và sụt áp trên dây quấn stator. Rotor được thay bằng mạch điện đứng yên gồm điện trở R2, điện kháng X2 và sđđ cảm ứng trong dây quấn rotor E2. Sđđ cảm ứng trong dây quấn rotor do từ trường quay stator có tần số f2 =f1. Mô hình
163 một pha của động cơ rotor dây quấn trình bày trên hình 9-6a, còn nếu động cơ là rotor lồng sóc thì qui đổi về rotor dây quấn tương đương. Từ trường quay stator I jX2 R2 2 1 E 2 Rotor U Stator f2 = f1 (a) Từ trường I jsX2 R2 jsX2 Z2s quay stator 2 sE 2 Rotor f2 = sf1 2 R2 (c) (b) Từ trường quay stator I jX2 R2/s jX2 Z2/s 2 E 2 Rotor 2 R2/s (d) (e) Hình 9-6 Sơ đồ mạch điện tương đương của động cơ điện không đồng bộ với stator lí tưởng và rotor thực Điện trở của rotor R2 phụ thuộc vào chiều dài, tiết diện ngang, điện trở xuất và hiệu ứng mặt ngoài của thanh dẫn rotor, cũng như điện trở điều chỉnh nếu nó là động cơ rotor dây quấn. Điện kháng tản của dây quấn rotor phụ thuộc vào chiều sâu của rãnh, tần số dòng điện trong dây quấn rotor và khe hỡ không khí giữa lõi thép stator và rotor. Điện kháng tản của dây quấn rotor lúc đứng yên (blocked-rotor): X2 = 2f1L2 (9-15) Điện kháng tản của dây quấn rotor lúc quay:
164 X2s = 2f2L2 = 2sf1L2 X2s = sX2 (9-16) trong đó: L2 là điện cảm tản của dây quấn rotor. Giống như MBA, ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch điện rotor lúc quay, nhưng chú ý ở đây là dây quấn rotor ngắn mạch nên U2 = 0, vậy ta có phương trình là: 0E  2s  I 2 (R 2  jX 2s ) (9-17) hay: 0  sE  I (R  jsX )  sE  I Z 2 2 2 2 2 2 2s (9-18) trong đó: Z2s = R2 + jsX2 là tổng trở của dây quấn rotor lúc quay được trình bày trên hình 9-6c, còn R2 là điện trở pha của dây quấn rotor. Từ phương trình (9-18), ta có mạch điện tương đương hình 9-6b, và tính được dòng điện trong dây quấn rotor:  sE 2 I  sE 2  (9-19) Z 2s R 2  jsX 2 2 Ta viết lại (9-19) khi chia tử và mẫu số cho s, ta có như sau:  E 2 I  E 2  (9-20) Z 2s / s R 2 / s  jX 2 2 Từ phương trình (9-20), ta có mạch điện tương đương hình 9-6d. Z Z Giả thiết rằng E 2  E 2 0o và 2  2 2 , ta có: s s  I  E 2  E 2 0  E 2    o (9-21) Z 2s / s Z 2 / s2 Z 2 / s 2 2 Trong đó góc 2 là góc của tổng trở phức Ẕ 2/s trình bày trên hình 9-6e, và cũng chính là góc lệch pha của sđđ E2 và dòng điện I2. Hai tổng trở Ẕ 2s và Ẕ 2/s chỉ khác nhau về môđun nhưng không khác nhau về argumen. Biểu diễn Ẕ 2/s và 2 trong các mối quan hệ hình thành chúng, được trình bày trên hình 9-6e. Từ phương trình (9-21), ta có trị số hiệu dụng dòng điện rotor: sE sE2 I2  2  (9-22) Z 2s R 2  (sX ) 2 2 2 Ta viết lại (9-22) khi chia tử và mẫu số cho s, ta có được trị số hiệu dụng của dòng điện rotor như sau: E2 I2  (9-23) R 2 ( )  X 22 s  X  Và: 2  artg 2  (9-24)  2  R / s
165 VÍ DỤ 9-1 Động cơ không đồng bộ ba pha nối Y có công suất Pđm = 75kW, Uđm = 380V, fđm = 50Hz, 4 cực từ. Khi làm việc với công suất định mức có hệ số trượt s đm = 0,05. Xác định : 1. Tốc độ đồng bộ và tốc độ của rotor. 2. Tốc độ của từ trường quay trong khe hở không khí. 3. Tần số của dòng điện trong dây quấn rotor. 4. Tốc độ trượt. 5. Tốc độ của từ trường rotor so với : + rotor + stator + từ trường quay stator 6. Điện áp cảm ứng trong dây quấn rotor khi máy làm việc định mức. Cho rằng tỉ số biến đổi điện áp ae =2. Bài giải 60f 60  50 1. Tốc độ đồng bộ : n 1    1500 vòng/phút p 2 Tốc độ của rotor : n = (1-s)n1 = (1-0,05)1500 = 1425 vòng/phút 2. Tốc độ của từ trường quay trong khe hở không khí : 60f 60  50 n1    1500 vòng/phút p 2 3. Tần số của dòng điện trong dây quấn rotor : f2 = sf1 = 0,05 x 50 = 2,5 Hz 4. Tôc độ trượt n2 = sn1 = 0,05 x 1500 = 75 vòng/phút. 5. Tốc độ của từ trường rotor so với : + rotor : 75 vòng/phút. + stator : 1500 vòng/phút + từ trường quay stator : 0 vòng/phút 6. Điện áp cảm ứng trong dây quấn rotor khi máy làm việc định mức : E2s = sE2 =s E1/ae 380 = 0,05 x = 5,485 V 32 VÍ DỤ 9-2 Động cơ không đồng bộ ba pha nối Y có công suất Pđm = 18,5kW, Uđm = 380V, fđm = 50Hz, 6 cực từ. Điện trở và điện kháng tương ứng của rotor là 0,1 /pha và o,54 /pha. Khi làm việc với công suất định mức có tốc độ nđm = 970 vòng/phút. Nếu sđđ pha khi rotor đứng yên là 150V. Hãy xác định : 1. Tốc độ đồng bộ và hệ số trược định mức. 2. Dòng điện trong dây quấn rotor. 3. Dòng điện trong dây quấn rotor nếu giảm tải đến hệ số trượt còn 0,02. Tính tốc độ quay lúc này.
166 Bài giải 60f 60  50 1. Tốc độ đồng bộ : n1    1000 vòng/phút p 3 Hệ số trượt định mức: n  n 1000  970 s đm  1   0,03 n1 1000 2. Dòng điện trong dây quấn rotor lúc s = 0,03: I  E 2 150 0 o   44,4  9,2 o A R 2 / s  jX 2 0,1 / 0,03  j0,54 2 3. Dòng điện trong dây quấn rotor lúc s = 0,02: I  E 2 150 0 o   29,83  6,16 o A R 2 / s  jX 2 0,1 / 0,02  j0,54 2 Tốc độ của rotor : n = (1-s)n1 = (1-0,02)1000 = 980 vòng/phút 9.4.3. Phƣơng trình stđ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ làm việc, từ trường quay trong máy do dòng điện của cả hai dây quấn sinh ra. Dòng điện trong dây quấn stator sinh ra từ trường quay stator quay với tốc độ n1 so với stator. Dòng điện trong dây quấn rotor sinh ra từ trường quay rotor quay với tốc độ n2 so với rotor bằng: 60f 2 60f1s n2 =   s n1 (9-25) p p Vì rotor quay đối với stator có tốc độ n, nên từ trường rotor sẽ quay đối với stator có tốc độ là : n2 + n = sn1 + n = sn1 + n1(1-s) = n1 Vậy từ trường quay stator và từ trường quay rotor quay cùng tốc độ n 1, nên từ trường tổng hợp là từ trường quay với tốc độ n1. Từ thông max trong máy điện không đồng bộ có trị số hầu như không đổi ứng với chế độ không tải và có tải. Do đó ta có thể viết phương trình sức từ động của động cơ như sau: m1kdq1N1 I1 - m2kdq2N2 I 2 = m1kdq1N1 I 0 (9-26) trong đó: I0 là dòng điện stator lúc không tải; I1, I2 là dòng điện stator và rotor khi có tải; m1, m2 là số pha của dây quấn stator và rotor; kdq1, kdq2 là hệ số dây quấn của dây quấn stator và rotor. Chia hai vế cho m1N1kdq1 và đặt: I 2 I  2  I '2 , m 1 N1k dq1 a i m 2 N 2 k dq2 ta có: I1  I 0  I '2 (9-27)
167 Trong đó, I '2 là dòng điện rotor qui đổi về stator, còn hệ số qui đổi dòng điện rotor về stator là: m 1k dq1 N1 ai  (9-28) m 2 k dq2 N 2 9.5. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán các quá trình năng lượng, ta thay thế động cơ điện không đồng bộ bằng mô hình mạch điện tương đương gồm các tham số của máy, hệ số trượt, nguồn điện đặt vào dây quấn stator như trình bày trên hình 9-7a, gọi là mạch điện thay thế động cơ điện không đồng bộ. Mạch điện rotor như đã thấy ở hình 9-6d, còn mạch điện stator tương đương phương trình cân bằng điện áp phía stator (9-7), gồm điện trở của dây quấn stator R1, điện kháng tản của dây quấn stator X1, điện trở Rfe đặt trưng cho tổn hao sắt trong lõi thép và điện kháng từ hóa XM đặt trưng cho thành phần từ hóa của đòng điện không tải. Mô hình mạch điện động cơ không đồng bộ trình bày trên hình 9-7a giống như mạch điện thay thế MBA đã biết ở chương 2, trong đó điện trở và điện kháng tản của động cơ giống như dây quấn sơ cấp và thứ cấp MBA. Do giống nhau như vậy nên sử dụng mạch điện thay thế MBA đã nghiên cứu cho động cơ không đồng bộ. Vì vậy mạch điện thay thế hình 9-7a có thể bỏ qua hai nhánh song song thay cho máy lí tưởng và các tham số qui đổi về phía stator được trình bày trên hình 9-7b, nghĩa là để nối trực tiếp dây quấn rotor về dây quấn stator thì sđđ E2 phải bằng sđđ E1, vì vậy ta phải qui đổi rotor về stator. Để qui đổi, ta nhân phương trình (9-20) với ae, chia và nhân số hạng thứ hai với ai, ta có: I R 0  a e E 2  2 ( 2 a e a i  jX 2 a e a i ) (9-29a) ai s ' R 0  E '2  I '2 ( 2  jX '2 ) (9-29b) s 1 s 0  E '2  I '2 (R '2  R '2  jX '2 ) (9-29c) s trong đó: E’2 = aeE2 =E1 là sđđ pha rotor qui đổi về stator; I2’= I2/ai là dòng điện rotor qui đổi về stator; R2’= R2aiae = a2R2 là điện trở dây quấn rotor qui đổi về stator; X2’= X2aiae = a2X2 là điện kháng dây quấn rotor qui đổi về stator; a2 = aiae là hệ số qui đổi tổng trở; còn điện trở R2’/s phân ra làm hai thành phần: R '2 R ' (1  s)  R '2  2  R '2  Rcơ (9-30) s s và Rcơ = R’2(1-s)/s (9-31) Với Rcơ gọi là điện trở cơ giả tưởng, năng lượng tiêu tán trên điện trở này tương đương năng lượng điện từ biến thành cơ năng trên trục động cơ khi rotor quay. Từ hình 9-7b, ta có các tổng trở, phương trình như sau:
168 R '2 R fe  jX M Z '2s   jX '2 ; Z0  s R fe  jX M Z '2s  Z 0 ZP  ; ZV  Z1  ZP Z '2s  Z 0  ' I  U1 ; E '2  E 1 ; I  E 2 (9-32) 1 2 ZV Z '2s   E  I Z U1 1 1 1 (1  s ) 0  E '2  I '2 (R '2  R '2  jX '2 ) s I1  I 0  I 2 ' Máy R2/s Lý tưởng I 2 R1 jX1 R’2 jX2 + I o I 1 I I  E 1 fe M 1 U E 2 Rotor Rfe jXM _ (a) Từ trường Z1 quay stator R1 jX1 I '2  I 2 / a i jX’2 R’2 + I I o 1 I I 1 s  1 ZV U ZP E 1 fe M Z0 R '2 Rfe jXM s _ (b) Hình 9-7 Mạch điện thay thế của động cơ điện không đồng bộ; a) Mạch điện thay thế động cơ điện không đồng bộ rotor và stator rời nhau; b) Mạch điện thay thế động cơ điện không đồng bộ với các tham số qui đổi về stator Ta thấy mạch điện thay thế động cơ điện không đồng bộ khi rotor quay trên hình 9-7b giống như mạch điện thay thế máy biến áp, ở đây dây quấn sơ cấp máy biến áp là dây quấn stator, dây quấn thứ cấp máy biến áp là dây quấn rotor và phụ tải máy biến áp là điện trở cơ giả tưởng Rcơ =R’2(1-s)/s, đây là điện trở đặc trưng cho công suất cơ Pcơ của động cơ.
169 9.6. CÁC DẠNG KHÁC CỦA MẠCH ĐIỆN THAY THẾ Để thuận tiện cho việc tính toán, sơ đồ hình 9-7 được xem gần đúng tương đương với sơ đồ hình 9-8a, khi chuyển nhánh từ hóa về nối trực tiếp với điện áp nguồn U1 cũng được sử dụng nhiều trong tính toán động cơ điện không đồng bộ. Ngoài ra, nếu làm một vài phép biến đổi đơn giản, ta có sơ đồ thay thế như hình 9-8b,c, trong đó: R n  R 1  R '2 (9-33) Xn  X 1  X '2 Từ sơ đồ mạch điện thay thế có thể tính dòng điện stator, dòng điện rotor, moment, công suất cơ... và những tham số khác. Như vậy ta đã chuyển việc tính toán một hệ Điện - Cơ về việc tính toán mạch điện đơn giản. R1 jX1 I R1 jXn I jX’2 1 1 + I + I o I '2 o I '2 I I R '2 1 I I R '2 1 U fe M U fe M Rfe jXM s Rfe jXM s _ _ (a) (b) I Rn jXn 1 + I o I '2 I I 1 s 1 U fe M R '2 Rfe jXM s _ (b) Hình 9-8 Sơ đồ thay thế gần đúng máy điện không đồng bộ Trong máy điện không đồng bộ, do có khe hở không khí lớn nên tồn tại dòng điện từ hóa lớn, khoảng (30-50)%Iđm. Điện kháng tản X1 cũng lớn. Trong trường hợp như vậy điện kháng từ hóa XM không nên dịch chuyển về đầu nguồn (hình 9- 8) mà giữ nguyện vị trí và bỏ qua điện trở Rfe như trình bày trên hình 9-9. Ở đây bỏ qua điện trở Rfe không có nghĩa là bỏ qua tổn hao sắt mà gộp nó vào tổn hao cơ và tổn hao phụ, gọi chung là tổn hao không tải. Mạch điện thay thế hình 9-9 do I EEE (đọc là I ba E) đề xướng. Ở đây sđđ E1 vẫn khác so với U1.
170 R1 jX1 I '2 jX’ R’2 2 + I I o 1 1 s 1 U R '2 jXM s _ Hình 9-9 Mạch điện thay thế IEEE 9.7. QUÁ TRÌNH NĂNG LƢỢNG TRONG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Động cơ điện không đồng bộ nhận điện năng từ lưới điện, nhờ từ trường quay điện năng đã được biến đổi thành cơ năng trên trục động cơ. Công suất tác dụng động cơ điện nhận từ lưới điện : P1 = m1U1I1cos1. (9-34) Trong đó: U1, I1 là điện áp pha và dòng điện pha, còn 1 là góc lệch pha của dòng điện và điện áp pha; m1 là số pha của dây quấn stator. Công suất này một phần bù vào: + tổn hao đồng trên dây quấn stator pCu1 = m1I21R1 + tổn hao sắt thép trong lõi thép: pFe = m1I2feRfe. Công suất còn lại gọi là công suất điện từ truyền qua rotor: R' Pđt = P1 - (pCu1+pFe) = m 1I '22 2 (9-35) s p Pât  Cu 2 hay p Cu 2  sPât (9-36) s pCu1 P fe pCu2 pq P1 Pđt Pcơ P2 Hình 9-10 Giản đồ năng lượng động cơ không đồng bộ (P) Công suất điện từ truyền qua rotor, sau khi mất một phần vì tổn hao đồng trên dây quấn rotor: pCu2 = m1I’22R’2. Còn lại là công suất cơ trên trục:
171 R '2 1 s Pcơ = Pđt - pCu2 = m 1I '22 - m1I’22R’2 = m 1I '22 R '2 (9-37) s s 1 s Pcå  p Cu 2  (1  s )Pât (9-38) s Công suất cơ sau khi trừ đi tổn hao quay pq, còn lại là công suất có ích trên trục hay công suất ra của động cơ điện: P2 = Pcơ - pq Trong đó, tổn hao quay pq gồm tổn hao cơ và tổn hao phụ. Tổn hao cơ là tổn hao do ma sát ở ổ bi và nếu động cơ rotor dây quấn có thêm ma sát giữa chổi than và vành trượt; tổn hao do quạt gió để làm mát máy; còn tổn hao phụ tỉ lệ bình phương với dòng điện rotor bao gồm tổn hao dòng điện xoáy ở dây quấn stator do từ thông tản stato, ở phần đầu nối, tấm chắn phần đầu nối, và các phần khác ở phần đầu nối do từ thông phụ, tổn hao ở rotor do dòng điện sóng bậc cao stator sinh ra. Tổng tổn hao trong động cơ điện không đồng bộ: p = pCu1+ pFe + pCu2 + pq (9-39) Hiệu suất của động cơ điện là tỉ số công suất ra và công suất vào:  P2  1 p (9-40) P1 P1 VÍ DỤ 9-3 Động cơ không đồng bộ ba pha nối Y có công suất Pđm = 11kW, Uđm = 380V, fđm = 50Hz, 4 cực từ, nđm = 1440 vòng/phút. Tổn hao quay (quạt gió, ma sát và phụ ) là 750W. Xác định : 1. Công suất cơ ? 2. Công suất điện từ ? 3. Tổn hao đồng trong dây quấn rotor ? Bài giải 1. Công suất cơ của động cơ : Công suất cơ = Công suất trên đầu trục + Tổn hao quay = 11000 + 750 = 11750W 2. Công suất điện từ : Tốc độ đồng bộ : 60f 60  50 n1    1500 vòng/phút p 2 n  n 1500  1440 Hệ số trược : s 1   0,04 n1 1500 P 11750 Công suất điện từ : Pât  cå   12240 W 1  s 1  0,04
172 3. Tổn hao đồng trong dây quấn rotor : pCu2 = sPđt = 0,04 x 1224 = 489,6 W VÍ DỤ 9-4 Động cơ không đồng bộ ba pha có công suất Pđm = 15hp, điện áp Uđm = 460V, nối Y, tần số fđm = 60Hz, 6 cực từ. Khi làm việc với công suất định mức có tốc độ nđm = 1185 vòng/phút. Tổn hao quay là 166W và các tham số tính trên một pha như sau: R1 = 0,2 ; R’2 = 0,25 ; Rfe = 42 ; ’ X1 = 1,2 ; X 2 = 1,29 ; XM = 317 ; Hãy xác định : 1. Hệ số trược định mức. 2. Dòng điện trong dây quấn stator, rotor, không tải và hệ số công suất của động cơ. 3. Các công suất tiêu thụ từ lưới điện. 4. Các tổn hao. 5. Công suất điện từ và công suất cơ và trên trục (đầu ra). 6. Hiệu suất của máy. Bài giải 60f 60  60 1. Tốc độ đồng bộ : n1    1200 vòng/phút p 3 Hệ số trượt định mức: n  n 1200  11850 s đm  1   0,0125 n1 1200 2. Dòng điện stator và rotor R '2 0,25 Z '2s   jX '2   j1,29  20  1,29 j  20,042 3,69 0  ; s 0,0125 R fe  jX M 317 .( 4290 0 ) Z0    41,636 82,453 0  R fe  jX M 317  42 j Z '2s  Z 0 20,042 3,69 o  41,636 82,453 0 ZP    16,823 20,034 0 Ω Z '2s  Z0 20,042 3,69  41,636 82,453 o 0 ZV  Z1  ZP = (0,2+1,2j)+ 16,82320,0340 = 17,5730,230    U đm 0 0  460 0 0  265 ,580 0 V Giả thiết: U1 3 3  I  U1  265 ,580  15,11  30,23 0 A ; 0 1 Z V 17,57 30,23 0  ' 2  I  Z  15,11  30,230 16,82320,034 0  254 ,23  3,19 o V E 1 P
173 ' I ' 2  E 2  254 ,23  3,19  12,69  6,88 o A 0 Z '2s 20,042 3,69 0 I  I  I '  15,11  30,230  12,69  6,88 0  6,1044   85,710 A o 1 2 3. Các công suất tiêu thụ từ lưới điện: ~  I *  3  265 ,58  15,1130,23 0  S  3U 1 1  12040 30,23 0  10404  j6062 VA Vậy: P1 = 10.040W = 10,04 kW Q1 = 6.062 VA = 6,062 kVAr S1 = 12.040 VA = 12,040 kVA 4. Các tổn hao: pCu1 = 3R1.I12 = 3 x 0,2 x 15,112 = 137,03  137 W pCu2 = 3R’2.I2’2 = 3 x 0,25 x 12,692 = 120,69  121 W pfe = 3Rfe.Ife2 = 3 x E2’2/Rfe = 3 x 254232/317 = 611,68  612 W p = pCu1 + pCu1 + pfe + pq = = 137,03 + 120,69 + 611,68 +166 = 1035 W 5. Công suất điện từ và công suất cơ và trên trục: p Cu 2 120 ,69 Pđt    9655 W s 0,0125 Pcơ = (1-s)Pđt = (1-0,0125) x 9655 = 9534W P2 = P1 -p = 10040 – 1,035 = 9005W 6. Hiệu suất của động cơ là: P2 9005    0,8969 hay 89,69% P1 10040 9.8. MOMENT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Thường lợi dụng mạch điện thay thế để tính moment điện từ theo hệ số trượt. Từ mạch điện thay thế hinh 9-9, biến đổi thành mạch điện tương đương hình 9- 11. Bên trái a-b hình 9-11, theo Thévenin, ta có : ZTh = (R1 + jX1)//jXM = RTh + jXTh. (9-41)  U  jX M U (9-42) R 1  j(X1  X M ) Th 1 Thường trong máy điện không đồng bộ : R1
174 XM R Th  ( ) 2 R 1  K Th 2 R1 (9-44) X1  X M XM X Th  X1  K Th X1  X1 vì X1