Kỹ thuật điện_ Phần 2.9

Chia sẻ: Vu Xuan Thanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

183
lượt xem 89
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo môn kỹ thuật điện_ Phần 2.9 " Máy điện không đồng bộ" dành cho các bạn học viên, sinh viên đang theo học các ngành liên quan đến điện- điện tử.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật điện_ Phần 2.9

CHƯƠNG 9 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 9.1 MỞ ĐẦU Loại máy điện quay đơn giản nhất là loại máy điện không đồng bộ (dị bộ). Máy điện dị bộ có thể là loại 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha, nhưng phần lớn máy điện dị bộ 3 pha có công suất từ một vài oát tới vài me ga oát, có điện áp từ 100V đến 6000V. Căn cứ vào cách thực hiện rô to, người ta phân biệt 2 loại: loại có rô to ngắn mạch và loại rô to dây quấn. Cuộn dây rô to dây quấn là cuộn dây cách điện, thực hiện theo nguyên lý của của cuộn dây dòng xoay chiều Cuộn dây rô to ngắn mạch gồm một lồng bằng nhôm đặt trong các rãnh của mạch từ rô to, cuộn dây ngắn mạch là cuộn dây nhiều pha có số pha bằng số rãnh. Động cơ rô to ngắn mạch có cấu tạo đơn giản và rẻ tiền, còn máy điện rô to dây quấn đắt hơn, nặng hơn nhưng có tính năng động tốt hơn, do có thể tạo các hệ thống khởi động và điều chỉnh. 9.2 CẤU TẠO Máy điện quay nói riêng và máy điện không đồng bộ nói riêng gồm 2 phần cơ bản: phần quay (rô-to) và phần tĩnh (stato). Giữa phần tĩnh và phần quay là khe khí. Dưới đây chúng ta nhiên cứu từng phần riêng biệt. 9.2.1 Cấu tạo của stato Stato gồm 2 phần cơ bản là mạch từ và mạch điện. a.Mạch từ: Mạch từ của stato được ghép bằng các lá thép điện kỹ thuật có chiều dày khoảng 0,3-0,5mm, được cách điện 2 mặt để chống dòng Fucô. Lá thép stato có dạng hình vành khăn (hình 9.1), phía trong được đục các rãnh. để giảm dao động từ thông, số rãnh stato và rô to không được bằng nhau . a) b) Hình 9.1 Lá thép stato và rô to máy điện dị bộ: 1-Lá thép stato, 2-Rãnh, 3-Răng, 4-Lá thép rô to 92
Ở những máy có công suất lớn, lõi thép được chia thành từng phần (section) nhằm tăng khả năng làm mát của mạch từ. Các lá thép được ghép lại với nhau thành hình trụ. Mạch từ được đặt trong vỏ máy. Vỏ máy được làm bằng gang đúc hay thép. Để tăng diện tích tản nhiệt, trên vỏ máy có đúc các gân tản nhiệt. Ngoài vỏ máy còn có nắp máy, trên nắp máy có giá đỡ ổ bi. Tuỳ theo yêu cầu mà vỏ máy có đế để gắn vào bệ máy hay nền nhà hoặc vị trí làm việc. Trên đỉnh có móc để giúp di chuyển thuận tiện. Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây. b.Mạch điện của stato Mạch điện là cuộn dây máy điện ta đã trình bày ở phần trên. 9.2.2 Cấu tạo của rô to Mạch từ. Giống như mạch từ stato, mạch từ rô to cũng gồm các lá thép điện kỹ thuật cách điện đối với nhau có hình như hình 9.1. Rãnh của rô to có thể song song với trục hoặc nghiêng đi một góc nhất định nhằm giảm dao động từ thông và loại trừ một số sóng bậc cao. Các là thép điện kỹ thuật được gắn với nhau thành hình trụ Ở tâm lá thép mạch từ được đục lỗ để xuyên trục, rô to gắn trên trục. Ở những máy có công suất lớn rô to còn đục các rãnh thông gió dọc thân rô to. Mạch điện Mạch điện rô to được chia làm 2 loại: loại rô to lồng sóc và rô to dây quấn. Loại rô to lồng sóc (ngắm mạch) Mạch điện của loại rô to này được làm bằng nhôm hoặc đồng thau. Nếu làm bằng nhôm thì được đúc trực tiếp vào rãnh rô to, 2 đầu được đúc 2 vòng ngắn mạch, cuộn dây hoàn toàn ngắn mạch, chình vì vậy gọi là rô to ngắn mạch. Nếu làm bằng đồng thì được làm thành các thanh dẫn và đặt vào trong rãnh, hai đầu được gắn với nhau bằng 2 vòng ngắn mạch cùng kim loại. Bằng cách đó hình thành cho ta một cái lồng chính vì vậy loại rô to này còn có tên rô to lồng sóc. Loại rô to ngắn mạch không phải thực hiện cách điện giữa dây dẫn và lõi thép (xem hình 8.22). -Loại rô to dây quấn(Hình 9.1b) Mạch điện của loại rô to này thường làm bằng đồng và phải cách điện với mạch từ. Cách thực hiện cuộn dây này giống như thực hiện cuộn dây máy điện xoay chiều đã trình bày ở phần trước. Cuộn dây rô to dây quấn có số cặp cực và pha cố định. Với máy điện 3 pha, thì 3 đầu cuối được nối với nhau ở trong máy điện, 3 đầu còn lại được dẫn ra ngoài và gắn vào 3 vành trượt đặt trên trục rô to, đó là tiếp điểm nối với mạch ngoài. 9.2.3 Bẳng định mức của máy điện Ở trên vỏ máy người ta gắn bản định mức với nội dung sau: 1. Điện áp định mức 2. Dòng điện định mức 93
3.Tốc độ định mức 4.Hệ số định mức Ngoài ra còn cho một vài thông số nữa Giá trị điện áp và dòng cho ở bảng định mức liên quan tới cách nối dây cuộn dây stato. Cuộn dây stato có thể nối sao hoặc tam giác. Cách nối sao hoặc tam giác được thực hiện như sau: Ở hộp nối dây thường có 6 cọc và 3 thanh đồng có đục sẵn 3 lỗ (hình 9.3a). Nếu muốn nối sao ta chụm 3 phiến đồng ở 3 cọc, 3 đầu còn lại là trụ nối với điện áp nguốn. Nếu nối tam giác thì ta dựng 3 phiến đồng đó lên như hình 9.3c a) A B C A B C X Y Z X Y Z Z X Y Z X Y Hộp đấu Hộp đấu dây c) dây b) Hình 9.2 Cách đấu dây ở bảng đấu dây a) Phiến đồng, b) Cuộn dây nối sao, c) Cuộn dây nối tam giác. 9.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN DỊ BỘ Để xét nguyên lý làm việc của máy điện dị bộ, ta lấy mô hình máy điện 3 pha gồm 3 cuộn dây đặt cách nhau trên chu vi máy điện một góc 1200 , rô to là cuộn dây ngắn mạch (hình 8.6). Khi cung cấp vào 3 cuộn dây 3 dòng điện của hệ 94
thống điện 3 pha có tần số là f1 thì trong máy điện sinh ra từ trường quay với tốc độ 60f1/p. Từ trường này cắt thanh dẫn của rô to và ststo, sinh ra ở cuộn stato sđđ tự cảm e1 và ở cuộn dây rô to sđđ cảm ứng e2 có giá trị hiệu dụng như sau: E1=4,44W1φ f1kcd E2=4,44W2φ f1kcd Do cuộn rô to kín mạch, nên sẽ có dòng điện chạy trong các thanh dẫn của cuộn dây này. Sự tác động tương hỗ giữa dòng điện chạy trong dây dẫn rô to và từ trường, sinh ra lực, đó là các ngẫu lực (2 thanh dẫn nằm cách nhau đường kính rô to) nên tạo ra mô men quay. Mô men quay có chiều đẩy stato theo chiều chống lại sự tăng từ thông móc vòng với cuộn dây. Nhưng vì stato gắn chặt còn rô to lại treo trên ổ bi, do đó rô to phải quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường. Tuy nhiên tốc độ này không thể bằng tốc độ quay của từ trường, bởi nếu n=n tt thì từ trường không cắt các thanh dẫn nữa, do đó không có sđđ cảm ứng, E2=0 dẫn đến I2=0 và mô men quay cũng bằng không, rô to quay chậm lại, khi rô to chậm lại thì từ trường lại cắt các thanh dẫn, nên lại có sđđ, lại có dòng và mô men, rô to lại quay. Do tốc độ quay của rô to khác tốc độ quay của từ trường nên xuất hiện độ trượt và được định nghĩa như sau: ntt − n s%= n 100% (9.1) tt Do đó tốc độ quay của rô to có dạng: n = ntt(1-s) (9.2) Bây giờ ta hãy xem dòng điện trong rô to biến thiên với tần số nào. Do n≠ ntt nên (ntt-n) là tốc độ cắt các thanh dẫn rô to của từ trường quay. Vậy tần số biến thiên của sđđ cảm ứng trong rô to biểu diễn bởi: (ntt − n) p ntt (ntt − n) p ntt p (ntt − n) f2= = = = sf1 (9.3) 60 ntt 60 60 ntt Khi rô to có dòng I2 chạy, nó cũng sinh ra một từ trường quay với tốc độ: 60 f 2 60 sf1 ntt2 = = =sntt (9.4) p p So với một điểm không chuyển động của stato, từ trường này sẽ quay với tốc độ : ntt2s = ntt2+n = sntt+n = sntt+ntt(1-s)=ntt Như vậy so với stato, từ trường quay của rô to có cùng giá trị với tốc độ quay của từ trường stato. 9.4 CÁC LOẠI CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN DỊ BỘ Máy điện dị bộ có thể làm việc ở những thể loại sau: 1. Động cơ 95
Chế độ chúng ta vừa nghiên cứu trên là chế độ động cơ của máy dị bộ. Ở chế độ này động cơ nhận điện năng từ lưới điện và biến thành cơ năng để chuyển ra tải. Động cơ có tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ từ trường, quay cùng chiều với từ trường. Ta sẽ bàn kỹ hơn chế độ này ở phần sau. 2.Chế độ máy phát Vẫn với mô hình máy điện dị bộ trên, nếu bây giờ ta gắn vào trục máy điện một máy lai ngoài (ví dụ động cơ di-e-zen) và quay rô to với tốc độ n cùng chiều từ trường nhưng có giá trị lớn hơn tốc độ từ trường, thì thứ tự cắt các thanh dẫn của rô to sẽ ngược với thứ tự cắt ta vừa nghiên cứu. Sđđ cảm ứng trong các thanh dẫn đổi chiều, dòng điện cũng đổi chiều, trước đây chạy từ lưới vào máy điện thì bây giờ dòng điện chạy từ máy điện về lưới điện. Ta có chế độ máy phát. Độ trượt bây giờ tính như sau: ntt − n s= ntt ntt . 3.Chế độ máy hãm Nếu bây giờ có một lực từ bên ngoài, kéo trục máy dị bộ quay ngược với chiều quay của từ trường, thì sđđ xuất hiện trong các thanh dẫn rô to đổi chiều, làm cho chiều dòng rô to cũng đổi, nên mô men do động cơ sinh ra đổi chiều. Trước đây mô men và tốc độ cùng chiều, còn bây giờ chiều của mô men và chiều của tốc độ ngược nhau, ta có chế độ hãm điện. Vì n = -n nên bây giờ độ trượt có giá trị: ntt − (−n) s= ntt >1 4.Chế độ biến áp Nếu máy điện dị bộ rô to dây quấn để hở cuộn dây rô to, thì khi cấp điện cho mạch stato, từ trường quay stato cắt các cuộn dây rô to và sinh ra sđđ trong các cuộn dây theo nguyên tắc của máy biến áp. Giá trị hiệu dụng của các sđđ này như sau: E1=4,44kcd1φ W1f1 (9.5) E2=4,44kcd2φ W2f1 Trong đó kcd1 và kcd2 là hệ số cuộn dây phía sơ cấp và thứ cấp. Vì mạch rô to hở, nên không có dòng chạy và không có mô men. Máy điện dị bộ làm việc như máy biến áp. Nếu ta khép mạch rô to, nhưng giữ cho rô to không quay thì tần số của sđđ cảm ứng trong mạch rô to f1=f2, ta vẫn có chế độ biến áp. Máy dị bộ có rô to không quay làm việc như máy biến áp, trong thực tế được dùng như bộ dịch pha hoặc bộ điều chỉnh điện áp. Tuy nhiên cần lưu ý, khi rô to động cơ không quay, máy điện bị đốt nóng do phương pháp làm mát bị thay đổi và tổn hao ở lõi thép tăng đột ngột vì Máy hãm Động cơ Máy phát n -n1 0 n1 2n1 Biến áp 96 Không tải s 2 1 0 -1 Hình 9.3 Các thể loại chế độ làm việc của máy điện dị
độ trượt tăng (s=1). Lúc này thường phải giảm dòng bằng giảm điện áp. Máy dị bộ làm việc như máy biến áp, nên có thể cấp nguồn từ phía rô to. Các loại chế độ làm việc của máy điện dị bộ biểu diễn trên hình 9.3 9.5 MÁY ĐIỆN DỊ BỘ LÀM VIỆC VỚI RÔ TO HỞ Máy điện không đồng bộ có rô to hở, chỉ có ở loại máy điện dị bộ rô to dây quấn. Vì máy điện nhiều pha có đặc điểm là các pha đói xứng, do đó ta chỉ cần nghiên cứu một pha cho máy điện nhiều pha. Để đơn giản cho nghiên cứu ta giả thiết rằng sự phân bố của từ trường ở khe khí có dạng hình sin, có nghĩa là bỏ qua các sóng bậc cao. Trong trường hợp này, dòng điện và điện áp được xác định bằng giá trị hiệu dụng, còn giá trị stđ và từ thông là giá trị biên độ. Khi rô to hở , dòng rô to bằng không, rô to không quay. Máy điện dị bộ hoàn toàn như một biến áp, trong đó phía sơ cấp là stato còn phía thứ cấp là rô to. Khi cung cấp cho 3 cuộn dây bằng 3 dòng điện của hệ thống 3 pha, thì sẽ có từ trường quay. Từ trường quay cắt các thanh dẫn stato và rô to tạo ra sđđ cảm ứng e1 và e2 theo nguyên tắc của máy biến áp, giá trị hiệu dụng của chúng biểu diễn bằng biểu thức (9.5). Như ở máy biến áp, ngoài từ thông chính còn có từ thông tản, liên quan với nó là X1(X1=ω Lt1). Điện trở thuần cuộn dây stato là R1, vậy phương trình cân bằng sđđ ở chế độ này như sau: • • • • U 1 = − E1 + I 10 R1 + j I 10 X 1 (9.6) Hay • • • U 1 = − E1 + I 10 Z1 (9.6a) Trong đó Z1= R1 + jX 1 -là tổng trở mạch stato. Cần lưu ý rằng khe khí của máy điện dị bộ lớn hơn của máy biến áp (chỉ là chỗ tiếp xúc của các lá thép) nên dòng không tải của máy biến áp nhỏ hơn dòng không tải của máy điện dị bộ rất nhiều, cụ thể dòng không tải của máy biến áp có giá trị I0 = (0,3-0,1)Iđm, còn dòng không tải của máy điện dị bộ có giá trị I0=(0,3- 0,5)Iđm (số to cho máy công suất nhỏ, số nhỏ cho máy công suất lớn). Để giảm dòng không tải ở máy điện dị bộ ta giảm khe khí tới mức có thể. Do dòng I2=0, công suất nhận vào bây giờ chuyển cả thành tổn hao ở phía sơ cấp nghĩa là: P10=∆PCu1 + ∆PFe1 (9.10) Trong đó ∆PCu1=R1I10 là tổn hao đồng cuộn dây sơ cấp, ∆PFe1 là tổn hao lõi 2 thép phía stato. 97
Hệ số biến áp của máy dị bộ tính như sau: E k 4,44W f φ k W ku= E = k 4,44W f φ = k W 1 cd 1 1 1 cd 1 1 (9.11) 2 c2 2 1 c2 2 Đồ thị véc tơ của máy dị bộ ở chế độ này giống như máy biến áp. 9.6 ĐỘNG CƠ DỊ BỘ CÓ RÔ TO QUAY. 9.6.1 Phương trình cân bằng sđđ Khi cấp cho stato máy điện dị bộ một điện áp U1 (với máy dị bộ rô to dây quấn cuộn dây phải được nối tắt lại với nhau, hoặc nối qua các điện trở ngoài), thì trong rô to có dòng điện chạy (I2≠ 0), sẽ làm xuất hiện mô men quay và quay rô to với tốc độ n
Khi động cơ dị bộ không quay, nó là một biến áp ngắn mạch phía thứ cấp, tần số ở stato bằng tần số ở rô to. Khi rô to quay tần số phía sơ cấp và phía thứ cấp khác nhau. Để só thể sử dụng sơ đồ tương đương của máy biến áp ta phải biến đổi để tần số của 2 phía bằng nhau. (Ở máy biến áp tần số phía sơ cấp bằng tần số phía thứ cấp). Muốn thế ta thực hiện mhư sau: Ta có: X2 = ω Lt2 =2πf2Lt2 =2πsf1Lt2 Đặt X20=2πf1Lt2 Vậy: X2=sX20 (9.15) Thay (9.12) và (9.15) vào (9.14) ta được: sE20 E20 = I2 = R2 + ( sX 20 ) 2 2 R 2 (9.14a)   + ( X 20 ) 2  s 2 Do X20 và E20 có tần số là f1 nên dòng stato và dòng rô to có cùng tần số f 1. Theo (9.14a) mạch rô to có thể biểu diễn như hình 9.4. X20 E20 R2 Hình 9.4 Sơ đồ tương đương mạch rô to có f1=f2=const tần số dòng điện bằng tần số dòng ở stato s Tuy mạch rô to đã có tần só bằng tần số stato, nhưng chúng ta chưa thể nối mạch rô to với mạch stato vì giá trị điện áp mạch rô to còn khác với mạch stato. Để cho điện áp phía rô to bằng phía stato giống như biến áp, ta thực hiện tính qui đổi theo nguyên tắc của biến áp. Cụ thể: -Điện áp qui đổi: kcd 1W1 E’2= E1= 4,44kcd1W1φ f1= kuE2 = k W E2 (9.14b) c2 2 -Dòng điện qui đổi: Giá trị dòng qui đổi được tính dựa trên nguyên tắc đảm bảo sự không đổi về công suất tác dụng, tức là: m2I2E2cosϕ 2= m1I’2E’2cosϕ 2 Từ đây ta có: m2 I 2 E2 m2 kcd 2W2 I’2= = I =k I m1 E '2 m1kcd 1W1 2 i 2 m1kcd 1W1 m1 Trong đó ki = m k W = m ku và gọi là hệ số truyền dòng điện 2 cd 2 2 2 -Điện trở qui đổi: 99
Sự qui đổi điện trở dựa trên cơ sở bằng nhau về tổn hao, về công suất tác dụng, cụ thể: m2I 2 R2= m1I’ 2 R’2 do đó: 2 2 m1 I 22 m1 R2’ = m 2 R2 = m ki2R2=kukiR2 2 I '2 2 Tương tự cho X2 X2= kukiX2 Ta có sơ đồ tương đương như sau: Iµ I1 R1 X1 I0 I X’2 I’2 Fe E1 = E2’ U1 Xµ RFe R '2 a) s I1 R1 X1 I0 I X’2 I’2 Iµ Fe 1− s U1 Xµ E1 = E2’ RFe R '2 b) s I1 R1 X1 I0 X’2 R’2 I’2 E1 = E2’ R0 R '2 c) U1 s X0 I1 R1 X1 X’2 R’2 I’2 R '2 d) U1 I0 R1 X1 s R0 X0 Hình 9.5 Sơ đồ tương đương máy biến áp khi tải :a,b) Sơ đồ mắc song 100 song, c) Sơ đồ mắc nối tiếp. d) Sơ đồ đơn giản
Hình 9.5a là sơ đồ song song. Vì R’2/s= R’2+R’2(1-s)/s nên ta có thể chuyển sơ đồ hình 9.5a sang hình 9.5b. Sơ đồ hình 9.5c là sơ đồ hình chữ T, đó là sơ đồ được dùng nhiều hơn, còn sơ đồ song song được dùng nhiều ở máy biến áp. Do Z1= R1 + jX 1 rất nhỏ nên ta có thể nhận E1≈ U1 và được sơ đồ hình 9.5d, mặt khác để dòng kích từ không đổi ta đưa thêm Z1 vào mạch dòng I0. Điện trở R’2(1-s)/s gọi là điện trở giả định. Từ sơ đồ tương đương ta có phương trình cân bằng của máy điện dị bộ ở chế độ rô to quay (có tải). • • • • U 1 = − E1 + I 10 R1 + j I 10 X 1 • • • I1 = I − I 2 (9.16) • • • • 1− s E 2 = I 2 R'2 + j I '2 X '20 + I ' R'2 s Để thuận tiện cho đọc giả khi tham khảo các sách khác, từ đây trở đi ta thay X20’=X2’ . Đồ thị véc tơ của động cơ dị bộ khi rô to quay biểu diễn trên hình 9.6. Cách dựng giống như ở máy biến áp. • D• U 1 jI X 1 1 • I R• 1 • E1 1 • I 0 −I ' 2 • I1 ϕ • I O 0 φ φ Iµ • IFe I 2 ϕ2 • 1− s • = I '2 R '2 s I '2 R '2 • • j I '2 X '2E ' 2 Hình 9.6 Đồ thị véc tơ máy biến áp khi tải 9.7. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 9.7.1 Thống kê năng lượng của động cơ 101
Về nguyên lý, máy điện không đồng bộ có thể làm việc như máy phát điện hoặc động cơ không đồng bộ. Ở chế độ làm việc động cơ, năng lượng điện được cung cấp từ lưới điện và chuyển sang rô to bằng từ trường quay. Dòng năng lượng được biểu diễn như sau: -Công suất nhận từ lưới điện: P1=m1U1I1cosϕ 1 (9.17) Ở stato, năng lượng bị mất một phần do tổn hao ở điện trở cuộn dây (∆PCu1) và trong lõi thép (∆PFe1). Vậy công suất điện từ chuyển từ stato sang rô to như sau: Pđt=P1-∆PCu1-∆PFe1 (9.18) Trong đó ∆PCu1=m1I1 R1, ∆PFe1=m1IFe RFe. Tổn hao thép phụ thuộc vào tần 2 2 số. Tổn hao lõi thép phía rô to bỏ qua, vì khi làm việc định mức tần số f2 = (1 - 3)Hz. Công suất điện từ chuyển sang rô to sẽ ứng với công suất tác dụng sinh ra ở điện trở R2’/s vậy: ' 1− s ' R2 ' ' Pđt = m1I 22 22 22 s s = m1I R2’+ m1I R2’ (9.19) Thành phần thứ nhất là tổn hao đồng ở cuộn dây rô to: ∆PCu2 = m1I 2 2R2’= m2I 2 R2 ' 2 (9.20) Phần công suất còn lại được chuyển sang công cơ học trên trục động cơ vậy: ' 1− s 2 1− s Pcơ = m1I 22 R2’ s = m1I R2 s 2 (9.21) Công suất cơ được chuyển sang công suất hữu ích P2 và tổn hao cơ các loại (∆PCơ) như: ma sát ổ bi, quạt gió, ma sát rô to với không khí v.v. ngoài ra còn tổn hao phụ do sóng bậc cao, do mạch từ có răng ( ∆Pp). Tổn hao phụ rất nhỏ (∆Pp≈ 0.005P1). Vậy công suất hữu ích tính như sau: P2=Pcơ - ∆PCơ - ∆Pp (9.22) Tổng tổn hao của động cơ có giá trị: ∆P = ∆PCu1+∆PFe1 +∆PCu2+∆Pcơ +∆Pp (9.23) Hiệu suất của động cơ: P P − ∆P 1 ∆P η=P = = 1− 2 P P (9.24) 1 1 1 Sơ đồ năng lượng∆PCu1 máy Fe ện dị bộ biểu diễn trên hình 9.7 của ∆P đi Từ ∆PCu2 trường ∆PCơ+∆Pp P1 Pđt P2 102 Hình 9.7 Sơ đồ năng lượng của động cơ dị bộ
9.7.2 Mô men quay (mô men điện từ) của động cơ dị bộ. Công suất cơ học của máy điện không đồng bộ phụ thuộc vào tốc độ quay của rô to (tốc độ cơ): Pcơ=Mω cơ. (9.25a) Do đó mô men điện từ của máy điện không đồng bộ có thể tính được bằng biểu thức: Pdt M =ω (9.25) co 2πn ωtt 2πf1 Ở đây ω cơ = 60 = p = p , trong đó n-tốc độ quay của rô to tính bằng vòng phút, ω tt-tốc độ góc quay của từ trường đo bằng rad/giây, p-số đôi cực. Thay công suất điện từ bằng (9.19) ta được: R2 1 ' M=m1I '2 2 . (9.26) s ωco Biểu thức mô men điện từ của máy điện không đồng bộ còn có thể nhận được ở dạng khác như sau: Thay vào (9.26) một giá trị của I2’ bằng biểu thức (9.14a) và lưu ý E’2 có giá trị như (9.14b) còn cosϕ 2 tính từ đồ thị véc tơ (hình 9.6) có giá trị: 1− s R2 + R2 ' ' ' s R2 = cosϕ 2= 2 2 2  ' ' 1− s  R2 + X 2 s 2 ' '  R2 + R2  + X2 '  s  Ta nhận được: ' ' pm1 E2 s 'R2 4,44kcd 1W1ω1 f1m1 p I M= ωtt '2 2 2 2 s = 2πf1 I’2φ cosϕ 2 (9.26a) R + X '2 2 Hay: M = kI’2φ cosϕ 2 (9.26b) 4,44kcd 1W1ω1m1 p có dạng của mô men máy điện dòng một chiều, trong đò k= . 2π Chúng ta còn có cách khác để tính mô men điện từ của mấy điện không đồng bộ. 103
Trước hết tính dòng I2’. Ta dùng sơ đồ tương đương gần đúng (hình 9.5c). Theo sơ đồ ta có: U1 2 I2’ =  R'  (9.27)  R1 + 2  + ( X 1 + X '2 ) 2   s   Thay vào (9.26) ta được: pm1 U12 ' R2 M= ωtt  ' 2 R2  s (9.28)  R1 +  + ( X 1 + X '2 ) 2   s  Đây là biểu thức mô men điện từ của máy điện không đồng bộ, có giá trị đo bằng [Nm], muốn đo bằng [KGm] phải chia cho 9,81. 9.7.3.Đặc tính cơ của động cơ không đòng bộ ba pha. Đặc tính cơ được định nghĩa là mối quan hệ hàm giữa tốc độ quay và mô men điện từ của động cơ n=f(M). Để dựng được mối quan hệ này, trước hết ta nghiên cứu công thức (9.27) là mối quan hệ M=f(s) và được gọi là đặc tính tốc độ của động cơ. Từ biểu thức ta nhận thấy mối quan hệ giữa mô men và độ trượt là mối quan hệ phi tuyến. Để khảo sát chúng ta hãy tìm cực trị . Đầu tiên ta tính: dM =0 (9.29) ds Sau khi tính đạo hàm mô men rồi, cho bằng 0 ta tìm được độ trượt tới hạn có giá trị sau: ' R2 sth= ± R + ( X + X , ) (9.30) 1 1 2 Ở đây sth-là độ trượt tới hạn, tức là giá trị độ trượt ở đó xuất hiện mô men cực đại và cực tiểu. Dấu’+’ ứng với chế độ động cơ còn dấu ‘-‘ ứng với chế độ máy phát. Thay sth vào (8.28) ta có: 3 pU12 Mmax= ± 2ω  R + R 2 + ( X + X ' ) 2  (9.31) tt  1   1 1 2  Dấu “+” cho chế độ động cơ, còn dấu trừ cho chế độ máy phát. Để dựng ' R2 đặc tính M=f(s) ta nhận thấy, khi s nhỏ thì R1 + >> X1+X’2 do đó có thể bỏ qua s R' X1+X’2 ta có mối quan hệ tuyến tính (hình 9.8), còn khi s lớn thì R1 + 2
' R2 nên nhận R1 + = 0, ta được M=K/s, nó là một đường hypecbon (hình 9.8). Đường s M=f(s) là đường 3 trên hình 9.8. Giữa M và độ trượt còn có thể biểu diễn bời biểu thức sau: 2M max M = s + sth (9.32) sth s Để dựng đặc tính tốc độ người ta thường dùng công thức này và có tên là công thức Kloss. Hệ số quá tải là tỷ số giữa mô men cực đại đối với mô men định mức : M max Kqt = M (9.32) đm Mmax 3 -sth -s s=-1 s=0 s s=2 s th s=1 Máy phát Động cơ Máy hãm -Mmax Hình 9.8 đặc tính M=f(s) khi U1=const, f1=const Ta hãy xét ảnh hưởng của một số thông số lên mô men động cơ: -Ảnh hưởng của sự thay đổi điện áp mạng cấp U1 Từ biểu thức (9.28) và (9.31) ta thấy khi điện áp U1 giảm thì mô men cực đại và mô men giảm theo tỷ lệ bình phương, điều đó rất dễ làm cho động cơ dừng dưới điện.(hình 9.9) M Mmax R11U3 Mmax3 R12 Ut3 R13 105
s s sth sth1 sth2 sth3 Hìn 9.9 Ảnh hưởng của điện áp nguồn nạp Hìgnh 9.10 Ảnh hưởng của điện trở rô đối với mô men động cơ to lên mô men động cơ. Khi thay đổi điện trở X ở mạch stato, hậu quả như giảm điện áp nguồn vì điện áp đặt lên động cơ bằng điện áp nguồn trừ đi độ sụt áp trên điện trở X. Trên hình 9.10 biểu diễn sự thay đổi của mô men khi thay đổi điên trở của rô to động cơ. Khi thay đổi điện trở R’2 sẽ làm thay đổi độ trượt tới hạn, nhưng không thay đổi mô men cực đại (9.31). Đặc tính cơ: Để có được đặc tính cơ M=f(n) ta dựa vào mối quan hệ: n=ntt(1-s) (9.33) Cho s những giá trị khác nhau ta có giá trị của n, từ (9.28) ta tính M, lập bảng mối quan hệ n=f(M) rối dựng đồ thị mối quan hệ này hình 9.11 n n0 a nth b 0 Mô men khởi động c Mmax M Hình 9.11 đặc tính cơ động cơ dị bộ Từ đặc tính cơ ta có nhận xét: đặc tính cơ chia làm 2 đoạn: đoạn a-b và đoạn b-c. Đoạn ab là đoạn làm việc ổn định, vì trên đoạn này mỗi khi chế độ ổn định cũ bị phá vỡ thì nó lại thiết lập chế độ ổn định mới. Trên đoạn b-c ta không có được tính chất đó. Từ đặc tính cơ ta thấy có 2 chế độ đặc trưng: -Khi M=0 thì có n=n0 (n0- là tốc độ không tải có giá trị bằng tốc độ từ trường quay). Chế độ này thực tế không có, để nghiên cứu ta phải gắn máy lai ngoài với động cơ rồi quay rô to với tốc độ bằng tốc độ quay của từ trường, ta gọi chế độ này là chế độ không tải lý tưởng. -Khi n=0. Đây là chế độ khi vừa đưa động cơ vào lưới cung cấp, động cơ chưa kịp quay, ta gọi là chế độ khởi động , ứng với chế độ khởi động có mô men khởi động. 106
Ngoài ra động cơ còn có tốc độ n=0 trong trường hợp động cơ không làm việc, không có điện áp cung cấp cho stato. Lúc này không có gì xảy ra, chúng ta không bàn tới. 9.7.4 Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo Đặc tính cơ tự nhiên: đây là đặc tính cơ được xây dựng khi các thông số của máy như điện áp, điện trở, tần số có giá trị định mức. Còn đặc tính cơ nhân tạo là dặc tính cơ khi có một trong các thông số trên thay đổi, các thông số khác không đổi. Trên hình 9. 12 biểu diễn đặc tính cơ cho các trường hợp thay đổi điện áp, thay đổi số đôi cực, thay đổi tần số nguồn cung cấp và thay đổi điện trở rô to. n n n0 a U1< U2< U3 n01 p nth b U1 U U 2 3 n02 2p M 0 c Mmax M 0 Mô men khởi động a) b) n n n01 f1 R11 R11
số theo nguyên tắc U1/f1=const thì mô men cực đại không đổi, còn ở ngoài phạm vi trên mặc dầu điều chỉnh tần số theo nguyên tắc U1/f1=const vẫn làm cho mô men cực đại giảm. Thay đổi điện trở rô to thì mô men cực đại không thay đổi. 108