CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

I. Khái niêm chung:

- Máy điện KĐB (không đồng bộ) là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rôto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n₁.

- MĐKĐB làm việc ở hai chế độ: Chế độ máy phát và chế độ động cơ KĐB.

+ Máy phát KĐB có đặc tính làm việc không tốt lắm so với máy phát điện đồng bộ,nên ít được dùng.

+ Động cơ KĐB so với các loại động cơ khác có cấu  tạo và cận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt. Dưới đây ta chỉ xét động cơ KĐB. Động cơ KĐB có các loại: động cơ 1 pha, 2 pha, 3 pha.

+Các động cơ KĐB có công suất lớn trên 600W thường là loại 3 pha có 3 dây quấn làm việc, trục các dây quấn lệch nhau trong không gian 1 góc 120⁰. Các động cơ có công suất nhỏ dưới 600W thường là loại động cơ 2 pha hoặc 1pha. Động cơ 2 pha có 2 dây quấn làm việc, trục của 2 dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc 90⁰ điện. Động cơ điện 1pha chỉ có 1 dây quấn làm việc.

* Các số liệu định mức của Động cơ KĐB là:

- Công suất cơ có ích trên trục: P_đm

- Điện áp dây Stato: U_1đm

- Dòng điện dây Stato: I_1đm

- Tần số dòng điện stato: f

- Tốc độ quay rôto: n_đm

- Hệ số công suất: cosj_đm

- Hiệu suất: h_đm

II. Kết cấu:

      Cấu tạo của Máy điện KĐB Rôto lồng sóc gồm hai bộ phận chủ yếu là stato và rôto, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy, trục máy. Trục máy làm bằng thép, trên đó gắn rôto, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.

 

                                                                                                             

1. Stato: (Phần tĩnh)

Stato là phần tĩnh gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra có vỏ và nắp máy.

a. Lõi thép: Lõi thép là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi thép stato hình trụ, làm bằng những lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.

 

 b. Dây quấn:

Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba pha dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay.

2. Rôto (phần quay)

Rôto gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.

a. Lõi thép:

      Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện như ở stato được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục ở giữa có lỗ để lắp trục.    

b. Dây quấn: Dây quấn Rôto của MĐKĐB có hai kiểu: rôto ngắn mạch(còn gọi là rôto lồng sóc) và rôto dây quấn.

*Loại rôto lồng sóc: có công duất trên 100KW, trong các rãnh của lõi thép rôto đặt các thanh đồng hay thanh nhôm được nối ngắn mạch ở hai đầu

 

Hình 2: Rôto lồng sóc

+ Với động cơ nhỏ, dây quấn rôto được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt, và cách quạt làm mát

          

Hình 3:

+ Động cơ điện có rôto lồng sóc gọi là động cơ KĐB lồng sóc được ký hiệu như sau:

 

* Loại rôto dây quấn:  Trong rãnh lõi thép rôto, đặt dây quấn ba pha. Dây quấn rôto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục rôto và được cách điện với trục. Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn rôto được nối với 3 vòng tiếp xúc, đồng thời nối với 3 biến trở bên ngoài, để mở máy hay điều chỉnh tốc độ. Loại động cơ này gọi là động cơ KĐB rôto dây quấn.

 

 

 

 

 

* Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo. Động cơ rôto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hoen động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động.

III: Nguyên lý làm việc của Máy điện KĐB:

1: Nguyên lý làm việc của động cơ điện KĐB:(Động cơ KĐB 3pha rôto lồng sóc)

      Động cơ KĐB Rôto lồng sóc là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rôto chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường Stato. Stato được quấn các cuộn dây lệch nhau về không gian (thường 3 cuộn dây lệch nhau 120⁰)

Khi ta cho dòng điện ba pha trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n₁ = 60f₁/p ( f₁ là tần số của lưới điện, p là số đôi cực từ của máy, n₁ là tốc độ từ trường quay). Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto,cảm ứng trong dây quấn rôto các sức điện động E₂. Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng này sẽ sinh ra dòng I₂  trong các thanh dẫn rôto. Trong miền từ trường do stato tạo ra, thanh dẫn mang dòng I₂ sẽ chịu tác dụng lực điện từ F_đt. Tương tác giữa từ trường của rôto và stato gây ra Momen kéo Rôto chuyển động theo từ trường quay của Stato

Giả thiết về chiều quay n₁ của từ trường khe hở F và của rôto n như hình trên. Theo quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều sđđ E_2­ và I₂; theo quy tắc bàn tay trái, xác định được lực F_đt và mômen M. Ta thấy F_đt cùng chiều quay của rôto, nghĩa là điện năng đưa tới stato, thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay rôto theo chiều từ trường quay n₁, Chuyển động quay của Rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ  hoặc các cơ cấu chuyển động khác. Như vậy máy việc ở chế độ động cơ điện.

N

.

+

n1

Fđt

Fđt

N

S

 

 

                                                                                                                                                        

 

 

 

 

 

 

Hình 4: Quá trình tạo Mômen của Động cơ điện không đồng bộ.

2. Nguyên lý làm việc của Máy phát điện KĐB:

Nếu bây giờ Stato vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rôto không nối với tải mà nối với 1động cơ sơ cấp. Dùng động cơ sơ cấp kéo rôto quay cùng chiều với n₁ (với n>n₁). Lúc này dòng điện I₂ ngược lại với chế độ động cơ và Fđt _­ đổi chiều. Fđt tác dụng lên rôto ngược với chiều quay gây ra momen hãm cân bằng với Mq độn cơ sơ cấp. MĐiện làm việc ở chế độ máy phát.

 

N

.

+

n1

Fđt

Fđt

N

S

 

 

 

 

 

 

 

 

-Hệ số trượt là:

S =

Nếu từ trường quay cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rôto được biến thành điện năng ở Stato. Để tạo ra từ trường quay, lưới điện phải cung cấp cho máy phát KĐB 1 công suất phản kháng Q (vì thế làm chp hệ số cosj của lưới điện thấp đi, khi máy làm việc riêng lẻ, ta phải dùng tụ điện nối ở đầu cực máy để kích từ cho máy.

Đó là nhược điểm của Máy phát KĐB vì thế ít khi dùng Máy phát KĐB.

3. Công dụng của động cơ điện  không đồng bộ 3 pha:

      Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ KĐB  là một loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vàig chục đến hanhg nghìn KW

      - Trong công nghiệp: làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ,..

- Trong nông nghiệp dùng để làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm.

- Trong đời sống hằng ngày: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh,…

Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá, tự động hoá và sinh hoạt hằng ngày, phạm vi ứng dụng của động cơ điện KĐB ngày càng rộng rãi.

IV. TỪ TRƯỜNG CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ.

1. Từ trường của dây quấn một pha.

Xét dây quấn một pha được đặt trong bốn rãnh của stato. Dòng điện chạy trong dây quấn là dòng điện một pha i=I_maxsin  t, từ trường của dây quấn ,một pha là từ trường có phương không đổi, song trị số và chiều biến đổi theo thời gian.

Gọi p là số đôi cực, ta có thể tạo dây quấn để tạo ra từ trường một, hai hoặc có p đôi cực.

Ví dụ P=1. Một pha AX đặt trong 4 rãnh của stato.

A

X

1

2

3

4

A

1

2

3

4

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ví dụ P=2. Một pha AX đặt trong 4 rãnh của stato.

 

A

X

1

2

3

4

 

 

 

 

 

 

 

 

Xét một máy điện xoay chiều có i=I_max sinwt. với w=2pf=2p/T (T là chu kỳ dòng điện)

0

T/4

Imax

T

3T/4

T/2

-Imax

t

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xét trong 1/2 chu kỳ của dòng điện từ (0-T/2). (hình vẽ)

Hai phần tử dây quấn (1-2) và (3-4) có dòng điện xoay chiều i=I_max sinwt  chạy qua sơ đồ nối dây các phần tử (hình a)

Giả sử ban đầu trong nữa chu kỳ của dòng điện (0-T/2) ta có dòng điện chạy trong dây dẫn dương.

 

 

 

* Quy ước dòng điện chạy trong dây dẫn dương là Å, ngược lại chạy trong dây dẫn âm là -· căn cứ chiều dòng điện ta xác định được chiều từ trường theo quy tắc vặn nút chai (như hình vẽ)

 

1

A

X

2

3

4

 

 

 

 

 

 

Xét trong chu kỳ còn lại (T/2-T) ta thấy dòng điện trong khoảng này âm.

1

A

X

2

3

4

 

 

 

 

Từ trường của dây quấn một pha của

động cơ là từ trường có phương không

 đổi theo thời gian, nhưng trị số và chiều

thay đổi theo thời gian nên gọi là từ trường đập mạch, từ trường này không thể làm quay động cơ nên loại động cơ 1 pha ta phải mắc thêm tụ điện C để chuyển từ trường đập mạch thành từ trường quay (từ trường quay là từ trường có phương thay đổi theo thời gian)

2. Từ trường của dây quấn ba pha.

a. Sự tạo thành từ trường quay.

- Giả sử xét động cơ điện không đồng bộ ba pha, ba dây quấn là AX, BY và CZ. với A,B,C là ba đầu đầu của ba cuộn dây pha, X,Y,Z là ba đầu cuối của ba cuộn dây pha. Ba cuộn dây đặt cách đều nhau 120⁰, cho dòng điện ba pha có tần số f=50Hz.

            i_A=I_max sinwt.

            i_B=I_max sin(wt-120⁰).

            i_C=I_max sin(wt-240⁰).

i

iA

0

wt=900

t

wt=900+120

iB

iC

wt=900+20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            wt=90⁰

            wt=90⁰+120⁰

            wt=90⁰+240⁰.

* Quy ước: Chiều dòng điện đi từ đầu đầu đến đầu cuối của cuộn dây là dương + và ngược lại là âm -, (là dòng điện đi ra tức là từ đầu cuối đến đầu đầu).

Xét trong một chu kỳ:

-         Tại thời điểm a (wt=90⁰), dòng điện trong cuộn dây AX là cực đại và dương, dòng điện trong cuộn BY, CZ là âm, bằng nhau và bằng nữa trị số dòng điện cuộn AX. Vì vậy dòng điện trong cuộn AX đi từ đầu đầu đến đầu cuối, còn trong cuộn dây BY và CZ dòng điện đi từ đầu cuối đến đầu đầu.

 

 

 

C

X

Z

Y

B

A

C

X

Z

Y

B

A

C

X

Z

Y

B

A

 

 

 

 

 

 

 

 

            Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dòng điện sinh ra, từ trường tổng có một cực S và một cực N được gọi là từ trường một đôi cực (p=1), trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha A là pha có dòng điện cực đại.

- Tương tụ tại thời điểm b và c ta có:

- Tại thời điểm c (wt=90⁰+120⁰) là thời điểm sau thời gian đã xét ở trên là một phần ba chu kỳ T/3. ở thời điểm này dòng điện pha B là cực đại và dương, dòng điện và pha A và C là âm. Vì vậy dòng điện trong cuộn BY đi từ đầu đầu đến đầu cuối, còn trong cuộn dây AX và CZ dòng điện đi từ đầu cuối đến đầu đầu. Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dòng điện sinh ra, từ trường tổng đã quay đi một góc là 120⁰ so với thời điểm trước, trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha B là pha có dòng điện cực đại.

            - Tại thời điểm d (wt=90⁰+240⁰) là thời điểm chậm sau thời gian đầu là một phần ba chu kỳ T/3. Lúc này dòng điện pha C là cực đại và dương, dòng điện và pha A và B là âm. Vì vậy dòng điện trong cuộn CZ đi từ đầu đầu đến đầu cuối, còn trong cuộn dây AX và BY dòng điện đi từ đầu cuối đến đầu đầu. Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dòng điện sinh ra, từ trường tổng đã quay đi một góc là 240⁰ so với thời điểm đầu, trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha C là pha có dòng điện cực đại.

Theo chiều dòng điện ở các thời điểm ta sẽ có chiều từ trường, qua sự phân tích ở các thời điểm ta nhận thấy từ trường tổng của dòng điện ba pha là từ trường quay. Từ trường quay móc vòng với cả hai dây quấn stato và rôto, hay nói một cách khác la trong một chu kỳ từ trường quay được một vòng nên từ trường dây quấn ba pha gọi là từ trường quay, nhờ từ trường quay mà trục của động cơ có thể quay tròn khi đưa dòng điện ba pha vao dây quấn stato. Với cách cấu tạo dây quấn như trên ta có từ trường quay một đôi cực p=1.

Nếu thay đổi cách cấu tạo dây quấn hay là cách quấn dây ta có số đôi cực là p=2,3,4...vv.

b. Đặc điểm của từ trường quay.

- Tốc độ từ trường quay: Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stato f và số đôi cực p.

Khi dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay được một vòng, trong một giây dòng điện stato biến thiên f chu kỳ, do đó trong một phút dòng điện stato biến thiên 60f chu kỳ và từ trường quay được 60f vòng.

+ Khi từ trường có một đôi cực p=1 thì tốc độ từ trường quay là n₁=60f vòng/phút.

+ Khi từ trường có hai đôi cực p=2, dòng điện biến thiên một chu kỳ và từ trường quay được 1/2 vòng (từ cực N qua cực S đến N là 1/2 vòng), do đó tốc độ từ trường quay là n₁=60f/2 vòng/phút.

Trường hợp tổng quát ta có: Khi từ trường quay có p đôi cực, tốc độ từ trường quay là n₁=60f/p vòng/phút.

- Chiều quay của từ trường: Chiều quay của từ trường phu thuộc vào thứ tự pha của dòng điện.Muốn đổi chiều quay của từ trường ta thay đổi thứ tự hai pha với nhau (tức là đảo chiều quay của động cơ).

Ví dụ: Khi đấu cấp nguồn ba pha A,B,C vào dây quấn stato của động cơ KĐB ba pha nếu động cơ quay ngược, để đảo chiều quay ta giữ nguyên pha A và đổi hai pha B và C cho nhau.

- Biên độ từ trường quay: Từ trường quay sinh ra từ thông f xuyên qua mỗi dây quấn.

            f_max=m/2f_pmax­                       Với m là số pha.

f_pmax­  là từ thông cực đại của một pha.

 

3. Từ trường của dây quấn hai pha.

Xét động cơ không đồng bộ hai pha, hai dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc 90⁰ điện, dòng điện trong hai dây quấn lệch pha nhau về thời gian 90⁰.

             i_A=I_max sinwt=I_max sin(2p/T)t.

            i_B=I_max sin(2pt/T-p/2).

 

iA

0

T/4

t

iB

3T/4

T/2

T

X

Y

B

A

t=0

X

Y

B

A

t=T/4

X

Y

B

A

t=T/2

X

Y

B

A

t=3T/4

X

Y

B

A

t=T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xét trong một chu kỳ (0-T).

ở thời điểm t=0.

ở thời điểm t=T/4 từ trường stato đã quay được một góc 90⁰ so với thời điểm ban đầu.

ở thời điểm t=T/2 từ trường stato đã quay được một góc 180⁰ so với thời điểm ban đầu.

Trong một chu kỳ (0-T) từ trường stato quay được một vòng.

* Nhận xét: Khi dòng điện trong dây quấn stato biến thiên đến một chu kỳ, thì từ trường quay được một vòng, do đó từ trường của dây quấn hai pha cũng là từ trường quay với tốc độ từ trường là n₁=60f/p

            trong đó:        p là số đôi cực.

                                    f là tần số dòng điện

                                    n₁ là tốc độ từ trường quay (vòng/phút hoặc rad/s)

5. CÁC THÔNG SỐ TRONG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

1. Hệ số trượt: kí hiệu s

            Ta có : n₂=n₁-n         với n₂ là tốc độ trượt.

Hệ số trượt là tỉ số giữa tốc độ trượt và tốc độ từ trường quay.

             (tốc độ trượt/tốc độ từ trường)

2. Sức điện động trong dây quấn stato.

Sức điện động pha stato do từ thông của từ trường sinh ra có trị số là E₁=4,44.f.k_dq.w₁.f_max.

trong đó:        f là tần số lưới điện. (50Hz)

                        k_dq là hệ số dây quấn stato.

                        W₁ số vòng dây quấn stato

f_max. biên độ từ thông của từ trường quay.

E₁ sức điện động pha stato.

3. Sức điện động trong dây quấn rôto.

Kí hiệu : E_2s

Ta có từ trường stato quay với tốc độ n₁ và tần số f so với stato, do vậy từ trường stato sẽ quay so với dây quấn rôto với tốc độ trượt bằng n₂=n₁-n.

Sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto có tần số f₂ là f_{2 .}

 trong đó:       n₂ là tốc độ quay của từ trường stato so với dây quấn rôto.

                        f₂ là tần số dòng điện trong dây quấn rôto.

Mặc khác ta có: n₂=s.n₁      Þ f_{2 .}

Mà Þ f₂=s.f₁

Vậy tần số dòng điện rôto lúc quay bằng tần số dòng điện stato (tần số lưới điện) nhân với hệ số trước.

Ta có sức điện động pha dây quấn rôto lúc quay là E_2s=4,44.f₂.w₂.k_dq2.f_max.

hay E_2s=4,44.s.f.w₂.k_dq2.f_max.(1)

            trong đó:        E_2s là sức điện động của dây quấn rôto lúc quay.

                                     

                                    w₂ là số vòng dây của rôto.

                                    k_dq2 là hệ số dây quấn rôto.

- Khi rôto đứng yên ta có s=1, tần số f₂=f, tần số dòng điện rôto bằng tần số dòng điện stato.

- Sức điện động dây quấn rôto lúc không quay là E₂=4,44.f.w₂.k_dq2.f_max.(2)

So sánh hai biểu thức (1) và (2) ta thấy : (lúc quay và lúc không quay)

 E_2s=s.E₂.

            Sức điện động pha của rôto lúc quay E_2s bằng sức điện động của rôto lúc đứng yên nhân với hệ số trượt s.

Lập tỉ số sức điện động pha giữa stato và rôto ta có:

Với k_e gọi là hệ số qui đổi sức điện động rôto.

4. Điện kháng rôto:

Vì rôto gồm các thanh dẫn nên khi rôto quay sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng trong dây quấn rôto dẫn đến xuất hiện thành phần điện kháng và trở kháng trong dây quấn rôto.

Kí hiệu: X_2s là điện kháng của dây quấn rôto lúc quay.

X_2s=w₂.L₂ (1)                        với       w₂ là tần số góc của dây quấn rôto (rad/s).

                                                L₂ là điện cảm của dây quấn rôto (H)

w₂=2p.f₂         Þ X_2s=2p.f₂.L₂=2p.s.f.L₂=s.X₂

                                    Với X₂=2p.f.L₂ là điện kháng dây quấn rôto lúc đứng yên.

Vậy X_2s=s.X₂

Điện kháng rôto lúc quay bằng điện kháng rôto lúc đứng yên nhân với hệ số trượt s.

Điện kháng của dây quấn rôto là đại lượng đặc trưng tiêu thụ công suất phản kháng của máy điện không đồng bộ.

5. Dòng điện cảm ứng trong dây quấn rôto.

Kí hiệu I₂ là giá trị hiệu dụng của dòng điện trong dây quấn rôto.

I

E2s

R

L

Khi trong dây quấn rôto xuất hiện sức điện động E_2s, dẫn đến xuất hiện dòng điện trong dây quấn rôto.

 

 

 

 

 

 

i₂=  (chọn chiều E_2s và I₂ như hình vẽ)

Áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch rôto

                     (1) với Z là tổng trở đoạn mạch.

            Ta có tam giác tổng trở:

 

R

X

Z

thay vào phương trình (1) ta có:

 

Dòng điện xoay chiều cảm ứng trong dây quấn rôto i₂=I₂

Dòng điện trong dây quấn rôto là dòng điện xoay chiều có tần số f₂.

6. BIỂU ĐỒ NĂNG LƯỢNG VÀ HIỆU SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ.

1. Biểu đồ năng lượng.

Xét động cơ điện không đồng bộ. Giả sử động cơ nhận điện năng của lưới điện để tạo ra từ trường quay stato, nhờ từ trường quay mà điện năng đã được biến thành cơ năng làm quay rôto động cơ.

Biểu đồ quá trình năng lượng trong động cơ không đồng bộ như sau:

DPđ1

Pcơ

Pđt khe hở không khí

rôto

P2

P1

DPst1

DPđ2

DPcp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

trong đó:        P₁ là công suất điện động cơ nhận từ lưới điện.

                                    P_đt là công suất điện từ

                                    P_cơ là công suất điện từ được tính.

P₂ là công suất hữu ích trên trục động cơ, là công suất mà động cơ nhận được P₂=P_cơ-DP_cp

            Phương trình năng lượng là:

                        P₁-DP=P₂

                                    trong đó: DP là các thành phần tổn hao công suất.

                                     DP=DP_đ1+DP_st1+DP_đ2+DP_cp

Với  + DP_st1 là tổn hao công suất do dòng điện xoáy và trừ trễ trong mạch từ stato.

+ DP_đ1 là công suất tổn hao đồng trong dây quấn stato DP_đ1=3I₁².R₁.

+ DP_đ2 là công suất tổn hao đồng trên điện trở dây quấn rôto DP_đ1=3I₂^/2.R^/₂=m₂.R₂.I₂². với m₂ là hệ số tỷ lệ.

+ DP_cp là công suất tổn hao cơ do ma sát ổ trục, quạt gió và các yếu tố phụ...

2. Hiệu suất của động cơ không đồng bộ:

            h

                        trong đó: P₀=DP_st+DP_cp gọi là tổn hao không tải gồm tổn hao sắt từ và tổn hao không tải.

P_n là tổn hao điện trên điện trở dây quấn rôto và stato lúc động cơ làm việc ở chế độ tải định mức.

K_t là hệ số tải của động cơ ; với I₁ là dòng điện stato ứng với phụ tải làm việc, I_1dm là dòng điện stato ứng với phụ tải định mức.

(Hiệu suất của động cơ thường khoảng h=0,75-0,95).

 

 

7. MÔMEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Mômen điện từ của động cơ đóng vai trò là mômen quay:

.        (1)

trong đó: P_đt là công suất điện từ. P_đt   với I₂^/ là dòng điện rôto qui đổi về stato, R₂^/ là điện trở rôto qui đổi về stato.  với k_i là hệ số qui đổi dòng điện.

w₁ là tần số góc của từ trường quay.  với (w₁=2pf₁),

w là tần số góc của dòng điện stato, p là số đôi cực từ.

P_đt  (2)trong đó: , k_i là hệ số qui đổi dòng điện

R₂^/=k_e.k_i.R₂, với k_e là hệ số qui đổi sức điện động.

Bỏ qua tổn hao sắt từ, dòng điện I₂^/ được tính như sau:

       (3)

trong đó: U₁ là điện áp pha stato

            R₁,X₁ là điện trở và điện kháng dây quấn stato.

            R₁^/,X₁^/ là điện trở và điện kháng rôto qui đổi về stato X₂^/=k_e.k_i.X₂,

R₂,X₂ là điện trở và điện kháng của dây quấn rôto.

            Thay phương trình (2) và (3) vào phương trình (1) ta có:

           

           

     

Phương trình mômen biểu diễn quan hệ giữa mômen với hệ số trược hay giữa mômen với tốc độ được gọi là đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ.

- Với tần số và các tham số cho trước mômen điện từ của máy điện không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp đặt vào stato.

Phương trình mômen theo tốc độ M=f(n) gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, với hệ số trượt .

M

Mmở

B

s

A

Slv

Sth

1

Mmax

C

Mc

0

Đồ thị đặc tính cơ động cơ KĐB

 

Ban đầu khi bắt đầu cấpnguồn tốc độ

 động cơ bằng không (tại A) ta có

 hệ số trượt s=1, lúc này mômen của

 động cơ bằng mômen mở máy M_mm,

 nhỏ hơn mômen cản M_c, động cơ tăng

 tốc độ trên đường đặc tính cơ, trong

quá trình tăng tốc này mômen của động

 cơ tăng dần và hệ số trượt của động cơ

giảm dần. Tại điểm B ta có mômen của

động cơ bằng mômen cản, lúc này động

 cơ làm việc ổn định với mômen điện từ bằng mômen cản và hệ số trượt gọi là hệ số trượt làm việc s_lv. .

- ở đồ thị M=f(s) mômen đạt cực đại tại điểm C, mômen có trị số cực đại M_max ứng với hệ số trượt tới hạn khi đạo hàm .

Đạo hàm  và biến đổi ta có:

Và trị số mômen cực đại M_max

Khi mở máy ban đầu ứng với trường hợp hệ số trượt s=1 ta có mômen mở máy mà

M_mở

Với động cơ rôto lồng sóc mômen mở máy M_mở=(1,1-1,7)M_đm, M_max/M_đm=1,6-2,5.

 

8. MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

I. Yêu cầu mở máy và các phương pháp mở máy.

1. Yêu cầu mở máy:

- Mômen mở máy phải lớn M_mm (lớn hơn mômen cản của tải lúc mở máy)

- Dòng điện mở máy phải nhỏ I_mm.

- Thiết bị mở máy đơn giảm và thời gian mở máy nhanh.

2. Các phương pháp mở máy:

Tuỳ theo yêu cầu sử dụng động cơ và công suất (của lưới và động cơ) ta chọn một trong các phương pháp mở máy sau:

a. Mở máy trực tiếp:

b. Mở máy gián tiếp:

- Mở máy bằng cách giảm điện áp đưa vào dây quấn stato.

- Mở máy dùng điện trở phụ ở động cơ rôto dây quấn.

II. Mở máy động cơ rôto lồng sóc.

1. Mở máy trực tiếp:

CD

động cơ điện KĐB ba pha

Mở máy trực tiếp là phương pháp mở máy đơn giản, chỉ việc đóng điện trực tiếp động cơ điện vào lưới điện.

 

 

 

 

 

 

 

- Ưu điểm: Thiết bị mở máy đơn giản.

- Nhược điểm: Dòng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp rất nhiều, nếu quán trính của máy lớn, thời gian mở máy sẽ rất lâu có thể làm chảy cầu chỉ bảo vệ. với I_mm=(4¸7)I_đm (làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác ví dụ chiếu sáng dùng chung..)

- Phạm vi áp dụng: công suất động cơ điện nhỏ hơn rất nhiều so với công suất lưới điện. (phương pháp này sử dụng cho các máy có công suất vừa và nhỏ)

2. Mở máy gián tiếp bằng cách giảm điện áp đưa vào dây quấn stato.

- Khi mở máy ta giảm điện áp đặt vào động cơ, lúc này dòng điện mở máy giảm I_pmm, khi dòng điện I_pmm giảm dẫn đến cách điện của động cơ được đảm bảo.

- Khuyết điểm của phương pháp này là làm cho mômen động cơ khi mở máy giảm đi rất nhiều, do đó phương pháp mở máy bằng cách giảm điện áp chỉ sử dụng với trường hợp không yêu cầu mômen mở máy lớn. (ví dụ tuỳ trường hợp mang tải truyền động nhu bánh xích, puly dây đai...)

a. Mở máy dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stato.

biến áp tự ngẫn

động cơ điện KĐB ba pha

CD

Sơ đồ mở máy dùng điện kháng

K là điện kháng. CD: cầu dao

CD1

K

CD

động cơ điện KĐB ba pha

Hình 1 và 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Trước khi mở máy ta đóng cầu dao CD₁, cầu dao CD mở, Khi động cơ đã quay ổn định ta đóng cầu dao CD để ngắn mạch điện kháng K, mở CD₁ và kết thúc quá trình mở máy. Lúc mở máy nhờ có điện áp rơi trên điện kháng, điện áp trực tiếp đặt vào động cơ giảm đi k lần, dòng điện sẽ giảm đi k lần và mômen sẽ giảm đi k² lần vì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp.

- Ưu điểm: Dòng điện mở máy giảm.

- Nhược điểm: Mômen mở máy giảm.

b. Mở máy dùng biến áp tự ngẫu.

Sơ đồ máy biến áp tự ngẫu phía cao áp được nối với lưới điện, phía hạ áp được nối với động cơ.

Điện áp lưới được đặt vào phía sơ cấp của máy biến áp và phía thứ cấp nối với động cơ, thay đổi vị trí con chạy để lúc mở máy điện áp đặt vào động cơ nhỏ sau đó tăng dần lên bằng định mức.

Gọi U₁ là điện áp pha lưới điện, U_mm là điện pha động cơ lúc mở máy, k là hộ số biến áp máy biến áp tự ngẫu, Z_n là tổng trở động cơ lúc mở máy. .

- Điện áp pha đặt vào động cơ lúc mở máy là .

- Dòng điện pha vào động cơ lúc mở máy là

từ biểu thức dòng điện ta thấy dòng điện pha mở máy của động cơ giảm đi k lần.

Mômen mở máy

mômen mở máy giảm đi k² lần.

Mặc khác ta có dòng điện cấp cho động cơ khi có máy biến áp là  với I₁ là dòng sơ cấp (phía cao áp của máy biến áp)

Mà  với      Þ         Þ          (1)

Khi mở máy trực tiếp  (2)

So sánh biểu thức (1) và (2) ta thấy khi mở máy dùng biến áp dòng điện giảm đi k² so với khi mở máy trực tiếp, là một ưu điểm so với phương pháp mở máy dùng cuộn kháng dòng điện chỉ giảm đi k lần.

- Phạm vi ứng dụng: dùng cho các động cơ có công suất lớn.

c. Mở máy bằng cách đổi nối dây quấn stato từ nối sao sang nối tam giác.

Sơ đồ:

 

           

 

 

 

động cơ

A

B

C

X

Y

Z

nguồn ba pha

nối tam giác (2)

CD cầu dao đảo

nối sao(1)

D

Y

CD1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Phương pháp này chỉ sử dụng được với những động cơ khi làm việc bình thường dây quấn stato nối hình tam giác.

Khi mở máy cầu dao CD ở vị trí (1), đóng CD1.

Sau khi động cơ hoạt động đảo cầu dao CD từ (1) nối sao sang (2) nối tam giác.

Khi nối sao ta có điện áp U_dây= Þ U_pha

Khi nối tam giác ta có điện áp U_dây=  tức là U_pha=U_dây

Khi mở máy dây quấn stato nối hình sao lúc này ta có điện áp đặt vào mỗi pha của động cơ giảm đi lần so với khi nối tam giác.

Dòng điện pha khi mở máy .

Khi nối sao Y: ta có .

Khi nối tam giác D: ta có .

So sánh hai biểu thức dòng điện khi nối sao và tam giác ta nhận xét: Khi mở máy stato của động cơ nối hình sao thì dòng điện mở máy giảm đi  lần so với khi mở máy stato nối hình tam giác. Khi mở máy mômen mở máy giảm đi lần tức giảm đi 3 lần vì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp.

*  Qua các trường hợp mở máy động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc ở trên ta thấy mômen mở máy giảm xuống rất nhiều, để khắc phục điều này người ta chế tạo rôto lồng sóc kép hoặc loại rãnh sâu có đặc tính mở máy tôt.

III. Mở máy động cơ rôto dây quấn

Chỉ sử dụng với loại rôto dây quấn, bằng cách mắc biến trở mở máy vào dây quấn rôto.

Khi mở máy để biến trở lớn nhất, sau đó giảm dần biến trở về giá trị nhỏ nhất là Zêrô.

Để mở máy động cơ, mômen động cơ phải lớn hơn mômen cản của tải lúc mở máy.

CD

stato

rôto

biến trở

 

 

Do dòng điện mở máy rất lớn.

 , I_mm=(5¸7)I_đm.

Dòng điện pha stato lúc mở máy rất lớn nên cần

 phải hạnchế thời gian mỏ máy, đồng thời đưa điện

trở phụ và dây quấn rôto.

Khi mở máy  (vì n=0)

Mômen lúc mở máy:

 

Để mômen mở máy đạt cực đại thì s_mm=s_th=1 mà  ÞR_p=(X₁+X₂^/)-R₂

Với R_p là điện trở phụ của biến trở điều chỉnh còn gọi là biến trở mở máy.

Để đảo chiều quay động cơ không đồng bộ ba pha ta đổi hai trong ba dây pha cho nhau, tức là đổi chiều của từ trường quay.

9.ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1 PHA

Động cơ không đồng bộ 1pha được dùng trong các thiết bị điện sinh hoạt và công nghiệp, công suất bé từ vài Oát đến hơn 1KW sử dụng nguồn 1 pha xoay chiều 110V hoặc 220V.

Về cấu tạo, stato động cơ một pha chỉ có dây quấn một pha, rôto thường là lồng sóc. Dây quấn stato không tạo ra từ trường quay. Do sự biến thiên của dòng điên, chiều và trị số từ trường thay đổi, nhưng phương của từ trường cố định trong không gian. Từ trường này gọi là từ trường đập mạch. Vì không phải là từ trường quay, nên khi cho dòng điện vào dây quấn stato, động cơ không tự quay được. Để động cơ làm việc được, trước hết ta phải quay rôto của động cơ điện theo một chiều nào đó, rôto sẽ tiếp tục quay theo chiều ấy và động cơ làm việc.

Để giải thích rõ hiện tượng xảy ra trong động cơ điện một pha, ta xét bối dây: Cho dòng điện xoay chiều hình sin qua cuộn dây. Hình A. Xét từ trường trong một chu kỳ (chiều của từ trường xác định theo quy tắc vặn nút chai). Từ đồ thị, ta thấy 1/2 chu kỳ dòng điện dương, cảm ứng từ B tăng từ 0 đến Bm rồi lại về 0, tiếp T/2 chu kỳ sau dòng điện đổi chiều và B hướng theo chiều ngược lại và độ lớn cũng thay đổi tương tự.

t

i

O

Bm

Bm

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình A

Như vậy, từ trường có tính chất thay đổi về độ lớn và hướng theo một trục cố định trong không gian như vậy gọi là từ trường đập mạch. Từ trường của dòng điện 1 pha là từ trường đập mạch.

t

i

O

BT

BN

BN

BT

Phân tích từ trường đập mạch thành 2 từ trường quay ngược chiều nhau cùng tốc độ. Hình B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Biểu diễn bằng 2 vectơ có độ lớn không đổi = Bm/2, 1 vectơ quay thuận B_T và một vectơ quay ngược B_N. Xét trong một thời điểm của môt chu kỳ, ta luôn có véctơ tổng  = _T + _N thay đổi hướng trên một trục đúng theo quy luật biến đổi của từ trường đập mạch.

Tác dụng của từ trường đập mạch lên bộ dây quấn rôto là tổng hợp của 2 từ trường quay ngược chiều nhau. Hai từ trường này sẽ tạo ra 2 momen quay M_th và M_ng tác dụng ngược chiều nhau và trị số momen bằng nhau nên chúng triệt tiêu nhau làm cho rôto không quay được. Như vậy động cơ 1 pha không tự khởi động được. Nếu quay rôto theo 1 chiều nào đó thì sẽ xuất hiện momen quay theo chiều đó tác động làm cho rôto tiếp tục quay. Vì thế ta phải có biện pháp mở máy, nghĩa là tạo cho động cơ một pha mômen mở máy. Ta thường dùng các biện pháp dây quấn phụ, vòng ngắn mạch ở cực từ.

1.      Dùng dây quấn phụ mở máy.

Ở loại động cơ này, ngoài dây quấn chính, còn có dây quấn phụ. Dây quấn phụ có thể thiết kế để chỉ làm việc khi mở máy, hoặc làm việc lâu dài. Dây quấn phụ đặt trong một số rãnh stato, sao cho sinh ra một từ thông lệch với từ thông chính một góc 90⁰ không gian, và dòng điện trong dây quấn phuj lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc 90⁰. Dòng điện ở dây quấn chính và dây quấn phụ tạo ram omen mở máy.

Để dòng điện trong dây quấn phụ lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc 90⁰, ta thường nối tiếp với dây quấn phụ điện dung C. Hình C. Loại động cơ tụ điện có đặc tính mở máy tốt.

K

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mở máy bằng dây quấn phụ

2.      Động cơ điện một pha có vòng ngắn mạch ở cực từ.

Về cấu tạo động cơ này. Người ta chẻ cực từ ra, cho vào đó vòng đồng ngắn mạch. Vòng ngắn mạch được coi như dây quấn phụ, trong đó có dòng điện cảm ứng. Tổng hợp hai từ trường của dây quấn chính và phụ sẽ sinh ra từ trường quay để tạo ra momen mở máy.

Các loại động cơ này chế tạo với công suất nhỏ từ 0,5 – 30W dùng vào các cơ cấu truyền động tự động, và thường gặp nhất ở quạt bàn nhỏ.

Động cơ điện một pha vòng ngắn mạch có các nhược điểm là cosj thấp vì tổn hao ở rôto lớn, mômen nhỏ nên làm việc kém ổn định, khả năng quá tải kém. Tuy nhiên nó có ưu điêmt là có cấu tạo gọn, sử dụng lưới điện một pha, nên được sử dụng nhiều trong các hệ tự động và dân dụng (quạt điện, máy giặt, máy bơm nước công suất nhỏ,..)

10. DÂY QUẤN

I: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG:

- Một cách tổng quát, dây quấn Máy Điện có thể chia làm 2 loại: dây quấn phần cảm (còn gọi là dây quấn kích từ) và dây quấn phần ứng.

Dây quấn phần cảm có nhiệm vụ sinh ra từ trường khe hở lúc không tải có cực tính xen kẽ, được quấn tập trung thành các cuộn dây đặt vào thân cực từ.

Dây quấn phần ứng có nhiệm vụ cảm ứng được một sức điện động nhất định khi có chuyển động tương đối với từ trường khe hở.

Nói chung dây quấn máy điện phải dảm bảo được những yêu cầu sau:

+ Tạo ra ở khe hở một từ trường phân bố hình sin (đối với dây quấn phần cảm) và đảm bảo được một sức điện động và một dòng điện tương ứng với công suất điện từ của máy (đối với dây quấn phần ứng).

+ Bền về mặt cơ, điện, nhiệt.

+ Tiết kiệm được kim loại màu, nhất là đầu nối của dây quấn.

+ Chế tạo, lắp ráp, sửa chữa và đảm dưỡng được dễ dàng.

- Dây quấn phần ứng máy điện xoay chiều có thể chế tạo với số pha m = 1, 2 ,3 trong đó chủ yếu là dây quấn 3 pha, sau đó là dây quấn một pha. Dây quấn lồng sóc của máy điện không đồng bộ rôto  lồng sóc được xem như dây quấn có số pha bằng m₂ = Z₂/p trong đó Z₂ là số rãnh rôto.

II: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1. Cực từ:

Được hình thành bởi 1 cuộn dây và được đấu dây sao cho khi có dòng điện đi qua sẽ tạo được các từ cực N, S xen kẽ kế tiếp trong cùng một pha. Số cực từ N, S luônluôn là số chẵn.

Cực từ được xác định bởi công thức: t = (rãnh)

Trong đó: Z_s: tổng số rãnh trên Stato

                 2p: số từ cực trong mỗi pha.

2. Cuộn dây:

Có thể là 1 hoặc nhiều vòng, khi cuộn dây được bố trí trên Stato thì đoạn nằm trong rãnh gọi là cạnh dây, còn phần ở ngoài rãnh là đầu cuộn dây.

Bước cuộn dây là khoảng cách giữa 2 cạnh dây của cuộn dây đang được bố trí trên stato. Ký hiệu là Y.

So sánh bước cuộn dây với bước từ cực ta có:

-         Bước đủ: Y = t

-         Bước ngắn:  Y < t

-         Bước dài: Y > t

3. Nhóm cuộn dây:

Quấn dây trong máy điện xoay chiều nhìn chung có thể thực hiện với hai loại nhóm cuộn dây:

-         Nhóm cuộn dây đồng tâm

-         Nhóm cuộn dây đồng khuôn

a) Nhóm cuộn dây đồng tâm:

Nhóm cuộn dây đồng tâm được hình thành bởi nhiều cuộn dây có bước cuộn dây khác nhau và được mắc nối tiếp với nhau theo cùng một chiều quấn. Các cạnh dây của mối cuộn chiếm các rãnh kế cận nhau để tạo thành từ cực.

b) Nhóm cuộn dây đồng khuôn:

Nhóm cuộn dây này có bước của các cuộn dây đều bằng nhau. Các cuộn dây trong nhóm này cũng được nối tiếp với nhau cùng chiều và được bố trí trên Stato ở các rãnh kế cận để tạo thành từ cực.

4. Góc điện:

Góc điện là đại lượng tính theo thời gian, có đơn vị là độ điện, có thể dùng công thức quy đổi để xác định khoảng cách lệch pha tính theo số rãnh như sau:

a =  ( rãnh)

q^o: góc lệch pha tính theo độ điện

a: khoảng cách lệch pha tính theo số rãnh

Z_s: tổng số rãnh trên Stato

p: số cặp từ cực.

III. PHÂN LOẠI DÂY QUẤN

1. Dây quấn một lớp:

Dây quấn một lớp thường được dùng trong các động cơ điện công suất nhỏ.

Ví dụ: Cho stato của động cơ KĐB ba pha, dây quấn một lớp với số pha m = 3, Z=24rãnh, số cực từ 2p = 4. Tính các đại lượng đặc trưng, vẽ sơ đồ sức điện động và sơ đồ khai triển dây quấn ba pha.

Đối với dây quấn máy điện xoay chiều sức điện động của ba pha phải bằng nhau về độ lớn và lệch pha nhau 120⁰ về thời gian

Để có thể thành lập sơ đồ nối dây, trước hết ta vẽ hình sao sức điện động của dây quấn đó. Vì góc lệch pha giữa hai rãnh liên tiếp a = nên sức điện động của các cạnh tác dụng từ 1 đến 12 dưới đôi cực từ thứ nhất làm thành một hình sao sức điện động có 12 tia như trên hình A. Do vị trí của các cạnh 13-24 dưới đôi cực từ thứ hai cũng hoàn toàn giống vị trí của các cạnh 1-12 nên sức điện động của chúng cũng có thể được biểu thị bằng một hình sao sức điện động trùng với hình sao sức điện động thứ nhất.

Vì số cạnh của một pha dưới một cực q=  với một vùng pha g=qa=2x30^o=60⁰, hơn nữa hai cạnh của bối dây cách nhau y = t =mq=2x3=6 rãnh nên pha A gồm hai bối dây tạo thành bởi các cạnh tác dụng (1-7), (2-8) dưới đôi cực từ thứ nhất và hai bối dây (13-19), (11-20) dưới đôi cực từ thứ hai. Do các pha lệch nhau 120⁰ góc độ điện nên pha B gồm các bối dây (5-11), (6-12), (17-23), (18-24) và pha C gồm các bối dây (9-150, (10-16), (21-3),(24-4). Hình sao sức điện động của các bối dây được trình bày trên hình B. Cộng tất cả các vectơ sức điện động của các bối dây của cùng một pha ta sẽ được các sức điện động E_A, E_B, E_C.

Hình B trình bày kiểu dây quấn với các bối dây có kích thước hoàn toàn giống nhau, ta có kiểu dây quấn đồng khuôn. Vì mỗi pha có hai nhóm bối dây có vị trí dưới hai đôi cực hoàn toàn giống nhau nên nối cuối của nhóm bối dây này với đầu của nhóm bối dây sau thì có thể tạo thành một nhánh của dây quấn.