Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc rãnh sâu có đến tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn rôto

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ QUỐC DUY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
3 PHA RÔTO LỒNG SÓC RÃNH SÂU CÓ TÍNH ĐẾN HIỆU
ỨNG MẶT NGOÀI TRONG THANH DẪN RÔTO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NINH THUẬN, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT


TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ QUỐC DUY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
3 PHA RÔTO LỒNG SÓC RÃNH SÂU CÓ TÍNH ĐẾN HIỆU
ỨNG MẶT NGOÀI TRONG THANH DẪN RÔTO

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 60520202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS: Lê Quang Cường

NINH THUẬN, NĂM 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các kết quả nghiên cứu
và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào
và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện
trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn

Lê Quốc Duy

i


LỜI CÁM ƠN
Để có kết quả và hoàn thành tốt trong thời gian học tập tại Trường Đại Học Thủy lợi
em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô khoa Năng Lượng Trường Đại Học
Thủy lợi. Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những hỗ
trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp. Trong suốt khoảng thời gian
học tập tai trường cho đến nay em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của
các quý thầy, cô gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến các
quí thầy, cô ở khoa Năng Lượng, Trường Đại học Thủy Lợi. Trong suốt thời gian học
tập đã truyền đạt những kiến thức hết sức thiết thực và cần thiết về ngành nghề điện
mà em theo học, với sự hướng dẫn dạy bảo tận tình của thầy cô trong suốt 5 tháng làm
luận văn. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến GVHD là thầy TS Lê Quang Cường đã
giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập cũng như luận văn của em. Do vậy không
tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn em rất mong nhận được ngững ý kiến
đóng góp quý báo của quý thầy cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em trong
lĩnh vực này được hoàn thiện hơn.
Em gởi lời cảm ơn chân thành và lời tri ân sâu sắc đến quý thầy cô khoa Năng Lượng,
Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học, do trình độ lý
luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên không tránh khỏi sự thiếu sót em
rất mong nhận được sự gớp ý của quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinh
nghiệm và hoàn thành tốt hơn. Em xin chân thành cám ơn

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH...................................................................................... v
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... vii
CHƯƠNG 1
1.1

ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ........................... 1

Kết cấu, các đại lượng định mức và công dụng .....................................................1

1.1.1 Lõi sắt: là phần dẫn từ. ....................................................................................... 1
1.1.2 Dây quấn: ............................................................................................................1
1.1.3 Vỏ máy: gồm thân máy, nắp máy và chân đế.....................................................2
1.1.4 Lõi thép. ..............................................................................................................2
1.1.5 Dây quấn rôto: ....................................................................................................3
1.2

Quan hệ điện từ trong máy điện không đồng bộ ....................................................5

1.2.1 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto đứng yên ........................................6
1.2.2 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto quay .............................................10
1.3
bộ

Các chế độ làm việc, giản đồ năng lượng, đồ thị vectơ của máy điện không đồng
.............................................................................................................................. 15

1.4

Các đặc tính của máy điện không đồng bộ ........................................................ 18

1.4.1 Các đặc tính làm việc của động cơ điện không đồng bộ ..................................18
1.4.2 Đặc tính moment .............................................................................................. 19
1.4.3 Tổn hao và đặc tính hiệu suất của động cơ h = f (P2). .....................................19
1.4.4 Đặc tính hệ số công suất cosφ = f (P2) ............................................................. 19
1.4.5 Năng lực quá tải ................................................................................................ 20
1.5

Hiệu ứng mặt ngoài ở thanh dẫn rôto lòng sóc .................................................... 20

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ....................................21

2.1

Những vấn đề chung khi thiết kế động cơ không đồng bộ ..................................21

2.2

Tính toán thiết kế máy điện không đồng bộ ......................................................... 27

2.2.1 Xác định kích thước chủ yếu . ..........................................................................27
2.2.2 Thiết kế stato ....................................................................................................29
2.2.3 Thiết kế rôto......................................................................................................31
2.2.4 Tính toán điện từ ............................................................................................... 34
2.2.5 Tham số của động cơ định mức ........................................................................44
2.2.6 Tính toán tổn hao .............................................................................................. 49

iii


2.2.7 Tính toán các đặc tính làm việc ........................................................................51
2.2.8 Tính toán đặc tính khởi động ............................................................................54
CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG
BỘ 3 PHA RÔTO LỒNG SÓC RÃNH SÂU KHI TÍNH ĐẾN HIỆU ỨNG MẶT
NGOÀI TRONG THANH DẪN RÔTO. ......................................................................59
3.1 Xây dựng module tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng tần số đến các điện trở và
điện kháng của rôto lồng sóc rãnh sâu...........................................................................59
3.1.1 Sự thay đổi các tham số do hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện .....59
3.1.2 Phương pháp tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng tần số trong thanh dẫn rôto ..63
3.2 Mô phỏng và khảo sát đặc tính động của động cơ không đồng bộ khi tổng trở của
rôto thay đổi trong quá trình làm việc. .........................................................................69
3.2.1 Công nghê xây dựng S-Funtion trong SIMULINK ..........................................69
3.2.2 Mô hình toán học .............................................................................................. 72
3.2.3 Xây dựng mô hình DKB trong Simulink sử dụng hàm S-function đã lập trình
cho DKB. ...................................................................................................................78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ..................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 84
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 85

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Lá thép kĩ thuật điện ......................................................................................... 1
Hình 1.2 Dây quấn stator ............................................................................................... 2
Hình 1.3 Stator của máy điện không đồng bộ ................................................................ 2
Hình 1.4 Lá thép rôto kĩ thuật điện không đồng bộ ....................................................... 3
Hình 1.5 Rôto (a) và sơ đồ mạch điện (b) của rôto dây quấn.........................................3
Hình 1.6 Dây quấn rôto lồng sóc (a) và rôto lồng sóc rãnh chéo (b) ............................. 4
Hình 1.7 Đồ thị véc tơ của máy điện điện không đồng bộ khi ngắn mạch ..................10
Hình 1.8 Mạch điện thay thế của máy không đồng bộ khi rôto đứng yên ...................10
Hình 1.9 Giản đồ thay thế hình T .................................................................................14
Hình 1.10 Giản đồ năng lượng của động cơ điện .......................................................... 15
Hình 1.11 Giản đồ năng lượng của máy phát điện không đồng bộ ............................... 17
Hình 1.12 Đồ thị vec tơ của máy điện không đồng bộ ..................................................17
Hình 1.13 Đồ thị vectơ và giản đồ năng lượng của máy điện không đồng bộ ở chế độ
hãm điện từ. ...................................................................................................................18
Hình 2.1 Dạng rãnh rôto loại thường ...........................................................................33
Hình 2.2 Kích thước rãnh và cách điện .........................................................................37
Hình 2.3 Kích thước rãnh rôto và vòng ngắn mạch ...................................................... 40
Hình 2.4 Đồ thị biểu thị đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. 53
Hình 3.1 kích thước rãnh rôto dung để xác định chiều sâu qui đổi hx, hr ..................... 61
Hình 3.2 Đường cong  , '  f ( ) ..................................................................................61
Hình 3.3 Sơ đồ thay thế cuộn dây của rôto khi chia nhiều lớp .....................................63
Hình 3.4 Bố trí không gian tổng quát ............................................................................72
Hình 3.5 Mô hình hệ thống được xây dựng ..................................................................78

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Trị số KD ......................................................................................................27
Bảng 2.2 Hiệu suất và cosϕ dãy động cơ điện không đồng bộ 3K .............................. 28
Bảng 2.3 Xác định bước răng stato .............................................................................31
Bảng 2.4 Số liệu đặc tính làm việc ...............................................................................52

vi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài:
Trong các loại động cơ thì động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản nhất, đặc biệt
là động cơ rôto lồng sóc. Do đơn giản nên giá rẻ, làm việc tin cậy, thao tác vận hành
thuận tiện. Ngày nay, với sự phát triển của các bộ biến tần nên việc điều khiển Động
cơ không đồng bộ được thực hiện dễ ràng. Do những nguyên nhân đó động cơ không
đồng bộ được sử dụng rộng rãi
Động cơ không đồng bộ bao gồm động cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc. Các
động cơ không đồng bộ rôto dây quấn hoặc rôto lồng sóc đơn giản không được sử
dụng rộng rãi vì mô men mở máy nhỏ và dòng điện mở máy lại lớn. Ngoài ra đối với
loại rôto dây quấn phải có vành trượt, cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có điện trở mở
máy nên làm việc kém đảm bảo, điều khiển mở máy phức tạp. Trên thực tế ngưởi ta sử
dụng rộng rãi động cơ rôto lồng sóc rãnh kép hoặc rãnh sâu để cải thiện đặc tính mở
máy. Khi thiết kế tính toán động cơ không đồng bộ, việc khảo sát tính toán các đặc
tính của động cơ thường được nghiên cứu bằng phương pháp giải tích, tính toán các
đặc tính của động cơ dự trên sơ đồ thay thế, khảo sát đặt tính theo độ trượt. Trong quá
trình tính toán ta coi điện kháng tản của stato và rôto, từ hóa không phụ thuộc vào bão
hòa của lõi thép, còn tổn thất do từ thông tản và các sóng điều hòa bậc cao bằng
không, bỏ qua sự phụ thuộc của tổng trở rôto vào hệ số trượt. Thực chất các thông số
của động cơ sẽ thay đổi do hiện tượng bão hòa mạch từ, hiệu ứng tần số trong rôto.
Với sự phát triển của công nghệ thông tin, chúng ta có thể vận dụng để tính toán và
khảo sát các đặc tính động của động cơ có tính đến sự thay đổi của các tham số động
cơ theo thời gian, nhờ đó chúng ta có thể tính toán được các chỉ tiêu động của động cơ
ngay ở bước thiết kế. Chính vì vậy em xin chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế động cơ
không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc rãnh sâu có đến tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong
thanh dẫn rôto”.

vii


2. Mục đích của Đề tài:
Thiết kế động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc rãnh sâu nhằm cải thiện đặc tính khởi
động, xây dựng module tính toán và mô hình khảo sát đặc tính động của động cơ khi
tham số của động cơ thay đổi trong quá trình làm việc, từ đó có thể tìm được các chỉ
tiêu động của động cơ ngay trong quá trình thiết kế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc rãnh sâu
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế, lập trình giải quyết bài toán trên máy tính, mô
phỏng và thực nghiệm trên mô hình mô phỏng để khảo sát đặc tính động của động cơ
không đồng bộ.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 3 chương, 4 bảng và 22 hình được trình bày trong 82 trang với các nội
dung đại cương về máy điện, thiết kế máy điện không đồng bộ. Xây dựng module tính
toán ảnh hưởng của hiệu ứng tần số đến các điện trở và điện kháng của rôto lồng sóc
rãnh sâu. Mô phỏng và khảo sát đặc tính động của ĐCKĐB khi tổng trở của rôto thay
đổi trong quá trình làm việc và kết luận của luận văn

viii


CHƯƠNG 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 Kết cấu, các đại lượng định mức và công dụng
* Kết cấu
Máy điện không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau: phần tĩnh, phần quay và khe hở
không khi giữa rôto và stato.
+ Phần tĩnh (stato): Phần tĩnh gồm lõi sắt, dây quấn và vỏ máy.
1.1.1 Lõi sắt: là phần dẫn từ.
Lõi sắt được làm bằng những lá thép kĩ thuật điện dày 0,35 ÷ 0,5 mm, bề mặt có phủ
sơn cách điện để chống tổn hao do dòng điện xoáy. Khi đường kính máy nhỏ, các lá
thép được dập theo hình tròn như ở hình a. Khi đường kính ngoài lõi thép lớn (trên
990 mm) các lá thép được dập thành hình rẻ quạt (hình b).
Các lá thép ghép lại với nhau rồi ép chặt tạo thành hình trụ rỗng, bên trong hình thành
các rãnh để đặt dây quấn như ở hình c. Nếu lõi thép dài quá thì các lá thép được ghép
thành từng thếp dày 6 ÷ 8 cm, các thếp đặt cách nhau 1 cm để tạo đường thông gió
hướng tâm.

b)
a)

c)

Hình 1.1 Lá thép kĩ thuật điện
1.1.2 Dây quấn:
Là phần dẫn điện, được làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm có bộc cách điện. Dây
quấn stato của máy điện không đồng bộ 3 pha gồm ba dây quấn pha đặt lệch nhau
trong không gian 1200 điện, mỗi pha gồm nhiều bối dây, mỗi bối dây gồm nhiều vòng
dây (hình a). Các bối dây được đặt vào rãnh của lõi thép stato (hình b ) và được nối với
nhau theo một quy luật nhất định.

1


a)

b)

Hình 1.2 Dây quấn stator
1.1.3 Vỏ máy: gồm thân máy, nắp máy và chân đế.
- Vỏ dùng để cố định lõi thép và dây quấn, đồng thời bảo vệ an toàn cho người khỏi
chạm vào dây quấn (hình vẽ)
- Vỏ không làm nhiệm vụ dẫn từ, thường đúc bằng gang. Vơi các máy công suất tương
đối lớn (1000 kw) thường dùng thép tấm cuốn lại và hàn thành vỏ.

1
2

4

4

Hình 1.3 Stator của máy điện không đồng bộ
1. Mạch từ; 2. Vỏ máy; 3. Dây quấn.
+ Phần quay (rôto): Phần quay gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn.
1.1.4

Lõi thép.

- Lõi thép rôto được làm bằng các lá thép kĩ thuật điện, dập như hình a
- Các lá thép sau khi ghép lại thành khối hình trụ mặt ngoài hình thành các rãnh để đặt
dây quấn rôto, ở giữa có lỗ để ghép trục.Trên thực tế, tổn hao sắt ở lõi thép rôto khi

2


máy làm việc là rất nhỏ nên không cần dùng thép kĩ thuật điện. Nhưng để lợi dụng
phần thép kĩ thuật điện sau khi dập lõi sắt stato, người ta dùng để ép lõi thép rôto luôn
(hình b).

a)

b)

Hình 1.4 Lá thép rôto kĩ thuật điện không đồng bộ
1.1.5 Dây quấn rôto:
- Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ chia thành hai loại: loại rôto kiểu dây
quấn và loại rôto kiểu lồng sóc. Loại rôto kiểu dây quấn: Dây quấn được đặt trong
rãnh của lõi thép rôto. Dây quấn 3pha của rôto thường đấu hình sao (Y), ba đầu còn lại
được nối với ba vòng trượt làm bằng đồng cố định ở đầu trục (hình a), tì lên ba vòng
trượt là ba chổi than (hình b).Thông qua chổi than có thể ghép thêm điện trở phụ hay
đưa sức điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện đặc tính mở máy, điều chỉnh tốc độ
hoặc cải thiện cos. Khi làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch.

Vòng trượt

R

b)

a)

Hình 1.5 Rôto (a) và sơ đồ mạch điện (b) của rôto dây quấn

3


- Loại rôto lồng sóc (còn gọi là rôto ngắn mạch)

b)

a)

Hình 1.6 Dây quấn rôto lồng sóc (a) và rôto lồng sóc rãnh chéo (b)
- Trong mỗi rãnh của lõi thép rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm, hai
đầu dài ra khỏi lõi thép. Các thanh dẫn được nối tắt lại với nhau ở hai đầu bằng hai
vòng ngắn mạch cũng bằng đồng hoặc nhôm tạo thành một cái lồng (gọi là lồng sóc)
như ở hình a.
- Để cải thiện tính năng mở máy, trong các máy có công suất tương đối lớn rãnh rôto
thường làm rãnh sâu hoặc lồng sóc kép (2 rãnh lồng sóc). Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh
rôto thường làm chéo đi một góc so với tâm trục để cải thiện dạng sóng s.đ.đ (hình b).
Ở phần quay còn có các bộ phận khác như trục máy, cánh quạt làm mát (với máy cỡ
nhỏ). Khe hở: Giữa rôto và stato có khe hở rất đều. Khe hở trong máy điện không
đồng bộ rất nhỏ (khoảng 0,2 ÷ 1,0 mm) để hạn chế dòng từ hoá lấy từ lưới vào, làm
cho cos của máy cao hơn.
* Các đại lượng định mức
- Công suất định mức ở đầu trục: Pđm (W, kW). Đây là công suất cơ, nói lên khả năng
sinh công của động cơ. Ngoài đơn vị W, kW còn có đơn vị là sức ngựa HP.
1 HP = 0,736 kW= 736 W
- Điện áp định mức Uđm (V). Trên nhãn máy thường ghi hai trị số điện áp ứng với
cách đấu dây của stato. Ví dụ Y/-380/220 V, nghĩa là khi nguồn có điện áp dây
Ud = 380V thì dây quấn 3 pha stato đấu hìnhY, còn khi nguồn có Ud = 220V thì dây
quấn stato đấu 
4


- Dòng điện dây định mức: Iđm (A).Đây là dòng điện của cuộn dây stato lấy từ nguồn
khi điện áp đặt vào động cơ là định mức và trục động cơ kéo phụ tải định mức.Trên
nhãn động cơ thường ghi hai trị số dòng điện ứng với hai cách đấu dây
- Tốc độ quay định mức nđm (vòng/phút). Đây là tốc độ quay của động cơ khi điện áp
đặt vào động cơ là định mức và mômen cản trên trục động cơ là định mức.
- Tần số nguồn định mức fđm (Hz).
- Hiệu suất định mức ηđm là tỉ số giữa công suất cơ trên trục và công suất điện mà
động cơ tiêu thụ khi tải định mức.
- Hệ số công suất định mức cosđm.
- Từ các số liệu định mức trên nhãn máy, có thể tìm được các trị số quan trọng khác
như công suất điện định mức mà động cơ tiêu thụ từ lưới P1đm, mômen quay định mức
ở đầu trục động cơ Mđm.
* Công dụng: Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm
động cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên
động cơ không đồng bộ là loại máy được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế
quốc dân. Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động
lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ... Trong hầm mỏ
dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia
công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày máy điện không đồng bộ cũng dần
dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, động cơ tủ lạnh...Tóm lại phạm vi ứng dụng
của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi. Tuy vậy máy điện không đồng bộ có
những nhược điểm sau: cosj của máy thường không cao lắm, đặc tính điều chỉnh tốc
độ không tốt nên ứng dụng của nó có phần bị hạn chế.
1.2 Quan hệ điện từ trong máy điện không đồng bộ
Ta có thể coi máy điện không đồng bộ như một máy biến áp mà dây quấn stator là dây
quấn sơ cấp, dây quấn rotor là dây quấn thứ cấp, sự liên hệ giữa sơ và thứ thông qua từ
trường quay (ở máy biến áp là từ trường xoay chiều). Do đó có thể dùng cách phân
tích kiểu máy biến áp để thiết lập các phương trình cơ bản, mạch điện thay thế, đồ thị
5


vectơ....Ta chỉ xét đến tác dụng của sóng cơ bản không xét đến tác dụng của sóng bậc
cao vì ảnh hưởng của chúng là thứ yếu.
1.2.1 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto đứng yên
Mục đích của chúng ta là chứng minh rằng khi rôto đứng yên máy điện không đồng bộ
được xem như máy biến áp chỉ khác về phần cấu tạo. Còn về phần bản chất vật lý đều
như nhau. Để nghiên cứu một cách hợp lý ta bắt đầu nghiên cứu từ những trạng thái
làm việc giới hạn của máy: không tải, ngắn mạch để phần sau mở rộng khái niệm máy
điện không đồng bộ cũng như máy biến áp ngay cả ở trường hợp với rôto quay.
+ Không tải của máy điện không đồng bộ khi n = 0 (Rôto đứng yên)
Ta giả thuyết của máy điện không đồng bộ hở mạch và đứng yên stator được
đặt vào lưới điện có điện áp U1, tần số f1. Trong trường hợp này máy điện không
đồng bộ được xem như máy biến áp lúc không tải. Dưới tác dụng của điện áp U1 trong
stator có dòng điện không tải I0, I0  F1   , một phần của  là  m móc vòng với
hai dây quấn của máy, còn phần kia  1 chỉ móc vòng với dây quấn stator. Nếu máy
có p đôi cực thì tốc độ n1 của f1 và  m là n1 = 60f1/p.Từ thông  m sinh ra ở dây
quấn stator và rôto rotor hai sức điện động E1 và E2 xác định theo công thức:
E1 =

2 .f 1 .k dq1 .  m

E2 =

2 .f 1 .k dq2 . 

m

Từ thông tản  1 sẽ tạo nên ở dây quấn stator sức điện động tản E 1
E  1 = -j.I0.x1
x1 là điện kháng tản của dây quấn stator.Ngoài ra dây quấn stator còn có điện trở tác
dụng r1, kể đến sự có mặt của nó dưới hình thức điện áp rơi I0r1. Phương trình sức
điện động sơ cấp của máy điện không đồng bộ dưới dạng máy biến áp:
U 1 = - E1 + l0 Z1

6


Đồ thị không tải của máy điện không đồng bộ tương ứng về nguyên tắc với những đồ
thị không tải của máy biến áp. Nhưng trong quan hệ về lượng giữa hai đồ thị có một sự
khác nhau rõ rệt:
Trong máy điện không đồng bộ: l0 = (20  50) lđm
Trong máy biến áp:

l0 = (3  10) lđm

Điện áp rơi trên dây quấn máy điện không đồng bộ khi không tải chiếm (2  5)% Uđm
còn của máy biến áp thường không quá (0,1  0,4)% Uđm. Hệ số biến đổi sức điện
động của máy điện không đồng bộ:

ke 

2. . f1 .w1 . k dq.1 . m w1 .k dq.1
E1


E2
2. . f1 .w2 . k dq.2 .m w2 .k dq.2

Trong máy điện không đồng bộ cũng như trong máy biến áp dây quấn thứ cấp được
đưa về dây quấn sơ cấp nghĩa là thay cuộn dây thứ cấp thật bằng một cuộn khác cũng
có số vòng dây, bước dây quấn và số rãnh của một pha dưới một cực như là cuộn sơ
cấp. Sức điện động của dây quấn thứ cấp được qui đổi:
E/2 = ke E2 = E1
Khi rôto hở mạch và đứng yên trong máy chỉ có tổn hao đồng của stator m1I2r1 tổn
hao sắt ở stator, rotor: pfe1+ pfe2. Công suất P10 do máy tiêu thụ từ lưới
P10 = m1 I20 r1 + pfe1 + pfe2. Trong máy điện không đồng bộ I0 và r1 tương đối
lớn nên tổn hao đồng pcu1 chiếm một thành phần đáng kể trong P10. Đối với máy biến
áp ta bỏ qua pcu1 lúc không tải.
+ Ngắn mạch của máy điện không đồng bộ khi n = 0:
Nếu chúng ta dịch chuyển điểm tiếp xúc động của biến trở trong mạch rôto từ vị trí 1
sang vị trí 2 (thì chúng ta có tình trạng ngắn mạch của máy điện không đồng bộ. Về
bản chất vật lý ngắn mạch như vậy tương tự ngắn mạch của máy biến áp. Đặt một điện
7


áp U1 = (15  25) % Uđm vào dây quấn stator. Trong dây quấn stator có I1 chạy với
tần số f1, trong rôto có I2 chạy với tần số f2, khi n = 0 thì
f2 = f1, I1, I2 sinh ra F1, F2 ở đây ta chỉ xét đến các sóng điều hòa bậc một:
F1 

m1 2 w1kdq1
l1 ,

p

F2 

m2 2 w2 k dq2
l2

p

F1, F2 quay với tốc độ n1 = 60f1/p và tác dụng với nhau sinh ra sức từ động tổng ở
khe hở F0
F1 + F2 = F0 F1 = F0+ (-F2)
Giống như cách phân tích máy biến áp, ở đây có thể coi dòng điện stato I1 gồm
2 thành phần:

  2/   F2/ 

 0  F0 

m1 . 2 w1 .k dq1
0

p

m1 2 w1k dq1 /
2

p
.

Như vậy, ta có: I 1  I 0  ( I 2 ) so sánh sức điện động F2 do dòng điện I2 của rôto và
thành phần của dòng điện stato sinh ra, ta có:
m1 2 w1kdq1 / m2 2 w2 kdq2
2 
2

p

p

Từ đó tìm được hệ số biến đổi dòng điện:
k1 

m1 .w1 .k dq1
2

 2/ m2 .w2 .k dq2

Do dó dòng điện qui đổi của rotor là: I 2/ 

1
I2
ki

Dùng các hệ số biến đổi sức điện động và dòng điện chúng ta có thể xác định được
điện trở và điện kháng qui đổi r/2 và x2/ của rôto.

8


Khi qui đổi r2/ chúng ta xuất phát từ tổn hao đồng của dây quấn rôto không phụ thuộc
m2l22 r2  m1l22 r2

vào sự qui đổi đó:
2

2
 
 m1w1k dq1 


m

m
 .r
r2/  2  2  .r 2  2 
m1  / 
m1  m2 w2 k dq2  2


 2 



w1 .k dq1 m1 .w1 .k dq1
w2 .k dq2 m2 .w2 .k dq2

r2  k e .k i .r2  k ..r2

Ở đây k = ke.ki là hệ số qui đổi của điện trở.
Khi qui đổi điện kháng đến x2 ta xuất phát từ góc y2 giữa E2 và I2 không phụ thuộc
vào sự qui đổi:
tg 2 

x2 x2/

r2 r2/

 x2/ 

r2/
x2  k .x2
r2

Các phương trình sức điện động sơ cấp của máy điện không đồng bộ lúc ngắn mạch
viết hoàn toàn như đối vớí máy biến áp:
.

U 1   E1  I 1 Z 1
O   E 2/   2/ .Z 2/
E 2/  E1
I 1  I 2/  I 0
 E1  I 0 Z m

Z1=r1+jx1; Z2/ =r2/+jx2/

Ở đây

Với E2/ = E1 và I2/ = -I1 (vì F0 nhỏ = 0)
Giải 2 phương trình đầu ta có:
1 

U1
U
 1
/
Z1  Z 2 Z1

9


rn = r1 + r2/; xn = x1 + x2/.

Trong đó : Zn = rn+jxn;

1.2.2 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto quay
Trong trường hợp này nó được xem như một máy biến áp tổng hợp nghĩa là ở đây
không chỉ có biến đổi điện áp dòng điện và số pha mà còn có cả tần số và các dạng
năng lượng. Tóm lại viết phương trình sức điện động của máy điện không đồng bộ và
giải theo dòng điện, chúng ta có thể có được về nguyên tắc, những giản đồ đẳng trị
như đối với máy biến áp.
Đồ thị véc tơ và mạch điện thay thế
U1

jx 1,  1

r1 ,  1

 2

1

 jx 2 , 2

  1   ,r
2 2
0



Hình 1.7 Đồ thị véc tơ của máy điện điện không đồng bộ khi ngắn mạch
r1

r'2

X1

X'2

1  2

U1

Hình 1.8 Mạch điện thay thế của máy không đồng bộ khi rôto đứng yên
+ Các phương trình cơ bản:
Máy điện không đồng bộ làm việc thì dây quấn rôto thường nối ngắn mạch. Nối dây
quấn stator với nguồn 3 pha thì trong dây quấn có I1 chạy, phương trình cân bằng
s.đ.đ trên dây quấn stator vẫn như cũ:
U 1   E1  I1 (r  jx1 )
 m quay với tốc độ: n1 

60 f1
p

10


+ Tần số sức điện động cảm ứng trong dây quấn rôto:
Khi quay rôto với tốc độ n trong từ trường quay có tốc độ n1 (và cùng chiều) thì tốc độ
quay tương đối của  m với rôto có tốc độ n2 = n1 - n và tần số dòng điện trong rôto
là:

f2 

pn2
60

f2 

n1  n n1 . p
.
 f1 .s
n1
60

Thường động cơ không đồng bộ khi tải định mức thì sđm = 0,02 - 0,05 nên suy ra tần
số trên rôto thấp và tổn hao ít.
+ Sức điện động của rôto: Theo biểu thức chung thì
E2s = 4,44.f2.w2.kdq2. = 4,44.f1.s.w2.kdq2. = s.E2
Qui đổi về stator: E/2s = s.E2/
Nghĩa là với từ thông chính đã cho  m thì sức điện động cảm ứng trong rôto khi quay
bằng sức điện động E2 khi rôto đứng yên nhân thêm với hệ số trượt.
Ví dụ: khi n = 0 và rôto hở mạch ta có ở các vành trượt U2 = E2 = 600v, thì khi
vừa nâng cao dần tốc độ quay của rôto theo chiều từ trường quay n = 0  n = n1 thì ta
có sự biến thiên bậc nhất của E2s từ E2s=600vE2s với n > n1 thì E2sbắt đầu tăng và có
trị số âm nghĩa là biến đổi gốc pha của mình so với lúc đầu 1800.
+ Điện trở của dây quấn rôto:
Giả sử rôto khép kín mạch qua một điện trở phụ nào đó muốn vậy chúng ta dịch điểm
tiếp xúc của biến trở về vị trí 3. Vậy điện trở của rôto là: R2 = r2 + rf.
r2: điện trở tác dụng của rôto;
rf: điện trở phụ.

11


Qui đổi: R/2 = r2/+ r/f.
+ Điện kháng của rôto:
Điện kháng tản của phần quay đứng yên: x2 = 2.ƒ.L 2
Trong đó: L 2 là hệ số tự cảm xác định bởi từ thông tản bởi vì từ thông tản đi qua
không khí là chính nên L  2 =const.
x2 s = 2.ƒ 2 .L 2  2 . f1.s.L 2  x2 s
x2/ s  x2/ s

+ Phương trình sức điện động và dòng điện của rôto
Nếu mạch của rôto kín thì trong đó sẽ có I2 chạy và I2 sẽ tạo nên và đi qua r2, tương
ứng với sẽ có sức điện động E2s =E2.s tạo nên bởi  m và sức điện động tản
E 2   j. 2 .x2 .s   j. 2 .x2 .s

Theo định luật kirkhoff 2: E 2 s  E 2  E 2 s  j. 2 .x2 s   2 .r2
Hay E 2 s   2 .Z 2 s   2 (r2  j.x2 .s)
với Z 2 s  r2  j.x2 .s : Tổng trở của thực rôto
Do đó: I 2 

hay: I 2 

E2 s
E 2 s

Z 2 s r2  j.x2 .s
E2 s

r  x22 .s 2
2
2

Nếu dạng rôto quy đổi về stator: E2/ s  I 2/ .z2/ s
với z2/ s  r2/  jx2/ .s : Tổng trở quy đổi của rôto.
E /
E /
hay
I2/  /2 s  / 2 s /
z 2 s r2  jx 2 .s

I2/ 

E2/ s
r2/ 2  x2/ 2 .s 2

12


Để thiết lập phương trình mới có ý nghĩa, ta có thể biến đổi (3-3) như sau:
 2 

E 2 s
E 2

r2  j.x 2 .s r2
 jx 2
s

Biểu thức của  2 có một ý nghĩa vật lý mới: Ở mạch thứ cấp bây giờ thay cho sức điện
động khi rôto quay E2s với f2 = s.f1 sẽ là sức điện động E2 khi rôto đứng yên với tần
số f1. Điện kháng khi rôto quay x2.s ở mạch thứ cấp sẽ là điện kháng khi rôto đứng
yên x2. Muốn trong mạch thứ cấp vẫn chỉ có dòng điện dòng điện I2 có cùng trị số và
pha đối với I2 chỉ cần thiết thay r2 thực bằng 1 điện trở mới bằng:

r2
1 s
 r2  r2
s
s

Như vậy, nếu rotor quay muốn trong đó vẫn là dòng điện ấy, cần đưa vào mạch thứ
cấp 1 điện trở giả tưởng:

r2

1 s
s

+ Tốc độ quay của s.t.đ rôto: Trong dây quấn rôto, I2 tạo nên F2 quay so với rôto tốc
độ n2 tương ứng với tần số f2.Ngoài ra, bản thân rôto quay với tốc độ n. Do đó, F2
quay tương đối so với stator tốc độ n2+n.

Nhưng:

n2  60pf2  60pf1.s  n1.s  n2  n1

n1  n
 n1  n
n1

Như vậy: n2 + n = n1 - n + n = n1
Nghĩa là st.đ của rôto quay trong không gian luôn luôn với tốc độ và chiều như st.đ
của stator (không phụ thuộc vào tình trạng làm việc).Bởi vì F1 và F2 quay cùng tốc độ
và chiều trong không gian nên có thể xem rằng nó chuyển động tương đối với nhau và
tạo thành sóng st.đ tổng F0. Như vậy, hình sin st.đ F2 cần phải lệch về không gian
tương đối với F1 một góc để F0 đủ tạo nên  m, theo điều kiện cân bằng st.đ:
F1  F2  F0  I1  I2/  I0

Tóm lại, hệ phương trình cơ bản lúc rôto quay là:

13


u1   E1  I1 (r1  j.x1 )
 r2/



0   E2  I 2   jx 2/ 
 s

E 2/  E1
I1  I2/  I0
 E  jI z
1

0

m

+ Mạch điện thay thế của máy điện không đồng bộ:
Dựa vào hệ phương trình (ta có thể lập được mạch điện thay thế hình T cho máy điện
không đồng bộ với:
r2/

1 s
1 s 
: đặc trưng cho sự thể hiện Pcơ trên trục: ( Pcô  m1 I 2/ 2 r2/ 
 ).
s
 s 

Khác với máy biến áp chỉ có sự biến đổi điện năng ở điện áp này qua điện năng ở điện
áp khác, động cơ không đồng bộ là một máy điện biến đổi điện năng ra cơ năng. Khi
giảm phụ tải điện áp ở các cực thường không thay đổi, còn khi phụ tải biến đổi thì từ
thông hỗ cảm và sức điện động tương ứng với nó E1  E/ 2 ở các đầu cực của mạch từ
hóa hình T cũng biến đổi dưới ảnh hưởng của điện áp rơi I1z1 ở mạch sơ cấp. Với
những lý do trên, ta thấy rằng mạch điện thay thế hình T đôi khi không tiện lợi cho
việc nghiên cứu các quá trình công tác của máy điện không đồng bộ. Tiện lợi hơn là
giản đồ thay thế hình T trong đó mạch từ hóa được đưa ra các đầu cực sơ cấp và với
mọi sự biến thiên của phụ tải, nghĩa là khi hệ số trượt s thay đổi thì dòng điện vẫn
không đổi và bằng dòng điện không tải lý tưởng Io khi s = 0
 1X1

 1r1

 12 X' 2

 12r' 2 / s
 1 1

1
U1

X1

r1

 ' '2

1

rm

U1

Xm

Hình 1.9 Giản đồ thay thế hình T
14

1
 00

 12 ' 2

 ' ' 2
m


 1 : hệ số hiệu chỉnh (hệ số sửa chữa biến đổi)

Tỷ số của dòng điện ở mạch chính của hình T và T là:
I 2/
z
 1  1  1
//
I2
zm

coi: rm << x m :

1  1

z1 
z 
r
 1  1   j 1
zm  zm 
rm

r
Vì 1 rất bé nên có thể bỏ qua phần ảo của 1 ; thực tế ( 1 =1,04÷1,08).
rm

1  1 


x1
 1  1
xm
 m

1.3 Các chế độ làm việc, giản đồ năng lượng, đồ thị vectơ của máy điện không
đồng bộ
Máy điện làm việc ở chế độ động cơ điện (0 < s < 1):
+ Giản đồ năng lượng:
Động cơ điện lấy công suất tác dụng từ lưới vào: một phần biến thành tổn hao đồng
của dây quấn stator: pCu1  m1l12 r1 và tổn hao sắt: pFe = m1I20rm
Phần còn lại chuyển thành Pđt: Pđt  P1  pCu1  pFe  m1l2/ 2

r2/
s

Tổn hao đồng trong rôto: pCu2  m1l2/ 2 r2/ còn lại chuyển thành công suất cơ ở trục động
cơ:

P1

Pcô  Pđt  pCu 2  m1 2/ 2

r2/
1 s  /
 m1 2/ 2 r2/  m1 2/ 2 
r2
s
 s 

pCu 2 (1  s )
s
Vậy: Pco  (1  s) Pđt
Pco 

P
đ
t

pCu 2  sPđt

P2
Hình 1.10 Giản đồ năng lượng của động cơ điện
15

Pcu1
PFe
Pcu 2
P cơ

Pt


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×