Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ

17-3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ17-3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Các phương pháp điều chỉnh chủ yếu: 1. Trên stato: thay đổi điện áp đưa vào dây quấn stato, thay đổi số đôi cực của dây quấn stato hay thay đổi tần số nguồn cung cấp. 2. Trên rôto: thay đổi điện trở hoặc nối tiếp trên mạch rôto một hay nhiều máy điện (gọi là nối cấp). 17.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực Động cơ điện KĐB khi làm việc bình thường có hệ số trượt s nhỏ nên n ≈ n1 = 60f1/p. Khi tần số f1 = const, thay đổi p sẽ thay đổi được tốc độ n (tốc độ tỷ lệ nghịch với số đôi cực p). Dây quấn stato có thể nối thành bao nhiêu số đôi cực khác nhau thì tốc độ có bấy nhiêu cấp. Như vậy tốc độ chỉ có thể thay đổi từng cấp, không bằng phẳng. Có nhiều cách thay đổi số đôi cực của dây quấn stato: 1. Đổi cách nối để có số đôi cực khác nhau. Cách này dùng trong động cơ điện 2 cấp tốc độ. 2. Trong rãnh stato đặt hai dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, thường để đạt hai cấp tốc độ theo tỷ lệ 4 : 3 hay 6 : 5. 3. Trên rãnh stato có hai dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, mỗi dây quấn lại có thể đổi nối để có số đôi cực khác nhau (dùng trong động cơ có 3 , 4 cấp tốc độ). Với động cơ rôto dây quấn, dây quấn rôto có số đôi cực bằng số đôi cực của dây quấn stato, vì vậy khi đấu lại dây quấn stato để có số đôi cực khác thì dây quấn rôto cũng phải đấu lại. Điều này không tiện lợi, do đó động cơ điện loại này không dùng phương pháp thay đổi số đôi cực để điều chỉnh tốc độ. Với động cơ rôto lồng sóc, rôto có thể thích ứng với mọi số đôi cực của stato, do đó thích hợp với điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực. Sơ đồ thay đổi số đôi cực như sau (hình 17-6):c) /2  /2 A1 X1 A 2 X2Hình 17-6. Sơ đồ nguyên lý thay đổi số đôi cực     A1 a) X1 X2 A2 /2  /2 A1 X1 A 2 X2b)Thay đổi từ nối thuận (hình 17-6a) sang nối ngược (hình 17-6b) ta được số đôi cực khác nhau theo tỷ lệ 2 : 1.Cũng có thể đổi từ đấu nối tiếp (hình 17-6a) sang đấu song (hình 17-b) hai cuộn dây tuỳ theo yêu cầu của điện áp và dòng điện để có số đôi cực khác nhau. Với động cơ 3 pha, tuỳ theo cách đấu Y hay Δ và cách đấu dây quấn pha song song hay nối tiếp mà ta có loại động cơ hai cấp tốc độ có mômen không đổi hoặc công suất không đổi.Hình 17-7. Sơ đồ đấu dây quấn khi đổi tốc độ theo tỷ lệ 2:1 với mômen không đổi Y (p2=2p1 ) YY (p1) I’fABCI’fIdIdCBAI’fI’fHình 17-7, chuyển từ đấu hình Y sang YY, ta có: PY = 3.Ul.I’f.ηY.cosφY PYY = 3.Ul.2I’f.ηYY.cosφYYGiả thiết khi thay đổi tốc độ η và cosφ không đổi, khi đó Vì khi chuyển từ đấu Y sang YY, số đôi cực giảm đi một nửa (p2 = 2p1), tốc độ tăng gấp đôi (n1 = 2 n2), nên theo quan hệ M = P/ω, ta có:Máy được chế tạo theo loại có mômen không đổi.Đặc tính M = f(s) của động cơ hai cấp tốc độ đấu theo kiểu Y/YY như hình 17-9Hình 17-9. Đặc tính cơ M = f(s) của động cơ điện hai tốc độ có sơ đồ đấu dây như hình 17-7 0 n1 2n1 nMY Y Y Hình 17-8, chuyển từ đấu Δ sang YY, ta có: PΔ = 3.Ul.3I’f.ηΔ.cos. PYY = 3.Ul.2I’f.ηYY.cosφYY Giả thiết khi thay đổi tốc độ, cả η và cosφ không đổi, ta có: PYY /PΔ = 2/3 ≈ 1 Như vậy ta được động cơ loại có công suất không đổi. Đặc tính M = f(s) như ở hình 17-10. Hình 17-8. Sơ đồ đấu dây quấn khi đổi tốc độ theo tỷ lệ 2:1 với công suất không đổiA B C A B CId ∆(p2 = 2p1) YY (p1) IdI,fI,fI,fI,fHình 17-10. Đặc tính cơ M = f(n) của động cơ điện hai tốc độ có sơ đồ đấu dây như ở hình 17-80 n1 2n1 nM Y Y 17.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ: n = (1-s)n1 = (1-s).60f1/p Khi hệ số trượt thay đổi ít thì n tỷ lệ với f1. Theo phương pháp này: - Động cơ có thể quay với bất kỳ tốc độ nào, phạm vi điều chỉnh rộng, điều chỉnh bằng phẳng. - Phải có nguồn điện có tần số thay đổi được, giá thành cao. Phương pháp này chỉ có ý nghĩa thực tế khi dùng một nguồn điện biến tần chung điều chỉnh nhiều động cơ điện có cùng quy luật thay đổi tốc độ. Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, ta có thể tìm được mối quan hệ giữa điện áp U1, tần số f1 với mômen M. Nếu bỏ qua điện trở r1 thì biểu thức mômen cực đại (16-41) có thể viết thành: trong đó C là hệ số. Gọi U’1 và M’ là điện áp và mômen ứng với lúc tần số f’1. Căn cứ vào năng lực quá tải không đổi, ta có: Từ đó tìm được:(17-5)(17-6) Trong thực tế sử dụng, khi yêu cầu mômen không đổi (như trong máy cát gọt kim loại) thì ta có: Khi yêu cầu điều chỉnh tốc độ đảm bảo công suất cơ Pcơ không đổi, nghĩa là M tỷ lệ nghịch với tần số (trong đầu máy xe điện) thì:(17-7)(17-8)Thay vào (17-6) ta được: Nếu yêu cầu mômen tỷ lệ với bình phương tốc độ (như quạt gió) thì:(17-9) 17.3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp Khi thay giảm điện áp xuống x lần so với điện áp định mức, U = xUđm (x < 1) thì mômen sẽ giảm xuống còn M = x2Mđm. Nếu mômen tải của động cơ không đổi thì tốc độ động cơ sẽ giảm, hệ số trượt tăng tăng từ sa đến sb rồi sc như hình 17-11. Khi điện áp giảm x lần thì s.đ.đ. E và từ thông Φ cũng giảm x lần so với trị số ban đầu. Theo công thức M = CM.I’2.Φ, để giữ cho M = const cân bằng với mômen cản thì I’2 phải tăng lên 1/x lần.MmaxMCssasbsc01.0s23M1Hình 17-11. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp đặt vào statoVì nên hệ số trượt s sẽ bằng 1/x2 lần hệ số trượt cũ và tốc độ động cơ ở điện áp mới U = xUđm là:(17-10)Theo hình 17-11 thấy rằng, hệ số trượt tối đa có thể điều chỉnh được là s = sm.Giả sử Mmax/Mđm = 2, sđm = 0,04, theo biểu thức Klox tính được sm = 0,15 nghĩa là phạm vi điều chỉnh tối đa là 15%.Khi MC = Mđm thì điện áp thấp nhất là 0,707Uđm. Nếu mômen tải nhỏ hơn định mức thì có thể cho phép điện áp giảm nữa.17.3.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách ghép thêm điện trở phụ vào mạch rôto Phương pháp này chỉ dùng đối với động cơ rôto dây quấn. Khi thêm điện trở phụ vào mạch rôto thì đường đặc tính M = f(s) nghiêng về phía trái (hình 17-12). Với mômen tải không đổi, điện trở phụ càng lớn thì hệ số trượt ở điểm làm việc càng lớn, nghĩa là tốc độ càng giảm.Hình 17-12. Điều chỉnh tốc độ bằng cách ghép thêm điệm trở phụ vào rôto1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 012M/Mđm1234adbcMC /Mđm(17-11)trong đó rp là điện trở phụ ghép vào.Do Pđt không đổi, I2 cũng không đổi nên một bộ phận công suất cơ trước kia đã biến thành tổn hao đồng m2I22rp.Nhược điểm của phương pháp điều chỉnh này là: tổn hao công suất lớn, hiệu suất của máy giảm, phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào phụ tải. Khi không tải không thể dùng phương pháp này.Vì mômen tỷ lệ với công suất điện từ nên ta có: 17.3.5. Điều chỉnh tốc độ bằng nối cấp Khi nối cấp, rôto của hai động cơ được nối với nhau cả về cơ lẫn về điện (hình 17-13). Động cơ A nối với lưới điện, động cơ B rôto đóng vai trò sơ cấp lấy điện từ mạch rôto của động cơ A, stato của động cơ B nối với điện trở 3 pha đối xứng. Như vậy, điện áp đưa vào động cơ B chỉ là điện áp tần số thấp của rôto động cơ A.~ABRHình 17-13. Động cơ điện không đồng bộ nối cấpGọi:pA, pB là số đôi cực của động cơ A và B,f1 - tần số lưới ,f2 - tần số dòng điện rôto của động cơ A, n1, n2 - tốc độ đồng bộ của động cơ A và B,nC - tốc độ rôto chung của cả hai máy.Ta có: n1A = 60f1/pA f2 = (n1A – nC).pA/60 (17-12)Tốc độ đồng bộ của máy B (tốc độ của từ trường quay so với rôto) là: n1B = 60f2/pB = (n1A - nC).pA/pBHệ số trượt của máy B bằng: sB = (n1B – nC)/n1B (17-13) Như vậy, máy B làm việc như một động cơ điện không đồng bộ thông thường có tần số nguồn điện đưa vào là f2. Còn máy A làm việc như một động cơ điện không đồng bộ mà mạch rôto nối thêm một mạch điện đẳng trị của động cơ B. Vì rôto hai máy được nối chặt với nhau về cơ khí nêncùng quay với tốc độ nC. Khi không tải, hệ số trượt của máy B là sB = 0 nên n1B = nC. Tốc độ chung của hệ thống lúc không tải chính là tốc độ đồng bộ của cả hệ thống nối cấp, ký hiệu là n1C.Ta có: n1C = nC(sB = 0) = n1B(sB = 0) = (n1A – n1C).pA/pB.Suy ra: n1C = n1A.pA/(pA + pB) = 60f1/(pA + pB) (17-14) n1C được xem như tốc độ của hệ thống nối cấp khi hệ số trượt của động cơ B bằng 0. Tốc độ đồng bộ của hệ thống là tốc độ đồng bộ của một động cơ điện tương ứng có số đôi cực là (pA + pB). Các động cơ A, B có thể làm việc riêng lẻ nên ta được ba cấp tốc độ tương ứng với ba số đôi cực pA, pB và (pA + pB). Phân phối công suất: Công suất điện từ của máy A là PđtA chia làm hai phần, một phần biến thành công suất cơ ở đầu trục PcơA, một phần thành công suất điện truyền cho máy B là PS. Bỏ qua tổn hao trên máy thì công suất phân phối của hai máy như sau:(17-15)trong đó công suất của máy A là: PcơA = PđtA.(nC/n1A)công suất cơ của máy B là: PcơB = PS = PđtA.(n1A - nC)/n1AThấy rằng, tải của hai máy phân phối tỷ lệ với số đôi cực của chúng.