Đồ án Thiết kế bộ khởi động động cơ không đồng bộ

Mục lục Trang Lời nói đầu Trong giai đoạn hiện nay nước ta đã và đang thực hiện công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Đẩy mạnh và mở rộng các ngành, nghề kỹ thuật cao. Tuy vậy nước ta vẫn là một nước nông nghiệp và là một nước đang phát triển. Nói đến nghề nông ta không thể không đề cập đến vấn đề cấp thoát nước. Nhưng ngày nay cấp thoát nước không những là các công trình hạ tầng kỹ thuật của các đô thị và nông thôn mà còn là công trình hạ tầng vô cùng quan trọng của xã hội, nó góp p hần làm thay đổi bộ mặt đô thị, nông thôn, làm cho cuộc sống của người dân càng tiện nghi, hiện đại và văn minh hơn. Từ đó mà các trạm bơm đã dần được hình thành, nó đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cấp thoát nước. Và máy bơm là thành phần không thể thiếu của trạm bơm. Trong những năm trước đây máy bơm chỉ được dùng để vận chuyển nước. Ngày nay máy bơm đã được sử dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau, với mục đích khác nhau. Chính vì vậy ta phải biết sử dụng và chọn máy bơm phù hợp với chức năng và môi trường làm việc. Ngày nay khi sử dụng bơm ngoài các yêu cầu cơ bản thì vấn đề luôn quan tâm đến là vấn đề cấp điện cho trạm bơm, tự động hoá trạm bơm và đặc biệt là phải chú ý đến động cơ của bơm. Để đảm bảo vận hành trạm bơm được tốt thì cần phải có sự truyền tải và phối điện đến trạm bơm. Động cơ điện thường được cung cấp đồng bộ với máy bơm. Động cơ thì có rất nhiều loại, loại dùng trong trạm bơm chủ yếu là động cơ điện không đồng bộ, đôi khi có thể dùng động cơ đồng bộ. Đây là loại động cơ dùng rộng rãi để dẫn động cho các loại máy. Có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. Đặc biệt là động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc mở máy rất đơn giản. Có thể mở trực tiếp hoặc hạ điện áp stato rồi mở máy. Mở máy trực tiếp rất đơn giản chỉ cần đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện nhờ cầu dao hoặc bộ khởi động từ. Nhưng cách này làm sụt áp trên lưới, dòng khởi động lớn hơn dòng định mức rất nhiều gây ra ảnh hưởng đến các phụ tải khác. Vì vậy ta thường mở máy bằng cách hạ điện áp Stato để từ đó giảm được dòng khởi động. Với vai trò quan trọng như vậy nên khi sử dụng động cơ không đồng bộ ta phải chú ý đến sự khởi động của động cơ. Và với máy cần phải khởi động bằng cách hạ điện áp khởi động thì bộ khởi động của động cơ sẽ đóng một vai trò hết sức quan trọng. Chính vì vậy mà đề tài tốt nghiệp em được giao là " Thiết kế bộ khởi động động cơ khụng đồng bộ " Đồ án của em gồm: Chương I: Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ. Chương II: Đặt vấn đề khởi động động cơ không đồng bộ. Chương III: Các phương pháp khởi động. Chương IV: Chọn phương án và tính toán. Chương V: Mô phỏng hệ thống khởi động trên Matlab Simlink Phần I Giới thiệu máy điện không đồng bộ I. Phân loại và kết cấu 1. Phân loại. - Theo kết cấu của vỏ, máy điện không đồng bộ có thể chia thành các kiểu chính sau: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ, v.v… - Theo kết cấu của rôto, máy điện không đồng bộ chia làm hai loại: loại rôto kiểu dây quấn và loại rôto kiểu lồng sóc. - Theo số pha trên dây quân stato có thể chia thành các loại: một pha, hai pha, ba pha… 2. Kết cấu. Giống như các máy điện quay khác, máy điện không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau: 2.1. Phần tĩnh hay stato Trên stato có vỏ, lõi sắt và dây quấn. a. Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thường vỏ máy làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau. b. Lõi sắt Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi sắt được làm bằng những là thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. Mỗi lá thép kỹ thuật điện đầu có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Nếu lõi sắt ngắn thì có thể ghép thành một khối. Nếu lõi sắt dài quá thì thường ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp dài 6 đến 8 cm. đặt cách nhau 1 cm để thông gió cho tốt. Mặt trong của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn. c. Dây quấn. Dây quấn stato được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt. 2.2. Phần quay hay rôto. Phần này có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn. a. Lõi sắt. Nói chung thì người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stato. Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn. b. Rôto và dây quấn rôto. Rôto có hai loại chính: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc. - Loại rôto kiểu dây quấn: Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato. Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của rôto thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm của loại động cơ điện rôto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay s.đ.đ phụ vào mạch điện rôto để cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch. - Loại rôto kiểu lồng sóc: Kết cấu của loại dây quấn này rất khác với dây quấn stato. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rôto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép. Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto thường dùng được làm chéo đi một góc so với tâm trục. 2.3. Khe hở. Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2 đến 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn. 3. Các lượng định mức Cũng như tất cả các loại máy điện khác, máy điện không đồng bộ có các trị số định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy. Các trị số này do nhà máy thiết kế, chế tạo quy định và được ghi trên nhãn máy. Vì máy điện không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ điện nên trên nhãn máy ghi các trị số định mức của động cơ điện khi máy tải định mức. Các trị số đó thường bao gồm: công suất định mức ở đầu trục Pđm (kW hay W), dòng điện dây định mức Iđm (A), điện áp định mức Uđm (V), cách đấu dây (Y hay D), tốc độ quay định mức nđm (vg/ph), hiệu suất định mức hđm và hệ số công suất định mức cosjđm ….. Từ các trị số định mức ghi trên nhãn máy có thể tìm được các trị số quan trọng khác như: Công suất định mức mà động cơ điện tiêu thụ: Mômen quay định mức ở đầu trục: Trong đó là tốc độ quay tính bằng rad/s. 4. Công dụng của máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động vơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu xuất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là một loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilooat. 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 ở các nhà máy công nghiệp nhẹ .v.v…Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt thông gió. Trong nông nghiệp dùng để làm máy bơm hay máy gia công sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh, v.v…Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá, tự động hoá và sinh hoạt hàng ngày, 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 như cosj của máy thường không cao và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của máy điện không đồng bộ có phần hạn chế. Máy điện không đồng bộ có thể dùng làm máy phát điện nhưng đặc tính không tốt so với máy phát điện đồng bộ, nên chỉ trong một vài trường hợp nào đó như (như trong quá trình điện khí hoá nông thôn) cần nguồn điện phụ hay tạm thời thì nó cũng có một ý nghĩa quan trọng. 5. Đặc tính của động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc, so với động cơ một chiều động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo. Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn, riêng với động cơ rôto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn. Xét về cấu tạo, người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại: Động cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc (còn gọi là động cơ rôto ngắn mạch). 5.1. Phương trình đặc tính cơ. Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay thế. Trên H1 là sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ. Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau đây: - 3 pha của động cơ là đối xứng. - Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto, mạch từ không bão hoà nên điện kháng X1, X2 không đổi. Uf I1 X1 Rm R1 X2 R’2 3 Xm Im Hình1: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ - Tổng dẫn mạch từ hoá không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato động cơ. - Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép. - Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha. Với những giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ như H1. Trong đó: Uf1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato Im , I1, I2’ – các dòng điện hoá, stato và dòng điện rôto đã quy đổi về stato. Xm, X1d, X’2d - điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato và điện kháng tản rôto đã quy đổi về stato. Rm, R1, R2’ – các điện trở tác dụng của mạch từ hoá của cuộn dây stato và rôto đã quy đổi về stato. S - độ trượt của động cơ. (1.1) 0 w1 0 F Rf = 0 Rf = 0 ĐC w S I0 I1nm Hình 2. Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ w1 – tốc độ góc của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ. (1.2) Trong đó: f1 – tần số của điện áp nguồn đặt vào stato. p – số đôi cực từ động cơ. w - tốc độ góc của động cơ. Từ sơ đồ thay thế ta tính được dòng điện stato. (1.3) 0 1 I2nm’ I2’ Rf=0 Rf # 0 w1 w s H3. Đặc tính dòng điện rôto của động cơ không đồng bộ Biểu thức (1.3) là phương trình đặc tính dòng điện stato và có thể biểu diễn trên H 2. Từ (1.3) ta thấy: Khi w = 0, s = 1 thì I1 = I1nm Khi w = w1, s = 0 ta có: (1.4) I1nm – dòng điện ngắn mạch stato Im là dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động cơ quay với tốc độ đồng bộ Ta cũng tính được dòng điện rôto quy đổi về stato (1.5) Khi w = w1, s = 0 thì I2’ = 0; Khi w = 0, s1 = 1 thì (1.6) Đặc tính dòng điện rôto biểu diễn trên H 3. Để tìm phương trình đặc tính cơ của dòng động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: Công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto. P12= Mđt. w1 Mđt là mô men điện từ của động cơ. Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì Mđt = Mcơ = M. Công suất đó chia thành 2 phần: Pcơ: công suất cơ đưa ra trên trục động cơ. D P2: công suất tổn hao đồng trong rôto P12 = Pcơ +D P2’ Hay Mw1 = Mw + D P2’ Do đó D P2 = M(w1 - w) = Mw1. s (1.7) Mặt khác D P2 = 3 I’22R’2’ (1.8) Nên (1.9) Sthf 0 Mthđ Sthđ S=1 w=0 w1 Mthf H4: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Thay giá trị I’2 đã tính được ở trên vào (1.9) và biến đổi ta có (1.10) Biểu thức (1.10) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ không đồng bộ. Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong như H4. Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong này bằng cách giải , ta sẽ được trị số của M và s tại điểm cực trị ký hiệu là Mth, sth (mômen và độ trượt tới hạn), cụ thể là: (1.11) thay (1.11) vào (1. 10) để tìm Mth: (1.12) 0 Mđm Mth Rf= 0 TN(Rf)= 0 1 2 Sth w1 w s M H5. Đặc tính cơ điện của động cơ không đồng bộ w = f(M) trong chế độ động cơ Trong hai biểu thức trên dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái máy phát. Do đó Mth ở chế độ máy phát lớn hơn Mth ở chế độ động cơ. Ngoài ra khi nghiên cứu các hệ truyền động với động cơ không đồng bộ người ta quan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ nên các đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0Ê s Ê sth Đặc tính trên H5 tất nhiên lúc này phương trình (1.12) ứng với dấu (+). Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn thuận tiện hơn bằng cách lập tỉ số giữa (1.10) và (1.12) và biến đổi sẽ được phương trình đặc tính cơ: (1.13) trong đó Đối với các động cơ công suất lớn thường R1 rất nhỏ so với Xn m, lúc này có thể bỏ qua R1, nghĩa là coi R1 = 0, as th = 0 và (1.13) có dạng gần đúng: (1.14) trong đó (1.15) (1.16) Nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách tuyến tính hoá đặc tính trong đoạn làm việc. Ví dụ ở vùng độ trượt nhỏ s<< sth tỷ số nhỏ, gần đúng coi s/sth = 0. Lúc này đặc tính cơ ở dạng đơn giản: (1.17) Nó chính là đường tiếp tuyến với đường đặc tính cơ tại điểm đồng bộ w1: đường 1 trên H.5. Cũng có thể tuyến tính hoá đoạn làm việc qua điểm định mức như đường 2 trên H.5. Phương trình gần đúng là: (1.18) Từ dạng đặc tính cơ biểu diễn trên H5 ta thấy độ cứng của đặc tính cơ biến đổi cả về trị số lẫn về dấu tuỳ theo điểm làm việc: (1.19) Với đặc tính tuyến tính hoá đường 1(H5): Vậy (1.20) Tương tự với đặc tính 2 trên H5: (1.21) Như vậy trên đoạn làm việc của đặc tính cơ không đồng bộ b có giá trị âm gần như không đổi. Đối với đoạn đặc tính s > sth’ , khi s>> sth bỏ qua và phương trình đặc tính cơ sẽ là: (1.22) (1.23) Trong đoạn làm này độ cứng b là dương và giá trị của nó biến đổi. Động cơ không đồng bộ làm việc trên đoạn đặc tính này. 5.2. ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ. Từ phương trình đặc tính cơ điện động cơ không đồng bộ, ta thấy các thông số ảnh hưởng đắc tính bao gồm: - ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato (nối thêm điện trở phụ R1f vàX1f mạch stato) Mnm3 Mnm2 Mc2 Mnm M Mc1 U3 U2 U1 TN Uđm w1 w s H. 6: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi giảm điện áp - ảnh hưởng điện trở mạch rôto (nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rôto đối với động cơ rôto quấn dây). - ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ. - ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ f1. Ngoài việc thay đổi số đôi cực sẽ thay đổi tốc độ đồng bộ và làm thay đổi đặc tính cơ (trường hợp này xảy ra đối với động cơ nhiều cấp tốc độ). Trong phần này ta sẽ lần lượt xét ảnh hưởng trên: a. ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ. Khi điện áp lưới suy giảm. theo (1.12) mômen tới hạn sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp. Trong khi đó tốc độ đồng bộ w1 giữ nguyên và độ trượt tới hạn sth không thay đổi. Ta có dạng đặc tính cơ khi điện áp lưới giảm trên H.6. Đặc tính này thích hợp với phụ tải bơm và quạt gió không thích hợp với tải không đổi. Ngoài ra đối với động cơ công suất lớn làm việc với phụ tải bơm hoặc quạt gió, người ta dùng phương pháp tăng dần điện áp đặt vào động cơ để hạn chế dòng điện khi khởi động. b. ảnh hưởng của điện trở, điện kháng hở mạch stato. Ta thấy khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stato R1f và X1f thì w1 = const, sth giảm Mth giảm nên đặc tính cơ có dạng như hình 7. Ta thấy rằng khi cần tạo ra đặc tính có mômen khởi động là Mnm thì đặc tính cơ với Xf trong mạch cứng hơn đặc tính cơ với Rf. Dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch có thể xác định được R1f hoặc X1f trong mạch stato khi khởi động (hình 8). Giả sử cần hạn chế dòng điện khởi động từ Inm ứng với đặc tính tự nhiên đến dòng Inm ứng với đặc tính có R1f hoặc X1f trong mạch Stato: Còn: I'nm = aInm (a < 1) M'nm = a2Mnm Tương ứng trong tam giác tổng trở ngắn mạch: Z'nm = R1f = (1-24) X1f = (1-25) Trong đó: Rnm = R1 + R'2 Znm = Hình 8: a) Tam giác tổng trở ngắn mạch tự nhiện; b) Tam giác tổng trở ngắn mạch thêm R1f; c)Tam giác tổng trở ngắn mạch thêm X1f. c. ảnh hưởng của số đôi cực p. Để thay đổi số đôi cực ở stato ta thường thay đổi cách đấu dây. Vì w1 = (1.26) w =w1 (1 - s) (1.27) Nếu thay đổi số đôi cực p thì w1 thay đổi, do đó tốc độ cơ cũng thay đổi. Còn sth không phụ thuộc vào p nên không thay đổi, nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ vẫn giữ nguyên. Nhưng khi thay đổi số đôi cực sẽ thay đổi cách đấu dây ở stato động cơ nên một số thông số như Uf, R1, X1 có thể thay đổi và do đó tuỳ từng trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến mômen tới hạn Mth của động cơ hình 9a Biểu diễn đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực với p2 = p1/2 và Mth = const. Hình 9: a) Đặc tính cơ khí thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ, Mth = const; b) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực động cơ KĐB p1 = const Hình 9 biểu diễn đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực p2 = p1/2 và p1=const Việc thay đổi sơ đồ đấu dây để thay đổi số đôi cực có thể xem chi tiết ở TL2. d. ảnh hưởng của điện trở mạch rôto. Đối với động cơ không đồng bộ rôto dây quấn người ta thường mắc thêm điện trở phụ vào mạch rôto để hạn chế dòng điện khởi động hoặc để điều chỉnh tốc độ động cơ. Khi đưa R2f vào rôto thì. w1 = const. Mth = const sth = R2f càng lớn sth sẽ càng lớn và theo 1-20) thì cơ càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng mềm. Khi đặc tính cơ nằm trong đoạn làm việc. Đặc tính cơ được biểu diễn trên H.10c. Theo (1-6) I'2nm = Ta thấy Rf càng tăng, dòng điện khởi động càng giảm. Các đặc tính dòng điện rôto vẽ trên hình 10b. Trong phạm vi nhất định khi Rf tăng sẽ làm Mkđ tăng lên, còn sau đó mômen khởi động sẽ giảm. Vì vậy phải căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểm của phụ tải mà chọn trị số điện trở phụ cho thích hợp. Hình 10: ảnh hưởng của điện trở mạch rôto đến đặc tính cơ a) Sơ đồ đấu dây; b) Các đặc tính dòng điện rôto; c) Các đặc tính cơ biến trở e. ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ. Xuất phát từ biểu thức w1 = 2pf1/p, ta thấy rằng thay đổi tần số sẽ làm tố độ từ trường quay và tốc độ động cơ thay đổi. - Xét trường hợp khi tăng tần số f1 > f1đm từ biểu thức 1-16 biến đổi ta có: (1-28) Khi tần số tăng, Mth giảm (với điện áp giữ không đổi), do vậy: (1-29) - Trường hợp tần số giảm f1 < f1đm, nếu giữ nguyên điện áp U1 thì dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn (vì tổng trở của động cơ giảm theo tần số). Do vậy khi giảm tần số cần phải giảm điện áp theo quy luật nhất định sao cho động cơ sinh ra được mômen như trong chế độ định mức. Đó là bài toán tìm quy luật tối ưu trong chế độ làm việc tĩnh của hệ điều chỉnh tần số động cơ KĐB. Trên H11. Trình bày đặc tính có khi f1 f1đm, mômen tới hạn Mth tỷ lệ nghịch với bình phương tần số. II. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ. 1. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ. Khi ta cho dòng điện ba phatanf số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ là n1 = . Từ trường quay cắt các thanh dãn của dây quấn rôto, cảm ứng các sức điện động. Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trong các thanh dẫn rôto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay chiều quay từ trường với tốc độ n. Để minh hoạ, trên hình 11 vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôto, chiều các lực điện từ Fdt. Khi xác định chiếu sức điện động cảm ứng theo qui tắc bàn qui tắc bàn tay phải, ta căn cứ vào chiếu chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường: Nếu cơi từ trường đứng yên, thì chiếu chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược với chiều n1, từ đó áp dụng qui tắc bàn tay phải, xác định được sđđ như hình vẽ (dấu Ä chỉ chiều đi từ ngoài vào trang giấy). Chiếu lực điện từ xác định theo quui tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1. Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rôto không có sđđ và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2. Hệ số trượt của tốc độ là: s = (1.30) Khi rôto đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1; khi rôto quay định mức s = 0,02 á 0,06. Tốc độ động cơ là: n = n1 (1 - s) = (1-s) vg/ph III. Mạch điện thay thế của máy điện không đồng bộ. Dựa vào các phương trình cơ bản (1.51), hoàn toàn tương tự như với máy biến áp ta có thể thiết lập được mạch điện thay thế hình T cho máy điện không đồn bộ khi rôto quay như ở hình 13. Nhưng chú ý rằng đối với máy biến áp tổng trở Zt mắc ở mạch thứ cấp là đặc trưng cho tải (điện) ở mạch ngoài, còn ở máy điện không đồng bộ điện trở giả tưởng đặc trưng cho sự thể hiện công suất cơ trên trục máy. Dùng mạch điện thay thế có thể tính ra dòng điện stato, rôto, mômen, công suất cơ, v.v… và những tham số khác thuộc về đặc tính làm việc. Như vậy ta đã chuyển việc tính toán một hệ thống điện - cơ (hoặc cơ - điện) của máy điện không đồng bộ thành việc tính toán một mạch điện đơn giản. Vì vậy mạch điện thay thế được sử dụng rộng rãi. Hình 14: Mạch điện thay thế hình T của máy điện không đồng bộ Thường để thuận lợi cho tính toán, người ta biến đổi mạch điện thay thế hình T thành mạch điện thay thế hình G đơn giản hơn. Các biến đổi như sau: Từ hình 14, ta có: Trong đó: Vì: Và , Nên Trong đó: Từ đó được: Giải I1 ra được: (1.52) Trong đó: Gọi là dòng điện không tải lý tưởng, nghĩa là dòng điện không tải ứng với lúc s = 0, tức = Ơ. Và là dòng điện thứ cấp của mạch điện hình G Từ công thức (1.52) có thể vẽ mạch điện thay thế hình G như hở hình 15, trong đó nhánh giữa của mạch điện hình T đã được dịch ra phía trước. Hình 15a: Mạch điện thay thế hình G của máy điện không đồng bộ Hình 15b. Mạch điện thay thế hình G đơn giản hoá của máy điện không đồng Thực tế là chỉ hơi lớn hơn 1 một ít, góc phức tạp lại rất nhỏ nên có thể coi và như vậy mạch điện đơn giản hoá hơn nữa như ở hình 15b. IV. Các chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ. Như đã nói ở trên, máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở ba chế độ, động cơ, máy phát và trạng thái hãm, tùy theo hệ số trượt s mà có thể dùng mạch điện thay thế để nghiên cứu các đặc tính làm việc của máy ở ba chế độ đó. 1. Máy làm việc ở chế độ động cơ điện (0 < s < 1) Động cơ điện lấy điện năng từ lưới điện vào với P1 = m1U1I1cosj1. Một phần nhỏ của công suất đó biến thành tổn hao đồngcủa dây quấn stato và tổn hao trong lõi sắt stato PFe = , còn lại phần lớn công suất đưa vào chuyển thành công suất điện từ Pđt truyền qua rôto. Như vậy: (1.53) Vì trong rôto có dòng điện nên có tổn hao đồng trong rôto . Do đó công suất cơ của động cơ điện Pcơ bằng: (1.54) Công suất đưa ra đầu trục động cơ điện P2 sẽ nhỏ hơn công suất cơ vì khi máy quay có tổn hao cơ pcơ và tổn hao phụ pf (sẽ nói ở chương sau), nghĩa là: P2 = Pcơ - (pcơ = pf) (1.55) Như vậy tổng tổn hao trong động cơ điện bằng: và công suất đưa ra đầu trục: P2 = P1 - Sp. Hiệu suất của động cơ điện: (1.56) Cũng giống như ở m.b.a, đồ thì vécc tơ của động cơ điện không đồng bộ có thể vẽ theo các phương trình cơ bản (1.51) Theo mạch điện thay thế hình T ở hình 14, có thể thấy rõ sự phân phối công suất phản kháng trong máy điện không đồng bộ. Động cơ điện không đồng bộ lấy từ lưới vào một công suất phản kháng bằng: Q1 = m1U1I1 sinj1 (1.57) Một phần nhỏ công suất phản kháng này được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sơ cấp q1 và thứ cấp q2. (1.58) Phần lớn công suất phản kháng còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở: Qm = m1E1I0 = m1I02xm (1.59) Do đó ta có: Q1 = Qm + q1 + q2 = m1U1I1sinj1 (1.60) Do trong máy điện không đồng bộ khe hở lớn hơn trong máy biến áp, nên dòng điện từ hoá I0 trong máy điện không đồng bộ lớn hơn dòng điện từ hoá trong máy biến áp. Do Qm và I0 tương đối lưới nên hệ số công suất cosj của máy thấp. Thường trong động cơ điện không đồng bộ, cosjđm = 0,7á0,95; khi không tải cosj rất thấp, thường cosj0 = 0,1 á 0,15. n II Khởi động Động cơ không đồng bộ Trong quá trình mở máy động cơ điện, mô men mmở máy là đặc tính chủ yếu nhất trong những đặc tính mở máy. Muốn cho máy quay được thì Momen mở máy phải lớn hơn mô men tải tĩnh và Momen masat tĩnh. M - Mc = Mj = J M, MC, MJ: Mô men điện từ, Mô men cản, Mômen quán tính của động cơ. J = : Hằng số quán tính. g = 9,81 m/s2: gia tốc trọng trường. W: tốc độ góc của rôto Nếu mô men khởi động nhỏ hơn Mômen cản đ Động cơ không khởi động