Máy điện - Chương 3: Động cơ không đồng bộ 3 pha

PHẦN II. MÁY ĐIỆN Chương 3. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Định nghĩa, cấu tạo và công dụng 1 Từ Trường quay trong động cơ KDB 3 pha 2 Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha 3 Các phương trình cơ bản 4 5 Qui đổi và sơ đồ thay thế PHẦN II. MÁY ĐIỆN Chương 3. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Quá trình năng lượng 6 Momen quay của động cơ KĐB 3 pha 7 Các phương pháp mở máy đ/c KĐB 3pha 8 Điều chỉnh tốc độ đ/c KĐB 3 pha 9 10 Động cơ không đồng bộ 1 pha §1 – Định nghĩa, cấu tạo và công dụng Động cơ không đồng bộ 3 pha là động cơ có tốc độ roto nhỏ hơn tốc độ từ trường quay Gọi n1 : là tốc độ từ trường quay n : là tốc độ roto 1n n 1. Định Nghĩa: § 1 – Định nghĩa, cấu tạo và công dụng A. Stato: LÁ THÉP STATOR RÃNH STATOR Là thành phần không quay, gồm có: + Lõi thép: ghép bằng các lá thép KTĐ dày : 0,3 – 0,5mm các lá thép được dập rãnh để đặt dây quấn stato § 1 – Định nghĩa, cấu tạo và công dụng A. Stato: + Dây quấn: gồm các dây quấn pha AX, BY, CZ các đầu dây được đưa ra hộp đầu nối Kiểu đấu dây và điện áp định mức: A B C Z X Y Y/ : 380/220V Y/ : 660/380V § 1 – Định nghĩa, cấu tạo và công dụng B. Roto: (Phần động) + Lõi thép: ghép bằng các lá thép KTĐ dày : 0,3 – 0,5mm các lá thép được dập rãnh để đặt dây quấn roto + Dây quấn: có 2 loại - Dây quấn ngắn mạch (lồng sóc)  gọi là động cơ KĐB roto lồng sóc LÁ THÉP RÔTO - Dây quấn pha: có cấu tạo giống dq stato (nối hình Y) § 1 – Định nghĩa, cấu tạo và công dụng * Roto lồng sóc Đặc điểm Vành ngắn mạch Thanh dẫn = đồng or nhôm - Kết cấu đơn giản - Không thay đổi được R2 § 1 – Định nghĩa, cấu tạo và công dụng 3 vành trượt = đồng Rf * Roto dây quấn Đặc điểm : - Cấu tạo phức tạp, giá thành cao - Có thể thay đổi R mạch roto nhờ Rf Dây quấn 3 pha = đồng nối Y C. Khe hở không khí  = (0,25 1) mm Chổi than - Dây quấn pha: có cấu tạo giống dq stato (nối hình Y) các đầu dây quấn roto  đưa ra ngoài nhờ vành trượt và chổi than Vành trượt: bằng đồng gắn trên trục roto Chổi than: graphit, gắn trên satato nối với mạch ngoài §1 – Định nghĩa, cấu tạo và công dụng VÀNH TRƯỢT CHỔI THAN DÂY QUẤN ROTO §2 – Từ Trường quay trong động cơ KDB 3 pha 1. Định nghĩa: Là từ trường có phương thay đổi trong không gian theo thời gian 2. Cách tạo ra từ trường quay iA = Imsint iB = Imsin(t-120 o) iC = Imsin(t+120 o) * Tại t1 = 90 o : iA = Im > 0 ; ( )Qui ước iA chạy từ A => X ( ) iB chạy từ Y => B ( )( ) iC chạy từ Z => C ( )( ) Từ trường trùng với trục của pha A tong m B I i 2   < 0 m C I i 2   < 0 A,B,C : đầu đầu X,Y,Z : đầu cuối vào dây quấn 3 pha tong A X B Y C Z §2 – Từ Trường quay trong động cơ KDB 3 pha *tại t2 = 90 o + 120o iB = Im > 0 ; ( ) iA chiều từ X => A ( ) iB chiều từ B => Y ( )( ) iC chiều từ Z => C ( )( ) Trùng với trục dq pha C tong m A I i 2   < 0 m C I i 2   < 0 * Tại t3 = 90 o + 240o * Tại t4 = 90 o + 360o Trùng với trục dq pha A tong Trùng với trục dq pha B tong tong A X B Y C Z tong A X B Y C Z §2 – Từ Trường quay trong động cơ KDB 3 pha * Nhận xét : - Khi cho i3pha vào dq 3 pha có trục lệch 120 o - Khi iS biến thiên 1 CK quay được 1/p vg 1 1 60f n p  vg - Chiều quay TT phụ thuộc thứ tự pha của dòng điện trong các dq. Nếu đổi thứ tự pha của dòng điện trong 2 dq cho nhau => TT quay ngược lai tong Từ trường quay ( số đôi cực p = 1) tong quay được 1 vòng Nếu p đôi cực, iS b.thiên 1 CK tong 1 giây: iS biến thiên f1 CK 1f p vg tong quay được  đổi chiều quay của ĐCKĐB Trong 1 phút: tong §2 – Từ Trường quay trong động cơ KDB 3 pha - Khi lệch pha t.gian = lệch pha k.gian = 120o m m3p 3 2    1 Y tong C A X Z B C m 1 2    tong m 3 2    A m   B m 1 2    Trong động cơ 3 pha là từ trường quay tròn, có biên độ không đổi tong §3 – Nguyên lý làm việc của động cơ KDB 3 pha n1 tong - Đặt U~3p vào dây quấn Stato 1 1 60f n p  => e2 => i2 Tác động giữa tong và i2 => Mđ => kéo Roto quay cùng chiều n1 và tốc độ n < n1 => Có TT quay 1 1 n n s n  Đặt Gọi là hệ số trượt slv= 0,02  0,06 so  0 => Không tải lý tưởng  e2  Mđ t => i2 §4 – Các phương trình cơ bản (mô hình toán học) Coi DQ Stato => Sơ cấp Coi DQ Roto => Thứ cấp Không tải lý tưởng của ĐC Giống MBA không tải Thời điểm mở máy của ĐC Giống MBA ngắn mạch §4 – Các phương trình cơ bản (mô hình toán học) Trục 3 dq song song Trục 3 dq lệch nhau 120o MBA 3 pha ĐCKĐB 3 pha Từ trường đập mạch Từ trường quay DQ TC cấp cố định so với SC DQ TC chuyển động tương đối so với SC với n  n1 f2 = f1 = f f2  f1 DQ tập trung DQ rải kdq= 1 kdq< 1 2 đầu dq TC nối với tải điện 2 đầu dq roto nối ngắn mạch U2 = 0 U2  0 Từ trường chính khép kín trong lõi thép Từ trường chính khép qua 2 lần khe hở KK  Io nhỏ Io lớn E1 = 4,44f1 W1 m E1 = 4,44f1 W1 kdq1  §4 – Các phương trình cơ bản (mô hình toán học) 1. Phương trình cân bằng điện  Dây quấn sơ cấp MBA E1 = 4,44f1 W1 kdq1  kdq1 < 1 : hệ số dây quấn a. Phía Stato b. Phía Roto Khi R quay với vận tốc n n1 n Dòng điện i2 có tần số f2 2pn 60  Với n2 = n1 - n n 2 1 2 p(n n) f 60   1 1 1 pn (n n) 60 n   1sf E1 U1 I1 X1 R1 f2 = sf1 => Có hệ số trượt s 1 1 11 1 1U E jX I R I         §4 – Các phương trình cơ bản (mô hình toán học) Sđđ e2 có : E2s = 4,44f2 W2 kdq2  = s.4,44f1 W2 kdq2  Sđđ trong dq Roto khi Roto đứng yên E2s = sE2 PT cân bằng điện áp Roto: f2 I2 X2S E2S R2 Trong đó : X2S = 2L2 = 2 f2 L2 = s. 2 f1 L2 X2 X2 : điện kháng tản roto khi đứng yên X2S : điện kháng tản roto khi quay X2S = sX2 f2 = sf1 E2 E2 : 2S 2 22S 20 E jX I R I        §4 – Các phương trình cơ bản (mô hình toán học) 2. Phương trình cân bằng từ * Không tải:  do s.t.đ Fo * Mang tải,  do tổng 2 s.t.đ • m1, m2 : số pha dây quấn S và R • kdq1, kdq2 : hệ số dây quấn của S và R U1 E1 = 4,44f1 W1 kdq1    = const 1 2 oF F F       . . . 1 2 o1 1 dq1 2 2 dq2 1 1 dq1m w k I m w k I m w k I  Chia 2 vế cho: (m1 W1 kdq1) 2 1 o 1 1 dq1 2 2 dq2 I I I m w k m w k      ki I2 ’ . o 1 2I I I  1 2 1 21 1 dq1 2 2 dq2F F m w k I m w k I        * bỏ qua  U1 vì . . 2' 2 i I I k  o o1 1 dq1F m w k I    §5 – Qui đổi và sơ đồ thay thế * Hệ phương trình của động cơ 1 1 11 1 1U E jX I R I         o 1 2I I I      2S 2 22S 20 E jX I R I        1 dq11 e 2 2 dq2 w kE k E w k   * Xét phương trình 2S 2 2 2 22S 2 2 20 E jX I R I sE I (R jsX )              2 2 2 2 R 0 E I ( jX ) s        2 2 2 e e i 2 e i i RI 0 E .k ( .k k jX .k k ) k s        2I   2R 2X2EVới 22 eE E .k    Sđđ pha roto qui đổi về stato 2 2 i I I k    Dòng điện roto qui đổi về stato 1 1 dq1 i 2 2 dq2 m w k k m w k  2 2 e iR R .k k  2 2 e iX X .k k  điện trở; điện kháng roto qui đổi về stato i e k k .k Hệ số qui đổi tổng trở 2 2 2 2 R 0 E I ( jX ) s           §5 – Qui đổi và sơ đồ thay thế * Biến đổi đơn giản ta có 2 2 2 2 2 (1 s) 0 E I (R jX R ) s              1 11 1 1U E I (R jX )        o 1 2I I I      2 2 2 2 2 (1 s) 0 E I (R jX R ) s             Tổn hao roto Công suất trên trục 1 2 0 th thE E I (R jX )         xth R1 X'2X1 R'2/s Rth o U1 o I1 o I'2 o I0 Xo R1 X'2X1 R'2/s Ro o U1 o I1 o I'2 o I0 o U1 o I1 o I'2 o I0 R'2(1-s)/s Xo R'nXn Ro o th 1R R R  o th 1X X X  Gần đúng n 1 2R R R  n 1 2X X X Io = (20 50)%Iđm ' 1 2 ' '2 22 1 1 2 U I R (R ) (X X ) s     §6 – Quá trình năng lượng Công suất tác dụng truyền tải trên động cơ 1dP 1stP d2P 1P eP coP cfP 2P Năng lượng đầu vào Tổn hao đồng Stato Tổn hao sắt Stato Công suất điện từ Tổn hao đồng roto Công suất cơ Tổn hao phụ Shaft Power 1đP 2đP stP cfP P1 Pđt Pcơ P2 Stato Rôto Khe hở §6 – Quá trình năng lượng P1 công suất điện đầu vào P2 công suất cơ đầu ra Chế độ định mức dm 2P P dm 1dm P P   1 2P P P   dt 1 st1 d1P P P P   co dt d2P P P  dt dt 1P M .  co dtP M .  d2 dt 1P M .( )    d2 dt 1P M .s.   1 Tốc độ đồng bộ  Tốc độ roto Tổng tổn hao: * Trong đó các tổn hao: §6 – Quá trình năng lượng Công suất điện từ 2 22 2 dt 2 2 2 R R P 3I m I s s    2đPst P cfP 1đP P1 Pđt Pcơ P2 Stato Rôto Khe hở 2 2 co 2 2 2 2 2 1 s 1 s P 3I R m I R s s      2 2 d2 2 2 2 2 2P 3I R m I R    2 2 2 o t n P P P k P     1 t 1dm I k I  o st fP P P   nP Tổn hao không tải Tổng tổn hao đồng khi dòng định mức §7 – Momen quay của động cơ KĐB 3 pha q 1 P M   ®tMomen điện từ : Mặt khác: 22 t 2 R P 3 I s  ® 1 2 2 22 1 1 2 U I R (R ) (X X ) s       1 1 2 f p    2 1 2 q 2 22 1 1 1 2 3pU R / s M R 2 f [(R ) (X X ) ] s        2 q 1M U Momen cực đại mà đ/c có thể sinh ra: qdM 0 ds  2 k 2 2 1 1 2 R s R (X X )        2 1 max 1 1 2 3pU và M 4 f R (X X )     1 1 2R (X X ) 2 k 1 2 R s X X     §7 – Momen quay của động cơ KĐB 3 pha   2 1 max 1 1 2 3pU M 4 f R (X X )     + Mmax không phụ thuộc R’2 + Mmax  U1 2 Khi khởi động: s = 1, n = 0 kd mmM M 0  Quan hệ: M = f(s) + so = 0  Mo = 0 + sm = 1 2 ' 1 2 mm ' 2 ' 2 1 1 2 1 2 3pU R M 2 f [(R R ) (X X ) ]       + sm = sk  Động cơ KĐB 3 pha có khả năng tự mở máy 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 50 60 s M Duong cong mo men M s Mmax Mmm §7 – Momen quay của động cơ KĐB 3 pha  dùng Rf nối tiếp vào roto để tăng Mmm khi có Rf nối tiếp R2 2 f k 1 2 R R s X X     maxM const sk sk ’ Mmax  Để Mmm = Mmax thì : 2 f k 1 2 R R s 1 X X      M’m Mm + Mmm R2’ 2 1 max 2 1 U M f   lại có: do: Mmax không phụ thuộc R’2   2 1 max 1 1 2 3pU M 4 f R (X X )     1 1 2Vì : R (X X ) 1f §7 – Momen quay của động cơ KĐB 3 pha Đặc tính cơ của đ/c KĐB 3 pha n f (M) 1n n (1 s)  s 0 sk 1 n n1 nk 0 M 0 Mmax Mmm 0 10 20 30 40 50 60 0 500 1000 1500 n M A B C MC’ MC k1 MC ’ k2 MC AB : Vùng ổn định BC : Vùng không ổn định * Vùng AB: Tại k1 có Mđc = Mc > Mđc Khi M C => n => Mđ/c Cân bằng với MC tại điểm làm việc mới * Vùng BC : > Mđc Khi M C => n Tại k2 có Mđc = Mc càng Mđ/c §8 – Các phương pháp mở máy đ/c KĐB 3pha Điều kiện: Mmm > MCo C d M M J dt    J : momen quán tính Im X’2 U1 X1 R1 R’2 1 mtt 2 2 1 2 1 2 U I (R R ) (X X )      = (5 7) Iđm Khi mở máy trực tiếp  • Mmm lớn • Imm nhỏ • Pm nhỏ  Cần có biện pháp mở máy để có: §8 – Các phương pháp mở máy đ/c KĐB 3pha 1. Mở máy bằng cuộn kháng nối tiếp Stato: Do có Uck =>Uđc giảm Uđc = l ck U k Imtt Imđc = ck I k mtt => Mmck = 2 ck M k mtt Vì M U2 Imđc = c c U Z ® ® l c ck U Z k  ® CK A B C K1 K2 §8 – Các phương pháp mở máy đ/c KĐB 3pha 2. Mở máy bằng biến áp tự ngẫu: I1 = Iml I2 = Imđc U1 = Ul U2 = Uđc Trong MBA : 1 2 BA 2 1 U I k U I   l 2 BA U U k => => mttm BA I I k ®c (**) Từ (*) và (**) => (*) mtt 2 BA I k   mtt ml 2 BA I I k  mtt mBA 2 BA M M k  Iml = I1 2 BA I k  m BA I k  ®c U1 U2 Iml Imđc Lưới CD2 CD1 §8 – Các phương pháp mở máy đ/c KĐB 3pha 3. Mở máy bằng đổi nối Y  : Nếu MM bằng nối  trực tiếp: m mdI I  Nếu MM bằng nối Y: mY fI I mY m I 1 I 3   m mY I I 3  mtt mY M M 3  mf3I f c U 3 Z  ® d c U 3 Z  ® f c U Z  ® d c U Z  ®3 CD1 CD2 A B C X Y Z Y  Chỉ sử dụng cho các động cơ nối  ở chế độ làm việc bình thường §8 – Các phương pháp mở máy đ/c KĐB 3pha 4. Mở máy bằng điện trở phụ: - Đ/c roto dây quấn  nối thêm điện trở Rmm vào dây quấn roto trong quá trình mở máy R mở Stato Rôto 2 mthk 1 2 R R s 1 X X       - Rmm = Rmth  Mmm = Mmax mth 1 2 2R (X X ) R     - Đồng thời Zđc tăng làm cho Imm giảm - Nhược điểm: + chỉ sử dụng cho đ/c roto dây quấn + tổn hao trên Rmm §9 – Điều chỉnh tốc độ đ/c KĐB 3 pha 1. Các tiêu chí đánh giá 1 phương pháp điều chỉnh tốc độ đ/c * Phạm vi điều chỉnh max min n D .... n   4 1  1000 ; 1  Rộng Hẹp * Độ liên tục i i 1 n n    Tỷ số giữa 2 tốc độ liền kề nhau Nếu   1 thì gọi là điều khiển liên tục * Độ ổn định tĩnh Là n khi Mc thay đổi trong khoảng: 0 ÷ Mđm §9 – Điều chỉnh tốc độ đ/c KĐB 3 pha 2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ * Ta có: 1 60f n n (1 s) (1 s) p      Để đk tốc độ ta có thể sử dụng các pp: + điều chỉnh tần số f + điều chỉnh số đôi cực p + điều chỉnh hệ số trượt s: - điều chỉnh điện áp stato - điều chỉnh điện trở phụ nối vào roto n Tự nhiên 1 2 Mc n n’ n“ M §10 – Động cơ không đồng bộ 1 pha Chương 3/ 1. Cấu tạo - Là động cơ sử dụng lưới điện 1 pha - Stato: + Lõi thép: Ghép từ các lá thép KTĐ mỏng, có rãnh để đặt dây quấn stato + Dây quấn: là dây quấn 1 pha - Roto: + Lõi thép: Ghép từ các lá thép KTĐ mỏng, có rãnh để đặt dây quấn roto + Dây quấn: là dây quấn ngắn mạch/ lồng sóc §10 – Động cơ không đồng bộ 1 pha 2. Từ trường trong đ/c KĐB 1 pha - Từ trường trong đ/c KĐB 1 pha là từ trường đập mạch - Phân tích từ trường đập mạch thành các từ trường quay U~1pha   B n B1 B2 n1 n1 2 1 IIB IB B 2 1 IIB IB maxB B 2 1 IIB IB0B  1 2B B B    Một từ trường đập mạch có thể phân tích thành 2 từ trường quay có: + TT quay có biên độ = ½ biên độ TT đập mạch + quay ngược chiều nhau với cùng tốc độ §10 – Động cơ không đồng bộ 1 pha 2. Từ trường trong đ/c KĐB 1 pha - Tương đương đ/c KĐB 1 pha = 2 đ/c KĐB 3 pha có chung 1 trục U~1pha   B n B1 B2 n1 n1 1 2M M M   - Giả sử roto quay theo chiều của B1  B1 là từ trường thuận 1 1 1 n n s n    Là hệ số trượt của roto so với B1 1 2 1 n n s n    Là hệ số trượt của roto so với B2 §10 – Động cơ không đồng bộ 1 pha 2. Từ trường trong đ/c KĐB 1 pha 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 s M * Kết luận: -Tại s = 1 => M = 0 đ/c KĐB 1 pha không có khả năng tự mở máy - Mmax đc1 pha < Mmax đc 3pha - Mmax đc 1pha phụ thuộc R2 M1 M2 M Mmax sA 0 1 2 sB 2 1 0 1 2M M M  - Ta có: §10 – Động cơ không đồng bộ 1 pha Chương 3/ * Phương pháp mở máy đông cơ KĐB 1 pha a/ Cần có ít nhất 2 cuộn dây đặt lệch nhau trong không gian  Sử dụng dây quấn phụ, thường đặt lệch so với dây quấn chính 1 góc 900 b/ Sử dụng vành ngắn mạch k Z lệch pha WC Wf R, L hoặc C     N S vòng ngắn mạch dq chính C f