Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 7: Máy điện không đồng bộ - Nguyễn Quang Nam

Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Máy điện không đồng bộ - Giới thiệu ĐH Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử – Bộ Môn Thiết Bị Điện  Đây là loại máy điện được dùng rộng rãi nhất như động Bài giảng: Biến đổi năng lượng điện cơ cơ trong công nghiệp. Cả stato lẫn rôto đều tải dòng điện Chương 7: xoay chiều. Máy điện không đồng bộ  Các đặc tính cơ hoàn hảo có thể thu được thông qua các bộ biến đổi công suất tiên tiến. Biên soạn: Nguyễn Quang Nam Cập nhật: Trần Công Binh  Bài giảng chỉ tập trung vào các hiện tượng và các mạch tương đương cơ bản, rút ra từ quan điểm năng lượng. NH2012–2013, HK2 Máy điện không đồng bộ 1 Máy điện không đồng bộ 2 Máy điện không đồng bộ - Giới thiệu (tt) Cấu tạo của máy  Lõi thép stato và rôto được ghép từ các lá thép, với các rãnh cho dây  Stato giống hệt như trong máy điện đồng bộ, với dây quấn. Rôto có một số cánh khuấy ở hai đầu để đối lưu không khí bên quấn 3 pha, tạo ra một từ trường quay ở tốc độ đồng bộ ws trong máy. Ở phía không gắn tải của trục máy là quạt thông gió. = pw , với p là số đôi cực và w là tốc độ cơ học tính bằng m m Quạt Dây quấn stato rad/s. thông gió  Rôto cũng có một dây quấn 3 pha có cùng số cực với Cánh khuấy Rôto stato, nhờ cảm ứng bởi từ trường, hoặc các biện pháp nhân lồng sóc tạo. Rôto được ngắn mạch bên trong máy (rôto lồng sóc) hay bên ngoài thông qua các vành trượt (rôto dây quấn). Ổ đỡ Trục Máy điện không đồng bộ 3 Máy điện không đồng bộ 4 Cấu tạo stato Cấu tạo rôto dây quấn  Lõi thép ghép từ các lá mỏng, có rãnh cho dây quấn 3 pha. Các nêm  Lõi thép ghép từ các lá mỏng, với rãnh cho các thanh dẫn rôto. Các được dùng để giữ các cuộn dây trong rãnh. Dây quấn 3 pha sẽ tạo ra từ thanh dẫn rôto được bố trí thành một dây quấn 3 pha. Dây quấn 3 pha trường quay khi được cung cấp một hệ dòng điện 3 pha. được nối với các điện trở ngoài hay nguồn độc lập thông qua các vành trượt, để đạt được đặc tính cơ mong muốn, tùy theo điều kiện tải. Thanh dẫn Rãnh rôto stato Nêm Trục Đầu nối cuộn dây Răng stato Cánh khuấy Vành trượt Máy điện không đồng bộ 5 Máy điện không đồng bộ 6 1 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Cấu tạo rôto lồng sóc Hình ảnh của một động cơ không đồng bộ thực  Lõi thép ghép từ các lá mỏng, có rãnh cho thanh dẫn rôto. Các thanh dẫn được nối ngắn mạch với nhau thông qua vòng ngắn mạch ở hai đầu. Có các cánh khuấy ở mỗi vòng ngắn mạch để cải thiện việc làm mát bên trong máy. Các thanh dẫn trong các động cơ nhỏ được nghiêng rãnh để giảm nhiễu và cải thiện hiệu năng. Thanh dẫn rôto Cánh khuấy Vòng ngắn mạch Máy điện không đồng bộ 7 Máy điện không đồng bộ 8 Hoạt động của động cơ không đồng bộ Hoạt động của động cơ không đồng bộ (tt)  Dòng điện 3 pha được đưa vào dây quấn stato, tạo ra từ  Một cách lý tưởng, mômen sinh ra (bởi dòng điện cảm trường quay ở tốc độ đồng bộ. Nếu tốc độ rôto khác với tốc ứng) sẽ tăng tốc rôto, theo định luật Lenz’s, cho đến khi tốc độ đồng bộ, sẽ xuất hiện các dòng điện cảm ứng bên dây độ rôto bằng với tốc độ đồng bộ, ở đó mômen giảm xuống quấn rôto, với cùng số cực như của dây quấn stato. bằng 0.  Dòng điện cảm ứng bên dây quấn rôto cũng sẽ tạo ra một  Trong thực tế, do các tổn hao công suất cơ (thông gió, ma từ trường quay, tương tác với từ trường tạo ra bởi dây quấn sát, v.v...) rôto sẽ không bao giờ đạt tốc độ đồng bộ, mà sẽ stato, và sinh ra mômen. trượt lùi so với từ trường quay, tạo ra vừa đủ mômen để chống lại mômen cản (trong điều kiện không tải hay có tải). Máy điện không đồng bộ 9 Máy điện không đồng bộ 10 Hoạt động của động cơ KĐB (tt) Hoạt động của động cơ KĐB (tt)  Trong động cơ có p đôi cực, tốc độ cơ học w (tính bằng m  Dẫn đến rad/s) thỏa mãn ws wr  pwm wr  ws  pwm  sws với ws và wr lần lượt là tần số stato và rôto tính bằng rad/s.  Hai trường hợp đặc biệt: s = 0 ở tốc độ đồng bộ, và s = 1  Độ lớn của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự khác biệt ở điều kiện đứng yên (mở máy). tốc độ giữa từ trường quay stato và bản thân rôto. Sự khác biệt tốc độ được biểu diễn bằng một đại lượng không thứ nguyên gọi là độ trượt s như sau n  n w  pw s  s  s m ns ws Máy điện không đồng bộ 11 Máy điện không đồng bộ 12 2 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Phân tích máy 2 cực Phân tích máy 1 cặp cực (tt)  Bằng các phương pháp năng lượng, có thể thấy mômen  Thực tế, động cơ không đồng bộ có thể được xem như cho bởi 9 một máy biến áp tổng quát với thứ cấp quay tròn. T e   I I M sin    4 ms mr  Giả sử số vòng dây hiệu dụng trên stato bằng a lần số với I và I tương ứng là các giá trị đỉnh của dòng điện ms mr vòng dây của rôto, tất cả các đại lượng rôto được quy đổi về stato và rôto. phía stato như sau  Sẽ có ích hơn nếu mômen có thể được biểu diễn bằng các ' iˆ a  iˆ' tham số điện của máy. Điều này có thể được thực hiện với avar  var ar ar một mạch tương đương, rất giống với mạch tương đương 2 ' 2 ' 2 ' a Rr  Rr a Lr  Lr a Lmr  Lmr của máy biến áp. Máy điện không đồng bộ 13 Máy điện không đồng bộ 14 Mạch tương đương một pha Mạch tương đương gần đúng  Để nối hai mạch stato và rôto với nhau, cả hai mạch phải ở cùng  Điện trở rôto có thể coi là tổ hợp của R’r và R’r(1 – s)/s. Phần tử thứ tần số và mức điện áp. Nếu bỏ qua điện trở stato, mạch tương nhất biểu diễn tổn hao đồng rôto, còn phần tử thứ hai biểu diễn tổng công đương cho một pha của máy với các trở kháng quy đổi về stato có suất cơ học tạo ra bởi động cơ. dạng như hình dưới đây.  Có thể rút ra được một phiên bản đơn giản hóa bằng cách chuyển điện cảm từ hóa aM sang bên trái, tạo thành mạch tương đương gần đúng như  L là điện cảm tản stato, và L’ là điện cảm tản rôto quy đổi về ls lr hình dưới. ' ' stato. R’r là điện trở rôto quy đổi về stato. jws Lls jws Llr Rr ' ' I a ˆ I r I r Va ' R ' 1 s 3 r R j w aM r 2 s s s Máy điện không đồng bộ 15 Máy điện không đồng bộ 16 Quan hệ công suất Quan hệ công suất (tt)  Các tổn hao lõi thép và stato có thể được kể đến bằng Rc với Pag, Pscl, và Pc tương ứng là công suất truyền qua khe hở, và R trong mạch tương đương gần đúng. Tổng công suất a tổn hao đồng stato, và tổn hao lõi thép. ngõ vào thỏa mãn ' 2  P bao gồm tổn hao đồng P và công suất cơ học sinh ra '2 Rr ' 2 Va ag r PT  3Va Ia cos  3Ir  3Ir  Ra  3  Pag  Pscl  Pc s Rc Pm. Có thể dễ dàng thấy được ' '2 ' 1 s jxls ' jxlr I m Ra Rr P  3I R  P 1 s m r r s ag  Ngoài ra, tổn hao đồng rôto Pr có thể được biểu diễn theo jX m Rc Pag như sau '2 ' Pr  3Ir Rr  sPag Máy điện không đồng bộ 17 Máy điện không đồng bộ 18 3 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Quan hệ công suất (tt.) Biểu thức mômen  Xét toàn bộ các tổn hao nêu trên, hiệu suất của máy là  Dùng mạch tương đương gần đúng, có thể tính được dòng điện rôto quy đổi về stato như sau P PPPP    V  m T scl c rcl I '  a r R  R ' s  j x  x' PPTT  a r   ls lr   Công suất cơ sinh ra  Nếu tổn hao quay Prot_loss được xét đến, hiệu suất cho bởi 2 ' ' 2 ' 1 s 3Va Rr 1 s s Pm  3I r  Rr  ' 2 ' 2 P PPPPPT scl  c  rcl  rot _ loss  s R  R s  x  x   shaft a r ls lr PP TT  Với máy 2 cực wm = ws(1 – s), mômen do đó cho bởi 1 3V 2 R ' s T e  a r w ' 2 ' 2 s Ra  Rr s  xls  xlr  Máy điện không đồng bộ 19 Máy điện không đồng bộ 20 Ví dụ 7.2 Ví dụ 7.2 (tt)  Một động cơ không đồng bộ 3 pha 866 V, nối Y, 60 Hz, 2-  Chọn điện áp pha A làm vectơ tham chiếu, với mạch gần cực có wsLls = 0,5 W, 3wsaM/2 = 50 W, wsL’lr = 0,5 W, và R’r = đúng, vectơ pha dòng điện pha ngõ vào sẽ là 0,1 W. Tìm mômen tại độ trượt s = 0,05 và công suất phức 5000 5000 ngõ vào 3 pha. Bỏ qua R và R . Dùng mạch tương đương Ia    228,3  28,81 A a c j50 0,1/ 0,05 j1 gần đúng và chính xác.  Do đó, công suất phức ngõ vào sẽ là  Điện áp pha stato sẽ là 866 / 3  500 V * ST  3Va Ia  3500228,328,81  300  j165 kVA  Áp dụng công thức cho mạch gần đúng, mômen có giá trị  Với mạch chính xác, cần tính dòng điện rôto để tính 1 35002 0,1/ 0,05 T e   795,8 N.m mômen. Tương tự như với MBA, chúng ta tính nguồn tương 120 0,1/ 0,052  0,5 0,52 đương Thevenin. Máy điện không đồng bộ 21 Máy điện không đồng bộ 22 Ví dụ 7.2 (tt) Ví dụ 7.2 (tt) 5000 j50  j50 j0,5  Tổng trở của nhánh từ hóa song song với nhánh rôto Vth   4950 V, Zth   j0,495 W j50  0,5 j50  0,5 j500,1/ 0,05  j0,5 Z  1,9575 j0,5726 W ab 0,1/0,05  j50,5  Dòng điện rôto sẽ có giá trị 500  Vec tơ pha dòng điện ngõ vào I   223,83 A r 2 2 5000 0,1/0,05  0,495  0,5 I   224- 28,72 A a 1,9575  j1,0726  Và mômen sẽ có giá trị (sai lệch khoảng 0,2% so với giá trị tính theo mạch gần đúng)  Công suất phức ngõ vào (sai lệch khoảng 1,87% so với kết quả tính bằng mạch gần đúng) 1 T e  30,1/ 0,05223,832  797.4 N.m 120 S  3500022428,72 294,67  j161,46 kVA Máy điện không đồng bộ 23 Máy điện không đồng bộ 24 4 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ 7.3 Ví dụ 7.3 (tt)  Dùng mạch tương đương gần đúng cho ví dụ 7.2, tính I’r,  Công suất cơ sinh ra Pag, Pm, Pr và mômen. Pm  1 sPag  0,95300  285 kW  Dòng điện rôto trong mạch tương đương gần đúng  Tổn hao đồng rôto 5000 Ir   223,6- 26,57 A P  sP  0,05300 15 kW 0,1/ 0,05 j0,5 0,5 r ag  Mômen đã được tính trong ví dụ 7.2  Công suất điện từ (bằng công suất thực tính ở ví dụ 7.2) 0,1 P  3 223,62  300 kW ag 0,05 Máy điện không đồng bộ 25 Máy điện không đồng bộ 26 Đặc tính cơ (đặc tính mômen-tốc độ) Biểu thức mômen cực đại  Biểu thức mômen đã được rút ra  Từ đặc tính cơ, có thể thấy tồn tại một giá trị độ trượt mà 1 3V 2 R ' s T e  a r ở đó mômen đạt cực đại. Có thể tìm độ trượt này bằng cách ' 2 ' 2 ws R  R s  x  x  a r   ls lr  e đặt dT /ds = 0, dẫn đến  Với điện áp đặt vào và tần số là hằng số, ở các giá trị độ trượt s nhỏ ' 3V 2 s Rr 2 ' 2 e a e  Ra  xls  xlr  T  ' hay Ts ws Rr s  Ở các giá trị s lớn (xấp xỉ 1)  Như vậy, độ trượt mà ở đó mômen đạt giá trị cực đại là 2 ' e 3Va Rr T  ' ' 2 R s (pu) Torque ws xls  xlr  r smT  2 ' 2 e 1 Ra  xls  xlr  hay T s Slip Máy điện không đồng bộ 27 Máy điện không đồng bộ 28 Biểu thức mômen cực đại (tt) Máy không đồng bộ nhiều cặp cực  Với một máy có P đôi cực, việc phân tích có thể được lặp  Mômen tương ứng (khi Ra = 0) là 22lại với góc cơ học q được thay thế bởi Pq. Mạch tương đương e 3V 1 3V T aamột pha không có gì thay đổi. max 2 ' 2ws 2'2ws x ls x lr  Ra R a  x ls  x lr   Công suất cơ cho bởi  Như vậy, mômen cực đại không phụ thuộc vào điện trở w 1 s P  T ew  T e s mạch rôto. m m p  Điều này được ứng dụng để thay đổi đặc tính cơ của động  Mômen tương ứng là P 3V2' R s cơ rôto dây quấn: thay đổi điện trở rôto làm độ trượt tới hạn Te  ar w ''22 thay đổi, nhưng mômen cực đại vẫn không đổi. s Ra R r s  x ls  x lr  Máy điện không đồng bộ 29 Máy điện không đồng bộ 30 5 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Máy không đồng bộ nhiều cực (tt) Ví dụ 7.5  Cho động cơ KĐB 3 pha, nối Y, 60 Hz 400 V, 4 cực với các  Việc thay đổi số cực của máy hoàn toàn không ảnh hưởng thông số: x = 20 W, x = 0,5 W, x’ = 0,2 W, R’ = 0,1 W. Tính đến mạch điện tương đương. Do đó, độ trượt ứng với mômen m ls lr r . mômen tại tốc độ 1755 vòng/phút bằng mạch gần đúng, và cực đại vẫn không đổi. Tuy nhiên, mômen cực đại sẽ có giá trị s e tính mT và T max bằng mạch chính xác. Bỏ qua Ra và Rc. 3V2 TPe  a  Để áp dụng công thức, cần tính độ trượt max 2w x x' s ls lr  n n 60  60 / 2  1755 1800  1755 ss    0,025 ns 60 60 / 2 1800  Mômen điện từ: 2 2 3 400 / 3 0,1/ 0,025 T e     205,9 N.m 120 0,1/ 0,0252  0,5 0,22 Máy điện không đồng bộ 31 Máy điện không đồng bộ 32 Ví dụ 7.5 (tt) Ví dụ 7.5 (tt)  Cũng có thể tính độ trượt tới hạn và mômen cực đại theo  j20 j0,5 Zth   j0,4878 W các công thức đã rút ra được j20  0,5 '  Điều kiện để truyền công suất cực đại (mômen cực đại) Rr 0,1 smT    0,1429 2 ' 2 0,5 0,2 R  x  x   Rr 0,1 a  ls lr   j0,4878  0,2  s   0,1454 s mT 0,6878 2 3V2 3 400 / 3 Te  P a  2   606,3 N.m max '  Mô men cực đại tương ứng 2ws x ls x lr  2 120  0,5 0,2 2 3225,32 0,1/ 0,1454  Với mạch chính xác, tính nguồn Thevenin tương đương: T e   587,3 N.m max 120 0,1/ 0,14542  0,4878  0,22 j20 V  400 / 30  225,30 V th j20  0,5 Máy điện không đồng bộ 33 Máy điện không đồng bộ 34 Ví dụ 7.6 Ví dụ 7.6 (tt)  Cho động cơ KĐB 3 pha, 60 Hz, 866 V, 6 cực, nối Y với các  Cần tính mômen là một hàm theo s, từ đó tìm ra s. Vậy cần thông số: xls = 1,5 W, x’lr = 1,15 W, xm = 13,5 W, và R’r = 0,6 W. tìm nguồn Thevenin tương đương: Bỏ qua Ra và Rc. Động cơ làm việc ở điện áp định mức và có j13,5 V  5000  4500 V mômen điện từ bằng 160 N.m. Dùng mạch chính xác, tính độ th j13,51,5 trượt, tốc độ động cơ (vòng/phút), tần số rôto, mômen cực  j13,5 j1,5 Z   j1,35 W đại, mômen mở máy. Lặp lại các tính toán với mạch gần đúng. th j13,51,5  Điện áp pha và tốc độ đồng bộ  Mômen điện từ: 3 34502 0,6/ s T e  160 N.m 866 6060 120 0,6/ s2  1,35 1,152 V   500 V ns  1200 v/p a 3 3 Máy điện không đồng bộ 35 Máy điện không đồng bộ 36 6 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ 7.6 (tt) Ví dụ 7.6 (tt)  Đặt biến phụ y = 0,6/s sẽ giúp việc giải dễ dàng hơn:  Tốc độ động cơ: n  1 sns  10,021200 1176 v/p 2 e 3 3450 y T  160 N.m  Tần số rôto: fr  sf  0,0260 1,2 Hz 120 y2  1,35 1,152   Dẫn đến phương trình bậc 2: Rr 0,6  Độ trượt tới hạn: smT    0,24 Zth  jxlr 1,35 1,15 60318y2 1822500y 376991 0 3 34502 0,6/ 0,24  Mômen cực đại: T e   966,9 N.m  Giải ra được 2 nghiệm: max 2 2 y1  30, y2  0,2083 120 0,6/ 0,24  1,35 1,15  Loại nghiệm y vì dẫn đến giá trị s > 1. Vậy: 2 2 3 3450 0,6/1  Mômen mở máy: T e   438,8 N.m start 120 0,6/12  1,35 1,152 0,6/ s  30  s  0,02 Máy điện không đồng bộ 37 Máy điện không đồng bộ 38 Ví dụ 7.6 (tt)  Với mạch gần đúng, thực hiện tương tự, ta có  Độ trượt: s  0,016  Tần số rôto: fr  0,96 Hz  Tốc độ động cơ: n 1180,8 v/p  Độ trượt tới hạn: smT  0,2264 e  Mômen cực đại: Tmax 1126 N.m e  Mômen mở máy: Tstart  485 N.m Máy điện không đồng bộ 39 7