Cho động cơ KĐB 3 pha, 60 Hz, 866 V, 6 cực, nối Y với các
thông số: xls = 1,5 W, x’lr = 1,15 W, xm = 13,5 W, và R’r = 0,6 W.
Bỏ qua Ra và Rc. Động cơ làm việc ở điện áp định mức và có
mômen điện từ bằng 160 N.m. Dùng mạch chính xác, tính độ
trượt, tốc độ động cơ (vòng/phút), tần số rôto, mômen cực
đại, mômen mở máy. Lặp lại các tính toán với mạch gần đúng.
Điện áp pha và tốc độ đồng bộ
7 trang |
Chia sẻ: linhmy2pp | Ngày: 19/03/2022 | Lượt xem: 230 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 7: Máy điện không đồng bộ - Nguyễn Quang Nam, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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 3Ir 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 3I 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 5000 5000
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 3500228,328,81 300 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 35002 0,1/ 0,05
T e 795,8 N.m mômen. Tương tự như với MBA, chúng ta tính nguồn tương
120 0,1/ 0,052 0,5 0,52
đương Thevenin.
Máy điện không đồng bộ 21 Máy điện không đồng bộ 22
Ví dụ 7.2 (tt) Ví dụ 7.2 (tt)
5000 j50 j50 j0,5 Tổng trở của nhánh từ hóa song song với nhánh rôto
Vth 4950 V, Zth j0,495 W
j50 0,5 j50 0,5 j500,1/ 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 5000
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 30,1/ 0,05223,832 797.4 N.m
120 S 3500022428,72 294,67 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 sPag 0,95300 285 kW
Dòng điện rôto trong mạch tương đương gần đúng
Tổn hao đồng rôto
5000
Ir 223,6- 26,57 A P sP 0,05300 15 kW
0,1/ 0,05 j0,5 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 3 223,62 300 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
ss 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/ 0,0252 0,5 0,22
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 j20 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 j0,4878 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 3225,32 0,1/ 0,1454
Với mạch chính xác, tính nguồn Thevenin tương đương: T e 587,3 N.m
max 120 0,1/ 0,14542 0,4878 0,22
j20
V 400 / 30 225,30 V
th j20 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 5000 4500 V
mômen điện từ bằng 160 N.m. Dùng mạch chính xác, tính độ th j13,51,5
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 j13,51,5
Điện áp pha và tốc độ đồng bộ Mômen điện từ:
3 34502 0,6/ s
T e 160 N.m
866 6060 120 0,6/ s2 1,35 1,152
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 sns 10,021200 1176 v/p
2
e 3 3450 y
T 160 N.m Tần số rôto: fr sf 0,0260 1,2 Hz
120 y2 1,35 1,152
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 34502 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 3450 0,6/1
Mômen mở máy: T e 438,8 N.m
start 120 0,6/12 1,35 1,152
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
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- bai_giang_bien_doi_nang_luong_dien_co_chuong_7_may_dien_khon.pdf