Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 8: Máy điện không đồng bộ

CHƯƠNG VIII máy điện không đồng bộ 8.1 Khái niệm chung 8.2 Cấu tạo 8.3 Từ trường quay trong ĐCKĐB 3 pha 8.4 Nguyên lý làm việc 8.5 Mụ hỡnh toỏn học của ĐCKĐB 8.6 Quy đổi và sơ đồ thay thế 8.7 Quá trình năng lượng 8.8 Mô men quay và đặc tính cơ 8.9 Các phương pháp mở máy của ĐCKĐB 3 pha 8.10 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 8.11 Động cơ KĐB 1 pha 2. Các số liệu định mức 8.1 Khái niệm chung 1. Định nghĩa • MĐ xoay chiều • Tốc độ quay rụto n khỏc tốc độ từ trường n1 Pđm W, kW Uđm V, kV Y/∆-380/220 V Iđm A, kA nđm vg/ph Mđm Nm m m m PM = ω đ đ đ m m m PM 9550 n = đ đ đ (vg/ph) (kW) m m P9,55 n = đ đ (W) (vg/ph) η, cosϕ Chỳ ý: Uđm , Iđm: đại lượng dõy m m P 2 n 60 = pi đ đ Pđiện Pcơ Pđm 2. Rôto a. Lõi thép b. Dây quấn: có 2 loại * Rôto lồng sóc Đặc điểm: Vành ngắn mạch Thanh dẫn đồng hoặc nhụm - Kết cấu đơn giản - Khụng thay đổi được R2 3 vành trượt đồng Rf * Rôto dây quấn Đặc điểm: - Cấu tạo phức tạp, giỏ thành cao - Cú thể thay đổi R2 Dõy quấn 3 pha nối Y Khe hở không khí : δ = (0,25 ữ1) mm Chổi than Wound-rotor Motor 8.3 Từ trường quay trong ĐCKĐB 3 pha 1. Định nghĩa: Từ trường do hệ thống dũng 3 pha trong dõy quấn stato tạo ra 2. Cách tạo từ trường quay AX : iA = Imsinωt BY : iB = Imsin(ωt-120 o) CZ : iC = Imsin(ωt+120 o) * Tại ωt1 = 90 o : iA = Im > 0 ( )•qui ước iA chạy từ A => X( )⊕ iB chạy từ Y => B ( )•( )⊕ iC chạy từ Z => C ( )•( )⊕ Từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha Atongφ r m B Ii 2 = − < 0 m C Ii 2 = − < 0 A,B,C : đầu đầu X,Y,Z : đầu cuối A Y B X C Z tongφ r + + + * Tại ωt2 = 90 o + 120o iB = Im > 0 ( )•iA chạy từ X => A( )⊕ iB chạy từ B => Y ( )•( )⊕ iC chạy từ Z => C ( )•( )⊕ trùng với trục dây quấn pha C tongφ r m A Ii 2 = − < 0 m C Ii 2 = − < 0 * Tại ωt3 = 90 o + 240o * Tại ωt4 = 90 o + 360o A Y B X C Z trùng với trục dây quấn pha A tongφ r trùng với trục dây quấn pha B tongφ r tongφ r tongφ r + + + A Y B X C Z + + + tongφ r Nhận xột : Khi cho i3pha vào dq 3 pha - Tốc độ: Khi iS biến thiờn 1 chu kỳ T 1 1 60f n p = vũng - Chiều quay từ trường: phụ thuộc thứ tự pha của dõy quấn stato
Nếu đổi thứ tự 2 trong 3 pha của dõy quấn cho nhau
Từ trường quay ngược lại n1 A B C B A C Từ trường quay + số đụi cực p = 1: 1 vũng tongφ r quay được: + p đụi cực: 1/p vũng + 1 giõy: 1 f p vũngtongφ r quay được
Phương phỏp đổi chiều quay của ĐCKĐB 3 pha + Trong 1 phỳt : tongφ r * Đặc điểm từ trường quay : m3p mp 3 2 φ = φ 1 Y tongφ r C A X Z B C m 1 2 φ = φr tong m 3 2 φ = φr A mφ =φ r B m 1 2 φ = φr - Từ trường của dây quấn 3 pha là từ trường quay tròn có biên độ không đổi : 8.4 Nguyên lý làm việc : n1 tongφ r - Đặt U~3p vào d/q 3 pha của stato 1 1 60f n p = => e2 => i2 => i2 - Tác dụng tongφ r và i2 => M => kộo rôto quay cùng chiều n1 với n < n1 => cú từ trường quay 1 1 n n s n − =Đặt => hệ số trượt sđm = 0,02 ữ 0,06 so = 0 => không tải lý tưởng + e2 • Mđt 8.5 Cỏc phương trỡnh cơ bản (mụ hỡnh toỏn học của ĐCKĐB) Dõy quấn stato ~ Sơ cấp MBA Dõy quấn rụto ~ Thứ cấp MBA Khụng tải lý tưởng của ĐC
MBA khụng tải Thời điểm mở mỏy của ĐC
MBA ngắn mạch So sỏnh ĐC KĐB 3 pha và MBA 3 pha Trục 3 d/q song song Trục 3 d/q lệch nhau 120o MBA 3 pha ĐCKĐB 3 pha Từ trường đập mạch Từ trường quay D/q TC cố định so với SC D/q TC chuyển động tương đối so với SC với n ≠ n1f2 = f1 = f f2 ≠ f1 D/q tập trung D/q rải kdq= 1 kdq< 1 2 đầu d/q TC nối với tải điện 2 đầu d/q rụto nối ngắn mạch U2 = 0U2 ≠ 0 Từ trường chớnh khộp kớn trong lừi thộp Từ trường chớnh khộp kớn 2 lần qua khe hở δIo nhỏ Io lớn E1 = 4,44f1 W1 φm E1 = 4,44f1 W1 kdq1 φ 1. Phương trình cân bằng điện d/q Stato là sơ cấp, d/q Rôto là thứ cấp Tương tự như d/q sơ cấp MBA: E1 = 4,44f1 w1 kdq1 φm kdq1 < 1: hệ số dõy quấn của dõy quấn stato a. Phía Stato b. Phía Rụto Khi R quay với tốc độ n n1 n s.đ.đ e2 và i2 có tần số f2 2 pn 60 = n2 = n1 - n n2 1 2 p(n n)f 60 − = 1 1 1 pn (n n) 60 n − = 1sf= E1U1 I1 X1R1 f2 = sf1 => có s 1 1 11 1 1U E jX I R I • • • • = − + + S.đ.đ E2 : E2s = 4,44f2 w2 kdq2 φ = s.4,44f1 w2 kdq2 φ s.đ.đ trong d/q Rôto khi Rôto đứng yên E2s = sE2 Phương trỡnh cõn bằng điện ỏp d/q rụto: f2 I2 X2S E2S R2 Trong đó : X2S = ω2L2 = 2 pi f2 L2 = s. 2 pi f1 L2 X2 X2 : điện kháng tản khi Rôto đứng yên X2S : điện kháng tản khi Rôto quay X2S = sX2 f2 = sf1 E2 E2 : 2S 2 22S 20 E jX I R I • • • = − − − 2. Phương trình cân bằng từ: không tải, φ do s.t.đ Fo : có tải, φ do tổng 2 s.t.đ : m1, m2 : số pha của dõy quấn kdq1, kdq2 : hệ số dõy quấn U1≈ E1 = 4,44f1 w1 kdq1 φm const=> φ = 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 m1w1 kdq1 2 1 o 1 1 dq1 2 2 dq2 II I m w k m w k • • • + = ki - I2 ’ . . . ' 1 o 2I I I= + 1 21 1 dq1 2 2 dq2m w k I m w k I • • + bỏ qua ∆ U1 với . ' . 2 2 i II k = − oF • o1 1 dq1m w k I • ∼ 1 2F F • • + ∼ 8.6 Qui đổi và sơ đồ thay thế: f2 I2 X2S E2S R2 E1U1 I1 X1R1 f1 2S 2 2 2S0 E I (R jX ) • • = − + + Phương trình cân bằng điên áp rôto dạng phức : Chia 2 vế cho s Chú ý : E2s = sE2 X2S = sX2 f1 I2 X2 E2 R2 2 1 sR s − Tần số f2 . . . 2S 2 22S 20 E jX I R I= − + + ≠ 2 2 2 2 2 1 s0 E I (R jX R ) s • • − = − + + +
Quy đổi tần số f2 ->f1 Tần số f1 Sau quy đổi: I1 X1R1 Rth R2 ’ I2 ’X2’ U1 Xth Io ' 2 1 sR s − Io = (20 ữ50)%Iđm Không tải lý tưởng: s = 0 Khi mở máy : Sơ đồ thay thế gần đúng Io ' 2 1 sR s − I1 X1R1 Rth R2 ’ I2 ’X2’ U1 Xth X1R1 ' 1 2 ' '2 22 1 1 2 UI R(R ) (X X ) s = + + + sm =1 ' 2 1 sR s − đặc trưng Pcơ 8.7 Quá trình năng lượng Công suất nhận từ lưới P1 I1 R1 R2 ’ I2 ’ Io ' 2 1 sR s − ∆Pst ∆Pđ1 ∆Pđ2 Pcơ Tổn hao đồng trên Stato ∆Pđ1 =3 R1I12 ∆Pđ2 =3 R2I22 ∆Pst =3 RthIo2 ∆Pđ1 + ∆ Pst = ∆P1 =>Tổn hao trên stato Pđt = P1 - ∆P1 ' 2 '2 2 R3 I s = Tổn hao đồng trên Rôto: Tổn hao sắt từ Công suất điện từ Công suất cơ 2 ' ' c 2 2 1 sP 3R I s − =ơ Công suất cơ hữu ích đầu trục: P2 = Pcơ - ∆Pcơ+fụ 2 1 P P η =Hiệu suất P1 Pđt ∆Pđ2 = sPđt , ,2 2 23R I= ≈ 0,7ữ 0,9 8.8 Mô men quay và đặc tính cơ 1. Biểu thức mô men M2 : Mô men của tải 2 2 r PM = ω 1 PM = ω đtMô men điện từ: ' 2 '2 t 2 RP 3 I s =đ ' 1 2 ' '2 22 1 1 2 UI R(R ) (X X ) s = + + + 1 1 2 f p p piω ω = = ' '2 22 1 1 1 2 M R2 f [(R ) (X X ) ] s = pi + + + 2 ' 1 23pU R /s 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 menM s Mmax Đặc điểm mô men quay : - M = f(s) + so = 0 Mo = 0 + sm = 1: mở máy m ' 2 ' 2 1 1 2 1 2 M 0 2 f [(R R ) (X X ) ]= ≠pi + + + 2 ' 1 23pU R dM 0 ds = ' 2 k 2 ' 2 1 1 2 R s R (X X ) ≈ + + max 2 ' 2 1 1 1 1 2 M 4 f [R (R (X X ) ] = pi + + + 2 13pU ' '2 k 2' 1 2 R s R X X ≈ ∈ + ' 2' 1 1 2 R 2 [R X X ]≈ ∉ω + + 2 13pU ' '2 22 1 1 1 2 M R2 f [(R ) (X X ) ] s = pi + + + 2 ' 1 23pU R /s Mm + s = sk, M = Mmax - M ∼ U1 2 => khi điện áp thay đổi => M thay đổi nhiều => dùng Rm (Rf ) nối tiếp mạch rôto để tăng Mm ' ' 2 f k ' 1 2 R R s X X + ≈ + max ' 1 1 2 M 2 [R X X ]≈ ω + + 2 13pU = const sk sk ’ Mmax Để Mm = Mmax : ' ' 2 f k ' 1 2 R R s X X + ≈ + = 1 - Vì R1 < ( X1 + X2 ’) f1 => Mm ’ Mm ∉- Mm R2’ 2 1 2 1 U f Mmax∼ 0 10 20 30 40 50 60 0 500 1000 1500 n M 2. Đặc tính cơ : n = f(M) s M n 0 0 n1 sk Mmax nk 1 Mm 0 AB : vùng ổn định - đoạn làm việc BC : vùng không ổn định * Vùng AB: tại k1 có Mđ/c = Mc > Mđ/cKhi M C => n => Mđ/c để M cân bằng MC * Vùng BC : > Mđ/cKhi M C => n tại k2 có Mđ/c = Mc càng < MC
n sẽ giảm về 0 A B C MC’MC k1 n = (1-s)n1 1 1 n n s n − = => Mđ/c MC ’ k2 MC 8.9 Các phương pháp mở máy của ĐCKĐB 3 pha 1. Tại sao phải mở mỏy? + Điều kiện: Mm > MC + Yêu cầu: C dM M J dt ω − = J : mô men quán tính Im X2 ’ U1 X1R1 R2’ 1 m ' '2 2 1 2 1 2 UI (R R ) (X X ) = + + + = (5 ữ7) Iđm Khi nhiều đ/c cùng mở máy: Itổng từ lưới vào sẽ rất lớn
∆U Uđ/c
Mm tm Aptomat tác động
gây mất điện
Biện pháp mở máy: giảm Im • Mm lớn • Im nhỏ • Thiết bị đơn giản • ∆Pm nhỏ 2. Điều kiện và yêu cầu Mở mỏy: n = 0, s = 1 3. Phương pháp mở máy động cơ lồng sóc a. Mở máy trực tiếp - Im lớn - Cụng suất động cơ Pđm ˂˂ Slưới CD Direct starter CD1 CD2 CK b. Mở máy bằng giảm U1 * Cuộn kháng khởi động Do cú ∆UCK
Uđc giảm Uđc = 1k U , k 1< l c Uk= đZ Imđc = c c U đ đZ Im Imđc = mkI
Mmck = 2 mk MVỡ M ∼ U2 Im, Mm là dũng và mụ men mở mỏy trực tiếp với Uđm ∆ UCK CD2 CD1 * Biến ỏp 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 UU k =

m m ba II k =đc (**) Từ (*) và (**) (*) m 2 ba I k = m ml 2 ba II k = m mBA 2 ba MM k = Iml m ba I k = đc U1 U2 Iml Imđc * Đổi nối Y
∆ Mở mỏy trực tiếp ∆: md mI I ∆= Mở mỏy bằng nối Y: md mp mYI I I= = m m YI 3I∆ = m mY II 3 = m mY MM 3 = mp3I= p c U 3= đZ d c U3= Z đ p c U = đZ d c U = Z đ3 CD1 CD2 A B C X Y Z Y ∆ Star- Delta starter 4. Động cơ dõy quấn Rm (Rf ) nối tiếp mạch rụto CD Rf 1 mf ' ' '2 2 1 2 f 1 2 UI (R R R ) (X X ) = + + + + ' ' f m ' ' 2 ' 2 1 2 f 1 2 R )M [(R R R ) (X X ) ] + = ω + + + + 2 ' 1 23pU (R sk sk ’ Mmax Ưu điểm động cơ dõy quấn 8.10 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ n = ( 1-s)n1 160fn (1 s) p => = − 1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi p: p =1 => n1 = 3000 vg/ph p =2 => n1 = 1500 vg/ph p =3 => n1 = 1000 vg/ph Điều chỉnh nhảy cấp Mục tiờu : Điều chỉnh trơn, phạm vi điều chỉnh rộng - Để thay đổi p
a. Thay đổi cỏch nối dq stato: p = 2 p = 1 - Khi p thay đổi thỡ n sẽ thay đổi S/2N S NS/2 N S 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 n M
Phương pháp này chỉ dùng cho đckđb lồng sóc p=1 p=2 Đặc tính cơ khi thay đổi p, công suất Pcơ khụng đổi a. Động cơ KĐB cú 2 dõy quấn stato với số đụi cực khỏc nhau 0 5 10 15 20 25 30 35 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 2. Điều chỉnh tốc độ bằng thay tần số 160fn (1 s) p = − - Khi thay đổi f1 mong muốn giữ Mmax = const
thay đổi f1 phải kết hợp với điều chỉnh (giảm) U1 50 Hz = f1> f1’ > f1’’ • Điều chỉnh trơn, phạm vi điều chỉnh rộng • Phải cú bộ biến tần n1 ’’ n1 ’ n1 f1 ’’ f1 ’ f1 MC f1 < fcb = 50 Hz 2 1 2 1 U f Vỡ : Mmax∼ Đặc điểm Điều chỉnh tốc độ hệ thống HVAC 50Hz 25Hz 0Hz 50Hz 25Hz 0Hz Thớ dụ: Mỏy nộn (với ỏp suất đặt 80 psi)
Tiết kiệm tới 35% điện năng Giảm hao mũn cơ khớ do khởi động nhiều lần 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 70 80 90 3. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi hệ số trượt s 160fn (1 s) p = −a. Giảm điện ỏp U1 Khi giảm U1 : M = f(s) giảm vỡ M ∼ U12 mỏy núng, tổn hao tăng
giảm η sk Uđm U1< UđmNếu Mc = const Mđ/c = CmφI2 = const U (0,12 ữ0,2) phạm vi hẹp ' 2 k ' 1 2 R s X X ≈ + = const MC tải quạt gió s1 s2 MC 160fn (1 s) p = −b. Rf nối tiếp mạch rụto s2s1 MC Đặc điểm : • Điều chỉnh trơn, phạm vi điều chỉnh tương đối rộng • Dũng rụto lớn
∆P tăng Khi cú Rf ' ' 2 f k ' 1 2 R R s X X + ≈ + Mmax = const max ' 1 1 2 M 2 [R X X ]≈ ω + + 2 13pU Giảm η 8.11: Động cơ KĐB 1 pha a- Cấu tạo: dõy quấn stato là dõy quấn một pha b- Nguyờn lý làm việc U ~1pha => => φA & φB φ TT đập mạch φ φA i2A MAφA & i 2A φB i2B Aφ r Bφ r φr 1ω 1ω Aφ r Bφ r φr e2A = f(sA) m mA mB 2 φφ = φ = 1A 1B 1ω = ω = ω 1 A 1 n n s s n − = =f2A = sA f1 e2B có f2B = sB f1 1 B 1 n n s n + = 1 A 1 B 1 n (1 s )n s n + − = = 2 – sA = 2 - s n φAφB n1n1 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 M = MA + MB Nhận xột: Tại s = 1 => M = 0
Động cơ một pha khụng cú mụ men mở mỏy MA MB M φB & i 2B MB s= sA 0 1 2 sB 2 1 0 * Dây quấn phụ c. Phương pháp mở máy k Z lệch pha WC Wf R, L or C Zlf = R U ur CI r fI r β Uur CI r fI r β Zlf = L Zlf = C U ur CI r fI r β WC Wf k β << 90o WA WB WA WB k Cmm Clv Động cơ điện dung làm việc Động cơ điện dung vừa cú tụ làm việc vừa cú tụ mở mỏy * Vũng ngắn mạch trờn mặt cực ⊕ • ⊕ • N S vũng ngắn mạch dq chớnh φC φf Cφ r C 'φ r nE ur nI r nφ r fφ r β Vớ dụ: ĐCKĐB 3 pha cú : Pđm = 15 kW, nđm = 1420 vg/ph; Ký hiệu dq nối Y/∆ - 380/220 V ; Ud = 380 V; Mco = 0,45 Mđm 1 – Tỡm Iđm; Mđm ; P, Q của đc tiờu thụ 3 – Để mở mỏy: - Dựng cuộn khỏng giảm 30% điện ỏp - Dựng BATN với kBA = 1,4 2 – Tỡm Im ; Mm ; Mmax - Dựng đổi nối Y - ∆ Phương phỏp nào sử dụng được? Tại sao? = m đm M 1,5 M = max đm M 2,2 M = m đm I 6 I η = 0,88; cosϕ = 0,89; Giải 1 – Tỡm Iđm; Mđm ; P, Q của đc tiờu thụ = η ϕ đm đm đm P I 3U cos = = đm đm đm P M 9550 n = 15 9550 1420 = η đm đm P P = 15 0,88 = ϕQ P.tg cosϕ = 0,89 => tg ϕ = (kW) (N.m) (kVAr) = 1,5 .. 2- Mở mỏy = 6.. => Uđ/c = 0,7 Uđm => Mmck = (0,7)2 Mm = 0,49.. - Đổi nối Y - ∆ : =m đmI 6I =m đmM 1,5M = 2,2.. . =max đmM 2,2M - Cuộn khỏng giảm 30% điện ỏp Imck = 0,7 Im = 0,7 .. - BATN với kba = 1,4 = m mBA 2 ba M M k = m 2 M 1,4
nối Y
khụng dựng đượcY/∆ - 380/220 V ; Ud = 380 V