Bài giảng Lý thuyết máy điện - Chương 3: Máy điện không đồng bộ

BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CHƯƠNG 3: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ I. Khái niệm. II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. III. Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ. IV. Các phương trình, sơ đồ tương đương. V. Quá trình biến đổi năng lượng và hiệu suất của động cơ KĐB. VI. Mở máy động cơ KĐB. VII. Điều chỉnh tốc độ và đảo chiều quay động cơ KĐB. VIII.Các chế độ hãm phanh (thắng) động cơ KĐB. HÌNH ẢNH ỨNG DỤNG VÀ BÀI TẬP BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI I. Khái niệm máy điện không đồng bộ . Máy điện KĐB là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy. làm việc ở chế độ động cơ hoặc chế độ máy phát. Thông thường sử dụng ở chế độ động vì có cấu tạo và vận hành đơn giản dẫn đến giá thành rẻ, chi phí bảo trì thấp. Động cơ không đồng bộ có khuyết điểm là khó đều chỉnh tốc độ và hệ số cos thấp. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. Gồm hai phần chính : Stator và Rotor . Stator máy điện không đồng bộ: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. Stator máy điện không đồng bộ: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. Stator máy điện không đồng bộ: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. Rotor làphần quay gồm lõi thép, trục và dây quấn BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. Rotor dây quấn và lồng sóc Rotor dây quấn BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. Rotor dây quấn và lồng sóc Rotor lồng sóc BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. Rotor dây quấn và lồng sóc Rotor lồng sóc BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. Rotor dây quấn và lồng sóc Rotor lồng sóc BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI II. Cấu tạo máy điện không đồng bộ. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI III. Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ. 1. Khái niệm về từ trường quay tcosIi ma  )240cos( 0 tIi mc  )120tcos(Ii 0mb Dòng điện ba pha BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI III. Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ. 1. Khái niệm về từ trường quay Đưa dòng điện ba pha vào bộ dây quấn ba pha sinh ra từ trường quay. Từ trường quay có độ lớn không đổi và bằng 3/2 từ trường cực đại của một pha. n1 gọi là tốc độ từ trường quay, tốc độ đồng bộ [vòng/phút] Từ trường quay với tốc độ không đổi n1 p f60 n1 = f là tần số nguồn điện , 50Hz p là số đôi cực từ p f n1 = [vòng/giây] BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI III. Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ. 2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI III. Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ. 2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ Đặt điện áp xoay chiều ba pha,tần số f vào bộ dây quấn stato từ trường quay tốc độ n1dòng điện xoay chiều ba pha p f60 n1 = Từ trường quay cảm ứng trong rotor sức điện động E2. Dây quấn rotor nối ngắn mạch (Chiều E2, I2 được xác định theo qui tắc bàn tay phải). I2 I2 nằm trong từ trường quay tạo thành momen M tác dụng lên rotor, làm nó quay với tốc độ n theo chiều quay từ trường (chiều của lực xác định theo qui tắc bàn tay trái) lực tác dụng tương hỗ BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI III. Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ. 2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ Tốc độ rotor n  n1 E2 = 0 Tốc độ rotor n = n1 rotor sẽ đứng yên đối với từ trường quay I2 = 0 M = 0 Động cơ không quay p f60n1  1n)s1(n  Tốc độ từ trường quay: Tốc độ trượt n2 (vận tốc trượt): n2 = n1 - n Hệ sốâ trượt của tốc độ : 1 1 n nns  s = (110)% Tốc độ rotor n p f60)s1(  Khi tải tăng, hệ số trượt cũng tăng. Động cơ không đồng bộ (n1 >n) BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI III. Nguyên lý hoạt động máy điện không đồng bộ. 3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ Dùng động cơ sơ cấp quay n > n1 0 n nns 1 1    Cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rotor được biến thành năng lượng điện từ chuyển từ rotor sang stator . BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI IV. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn rotor- Sơ đồ tương đương máy điện KĐB 1. Khi rotor đứng yên: 0)jxr(IEU 22222   )jxr(IE 2222   f : tần số dòng điện rotor = tần số dòng điện stator. 2. Khi rotor quay: Khi rotor quay với tốc độ n, tức với hệ số trượt s, từ trường stator quay đối với rotor với vận tốc tương đối sn1 nên tần số dòng điện rotor, điện kháng tản rotor và sức điện động cảm ứng rotor lần lượt là : f2s = sf x2s = 2 ( sf )L2 = s x2   2m22dqs2 sENksf44,4E  ke =  22dq 11dq 2 1 N.k N.k E E hệ số qui đổi sức điện động. I2s = I2 r2s = r2 BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI IV. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn rotor- Sơ đồ tương đương máy điện KĐB 3. Mạch tương đương của rotor quay: 4. Mạch tương đương của rotor quay, quy về rotor đứng yên :  2222 . jsxrIEs          2 2 22 . jx s rIE  r2 jsx22 . Es I2r2s jx2ssE 2 . I2s r2/s jx22 . E I2 BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI IV. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn rotor- Sơ đồ tương đương máy điện KĐB 5. Mạch tương đương của rotor quy về stator : s s1r '2 . ' 2E r1 jx1 r’2 jx’2 rm jxm U1 I1 I’2 E1 E’2 s s1r '2  r’2/s jx’2 . ' 2E I’2 r’2 jx’2 t2 I’2 BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI IV. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn rotor- Sơ đồ tương đương máy điện KĐB Điện trở s s1r '2  đặc trưng cho sự thể hiện công suất cơ trên trục của máy. Điện trở biến đổi, biểu thị cho sự thay đổi của tải trên trục máy Khi động cơ bị quá tải, tốc độ động cơ giảm đi, hệ số trượt tăng lên và điện trở r’2 s s1 giảm, làm cho dòng điện rotor và stator đều tăng lên. Khi động cơ điện bị kẹt không quay hoặc lúc mở máy tốc độ n = o và s = 1 điện trở r’2 = 0 ; coi như thứ cấp bị ngắn mạch nên dòng điện stator và rotor đều tăng lên rất nhiều ( bằng từ 5-7 lần dòng điện định mức ), cũng vì thế tình trạng này được gọi là tình trạng ngắn mạch động cơ điện . BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI V. Quá trình biến đổi năng lượng và hiệu suất của động cơ KĐB. P1: công suất điện đầu vào động cơ Pđt : công suất điện từ chuyển qua rotor. Pcơ : công suất cơ lý tưởng P2 : công suất cơ hữu ích trên trục pCu1 : tổn hao đồng trên dây quấn stator, PFe: tổn hao sắt từ. P2 P1 Pđt pCu1 pCu2pFe Pcơ pCơ + pfpcơ + pf : tổn hao cơ + tổn hao phụ pCu2 : tổn hao đồng trên dây quấn rotor, BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI + Động cơ điện lấy điện năng từ lưới điện vào với công suất:  : góc lệnh pha giữa dòng và ápP1 = mUpIpcos m: số pha + Tổn hao đồng của dây quấn stator: pcu1 = mI21r1 pFe = mI02rm+ Tổn hao lõi sắt stator: + Công suất điện từ Pđt qua rotor: s 'r 2 s rmI 222Pđt = P1 – (pcu1 + pFe) = mI'2 2 + Tổn hao đồng trong rotor : pcu2 = mI'22r'2 = m 2 2 2 rI + Công suất cơ lý tưởng của động cơ : s s1 s s1rmI 2 2 2  Pcơ = Pđt - pcu2 = m.I'22r'2 + Tổn hao cơ pcơ và tổn hao phụ: ( pcơ + pf ) + Công suất đưa ra trục động cơ điện P2 : P2 = Pcơ – ( pcơ + pf ) Tổng tổn hao trong động cơ điện : p = pcu1 + pFe + pcu2 + pcơ + pf  P2 = P1 - p Hiệu suất : 100 P P 1 2 100 pP P100 P pP 2 2 1 1         % = BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI MOMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Mđt = 1 đtP s 'r 2Pđt = mI'22  221 2 2 1 1 2 ' t ' p' xx s rr U I         Momen điện từ ứng với điện áp nguồn đặt vào động cơ là :                 2 21 2 2 11 2 2 11 2 )'xx( s 'rrf s/'r.U.p.m M pđt Với tần số và tham số cho trước, moment điện từ tỉ lệ với bình phương điện áp. Momen tỉ lệ nghịch với điện kháng. Khi khởi động động cơ n = 0 , s =1, ta có moment khởi động:     2212211 2 2 11 2 'xx'rrf 'r.U.p.m M pmm   BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI MOMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Mđt = 1 đtP + Moment điện từ: 60 n2 1 1  [Nm] [rad/s] p f60n1  [vòng/phút] Mđm =  đmP + Moment định mức( moment đầu trục, moment cơ kéo tải của động cơ): Mđm = M2 = Mcơ ( Pđm = P2) 60 n2 [Nm] [rad/s] )s1(p f60)s1(nn 1  [v/p]  cosIU3P đmđm1   100 P P% 1 2  cosIU3P đmđm1  .cosIU3PP đmđmđm2 Động cơ kđb ba pha BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI VI. QUÁ TRÌNH MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ: Quá trình mở máy của động cơ (n = 0  nđm) đm p mm I)( )'xx()'rr( U I 74 2 21 2 21      2212211 2 2 1 2 )'xx('rrf 'r.U.p.m M pmm   Khi mở máy: s = 1, yêu cầu: > Mđầutrục - Dòng điện mở máy phải hạn chế đến mức thấp nhất. - Moment mở máy phải đủ lớn để đảm bảo tiến hành tăng tốc. - Thời gian mở máy ngắn. - Tổn hao trong quá trình mở máy phải được hạn chế ở mức thấp nhất. - Thiết bị và phương pháp mở máy phải đơn giản – vận hành chắc chắn. BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI CÁC PHƯƠNG PHÁP MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KĐB: Có hai phương pháp mở máy: trực tiếp và gián tiếp 1. Phương pháp mở máy trực tiếp: (Umm = Uđm) Lúc mới đóng điện dòng mở máy lớn, tốc độ động cơ tăng dần thì dòng mở máy giảm xuống và khi tốc độ ổn định thì dòng điện ở lại trị số bình thường. Phương pháp này có dòng mở máy lớn gây sụt áp trên lưới điện đang sử dụng. 2. Phương pháp mở máy gián tiếp: (Umm < Uđm) Mục đích của phương pháp là giảm dòng mở máy, U giảm k lần thì Mmm giảm k2 lần. a. Phương pháp mở máy qua điện trở: Bộ điện trở mắc nối tiếp với dây quấn rôto trong quá trình mở máy, điện trở loại ra khỏi mạch khi động cơ về trạng thái làm việc 2 21 2 21 )'XX()'R'rr( U I p p mmp   giảm ])'XX()'R'rr[(f )'R'r(pUm M P Pp mm 2 21 2 211 2 2 1 2    Vẫn giữ giá trị lớn (ưu điểm) BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI b. Phương pháp mở máy qua điện kháng: Bộ điện kháng mắc nối tiếp với dây quấn stato trong quá trình mở máy, điện kháng loại ra khỏi mạch khi động cơ về trạng thái làm việc Điện áp mở máy giảm k lần, dòng mở máy giảm k lần, Mmm giảm k2 lần. c. Phương pháp mở máy qua máy biến áp tự ngẫu: Máy biến áp cấp nguồn điện thấp vào bộ dây quấn stato trong quá trình mở máy, đưa điện áp định mức vào động cơ khi động cơ về trạng thái làm việc Điện áp mở máy giảm k lần, dòng mở máy giảm k2 lần, Mmm giảm k2 lần. d. Phương pháp mở máy bằng cách đổi nối sao – tam giác: Điện áp nguồn cấp vào động cơ không đổi. Động cơ mở máy ở chế độ sao, làm việc ở chế độ tam giác Điện áp nguồn cấp vào động cơ không đổi , Điện áp cấp vào từng bộ dây động cơ giảm lần, dòng mở máy giảm 3 lần, Mmm giảm 3 lần.3 BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI VII. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ VÀ ĐẢO CHIỀU QUAY ĐỘNG CƠ KĐB. )s1( p f60n  - Thay đổi số cực từ: p 1n  - Thay đổi tần số: fn  - Phương pháp thay đổi điện trở phụ trên mạch rotor: 's 'r'r s 'r p 22 n' = n1 (1 –s') - Phương pháp thay đổi điện áp Điện áp giảm k lần thì M giảm k2 lần. Nếu Mtải không đổi thì tốc độ giảm, + Đảo chiều quay động cơ kđb ba pha: đảo hai trong ba dây pha của nguồn điện đặt vào động cơ . + Đảo chiều quay động cơ kđb một pha: đảo hai đầu cuộn dây pha đề của động cơ . BÀI GIẢNG LT MÁY ĐIỆN GV: VĂN THỊ KIỀU NHI VIII. CÁC CHẾ ĐỘ HÃM PHANH (THẮNG) ĐỘNG CƠ KĐB. - Thắng tái sinh: tốc độ của động cơ kéo rôto lớn hơn tốc độ quay của từ trường. - Thắng ngược: động cơ đang quay theo chiều thuận, đổi hai trong ba dây pha của nguồn điện đặt vào động cơ , từ trường đổi chiều ngược lại , tốc độ rôto giảm về không trước khi đổi chiều. Ngay khi tốc độ rôto về 0, ngắt nguồn điện ra khỏi mạch. - Thắng động năng: động cơ đang quay, ngay khi ngắt nguồn điện ba pha, đưa nguồn một chiều vào bộ dây ba pha của động cơ.