Giáo trình Máy điện - Phần 1 - Nguyễn Ngọc Trung & Phạm Hữu Tấn

ng cơ. Máy điện làm việc ở chế độ máy phát điện. Hệ số trượt là: S = 0 1 1   n nn Nhờ từ trường quay, cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào roto được biến thành điện năng ở stato. Để tạo từ trường quay, lưới điện phải cung cấp cho máy phát điện khơng đồng bộ cơng xuất phản kháng Q, vì thế làm cho hệ số cơng xuất của lưới điện thấp đi. Nếu khi máy làm việc riêng rẽ, ta phải dùng tụ điện nối vào đầu cực máy để kích từ cho máy. Đĩ là nhược điểm của máy phát điện khơng đồng bộ, vì thế người ta ít sử dụng máy phát điện khơng đồng bộ. 1.3. CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐỊNH MỨC Cũng như tất cả các loại máy điện khác, máy điện không đồng bộ có các giá trị định mức này đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy, các thông số này do nhà sản xuất cung cấp và được ghi trên nhãn máy gắn ở thân máy. Vì máy điện không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ điện nên trên nhãn máy ghi các trị số định mức của động cơ điện khi máy làm việc với tải là định mức. Các đại lượng định mức rất quan trọng và cần thiết cho việc sử dụng, kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa động cơ. Hình 1.6: Nguyên lý động cơ khơng đồng bộ Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 74 - Kiểu máy Được ký hiệu bằng các chữ in và các số biểu thị kiểu động cơ như kiểu kín, kiểu hở, kiểu bảo vệ, hình thức của máy, loại rotor và số cực ... Ví dụ trên lý lịch máy của động cơ điện của Trung Quốc ghi J062-4 nghĩa là động cơ rotor lồng sóc, kiểu kín, bệ máy số 6, số đoạn lõi sắt là 2, số từ cực 2p = 4 Các chữ cái, cũng như các số được quy ước biểu thị cho một ý nghĩa kỹ thuật tuỳ thuộc động cơ đó là do Trung Quốc, Liên Xô hoặc Nhật sản xuất nên tương đối phức tạp và sẽ được trình bày ở phần sau. Điện áp định mức Uđm (V): Trên thẻ máy thường ghi hai trị số điện áp tương ứng với cách đấu dây giữa ba pha của động cơ. Ví dụ: Trên lý lịch máy ghi /Y – 220V/380V nghĩa là : Khi nguồn ba pha có Ud = 220 vôn thì bộ dây quấn ba pha của động cơ được đấu theo sơ đồ tam giác  Khi nguồn ba pha có Ud = 380 vôn thì bộ dây quấn động cơ ba pha được đấu theo hình sao Y Dòng điện dây định mức Iđm (A): Đây là giá trị dòng điện tương ứng với điện áp định mức đặt lên bộ dây quấn stator và trục động cơ kéo phụ tải định mức (tương ứng với cách đấu tam giác  hay đấu sao Y của bộ dây quấn stator). Trên thẻ máy cũng thường ghi hai trị số dòng điện tương ứng cách đấu tam giác và đấu sao Ví dụ: Trên thẻ máy ghi 6, 6A /3, 8A đó là cường độ dòng điện tương ứng với cách đấu  và Y Tốc độ quay định mức nđm (vòng/phút): Là tốc độ quay của rotor khi điện áp đặt vào là định mức và moment cản trên trục rotor là định mức. Từ thông số này ta xác định được số đôi cực từ theo biểu thức sau p  60f nđm Tần số nguồn định mức fđm: Do nhà sản xuất cung cấp, thông thường tần số định mức có giá trị fđm = 50Hz hoặc 60Hz Công suất định mức ở đầu trục Pđm (W, kW): Đây là công suất cơ, là khả năng sinh công của động cơ. Ngoài đơn vị tính là W hoặc kW, ta còn tính bằng sức ngựa (mã lực) được ký hiệu là HP hay CV. Công suất điện định mức mà động cơ điện tiêu thụ : P1đm = Pđm đm = 3 Uđm Iđm cosđm Mômen quay định mức ở đầu trục : Mđm = dm dm P  (N.m) Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 75 - Trong đó đm = 2  nđm 60 là tốc độ gĩc tính bằng rad/s. Hiệu suất định mức đm: Là tỉ số giữa công suất cơ trên trục động cơ và công suất điện mà động cơ tiêu thụ khi phụ tải định mức đm = Pđm P1đm Căn cứ vào giá trị hiệu suất ta đánh giá được chất lượng động cơ tốt hay xấu Câu hỏi: 1. Nêu cấu tạo máy điện khơng đồng bộ 2. Nguyên lý lảm việc của động cơ khơng đồng bộ 3. Nguyên lý lảm việc của máy phát khơng đồng bộ 4. Nêu các đại lượng định mức Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 76 - Chương 2: CÁC QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ 2.1. MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC KHI RO TO ĐỨNG YÊN Trong trường hợp này máy điện không đồng bộ được xem như máy biến áp khi không tải. Giả sử rotor của máy điện không đồng bộ hở mạch nghĩa là khi các chổi than ở vị trí 1 như hình vẽ Khi đặt vào bộ dây quấn stator một điện áp xoay chiều hình sin U1 có tần số là f1, trong dây quấn stator sẽ có dòng điện xoay chiều I1 với tần số là f1 và trong dây quấn rotor cũng có dòng điện I2 biến thiên với tần số cũng là f1. Dòng điện I1 và I2 sinh ra suất từ động quay F1 và F2. Hai sức từ động F1 và F2 cũng quay với tốc độ đồng bộ n1 = 60f1 / p và tác dụng với nhau sinh ra sức từ động tổng trong khe hở F0. Phương trình cân bằng sức từ động được viết như sau F1 + F2 = F0 Sức từ động tổng F0 tạo ra từ thông tổng  = m +  , trong đó từ thông m móc vòng qua dây quấn stator và dây quấn rotor, còn từ thông  chỉ móc vòng qua dây quấn stator. Từ thông m sẽ sinh ra các sức điện động E1 và E2 được xác định theo công thức: E1 = 4, 44 f1 W1 kdq1 m (2 – 1) E2 = 4, 44 f1 W2 kdq2 m (2 – 2) Trong đó kdq1, kdq2 là hệ số dây quấn của một pha stator và hệ số dây quấn của một pha rotor Hệ số dây quấn kdq1< 1 nói lên sự giảm sức điện động của dây quấn do quấn rải trên các rãnh và quấn dây bước ngắn so với kiểu quấn dây tập trung ớ máy biến áp W1 và W2 là số vòng dây quấn stator và rotor m là biên độ từ thông của từ trường quay Đồng thời từ thông tản  sẽ tạo ra trong dây quấn stator sức điện động tản E = - jI0X1, trong đó X1 là điện kháng tản của dây quấn stator. Ngoài ra trong dây quấn stator còn có điện trở tác dụng được biểu diễn dưới dạng điện áp rơi I0r1. Do đó phương trình sức điện áp dây quấn stator của máy điện không đồng bộ Ů1 = İI0Z1- Ė1 (2 – 3) Trong đó: Z1 = R1 + jX1 là tổng trở dây quấn stator R1 là điện trở dây quấn stator X1 = 2fL1 là điện kháng tản của dây quấn stator, đặc trưng cho từ thông tản stator Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 77 - Đồ thị không tải của máy điện không đồng bộ về nguyên tắc tương tự như đồ thị không tải của máy biến áp. Tuy nhiên quan hệ giữa hai đồ thị có sự khác biệt rõ rệt  Trong máy biến áp I0 = ( 3  10 )  Iđm  Trong máy điện không đồng bộ I0 = ( 20  50 )  Iđm Điện áp rơi trên trên bộ dây quấn ở máy điện không đồng bộ khi không tải chiếm khoảng ( 2  5 )Uđm trong khi ở máy biến áp thường không vượt quá (0.1  0.4 )Uđm Tương tự, ta cũng xác định hệ số biến đổi sức điện động của máy điện không đồng bộ kE = E1 E2 = 4.44f1 W1 kdq1 m 4.44f1W2 kdq2 m Hay kE = W1 kdq1 W2 kdq2 (2 – 4) Giống như ở máy biến áp, máy điện không đồng bộ ta cũng qui đổi dây quấn rotor về stator (về sơ cấp ). Sức điện động của dây quấn thứ cấp được qui đổi Suy ra E’2 = kE E2 = E1 (2 – 5) Trong đó: kE là hệ số qui đổi sức điện động rotor về stator Khi rotor hở mạch và đứng yên, trong máy điện không đồng bộ chỉ có tổn hao đồng ở stator là Pcu1 = m1I 2 R1, tổn hao sắt từ ở stator và rotor lần lượt là Pfe1 và Pfe2. Ở máy điện không đồng bộ, dòng điện không tải I0 và R1 tương đối lớn nên tổn hao đồng Pcu1 chiếm một phần đáng kể ( trong khi đó ở máy biến áp, ta bỏ qua Pcu1 khi không tải ) Công suất P10 do máy điện tiêu thụ từ lưới điện được xác định theo biểu thức sau P10 = Pcu1 + Pfe1 + Pfe2 *)Ngắn mạch của máy điện không đồng bộ khi rotor đứng yên Nếu ta dịch chuyển chổi than xuống vị trí 2 như hình vẽ, ta sẽ có tình trạng ngắn mạch của máy điện không đồng bộ. Về bản chất vật lý, cũng giống như ngắn mạch ở máy biến áp. Nghĩa là khi đặt vào bộ dây quấn stator một điện áp xoay chiều U1 =1525Uđm, sẽ có dòng điện I1 chạy trong dây quấn stator và dòng điện I2 chạy trong dây quấn rotor. Các dòng điện này sẽ tạo ra sức từ động F1 và F2 được xác định theo biểu thức F1 = m1W1kdq1I1 2 p (2 – 6a ) F2 = m2W2kdq2I2 2 p ( 2 – 6b ) Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 78 - Các sức từ động F1 và F2 quay với tốc độ n1= 60f/p và tác động với nhau sinh ra sức từ động tổng ở khe hở stator – rotor là F0 Ta có F1 + F2 = F0 Hay F1 = F0 – F2 ( 2 – 7 ) Như vậy, ta có thể xem dòng điện I1 trong dây quấn stator gồm hai thành phần là I0 và - I2. I1 = I0 - I2 ( 2 – 8 ) Sở dĩ có dấu trừ I2 là vì ta chọn chiều dòng điện I2 không phù hợp với chiều của từ thông theo qui tắc vặn nút chai Hệ số biến đổi dòng điện, được xác định như sau kI = I2 I’2 = m1W1kdq1 m2W2kdq2 Suy ra dòng điện qui đổi về stator là I’2 = I2 kI ( 2 – 9) Mạch điện thay thế của máy điện không đồng bộ khi ngắn mạch như hình vẽ Để qui đổi điện trở và điện kháng rotor về stator, ta dựa vào các hệ số biến đổi sức điện động và hệ số biến đổi dòng điện. Ta có m2 I2 2 R2 = m1 I’2 2 R’2 Suy ra R’2 = m2 I2’ R2 m1 I2’ 2 = m2 m1 I2 2 I’2 2 R2 R’2 = W1kdq1 W2kdq2 (m1W1kdq1) 2 (m2W2kdq2) 2 R2 R’2 = kE kI R2 R’2 = k R2 ( 2 – 10 ) Trong đó k = kE kI gọi là hệ số qui đổi của điện trở Khi qui đổi điện kháng X2, ta dựa vào góc lệch pha 2 giữa E2 và I2 Ta có tg 2 = X2 R2 = X’2 R’2 Suy ra X’2 = R’2 X2 R2 X’2 = kE kI R2 X2 R2 X’2 = k X2 ( 2 – 11 ) R 1 X 1 R’2 X’ 2 U 1 I 1 = - I 2 i nh 2-1 Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 79 - 2.2. MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC KHI ROTO QUAY Trong trường hợp này máy điện không đồng bộ được xem như một máy biến áp tổng hợp, nghĩa là không chỉ có sự biến đổi điện áp, dòng điện mà còn có cả tần số và các dạng năng lượng khác Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán, từ hệ phương trình điện áp và phương trình sức từ động của động cơ, ta xây dựng sơ đồ mạch điện tương đương gọi là sơ đồ thay thế động cơ điện 2.2.1. Các phương trình cơ bản Khi máy điện không đồng bộ làm việc thì rotor thường bị nối ngắn mạch, trong dây quấn stator sẽ có dòng điện I1 và phương trình cân sức điện ở dây quấn stator là Ů1 = İI1 Z1 – Ė1 (2–12) Trong đó R1 là điện trở thuần của dây quấn stator X1 = 2fL1 là điện kháng tản của dây quấn stator, đại lượng này đặc trưng cho từ thông tản stator Từ thông chính m quay với tốc độ n1 = 60f1 p Khi rotor quay với tốc độ n trong từ trường quay có tốc độ là n1 thì từ thông chính m quay với tốc độ tương đối là n2 = n1 – n và tần số dòng điện trong dây quấn rotor là f2 = pn2 60 Hay f2 = ( n1 – n ) n1p n1 60 f2 = s. f1 (2– 13) Thông thường khi tải định mức thì hệ số trượt sđm đạt giá trị từ 0.02 đến 0.05 cho nên tần số trên rotor thấp và tổn hao ít Sức điện động của rotor được xác định theo biểu thức E2s = 4, 44 f2 W2 kdq2 m = 4, 44 f1s W2 kdq2 m E2s = s E2 Qui đổi về stator, ta được E’2s = s E’2 (2 – 14) Kết luận Từ biểu thức (2 – 13), ta nhận thấy sức điện động cảm ứng trong rotor khi quay bằng tích số giữa sức điện động E’2 khi rotor đứng yên với hệ số trược s Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 80 - 2.2.2. Tổng trở dây quấn rotor Điện trở dây quấn rotor Giả sử rotor được ké kín mạch thông qua điện trở phụ nào đó, nghĩa là ta di chuyển con chạy biến trở về trí 3 như hình vẽ Do vậy, điện trở hía rotor lúc này được xác định theo biểu thức sau R2 = Rrotor + Rphụ (2 – 15) Điện trở phía rotor qui đổi về stator là R’2 = R’rotor + R’phụ (2 – 16) Điện kháng của rotor Điện kháng tản khi rotor đứng yên là x2 = 2f2L2 Do từ thông tản 2 đi qua khe hở không khí là chính nên hệ số tự cảm L2 = const và đây là đại lượng xác định từ thông tản 2 Ta có X2s = 2 f2 L2 = 2 f1 s L2 X2s = X2 s X’2s = s X’2 (2 – 17) 2.2.3. Phương trình sức điện động và dòng điện của rotor Nếu rotor kín mạch thì trong dây quấn rotor có dòng điện I2, dòng điện này sẽ tạo nên từ thông 2 và cảm ứng trên dây quấn rotor sức điện động E2s = s E2 và sức điện động tản E2 = - j I2 X2 s Theo định luật Kirkhoff 2 Ė2s + Ė2 = Ė2s – j I2 X2s = I2 R2 Hay Ė2s = İ2 Z2s = İ2 ( R2 + jX2 s ) Do đó İ Ė2s = Ė2s Z2s = s Ė2 R2 + jX2 s (2–18) Nếu qui đổi rotor về stator, ta có: E’2s = I’2 Z’2s Trong đó Z’2s = R’2 + jX’2 s là tổng trở quy đổi của rotor İ Ė2s = Ė2s Z2s = s Ė2 R'2 + j s X'2 Hay I’2 = s E'2 R'2 2 + s 2 X'2 2 Để thiết lập phương trình mới có ý nghĩa, ta có thể biến đổi biểu thức như sau İ SE2 = s Ė2 R'2 + jX'2 s = Ė2 R'2 s + jX'2 ( 2 – 19 ) Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 81 - Từ biểu thức (2 – 19) cho thấy phía thứ cấp có sức điện động khi rotor quay là E2s với f2 = s f1 được thay bằng sức điện động E2 khi rotor đứng yên với tần số f1 và điện kháng khi rotor quay là sX2 được thay bằng điện kháng khi rotor đứng yên X2. Muốn trong mạch thứ cấp vẫn là dòng điện I2 ta chỉ việc thay điện trở thực R2 bằng một điện trở mới có giá trị R'2 s = R’2 + R’2 1 - s s Như vậy, nếu rotor quay và vẫn giữ nguyên giá trị dòng điện thì cần phải đưa vào mạch thứ cấp một điện trở giả tưởng là R’2 1 - s s và đây là đại lượng đặc trưng cho công suất cơ Pcơ của động cơ Trong dây quấn rotor, dòng điện I2 tạo nên sức từ động F2 làm cho rotor quay với tốc độ n2 tương ứng với tần số f2. Ta có n2 = 60 f2 p = 60 s f1 p = s n1 Suy ra n2 = n1 n1 - n n1 = n1 – n Hay: n1 = n2 + n Từ biểu thức trên cho thấy sức từ động của rotor quay trong không gian luôn luôn với tốc độ và chiều như sức từ động của stator. Do súc từ động F1 và F2 quay cùng chiều nên có thể xem chúng chuyển động tương đối với nhau và tạo sức từ động tổng F0. Nghĩa là sức từ động hình sin F2 cần phải lệch về không gian tương đối so với F1 một góc sao cho F0 tạo nên từ thông m. Theo điều kiện cân bằng sức từ động F1 + F2 = F0 Suy ra I1 + I2 = I0 Kết luận: Hệ phương trình cơ bản lúc rotor quay là Ů1 = - Ė1 + İI1 ( R1 + jX1 ) 0 = - Ė2 + İI2 ( R'2 s + jX’2 ) E1 = E’2 ; I0 = I1 + I2 - E1 = j I0 Zm *) Mạch điện thay thế của máy điện không đồng bộ Từ hệ phương trình cơ bản trên, ta xây dựng sơ đồ mạch điện thay thế như hình vẽ Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 82 - Nhận xét Tương tự như máy biến áp nhưng khác với máy biến áp chỉ biến đổi điện năng từ điện áp ở sơ cấp sang điện áp khác ở thứ cấp còn ở máy điện không đồng bộ biến đổi điện năng thành cơ năng 2.3. GIẢNG ĐỒ NĂNG LƢỢNG VÀ HIỆU SUẤT CỦA MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ Do máy điện không bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ nên ta chỉ xét chế độ động cơ *) Giản đồ năng lượng Động cơ điện không đồng bộ nhận điện năng từ lưới điện và nhờ từ trường quay, điện năng biến thành cơ năng và hệ số trượt nằm trong khoảng 0 < s < 1 Động cơ điện lấy công suất tác dụng từ lưới điện nên ta có Pđiện = P1 = m1U1I1 cos, đồng thời một phần điện năng biến thành tổn hao đồng ở dây quấn stator Pcu1 = m1R1I1 2 và tổn hao trên mạch từ stator PFe = m1I0 2 Rth . Phần điện năng còn lại chuyển thành công suất điện từ Pđt Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có Pđt = P1 – Pcu1 – PFe = m1I’2 2 R'2 s Tổn hao đồng ở rotor : Pcu2 = m1R’2I’2 2 Phần công suất còn lại chuyển thành công suất cơ trên trục động cơ Pcơ = Pđt – Pcu2 = m1I’2 2 R'2 s - m1R’2I’2 2 Pcơ = m1I’2 2 1 - s s R’2 R 1 X 1 X’2 R th X th I 1 - I’ 2I 0 U 1 R’ 2 1 - S S R’ 2 S i nh 2.1: Mạch điện thay thế Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 83 - Vậy Pcơ = Pcu2 1 - s s Pcơ = ( 1 –s ) Pđt Suy ra Pcu2 = s Pđt Khi máy rotor quay sẽ có tổn hao cơ Pcơ và tổn hao phụ Pphụ nên công suất hữa ích trên trục động cơ được xác định theo biểu thức sau P2 = Pcơ – ( Pcơ + Pphụï ) Như vậy tổng tổn hao trên động cơ điện là P = Pcu1 + PFe + Pcu2 + Pcơ + Pphụï *)Hiệu suất của động cơ điện  = Pcơ P1 = 1 – P P1 Ngoài ra động cơ điện cũng lấy công suất phản kháng từ lưới vào Q1 = m1U1I1 sin, một phần nhỏ công suất phản kháng dùng để tạo ra từ trường tản ở phía stator và rotor q1 = m1I1 2 X1 q2 = m1I’2 2 X’2 Phần còn lại dùng để sinh ra từ trường ở khe hở Qm = m1E1I1 = m1I0 2 Xm Từ những phân tích trên, ta xây dựng được giản đồ năng lượng như hình vẽ 2.4. BIỂU THỨC MƠMEN ĐIỆN TỪ CỦA MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ Ở chế độ động cơ điện momen điện từ đĩng vai trị momen quay, được tính là: M = Mđt= 1 đtP , Pđt= 3. s R I , 22, 2 . cu2 cu1 Fe phụ i nh 2.2: Giản đồ năng lượng Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 84 - Trong đĩ: 1 tần số gĩc của từ trường quay P   1  : tần số gĩc dịng điện stato P: số đơi cực từ Dựa vào sơ đồ (b), ta tính được dịng 2, 21 2 , 2 1 1, 2 )()( XX s R R U I           2, 21 2 , 2 1 , 2 2 1 )()(.. ...3 XX s R Rs RUp M  2.5. CÁC ĐƢỜNG ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ Momen và hệ số trượt cĩ quan hệ là một hàm số M=f(s). Nếu thay s = 1 1 n nn  , ta cĩ quan hệ n = f(M) đĩ là đặc tính cơ động cơ điện khơng đồng bộ. Động cơ sẽ làm việc ở điểm momen quay bằng momen cản (M=MC). * Đặc điểm của momen quay động cơ khơng đồng bộ.  Momen quay tỷ lệ bình phương điện áp, nếu điện áp đặt vào động cơ thay đổi momen động cơ thay đổi rất nhiều.  Momen cĩ giá trị cực đại Mmax giá trị tới hạn sth làm cho đạo hàm 0   S M sau khi tính đạo hàm ta tính được trị số sth và Mmax là: Sth= , 21 , 2 , 211 , 2 XX R XXR R    Mc i nh 2.3: Đặc tính cơ Mmax M Mc M 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Mmm S Mmm M n n1 0 M Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 85 - Mmax=   ).(.2 ..3 )(..2 ..3 , 211 2 1 2, 21 , 11 2 1 XXR UP XXRR Up     Ta nhận thấy sth tỷ lệ thuận với điện trở roto, cịn Mmax khơng phụ thuộc vào điện trở roto, khi cho thêm điện trở phụ Rp vào roto, đặc tính M= f(s) thay đổi như hình (3- 15) Tính chất này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ và mở máy động cơ roto dây quấn. Quan hệ giữa M, Mmax, sth cĩ thể viết gần đúng như sau: M= s s s s M th th  max.2 Thay s=1 vào biểu thức, momen mở máy động cơ là: Mmm=  2,212,21 , 2 2 1 )()(. ...3 XXRR RUp  Đối với động cơ lồng sĩc thường cho các tỷ số sau: 1,1 1,7mm đm M M   ; 5,26,1max  đmM M 2.6. CÁC TRẠNG THÁI HÃM Trong thực tế có trường hợp người ta muốn dừng nhanh động cơ và tốc độ động cơ bằng phẳng khi ngắt nguồn điện đưa vào động cơ hoặc cần giảm bớt tốc độ như ở hệ thống cần trục lúc đưa hàng xuống hay trong các máy trong tàu điện. Để giải quyết các vấn đề trên, người ta dùng các phương pháp hãm động cơ bằng điện hoặc bằng thiết bị điện cơ. Để hãm một hệ thống truyền động điện, ta có thể hãm theo phương pháp cơ hoặc phương pháp điện từ 0 s1 s2 s3 s4 1 2 3 4 M S R2 R2+Rp1 R2+Rp2 R2+Rp3 M Uđm U1 i nh 2.4: Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ S 0 Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 86 - Hệ truyền động điện được xem là tập hợp các thiết bị dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và các thiết bị dùng để điều kiển quá trình biến đổi đó Hệ truyền động bao gồm các khâu : bộ biến đổi, động cơ điện, khâu truyền lực, cơ cấu làm việc và khối điều khiển Hãm cơ hoặc điện - cơ : Hãm bằng cơ cấu điệân cơ như cơ cấu cần hãm, bộ ly hợp điện từ Hãm điện từ: Gồm có hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng *) Hãm điện – cơ: Hãm điện – cơ thường đặt ở cổ trục động cơ. Loại hãm này có nhiều kiều nhiều loại nhưng có chung nguyên tắc hoạt động là khi cấp điện cho động cơ hoạt động thì cuộn dây hãm cũng được cấp điện nên cổ trục động cơ được nới lỏng. Khi ngắt nguồn điện vào động cơ thì cuộn dây hãm cũng bị mất điện theo nên cổ trục động cơ bị ép chặt (Đôi khi cuộn dây hãm được cấp điện độc lập để việc hãm được linh hoạt hơn) Hãm cơ và hãm điện – cơ luôn có má thắng tì ép vào trục động cơ khi hãm trong khi đó hãm điện tưØ, trục động cơ không bị phần tử nào tì ép vào trục động cơ cả.Lúc này chỉ có moment điện từ tác dụng lên rotor của động cơ để cản lại chuyển động của rotor mà thôi *) Hãm điện từ Trạng thái hãm điện từ: Là trạng thái động cơ sinh ra moment điện từ có chiều ngược với chiều chuyển động của rotor Đặc điểm hãm điện từ : Khi hãm điện từ xảy ra, động cơ làm việc ở chế độ máy phát nghĩa là biến cơ năng thành điện năng để trả năng lượng về cho lưới điện hoặc biến thành nhiệt.Moment để quay của động cơ ở chế độ máy phát sẽ là moment hãm đối với hệ truyền động điện a. Hãm tái sinh Hãm tái sinh là trạng thái xảy ra khi tốc độ của rotor lớn hơn tốc độ đồng bộ(tốc độ của từ trường quay) ở độâng cơ không đồng bộ hay lớn tốc độ không tải ý tưởng ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập và song song Hay nói cách khác, khi s<0 thì động cơ chuyển thành máy phát điện và sinh ra moment điện từ ngược chiều với moment trước đó của động cơ. Việc này được thực hiện bằng cách tăng số đôi cực trong bộ dây quấn stator khi đó tốc độ của từ trường quay mới sẽ nhỏ hơn tốc độ quay của rotor nên xảy ra hiện tượng hãm tái sinh làm Hình 2.5: Hãm điện - cơ Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 87 - cho rotor giảm tốc xuống tốc độ tương ứng với từ trường mới. Như ta đã biết khi làm việc ở chế độ động cơ điện, tốc độ roto gần bằng tốc độ đồng bộ( s=3÷8) cho nên khi hãm cần đổi nối làm tăng số đôi cực của dây quấn phần ứng lên, lúc đó tốc độ của roto sẽ cao hơn tốc độ của từ trường quay sau khi đổi nối, lúc này động cơ trở thành máy phát điện trả năng lượng về cho nguồn đồng thời có moment hãm hãm động cơ lại... Thông thường người ta sử dụng động cơ có 2 cấp tốc độ, trước tiên, ta cho động cơ hoạt động ở tốc độ cao, sau đó ta chuyển sang tốc độ thấp. Do tốc độ của từ trường sau nhỏ hơn tốc độ quay của rotor nrotor1 > nđb2 và khi đó trạng thái hãm tái sinh sẽ xảy ra. Phương pháp này thường sử dụng trong máy cắt gọt kim loại Đối với động cơ DC kích từ động lập, ta dùng phương pháp hạ điện áp cấp cho phần ứng khi đó tốc độ không tải lý tưởng n02 < nroto, lúc này động cơ ở trạng thái hãm tái sinh Do phương pháp này trả năng lượng về cho lưới điện nên phương phá hãm này còn có tên là phương pháp biến đổi thành máy phát điện. Lưu ý Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp không có chế độ hãm tái sinh Ví dụ Khi làm việc như động cơ, roto quay 2890 vòng/phút ứng với số đôi cực của stato là p =1. Khi hãm đổi số đôi cực của stato thành p = 2 thì tốc độ từ trường quay chỉ còn là 1500vòng/phút, lúc đó tốc độ rotor sẽ lớn hơn tốc độ của từ trường quay tương ứng với số đôi cực p =2 (2890 >1500 vòng/phút) nên động cơ trở thành máy phát điện. Như vậy hãm theo phương pháp này động cơ phải có bộ dây quấn có thể thay đổi được số đôi cực và làm việc bình thường với số đôi cực bé nhất. Ví Dụ Khi xe điện xuống dốc, tốc độ của động cơ tăng quá tốc độ đồng bộ như vậy động cơ cũng làm việc ở trạng thái hãm. Để tăng moment lúc hãm, nhiều khi người ta cho phép tăng điện áp đặt vào dây quấn stato bằng cách đổi từ Y sang  Hãm tái sinh bằng bộ tụ điện Để dừng chính xác, nhanh một động cơ không đồng bộ công suất nhỏ ta sử dụng phương pháp hãm bằng tụ điện Sơ đồ mạch điện như hình vẽ Bộ tụ điện gồm ba tụ điện được đấu theo hình  và mắc song song với động cơ. Khi động cơ làm việc thì bộ tụ điện được nạp điện Khi động cơ được ngắt ra khỏi lưới điện thì bộ tụ phóng điện tạo ra từ trường không tải lý tưởng thấp hơn rất nhiều so với tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ tự nhiên. Hay nói khác đi là lúc này tốc độ của Motor i nh 2.6: Hãm tái sinh bằng bộ tụ điện Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 88 - rotor lớn hơn tốc độ của từ trường quay do bộ dây quấn stator tạo ra và động cơ ở trạng thái hãm tái sinh Tùy theo giá trị điện dung của tụ điện mà thời gian hãm nhanh hay chậm. Điện dung của tụ điện càng lớn thì moment hãm ban đầu càng lớn nên động cơ dừng cành nhanh.Giá trị điện dung của tụ điệân được chọn sao cho Ihãm < Imm . Theo tính cho thấy với nguồn đện có tần số là 50Hz, bộ tụ điện được đấu  thì tụ điện có điện dung là Quá trình hãm bằng tụ kết thúc khi tốc độ động cơ giảm còn 30 ÷40% tốc độ định mức.Để dừng hoàn toàn, động cơ cần có momen cản trên trục động cơ. Ngoài ra, ta còn có thể dùng một tụ điện mắc vào 1 trong 3 pha của động cơ. Để việc hãm đạt hiệu quả như dùng bộ 3 tụ điện, ta phải tăng giá trị điện dung lên khoảng 2, 1 lần. Tuy cần tụ điện có điện dung lớn hơn nhưng ta vẫn tiết kiệm được 30% tổng giá trị điện dung Kết luận Đối với động cơ công suất trung bình và lớn thì việc hãm bằng tụ ít hiệu quả. Phương pháp này tỏ ra tin cậy và hiệu quả đối với động cơ có công suất nhỏ khoảng vài chục kilowatt Để khắc phục hạn chế của hãm dùng tụ là không dừng hoàn toàn động cơ, ta kết hợp với hãm động năng. Khi quá trình hãm bằng tụ kết thúc thì ta chuyển sang hãm động năng Để thỏa mãn yêu cầu kinh tế, ta sử dụng hãm tụ diện một pha b. Hãm ngược Phương pháp này còn gọi là phương pháp hãm đổi thứ tự pha Như ta đã biết khi độ trượt s >1 nghĩa là rotor quay ngược chiều với từ trường quay thì động cơ làm việc ở chế độ hãm. Ta ứng dụng nguyên lý đó như sau Khi động cơ đang làm việc, rotor quay cùng chiều với từ trường quay. Sau khi cắt động cơ ra khỏi lưới điện, muốn động cơ ngừng quay nhanh chóng ta đóng cầu dao về phía khác để đổi thứ tự pha đặt vào stator. Do quán tính của phần quay rotor vẫn quay theo chiều cũ trong khi từ trường quay đã quay ngược lại (do đổi thứ tự pha) nên động cơ đã ở chế độ hãm, moment điện từ sinh ra có chiều ngược lại với chiều quay của roto và có tác dụng hãm nhanh chóng và bằng phẳng tốc độ quay của máy. Trong quá trình hãm như vậy dòng điện trong máy sẽ rất lớn.Khi rotor ngừng C = 3185 k Ipha / Udây Thường chọn k = 4 ÷ 6 C1 pha = 70%Cbapha Motor Hình 2.7: Hãm ngược Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 89 - quay phải cắt ngay mạch điện nếu không động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại.Để tự động ngắt động cơ ra khỏi lưới khi tốc độ rotor gần bằng 0, ta sử dụng rơle kiểm tra tốc độ (Xem mạch điện ở môn trang bị điện) c. Hãm động năng Nguyên tắc hãm động năng Ngắt nguồn điện xoay chiều ra khỏi bộ dây quấn stator Đưa nguồn điện một chiều vào bộ dây quấn stator Khi động cơ dừng, ta ngắt nguồn điện một chiều ra khỏi bộ dây quấn stator Khi động cơ đang hoạt động, muốn hãm động năng ta cắt nguồn điện ba pha vào động cơ điện bằng cách ngắt CB, sau đó ta đóng cầu dao CD để đưa điện một chiều vào bộ dây quấn stator. Dòng điện một chiều lấy từ bộ chỉnh lưu cầu CL đi qua dây quấn stator tạo thành từ trường không đổi trong động cơ. Do rotor còn quán tính nên quay trong từ trường không đổi và trong dây quấn rotor cảm ứng nên sức điện động. Dòng điện cảm ứng tác dụng với từ trường nói trên tạo thành moment điện từ chống lại chiều quay của rotor. Ở loại động cơ rotor dây quấn người ta thường gắn thêm điện trở vào phía rotor để tăng moment hãm. Ta điều chỉnh moment hãm bằng cách điều chỉnh điện áp một chiều đặt vào bộ dây quấn stator. Thường ta chọn điện áp hãm Uhãm = 1020 Uđm động cơ Tóm lại Đây là phương pháp thường được sử dụng vì thời gian dừng động cơ nhanh, thường sử dụng trong thang máy, các máy công cụ. Trong công nghiệp, do không có sẵn nguồn điện DC, người ta dùng cầu diode để nắn điện xoay chiều thành điện một chiều. Câu hỏi: 1. Giản đồ năng lượng 2. Đồ thị véc tơ 3. Cơng thức tính momen điện từ 4. Vẽ các đường đặc tính Motor CD CB Hình 2.8: Hãm động năng Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 90 - Chương 3: MỞ MÁY VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 3.1. QUÁ TRÌNH MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ Quá trình mở máy (khởi động): là quá trình kể từ lúc đóng điện vào động cơ (từ khi rotor đứng yên) cho tới khi tốc độ động cơ đạt đến tốc độ làm việc ổn định. Khi bắt đầu mở máy thì roto đứng yên, hệ số trượt s=1 nên trị số dịng điện mở máy cĩ thể tính được theo mạch điện thay thế. Imm= 2, 21 2, 21 1 )()( XXRR U  (A) Trên thực tế, do mạch từ bảo hịa rất nhanh, điện kháng giảm xuống nên dịng điện mở máy thường vào khoảng(5‚7)Iđm. Dịng điện quá lớn khơng những làm cho bản thân máy bị nĩng mà cịn làm cho điện áp lưới giảm sút nhiều, nhất là đối với những lưới điện cơng suất nhỏ. Từ những phân tích trên, chúng ta cần phải chọn phương pháp khởi động hợp lý để hạn chế dòng điện khởi động của các thiết bị điện. Tùy theo yêu cầu sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc bình thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu cầu moment mở máy lớn, có khi cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích ứng. Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năng mở máy không thích hợp nên thường gây hư hỏng cho máy điện. *)Khi chọn phương pháp khởi động cho động cơ, ta cần lưu ý đến các yêu cầu sau: - Moment mở máy phải đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của phụ tải - Dòng điện khởi động có giá trị càng gần với giá trị dòng điện định mức càng tốt hay bội số dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt Kmm = Imm Iđm - Thiết bị sử dụng đơn giản, đảm bảo an toàn, giá thành hạ thao tác đơn giản độ tin cậy cao - Tổn hao công suất trong quá trình khởi động càng thấp càng tốt Tuy nhiên chúng ta không thể thỏa mãn tất cả các yêu cầu trên Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn với nhau như khi đòi hỏi dòng điện mở máy nhỏ thì thường làm cho moment mở máy giảm theo hoặc cần thiết bị đắt tiền.Vì vậy phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thích hợp. Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 91 - 3.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 3.2.1. Mở máy động cơ roto dây quấn Khi mở máy, dây quấn roto được nối với biến trở mở máy, đầu tiên để biến trở nhỏ nhất sau đĩ giảm dần về khơng. Muốn momen mở máy cực đại, sth=1, sth= 1, 21 ,, 2    XX RR mo từ đĩ ta xác định được Rmở cần thiết. Khi cĩ Rmở máy dịng điện pha mở máy là: Ipmở= 2, 21 2,, 21 1 )()( XXRRR U mo  Nhờ cĩ Rmở mà Imở giảm xuống. Như vậy cĩ Rmở momen mở máy tăng, dịng điện mở máy giảm, đĩ là ưu điểm của động cơ roto dây quấn. 3.2.2. Mở máy động cơ roto lồng sĩc a. Mở máy trực tiếp Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ việc đĩng trực tiếp động cơ điện vào lưới điện. Khuyết điểm của phương pháp này là dịng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp mạng điện rất nhiều, nếu quán tính mở máy lớn thời gian mở máy kéo dài, cĩ thể làm cháy cầu chì bảo vệ vì thế phương pháp này được dùng khi cơng xuất nguồn điện lớn hơn cơng xuất động cơ điện rất nhiều, việc mở máy rất nhanh và đơn giản. roto stato Rmm A B C Hình 3.1: Mở máy động cơ roto dây quấn Mmax Rmm lớn nhất M 0 n 1 6 4 5 2 Mc M3 M2 M1 3 Rmm =0 Hình 3.2: Mở máy trực tiếp CD A B C ĐC Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 92 - b. Mở máy bằng cách giảm điện áp đặt vào stato Khi mở máy ta giảm điện áp đặt vào động cơ, cũng làm giảm dịng điện mở máy, khuyết điểm của phương pháp này là momen mở máy giảm đi rất nhiều, vì thế nĩ được dùng đối với trường hợp khơng yêu cầu momen mở máy lớn, cĩ các biện pháp giảm điện áp như sau: *) Dùng điện kháng nối tiếp mạch stato: Điện áp nguồn đặt vào động cơ qua cuộn kháng. Lúc mở máy cầu dao D2 mở, cầu dao D1 đĩng. Khi động cơ đã quay ổn định thì đĩng cầu dao D2 để ngắn mạch điện kháng. Nhờ cĩ điện áp rơi trên điện kháng, điện áp trực tiếp đặt vào động cơ giảm đi k lần, dịng điện giảm k lần, song momen giảm đi k2 lần (vì momen tỷ lệ bình phương điện áp). * Dùng máy biến áp tự ngẫu: Điện áp mạng điện đặt vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp, điện áp thứ cấp đưa vào động cơ điện. Thay đổi vị trí con trượt để khi mở máy điện áp đưa vào động cơ nhỏ, sau đĩ dần tăng lên định mức, gọi k là hệ số biến áp tự ngẫu, U1điện áp pha của lưới điện, Zn tổng trở động cơ lúc mở máy, điện áp pha đặt vào động cơ lúc mở máy: Uđc= k U1  Dịng điện mở máy: Imở= nn đc Zk U Z U . 1 Dịng điện I1 lưới điện cung cấp cho động cơ lúc cĩ máy biến áp là dịng điện sơ cấp của máy biến áp. I1= n đc Zk U k I .2 1 (3-1)  Khi mở máy trực tiếp: I1= nZ U1 (3-2) K CD A B C ĐC Hình 3.3: Mở máy qua cuộn kháng BATN K1 K2 Hình 3.4: Mở máy qua biến áp tự ngẫu K CD A B C ĐC Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 93 - So sánh (1) và (2) ta thấy, lúc cĩ máy biến áp dịng điện của lưới giảm đi k2 lần. Đây là ưu điểm so với phương pháp dùng điện kháng ( I giảm đi k lần ). Vì thế p2 này dùng nhiều đối với động cơ cĩ cơng xuất lớn. * Phƣơng pháp mở máy đổi nối Y- Δ:  Phương pháp này chỉ áp dụng với động cơ khi làm việc bình thường dây quấn stato nối tam giác.  Khi mở máy ta nối hình sao để điện áp đặt vào mỗi pha giảm 3 lần, sau khi mở máy ta đổi nối lại thành tam giác như đúng quy định của máy. Dịng điện dây khi nối tam giác: IdΔ= nZ U1.3 (3-3) Dịng điện dây khi nối hình sao: IdY= nZ U .3 1 (3-4) So sánh (1) và (2) ta thấy lúc mở máy Y-Δ, dịng điện dây của mạng điện giảm 3 lần. Qua các phương pháp chúng ta đều thấy momen mở máy giảm xuống nhiều. Để khắc phục điều này, người ta chế tạo loại động cơ lồng sĩc kép và loại động cơ rãnh sâu cĩ đặc tính mở máy tốt. 3.3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ Tốc độ của động cơ điện khơng đồng bộ: n = n1 ( 1 – s ) = p f60 ( 1 – s ) (vịng/phút) Với động cơ điện khơng đồng bộ roto lồng sĩc cĩ thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số dịng điện stato, thay đổi số đơi cực từ p bằng cách thay đổi dây quấn stato, hoặc thay đổi điện áp U để thay đổi hệ số trượt s. Với động cơ roto dây quấn điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở roto để thay đổi hệ số trượt s, việc điều chỉnh thực hiện phía roto. KY K∆ Z Y X B C A CD A B C ĐC Hình 3.5: Mở máy đổi nối Y- Δ Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 94 - 3.3.1. Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số Việc thay đổi tần số f của dịng điện xtato thực hiện bằng bộ biến tần số. Từ thơng max tỷ lệ thuận với tỷ số U1/f khi thay đổi f người ta muốn giữ cho từ thơng max khơng đổi để mạch từ máy ở trạng thái định mức. Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp, giữ cho tỷ số U1/f khơng đổi. 3.3.2. Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đơi cực Số đơi cực của từ trường quay stato phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn. Động cơ khơng đồng bộ cĩ cấu tạo dây quấn để thay đổi tốc độ gọi là động cơ khơng đồng bộ nhiều cấp tốc độ. Hình 3.7: Bộ biến tần gián tiếp 0 Hình 3.8: Đặc tính cơ M n f1<fđm fđm f2<f1 Hình 3.6: Bộ biến tần trực tiếp ω2 hs ~ U2,f2 var ω1 Đ/cơ MF Đ/cơ ~ U1,f1 Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 95 - Phương pháp này chỉ áp dụng động cơ roto lồng sĩc vì động cơ roto lồng sĩc cĩ thể thích ứng với bất cứ số đơi cực nào của dây quấn stato. Động cơ roto dây quấn cĩ số đơi cực bằng số đơi cực của dây quấn stato, do đĩ khi đấu lại dây quấn stato để cĩ số đơi cực khác nhau thì dây quấn roto cũng phải đấu lại, như vậy khơng tiện lợi, do đĩ người ta khơng dùng loại động cơ này để điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đơi cực. Mặc dù điều chỉnh nhảy cấp, nhưng cĩ ưu điểm là giữ nguyên độ cứng đặc tính cơ. 3.3.3. Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato Phương pháp này chỉ thực hiện việc giảm điện áp. Khi giảm điện áp, đường đặc tính cơ M= f(s) sẽ thay đổi, do đĩ hệ số trượt thay đổi, tốc độ động cơ thay đổi. 3.3.4. Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động cơ roto dây quấn Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài nên cĩ kích thước lớn hơn so với biến trở mở máy. Họ đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ roto dây quấn khi cĩ biến trở điều chỉnh và khi tăng điện trở tốc độ động cơ giảm. Nhược điểm: tổn hao cơng xuất trong biến trở, do vậy pp này khơng kinh tế, tuy nhiên là pp đơn giản, điều chỉnh trơn và khoảng điều chỉnh tương đối rộng, được sử dụng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ cơng xuất cỡ trung bình. Đấu nối tiếp tốc độ thấp A1 A2 X2 X1 A2 A1 S N N S A2 A1 A2 X1 X2 A1 N S N S Đấu nối tiếp tốc độ cao A1 A2 X2 X1 A2 A1 S N S N Đấu // tốc độ thấp A1 A2 X2 X1 A2 A1 S N S N Đấu // tốc độ cao Hình 3.9: Sơ đồ đổi nối để thay đổi số cực từ Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 96 - Câu hỏi: 1. Quá trình mơ máy là gì? 2. Các phương pháp mơ máy động cơ khơng đồng bộ. 3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 97 - Chương 4: ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 4.1. KHÁI QUÁT Động cơ khộng đồng bộ một pha thường được dùng trong các thiết bị điện sinh hoạt và công nghiệp, công suất động cơ 1 pha thường nhỏ. So với động cơ điện 3 pha cùng kích thước thì công suất động cơ 1 pha chỉ bằng khoảng 70% công suất động cơ 3 pha, nhưng thực tế do khả năng quá tải thấp nên ngoại trừ động cơ kiểu điện dung, công suất của động cơ 1 pha thường chỉ vào khoảng 50% so với công suất động cơ 3 pha. Do sử dụng nguồn điện xoay chiều 1 pha nên động cơ 1 pha được sử dụng phổ biến trong sinh hoạt và sản xuất nhỏ. Tuy nhiên do cấu tạo tương đối phức tạp nên giá thành động cơ 1 pha thường cao và sẽ gặp khó khăn trong việc vận hành sửa chữa cũng như bảo trì. *) Cấu tạo Do nguyên lý khác nhau và yêu cầu về tính năng kỹ thuật khác nhau, nên kết cấu động cơ điện 1 pha có nhiều điểm khác với động cơ điện 3 pha - Phần tĩnh (Stato ) Phần tĩnh gồm có: mạch từ, bộ dây quấn, vỏ máy. Mạch từ: gồm nhiều lá thép mỏng ghép cách điện với với nhau để tránh dòng điện Fucô. Bộ dây quấn: gồm 2 cuộn: cuộn chạy và cuộn đề (thường không giống nhau) đặt lệch nhau 90 0 điện Vỏ máy: thường bằng gang hay nhôm để bảo vệ mạch từ bộ dây quấn và roto đồng thời làm giá đỡ cho roto quay. - Phần quay (Roto) Động cơ điện một pha thường dùng roto lồng sóc, có cấu tạo như roto lồng sóc ở động cơ điện 3 pha Ngoài 2 phần chính trên động cơ điện một pha còn cĩ thêm bộ phận khởi động như tụ điện, vít ly tâm, rơ le dòng điện, rơ le điện áp 4.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Về cấu tạo stato chỉ cĩ dây quấn 1pha roto thường là loại lồng sĩc, dây quấn stato nối với lưới điện xoay chiều một pha. Dịng điện xoay chiều 1 pha đi vào dây quấn khơng tạo từ trường quay. Mà tạo ra từ trường cĩ phương và độ lớn khơng đổi cịn chiều thay đổi gọi là từ trường đập mạch. Vì vậy khi cho dịng điện vào stato động cơ khơng tự quay được. Muốn động cơ quay ta phải quay roto theo chiều nào đĩ và roto quay theo chiều ấy và động cơ làm việc. Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 98 - Để giải thích hiện tượng trên ta phân từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, quay ngược chiều nhau với cùng n1 và biên độ bằng ½ từ trường đập mạch. n1= P f60 , BmaxI=BmaxII= 2 maxB  IB : gọi là từ trường quay thuận  IIB gọi là từ trường quay nghịch,  B =  IB +  IIB Gọi n là tốc độ roto, hệ số trượt tương đối khi quay thuận: SI= S n nn   1 1 Hệ số trượt SII ứng với từ trường quay ngược SII= SS n nSn n nn I I     22 )1( 1 11 1 1 S=SI 0 1 2 SII 2 1 0 MI là momen do từ trường quay thuận sinh ra, MII là momen do từ trường quay nghịch sinh ra. Momen quay của động cơ là tổng đại số MI và MII. M=MI-MII. Từ đường đặc tính momen, ta thấy lúc mở máy, S=SI=SII=1, MI=MII Mmở=0 (động cơ khơng tự mở máy được), nếu ta tác động cho động cơ quay, hệ số trượt S=1, lúc đĩ động cơ cĩ momen và tiếp tục quay. Vì thế ta phải cĩ biện pháp mở máy nghĩa là phải tạo cho động cơ một pha momen mở máy. Do dĩ cần phải cĩ các phương pháp mở máy cho động cơ một pha. 4.3. PHƢƠNG PHÁP MỞ MÁY VÀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 4.3.1. Động cơ điện một pha dùng tụ thường trực Tụ điện được mắc nối tiếp với dây quấn phụ, vừa tham gia vào quá trình khởi động động cơ vừa tham gia vào quá trình làm việc chính vì vậy mới gọi là tụ thường trực. Nhờ thế động cơ được xem như động cơ 2 pha. loại này có đặt tính làm việc ổn định, hệ số công suất cos  tương đối cao nhưng moment khởi động thấp. Do đó thường được sử dụng cho các động cơ có công suất bé 4.3.2. Khởi động động cơ điện một pha dùng tụ khởi động Để tạo moment khởi động lớn, dây quấn phụ được mắc nối tiếp với 1 tụ điện có điện dung lớn và 1 ngắt điện tự động (vít ly tâm hay rơ le dòng điện...). Lúc này dây quấn chính được gọi là "cuộn chạy" dây quấn phụ gọi là "cuộn đề" và tụ điện Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 99 - loại này gọi là "tụ đề" (hay tụ khởi động). Động cơ khởi động khi td đạt khoảng 75% td định mức, vít ly tâm sẽ tác động ngắt mạch phụ ra khỏi nguồn, lúc này chỉ có cuộn chạy làm việc 4.3.3. Động cơ dùng tụ khởi động và tụ thường trực Để có được ưu điểm của 2 dạng trên, nhất là để tạo ra moment khởi động lớn người ta dùng 2 tụ điện một thường trực và một khởi động. Khi khởi động, điện dung nối tiếp với cuộn dây phụ (CLV + CKđ) nhờ thế MKđ sẽ lớn, thời gian khởi động được rút ngắn, sau đó cũng như trường hợp trên khi td khoảng 75% td định mức thì vít ly tâm tác động ngắt tụ khởi động ra khỏi nguồn. Khi đó động cơ làm việc như một động cơ 2 pha Loại trên tuy có nhiều ưu điểm nhưng do sử dụng 2 tụ điện nên giá thành cao đồng thời trong lắp đặt nếu nhầm lẫn sẽ gây hư hỏng cho động cơ 4.3.4. Động cơ điện một pha không dùng tụ điện Ở một số động cơ, thường công suất bé khoảng 1/4 - 1/3 HP có thể dùng chính trở kháng của dây quấn phụ để tạo sự lệch pha của dòng điện trong dây quấn chính và dây quấn phụ, nhưng lúc này góc lệch pha bé thường chỉ đạt từ 30 0 đến 45 0 . Loại này có momen khởi động lớn hơn so với loại dùng tụ điện thường trực nhưng bé hơn loại dùng tụ khởi động. 4.3.5. Động cơ điện một pha dùng vòng ngắn mạch Với các động cơ điện một pha công suất nhỏ khi khởi động thường không mang tải hay tải nhỏ thì được chế tạo theo kiểu vòng ngắn mạch. Trên các cực từ lồi của Stato người ta xẻ rãnh và đặt vào đó một vòng đồng ngắn mạch ôm lấy khoảng 1 / 3 cực từ, vòng ngắn mạch đóng vai trò như cuộn dây quấn phụ Khi cấp điện áp vào cuộn dây, sẽ xuất hiện dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn nên sinh ra trên các cực từ một từ thông , Từ thông  chia thành 2 phần Từ thông 1 xuyên qua phần cực từ ngoài vòng ngắn mạch, có giá trị lớn Từ thông 2 xuyên qua phần cực từ cóvòng ngắn mạch 2 =  - 1 Từ thông 2 biến thiên nên trong vòng ngắn mạch sẽ cảm ứng 1 sức điện động eV chậm sau 2 một góc 90 0 , sức điện động eV sinh ra dòng iV chậm sau eV một góc là V, dòng iV lại sinh ra từ thông '2 cùng pha chạy trong phần mạch từ có vòng ngắn mạch, có khuynh hướng làm giảm từ thông tổng trong vòng ngắn mạch là V = 2 + '2. Có thể gọi 1 là từ thông chính, V là từ thông phụ, cả 2 từ thông này đều khép mạch qua roto và các cực từ. Hai từ thông 1 và V lệch nhau một góc  về thời gian và lệch một góc  về không gian nên tạo ra một từ trường quay và động cơ sẽ có moment khởi động làm cho động cơ quay Từ trường quay trong động cơ điện một pha dùng vòng ngắn mạch có dạng elip. Để giảm mức độ elip người ta chế tạo khe hở giữa phần mặt cực stato nằm ngoài vòng ngắn mạch với roto lớn hơn khe hở giữa chúng ở phía trong vòng ngắn mạch. Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 100 - Động cơ điện một pha dùng vòng ngắn mạch có cấu tạo đơn giản nên giá thành hạ nhưng moent khởi động nhỏ, hệ số công suất cos thấp, hiệu suất thấp và khả năng quá tải kém nên chỉ được dùng ở công suất nhỏ. *) Đảo chiều quay động cơ điện một pha: Nguyên tắc chung để đảo chiều quay động cơ điện một pha có dây quấn phụ là đổi chiều dòng điện chạy trong dây quấn phụ, giữ nguyên chiều dòng điện trong dây quấn chính hay ngược lại. 4.4. SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA VÀO TRONG LƢỚI ĐIỆN MỘT PHA *) Cách 1: Lựa chọn tụ: + Tụ làm việc: Clv = 2800 (µF) (4-1) + Tụ khởi động: Ckđ = (2,5 ÷ 3).Clv (µF) (4-2) B X A Y C Z Unguồn = Udây ĐC Clv CT Ckđ Iđm Unguồn i nh 4.1: Đấu sao (Unguồn = UdâyĐC) Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 101 - *) Cách 2: Lựa chọn tụ: + Tụ làm việc: Clv = 4800 (µF) (4-3) + Tụ khởi động: Ckđ = (2,5 ÷ 3).Clv (µF) (4-4) *) Cách 3: Lựa chọn tụ: + Tụ làm việc: Clv = 1600 (µF) (4-5) + Tụ khởi động: Ckđ = (2,5 ÷ 3).Clv (µF) (4-6) Iđm Unguồn B X A Y C Z Unguồn = Upha ĐC Clv Ckđ CT B X A Y C Z Unguồn = Upha ĐC Clv Ckđ CT Iđm Unguồn i nh 4.2: Đấu tam giác (Unguồn = UphaĐC) i nh 4.3: Đấu sao hở (Unguồn = UphaĐC) Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Giáo Trình Máy Điện - 102 - *) Cách 4: Lựa chọn tụ: + Tụ làm việc: Clv = 2740 (µF) (4-7) + Tụ khởi động: Ckđ = (2,5 ÷ 3).Clv (µF) (4-8) Câu hỏi: 1. Nguyên lý làm việc 2. Các loại động cơ điện khơng đồng bộ 1 pha. 3. Các phương pháp mở máy B X A Y C Z Unguồn = Udây ĐC Clv Ckđ CT Iđm Unguồn i nh 4.4: Đấu sao hở (Unguồn = UdâyĐC)