Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài: Máy điện không đồng bộ

Biến đổi năng lượng

điện cơ

-Máy điện không đồng bộ

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Giới thiệu

 Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, chủ yếu dưới dạng động cơ. Cả

stator và rotor đều có dòng điện AC. Có thể sử dụng các bộ biến đổi công suất

để đạt được đặc tính cơ tốt.

Stator có cấu tạo giống như trong máy điện đồng bộ, với dây quấn 3 pha tạo

thành từ trường quay ở tốc độ đồng bộ _s= p_m, trong đó p là số cặp cực và _m

là tốc độ cơ tính bằng rad/s.

 Rotor cũng có dây quấn 3 pha với cùng số cực như stator, có dòng điện cảm

ứng. Rotor được ngắn mạch ở bên trong (rotor lồng sóc squirrel cage rotor)

hoặc ở bên ngoài thông qua vành trượt ( rotor dây quấn wound rotor).

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Cấu tạo

 Cả stator và rotor được ghép từ các lá thép mỏng có rãnh. Rotor có các cánh

quạt ở cả hai đầu để tạo đối lưu không khí trong máy. Quạt tản nhiệt được gắn

ở đầu trục không gắn với tải.

Stator

winding

Ventilating

fan

Fan blade

on end ring

Squirrel

cage rotor

Shaft

Bearings

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Cấu tạo stator

 Tạo bởi các lá thép có rãnh để đặt dây quấn 3 pha. Nêm được dùng để giữ

dây quấn trong rãnh. Dây quấn 3 pha sẽ tạo ra từ trường quay khi được cấp

nguồn 3 pha.

Stator

slot

Wedge

Coil end

Stator

teeth

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Cấu tạo rotor dây quấn

 Ghép bằng các lá thép, có rãnh để đặt các thanh rotor, các thanh này được sắp

xếp thành dây quấn 3 pha. Dây quấn 3 pha được nối với điện trở ngòai hoặc

nguồn điện riêng thông qua các vành trượt để đạt được đặc tính cơ mong muốn.

Rotor bar

Shaft

Fan blade

Slip ring

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Cấu tạo rotor lồng sóc

 Tạo bởi các lá thép mỏng, có rãnh để đặt các thanh rotor. Các thanh rotor

được ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Các cánh quạt ở vành ngắn

mạch mỗi đầu để góp phần làm nguội trong máy. Các thanh rotor ở động cơ công

suất nhỏ được nằm nghiêng để giảm ồn và nâng cao hiệu suất máy.

Rotor bar

Fan blade

End ring

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Hình ảnh động cơ không đồng bộ

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Hoạt động của động cơ không đồng bộ

 Dòng điện 3 pha được cấp cho dây quấn stator, tạo thành từ trường quay với

tốc độ đồng bộ. Nếu tốc độ rotor khác với tốc độ đồng bộ, trong dây quấn rotor có

dòng điện cảm ứng, với cùng số cực như trong dây quấn stator.

 Dòng điện cảm ứng trong dây quấn rotor cũng tạo ra một từ trường quay,

tương tác với từ trường stator tạo thành moment quay rotor.

 Nói một cách lý tưởng, moment tạo ra (bởi dòng cảm ứng) sẽ làm tăng tốc độ

của rotor cho tới khi bằng với tốc độ đồng bộ, lúc này moment tạo ra sẽ bằng 0.

Thực tế, do tổn hao cơ (quạt gió, ma sát, ..) rotor sẽ không đạt tới tốc độ đồng bộ,

mà chậm hơn từ trường quay để tạo ra đủ moment chống lại moment ngược

(trong điều kiện không tải hay có tải).

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Hoạt động của động cơ không đồng bộ (tt)

 Nếu động cơ có p cặp cực, tốc độ cơ _m(rad/s) thỏa mãn

_s_r p_m

Trong đó _svà _rlà tốc độ từ trường stator và rotor tính bằng rad/s.

 Độ lớn của dòng cảm ứng phụ thuộc vào chênh lệch tốc độ giữa từ trường

quay stator và rotor. Sự chênh lệch tốc độ được đặc trưng bởi độ trượt s

n_s n _s p_m

s 



n_s

_s

 Ta có

_r _s p_m s_s

 Các trường hợp đặc biệt: s = 0 tại tốc độ đồng bộ, và s = 1 khi đứng yên (khởi

động).

Biến đổi năng lượng điện cơ

Bộ môn Thiết bị điện

Phân tích động cơ không đồng bộ hai cực

 Dùng phương pháp năng lượng, moment được tính bởi

9

T ^e  I_msI_mrM sin

  



4

Trong đó I_msvà I_mrlà các giá trị đỉnh của dòng stator và rotor.

 Sẽ đơn giản hơn nếu moment được tính qua các thông số điện của máy. Điều

này được thực hiện với mạch điện tương đương, tương tự như của máy biến áp.

Thực tế, động cơ không đồng bộ có thể được xem như một máy biến áp có cuộn

thứ cấp quay.

 Giả sử số vòng dây tác dụng của stator gấp a lần rotor, các đại lượng phái

rotor được qui đổi về phía stator

2

'

av_ar v_a^'_r

a²R_r R_r^'a²L_r L_ra L_mr L_mr

'

ˆ

ˆ^'

i_ara  i_ar

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Mạch tương đương pha

 Để liên kết mạch stator và rotor, cả hai đều phải có cùng mức điện áp và tần

số. Nếu bỏ qua điện trở stator, mạch tương đương pha với trở kháng qui về phía

stator được vẽ bên dưới.

 L_lslà điện cảm rò stator và L’_lrlà điện cảm rò rotor qui đổi về phía stator. R’_rlà

điện trở rotor qui về phía stator.

'

j_sL_ls

j_sL_lr

'

I_a

ˆ

I_r

V_a

R_r^'

s

3

j _saM

2

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Mạch tương đương gần đúng

 Điện trở rotor được tách thành 2 phần R’_rvà R’_r(1 – s)/s. Thành phần thứ nhất

đặc trưng cho tổn hao đồng rotor, trong khi thành phần sau đặc trưng cho công

suất cơ tạo bởi động cơ.

 Mạch gần đúng nhận được bằng cách chuyển nhánh từ hóa aM về phía trái,

như hình dưới.

j_sL^'_lr

R_r^'

j_sL_ls

I_r^'

I_a

V_a

3

1 s

R_r^'

j _saM

2

s

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Các quan hệ công suất

 Tổn hao sắt và tổn hao đồng stator có thể được tính từ R_cvà R_atrong mạch

tương đương gần đúng. Tổng công suất vào là

R_r^'

V_a²

2

P  3V_aI_acos





 3I_r^'2

 3

I_r^'



R_a 3  P  P  P

T

ag

scl

c

s

R_c

Trong đó P_ag, P_scl, và P_clà công suất truyền qua khe hở (công suất điện từ), tổn

hao đồng stator, tổn hao sắt.

jx_l^'_r

R_r^'

jx_ls

I_m

I_r^'

R_a

I_a

V_a

1 s

R_r^'

s

jX_m

R_c

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Các quan hệ công suất (tt)

 P_agbao gồm tổn hao đồng rotor P_rvà công suất cơ lý tưởng P_m. Có thể thấy

rằng

1 s

P  3I_r^'2R_r^'

 P_ag1 s

m

s

 Ngược lại, tổn hao đồng rotor P_rcũng có thể được viết dưới dạng P_ag

P  3I_r^'2R_r^' sP

r

ag

 Hiệu suất của máy

P_mP 



P  P  P_r



T

scl

c

  

P

T

 Nếu tổn hao quay (tổn hao cơ) P_rotđược xét đến, hiệu suất được tính bởi

P

P 



P  P  P  P_rot



shaft

T

scl

c

r

 



P

T

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Biểu thức moment

 Dùng mạch tương đương gần đúng, dòng rotor qui đổi về phía stator được tính

bởi

V_a

I_r^'



R_a R_r^'s



 j



x_ls x_l^'_r



 Công suất cơ lý tưởng là

2

'

 

3V_aR_r1 s s

2

1 s

P_m 3



I_r^'



R_r^'



2

s



R_a R_r^'s







x_ls x_l^'_r



 Với máy 2 cực _m= _s(1 – s), moment được tính bởi

3V_a²R_r^'s

1

T ^e

2

_s



R_a R_r^'s







x_ls x_l^'_r



Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Ví dụ 7.2 và 7.3

 VD. 7.2: Động cơ không đồng bộ 3 pha, 2 cực, 866 V, nối Y, 60 Hz, có _sL_ls=

0.5 , 3_saM/2 = 5 , _sL’_lr= 0.5 , và R’_r= 0.1 . Tìm moment tại s = 0.05 và

công suất vào ba pha dạng phức. Bỏ qua R_avà R_c. Dùng mạch gần đúng và

mạch tương đương chính xác.

 Sai số giữa dùng mạch gần đúng và mạch chính xác là khoảng 1.8% trong ví

dụ này.

 VD. 7.3: Dùng mạch gần đúng cho ví dụ 7.2, tính I’_r, P_ag, P_m, P_rvà moment.

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Đặc tính moment – tốc độ (đặc tính cơ)

 Biểu thức moment

3V_a²R_r^'s

1

T ^e

2

_s



R_a R_r^'s







x_ls x_l^'_r



 Với điện áp cung cấp và tần số là hằng số, khi s nhỏ

3V_a²

s

R_r^'

T ^e

T ^e s

hay

_s

 Khi s lớn (gần 1)

R_r^'

3V_a²

x_ls x_l^'_r

T ^e

2

s

_s





1

T ^e

hay

s

Slip

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Biểu thức moment cực đại

 Từ đường đặc tính cơ, có một giá trị của độ trượt s mà ở đó moment đạt cực

đại. Độ trượt này có thể được tìm bằng cách cho dT^e/ds = 0, ta được

R_r^'

2

 R_a²



x_ls x_l^'_r



s

 Vì vậy, độ trượt tại moment cực đại là (độ trượt tới hạn)

R_r^'

s_mT

2

R_a²



x_ls x_l^'_r



 Moment cực đại (khi R_a= 0) là

3V_a²

x_ls x_l^'_r

T_m^e_ax

2_s





 Các công thức này giải thích việc thay đổi đặc tính cơ của động cơ rotor dây

quấn.

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Máy điện không đồng bộ nhiều cực

 Xét máy có p cặp cực, việc phân tích có thể được lặp lại với việc thay góc

quay cơ  bằng p. Mạch tương đương pha không đổi.

 Công suất cơ lý tưởng

 

_s1 s

P_m T ^e_m T ^e

p

 Moment

p

3V_a²R_r^'s

T ^e

2

'

_s



 



R_a R_rs  x_ls x_lr

 Độ trượt tại moment cực đại không đổi, với moment cực đại là

3V_a²

T_m^e_ax p 

2_s



x_ls x_l^'_r



Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ

Ví dụ 7.5 và 7.6

 VD. 7.5: Cho một động cơ không đồng bộ 4 cực, cho các thông số, tìm

moment tại tốc độ đã cho, moment cực đại và độ trượt tương ứng. Bỏ qua điện

trở stator, tổn hao sắt và tổn hao đồng stator.

 VD. 7.6: Cho một động cơ không đồng bộ 6 cực với các thông số, tìm độ trượt,

tốc độ rotor, tần số và dòng rotor, moment cực đại và moment mở máy, dùng

mạch tương đương gần đúng và chính xác.

Bộ môn Thiết bị điện

Biến đổi năng lượng điện cơ