Chuong 7.Pdf

7.1 Giới thiệu chung: chức năng, cấu tạo, phân loại
7.2 Nguyên lý hoạt động. Các thông số liên quan đến tốc độ quay
7.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
7.4 Mạch tương đương một pha
7.5 Các quan hệ về cơng suất
7.6 Tính mơ men theo mạch tương đương
7.7 Các đặc tính mơ men – tốc độ
7.8 Tóm tắt cơng thức máy điện có p cực

1

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5

7.1 Giới thiệu chung: chức năng, cấu tạo, phân loại
7.2 Nguyên lý hoạt động. Các thông số liên quan đến tốc độ quay
7.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
7.4 Mạch tương đương một pha
7.5 Các quan hệ về cơng suất
7.6 Tính mơ men theo mạch tương đương
7.7 Các đặc tính mơ men – tốc độ
7.8 Tóm tắt cơng thức máy điện có p cực
Page 1

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5

2


Chức năng

Máy điện không đồng bộ (asynchronous machine) hay
máy điện cảm ứng (induction machine) có thể hoạt động như:
• Động cơ điện: biến điện năng  cơ năng
- Dây quấn stato được đấu vào nguồn điện, tạo ra từ
trường quay, kéo rơ to quay tạo ra cơng suất cơ có
ích trên trục động cơ.
- Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có cơng
suất từ vài trăm Watt đến vài ngàn kí lơ Watt.
• Máy phát điện: biến cơ năng  điện năng.
Ít được sử dụng do tính năng kém hơn so với máy phát
điện đồng bộ.
3

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Cấu tạo
ổ bi

Máy điện không đồng bộ
bao gồm stato và rô to

quạt làm mát

stato

rô to

nắp

trục động cơ

stato

Page 2

rô to
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

quạt làm mát
4


Lõi thép stato và rô to
Lõi thép
stato

Lõi thép stato và rô to
gồm nhiều lá thép kỹ
thuật điện được ghép
chặt (cách điện) với
nhau.
Lõi thép
rô to

stato

5

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Mạch từ động cơ KĐB
Mạch từ động cơ KĐB bao gồm:
Lõi thép stato và rô to,
Khe hở khơng khí,
Rãnh stato và rơ to.

Lõi thép
stato

Lõi thép
rơ to

stato

Page 3

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

6


Dây quấn
Dây quấn máy điện không
đồng bộ gồm:
dây quấn stato

Dây
quấn
stato

dây quấn rơ to

Dây
quấn
rơ to
Đấu vào
nguồn điện

Đấu thành
mạch kín
(đấu ngắn
mạch)

Dây quấn stato và dây quấn rơ to có
cùng số cực p.
7

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Dây quấn stato
Dây quấn stato có cấu tạo giống như dây quấn
của máy điện đồng bộ, nối với nguồn điện xoay
chiều có tần số f khơng đổi
120 f
vịng / phút
 từ trường quay có tốc độ đồng bộ N s 
p

Bm 

Ba cuộn dây pha A, B, C
đấu vào nguồn điện 3 pha
xoay chiều có tần số f
Page 4

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

3
Bm
2

Từ trường quay trong
khe hở khơng khí có tốc
độ đồng bộ Ns
8


Dây quấn rơ to
Rơ to có 2 loại (tương ứng với hai loại động cơ):
• rơ to dây quấn: dây quấn rô to đấu sao,
- 3 đầu ra được đấu ngắn mạch.
- hoặc 3 đầu ra đấu thành mạch kín với các điện
trở bên ngồi thơng qua chổi than và vành trượt.

điện trở
ngồi
điện trở ngồi

Vành trượt

Chổi than
Vành trượt
9

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Dây quấn rơ to
• rơ to lồng sóc: các thanh dẫn rơ to trên
rãnh được nối ngắn mạch ở hai đầu.

Page 5
ĐCKĐB rô to lồng sóc (squirrel cage rotor)
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

10


Dây quấn
Dây quấn rơ to khơng có nguồn kích từ
riêng (khác so với máy điện đồng bộ).
Dòng điện trong dây quấn rô to được
cảm ứng nhờ từ trường quay stato.

Động cơ không đồng bộ

Tương tự như máy biến áp
- dây quấn stato (đấu vào nguồn điện) ↔ dây quấn sơ cấp MBA .
- dây quấn rô to (xuất hiện điện áp/dòng điện cảm ứng) ↔ dây quấn thứ cấp MBA.

11

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

7.1 Giới thiệu chung: chức năng, cấu tạo, phân loại
7.2 Nguyên lý hoạt động. Các thông số liên quan đến tốc độ quay
7.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
7.4 Mạch tương đương một pha
7.5 Các quan hệ về cơng suất
7.6 Tính mơ men theo mạch tương đương
7.7 Các đặc tính mơ men – tốc độ
7.8 Tóm tắt cơng thức máy điện có p cực
Page 6

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5

12


Nhắc lại về từ trường quay
Khi đấu động cơ vào nguồn điện 3 pha cân bằng có tần số f
hay tần số góc điện ωs=2πf
 dịng điện ba pha chạy trong dây quấn stato:

ia  2 I a cos s t

ib  2 I a cos s t  1200 

ic  2 I a cos s t  1200 

 từ trường quay với tốc độ đồng bộ Ns.

Ns 

120 f
p

vòng / phút

13

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Nguyên lý hoạt động của ĐCKĐB
- Từ trường quay stato  sức điện động cảm ứng
(E=Bℓv) trong dây quấn rơ to  dịng điện cảm ứng I.
- Lực Lorentz F tác động lên dòng điện cảm ứng I
chạy trong thanh dẫn đặt trong từ trường B.

  
F  I B
B

Page 7

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

14

Nguyên lý hoạt động của ĐCKĐB
• Từ trường quay stato cắt các thanh dẫn
dây quấn rô to  cảm ứng sức điện động
xoay chiều.
 dòng điện xoay chiều trong các thanh
dẫn rơ to.

Ns

N
Nm

Te

Nr

Tm

S

• Mơ men điện từ do tác động giữa từ trường
quay stato (tốc độ quay Ns) và dòng điện trong
các thanh dẫn rô to  kéo rô to quay cùng
chiều (tốc độ Nm) với từ trường quay stato .

15

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Tốc độ quay và tần số góc

Khi tốc độ quay rô to tăng dần
 tốc độ quay tương đối giữa từ trường quay
stato so với rô to (nr=Ns-nm) giảm dần
 sức điện động và dịng điện cảm ứng trong
rơ to giảm dần
 mo men điện từ tác động giảm dần cho đến
khi cân bằng với mô men tải trên trục động cơ
 tốc độ quay rô to ổn định tại nm=Nm.

N
Ns
Nr=Ns-Nm
Te

Nm
Tm
S

gọi là8động cơ không đồng bộ.
Tốc độ ổn định Nm < Ns Page
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

16


Tốc độ quay và tần số góc
Ta có quan hệ giữa các tốc độ quay:
Nm+Nr=Ns
Ns tốc độ quay từ trường quay.
Nm tốc độ quay (cơ học) của rô to.

Nr tốc độ quay tương đối giữa từ trường
quay stato so với rơ to

ωs tần số góc điện của dịng điện stato
N

ωm tần số góc quay (cơ) của rơ to m  2 60m
ωr tần số góc điện của dịng điện rơ to
17

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Tốc độ quay và tần số góc
 Khi động cơ chỉ có 2 cực:

 Tần số góc điện của dịng điện stato và rôto:
s  2

Ns
60

 r  2

Tần số góc quay (cơ) của rơ to:

Nr
60

m  2

Nm
60

Từ quan hệ giữa các tốc độ quay Nm+Nr=Ns
Suy ra quan hệ giữa các tần số góc: ωm + ωr = ωs
Page 9

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

18


Tốc độ quay và tần số góc
• Tổng qt, khi động cơ có p cực, ta có:
p
Nm  Nr  Ns
m  r   s
2
Nm
60
p Ns
s  2
2 60

m  2

 r  2

tần số góc quay (cơ) của rơ to
tần số góc điện của dịng điện stato

p Nr
2 60

tần số góc điện của dịng điện rơ to.

• Có thể viết cách khác

2
p

 m  r 

2
s
p

19

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Hệ số trượt của ĐCKĐB
Ta có các quan hệ :
p Ns
120 f
Ns 
rpm s  2 f  2
p
2 60

Nm
60
p
 m  r   s
2

m  2

 r  2 f r  2

p Nr
2 60

Nm  Nr  Ns

Do Nm≠Ns, ta có định nghĩa về hệ số trượt
hay độ trượt (slip):

s

N s  Nm
Ns

Suy ra các quan hệ khác:
s

p
2

 s  m

s

f r  sf
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

p
2
N m  N s (1  s)

ss
r  s  Page
m 10

m 

s (1  s )
( p / 2)
20


Hệ số trượt của ĐCKĐB
N  Nm
Ý nghĩa hệ số trượt s  s
Ns
Hệ số trượt giúp đánh giá tốc độ quay của động cơ so với
tốc độ đồng bộ, ie đánh giá mức độ “trượt” tốc độ quay rô
to đối với tốc độ từ trường quay stato (tùy thuộc vào tải lớn
hay nhỏ).
0(độ trượt tỷ lệ với mô men tải khi s nhỏ)

21

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Hệ số trượt của máy phát điện
Trường hợp hoạt động ở chế độ máy phát điện
Dây quấn stato nối với lưới điện, trục rô to được truyền động
quay bởi một động cơ sơ cấp.
Động cơ sơ cấp kéo rô to quay với tốc độ Nm > Ns

Hệ số trượt:

s

Ns  Nm
0
Ns

Page 11

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

22


Hệ số trượt của máy phát điện
Trường hợp hoạt động ở chế độ máy phát điện
s

Ns  Nm
0
Ns

 sức điện động rơ to đổi chiều  dịng điện rơ to đổi
chiều  mô men điện từ tác động trên trục động cơ đổi
chiều ngược với mô men quay của động cơ sơ cấp (hoặc
chiều quay rô to.)
Ở chế độ ổn định, mô men điện từ cân bằng với mô men
quay động cơ sơ cấp  biến cơ năng của động cơ sơ cấp
thành điện năng ở stato thông qua từ trường quay.

23

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Ví dụ
Ví dụ 7.1 Cho ĐCKĐB 3 pha, 6 cực, 925 rpm. Tìm độ
trượt và tần số của dịng điện rô to với f=50Hz

Page 12

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

24


7.1 Giới thiệu chung: chức năng, cấu tạo, phân loại
7.2 Nguyên lý hoạt động. Các thông số liên quan đến tốc độ quay
7.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng

7.4 Mạch tương đương một pha
7.5 Các quan hệ về cơng suất
7.6 Tính mơ men theo mạch tương đương
7.7 Các đặc tính mơ men – tốc độ
7.8 Tóm tắt cơng thức máy điện có p cực

25

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5

Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
Tính mơ men điện từ (xem (7.3) [1])

ĐCKĐB ba pha có ba
cuộn dây quấn ở stato
và ba cuộn dây quấn
ở rô to: 6 cổng điện.
Giải mạch từ gồm stato và rô to tính được:
Từ thơng móc vịng dây
Với ma trận A
quấn stato và rô to
Page 13

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

(xem (7.3) [1])

26

Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
Tính đồng năng lượng

Wm'     i,  di
i

0

Sau đó tính mơ men điện từ

Te 

Wm'
9
  I ms I mr M sin     

4

Ims và Imr là các giá trị đỉnh của dòng điện stato và rơ to
β: góc pha ban đầu của dịng điện rơ to
γ: góc pha ban đầu của góc quay giữa trục stato và rô to

M: hỗ cảm giữa dây quấn stato và dây quấn rô to
M

N stato N roto 0 rl
4
g

Mô men điện từ Te tỷ lệ thuận với dịng điện stato, rơ to và hỗ
cảm giữa hai dây quấn.
27

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

7.1 Giới thiệu chung: chức năng, cấu tạo, phân loại
7.2 Nguyên lý hoạt động. Các thông số liên quan đến tốc độ quay
7.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
7.4 Mạch tương đương một pha
7.5 Các quan hệ về cơng suất
7.6 Tính mơ men theo mạch tương đương
7.7 Các đặc tính mơ men – tốc độ
7.8 Tóm tắt cơng thức máy điện có p cực
Page 14

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5

28


Mạch tương đương một pha
Mạch tương đương một pha (xem (7.3) [1])

• ĐCKĐB làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ giống
như máy biến áp gồm:
- dây quấn stato đấu vào nguồn điện xem như dây quấn
sơ cấp.
- dây quấn rô to cảm ứng sức điện động do từ trường

quay của dây quấn stato, xem như là dây quấn thứ cấp.
• Xét ĐCKĐB 3 pha cân bằng hoạt động với nguồn điện
ba pha cân bằng  đưa về mạch tương đương một pha.

29

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Mạch tương đương một pha

• Xây dựng mạch tương đương một pha bằng cách:
-Tưởng tượng nối dây quấn rô to với dây quấn stato
thành một mạch chung như trong trường hợp MBA,
nghĩa là thực hiện việc quy đổi dây quấn rô to về dây
quấn stato.
- Điều kiện nối thành mạch chung: cả hai dây quấn phải
có cùng điện áp cảm ứng (giá trị hiệu dụng và cả tần số).
Page 15

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

30


Mạch tương đương một pha
Ta xét pha a.
Viết các phương trình cân bằng điện áp cho dây quấn
stato và rơ to ở pha a.

das

dt
dar

vas  ias Rs 
var  iˆar Rr 

vas  ias Rs 

das
dt

d
var'  iˆar' Rr'  a ar
dt

↔

dt

Với:
a=Nstato/Nrơto: tỷ số giữa số vịng dây quấn hiệu quả của
dây quấn stato và rô to.

avar  var'

iˆar a iˆar'

a2Rr  Rr'
31

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Mạch tương đương một pha
Từ phương trình cân bằng áp dây quấn stato pha a:

vas  va  ias Rs 

d as
dt

Ký hiệu va là điện áp nguồn pha a.

Suy ra: (xem (7.3) [1])
Hay



Va  js Lls I a  





3
R'  
j s aM  js L'lr  r  
2
s  

Ia


3
Rr'  
'
j s aM   js Llr   
2
s 




3
Rr'  
'
Va  I a   js Lls  j s aM //  js Llr   
2
s 

 Page 16
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

32


Mạch tương đương một pha


R' 
3
Va  I a   js Lls  j s aM //  js L'lr  r  

s 
2



 vẽ được mạch thay thế tương đương một pha
js Lls

Va

js L'lr

I r'

Ia

Rr'
s

3
j s aM
2

3
X m  s aM
2

điện kháng nhánh từ hóa

Va là điện áp nguồn pha a.

33

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Mạch tương đương một pha
Kiểm tra thỏa phương trình cân bằng điện áp dây quấn rơ to hay
js Lls
js L'lr
dịng điện rơ to ở pha a.
• Từ mạch thay thế tương
đương một pha tính được:
j (3/ 2)s aMI a
I r' 
e j
'
2
'
2
( Rr / s )  (s Lrr )

Va

Ir'

Ia
3
Xm  j saM
2

3

L'rr  L'lr  aM
2

với

• Từ phương trình cân bằng áp dây quấn rơ to:
Cũng tính được
(xem (7.3) [1]):

(3/ 2)aM r I ms

cos(r t      )
iˆar' 
' 2
'
2
2
( Rr )  (r Lrr )


(3/ 2)s aMI ms
'
2
17' 2
( RPage
r / s )  (s Lrr )

 Hai kết quả tính i’r trùng nhau.

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

var'  iˆar' Rr'  a

cos(r t 


2

Rr'
s

d ar
0
dt

   )

34


Mạch tương đương một pha
j s L'lr

j s Lls

Va

I r'

Ia

R r'
s

3
j  s aM
2

js Lls

Va

js L

'
lr

điện trở rô to
quy đổi
Rr'

I r'

Ia
3
j s aM
2

Rr'

1 s
s

điện trở tải

35

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Mạch tương đương một pha xét đến tổn hao
đồng trên dây quấn stato và tổn hao sắt
• Xét đến tổn hao đồng trên dây quấn stato bằng cách đấu
thêm điện trở Ra của dây quấn stato nối tiếp trong mạch.
• Xét đến tổn hao sắt (tổn hao do từ trễ và dịng xốy)
 đấu thêm điện trở Rc song song với nhánh từ hóa Xm.
js L'lr

js Lls

Va

Im

I a Ra

Rc

Rr'

Ir'

3
j s aM
2

Rr'

1 s
s

Page 18

Mạch tương đương một pha đúng
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

36


Mạch tương đương một pha đúng
Ra điện trở stato
R’r điện trở rô to quy đổi về stato
Rc điện trở do tổn hao sắt

Va

xlr'

xls

Ra

Rr'

I r'

Ia
Rc

XM

Rr'

1 s
s

3
X m  s aM điện kháng từ hóa
2

xls  s Lls điện kháng rị dây quấn stato
xlr'   s L'lr điện kháng rò dây quấn rô to quy đổi về stato
Quy đổi các đại lượng và thông số của dây quấn rô to về dây
quấn stato bảo đảm năng lượng/công suất không bị thay đổi
khi quy đổi:

av ar  v ar'

a 2 xlr  xlr'

a 2 Rr  Rr'

iˆar a  iˆar'

37

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Mạch tương đương một pha gần đúng
xét đến các tổn hao
Nếu nhánh từ hóa có Xm lớn và Rc lớn so với Ra và xls  dời
nhánh từ hóa ra phía nguồn.

Va

Im

Ia

Rc

Ra

I r'

jxls

Rr'

Rr'

jX m

3
X m  s aM điện kháng từ hóa
2
xls  s Lls điện kháng rò dây quấn stato
'
s lr

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

1 s
s

Ra điện trở stato

Page 19

x   L điện kháng rò dây quấn rô to quy đổi về stato
'
lr

jxlr'

R’r điện trở rô to quy đổi về stato
Rc điện trở do tổn hao sắt
38


Mạch tương đương một pha gần đúng

bỏ qua các tổn hao (Ra và Rc)

js Lls

Va

Ia

3
j s aM
2

js L'lr

Rr'

Ir'
Rr'

1 s
s

39

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

7.1 Giới thiệu chung: chức năng, cấu tạo, phân loại
7.2 Nguyên lý hoạt động. Các thông số liên quan đến tốc độ quay
7.3 Tính mơ men điện từ theo phương pháp đồng năng lượng
7.4 Mạch tương đương một pha

7.5 Các quan hệ về cơng suất
7.7 Các đặc tính mơ men – tốc độ
7.8 Tóm tắt cơng thức máy điện có p cực
Page 20

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5

40