Bài giảng máy điện chương 4 TS nguyễn quang nam

Bài giảng
Chương 4: Máy điện không đồng bộ 3 pha
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2

/>

Phần 1

1

Máy điện không đồng bộ – Tổng quan
Như đã giới thiệu trước đó, động cơ không đồng bộ (KĐB)
là động cơ có dòng điện xoay chiều được đưa vào dây quấn
stato (đã được giới thiệu), và dòng điện trong dây quấn rôto
xuất hiện do cảm ứng từ phía stato.
Khi được cấp nguồn nhiều pha cân bằng, máy sẽ có từ
trường khe hở quay ở tốc độ đồng bộ, được xác định bởi số
cực stato và tần số dòng điện stato.
Rôto của máy KĐB có thể ở dạng dây quấn hoặc lồng sóc.
Phần 1

2


Tổng quan (tt)
Hình dưới đây minh họa cấu trúc của máy KĐB.
Dây quấn
stato

Quạt

thông gió

Cánh
khuấy

Rôto
lồng sóc

Trục

Ổ đỡ

Phần 1

3

Tổng quan (tt)
Hình dưới đây minh họa các dây quấn nhiều pha phía
stato của máy KĐB.

Rãnh
stato

Nêm

Đầu nối
cuộn dây

Răng
stato

Phần 1

4


Tổng quan (tt)
Rôto dây quấn được tạo thành từ các dây quấn nhiều
pha giống như phía stato, với số cực bằng với số cực
của dây quấn stato.
Cần có các chổi than tỳ lên các vành trượt để nối
mạch điện rôto với bên ngoài.
Các máy KĐB rôto dây quấn ít được dùng, chỉ được
tìm thấy trong một số ứng dụng đặc biệt.
Phần 1

5

Tổng quan (tt)
Hình dưới đây minh họa kết cấu của rôto dây quấn trong
các máy KĐB.
Thanh dẫn
rôto

Trục

Cánh khuấy

Vành trượt
Phần 1

6


Tổng quan (tt)
Rôto lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc các thanh dẫn
trong các rãnh rôto và nối tắt các thanh dẫn với nhau tại hai
đầu của rôto.
Kết cấu cực kỳ đơn giản và bền chắc của rôto lồng sóc là
ưu điểm nổi bật của các động cơ KĐB rôto lồng sóc, giúp nó
trở thành loại động cơ được sử dụng phổ biến nhất.
Động cơ KĐB rôto lồng sóc có công suất từ vài chục W
đến hàng trăm kW hay hơn nữa.
Phần 1

7

Tổng quan (tt)
Hình vẽ dưới đây biểu diễn kết cấu của rôto lồng sóc
trong các máy KĐB.
Thanh dẫn
rôto

Cánh khuấy
Vòng
ngắn mạch

Phần 1

8

Tổng quan (tt)

Phần 1

9

Tổng quan (tt)
Gọi n (vòng/phút) là tốc độ quay xác lập của động cơ,
và ns (vòng/phút) là tốc độ đồng bộ của từ trường quay.
Độ chênh lệch giữa tốc độ đồng bộ và tốc độ rôto
thường được gọi là tốc độ trượt. Tuy nhiên, mức độ
chênh lệch tốc độ thường được biểu diễn ở dạng tương
đối, độ trượt

n s − n ω s − pω m
s=
=
ωs
ns
Phần 1

(4.1)

10


Tổng quan (tt)
Như vậy có thể biểu diễn tốc độ rôto theo độ trượt và

tốc độ đồng bộ như sau:

n = (1 − s )ns

(4.2)

Tương tự, có thể biểu diễn tốc độ cơ (rad/s) theo tốc
độ đồng bộ (rad/s) và độ trượt như sau:

pωm = (1 − s )ω s

(4.3)

Phần 1

11

Tổng quan (tt)
Do đó, tần số của điện áp cảm ứng trong các thanh
dẫn rôto sẽ là:

f r = sf s

(4.4)

và được gọi là tần số trượt.
Do đó, máy KĐB có thể được xem như một MBA
nhưng có thêm đặc tính biến đổi tần số, tạo ra bởi
chuyển động tương đối giữa dây quấn stato và rôto.
Phần 1

12


Tổng quan (tt)
Ở cả hai loại rôto, các cực rôto đều được nối ngắn
mạch. Từ thông quay khe hở làm cảm ứng điện áp trong
dây quấn rôto ở tần số trượt.
Vì vậy, các dòng điện rôto được xác định bởi độ lớn
của điện áp cảm ứng và tổng trở rôto ở tần số trượt.
Khi mở máy, rôto đứng yên (n = 0) nên độ trượt bằng
đơn vị (s = 1), và tần số rôto bằng với tần số stato.
Phần 1

13

Tổng quan (tt)
Khi rôto quay cùng chiều với từ trường quay, tần số
của các dòng điện rôto sẽ là sfs, và sẽ tạo ra từ trường
quay với tốc độ sns (vòng/phút) so với hệ rôto, theo cùng
chiều quay.
Vì rôto đang quay với tốc độ n (vòng/phút), nên so với
hệ quy chiếu đứng yên, tốc độ của từ trường quay rôto:

sns + n = sns + (1 − s )ns = ns
Phần 1

(4.5)

14

Tổng quan (tt)
Như vậy từ trường quay do dòng rôto tạo ra quay ở
tốc độ đồng bộ, và đồng bộ với từ trường quay stato.
Hai từ trường quay rôto và stato do đó sẽ đứng yên
so với nhau, và tạo ra mômen ổn định, duy trì chuyển
động của rôto.
Mômen đó, tồn tại ở bất kỳ tốc độ rôto nào khác với
tốc độ đồng bộ, được gọi là mômen không đồng bộ.
Phần 1

15

Tổng quan (tt)

tính mômen-tốc độ điển
hình của động cơ KĐB
rôto lồng sóc.
Các yếu tố ảnh hưởng
đến đường cong này có

Mômen, % mômen định mức

Hình bên cho thấy đặc

Tốc độ, % tốc độ đồng bộ (ns)

thể thấy từ phương trình

Độ trượt s

mômen (3.43).
Phần 1

16


Tổng quan (tt)
Chú ý rằng từ thông tổng gần như không thay đổi khi
điện áp và tần số stato không đổi. Còn sức từ động rôto
thì tỷ lệ thuận với dòng điện rôto.
Do đó (3.43) có thể viết lại dưới dạng

T e = − KI r sin (δ r )

(4.6)

với K là hằng số và δr là góc vượt trước của sóng sức từ
động rôto so với sóng sức từ động tổng.
Phần 1

17

Tổng quan (tt)
Dấu trừ trong (4.6) phản ánh thực tế là dòng điện rôto
trong chương 3 được định nghĩa như dòng điện từ hóa,
trong khi dòng điện rôto tính theo điện áp cảm ứng và
tổng trở rôto có tác dụng khử từ.
Dưới điều kiện làm việc bình thường, độ trượt rất nhỏ:

2% đến 10% khi đầy tải trong hầu hết các động cơ lồng
sóc. Do đó, tần số rôto rất thấp (1 đến 5 Hz trong các
động cơ 50 Hz).
Phần 1

18


Tổng quan (tt)
Ở dải tần số này, tổng trở rôto chủ yếu mang tính trở,
và do đó không phụ thuộc vào độ trượt. Mặt khác, điện
áp cảm ứng tỷ lệ với độ trượt và vượt trước từ thông
tổng một góc 90°.
Do đó, dòng điện rôto xem như tỷ lệ thuận với độ
trượt, và cũng tỷ lệ nhưng lệch pha 180° so với điện áp
rôto. Dẫn đến sóng stđ rôto trễ pha so với từ thông tổng
khoảng 90°, như vậy sinδr ≈ – 1.
Phần 1

19

Tổng quan (tt)
Do đó, có thể coi mômen tỷ lệ thuận với độ trượt khi
độ trượt có giá trị nhỏ.
Khi độ trượt tăng lên, tổng trở rôto tăng lên do có sự
đóng góp của điện kháng tản rôto. Và dòng điện rôto sẽ
giảm dần mức độ tỷ lệ với độ trượt.
Dòng điện rôto cũng trễ pha nhiều hơn so với điện áp
cảm ứng, và độ lớn của sinδr giảm xuống.
Phần 1

20


Tổng quan (tt)
Tổng hợp các yếu tố đó, mômen sẽ tăng theo độ trượt đến
một giá trị cực đại, và sau đó giảm, như có thể thấy ở slide
16.
Giá trị cực đại của mômen, gọi là mômen mất đồng bộ,
thường có giá trị gấp đôi mômen định mức, làm giới hạn khả
năng quá tải ngắn hạn của động cơ.
Với các động cơ lồng sóc, độ trượt ứng với mômen cực
đại là khá nhỏ.
Phần 1

21

Tổng quan (tt)
Như vậy, động cơ lồng sóc thực tế là một động cơ có
tốc độ không đổi, với tốc độ chỉ giảm vài phần trăm từ
không tải đến đầy tải.
Với động cơ dây quấn, điện trở rôto có thể được tăng
lên bằng điện trở phụ bên ngoài, do đó làm tăng độ trượt
ứng với mômen cực đại, và giảm tốc độ động cơ tại
mômen đã cho.

Phần 1

22

Tổng quan (tt)
Tuy nhiên, với kết cấu đắt tiền và cồng kềnh hơn,
cùng với chế độ bảo trì phức tạp hơn, phương pháp
điều khiển tốc độ này ít khi được dùng.
Điều này làm giới hạn phạm vi ứng dụng của các
động cơ lồng sóc. Trong thời gian gần đây, khả năng
ứng dụng các động cơ lồng sóc cho các ứng dụng thay
đổi tốc độ đã trở nên hiện thực hơn nhiều, nhờ các bộ
biến đổi tần số bán dẫn.
Phần 1

23

Dòng điện và từ thông trong máy KĐB
Xét một rôto dây quấn, với phân bố từ thông – sức từ
động như sơ đồ khai triển dưới đây.
Số cực của rôto sẽ bằng với số cực của stato (mặc dù
số pha không nhất thiết phải bằng).

Stđ rôto
Mômen

Stđ rôto

Từ cảm
khe hở

Từ cảm
khe hở

Mômen

Chiều quay

Chiều quay
Phần 1

24


Dòng điện và từ thông trong máy KĐB (tt)
Nếu điện kháng tản rôto là rất nhỏ so với điện trở rôto,
dòng điện pha a sẽ ở giá trị cực đại, và sóng stđ rôto sẽ
đồng trục với pha a.
Góc lệch δr dưới các điều kiện này sẽ có giá trị tối ưu
là – 90°.
Tuy nhiên, nếu điện kháng tản rôto là đáng kể, dòng
điện pha sẽ trễ pha so với điện áp cảm ứng 1 góc φ2.
Phần 1

25

Dòng điện và từ thông trong máy KĐB (tt)
Dòng điện pha a sẽ không ở giá trị. Sóng stđ rôto do
đó sẽ không đồng trục với pha a, mà phải sau 1 khoảng
thời gian khi sóng từ thông đã di chuyển được φ2 độ.
Góc δr bây giờ có giá trị –(90° + φ2). Do đó, góc
mômen tổng quát của động cơ KĐB là:

δ r = −(90° + φ2 )

Phần 1

(4.7)

26


Dòng điện và từ thông trong máy KĐB (tt)
Từ cảm

Hình bên minh họa quá trình

Điện áp
thanh dẫn rôto

ωs
(1-s)ωs

của một rôto lồng sóc có 16
Dòng thanh
dẫn rôto

thanh dẫn.

ωs
(1-s)ωs

Trong hình trên cùng, điện áp
cảm ứng trong các thanh dẫn

Chiều
quay

Stđ rôto

được biểu diễn bởi 1 vạch thẳng

ωs

đứng nét liền.

(1-s)ωs

T/p cơ bản
stđ rôto
Phần 1

27

Dòng điện và từ thông trong máy KĐB (tt)
Sau đó 1 khoảng thời gian ngắn, các dòng điện thanh
dẫn có giá trị tức thời được minh họa bởi các vạch
thẳng đứng nét liền trong hình giữa. Trong khoảng thời
gian này, sóng từ cảm đã di chuyển được 1 khoảng ứng
với góc φ2 theo chiều quay, so với rôto.
Hình dưới cùng biểu diễn sóng stđ rôto. Thành phần
cơ bản của sóng stđ là đường nét đứt.

Phần 1

28


Mạch tương đương của động cơ KĐB
Xét máy KĐB với dây quấn nhiều pha đối xứng, được
kích thích từ điện áp nhiều pha cân bằng. Giả thiết các
máy 3 pha được nối hình Y.
Dưới đây sẽ rút ra mạch tương đương cho 1 pha,
hiểu rằng điện áp và dòng điện trong các pha còn lại có
thể tìm được bằng cách thêm vào các góc lệch pha
thích hợp.

Phần 1

29

Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Trước hết xét stato của máy. Sóng từ thông quay khi
quét qua các dây quấn stato sẽ tạo ra các sức điện
động cân bằng.
Điện áp đầu cực stato U1 sai lệch so với sức điện
động E1 một lượng đúng bằng điện áp rơi trên tổng trở
tản stato Z1 = r1 + jx1. Vậy

U1 = E1 + I1 (r1 + jx1 )
Phần 1

(4.8)

30


Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Dẫn đến mạch tương đương 1 pha như sau của stato
máy KĐB.
U1 là điện áp pha đầu cực

jx1

r1

stato

Iϕ

I1

E1 là sức điện động pha

U1

I’2

Ic
gc

Im

bm

E1

I1 là dòng điện stato
r1 và x1 là điện trở hiệu dụng và điện kháng tản stato
Phần 1

31

Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Từ thông tổng trong khe hở được tạo ra bởi stđ tổng
hợp của các dòng điện stato và rôto.
Tương tự như với máy biến áp, dòng điện stato có
thể được tách thành 2 thành phần: thành phần dòng tải
và thành phần dòng kích từ (từ hóa).
Thành phần dòng tải I2 tạo ra stđ tương ứng với stđ
của dòng điện rôto.
Phần 1

32


Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Thành phần dòng kích từ Iϕ là dòng stato bổ sung để
tạo ra từ thông tổng, và nó một hàm số của E1.
Dòng kích từ có thể được tách thành tổng của thành
phần tổn hao lõi thép Ic (cùng pha với E1) và thành phần
từ hóa Im (trễ pha 90° so với E1).
Trong mạch tương đương, dòng kích từ có thể được
biểu diễn nhờ một nhánh song song.

Phần 1

33

Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Nhánh song song được tạo bởi một điện trở đặc
trưng tổn hao lõi thép Rc và một điện kháng từ hóa Xm,
mắc song song với nhau, có điện áp E1 đặt vào 2 đầu.
Rc và Xm thường được xác định ở tần số stato định
mức và cho giá trị E1 xấp xỉ với giá trị làm việc bình
thường. Các phần tử được coi như không đổi khi E1 có
những thay đổi nhỏ so với giá trị làm việc bình thường.

Phần 1

34


Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Mạch tương đương cho stato giống hệt như mạch đã
dùng để biểu diễn sơ cấp của máy biến áp.
Để hoàn tất mô hình, cần tích hợp các ảnh hưởng
của rôto. Nhìn từ mạch tương đương của stato, rôto có
thể được biểu diễn bởi một tổng trở tương đương Z2

Z2 =

E1
I2

(4.9)

tương ứng với tổng trở tản của 1 rôto đứng yên.
Phần 1

35

Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Rôto đứng yên cần phải tương đương với rôto thực,
do đó cần phải xác định Z2 bằng cách biểu diễn điện áp
và dòng điện stato và rôto theo các đại lượng rôto, rồi
quy đổi về stato.
Trước hết, cần quy đổi mạch rôto về một rôto tương
đương có cùng số vòng dây với dây quấn stato. Nếu tỷ
số vòng dây đã biết, việc quy đổi hoàn toàn giống như
trong trường hợp của máy biến áp.
Phần 1

36


Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Trong máy KĐB, mạch rôto được nối tắt, do đó tổng
trở được nối vào điện áp cảm ứng chỉ là tổng trở ngắn
mạch của rôto.
Do đó, quan hệ giữa tổng trở tản ở tần số trượt Z2s
của rôto tương đương và tổng trở tản ở tần số trượt Zr
của rôto thực phải là

Z 2s =

E1s
E
= a2 r = a2Zr
I 2s
Ir

(4.10)

Phần 1

37

Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
với a là tỷ số vòng dây hiệu dụng giữa dây quấn stato
và dây quấn rôto thực.
Chỉ số s ở đây để nhấn mạnh các đại lượng thuộc về
rôto được quy đổi. Tức là E1s là điện áp cảm ứng của
rôto tương đương, còn I2s là dòng điện tương ứng.
Tiếp theo, cần xét đến chuyển động tương đối của
stato và rôto, tức là xét đến yếu tố tần số khác nhau của
mạch stato và mạch rôto.
Phần 1

38


Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Mục tiêu ở đây là có được 1 mạch tương đương ở 1
tần số (tần số mạch stato) để thực hiện các phân tích.

Điều này có nghĩa là rôto tương đương cũng phải vận
hành ở cùng tần số. Xét tổng trở tản ở tần số trượt của
rôto đã quy đổi (số vòng dây)

Z 2s =

E1s
= r2 + jsx2
I 2s

(4.11)

Phần 1

39

Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Với r2 là điện trở rôto quy đổi, và sx2 là điện kháng tản
ở tần số trượt của rôto quy đổi.
Chú ý rằng x2 được định nghĩa là điện kháng tản ở
tần số stato của rôto quy đổi. Vì tần số của rôto bằng s
lần tần số của stato, điện kháng ở tần số trượt được
xác định bằng cách nhân x2 với độ trượt s.
Tiếp đến, xét sóng stđ khe hở do I1 và I2 tạo ra. Cũng
có thể coi stđ này do I1 và I2s tạo ra.
Phần 1

40

Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Như vậy, I2 và I2s phải có cùng độ lớn vì hai dây quấn
có cùng số vòng dây. Ngoài ra, sóng stđ tổng là như
nhau nên I2 và I2s phải cùng pha, từ đó

I 2s = I 2

(4.12)

Sau cùng, xét điện áp cảm ứng do từ thông tổng quét
qua các dây quấn, ở tần số trượt và tần số stato. Nếu
không có khác biệt tốc độ, các điện áp này phải bằng
nhau vì có cùng số vòng dây.
Phần 1

41

Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Tuy nhiên, vì tốc độ của từ thông so với rôto bằng s
lần tốc độ của nó so với stato, các điện áp này sẽ có
quan hệ:

E1s = sE1

(4.13)

Các vectơ pha điện áp cũng sẽ thỏa mãn quan hệ đó,
vì chúng đều lệch pha 90° so với từ thông tổng. Do đó

E1s = sE1

(4.14)

Chia (4.14) cho (4.12) và sử dụng (4.11):
Phần 1

42


Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)

E1s sE1
=
= Z 2 s = r2 + jsx2
I 2s
I2

(4.15)

Chia hai vế cho s, ta có

Z2 =

E1 r2
= + jx2
I2 s

(4.16)

với Z2 là tổng trở của rôto đứng yên tương đương ở tần

số stato, tức là tổng trở được nối vào phía tải của sơ đồ
tương đương stato ở slide 31.
Phần 1

43

Mạch tương đương của động cơ KĐB (tt)
Kết hợp 2 mạch tương đương cho ta mạch tương
đương 1 pha của máy KĐB. Hiệu ứng tổng hợp của trục
máy và điện trở rôto được biểu diễn bởi điện trở r2/s.
jx1

r1

jx2
Iϕ

I1

I2
r2/s

U1

gc

bm

Phần 1

E1

44


Bài giảng
Chương 4: Máy điện không đồng bộ 3 pha
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2

/>

Phần 2

1

Phân tích mạch tương đương
Mạch tương đương 1 pha của máy KĐB có thể được dùng
để xác định hiệu năng xác lập của máy, chẳng hạn sự thay
đổi của dòng điện, tốc độ, và tổn thất công suất khi mômen
tải thay đổi, cũng như mômen mở máy và mômen cực đại.
Mạch tương đương cho thấy công suất điện từ truyền qua
khe hở của stato là

 r2 
Pag = 3I  
s
2
2

Phần 2

(4.17)

2


Phân tích mạch tương đương (tt)
Tổn hao đồng rôto có thể được tính từ rôto tương
đương:

Pc 2 = 3I 22s r2 = 3I 22 r2

(4.18)

Công suất cơ được tạo ra có thể được xác định bằng
cách lấy công suất điện từ trừ đi tổn hao đồng rôto

Pm = Pag − Pc 2
r 
1− s 
= 3I 22  2  − 3I 22 r2 = 3I 22 r2 

s
s
 



(4.19)

Phần 2

3

Phân tích mạch tương đương (tt)
So sánh (4.17) và (4.19) có thể thấy

Pm = (1 − s )Pag

(4.20)

Pc 2 = sPag

(4.21)

Như vậy, trong lượng công suất truyền qua khe hở, 1 – s
phần được chuyển thành cơ năng, và s phần được chuyển
thành tổn hao trên các thanh dẫn rôto. Do đó, động cơ KĐB
vận hành với độ trượt cao là một thiết bị có hiệu suất kém.

Phần 2

4


Phân tích mạch tương đương (tt)
Ví dụ 6.1: Động cơ KĐB 3 pha, 2 cực, 60 Hz có tốc độ
3502 vòng/phút khi tiêu thụ 15,7 kW và dòng điện ngõ vào là
22,6 A. Điện trở dây quấn stato là 0,2 Ω/pha. Tính tổn hao

I2R của rôto.

Phần 2

5

Phân tích mạch tương đương (tt)
Nhớ lại rằng công suất cơ bằng với tích số của mômen cơ
và tốc độ cơ, suy ra mômen được tính bởi

T =
e

Pm

ωm

=

Pag

ωs

=

3I 22 (r2 / s )

ωs

=p

3I 22 (r2 / s )

ωe

(4.22)

Te và Pm không phải là những giá trị ngõ ra ở đầu trục, vì
còn có các tổn hao do ma sát, quạt gió, và tổn hao phụ. Nếu
coi Prot là tổng các tổn hao quay (có thể gộp luôn tổn hao phụ
vào) thì công suất tại đầu trục sẽ là:
Phần 2

6