Xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát quá trình quá độ trong máy điện quay xoay chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN THỊ HỒNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT QUÁ
TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG MÁY ĐIỆN QUAY XOAY CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NINH THUẬN, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN THỊ HỒNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT QUÁ
TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG MÁY ĐIỆN QUAY XOAY CHIỀU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Lê Quang Cường

NINH THUẬN, NĂM 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn

Trần Thị Hồng

i


LỜI CẢM ƠN
Là học viên trong lớp Kỹ thuật điện - khóa K24, trường Đại học Thủy Lợi Hà Nội tôi
đã chọn đề tài luận văn Thạc sỹ là: Xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát quá
trình quá độ trong máy điện quay xoay chiều.
Để luận văn hoàn thành đúng tiến độ và đạt được kết quả cao, trong quá trình nghiên
cứu Luận văn tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý thầy trong bộ môn Kỹ thuật điện.
Với tình cảm sâu sắc và chân thành, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
tất cả quý thầy cô trong trường học Thủy Lợi đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá
nghiên cứu đề tài.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo Tiến sĩ Lê Quang
Cường đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này trong thời
gian qua. Sự quan tâm hướng dẫn tận tình của thầy là động lực để tôi nỗ lực hết mình
trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn.
Ngoài ra tôi xin chân thành cảm ơn đến lãnh đạo trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận,
quý thầy cô trong khoa Điện – Điện tử đã trực tiếp và gián tiếp đã giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.

Với điều kiện về thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên, luận
văn của tôi không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo,
đóng góp ý kiến của quý thầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, hoàn thiện luận văn của
mình, phục vụ tốt hơn cho công tác giảng dạy tại trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận.
Xin trân trọng cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................x
CHƯƠNG 1
1.1

ĐẠI CƯƠNG MÁY ĐIỆN QUAY XOAY CHIỀU ............................1

Máy điện không đồng bộ ...................................................................................1

1.1.1

Khái niệm chung: ........................................................................................1

1.1.2

Cấu tạo máy điện không đồng bộ ................................................................1

1.1.3

Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ ..........................4

1.1.4

Phương trình sức điện động và dòng điện của rotor ................................7

1.1.5

Tốc độ quay của s.t.đ rotor ..........................................................................8

1.1.6

Các chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ .....................................9

1.1.7

Mômen điện từ của máy điện không đồng bộ ...........................................10

1.2

Máy điện đồng bộ ............................................................................................13

1.2.1

Cấu tạo máy điện đồng bộ .........................................................................13

1.2.2

Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ ...............................................16

1.2.3

Các phương pháp mở máy của máy điện đồng bộ ....................................17

CHƯƠNG 2
2.1

CÔNG CỤ MÔ PHỎNG ....................................................................23

Giới thiệu về Matlab, Simmulink ....................................................................23

2.1.1

Giới thiệu về Matlab : ...............................................................................23

2.1.2

Giới thiệu về Simulink ..............................................................................24

2.2

Lập trình trong Matlab .....................................................................................27

2.3

Simulink ...........................................................................................................30

CHƯƠNG 3

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ..............................................33

iii


3.1

Xây dựng mô hình mô phỏng máy điện không đồng bộ .................................33

3.1.1

Biểu diễn A, B, C, D bằng Simulink: ........................................................35

3.1.2

Mô hình hóa các đạo hàm bằng Simulink theo thứ tự: .............................36

3.1.3

Biến đổi các hệ tọa độ ...............................................................................38

3.2

Xây dựng mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ.............................................45

3.4

Các chỉ tiêu động trong máy điện ....................................................................56

CHƯƠNG 4

4.1

THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG ..........................................................57

Khảo sát quá trình quá độ trong máy điện không đồng bộ ..............................57

4.1.1

Khảo sát quá trình quá độ khi khởi động ..................................................57

4.1.2

Khảo sát quá trình quá độ khi có tải ..........................................................62

4.1.3

Các chỉ tiêucông suất khi khởi động .........................................................65

4.2

Khảo sát quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ .........................................69

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................75

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Stator của máy điện không đồng bộ .................................................................1
Hình 1.2 Dây quấn của Stato ...........................................................................................2

Hình 1.3 Roto dây quấn ...................................................................................................3
Hình 1.4 Roto lồng sóc ....................................................................................................3
Hình 1.5 Chế độ động cơ .................................................................................................5
Hình 1.6 Roto cực ẩn .....................................................................................................13
Hình 1.7 Roto cực lồi ....................................................................................................14
Hình 1.8 Mở máy theo phương pháp không đồng bộ....................................................17
Hình 1.9 Đường cong mômen của động cơ đồng bộ mở máy ......................................18
Hình 1.10 Đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ Pđm =500 KW, ...............................22
Hình 2.1 Màn hình làm việc của Matlab .......................................................................23
Hình 2.2 Cửa sổ làm việc của Simulink ........................................................................24
Hình 2.3. Thư viện các thành phần ................................................................................26
Hình 2.4 Khối chức năng trong Simulink .....................................................................26
Hình 2.5 Khối lấy tín hiệu ra .........................................................................................27
Hình 3.1 Biểu diễn A bằng các khối trong Matlab-Simulink ........................................35
Hình 3.2 Biểu diễn B bằng các khối trong Matlab-Simulink ........................................35
Hình 3.3 Biểu diễn C bằng các khối trong Matlab-Simulink .......................................36
Hình 3.4 Biểu diễn D bằng các khối trong Matlab-Simulink .......................................36
Hình 3.5 Biểu diễndi ∝ sdtbằng các khối trong Matlab-Simulink ............................37
Hình 3.6 Biểu diễn diβsdtbằng các khối trong Matlab-Simulink ...............................37
Hình 3.7Biểu diễndi ∝ rdtbằng các khối trong Matlab-Simulink .............................38
Hình 3.8 Biểu diễndiβrdtbằng các khối trong Matlab-Simulink ................................38
Hình 3.9 Hệ trục tọa độ roto d,q ....................................................................................39
Hình 3.10 Hệ trục tọa độ A, B, C và α, β ......................................................................40
Hình 3.11 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục tọa độ từ A, B, C sang α, β .................................41
Hình 3.12 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục tọa độ từ α,β sang A, B, C ..................................41
Hình 3.13 Hệ tọa độ d, q và α, β ....................................................................................42
Hình 3.14 Sơ đồ khối chuyển đổi hệ trục tọa độ từ α, β sang d, q ................................42

v

Hình 3.15 Sơ đồ khối chuyển đổi hệ trục tọa độ từ d, q sang α, β ................................43
Hình 3.16 Mô hình mô phỏng máy điện không đồng bộ ..............................................44
Hình 3.17 Biểu diễn i_rd bằng các khối trong Simulink ...............................................49
Hình 3.18 Biểu diễn i_sd bằng các khối trong Simulink...............................................50
Hình 3.19 Biểu diễn i_rq bằng các khối trong Simulink ...............................................50
Hình 3.20 Biểu diễn i_sq bằng các khối trong Simulink...............................................51
Hình 3.21 Máy điện đồng bộ 3 pha 2 cực ....................................................................51
Hình 3.22 Mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ..........................................................55
Hình 3.23 Biểu diển công suất bằng các khối trong Matlab - Simulink .......................56
Hình 4.1 Điện áp pha A, pha B, pha C ..........................................................................58
Hình 4.2 Điện áp α, β trên stato ....................................................................................58
Hình 4.3 Điện áp α, β trên stato ....................................................................................58
Hình 4.4 Dòng điện α, β trên trục Stato........................................................................59
Hình 4.5 Dòng điện α, β trên trục Stato........................................................................59
Hình 4.6 Dòng điện α,β trêntrục roto ...........................................................................59
Hình 4.7 Dòng điện α,β trêntrục roto ...........................................................................59
Hình 4.8 Dòng điện roto Id_r; Iq_r ...............................................................................60
Hình 4.9 Dòng điện roto Id_r; Iq_r ...............................................................................60
Hình 4.10 Dòng điện 3 pha Stato .................................................................................60
Hình 4.11 Dòng điện 3 pha Stato .................................................................................60
Hình 4.12 Dòng điện 3 pha trên trục roto Ia, Ib, Ic .......................................................61
Hình 4.13 Dòng điện 3 pha trên trục roto Ia, Ib, Ic .......................................................61
Hình 4.14 Tần số góc Omega ........................................................................................61
Hình 4.15 Tần số góc Omega ........................................................................................61
Hình 4.16 Đặc tính mô men điện từ Mdt ........................................................................62
Hình 4.17 Đặc tính mô men điện từ Mdt ........................................................................62
Hình 4.18 Dòng điện 3 pha Stato ................................................................................63
Hình 4.19 Dòng điện 3 pha Stato ................................................................................63
Hình 4.20 Dòng điện 3 pha trên trục roto ......................................................................63

Hình 4.21 Dòng điện 3 pha trên trục roto ......................................................................63
Hình 4.22 Tần số góc Omega ........................................................................................64

vi


Hình 4.23 Tần số góc Omega ........................................................................................64
Hình 4.24 Đặc tính mô men điện từ Mdt ........................................................................64
Hình 4.25 Đặc tính mô men điện từ Mdt ........................................................................64
Hình 4.26 Đặc tính công suất (Pc) trên trục động cơ .....................................................65
Hình 4.27 Đặc tính công suất (Pc) trên trục động cơ .....................................................65
Hình 4.28 Đặc tính công suất tác dụng..........................................................................65
Hình 4.29 Đặc tính công suất tác dụng..........................................................................65
Hình 4.30 Đặc tính của công suất biểu kiến ..................................................................66
Hình 4.31 Đặc tính của công suất biểu kiến ..................................................................66
Hình 4.32 Đặc tính chỉ tiêu công suất k(t).....................................................................66
Hình 4.33 Đặc tính chỉ tiêu công suất k(t).....................................................................66
Hình 4.34 Đặc tính công suất trên trục động cơ ............................................................67
Hình 4.35 Đặc tính công suất trên trục động cơ ............................................................67
Hình 4.36 Đặc tính công suất tác dụng..........................................................................67
Hình 4.37 Đặc tính công suất tác dụng..........................................................................67
Hình 4.38 Đặc tính công suất biểu kiến ........................................................................68
Hình 4.39 Đặc tính công suấtbiểu kiến .........................................................................68
Hình 4.40 Đặc tính chỉ tiêu công suất k(t).....................................................................68
Hình 4.41 Đặc tính chỉ tiêu công suất k(t).....................................................................68
Hình 4.42 Góc tải khi đồng bộ ......................................................................................70
Hình 4.43 Mô men điện từ của động cơ đồng bộ ..........................................................70
Hình 4.44 Hình dạng đặc tính Omega khi đồng bộ ......................................................71
Hình 4.45 Dòng điện roto trên trục d, q ........................................................................71
Hình 4.46 Hình dạng đặc tính Omega khi chưa đồng bộ .............................................72

Hình 4.47 Hình dạng đặc tính Omega khi không còn đồng bộ ....................................72

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng giá trị các đại lượng của động cơ KĐB ................................................53
Bảng 3.2 Bảng giá trị tương đối của động cơ KĐB ......................................................53
Bảng 3.3 Bảng giá trị Mômen Mbx , Mbux ......................................................................53
Bảng 3.4 Bảng giá trị hoàn chỉnh của động cơ ở các mức ............................................54
Bảng 4.1 Bảng thông số động cơ không đồng bộ 3KW ................................................57
Bảng 4.2Bảng thông số động cơ không đồng bộ 3KW .................................................57
Bảng 4.3 Bảng thông số động cơ đồng bộ .....................................................................69

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ĐBNCVK: động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu
ĐBPK:động cơ đồng bộ công suất phản kháng
s.đ.đ: Sức điện động
s.t.đ: Sức từ động
KĐB: không đồng bộ
ĐCKĐB: động cơ không đồng bộ
ĐCĐB: động cơ đồng bộ

ix


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài.
Kiến thức về máy điện là kiến thức cơ sở của ngành điện bắt buộc sinh viên tất cả các
chuyên ngành điện phải nắm vững. Hiện nay, với sự phát triển của công cụ mô phỏng,
cho phép chúng ta xây dựng các mô hình mô phỏng phục vụ việc nghiên cứu và học
tập máy điện.
Nghiên cứu quá trình quá độ trong máy điện là vấn đề khó và tính toán phức tạp.
Nhằm nghiên cứu sâu, đặc biệt về quá trình quá độ trong máy điện và tạo ra bộ công
cụ để xây dựng các bài thí nghiệm máy điện cho sinh viên trường Cao đẳng nghề Ninh
Thuận. Tôi xin đề xuất lựa chọn đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ là: “Xây
dựng mô hình mô phỏng và khảo sát quá trình quá độ trong máy điện quay xoay
chiều.” Rất mong TS Lê Quang Cường và quý thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật điện –
điện tử thuộc Khoa năng lượng trường Đại học Thủy Lợi giúp tôi hoàn thành luận văn
này.
2. Mục đích của đề tài:
Xây dựng được các mô hình mô phỏng trong máy điện quay xoay chiều trên máy tính,
tiến hành thực nghiệm mô phỏng để nghiên cứu quá trình quá độ trong máy điện quay
xoay chiều.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Máy điện quay xoay chiều: Máy điện không đồng bộ và máy điện đồng bộ.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết máy điện quay xoay chiều, mô phỏng trên máy tính, thực nghiệm
mô hình mô phỏng để khảo sát quá trình quá độ trong máy điện quay xoay chiều.
5. Cấu trúc của luận văn:

x


Luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Đại cương về máy điện quay xoay chiều; Chương
2: Công cụ mô phỏng; Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng; Chương 4: Thực
nghiệm mô phỏng.

xi


CHƯƠNG 1

ĐẠI CƯƠNG MÁY ĐIỆN QUAY XOAY CHIỀU

1.1 Máy điện không đồng bộ
1.1.1 Khái niệm chung:
Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng
điện từ, có tốc độ quay rotor n (tốc độ quay của máy) khác với tốc độ quay của từ
trường n1
Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn stator (sơ cấp) nối với lưới điện tần số
f = const, dây quấn rotor (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc khép kín qua điện trở. Dòng
điện trong dây quấn rôto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f2 phụ
thuộc vào tốc độ rôto nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy. Máy điện không
đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là làm việc ở 2 chế độ động cơ và máy phát.
Máy điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt lằm so với máy phát điện
đồng bộ, nên ít được dùng.
Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành
không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được dùng nhiều trong sản xuất và
sinh hoạt. Động cơ điện không đồng bộ có các loại: động cơ 3 pha, 2 pha và 1 pha.
1.1.2 Cấu tạo máy điện không đồng bộ
a. Phần tĩnh (Stator): Gồm có vỏ máy, lõi sắt và dây quấn

Hình 1.1 Stator của máy điện không đồng bộ

1

- Vỏ máy: Để cố định lõi sắt và dây quấn không dùng làm mạch dẫn từ. Thường làm
bằng gang hay thép tấm hàn lại.
- Lõi sắt: Là phần dẫn từ, làm bằng thép lá kỹ thuật điện dày 0,35 mm hay 0,5mm ép
lại. Khi đường kính ngoài lõi thép Dn< 990 mm thì dùng những tấm tròn ép lại. Khi
Dn> 990 mm thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. Mặt trong của
thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn
- Dây quấn: Dây quấn của stator được đặt vào các rãnh của lõi thép và cách điện tốt
đối với rãnh.

Hình 1.2 Dây quấn của Stato
b. Phần quay (Ro to): gồm lõi sắt và dây quấn
- Lõi sắt: Dùng thép kỹ thuật điện như stator, lõi sắt được ép lên trục quay, phía ngoài
có xẻ rãnh đễ đặt dây quấn
- Dây quấn: thường được chế tạo bằng dây đồng hoặc dây nhôm có hình dạng và kích
thước khác nhau để sử dụng cho từng loại máy điện.
- Roto có hai loại:
+ Loại rotor kiểu dây quấn:

2


Là rotor có dây quấn giống như dây quấn của sator. Dây quấn 3 pha của rotor thường
được đấu hình sao, còn ba đầu kia nối vối ba vành trượt đặt cố định ở một đầu trục và
thông qua chổi than đấu với mạch điện bên ngoài. Khi máy làm việc bình thường dây
quấn rotor được nối ngắn mạch.

Hình 1.3 Roto dây quấn
+ Loại rotor kiểu lồng sóc:
Cấu tạo của loại dây quấn này khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của stator đặt

vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt ở hai đầu
bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm mà người ta thường quen gọi là
lồng sóc.
Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt (vì số vòng ít nên điện áp thấp). Để
cải thiện tính năng mở máy, với máy công suất lớn có thể làm rãnh sâu, hay hai rãnh
lồng sóc.
Trong máy công suất nhỏ rãnh ro to thường làm chéo đi một góc so với tâm trục nhằm
mục đích là giảm sóng hài bậc cao cải thiện dạng sức điện động của máy.

Hình 1.4 Roto lồng sóc

3


c. Khe hở: Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2 đến 1 mm trong máy
điện cỡ nhỏ và vừa), càng nhỏ càng tốt để hạn chế dòng từ hóa lấy từ lưới điện vào.
1.1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ.
Khi cho hệ thống dòng điện ba pha đối xứng vào dây quấn ba pha stato của máy điện
không đồng bộ, trong máy sẽ xuất hiện một từ trường quay với tốc độ đồng bộ n1:
n1 

60 f
. Trong đó: f là tần số dòng điện lưới đưa vào f = 50 Hz ; p là số đôi cực
p

của máy.
Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt rotor và cảm
ứng trong đó sức điện động và dòng điện. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với
từ thông của stator tạo thành từ trường tổng ở khe hở.

Dòng điện trong dây quấn của rotor tác dụng với từ thông này sinh ra mômen. Tác
dụng của nó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor, với những phạm vi tốc
độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Để chỉ phạm vi tốc độ của
mỗi máy, người ta dùng hệ số trượt s. Theo định nghĩa hệ số trượt bằng:
s% 

n1  n
100
n1

Như vậy thì: n = n1 s = 0;
n=0s=1
n > n1 s < 0;
n < 0  s > 1 (rotor quay ngược chiều từ trường quay)
Động cơ KĐB 3 pha làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Để minh họa trên
hình 1.5, vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong
thanh dẫn roto, chiều các lực điện từ F.

4


Hình 1.5Chế độ động cơ

Cho dòng điện xoay chiều 3 pha đi vào dây quấn 3 pha đặt trong lõi sắt Stato của động
cơ, dòng điện xoay chiều 3 pha này sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ đồng bộ:
n1 

60 f
p

Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha bị nối ngắn mạch đặt trên lõi sắt rôto và
cảm ứng trong dây quấn đó sức điện động và dòng điện cảm ứng. Khi xác định chiều
sức điện động cảm ứng, ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn đối
với từ trường.
Nếu coi từ trường là đứng yên, thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn roto
ngược với chiều n1.
Áp dụng qui tắc bàn tay phải xác định được chiều sđđ cảm ứng và dòng điện cảm ứng
như hình vẽ. Dấu (+) chỉ chiều dòng điện từ ngoài vào trong; dấu (.) chỉ chiều dòng
điện từ trong ra ngoài.
Dòng điện cảm ứng tác dụng với từ trường sinh ra lực điện từ F tác dụng lên dây dẫn,
có chiều xác định theo qui tắc bàn tay trái. Lực này sẽ tạo ra mô men làm cho rôto
quay với tốc độ n theo chiều của từ trường và nhỏ hơn n1.

5


Do tốc độ quay của rôto khác tốc độ quay của từ trường nên gọi là động cơ không
đồng bộ.
Độ chênh lệch giữa tốc độ của từ trường quay n1 và tốc độ quay của rôto được đặc
trưng bởi hệ số trượt s;
Khi rôto quay với tốc độ đinh mức s = (0,02  0,06). Tốc độ động cơ là:
n = n1 ( 1- s ) vòng/ phút
a. Trường hợp rotor quay thuận với từ trường quay nhưng n < n1 (0 < s < 1).
Giả sử chiều quay n1 của khe hở và chiều quay n của rotor như hình vẽ. Do n < n1 nên
chiều chuyển động của thanh dẫn suy ra chiều Eư, Iư được xác định bằng qui tắc bàn
tay phải.
Iư tác dụng với khe hở sinh ra F, M có chiều xác định bằng qui tắc bàn tay trái, M làm
rotor quay theo chiều của từ trừơng với n(biến điện năng thành cơ năng).
b.Trường hợp rotor quay thuận với từ trường quay nhưng n

Dùng một động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ
n > n1. Chiều của từ trường quay quét qua thanh dẫn ngược lại, chiều Eư,Iư đổi chiều
nên chiều của M ngược với chiều quay của rotor nên nó là momen hãm. Máy biến cơ
năng thành điện năng. Máy làm việc ở chế độ máy phát.
c. Trường hợp rotor quay ngược chiều từ trường quay (n<0 hay s<1)
Vì một lý do nào đó rotor quay ngựơc chiều với từ trường quay thì lúc đó chiều của
Eư, Iư, máy giống như ở chế độ động cơ điện.
Vì M sinh ra ngược chiều với n nên có tác dụng hãm rotor lại. Trong trường hợp này
máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vừa lấy cơ năng ở động cơ sơ cấp. Chế độ là việc
như vậy gọi là chế độ hãm điện từ.

6


1.1.4 Phương trình sức điện động và dòng điện của rotor
Nếu mạch của rotor kín thì trong đó sẽ có I2 chạy và I2 sẽ tạo nên và đi qua r2, tương
ứng với điều đó sẽ có sức điện động E2s =E2.s tạo nên bởi  m và sức điện động tản
E2  j.2.x2.s  j.2.x2.s

Theo định luật kirkhoff 2: E 2 s  E 2  E 2 s  j. 2 .x2 s   2 .r2
E 2 s   2 .Z 2 s   2 (r2  j.x2 .s )

hay

với

Z2s  r2  j.x2 .s : Tổng trở của trục rotor

Do đó:

I2 

hay:

I2 


E 2s
E
2s

Z 2s
r2  j.x 2 .s

E2 s
r22  x22 .s 2

Nếu dạng rotor quy đổi về stator: E2/ s  I 2/ .z2/ s
với

z2/ s  r2/  jx2/ .s : Tổng trở quy đổi của rotor.
E /
E /
I2/  /2 s  / 2 s /
z2s r2  jx2 .s

hay

I2/ 

E2/ s
r2/2  x2/2 .s 2

Để thiết lập phương trình mới có ý nghĩa, ta có thể biến đổi như sau:
 
2

E 2 s
E 2

r2  j.x2 .s r2  jx
2
s

Biểu thức của  2 có một ý nghĩa vật lý mới: Ở mạch thứ cấp bây giờ thay cho sức điện
động khi rotor quay E2s với f2 = s.f1sẽ là sức điện động E2 khi rotor đứng yên với tần

7


số f1. Điện kháng khi rotor quay x2.s ở mạch thứ cấp sẽ là điện kháng khi rotor đứng
yên x2. Muốn trong mạch thứ cấp vẫn chỉ có dòng điện dòng điện I2 có cùng trị số và
pha đối với I2 chỉ cần thiết thay r2 thực bằng điện trở mới bằng:
r2
1 s
 r2  r2
s
s

Như vậy, nếu rotor quay muốn trong đó vẫn là dòng điện ấy, cần đưa vào mạch thứ

cấp 1 điện trở giả tưởng:

r2

1 s
s

1.1.5 Tốc độ quay của s.t.đ rotor
Trong dây quấn rotor, I2 tạo nên F2 quay so với rotor tốc độ n2 tương ứng với tần số f2.
Ngoài ra, bản thân rotor quay với tốc độ n. Do đó, F2 quay tương đối so với stator tốc
độ: n2+n.
Nhưng:

n2  60pf2  60pf1.s  n1.s  n2  n1 n1  n  n1  n

Như vậy:

n2 + n = n 1 - n + n = n 1

n1

Nghĩa là s.t.đ của rotor quay trong không gian luôn luôn với tốc độ và chiều như s.t.đ
của stator (không phụ thuộc vào tình trạng làm việc).
Bởi vì F1 và F2 quay cùng tốc độ và chiều trong không gian nên có thể xem rằng nó
chuyển động tương đối với nhau và tạo thành sóng s.t.đ tổng F0. Như vậy, hình sin
s.t.đ F2 cần phải lệch về không gian tương đối với F1 một góc để F0 đủ tạo nên  m,
theo điều kiện cân bằng s.t.đ:

F1  F2  F0  I1  I2/  I0

Tóm lại, hệ phương trình cơ bản lúc rotor quay là:
u1  E1  I1 (r1  j.x1 )
 r/

0  E2  I2  2  jx2/ 
s


8


E 2/  E 1
I1  I2/  I0
 E  jI z
1

0

m

1.1.6 Các chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ
* Máy làm việc ở chế độ máy phát (    s  0 ):
Công suất cơ P1 đưa vào trục, trừ đi tổn hao cơ pcơ, tổn hao phụ pf. Ta có công suất
hiệu dụng Pcơ.
Công suất cơ trừ đi pCu2 ta có Pđt. Pđt trừ đi tổn hao sắt pFe và pCu1 ta có công suất điện
phát ra P2.
Pco  P1 ( p co  p1 )
Pdt  Pco  pCu 2
P2  Pdt  ( pCu1  p Fe )

Hiệu suất của máy phát điện:  
/2

P2
P1

/ (1  s )
s

Khi s < 0 thì Pco  m 1 l 2 r2
có:

tg 2 

x2/
r2/ s



 0 nên máy nhận công suất cơ từ ngoài vào, ta

sx2/
0
r2/
0

0

Nên góc  2 giữa s.đ.đ E2 và dòng điện I2 nằm trong khoảng 90 <  2<180 .
0

Từ đồ thị véc tơ ta thấy j1> 90 , do đó

P1  m 1U 1l1 cos  1  0

nên máy phát công suất

tác dụng vào lưới.
* Máy làm việc ở chế độ hãm điện từ (1 < s < +  ):
Khi s >1 thì công suất cơ:

vào.

P ñt

 m 1l / 2
2

r/
2
s

 0

(1 s )
Pcô  m 1 l / 2 r /
0
2 2 s

, máy lấy công suất cơ từ ngoài

máy lấy công suất điện. Tất cả công suất cơ và công suất

điện điện lấy từ ngoài vào đều biến thành tổn hao đồng trên mạch rotor:

9


1.1.7 Mômen điện từ của máy điện không đồng bộ
a)Phương trình cân bằng mômen:
Khi động cơ không đồng bộ làm việc ổn định n = cte thì phải khắc phục mômen phụ
tải Mcđm tạo nên từ mômen cản không tải Mo và mômen cản hiệu dụng M2.Do đó
mômen điện từ phát sinh ở rotor động cơ lúc n = cte phải có hai thành phần mômen
cản tương ứng.Như vậy:Mđt= Mo+ M2
với: M 0



p cô  p f
P
P
60
 0 
.P0  9 ,55 . 0


2n
n

P2

M2 



M dt 



P0



 9,55.

P2
n

P2

Pco









 9,55.

Pco
n

2n
: tốc độ góc quay của rotor.
60

n: tốc độ quay của rotor.
Mặt khác ta có: M dt 

Pdt

1

 9,55.

1 

Pdt
n1

2n1
: tốc độ góc quay đồng bộ của từ trường quay
60

b) Biểu thức moment:
Theo quan hệ I và Φ:
M

dt

E2 

1 



Pd t

1



m 2 E 2 I 2 co s 

1

2  f 1 .w 2 k d q 2  m
2 f
p

1

10

2

M dt 

2
m2 pw2 k dq 2  2 cos 2  C M  2 cos 2
2

CM : Hệ số kết cấu của máy

c. Biểu thức tính mô men cực đại Mmax:
Muốn tính Mmaxta lấy

dM
=0 thì ta tính được smax ứng với Mmax
dS

2
  
 R/ R/
R2/ 
2
2
2
2 f1m u P     R1 

x
n  2 

s 
s
 s

  
dM

dS
MSC 2
2
1 1

dM

dS

2 f1 m1u12 P


R /  R / 
2  R1  2  22 
s s 



R 2/ 
R 2/ 
2
2

R

X


1
n
s 
s 2 
M SC 2

Muốn cho đạo hàm dM/ds = 0 thì:

R2/
R2/
R  X  2  0  2  R12  xn2  s
s
s
2
1

2
n

max



 R2/
R12  xn2

Trong máy điện không đồng bộ: R1<< xn thường R1 = (10 đến 12)% xn do đó R1 bé
hơn xn đến mức có thể bỏ qua được. Trong trường hợp này:

R2/

R2/
sm  

xn x1  x2
M max 

 pm1U12
2


2
/
4 f1 1   r 1 r1   x1   1 x2  



2

2

Nếu tính gần đúng bỏ qua R1 << xn ta có:
M max 

 pm1u12
 pm1u12

4 f1   R1  xn  4 f1 1   r1   x1   1 x2/  



11


Dấu cộng tương ứng với trường hợp với động cơ.
Dấu trừ ứng với trường hợp với máy phát
Nhận xét về Mmax:
- Mô men cực đại tỉ lệ thuận với bình phương điện áp.
- Mô men cực đại tỉ lệ nghịch với điện kháng của máy.
- Mô men cực đại không phụ thuộc vào điện trở của rotor.
- Tỉ số k m 

M max
: Gọi là hệ số năng lực quá tải của động cơ. Nói lên khả năng sinh
M nm

ra Mmaxcủa động cơ.
d. Tính momen mở máy Mmm:
Bên cạnh Mmax, Mmm của động cơ là một trong những đặc tính vận hành vận hành quan
trọng nhất của nó. Biểu thức Mmm có được từ công thức Mđt khi s = 1.
M mm 

pm1U 12 R2/
2
2 f1   R1  R 2/   x n2 





pm1U 12 R2/

2
2
2 f1   r1   r2/    x1   x 2/  



Nếu muốn có Mmm= Mmax thì sm = 1:
R2'= s12(r2' + rf' ) = (R12 + xn2)1/2hay gần đúng:
r2 ' + rf ' = x1 + x 2 '
Nhận xét:
- Với tần số và các thông số cho trước mô men mở máy tỉ lệ thuận với bình phương
điện áp.
-M
-M

= Mmaxvới điều kiện điện trở tác dụng của roto bằng điện kháng tản của máy

mm

mm

giảm nếu xn của máy lớn khi những điều kiện khác của máy giống nhau

-Mômen mở máy thường được biểu diễn bằng tỉ số: k m m 

12

M mm
M dm