Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc rãnh sâu có tính đến hiệu ứng mặt ngoài trong thanh dẫn rôto

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ QUỐC DUY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
3 PHA RƠTO LỒNG SĨC RÃNH SÂU CĨ TÍNH ĐẾN HIỆU
ỨNG MẶT NGỒI TRONG THANH DẪN RƠTO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NINH THUẬN, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ QUỐC DUY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
3 PHA RƠTO LỒNG SĨC RÃNH SÂU CĨ TÍNH ĐẾN HIỆU
ỨNG MẶT NGỒI TRONG THANH DẪN RƠTO

Chun ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 60520202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS: Lê Quang Cường

NINH THUẬN, NĂM 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân. 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

Lê Quốc Duy

i


LỜI CÁM ƠN
Để có kết quả và hồn thành tốt trong thời gian học tập tại Trường Đại Học Thủy lợi
em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô khoa Năng Lượng Trường Đại Học
Thủy lợi. Trên thực tế khơng có sự thành cơng nào mà khơng gắn liền với những hỗ
trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp. Trong suốt khoảng thời gian
học tập tai trường cho đến nay em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của
các q thầy, cơ gia đình và bạn bè. Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến các
quí thầy, cô ở khoa Năng Lượng, Trường Đại học Thủy Lợi. Trong suốt thời gian học
tập đã truyền đạt những kiến thức hết sức thiết thực và cần thiết về ngành nghề điện
mà em theo học, với sự hướng dẫn dạy bảo tận tình của thầy cơ trong suốt 5 tháng làm

luận văn. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến GVHD là thầy TS Lê Quang Cường đã
giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập cũng như luận văn của em. Do vậy không
tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn em rất mong nhận được ngững ý kiến
đóng góp quý báo của quý thầy cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em trong
lĩnh vực này được hoàn thiện hơn.
Em gởi lời cảm ơn chân thành và lời tri ân sâu sắc đến quý thầy cô khoa Năng Lượng,
Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học, do trình độ lý
luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi sự thiếu sót em
rất mong nhận được sự gớp ý của quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinh
nghiệm và hoàn thành tốt hơn. Em xin chân thành cám ơn

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH...................................................................................... v
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... vii
CHƯƠNG 1
1.1

ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ........................... 1

Kết cấu, các đại lượng định mức và công dụng .....................................................1

1.1.1 Lõi sắt: là phần dẫn từ. ....................................................................................... 1
1.1.2 Dây quấn: ............................................................................................................1
1.1.3 Vỏ máy: gồm thân máy, nắp máy và chân đế.....................................................2
1.1.4 Lõi thép. ..............................................................................................................2
1.1.5 Dây quấn rôto: ....................................................................................................3
1.2

Quan hệ điện từ trong máy điện không đồng bộ ....................................................5

1.2.1 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto đứng yên ........................................6
1.2.2 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rôto quay .............................................10
1.3
bộ

Các chế độ làm việc, giản đồ năng lượng, đồ thị vectơ của máy điện khơng đồng
.............................................................................................................................. 15

1.4

Các đặc tính của máy điện không đồng bộ ........................................................ 18

1.4.1 Các đặc tính làm việc của động cơ điện khơng đồng bộ ..................................18
1.4.2 Đặc tính moment .............................................................................................. 19
1.4.3 Tổn hao và đặc tính hiệu suất của động cơ h = f (P2). .....................................19
1.4.4 Đặc tính hệ số cơng suất cosφ = f (P2) ............................................................. 19
1.4.5 Năng lực quá tải ................................................................................................ 20
1.5

Hiệu ứng mặt ngồi ở thanh dẫn rơto lịng sóc .................................................... 20

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ....................................21

2.1

Những vấn đề chung khi thiết kế động cơ khơng đồng bộ ..................................21

2.2

Tính tốn thiết kế máy điện khơng đồng bộ ......................................................... 27

2.2.1 Xác định kích thước chủ yếu . ..........................................................................27
2.2.2 Thiết kế stato ....................................................................................................29
2.2.3 Thiết kế rơto......................................................................................................31
2.2.4 Tính tốn điện từ ............................................................................................... 34
2.2.5 Tham số của động cơ định mức ........................................................................44
2.2.6 Tính toán tổn hao .............................................................................................. 49

iii


2.2.7 Tính tốn các đặc tính làm việc ........................................................................51
2.2.8 Tính tốn đặc tính khởi động ............................................................................54
CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG
BỘ 3 PHA RƠTO LỒNG SĨC RÃNH SÂU KHI TÍNH ĐẾN HIỆU ỨNG MẶT
NGỒI TRONG THANH DẪN RƠTO. ......................................................................59
3.1 Xây dựng module tính tốn ảnh hưởng của hiệu ứng tần số đến các điện trở và
điện kháng của rơto lồng sóc rãnh sâu...........................................................................59
3.1.1 Sự thay đổi các tham số do hiện tượng hiệu ứng mặt ngồi của dịng điện .....59
3.1.2 Phương pháp tính tốn ảnh hưởng của hiệu ứng tần số trong thanh dẫn rơto ..63
3.2 Mơ phỏng và khảo sát đặc tính động của động cơ không đồng bộ khi tổng trở của
rôto thay đổi trong q trình làm việc. .........................................................................69
3.2.1 Cơng nghê xây dựng S-Funtion trong SIMULINK ..........................................69
3.2.2 Mơ hình tốn học .............................................................................................. 72
3.2.3 Xây dựng mơ hình DKB trong Simulink sử dụng hàm S-function đã lập trình

cho DKB. ...................................................................................................................78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ..................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 84
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 85

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Lá thép kĩ thuật điện ......................................................................................... 1
Hình 1.2 Dây quấn stator ............................................................................................... 2
Hình 1.3 Stator của máy điện khơng đồng bộ ................................................................ 2
Hình 1.4 Lá thép rôto kĩ thuật điện không đồng bộ ....................................................... 3
Hình 1.5 Rơto (a) và sơ đồ mạch điện (b) của rơto dây quấn.........................................3
Hình 1.6 Dây quấn rơto lồng sóc (a) và rơto lồng sóc rãnh chéo (b) ............................. 4
Hình 1.7 Đồ thị véc tơ của máy điện điện không đồng bộ khi ngắn mạch ..................10
Hình 1.8 Mạch điện thay thế của máy không đồng bộ khi rôto đứng yên ...................10
Hình 1.9 Giản đồ thay thế hình T .................................................................................14
Hình 1.10 Giản đồ năng lượng của động cơ điện .......................................................... 15
Hình 1.11 Giản đồ năng lượng của máy phát điện không đồng bộ ............................... 17
Hình 1.12 Đồ thị vec tơ của máy điện khơng đồng bộ ..................................................17
Hình 1.13 Đồ thị vectơ và giản đồ năng lượng của máy điện không đồng bộ ở chế độ
hãm điện từ. ...................................................................................................................18
Hình 2.1 Dạng rãnh rơto loại thường ...........................................................................33
Hình 2.2 Kích thước rãnh và cách điện .........................................................................37
Hình 2.3 Kích thước rãnh rơto và vịng ngắn mạch ...................................................... 40
Hình 2.4 Đồ thị biểu thị đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. 53
Hình 3.1 kích thước rãnh rơto dung để xác định chiều sâu qui đổi hx, hr ..................... 61
Hình 3.2 Đường cong  , '  f ( ) ..................................................................................61
Hình 3.3 Sơ đồ thay thế cuộn dây của rôto khi chia nhiều lớp .....................................63

Hình 3.4 Bố trí khơng gian tổng qt ............................................................................72
Hình 3.5 Mơ hình hệ thống được xây dựng ..................................................................78

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Trị số KD ......................................................................................................27
Bảng 2.2 Hiệu suất và cosϕ dãy động cơ điện không đồng bộ 3K .............................. 28
Bảng 2.3 Xác định bước răng stato .............................................................................31
Bảng 2.4 Số liệu đặc tính làm việc ...............................................................................52

vi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài:
Trong các loại động cơ thì động cơ khơng đồng bộ có kết cấu đơn giản nhất, đặc biệt
là động cơ rôto lồng sóc. Do đơn giản nên giá rẻ, làm việc tin cậy, thao tác vận hành
thuận tiện. Ngày nay, với sự phát triển của các bộ biến tần nên việc điều khiển Động
cơ không đồng bộ được thực hiện dễ ràng. Do những ngun nhân đó động cơ khơng
đồng bộ được sử dụng rộng rãi
Động cơ không đồng bộ bao gồm động cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc. Các
động cơ khơng đồng bộ rơto dây quấn hoặc rơto lồng sóc đơn giản khơng được sử
dụng rộng rãi vì mơ men mở máy nhỏ và dịng điện mở máy lại lớn. Ngồi ra đối với
loại rơto dây quấn phải có vành trượt, cấu tạo phức tạp, địi hỏi phải có điện trở mở
máy nên làm việc kém đảm bảo, điều khiển mở máy phức tạp. Trên thực tế ngưởi ta sử
dụng rộng rãi động cơ rơto lồng sóc rãnh kép hoặc rãnh sâu để cải thiện đặc tính mở
máy. Khi thiết kế tính tốn động cơ khơng đồng bộ, việc khảo sát tính tốn các đặc
tính của động cơ thường được nghiên cứu bằng phương pháp giải tích, tính tốn các

đặc tính của động cơ dự trên sơ đồ thay thế, khảo sát đặt tính theo độ trượt. Trong q
trình tính tốn ta coi điện kháng tản của stato và rơto, từ hóa khơng phụ thuộc vào bão
hịa của lõi thép, cịn tổn thất do từ thơng tản và các sóng điều hịa bậc cao bằng
khơng, bỏ qua sự phụ thuộc của tổng trở rôto vào hệ số trượt. Thực chất các thông số
của động cơ sẽ thay đổi do hiện tượng bão hòa mạch từ, hiệu ứng tần số trong rôto.
Với sự phát triển của công nghệ thơng tin, chúng ta có thể vận dụng để tính tốn và
khảo sát các đặc tính động của động cơ có tính đến sự thay đổi của các tham số động
cơ theo thời gian, nhờ đó chúng ta có thể tính tốn được các chỉ tiêu động của động cơ
ngay ở bước thiết kế. Chính vì vậy em xin chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế động cơ
không đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc rãnh sâu có đến tính đến hiệu ứng mặt ngồi trong
thanh dẫn rơto”.

vii


2. Mục đích của Đề tài:
Thiết kế động cơ khơng đồng bộ rơto lồng sóc rãnh sâu nhằm cải thiện đặc tính khởi
động, xây dựng module tính tốn và mơ hình khảo sát đặc tính động của động cơ khi
tham số của động cơ thay đổi trong quá trình làm việc, từ đó có thể tìm được các chỉ
tiêu động của động cơ ngay trong quá trình thiết kế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ không đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc rãnh sâu
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết, tính tốn thiết kế, lập trình giải quyết bài tốn trên máy tính, mơ
phỏng và thực nghiệm trên mơ hình mơ phỏng để khảo sát đặc tính động của động cơ
khơng đồng bộ.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 3 chương, 4 bảng và 22 hình được trình bày trong 82 trang với các nội
dung đại cương về máy điện, thiết kế máy điện khơng đồng bộ. Xây dựng module tính
tốn ảnh hưởng của hiệu ứng tần số đến các điện trở và điện kháng của rơto lồng sóc

rãnh sâu. Mơ phỏng và khảo sát đặc tính động của ĐCKĐB khi tổng trở của rơto thay
đổi trong q trình làm việc và kết luận của luận văn

viii


CHƯƠNG 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 Kết cấu, các đại lượng định mức và công dụng
* Kết cấu
Máy điện khơng đồng bộ gồm các bộ phận chính sau: phần tĩnh, phần quay và khe hở
không khi giữa rôto và stato.
+ Phần tĩnh (stato): Phần tĩnh gồm lõi sắt, dây quấn và vỏ máy.
1.1.1 Lõi sắt: là phần dẫn từ.
Lõi sắt được làm bằng những lá thép kĩ thuật điện dày 0,35 ÷ 0,5 mm, bề mặt có phủ
sơn cách điện để chống tổn hao do dòng điện xốy. Khi đường kính máy nhỏ, các lá
thép được dập theo hình trịn như ở hình a. Khi đường kính ngoài lõi thép lớn (trên
990 mm) các lá thép được dập thành hình rẻ quạt (hình b).
Các lá thép ghép lại với nhau rồi ép chặt tạo thành hình trụ rỗng, bên trong hình thành
các rãnh để đặt dây quấn như ở hình c. Nếu lõi thép dài quá thì các lá thép được ghép
thành từng thếp dày 6 ÷ 8 cm, các thếp đặt cách nhau 1 cm để tạo đường thơng gió
hướng tâm.

b)
a)

c)

Hình 1.1 Lá thép kĩ thuật điện
1.1.2 Dây quấn:
Là phần dẫn điện, được làm bằng dây đồng hoặc dây nhơm có bộc cách điện. Dây
quấn stato của máy điện không đồng bộ 3 pha gồm ba dây quấn pha đặt lệch nhau
trong không gian 1200 điện, mỗi pha gồm nhiều bối dây, mỗi bối dây gồm nhiều vịng
dây (hình a). Các bối dây được đặt vào rãnh của lõi thép stato (hình b ) và được nối với
nhau theo một quy luật nhất định.

1


a)

b)

Hình 1.2 Dây quấn stator
1.1.3 Vỏ máy: gồm thân máy, nắp máy và chân đế.
- Vỏ dùng để cố định lõi thép và dây quấn, đồng thời bảo vệ an tồn cho người khỏi
chạm vào dây quấn (hình vẽ)
- Vỏ không làm nhiệm vụ dẫn từ, thường đúc bằng gang. Vơi các máy công suất tương
đối lớn (1000 kw) thường dùng thép tấm cuốn lại và hàn thành vỏ.

1
2

4

4

Hình 1.3 Stator của máy điện không đồng bộ

1. Mạch từ; 2. Vỏ máy; 3. Dây quấn.
+ Phần quay (rôto): Phần quay gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn.
1.1.4

Lõi thép.

- Lõi thép rôto được làm bằng các lá thép kĩ thuật điện, dập như hình a
- Các lá thép sau khi ghép lại thành khối hình trụ mặt ngồi hình thành các rãnh để đặt
dây quấn rơto, ở giữa có lỗ để ghép trục.Trên thực tế, tổn hao sắt ở lõi thép rôto khi

2


máy làm việc là rất nhỏ nên không cần dùng thép kĩ thuật điện. Nhưng để lợi dụng
phần thép kĩ thuật điện sau khi dập lõi sắt stato, người ta dùng để ép lõi thép rơto ln
(hình b).

a)

b)

Hình 1.4 Lá thép rôto kĩ thuật điện không đồng bộ
1.1.5 Dây quấn rôto:
- Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ chia thành hai loại: loại rôto kiểu dây
quấn và loại rơto kiểu lồng sóc. Loại rơto kiểu dây quấn: Dây quấn được đặt trong
rãnh của lõi thép rôto. Dây quấn 3pha của rơto thường đấu hình sao (Y), ba đầu còn lại
được nối với ba vòng trượt làm bằng đồng cố định ở đầu trục (hình a), tì lên ba vịng
trượt là ba chổi than (hình b).Thơng qua chổi than có thể ghép thêm điện trở phụ hay
đưa sức điện động phụ vào mạch rơto để cải thiện đặc tính mở máy, điều chỉnh tốc độ
hoặc cải thiện cos. Khi làm việc bình thường dây quấn rơto được nối ngắn mạch.

Vịng trượt

R

b)

a)

Hình 1.5 Rơto (a) và sơ đồ mạch điện (b) của rôto dây quấn

3


- Loại rơto lồng sóc (cịn gọi là rơto ngắn mạch)

b)

a)

Hình 1.6 Dây quấn rơto lồng sóc (a) và rơto lồng sóc rãnh chéo (b)
- Trong mỗi rãnh của lõi thép rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm, hai
đầu dài ra khỏi lõi thép. Các thanh dẫn được nối tắt lại với nhau ở hai đầu bằng hai
vịng ngắn mạch cũng bằng đồng hoặc nhơm tạo thành một cái lồng (gọi là lồng sóc)
như ở hình a.
- Để cải thiện tính năng mở máy, trong các máy có cơng suất tương đối lớn rãnh rơto
thường làm rãnh sâu hoặc lồng sóc kép (2 rãnh lồng sóc). Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh
rôto thường làm chéo đi một góc so với tâm trục để cải thiện dạng sóng s.đ.đ (hình b).
Ở phần quay cịn có các bộ phận khác như trục máy, cánh quạt làm mát (với máy cỡ
nhỏ). Khe hở: Giữa rơto và stato có khe hở rất đều. Khe hở trong máy điện không

đồng bộ rất nhỏ (khoảng 0,2 ÷ 1,0 mm) để hạn chế dịng từ hoá lấy từ lưới vào, làm
cho cos của máy cao hơn.
* Các đại lượng định mức
- Công suất định mức ở đầu trục: Pđm (W, kW). Đây là công suất cơ, nói lên khả năng
sinh cơng của động cơ. Ngồi đơn vị W, kW cịn có đơn vị là sức ngựa HP.
1 HP = 0,736 kW= 736 W
- Điện áp định mức Uđm (V). Trên nhãn máy thường ghi hai trị số điện áp ứng với
cách đấu dây của stato. Ví dụ Y/-380/220 V, nghĩa là khi nguồn có điện áp dây
Ud = 380V thì dây quấn 3 pha stato đấu hìnhY, cịn khi nguồn có Ud = 220V thì dây
quấn stato đấu 
4


- Dòng điện dây định mức: Iđm (A).Đây là dòng điện của cuộn dây stato lấy từ nguồn
khi điện áp đặt vào động cơ là định mức và trục động cơ kéo phụ tải định mức.Trên
nhãn động cơ thường ghi hai trị số dòng điện ứng với hai cách đấu dây
- Tốc độ quay định mức nđm (vòng/phút). Đây là tốc độ quay của động cơ khi điện áp
đặt vào động cơ là định mức và mômen cản trên trục động cơ là định mức.
- Tần số nguồn định mức fđm (Hz).
- Hiệu suất định mức ηđm là tỉ số giữa công suất cơ trên trục và công suất điện mà
động cơ tiêu thụ khi tải định mức.
- Hệ số công suất định mức cosđm.
- Từ các số liệu định mức trên nhãn máy, có thể tìm được các trị số quan trọng khác
như công suất điện định mức mà động cơ tiêu thụ từ lưới P1đm, mômen quay định mức
ở đầu trục động cơ Mđm.
* Công dụng: Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm
động cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên
động cơ không đồng bộ là loại máy được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế
quốc dân. Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động
lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ... Trong hầm mỏ

dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nơng nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia
công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày máy điện không đồng bộ cũng dần
dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, động cơ tủ lạnh...Tóm lại phạm vi ứng dụng
của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi. Tuy vậy máy điện khơng đồng bộ có
những nhược điểm sau: cosj của máy thường khơng cao lắm, đặc tính điều chỉnh tốc
độ khơng tốt nên ứng dụng của nó có phần bị hạn chế.
1.2 Quan hệ điện từ trong máy điện khơng đồng bộ
Ta có thể coi máy điện khơng đồng bộ như một máy biến áp mà dây quấn stator là dây
quấn sơ cấp, dây quấn rotor là dây quấn thứ cấp, sự liên hệ giữa sơ và thứ thông qua từ
trường quay (ở máy biến áp là từ trường xoay chiều). Do đó có thể dùng cách phân
tích kiểu máy biến áp để thiết lập các phương trình cơ bản, mạch điện thay thế, đồ thị
5


vectơ....Ta chỉ xét đến tác dụng của sóng cơ bản khơng xét đến tác dụng của sóng bậc
cao vì ảnh hưởng của chúng là thứ yếu.
1.2.1 Máy điện không đồng bộ làm việc khi rơto đứng n
Mục đích của chúng ta là chứng minh rằng khi rôto đứng yên máy điện không đồng bộ
được xem như máy biến áp chỉ khác về phần cấu tạo. Còn về phần bản chất vật lý đều
như nhau. Để nghiên cứu một cách hợp lý ta bắt đầu nghiên cứu từ những trạng thái
làm việc giới hạn của máy: không tải, ngắn mạch để phần sau mở rộng khái niệm máy
điện không đồng bộ cũng như máy biến áp ngay cả ở trường hợp với rôto quay.
+ Không tải của máy điện không đồng bộ khi n = 0 (Rôto đứng yên)
Ta giả thuyết của máy điện không đồng bộ hở mạch và đứng yên stator được
đặt vào lưới điện có điện áp U1, tần số f1. Trong trường hợp này máy điện không
đồng bộ được xem như máy biến áp lúc không tải. Dưới tác dụng của điện áp U1 trong
stator có dịng điện không tải I0, I0  F1   , một phần của  là  m móc vịng với
hai dây quấn của máy, còn phần kia  1 chỉ móc vịng với dây quấn stator. Nếu máy
có p đơi cực thì tốc độ n1 của f1 và  m là n1 = 60f1/p.Từ thông  m sinh ra ở dây
quấn stator và rôto rotor hai sức điện động E1 và E2 xác định theo công thức:

E1 =

2 .f 1 .k dq1 .  m

E2 =

2 .f 1 .k dq2 . 

m

Từ thông tản  1 sẽ tạo nên ở dây quấn stator sức điện động tản E 1
E  1 = -j.I0.x1
x1 là điện kháng tản của dây quấn stator.Ngồi ra dây quấn stator cịn có điện trở tác
dụng r1, kể đến sự có mặt của nó dưới hình thức điện áp rơi I0r1. Phương trình sức
điện động sơ cấp của máy điện không đồng bộ dưới dạng máy biến áp:
U 1 = - E1 + l0 Z1

6


Đồ thị không tải của máy điện không đồng bộ tương ứng về nguyên tắc với những đồ
thị không tải của máy biến áp. Nhưng trong quan hệ về lượng giữa hai đồ thị có một sự
khác nhau rõ rệt:
Trong máy điện không đồng bộ: l0 = (20  50) lđm
Trong máy biến áp:

l0 = (3  10) lđm

Điện áp rơi trên dây quấn máy điện không đồng bộ khi khơng tải chiếm (2  5)% Uđm
cịn của máy biến áp thường không quá (0,1  0,4)% Uđm. Hệ số biến đổi sức điện

động của máy điện không đồng bộ:

ke 

2. . f1 .w1 . k dq.1 . m w1 .k dq.1
E1


E2
2. . f1 .w2 . k dq.2 .m w2 .k dq.2

Trong máy điện không đồng bộ cũng như trong máy biến áp dây quấn thứ cấp được
đưa về dây quấn sơ cấp nghĩa là thay cuộn dây thứ cấp thật bằng một cuộn khác cũng
có số vịng dây, bước dây quấn và số rãnh của một pha dưới một cực như là cuộn sơ
cấp. Sức điện động của dây quấn thứ cấp được qui đổi:
E/2 = ke E2 = E1
Khi rôto hở mạch và đứng yên trong máy chỉ có tổn hao đồng của stator m1I2r1 tổn
hao sắt ở stator, rotor: pfe1+ pfe2. Công suất P10 do máy tiêu thụ từ lưới
P10 = m1 I20 r1 + pfe1 + pfe2. Trong máy điện không đồng bộ I0 và r1 tương đối
lớn nên tổn hao đồng pcu1 chiếm một thành phần đáng kể trong P10. Đối với máy biến
áp ta bỏ qua pcu1 lúc không tải.
+ Ngắn mạch của máy điện không đồng bộ khi n = 0:
Nếu chúng ta dịch chuyển điểm tiếp xúc động của biến trở trong mạch rơto từ vị trí 1
sang vị trí 2 (thì chúng ta có tình trạng ngắn mạch của máy điện không đồng bộ. Về
bản chất vật lý ngắn mạch như vậy tương tự ngắn mạch của máy biến áp. Đặt một điện
7


áp U1 = (15  25) % Uđm vào dây quấn stator. Trong dây quấn stator có I1 chạy với
tần số f1, trong rơto có I2 chạy với tần số f2, khi n = 0 thì

f2 = f1, I1, I2 sinh ra F1, F2 ở đây ta chỉ xét đến các sóng điều hịa bậc một:
F1 

m1 2 w1kdq1
l1 ,

p

F2 

m2 2 w2 k dq2
l2

p

F1, F2 quay với tốc độ n1 = 60f1/p và tác dụng với nhau sinh ra sức từ động tổng ở
khe hở F0
F1 + F2 = F0 F1 = F0+ (-F2)
Giống như cách phân tích máy biến áp, ở đây có thể coi dịng điện stato I1 gồm
2 thành phần:

  2/   F2/ 

 0  F0 

m1 . 2 w1 .k dq1
0

p

m1 2 w1k dq1 /
2

p
.

Như vậy, ta có: I 1  I 0  ( I 2 ) so sánh sức điện động F2 do dịng điện I2 của rơto và
thành phần của dịng điện stato sinh ra, ta có:
m1 2 w1kdq1 / m2 2 w2 kdq2
2 
2

p

p

Từ đó tìm được hệ số biến đổi dòng điện:
k1 

m1 .w1 .k dq1
2

 2/ m2 .w2 .k dq2

Do dó dịng điện qui đổi của rotor là: I 2/ 

1
I2
ki

Dùng các hệ số biến đổi sức điện động và dịng điện chúng ta có thể xác định được
điện trở và điện kháng qui đổi r/2 và x2/ của rôto.

8


Khi qui đổi r2/ chúng ta xuất phát từ tổn hao đồng của dây quấn rôto không phụ thuộc
m2l22 r2  m1l22 r2

vào sự qui đổi đó:
2

2
 
 m1w1k dq1 


m

m
 .r
r2/  2  2  .r 2  2 
m1  / 
m1  m2 w2 k dq2  2


 2 



w1 .k dq1 m1 .w1 .k dq1
w2 .k dq2 m2 .w2 .k dq2

r2  k e .k i .r2  k ..r2

Ở đây k = ke.ki là hệ số qui đổi của điện trở.
Khi qui đổi điện kháng đến x2 ta xuất phát từ góc y2 giữa E2 và I2 không phụ thuộc
vào sự qui đổi:
tg 2 

x2 x2/

r2 r2/

 x2/ 

r2/
x2  k .x2
r2

Các phương trình sức điện động sơ cấp của máy điện không đồng bộ lúc ngắn mạch
viết hồn tồn như đối vớí máy biến áp:
.

U 1   E1  I 1 Z 1
O   E 2/   2/ .Z 2/
E 2/  E1
I 1  I 2/  I 0
 E1  I 0 Z m

Z1=r1+jx1; Z2/ =r2/+jx2/

Ở đây

Với E2/ = E1 và I2/ = -I1 (vì F0 nhỏ = 0)
Giải 2 phương trình đầu ta có:
1 

U1
U
 1
/
Z1  Z 2 Z1

9


rn = r1 + r2/; xn = x1 + x2/.

Trong đó : Zn = rn+jxn;

1.2.2 Máy điện khơng đồng bộ làm việc khi rơto quay
Trong trường hợp này nó được xem như một máy biến áp tổng hợp nghĩa là ở đây
khơng chỉ có biến đổi điện áp dịng điện và số pha mà cịn có cả tần số và các dạng
năng lượng. Tóm lại viết phương trình sức điện động của máy điện khơng đồng bộ và
giải theo dịng điện, chúng ta có thể có được về nguyên tắc, những giản đồ đẳng trị
như đối với máy biến áp.
Đồ thị véc tơ và mạch điện thay thế
U1

jx 1,  1

r1 ,  1

 2

1

 jx 2 , 2

  1   ,r
2 2
0



Hình 1.7 Đồ thị véc tơ của máy điện điện không đồng bộ khi ngắn mạch
r1

r'2

X1

X'2

1  2

U1

Hình 1.8 Mạch điện thay thế của máy khơng đồng bộ khi rơto đứng n

+ Các phương trình cơ bản:
Máy điện khơng đồng bộ làm việc thì dây quấn rôto thường nối ngắn mạch. Nối dây
quấn stator với nguồn 3 pha thì trong dây quấn có I1 chạy, phương trình cân bằng
s.đ.đ trên dây quấn stator vẫn như cũ:
U 1   E1  I1 (r  jx1 )
 m quay với tốc độ: n1 

60 f1
p

10


+ Tần số sức điện động cảm ứng trong dây quấn rôto:
Khi quay rôto với tốc độ n trong từ trường quay có tốc độ n1 (và cùng chiều) thì tốc độ
quay tương đối của  m với rơto có tốc độ n2 = n1 - n và tần số dịng điện trong rơto
là:

f2 

pn2
60

f2 

n1  n n1 . p
.
 f1 .s
n1
60

Thường động cơ không đồng bộ khi tải định mức thì sđm = 0,02 - 0,05 nên suy ra tần
số trên rơto thấp và tổn hao ít.
+ Sức điện động của rơto: Theo biểu thức chung thì
E2s = 4,44.f2.w2.kdq2. = 4,44.f1.s.w2.kdq2. = s.E2
Qui đổi về stator: E/2s = s.E2/
Nghĩa là với từ thơng chính đã cho  m thì sức điện động cảm ứng trong rơto khi quay
bằng sức điện động E2 khi rôto đứng yên nhân thêm với hệ số trượt.
Ví dụ: khi n = 0 và rơto hở mạch ta có ở các vành trượt U2 = E2 = 600v, thì khi
vừa nâng cao dần tốc độ quay của rôto theo chiều từ trường quay n = 0  n = n1 thì ta
có sự biến thiên bậc nhất của E2s từ E2s=600vE2s với n > n1 thì E2sbắt đầu tăng và có
trị số âm nghĩa là biến đổi gốc pha của mình so với lúc đầu 1800.
+ Điện trở của dây quấn rôto:
Giả sử rôto khép kín mạch qua một điện trở phụ nào đó muốn vậy chúng ta dịch điểm
tiếp xúc của biến trở về vị trí 3. Vậy điện trở của rơto là: R2 = r2 + rf.
r2: điện trở tác dụng của rôto;
rf: điện trở phụ.

11


Qui đổi: R/2 = r2/+ r/f.
+ Điện kháng của rôto:
Điện kháng tản của phần quay đứng yên: x2 = 2.ƒ.L 2
Trong đó: L 2 là hệ số tự cảm xác định bởi từ thơng tản bởi vì từ thơng tản đi qua
khơng khí là chính nên L  2 =const.
x2 s = 2.ƒ 2 .L 2  2 . f1.s.L 2  x2 s
x2/ s  x2/ s

+ Phương trình sức điện động và dịng điện của rơto

Nếu mạch của rơto kín thì trong đó sẽ có I2 chạy và I2 sẽ tạo nên và đi qua r2, tương
ứng với 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
Hay E 2 s   2 .Z 2 s   2 (r2  j.x2 .s)
với Z 2 s  r2  j.x2 .s : Tổng trở của thực rơto
Do đó: I 2 

hay: I 2 

E2 s
E 2 s

Z 2 s r2  j.x2 .s
E2 s

r  x22 .s 2
2
2

Nếu dạng rôto quy đổi về stator: E2/ s  I 2/ .z2/ s
với z2/ s  r2/  jx2/ .s : Tổng trở quy đổi của rôto.
E /
E /
hay
I2/  /2 s  / 2 s /
z 2 s r2  jx 2 .s

I2/ 

E2/ s
r2/ 2  x2/ 2 .s 2

12


Để thiết lập phương trình mới có ý nghĩa, ta có thể biến đổi (3-3) như sau:
 2 

E 2 s
E 2

r2  j.x 2 .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 rôto quay E2s với f2 = s.f1 sẽ là sức điện động E2 khi rôto đứng yên với tần
số f1. Điện kháng khi rôto quay x2.s ở mạch thứ cấp sẽ là điện kháng khi rôto đứng
yên x2. Muốn trong mạch thứ cấp vẫn chỉ có dịng điện dịng điện I2 có cùng trị số và
pha đối với I2 chỉ cần thiết thay r2 thực bằng 1 điện trở mới bằng:

r2
1 s
 r2  r2
s
s

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

cấp 1 điện trở giả tưởng:

r2

1 s
s

+ Tốc độ quay của s.t.đ rôto: Trong dây quấn rôto, I2 tạo nên F2 quay so với rôto tốc
độ n2 tương ứng với tần số f2.Ngồi ra, bản thân rơto 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
n1

Như vậy: n2 + n = n1 - n + n = n1
Nghĩa là st.đ của rôto quay trong không gian luôn luôn với tốc độ và chiều như st.đ
của stator (khơng 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 st.đ tổng F0. Như vậy, hình sin st.đ F2 cần phải lệch về khơng gian
tương đối với F1 một góc để F0 đủ tạo nên  m, theo điều kiện cân bằng st.đ:
F1  F2  F0  I1  I2/  I0

Tóm lại, hệ phương trình cơ bản lúc rơto quay là:

13

u1   E1  I1 (r1  j.x1 )
 r2/



0   E2  I 2   jx 2/ 
 s

E 2/  E1
I1  I2/  I0
 E  jI z
1

0

m

+ Mạch điện thay thế của máy điện khơng đồng bộ:
Dựa vào hệ phương trình (ta có thể lập được mạch điện thay thế hình T cho máy điện
không đồng bộ với:
r2/

1 s
1 s 
: đặc trưng cho sự thể hiện Pcơ trên trục: ( Pcô  m1 I 2/ 2 r2/ 
 ).
s
 s 

Khác với máy biến áp chỉ có sự biến đổi điện năng ở điện áp này qua điện năng ở điện
áp khác, động cơ không đồng bộ là một máy điện biến đổi điện năng ra cơ năng. Khi
giảm phụ tải điện áp ở các cực thường khơng thay đổi, cịn khi phụ tải biến đổi thì từ
thơng hỗ cảm và sức điện động tương ứng với nó E1  E/ 2 ở các đầu cực của mạch từ
hóa hình T cũng biến đổi dưới ảnh hưởng của điện áp rơi I1z1 ở mạch sơ cấp. Với
những lý do trên, ta thấy rằng mạch điện thay thế hình T đơi khi khơng tiện lợi cho
việc nghiên cứu các q trình cơng tác của máy điện không đồng bộ. Tiện lợi hơn là
giản đồ thay thế hình T trong đó mạch từ hóa được đưa ra các đầu cực sơ cấp và với
mọi sự biến thiên của phụ tải, nghĩa là khi hệ số trượt s thay đổi thì dịng điện vẫn
khơng đổi và bằng dịng điện khơng tải lý tưởng Io khi s = 0
 1X1

 1r1

 12 X' 2

 12r' 2 / s
 1 1

1
U1

X1

r1

 ' '2

1

rm

U1

Xm

Hình 1.9 Giản đồ thay thế hình T
14

1
 00

 12 ' 2

 ' ' 2
m


 1 : hệ số hiệu chỉnh (hệ số sửa chữa biến đổi)

Tỷ số của dịng điện ở mạch chính của hình T và T là:
I 2/
z
 1  1  1
//
I2
zm

coi: rm << x m :

1  1

z1 
z 
r
 1  1   j 1
zm  zm 
rm

r
Vì 1 rất bé nên có thể bỏ qua phần ảo của 1 ; thực tế ( 1 =1,04÷1,08).
rm

1  1 


x1
 1  1
xm
 m

1.3 Các chế độ làm việc, giản đồ năng lượng, đồ thị vectơ của máy điện không
đồng bộ
Máy điện làm việc ở chế độ động cơ điện (0 < s < 1):
+ Giản đồ năng lượng:
Động cơ điện lấy công suất tác dụng từ lưới vào: một phần biến thành tổn hao đồng
của dây quấn stator: pCu1  m1l12 r1 và tổn hao sắt: pFe = m1I20rm
Phần còn lại chuyển thành Pđt: Pđt  P1  pCu1  pFe  m1l2/ 2

r2/
s

Tổn hao đồng trong rơto: pCu2  m1l2/ 2 r2/ cịn lại chuyển thành công suất cơ ở trục động
cơ:

P1

Pcô  Pđt  pCu 2  m1 2/ 2

r2/
1 s  /
 m1 2/ 2 r2/  m1 2/ 2 
r2
s
 s 

pCu 2 (1  s )
s
Vậy: Pco  (1  s) Pđt
Pco 

P
đ
t

pCu 2  sPđt

P2
Hình 1.10 Giản đồ năng lượng của động cơ điện

15

Pcu1
PFe
Pcu 2
P cơ

Pt