Máy điện không đồng bộ

Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trang 27
Chương 4 : MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
4.1 KHÁI NIỆM:
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý
cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy.
Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở chế độ động cơ, hoặc ở chế độ máy phát.
Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt so với máy phát
đồng bộ nên ít được dùng.
Trong sản xuất , máy điện không đồng bộ chủ yếu là động cơ để biến đổi năng
lượng dòng điện xoay chiều thành cơ năng. Hiện nay đa số các động cơ dùng trong
công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp … đều là động cơ điện không đồng bộ, vì nó có
cấu tạo và vận hành đơn giản dẫn đến giá thành rẻ, chi phí bảo trì thấp.
Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ có khuyết điểm là khó đều chỉnh tốc độ và
hệ số cosϕ thấp.
4.2 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA :
Gồm hai phần chính : Stator và Rotor .












4.2.1 Stator:

Stator của máy điện không đồng bộ gồm các phần chính là lõi thép, dây quấn và
vỏ máy.
Lõi thép stator do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã dập sẳn, ghép cách điện với nhau ,
chiều dài các lá thép thường là 0.5mm, phía trong có các rãnh để đặt dây quấn .
Dây quấn ba pha stator đặt trong các rãnh lõi thép, xung quanh dây quấn có bọc
các lớp cách điện với lõi thép. Các pha dây quấn đặt cách nhau 120° điện .
Cấu tạo của động cơ ba pha

Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trang 28
Vỏ máy để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator.Vỏ máy làm bằng nhôm (ở máy
nhỏ), bằng gang hay thép đúc (ở máy lớn). Vỏ máy có chân máy để cố đònh máy
trên bệ, hai đầu có nắp máy để đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn .

4.2.2 Rotor:
Rotor làphần quay gồm lõi thép, trục và dây quấn
Lõi thép rotor cũng gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Mặt ngoài lõi thép
rotor có các rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có lỗ để lắp trục, có khi còn có các lỗ
thông gió. Trục máy gắn với lõi thép rotor và làm bằng thép tốt. Trục được đỡ
trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ bi.
Tùy theo cấu tạo dây quấn phần quay, máy điện không đồng bộ chia ra làm hai
loại : máy không đồng bộ rotor dây quấn và máy không đồng bộ rotor lồng sóc.
Rotor dây quấn (Wound Rotor): trong các rãnh của lõi thép đặt dây quấn ba
pha, thường nối thành hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vành trượt bằng
đồng trên trục rotor. Ba vành trượt này cách điện với nhau và với trục. Tỳ trên
ba vành trượt là ba chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngoài (điện trở
này có thể là điện trở mở máy hoặc điện trở điều chỉnh tốc độ).



Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trang 29

Ưu điểm của động cơ cảm ứng rotor dây quấn (Slip Ring or Wound Induction
Motor):
• Dòng điện mở máy thấp
• Momen khởi động lớn
• Khởi động bằng phẳng
• Có thể điều chỉnh tốc độ trong dãy hẹp
• Đơn giản và mạnh
• Độ tin cậy cao
• Chi phí bảo trì thấp
Ứng dụng:
• Cần trục
• Máy nâng
• Máy cuốn trong nhà máy thép,…
Rotor lồng sóc (Squirrel Cage Rotor): dây quấn là những thanh đồng hay
nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rotor, hai đầu các thanh dẫn nối với hai vành
đồng hay nhôm, gọi là vòng ngắn mạch . Như vậy dây quấn rotor hình thành
một cái lồng, gọi là lồng sóc. Mỗi thanh dẫn của lồng sóc được xem như một
pha. Người ta thường chế tạo rotor lồng sóc bằng cách đổ nhôm nóng chảy vào
các rãnh lõi thép rotor.

Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trang 30


















Giữa phần tónh và phần quay là khe hở không khí. Khe hở rất nhỏ, thường từ
0,35 – 1,5cm. Mạch từ máy điện không đồng bộ khép kín từ stator sang rotor,
qua khe hở không khí. Khe hở không khí càng lớn thì dòng điện từ hoá để gây
ra từ thông cho máy càng lớn, hệ số cosϕ của máy càng giảm.

Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trang 31
Ngoài ra còn có vỏ máy

4.3 NHỮNG THÔNG SỐ GHI TRÊN NHÃN MÁY:
• Công suất đònh mức ( W, Kw, Hp ) : là công suất đònh mức đầu ra trên trục động cơ (
động cơ ), công suất điện đưa ra ( máy phát ).
• Điện áp dây đònh mức U
đm
( V): đối với động cơ ba pha là U dây, đối với động cơ một
pha thì U là điện áp đặt trên đầu cực của động cơ ( pha – trung tính hoặc pha – pha ).
• Dòng điện dây đònh mức I
đm
( A )
Ví dụ : Trên nhãn máy ghi : ∆/ Y – 220/380V – 7,5/ 4,3 A. có nghóa là khi điện
áp dây lưới điện bằng 220V thì ta nối dây quấn stator theo hình tam giác và
dòng điện dây đònh mức tương ứng là 7,5 A ; khi điện áp mạng điện là 380V thì
dây quấn stator nối theo hình sao, dòng điện dây đònh mức là 4,3A.
• Tốc độ quay đònh mức n
đm
( vòng/ phút ).
• Tần số đònh mức ( H
Z
).
• Cấp cách điện
• Loại động cơ: Theo các tiêu chuẩn National Electrical Code và National
Electrical Manufactures Association (NEMA), các motor được phân loại bởi ký
tự đặc trưng cho tỷ số của dòng khởi động và dòng đònh mức. Có sáu loại: A, B,
C. D, E, F. Bằng các ký tự này, có thể xác đònh chính xác được đònh mức của
circuit breaker, cầu chì và các thiết bò bảo vệ khác.
o Loại A: Dòng khởi động bình thường, 5 đến 7 lần dòng đònh mức. Trên
7
2

1
HP phải giảm điện áp khởi động. Momen khởi động bình thường và
khoảng 150% đònh mức. Đây là loại motor bình thường (Normal Type),
thông dụng (General Purpose) như: máy công cụ, bơm ly tâm, bộ động
cơ - máy phát, quạt, máy thổi, các thiết bò cần momen khởi động thấp.
Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trang 32
o Loại B: điện kháng cao và dòng khởi động thấp do các rãnh của rotor
kín, sâu và hẹp. Thông dụng như loại A. Nhiều nhà sản xuất chỉ chế tạo
động cơ General purpose trên 5hp.
o Loại C: dòng khởi động thấp,
2
1
4 đến 5 lần đònh mức. Full voltage start.
Momen khởi động cao, khoảng 225% đònh mức; rotor lồng sóc kép: Ứng
dụng: máy nén khí, máy bơm kiểu pitong, máy trộn, máy nghiền, băng
tải (conveyor) khởi động dưới tải, máy làm lạnh lớn, các thiết bò cần
momen khởi động lớn.
o
Loại D: Dòng khởi động thấp. Full voltage start. Momen khởi động cao
, khoảng 275% đònh mức, dây quấn rotor có điện trở lớn. Loại motor
này chỉ thích hợp với hoạt động không liên tục (intermittent) và tốc độ
không phải ổn đònh bởi vì độ trượt quá cao và hiệu suất quá thấp. Ứng
dụng: máy đóng, máy cắt tỉa, xe ủi đất, máy nâng nhỏ, máy kéo kim
loại, máy khuấy,…
o
Động cơ rotor dây quấn: điện trở ở mạch rotor cho dòng khởi động thấp
và momen khởi động cao. ng dụng: thang máy, máy nâng, cần trục
(crane), (hoist), cán thép, máy ủi, tải quặng hoặc than, …

•
Dòng đầy tải của động cơ được xác đònh theo công thức sau :
Động cơ 3 pha : I
đm
=
ϕη
cos..U.3
P
đm
đm

Động cơ một pha : I
đm
=
ϕη cos..U
P
đm
đm

•
Momen quay đònh mức ở đầu trục:
M
đm

60
n2
PP
đm
đmđm
π
=
ω



Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trang 33
4.4 SỰ HÌNH THÀNH TỪ TRƯỜNG QUAY :
Xét trường hợp dây quấn stator có 2 cực, trục các dây quấn đặt cách nhau 120
0

điện.

4.4.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA TỪ TRƯỜNG QUAY:
4.4.2 Tốc độ của từ trường quay :
Trong dây quấn hai cực (đã phân tích trong phần sự hình thành từ trường quay ở
trên), từ trường quay được một vòng trong một chu kỳ của dòng điện. Nếu dây
quấn có bốn cực (mỗi pha có hai nhóm cuộn dây độc lập được mắc nối tiếp) thì
từ trường quay một vòng trong hai chu kỳ của dòng điện. Nếu dây quấn có sáu
cực , từ trường quay một vòng trong ba chu kỳ của dòng điện. Tổng quát, từ
trường quay một vòng trong 2p/2 chu kỳ, hay:
Số chu kỳ =
sốvòng
2
p2
×

Và số chu kỳ/ giây =
sốvòng
2
p2
× / giây
Bởi vì số vòng trên giây bằng số vòng trên phút n
1
chia 60 và số chu kỳ trên
giây là tần số f.
f
60
np
60

n
2
p2
11
×
=×=


n
1
=
p
f60
vòng/phút
4.4.3 Tính chất của từ trường quay do hệ thống dòng điện ba pha đối xứng
gây nên.
Một hệ thống dòng điện ba pha đối xứng chạy trong ba dây quấn đặt lệch nhau
120
°
điện sẽ sinh ra một từ trường quay đối xứng có các tính chất sau :
a)
Từ trường quay có độ lớn không đổi và bằng 3/2 từ trường cực đại của một pha.
Nó quay với tốc độ không đổi n
1
=
p
f60
vòng/phút, gọi là tốc độ đồng bộ
b) Đảo chiều quay của từ trường :
Khi thứ tự dòng điện cực đại các pha lần lượt đi

từ pha A, đến pha B,rồi trục pha C , thì chiều từ trường quay sẽ quay từ vò trí


Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trang 34
trùng với trục pha A, đến trục pha B, rồi trục pha C. Nếu thay đổi thứ tự hai pha
vào dây quấn stator. ( Ví dụ đổi thứ tự hai pha B và C vào dây quấn ) thì chiều
từ trường quay sẽ quay ngược lại. Tính chất này được ứng dụng để
thay đổi
chiều quay động cơ không đồng bộ .

4.5 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
Cũng như các máy điện quay khác , máy điện không đồng bộ có thể làm việc
như là động cơ điện, máy phát điện hoặc máy hãm. Nhưng máy điện không
đồng bộ làm việc ở chế độ động cơ là thường gặp nhất .
4.5.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ : n < n
1
(0 < s < 1)
Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha có tần số f vào ba pha dây quấn stator, hệ
thống dòng điện xoay chiều ba pha chạy vào dây quấn sẽ sinh ra từ trường quay,
quay với tốc độ n
1
=
p
f60
. Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rotor, cảm ứng
trong rotor sức điện động E
2
. Dây quấn rotor nối ngắn mạch nên E

2
sẽ sinh ra
dòng điện I
2
chạy trong dây quấn rotor. Chiều của E
2
, và chiều của I
2
được xác
đònh theo qui tắc bàn tay phải. Dòng điện I
2
nằm trong từ trường quay sẽ chòu
lực tác dụng tương hỗ, tạo thành momen M tác dụng lên rotor, làm nó quay với
tốc độ n theo chiều quay từ trường (dùng qui tắc bàn tay trái xác đònh chiều của
lực và chiều của momen M tác dụng lên rotor )









Tốc độ trên trục của động cơ (n) không thể bằng được tốc độ từ trường quay
(n
1
), mà phải nhỏ hơn một ít. Có như vậy mới có sự chuyển động tương đối giữa
từ trường quay và dây quấn rotor, do đó mới có dòng điện I
2

, có mômen M tác
dụng lên rotor; (nếu tốc độ rotor bằng tốc độ đồng bộ thì rotor sẽ đứng yên đối
với từ trường quay, sẽ không có sức điện động cảm ứng ở rotor, không có dòng
điện rotor, và vì thế sẽ không sinh ra momen). Vì tốc độ rotor khác tốc độ từ
trường quay nên ta gọi động cơ là
động cơ không đồng bộ.
Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ quay của rotor gọi là tốc độ
trượt n
2
( hay là vận tốc trượt )
n
2
= n
1
- n
Hệ sốâ trượt của tốc độ là:

Chương 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trang 35
s =
1
1
n
nn −

Hệ số trượt s thường thay đổi từ 1 đến 10 phần trăm tùy thuộc vào kích cỡ và
loại động cơ
Tốc độ trên trục động cơ được tính bằng :
n = ( 1 – s ) n

1
= ( 1 – s )
p
f60

Khi tải tăng, hệ số trượt cũng tăng.
4.5.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ : n
1
< n < +
:
::
:

( -
∞
∞∞
∞
< s <0)

Nếu bây giờ stator vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rotor không nối với máy
công cụ, mà nối với một động cơ sơ cấp kéo rotor quay với tốc độ n lớn hơn tốc
độ từ trường quay n
1
, và cùng chiều với n
1
. Lúc này, chiều dòng rotor I
2
ngược
lại với trường hợp động cơ. Lực điện từ tác dụng lên rotor ngược lại với chiều
quay, gây ra mômen quay động cơ sơ cấp. Máy điện làm việc ở chế độ máy

phát . Hệ số trượt:
s =
1
1
n
nn −
< 0

Nhờ từ trường quay, cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rotor được biến thành năng
lượng điện từ chuyển từ rotor sang stator .
Máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát có nhiều khuyết điểm.
Hiện nay rất ít dùng nó để phát điện.
CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ



Trang 36
4.6 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ:
4.6.1 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TRÊN DÂY QUẤN
STATOR:
E
1
= 4,44 f k
dq1
N
1
φ
max

Ta có phương trình cân bằng điện áp stator :

1111
ZI)E(U
&&&&
+−=

)jxr(IEU
11111
++−=
&&&

với :
Z
1
= r
1
+ jx
1
: tổng trở phức của một pha dây quấn stator.
r
1
: điện trở dây quấn stator
x
1
: điện kháng tản dây quấn Stator
x
1
= 2
π
f L
1

I
1
r
1
: điện áp rơi trên điện trở một pha dây quấn stator.
4.6.2 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TRÊN DÂY QUẤN
ROTOR:
a. Khi rotor đứng yên:
Sức điện động cảm ứng trong mỗi pha có biểu thức tương tự như trong stator :
E
1
= 4,44 f k
dq2
N
2
φ
m

Vì rotor ngắn mạch nên
2
U
•
= 0
0)jxr(IEU
22222
=++−=
&&&

)jxr(IE

2222
+=
&&

Trong đó :
Z
2
= r
2
+ jx
2
: tổng trở của một pha dây quấn rotor ( đứng yên ).
r
1
: điện trở dây quấn rotor ( đứng yên ).
x
2
: điện kháng tản dây quấn rotor ( đứng yên ).
f : tần số dòng điện rotor = tần số dòng điện stator.
b. Khi rotor quay:
Khi rotor quay với tốc độ n, tức với hệ số trượt s, từ trường stator quay đối với
rotor với vận tốc tương đối sn
1
nên tần số dòng điện rotor, điện kháng tản rotor
và sức điện động cảm ứng rotor lần lượt là :
CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ



Trang 37

f
2s
= sf
x
2s
= 2π ( sf )L
2
= s x
2

( )
2m22dqs2
sENksf44,4E =φ=
&

Phương trình điện áp rotor lúc rotor quay là :
( ) ( )
222s222s2
2
.
jsxrIjxrIEEs +=+==
&&&
=
.
2s2
IZ

trong đó :
Z
2s

= r
2
+jsx
2
là tổng trở một pha dây quấn rotor lúc rotor quay
Tỉ số sức điện động pha stator và rotor :
k
e
=
==
22dq
11dq
2
1
N.k
N.k
E
E
hệ số qui đổi sức điện động.
4.6.3 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG SỨC TỪ ĐỘNG:
Phương trình cân bằng sức từ động của động cơ :
m
1
N
1
k
dq1
1
.
I

+ m
2
N
2
k
dq2
2
.
I

= m
1
N
1
k
dq1
0
.
I

0
.
I
: dòng điện stator khi không tải
1
.
I
,
2

.
I
: là dòng điện stator và rotor khi động cơ mang tải
m
1
,m
2
: là số pha của dây quấn stator và rotor
Đặt
.
'
2
i
.
2
.
2
1dq11
2dq22
I
k
I
I
kNm
kNm
==

Ta được :
.
'

2
0
..
1
III +=

Trong đó :
.
'
2
I
: dòng điện rotor quy đổi về stator
k
i
: hệ số quy đổi dòng điện
k
i
=
2dq22
1dq11
kNm
kNm

4.7 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
:
CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ



Trang 38

4.7.1 Mạch tương đương của stator:






4.7.2 Mạch tương đương của rotor quay:





4.7.3 Mạch tương đương của rotor quay, quy về rotor đứng yên :
Chia hai vế phương trình
( )
222
2
.
jsxrIEs +=
&
cho s :






+=
2

2
2
2
.
jx
s
r
IE
&

Vậy ta có mạch tương đương sau :





4.7.4 Mạch tương đương của rotor quy về stator :
Để ráp mạch rotor vơi stator, ta tiến hành quy đổi sức điện động, dòng điện và
tổng trở rotor về stator sao cho điện áp và dòng điện ở chỗ nối bằng nhau.
Tương tự như máy biến áp, nhưng chú ý là ở động cơ thì số pha dây quấn rotor
m
2
có thể khác số pha dây quấn stator m
1
, ta rút ra :
1
..
2e
.
'

2
EEkE ==
: sức điện động pha rotor quy về stator
r
1
jx
t1
.
'
2
I

td0
.
I

1
.
I

G
0
-jB
0
1
.
U

r
2

2
.
I

jsx
t2
2
.
Es
r
2
/s
2
.
I

jx
2
2
.
E
CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ



Trang 39
k
e
=
==

22dq
11dq
2
1
N.k
N.k
E
E
hệ số qui đổi sức điện động.
.
i
2
.
'
2
k
I
I =
: dòng điện rotor quy về stator
k
i
=
2dq22
1dq11
kNm
kNm
: hệ số quy đổi dòng điện
r
’
2

= k
e
k
i
r
2
: điện trở dây quấn rotor quy về stator
x
’
2
= k
e
k
i
x
2
: điện kháng dây quấn rotor quy về stator
Ta có phương trình :








+=
'
2
'

2
'
2
.
'
2
jx
s
r
IE
&


Mạch tương đương như sau :





Tách riêng điện trở r
’
2
khỏi r
’
2
/s bằng cách viết :
s
s1
rr
s

r
'
2
'
2
'
2
−
+=

Mạch tương đương trở thành :





4.7.5 Mạch tương đương chính xác, quy về stator :
r
’
2
/s
.
'
2
I

jx
’
2

.
'
2
E

r
’
2

.
'
2
I

jx
’
2
.
'
2
E

s
s1
r
'
2
−

CHƯƠNG 4 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trang 40
Kết hợp mạch tương đương stator ( câu 2.8.1) với mạch tương đương rotor (câu
2.8.4), ta được mạch tương đương của động cơ không đồng bộ :







Điện trở
s
s1
r
'
2
−
đặc trưng cho sự thể hiện công suất cơ trên trục của máy.
Điện trở biến đổi, biểu thò cho sự thay đổi của tải trên trục máy
Qua sơ đồ tương đương ta thấy rõ : Mỗi sự thay đổi tải ở trục động cơ đều dẫn
đến sự thay đổi dòng điện rotor và stator. Ví dụ khi động cơ bò quá tải, tốc độ
động cơ giảm đi, hệ số trượt tăng lên và điện trở r’
2

s
s1 −
giảm, làm cho dòng

điện rotor và stator đều tăng lên. Giả sử khi động cơ điện bò kẹt không quay
được hoặc lúc mở máy tốc độ n = o và s = 1 điện trở r’
2

s
s1 −
= 0 ; coi như thứ
cấp bò ngắn mạch nên dòng điện stator và rotor đều tăng lên rất nhiều ( bằng
từ 5-7 lần dòng điện đònh mức ), cũng vì thế tình trạng này được gọi là tình
trạng ngắn mạch động cơ điện .
4.8 QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯNG:
P
1
: công suất điện đầu vào
P
đt
: công suất điện từ chuyển qua rotor.
P
cơ
: công suất cơ
P
2
: công suất cơ hữu ích trên trục
p
Cu1
, p
cu2
: tổn hao đồng trên dây quấn
stator, rotor
P

Fe :
tổn hao sắt từ.
p
cơ
+ p
f
: tổn hao cơ + tổn hao phụ.

Động cơ điện lấy điện năng từ lưới điện vào với công suất:
P
1
= m
1
U
1
I
1
cosϕ
1
m
1
: số pha
p
Cơ
+ p
f
P
2
P
1

P
đt
p
Cu1
p
Cu2
p
Fe
P
cơ
r
1
jx
1
.
'
2
I

td0
.
I

1
.
I

G
0
-jB

0
r
’
2

jx
’
2
.
'
2
E

s
s1
r
'
2
−

⋅
1
U