Giáo trình Mạch điện cơ bản

c dập nh− hình 5-2, ghép với nhau tạo thành khối hình trụ (hình 5-4) bên trong có các rãnh để đặt dây quấn. Lõi thép đ−ợc ép chặt vào trong vỏ máy. b. Dây quấn Dây quấn stato làm bằng dây điện từ đ−ợc đặt trong các rãnh của lõi thép (hình 5-3). Trên hình 5-5 vẽ sơ đồ khai triển dây quấn stato máy ba pha lõi thép có 12 rãnh. Dây quấn pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B trong các rãnh 3, 6, 9, 12 pha C trong các rãnh 5, 8, 11, 2. Khi dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ tr−ờng quay. c. Vỏ máy Vỏ máy làm bằng gang hoặc nhôm, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ. Hai đầu có nắp máy, ổ đỡ trục. Vỏ máy và nắp máy dùng để bảo vệlõi thép dây quấn và đỡ trục máy. y y1 H5-5 Lõi thép stato Lõi thép rôtoH5-4 H5-3 Lõi thép dây quấn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 66 2. Rôto Rôto là phần ứng có nhiệm vụ cảm ứng các sđđ để sinh ra dòng điện chạy trong dây quấn rôto. Cấu tạo của rôto gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. a. Lõi thép (hình 5-4) Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện đ−ợc dập nh− (hình 5- 2) ghép lại thành khối hình trụ trên trục máy và mặt ngoài có rãnh theo h−ớng trục để đặt dây quấn. b. Dây quấn Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ có hai loại: rôto lồng sóc và rôto dây quấn. Loại rôto lồng sóc công suất trên 100kW, trong các rãnh của lõi thép rôto đặt các thanh đồng, hai dầu nối ngắn mạch bằng 2 vòng đồng, tạo thành lồng sóc. ở động cơ công suất nhỏ, lồng sóc đ−ợc chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép rôto, (hình5-6a) tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch và gân để làm mát. Động cơ điện có rôto lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ lồng sóc. Loại rôto dây quấn (hình 5-6b), trong rãnh lõi thép rôto, đặt dây quấn ba pha. Dây quấn rôto th−ờng nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng lắp cố định trên trục rôto và đ−ợc cách điện với trục. Tỳ vào 3 vòng tiếp xúc là 3 chổi than đ−ợc nối với hộp biến trở bên ngoài để mở máy và điều chỉnh tốc độ của động cơ. Loại động Biến trở Vòng tr−ợt H5- 6c Dây quấn lồng sócH5-6a H5-6b - rôto day quấn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 67 cơ này gọi là động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, đ−ợc ký hiệu nh− hình 5-6c. Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến, động cơ rôto dây quấn có −u điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ đ−ợc dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng đ−ợc các yêu cầu về truyền động. Đ5.3. Từ tr−ờng của máy điện không đồng bộ 1. Từ tr−ờng của dây quấn một pha Từ tr−ờng của dây quấn một pha là từ tr−ờng có ph−ơng không đổi,có trị số và chiều biến đổi theo thời gian, gọi là từ tr−ờng đập mạch. Số cực từ của từ tr−ờng phụ thuộc vào cánh nối dây quấn stato. Để đơn giản ta xét từ tr−ờng stato của máy điện 1 pha, lõi thép có 4 rãnh (hình 5- 7). Dây quấn stato có 2 phần tử, nên có 2 cách nối nh− hình 5-7a,b. Dòng điện chạy trong dây quấn là dòng điện xoay chiều hình sin một pha i = Imaxsinωt. ở thanh nào có dòng điện đi vào đ−ợc ký hiệu ⊗, và đi ra đ−ợc ký hiệu ~. Căn cứ vào chiều dòng điện ta vẽ đ−ợc chiều từ tr−ờng theo quy tắc cái đinh ốc. Dây quấn hình 5-7a tạo thành từ tr−ờng 2 đôi cực: p =2. Dây quấn ở hình 5-7b tạo nên từ tr−ờng 1 đôi cực: p =1. Kết luận: Số cực từ trong máy điện do cách nối dây stato quyết định. 2. Từ tr−ờng quay của dây quấn ba pha Dòng điện xoay chiều ba pha có −u điểm lớn là tạo ra từ tr−ờng quay. a. Sự tạo thành từ tr−ờng quay. Xét từ tr−ờng stato của máy điện đơn giản lõi thép có 6 rãnh, dây quấn stato có 3 phần tử. NN S S 2 1 3 4 b c d 2 3 4 a 1 H5-7a a b c d 1 2 3 4 H5-7b NS 2 1 3 4 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 68 Hình 5-8, vẽ mặt cắt ngang của stato của máy điện ba pha đơn giản, ba dây quấn AX, BY, CZ đặt trong 6 rãnh, có trục của các dây quấn lệch nhau góc 1200. Cho 3 dòng điện: iA = Imaxsinωt chạy trong dây AX tạo ra từ tr−ờng AB r iB = Imsin(ωt - 1200) chạy trong dây BY tạo ra từ tr−ờng BB r iC = Imsin(ωt - 2400) chạy trong dây CZ tạo ra từ tr−ờng CB r Từ tr−ờng trong máy là: CBA BBBB rrrr ++= + Tại thời điểm pha ωt = 900: Dòng điện pha A cực đại và d−ơng: IA= Im, nên IA đi từ A đến X, và từ tr−ờng pha A cực đại: BA= Bm, có ph−ơng nằm ngang và đi từ phải sang trái. Dòng điện pha B và C âm: IB =IC = - 0,5Im, nên IB và IC đi từ điển cuối đến điển đầu. Từ tr−ờng BB và BC có trị số bằng 0,5Bm. Dùng quy tắc cái đinh ốc xác định chiều của từ tr−ờng BA, BB và BC (hình 5- 8a). Từ tr−ờng tổng có một cực S và một cực N, ta gọi là từ tr−ờng một đôi cực (p = 1). Trục của từ tr−ờng tổng trùng với trục dây quấn pha A là pha có dòng điện cực đại và có trị số 1,5 Bm. + Thời điểm pha ωt = 2100: Dòng điện pha B cực đại và d−ơng: IB= Im, các dòng điện IA= IB= - 0,5Im(hình 5-8b). Dùng quy tắc cái đinh ốc xác định chiều của BA, BB, BC. Ta thấy từ tr−ờng tổng đã quay đi một góc là 1200 so với thời điểm tr−ớc. Trục của từ tr−ờng tổng trùng với trục dây quấn pha B là pha có dòng điện cực đại và có trị số 1,5 Bm. + Thời điểm pha ωt = 3300: Là thời điểm chậm sau thời điểm đầu 2/3 chu kỳ; lúc này dòng điện pha C cực đại và d−ơng, còn dòng điện pha A và B âm (hình 5- H5-8b O BB r AB r B r CB r A Y C Z B X H5-8c A Y C Z B X BB r AB r B r O CB r H5-8aX BB r AB r B r O CB r Y C Z B A Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 69 8c), t−ơng tự nh− trên thu đ−ợc từ tr−ờng tổng đã quay đi một góc 2400 so với thời điểm ωt=900. Trục của từ tr−ờng tổng trùng với trục BC và có trị số 1,5 Bm. + Xét t−ơng tự tại thời điểm ωt = 4100 từ tr−ờng trong máy giống nh− thời điểm ωt=900. Cứ xét lần l−ợt nh− vậy ta thấy từ tr−ờng stato của máy điện 3 pha là từ tr−ờng quay. Từ tr−ờng quay móc vòng với cả hai dây quấn stato và rôto, đó là từ tr−ờng chính của máy điện, tham gia vào quá trình biến đổi năng l−ợng. Với cấu tạo dây quấn nh− trên, ta đ−ợc từ tr−ờng quay một đôi cực. Nếu thay đổi cách cấu tạo dây quấn, ta đ−ợc từ tr−ờng 2,3 hay 4... đôi cực. b. Đặc điểm của từ tr−ờng quay Từ tr−ờng quay của hệ thống dòng điện ba pha chạy trong 3 cuộn dây giống nhau và lệch pha nhau 120o độ có 3 đặc điểm sau: - Tốc độ từ tr−ờng quay: vg/ph60fn 11 = Tốc độ từ tr−ờng quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stato f1 và số đôi cực p. Thật vật, ở hình 5-8 khi dòng điện biến thiên thêm một chu kỳ, từ tr−ờng quay đ−ợc một vòng, do đó trong một phút dòng điện stato thực hiện 60f chu kỳ, từ tr−ờng quay đ−ợc 60f vòng.Từ tr−ờng có 2 đôi cực, dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ tr−ờng quay đ−ợc 1/2 vòng (từ cực N qua S đến N là 1/2 vòng), do đó tốc độc từ tr−ờng quay là 2 60fn 11 = . Một cách tổng quát, khi từ tr−ờng quay có p đôi cực, tốc độ từ tr−ờng quay là: )(vòng/phút p 60f n 11 = (5-1) - Chiều quay của từ tr−ờng Chiều quay của từ tr−ờng phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện. Muốn đổi chiều quay của từ tr−ờng ta thay đổi thứ tự hai pha với nhau, ví dụ dòng điện iB cho vào dây quấn CZ, dòng điện iC cho vào dây quấn BY, từ tr−ờng sẽ quay theo chiều từ trục dây quấn AX đến trục dây quấn CZ rồi đến trục dây quấn BY. - Trị số của từ tr−ờng quay: B =1,5Bm = const 3. Từ tr−ờng quay của dòng điện 1 pha. Để tạo ra từ tr−ờng quay bằng dòng1 pha trong kỹ thuật ng−ời ta cho 2 dòng điện lệch pha nhau 90o chạy vào hai dây quấn đặt lệch nhau 90o, thì từ tr−ờng tổng là từ tr−ờng quay. 4. Từ thông tản. Từ tr−ờng quay trong máy điện sinh ra 2 từ thông, từ thông chính chạy trong lõi thép và từ thông tản chỉ móc vòng với mỗi dây quấn và khép mạch qua vật liệu Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 70 không sắt từ, gọi là từ thông tản. Từ thông tản stato, chỉ móc vòng với dây quấn stato, từ thông tản rôto chỉ móc vòng với dây quấn rôto. Từ thông tản đ−ợc đặc tr−ng bằng điện kháng tản X1 và X2, nh− đã xét ở máy biến áp. Đ5.4. Nguyên lý làm việc của máy điện KĐB 1. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ Khi cho dòng điện ba pha tần số f1 vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ tr−ờng quay p đôi cực, quay với tốc độ là p 60fn 11 = . Từ tr−ờng quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto, cảm ứng các sức điện động e2. Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn rôto. Lực tác dụng t−ơng hỗ giữa từ tr−ờng quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay theo chiều quay của từ tr−ờng quay với tốc độ n. Trên hình 5-9 vẽ minh hoạ từ tr−ờng quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôto, chiều các lực điện từ Fdt. Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta căn cứ vào chiều chuyển động t−ơng đối của thanh dẫn đối với từ tr−ờng. Nếu coi từ tr−ờng đứng yên, thì chiều chuyển động t−ơng đối của thanh dẫn ng−ợc chiều n1, từ đó áp dụng quy tắc bàn tay phải, xác định đ−ợc chiều sđđ nh− hình vẽ. Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1. Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ tr−ờng quay n1 vì nếu tốc độ n=n1 thì không có sự chuyển động t−ơng đối, trong dây quấn rôto không có sđđ và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ tr−ờng quay và tốc độ rôto gọi là tốc độ tr−ợt n2: n2 = n1 - n Tỷ số: 1 1 1 2 n nn n n s −== (5-2), gọi là hệ số tr−ợt, đặc tr−ng cho tải của động cơ. Khi rôto đứng yên (n = 0), hệ số tr−ợt s =1; khi rôto quay định mức s = 0,02 ữ 0,06. X Y C Z B A n1 n F F H5-9 ~ ~ ~ ~ Kí hiệu Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 71 Tốc độ động cơ tính theo hệ số tr−ợt là: s)(1 p 60fs)(1nn 11 −=−= (5-3) Đ5.5. Mô hình toán trong động cơ không đồng bộ 1. Ph−ơng trình cân bằng điện dây quấn stato. Dây quấn stato của động cơ điện kđb t−ơng tự nh− dây quấn sơ cấp của máy biến áp, nên ph−ơng trình cân bằng điện áp trong 1 pha dây quấn stato là: 1111 EZIU &&& −= (5-4) Trong đó: 111 jXRZ += là tổng trở dây quấn stato; R1 là điện trở dây quấn stato; X1 = 2πfL1 là điện kháng tản dây quấn stato, đặc tr−ng cho từ thông tản stato; f là tần số dòng điện stato; L1 là điện cảm tản stato. 1E& là sức điện động pha stato do từ thông của từ tr−ờng quay sinh ra có trị số là: E1 = 4,44f1W1kgq1Φmax (5-5) W1, kgq1 là số vòng dây và hệ số dây quấn của một pha stato. Hệ số kgq1 < 1, là do dây quấn stato quấn rải trên các rãnh lõi thép và có b−ớc quấn ngắn, không quấn đồng tâm nh− máy biến áp. Φmax là biên độ từ thông của từ tr−ờng quay. 2. Ph−ơng trình cân bằng điện ở dây quấn rôto. Dây quấn rôto giống nh− dây quấn thứ cấp máy biến áp, nh−ng ở động cơ, dây quấn rôto chuyển động đối với từ tr−ờng quay, với tốc độ n2 = n1 - n = sn1. Nh− vậy sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto có tần số là: 1 12 2 sf60 spn 60 pnf === (5- 6) Tần số dòng điện rôto lúc quay bằng hệ số tr−ợt nhân với tần số dòng điện stato f1. Lúc rôto đứng yên tần số dòng điện rôto là f1 Sức điện động pha dây quấn rôto lúc quay là: E2s= 4,44f2W2kgq2Φmax (5-7) W2, kgq2 là số vòng dâyvà hệ số dây quấn của dây quấn rôto. Hệ số kgq2<1 nói lên sự giảm sức điện động do dây quấn rôto đặt rải trên các rãnh và có b−ớc quấn ngắn. Khi rôto đứng yên s = 1, tần số f2 = f1. Sức điện động dây quấn rôto lúc không quay là: E2 = 4,44f1 W2kgq2Φmax (5-8) r1 l1 e1u1 i1 H5-12 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 72 So sánh (5-7) và (5-8) ta thấy: E2s= 4,44f1W2kgq2Φmax . s = sE2 (5-9) Sức điện pha rôto lúc quay E2s bằng sức điện động ra rôto lúc không quay nhân với hệ số tr−ợt s. Điện kháng tản dây quấn rôto lúc quay là: X2s = 2πf2L2 = s.2πf1L2 = sX2 (5-10) Trong đó L2 là điện cảm tản pha dây quấn rôto, X2 = 2πf1L2 là điện kháng tản rôto lúc không quay. Điện kháng tản rôto lúc quay bằng điện kháng tản rôto không quay nhân với hệ số tr−ợt s. Từ (5-5) với (5-8) ta có tỷ số sđđ pha stato và rôto là: gq22 gq11 2 1 e kW kW E Ek == (5-11) ke gọi là hệ số quy đổi sức điện động. Chọn chiều E2s, I2 nh− hình 5-12. Vì dây quấn rôto ngắn mạch, nên ph−ơng trình cân bằng điện lúc rôto quay là: )jX(RIE 2s222s += && (5-12a) hoặc: )jsX(RIEs0 2222 +−= && (5-12b) Trong ph−ơng trình (5-12) dòng điện rôto có tần số f2 = sf và có trị số hiệu dụng là: 2 2 22 2 2 2 XsR sEI += (5-13) 3. Ph−ơng trình cân bằng từ của động cơ không đồng bộ Khi động cơ làm việc, từ tr−ờng quay trong máy đồng thời do dòng điện của cả hai dây quấn sinh ra. Dòng điện trong dây quấn stato sinh ra từ tr−ờng quay stato có tốc độ n1. Dòng điện trong dây quấn rôto sinh ra từ tr−ờng quay rôto, quay đối với rôto tốc độ: 1 2 2 snp s60f p 60f n === Vì rôto quay đối với stato tốc độ n, nên từ tr−ờng rôto sẽ quay đối với stato tốc độ là: n2 + n = sn1 + n = sn1 + n1 (1-s) = n1 Nh− vậy, từ tr−ờng quay stato và từ tr−ờng quay rôto không chuyển động t−ơng đối với nhau. Từ tr−ờng tổng hợp của máy sẽ là từ tr−ờng quay với tốc độ n1. L2S R2 i2 E2S H5-13 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 73 Cũng lý luận nh− ở máy biến áp, từ thông Φmax có trị số hầu nh− không đổi ứng với chế độ không tải, và có tải. Do đó ta có thể viết đ−ợc ph−ơng trình cân bằng từ của động cơ là: 0dq1112dq2221dq111 IkwmIkwmIkwm &&& =− (5-14) Trong đó: 0I& là dòng điện stato lúc không tải. 21 I,I && là dòng điện stato và rôto khi động cơ kéo tải. m1, m2 là số pha của dây quấn stato và rôto. Các hệ số m1w1kdq1, m2w2kdq2 nói lên từ tr−ờng quay do đồng thời m1 pha stato và m2 pha rôto sinh ra và có xét đến số vòng dây, cấu tạo các dây quấn. Dấu trừ tr−ớc 2I& vì chiều 2I& không phù hợp với chiều từ thông theo quy tắc vặn nút chai. Chia hai vế ph−ơng trình (5-14) cho m1w1kdq1 và đặt: 2 i 2 dq222 dq111 2 'I k I kwm kwm I &&& == , ta có: 201 'III &&& += (5-15) I'2 là dòng điện rôto quy đổi về stato, hệ số dq222 dq111 i kwm kwm k = (5-16) gọi là hệ số quy đổi dòng điện. Đ5.6. Sơ đồ thay thế động cơ điện không đồng bộ Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán máy điện kđb, từ hệ ph−ơng trình cân bằng điện và từ của động cơ, thiết lập sơ đồ mạch điện thay thế cho động cơ kđb. Từ hệ ph−ơng trình của động cơ kđb: 11111 E)jX(RIU &&& −+= )jsX(RIEs0 2222 +−−= && 201 'III &&& += Ph−ơng trình (5-13) là ph−ơng trình mạch điện rôto lúc quay, trong đó dòng điện I2 có tần số f2 = sf. Chia (5-13) cho s ta có: )jX s R(IE0 2222 +−−= && (5-17) Các thông số E2, X2 trong (5-17) là sđđ rôto, điện kháng rôto lúc không quay, ứng với tần số dòng điện rôto bằng f. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 74 Ph−ơng trình (5-17) là ph−ơng trình cân bằng điện rôto qui đổi về stato. Nhân ph−ơng trình (5-17) với ke, chia và nhân với ki ta có: )kkjXkk s R( k IEk0 ie2ie2 i 2 2e +−−= && (5-18) Trong đó ke, ki là hệ số qui đổi sức điện động và hệ số quy đổi dòng điện. Gọi E'2 = keE2 = E1 là sđđ pha rôto qui đổi về stato. i 2 2 k II' = là dòng điện rôto qui đổi về stato. Trong biểu thức ki cho thấy, ngoài qui đổi dây quấn còn qui đổi số pha rôto m2 về bằng số pha stato m1. R'2 = R2keki là điện trở dây quấn rôto qui đổi X'2 = X2 keki là điện kháng rôto qui đổi . keki = kz là hệ số qui đổi tổng trở. Ph−ơng trình (5-18) trở thành: )jX' s R'('I'E0 2222 +−−= && (5-19) Giống nh− máy biến áp, -E1 và -E'2 là điện áp rơi trên tổng trở từ hoá: )jX(RI'EE thth021 +=−=− &&& (5-20) Cuối cùng ta có hệ ph−ơng trình động cơ điện nh− sau: )jX(RI)jX(RIU thth01111 +++= &&& (5-21) )jX' s R'('I)jX(RI0 222thth0 +−+= && (5-22) 201 'III &&& += (5-23) Từ hệ ph−ơng trình (5-21), (5-22), (5-23) thiết lập đ−ợc mạch điện 5-14, là sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ. Để thuận tiện cho việc tính toán, sơ đồ 5-14 đ−ợc xem gần đúng t−ơng đ−ơng với sơ đồ 5-15. Sơ đồ 5-15 đ−ợc sử dụng nhiều trong tính toán động cơ điện không đồng bộ, trong đó: Ro = R1 + Rth Xo = X1 + Xth Biến đổi: R1 X1 R2'/s X2' Rth Xth Io I1 U1 E1 H5-14 I2' R'2/s X2' R1 X1 I1 U1 Io H5-15a Ro Xo I'2 H5-15b U1 Ro Xo s s1'R 2 − I'2 Rn Xn I1 Io Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 75 s s)(1R'R' s R' 2 2 2 −+= (5-24) s R'2 đặc tr−ng cho công suất điện từ s RIm s R'I'mP 22222 2 21dt == (5-25) R'2 đặc tr−ng cho tổn hao đồng trong rôto. ∆Pđ2 = m1I'22 R'2 = m2I22 R2 (5-26a) s s)(1R'2 − đặc tr−ng cho công suất cơ trên trục. s s)(1 RIm s s)(1 R'I'mP 2 2 222 2 21c −=−=o (5-26b) Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ có thể vẽ nh− hình 5-15b Đ5.7. Mômen quay của động cơ không đồng bộ ba pha ở chế độ động cơ điện, mômen điện từ đóng vai trò mômen quay và đ−ợc tính là: 1 dt dt PMM ω== (5-27) Trong đó: • Pđt là công suất điện từ đ−ợc tính bằng biểu thức (5-25): s R'I'mP 2221dt = • ω1 là tần số góc của từ tr−ờng quay:ω1=ω/p (5-28) • ω là tần số góc dòng điện stato. • p là số đôi cực từ. Dựa vào sơ đồ gần đúng (5-15b), dòng điện I'2 đ−ợc tính là: 2 21 22 1 1 2 )X'(X) s R'(R UI' +++ = (5-29) Thay (5-25), (5-28), (5-29) vào (5-27) đ−ợc: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +++ω = 2 21 22 1 2 2 11 )X'(X) s R'(Rs R'pUmM (5-30) Trên hình (5-16a) vẽ quan hệ mômen theo hệ số tr−ợt: M = f(s) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 76 Nếu thay n nns 1 −= ta sẽ có quan hệ n = f(M), đó là đ−ờng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ (hình 5-16b). Động cơ sẽ làm việc ở điểm mômen quay bằng M bằng mômen cản MC. Các đặc điểm của mômen quay động cơ không đồng bộ: - Mômen tỷ lệ với bình ph−ơng điện áp, nếu điện áp đặt vào động cơ thay đổi, mômen động cơ thay đổi rất nhiều. Trên hình 5-16c vẽ đ−ờng M = f(s) với các điện áp khác nhau U2 < U1. - Mômen có trị số cực đại Mm ứng với giá trị tới hạn sth làm cho đạo hàm 0 s M =∂ ∂ . Sau khi đạo hàm tính đ−ợc trị số sth và Mm là: 21 2 211 2 th X'X R' X' XR R's +≈++= (5-31) ≈+++= ])X(XR[R2ω pUmM 2' 21 2 11 2 11 m )X'X(R2ω pUm 211 2 11 ++ (5-32) Hệ số tr−ợt tới hạn sth tỷ lệ thuận với điện trở rôto, còn Mm không phụ thuộc vào điện trở rôto, khi cho thêm điện trở phụ Rp vào mạch rôto, đ−ờng đặc tính M = f(s) thay đổi nh− hình 5- 16d. Tính chất này đ−ợc sử dụng để điều chỉnh tốc độ và mở máy động cơ rôto dây quấn. Quan hệ giữa M, Mm và sth có thể viết gần đúng nh− sau: ) s s s s(:M2M th th m += O 0,2 0,4 0,6 0,8 1 s Mmở Mm M MMC H5 -16a n1 n MC M Mmở M o H5 -16b M H5 -16c O 0,2 0,4 0,6 0,8 1 s U2 U1 M O 0,2 0,4 0,6 0,8 1 s Mm R2 H5 -16d R2+ R'p R2+R"p Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 77 (5-33) Thay s = 1 vào biểu thức (5-30), mômen mở máy động cơ là: ])X'(X)R'ω[(R R'pUmM 2 21 2 21 2 2 11 +++=mở (5-34) Đối với động cơ lồng sóc th−ờng cho các tỷ số sau: 2,51,6 M M2;1,1 M M dm m d ữ=ữ= m mở Đ5.8. Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha Để động cơ không đồng bộ ba pha mở máy đ−ợc, mômen mở máy của động cơ phải lớn hơn mômen cản của tải lúc mở máy, đồng thời mômen động cơ phải đủ lớn để thời gian mở máy trong phạm vi cho phép vì: Khi mở máy hệ số tr−ợt s =1, theo sơ đồ thay thế gần đúng, dòng điện pha lúc mở máy: 2 21 2 21 1 )X'(X)R'(R UI +++=pmở (5-35) Dòng điện mở máy lớn bằng 5 ữ 7 lần dòng điện định mức, sẽ làm cho điện áp mạng điện tụt xuống khi l−ới điện công suất nhỏ, ảnh h−ởng đến sự làm việc của các thiết bị khác. Vì thế ta cần có các biện pháp mở máy. 1. Mở máy động cơ rôto dây quấn Khi mở máy, dây quấn rôto đ−ợc nối với biến trở mở máy (hình 5-17). Lúc mở máy để biến trở lớn nhất, sau đó giảm dần đến không. Đ−ờng đặc tính mômen ứng với các giá trị Rmở vẽ trên hình (5-16d). Muốn mômen mở máy cực đại, hệ số tr−ợt tới hạn phải bằng 1: 1 X'X R'R's 21 2 th =+ += mở (5-36) Từ đó xác định đ−ợc điện trở Rmở cần thiết. Khi có Rmở dòng điện pha mở máy là: 2 21 2 21 1 )X'(X)R'R'(R UI ++++= mởpmở Nhờ có Rmở dòng điện mở máy giảm xuống. Biến trở Vòng tr−ợt H5- 17 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 78 Nh− vậy, có Rmở mômen mở máy tăng, dòng điện mở máy giảm, đó là −u điểm lớn của động cơ rôto dây quấn. 2. Mở máy động cơ lồng sóc a. Mở máy trực tiếp Đây là ph−ơng pháp đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ điện vào l−ới điện (hình 5-19). Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp này là dòng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp mạng điện rất nhiều, nếu quán tính của máy lớn, thời gian mở máy sẽ rất lâu, có thể làm chảy cầu chỉ bảo vệ. Vì thế ph−ơng pháp này dùng đ−ợc khi công suất nguồn điện lớn hơn công suất động cơ rất nhiều, việc mở máy sẽ rất nhanh và đơn giản. b. Giảm điện áp stato khi mở máy Khi ta mở máy giảm điện áp đặt vào động cơ, để giảm dòng điện mở máy. Khuyết điểm của ph−ơng pháp này là mômen mở máy giảm rất nhiều, vì thế nó chỉ sử dụng đ−ợc đối với tr−ờng hợp không yêu cầu mômen mở máy lớn. Có các biện pháp giảm điện áp nh− sau: + Dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stato. Điện áp mạng điện đặt vào động cơ qua điện kháng Đ.K (hình 5-20). Lúc mở máy, cầu dao K2 mở, cầu dao K1 đóng. Khi động cơ đã quay ổn định thì đóng cầu dao 2 và mở cầu dao K1. Nếu điện áp đặt vào động cơ giảm k lần, thì dòng mở máy cũng giảm đi k lần và mômen giảm đi k2 lần. + Dùng máy tự biến áp. Điện áp mạng điện đặt vào sơ cấp máy tự biến áp (hình 5-21). Điện áp thứ cấp máy tự biến áp đ−a vào động cơ. Thay đổi vị trí con chạy để lúc mở máy điện áp đặt vào động cơ nhỏ, sau đó tăng dần lên bằng định mức. Gọi k là hệ số biến áp ≈ ≈ H5-19 ≈≈ ≈≈ H5-20 ĐK H5-21 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 79 của máy tự biến áp; U1 là điện áp pha l−ới điện; Zd là tổng trở động cơ lúc mở máy. Điện áp pha đặt vào động cơ khi mở máy là: Uđc = k U1 Dòng điện chạy vào động cơ là: d 2 1 d dc dc Zk U Z UI == Dòng điện l−ới điện cung cấp cho động cơ lúc có máy tự biến áp là: d 2 1dc BA1 Zk U k II == (5-37) Khi mở máy trực tiếp dòng điện I1 bằng: d 1 1 Z UI = (5-38) So sánh (5-37) và (5-38) ta thấy, lúc có máy tự biến áp, dòng điện mở máy giảm đi k2 lần. Đây là một −u điểm so với ph−ơng pháp dùng điện kháng (dòng điện chỉ giảm k lần). Vì thế ph−ơng pháp dùng máy tự biến áp đ−ợc dùng nhiều đối với động cơ công suất lớn. Điện áp đặt vào động cơ giảm k lần, nên mômen sẽ giảm k2 lần. + Ph−ơng pháp đổi nối sao - tam giác Ph−ơng pháp này chỉ áp dụng với những dộng cơ khi làm việc dây quấn stato nối hình tam giác. Sơ đồ nối mạch nh− hình 5-22. Khi mở máy đóng cầu dao K1 và cầu dao K2 sang phía b để nối dây stato hình sao nên điện áp đặt vào mỗi pha giảm 3 lần. Khi máy chạy ổn định đóng K2 sang phía a, đổi nối dây stato thành nối tam giác đúng quy định của máy. Dòng điện dây khi nối hình tam giác: d 1 d∆ Z U3I = (5-39) Dòng điện dây khi nối hình sao là: H5-22 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đề c−ơng bài giảng Lê Bá Tứ 2008 80 d 1 dY Z3 UI = (5-40) So sánh (5-39) và (5-40) ta thấy ph−ơng pháp mở máy đổi nối sao - tam giác dòng điện mở máy giảm đi 3 lần và mômen giảm đi 3 lần. Nhậ xét: Các ph−ơng pháp mở máy đều có mômen mở máy giảm xuống nhiều. Để khắc phục điều này, ng−ời ta đã chế tạo loại động cơ lồng sóc kép và loại rãnh sâu có đặc tính mở máy tốt. 3. Động cơ điện lồng sóc có đặc tính mở máy tốt a. Động cơ điện lồng sóc r∙nh sâu Loại động cơ này, rãnh rôto hẹp và sâu (chiều sâu bằng 10 ữ 12 lần chiều rộng rãnh), vẽ trên hình 5-23. Khi có dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôto, từ thông tản rôto φt phân bố nh− trên hình 5-23, móc vòng với đoạn d−ới thanh dẫn nhiều hơn đoạn trên. Khi mở máy, rôto ch−a quay, dòng điện rôto có tần số lớn bằng tần số f1, điện kháng tản rôto sẽ lớn hơn điện trở, và có tác dụng quyết định đến sự phân bố dòng điện rôto. Lúc mở máy điện kháng tản phía d−ới lớn, dòng điện tập trung phía trên thanh dẫn gần miệng rãnh. Do sự phân bố dòng điện tập trung nhiều ở phía miệng rãnh, tiết diện dẫn điện của thanh coi nh− bị nhỏ đi, điện trở rôto R2 tăng lên sẽ làm tăng mômen mở máy. Khi mở máy xong, tần số dòng điện rôto nhỏ, tác dụng trên bị yếu đi, điện trở rôto gi