Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 8: Máy điện không đồng bộ - Phạm Hùng Phi

CHƯƠNG VIII m¸y ®iÖn kh«ng ®ång bé 8.1 Kh¸i niÖm chung 8.2 CÊu t¹o 8.3 Tõ trường quay trong §CK§B 3 pha 8.4 Nguyªn lý lµm viÖc 8.5 Mô hình toán học của ĐCKĐB 8.6 Quy ®æi vµ s¬ ®å thay thÕ 8.7 Qu¸ tr×nh n¨ng lượng 8.8 M« men quay vµ ®Æc tÝnh c¬ 8.9 C¸c phương ph¸p më m¸y cña §CK§B 3 pha 8.10 C¸c phương ph¸p điều chỉnh tốc độ 8.11 Động cơ KĐB 1 pha 2. C¸c sè liÖu ®Þnh møc 8.1 Kh¸i niÖm chung 1. §Þnh nghÜa • MĐ xoay chiều • Tốc độ quay rôto n khác tốc độ từ trường n1 P®m W, kW U®m V, kV Y/∆-380/220 V I®m A, kA n®m vg/ph M®m Nm m m m PM = ω ® ® ® m m m PM 9550 n = ® ® ® (vg/ph) (kW) m m P9,55 n = ® ® (W) (vg/ph) η, cosϕ Chú ý: Uđm , Iđm: đại lượng dây m m P 2 n 60 = pi ® ® P®iÖn Pc¬ P®m 2. R«to a. Lâi thÐp b. D©y quÊn: cã 2 lo¹i * R«to lång sãc Đặc điểm: Vành ngắn mạch Thanh dẫn đồng hoặc nhôm - Kết cấu đơn giản - Không thay đổi được R2 3 vành trượt đồng Rf * R«to d©y quÊn Đặc điểm: - Cấu tạo phức tạp, giá thành cao - Có thể thay đổi R2 Dây quấn 3 pha nối Y Khe hë kh«ng khÝ : δ = (0,25 ÷1) mm Chổi than Wound-rotor Motor 8.3 Tõ trường quay trong §CK§B 3 pha 1. Định nghĩa: Từ trường do hệ thống dòng 3 pha trong dây quấn stato tạo ra 2. C¸ch t¹o tõ trường quay AX : iA = Imsinωt BY : iB = Imsin(ωt-120 o) CZ : iC = Imsin(ωt+120 o) * T¹i ωt1 = 90 o : iA = Im > 0 ( )•qui ước iA ch¹y tõ A => X( )⊕ iB ch¹y tõ Y => B ( )•( )⊕ iC ch¹y tõ Z => C ( )•( )⊕ Tõ trường tæng trïng víi trôc d©y quÊn pha Atongφ r m B Ii 2 = − < 0 m C Ii 2 = − < 0 A,B,C : đầu đầu X,Y,Z : đầu cuối A Y B X C Z tongφ r + + + * T¹i ωt2 = 90 o + 120o iB = Im > 0 ( )•iA ch¹y tõ X => A( )⊕ iB ch¹y tõ B => Y ( )•( )⊕ iC ch¹y tõ Z => C ( )•( )⊕ trïng víi trôc d©y quÊn pha C tongφ r m A Ii 2 = − < 0 m C Ii 2 = − < 0 * T¹i ωt3 = 90 o + 240o * T¹i ωt4 = 90 o + 360o A Y B X C Z trïng víi trôc d©y quÊn pha A tongφ r trïng víi trôc d©y quÊn pha B tongφ r tongφ r tongφ r + + + A Y B X C Z + + + tongφ r Nhận xét : Khi cho i3pha vào dq 3 pha - Tốc độ: Khi iS biến thiên 1 chu kỳ T 1 1 60f n p = vòng - Chiều quay từ trường: phụ thuộc thứ tự pha của dây quấn stato
Nếu đổi thứ tự 2 trong 3 pha của dây quấn cho nhau
Từ trường quay ngược lại n1 A B C B A C Từ trường quay + số đôi cực p = 1: 1 vòng tongφ r quay được: + p đôi cực: 1/p vòng + 1 giây: 1 f p vòngtongφ r quay được
Phương pháp đổi chiều quay của ĐCKĐB 3 pha + Trong 1 phút : tongφ r * Đặc điểm từ trường quay : m3p mp 3 2 φ = φ 1 Y tongφ r C A X Z B C m 1 2 φ = φr tong m 3 2 φ = φr A mφ =φ r B m 1 2 φ = φr - Tõ trường cña d©y quÊn 3 pha lµ tõ trường quay trßn cã biªn ®é kh«ng ®æi : 8.4 Nguyªn lý lµm viÖc : n1 tongφ r - §Æt U~3p vµo d/q 3 pha cña stato 1 1 60f n p = => e2 => i2 => i2 - T¸c dông tongφ r vµ i2 => M => kéo r«to quay cïng chiÒu n1 víi n < n1 => có từ trường quay 1 1 n n s n − =§Æt => hÖ sè trượt sđm = 0,02 ÷ 0,06 so = 0 => kh«ng t¶i lý tưởng + e2 • Mđt 8.5 Các phương trình cơ bản (mô hình toán học của ĐCKĐB) Dây quấn stato ~ Sơ cấp MBA Dây quấn rôto ~ Thứ cấp MBA Không tải lý tưởng của ĐC
MBA không tải Thời điểm mở máy của ĐC
MBA ngắn mạch So sánh ĐC KĐB 3 pha và MBA 3 pha Trục 3 d/q song song Trục 3 d/q lệch nhau 120o MBA 3 pha ĐCKĐB 3 pha Từ trường đập mạch Từ trường quay D/q TC cố định so với SC D/q TC chuyển động tương đối so với SC với n ≠ n1f2 = f1 = f f2 ≠ f1 D/q tập trung D/q rải kdq= 1 kdq< 1 2 đầu d/q TC nối với tải điện 2 đầu d/q rôto nối ngắn mạch U2 = 0U2 ≠ 0 Từ trường chính khép kín trong lõi thép Từ trường chính khép kín 2 lần qua khe hở δIo nhỏ Io lớn E1 = 4,44f1 W1 φm E1 = 4,44f1 W1 kdq1 φ 1. Phương tr×nh c©n b»ng ®iÖn d/q Stato lµ s¬ cÊp, d/q R«to lµ thø cÊp Tương tù như d/q s¬ cÊp MBA: E1 = 4,44f1 w1 kdq1 φm kdq1 < 1: hệ số dây quấn của dây quấn stato a. PhÝa Stato b. PhÝa Rôto Khi R quay víi tèc ®é n n1 n s.®.® e2 vµ i2 cã tÇn sè f2 2 pn 60 = n2 = n1 - n n2 1 2 p(n n)f 60 − = 1 1 1 pn (n n) 60 n − = 1sf= E1U1 I1 X1R1 f2 = sf1 => cã s 1 1 11 1 1U E jX I R I • • • • = − + + S.®.® E2 : E2s = 4,44f2 w2 kdq2 φ = s.4,44f1 w2 kdq2 φ s.®.® trong d/q R«to khi R«to ®øng yªn E2s = sE2 Phương trình cân bằng điện áp d/q rôto: f2 I2 X2S E2S R2 Trong ®ã : X2S = ω2L2 = 2 pi f2 L2 = s. 2 pi f1 L2 X2 X2 : ®iÖn kh¸ng t¶n khi R«to ®øng yªn X2S : ®iÖn kh¸ng t¶n khi R«to quay X2S = sX2 f2 = sf1 E2 E2 : 2S 2 22S 20 E jX I R I • • • = − − − 2. Phương tr×nh c©n b»ng tõ: kh«ng t¶i, φ do s.t.® Fo : cã t¶i, φ do tæng 2 s.t.® : m1, m2 : sè pha của dây quấn kdq1, kdq2 : hÖ sè dây quấn U1≈ E1 = 4,44f1 w1 kdq1 φm const=> φ = const 1 2 oF F F • • • => + = . . . 1 2 o1 1 dq1 2 2 dq2 1 1 dq1m w k I m w k I m w k I+ = Chia 2 vÕ cho m1w1 kdq1 2 1 o 1 1 dq1 2 2 dq2 II I m w k m w k • • • + = ki - I2 ’ . . . ' 1 o 2I I I= + 1 21 1 dq1 2 2 dq2m w k I m w k I • • + bỏ qua ∆ U1 víi . ' . 2 2 i II k = − oF • o1 1 dq1m w k I • ∼ 1 2F F • • + ∼ 8.6 Qui ®æi vµ s¬ ®å thay thÕ: f2 I2 X2S E2S R2 E1U1 I1 X1R1 f1 2S 2 2 2S0 E I (R jX ) • • = − + + Phương tr×nh c©n b»ng ®iªn ¸p r«to d¹ng phøc : Chia 2 vÕ cho s Chó ý : E2s = sE2 X2S = sX2 f1 I2 X2 E2 R2 2 1 sR s − TÇn sè f2 . . . 2S 2 22S 20 E jX I R I= − + + ≠ 2 2 2 2 2 1 s0 E I (R jX R ) s • • − = − + + +
Quy ®æi tÇn sè f2 ->f1 TÇn sè f1 Sau quy ®æi: I1 X1R1 Rth R2 ’ I2 ’X2’ U1 Xth Io ' 2 1 sR s − Io = (20 ÷50)%I®m Kh«ng t¶i lý tưởng: s = 0 Khi më m¸y : S¬ ®å thay thÕ gÇn ®óng Io ' 2 1 sR s − I1 X1R1 Rth R2 ’ I2 ’X2’ U1 Xth X1R1 ' 1 2 ' '2 22 1 1 2 UI R(R ) (X X ) s = + + + sm =1 ' 2 1 sR s − ®Æc trưng Pc¬ 8.7 Qu¸ tr×nh n¨ng lượng C«ng suÊt nhËn tõ lưới P1 I1 R1 R2 ’ I2 ’ Io ' 2 1 sR s − ∆Pst ∆P®1 ∆P®2 Pc¬ Tæn hao ®ång trªn Stato ∆P®1 =3 R1I12 ∆P®2 =3 R2I22 ∆Pst =3 RthIo2 ∆P®1 + ∆ Pst = ∆P1 =>Tæn hao trªn stato P®t = P1 - ∆P1 ' 2 '2 2 R3 I s = Tæn hao ®ång trªn R«to: Tæn hao s¾t tõ C«ng suÊt ®iÖn tõ C«ng suÊt c¬ 2 ' ' c 2 2 1 sP 3R I s − =¬ C«ng suÊt c¬ h÷u Ých ®Çu trôc: P2 = Pc¬ - ∆Pc¬+fô 2 1 P P η =HiÖu suÊt P1 P®t ∆P®2 = sP®t , ,2 2 23R I= ≈ 0,7÷ 0,9 8.8 M« men quay vµ ®Æc tÝnh c¬ 1. BiÓu thøc m« men M2 : M« men cña t¶i 2 2 r PM = ω 1 PM = ω ®tM« men ®iÖn tõ: ' 2 '2 t 2 RP 3 I s =® ' 1 2 ' '2 22 1 1 2 UI R(R ) (X X ) s = + + + 1 1 2 f p p piω ω = = ' '2 22 1 1 1 2 M R2 f [(R ) (X X ) ] s = pi + + + 2 ' 1 23pU R /s 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 50 60 s M Duong cong mo menM s Mmax §Æc ®iÓm m« men quay : - M = f(s) + so = 0 Mo = 0 + sm = 1: më m¸y m ' 2 ' 2 1 1 2 1 2 M 0 2 f [(R R ) (X X ) ]= ≠pi + + + 2 ' 1 23pU R dM 0 ds = ' 2 k 2 ' 2 1 1 2 R s R (X X ) ≈ + + max 2 ' 2 1 1 1 1 2 M 4 f [R (R (X X ) ] = pi + + + 2 13pU ' '2 k 2' 1 2 R s R X X ≈ ∈ + ' 2' 1 1 2 R 2 [R X X ]≈ ∉ω + + 2 13pU ' '2 22 1 1 1 2 M R2 f [(R ) (X X ) ] s = pi + + + 2 ' 1 23pU R /s Mm + s = sk, M = Mmax - M ∼ U1 2 => khi ®iÖn ¸p thay ®æi => M thay ®æi nhiÒu => dïng Rm (Rf ) nèi tiÕp m¹ch r«to ®Ó t¨ng Mm ' ' 2 f k ' 1 2 R R s X X + ≈ + max ' 1 1 2 M 2 [R X X ]≈ ω + + 2 13pU = const sk sk ’ Mmax §Ó Mm = Mmax : ' ' 2 f k ' 1 2 R R s X X + ≈ + = 1 - V× R1 < ( X1 + X2 ’) f1 => Mm ’ Mm ∉- Mm R2’ 2 1 2 1 U f Mmax∼ 0 10 20 30 40 50 60 0 500 1000 1500 n M 2. §Æc tÝnh c¬ : n = f(M) s M n 0 0 n1 sk Mmax nk 1 Mm 0 AB : vïng æn ®Þnh - đoạn làm việc BC : vïng kh«ng æn ®Þnh * Vïng AB: t¹i k1 cã M®/c = Mc > M®/cKhi M C => n => Mđ/c ®Ó M c©n b»ng MC * Vïng BC : > M®/cKhi M C => n t¹i k2 cã M®/c = Mc cµng < MC
n sÏ gi¶m vÒ 0 A B C MC’MC k1 n = (1-s)n1 1 1 n n s n − = => Mđ/c MC ’ k2 MC 8.9 C¸c phương ph¸p më m¸y cña §CK§B 3 pha 1. Tại sao phải mở máy? + §iÒu kiÖn: Mm > MC + Yªu cÇu: C dM M J dt ω − = J : m« men qu¸n tÝnh Im X2 ’ U1 X1R1 R2’ 1 m ' '2 2 1 2 1 2 UI (R R ) (X X ) = + + + = (5 ÷7) I®m Khi nhiÒu ®/c cïng më m¸y: Itæng tõ lưới vµo sÏ rÊt lín
∆U U®/c
Mm tm Aptomat t¸c ®éng
g©y mÊt ®iÖn
BiÖn ph¸p më m¸y: gi¶m Im • Mm lín • Im nhá • ThiÕt bÞ ®¬n gi¶n • ∆Pm nhỏ 2. §iÒu kiÖn vµ yªu cÇu Mở máy: n = 0, s = 1 3. Phương ph¸p më m¸y động cơ lång sãc a. Më m¸y trùc tiÕp - Im lín - Công suất động cơ Pđm ˂˂ Slưới CD Direct starter CD1 CD2 CK b. Më m¸y b»ng gi¶m U1 * Cuén kh¸ng khëi ®éng Do có ∆UCK
Uđc giảm Uđc = 1k U , k 1< l c Uk= ®Z Imđc = c c U ® ®Z Im Imđc = mkI
Mmck = 2 mk MVì M ∼ U2 Im, Mm là dòng và mô men mở máy trực tiếp với Uđm ∆ UCK CD2 CD1 * Biến áp tự ngẫu I1 = Iml I2 = Imđc U1 = Ul U2 = Uđc Trong MBA : 1 2 BA 2 1 U I k U I = = l 2 ba UU k =

m m ba II k =®c (**) Từ (*) và (**) (*) m 2 ba I k = m ml 2 ba II k = m mBA 2 ba MM k = Iml m ba I k = ®c U1 U2 Iml Im®c * Đổi nối Y
∆ Mở máy trực tiếp ∆: md mI I ∆= Mở máy bằng nối Y: md mp mYI I I= = m m YI 3I∆ = m mY II 3 = m mY MM 3 = mp3I= p c U 3= ®Z d c U3= Z ® p c U = ®Z d c U = Z ®3 CD1 CD2 A B C X Y Z Y ∆ Star- Delta starter 4. Động cơ dây quấn Rm (Rf ) nối tiếp mạch rôto CD Rf 1 mf ' ' '2 2 1 2 f 1 2 UI (R R R ) (X X ) = + + + + ' ' f m ' ' 2 ' 2 1 2 f 1 2 R )M [(R R R ) (X X ) ] + = ω + + + + 2 ' 1 23pU (R sk sk ’ Mmax Ưu điểm động cơ dây quấn 8.10 C¸c phương ph¸p điều chỉnh tốc độ n = ( 1-s)n1 160fn (1 s) p => = − 1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi p: p =1 => n1 = 3000 vg/ph p =2 => n1 = 1500 vg/ph p =3 => n1 = 1000 vg/ph Điều chỉnh nhảy cấp Mục tiêu : Điều chỉnh trơn, phạm vi điều chỉnh rộng - Để thay đổi p
a. Thay đổi cách nối dq stato: p = 2 p = 1 - Khi p thay đổi thì n sẽ thay đổi S/2N S NS/2 N S 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 n M
Phương ph¸p nµy chØ dïng cho ®ck®b lång sãc p=1 p=2 §Æc tÝnh c¬ khi thay ®æi p, c«ng suÊt Pc¬ không đổi a. Động cơ KĐB có 2 dây quấn stato với số đôi cực khác nhau 0 5 10 15 20 25 30 35 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 2. Điều chỉnh tốc độ bằng thay tần số 160fn (1 s) p = − - Khi thay đổi f1 mong muốn giữ Mmax = const
thay đổi f1 phải kết hợp với điều chỉnh (gi¶m) U1 50 Hz = f1> f1’ > f1’’ • Điều chỉnh trơn, phạm vi điều chỉnh rộng • Phải có bộ biến tần n1 ’’ n1 ’ n1 f1 ’’ f1 ’ f1 MC f1 < fcb = 50 Hz 2 1 2 1 U f Vì : Mmax∼ Đặc điểm Điều chỉnh tốc độ hệ thống HVAC 50Hz 25Hz 0Hz 50Hz 25Hz 0Hz Thí dụ: Máy nén (với áp suất đặt 80 psi)
Tiết kiệm tới 35% điện năng Giảm hao mòn cơ khí do khởi động nhiều lần 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 3. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi hệ số trượt s 160fn (1 s) p = −a. Giảm điện áp U1 Khi giảm U1 : M = f(s) giảm vì M ∼ U12 máy nóng, tổn hao tăng
giảm η sk Uđm U1< UđmNÕu Mc = const M®/c = CmφI2 = const U (0,12 ÷0,2) phạm vi hẹp ' 2 k ' 1 2 R s X X ≈ + = const MC t¶i qu¹t giã s1 s2 MC 160fn (1 s) p = −b. Rf nối tiếp mạch rôto s2s1 MC Đặc điểm : • Điều chỉnh trơn, phạm vi điều chỉnh tương đối rộng • Dòng rôto lớn
∆P tăng Khi có Rf ' ' 2 f k ' 1 2 R R s X X + ≈ + Mmax = const max ' 1 1 2 M 2 [R X X ]≈ ω + + 2 13pU Giảm η 8.11: Động cơ KĐB 1 pha a- Cấu tạo: dây quấn stato là dây quấn một pha b- Nguyên lý làm việc U ~1pha => => φA & φB φ TT đập mạch φ φA i2A MAφA & i 2A φB i2B Aφ r Bφ r φr 1ω 1ω Aφ r Bφ r φr e2A = f(sA) m mA mB 2 φφ = φ = 1A 1B 1ω = ω = ω 1 A 1 n n s s n − = =f2A = sA f1 e2B cã f2B = sB f1 1 B 1 n n s n + = 1 A 1 B 1 n (1 s )n s n + − = = 2 – sA = 2 - s n φAφB n1n1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 s M M = MA + MB Nhận xét: Tại s = 1 => M = 0
Động cơ một pha không có mô men mở máy MA MB M φB & i 2B MB s= sA 0 1 2 sB 2 1 0 * D©y quÊn phô c. Phương ph¸p më m¸y k Z lÖch pha WC Wf R, L or C Zlf = R U ur CI r fI r β Uur CI r fI r β Zlf = L Zlf = C U ur CI r fI r β WC Wf k β << 90o WA WB WA WB k Cmm Clv Động cơ điện dung làm việc Động cơ điện dung vừa có tụ làm việc vừa có tụ mở máy * Vòng ngắn mạch trên mặt cực ⊕ • ⊕ • N S vòng ngắn mạch dq chính φC φf Cφ r C 'φ r nE ur nI r nφ r fφ r β Ví dụ: ĐCKĐB 3 pha có : Pđm = 15 kW, nđm = 1420 vg/ph; Ký hiệu dq nối Y/∆ - 380/220 V ; Ud = 380 V; Mco = 0,45 Mđm 1 – Tìm Iđm; Mđm ; P, Q của đc tiêu thụ 3 – Để mở máy: - Dùng cuộn kháng giảm 30% điện áp - Dùng BATN với kBA = 1,4 2 – Tìm Im ; Mm ; Mmax - Dùng đổi nối Y - ∆ Phương pháp nào sử dụng được? Tại sao? = m ®m M 1,5 M = max ®m M 2,2 M = m ®m I 6 I η = 0,88; cosϕ = 0,89; Giải 1 – Tìm Iđm; Mđm ; P, Q của đc tiêu thụ = η ϕ ®m ®m ®m P I 3U cos = = ®m ®m ®m P M 9550 n = 15 9550 1420 = η ®m ®m P P = 15 0,88 = ϕQ P.tg cosϕ = 0,89 => tg ϕ = (kW) (N.m) (kVAr) = 1,5 .. 2- Mở máy = 6.. => Uđ/c = 0,7 Uđm => Mmck = (0,7)2 Mm = 0,49.. - Đổi nối Y - ∆ : =m ®mI 6I =m ®mM 1,5M = 2,2.. . =max ®mM 2,2M - Cuộn kháng giảm 30% điện áp Imck = 0,7 Im = 0,7 .. - BATN với kba = 1,4 = m mBA 2 ba M M k = m 2 M 1,4
nối Y
không dùng đượcY/∆ - 380/220 V ; Ud = 380 V