Bài giảng Kỹ thuật điện điện tử – Chương 5: Động cơ không đồng bộ 3 pha

218 trang ngocly 2460

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện điện tử – Chương 5: Động cơ không đồng bộ 3 pha", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ky_thuat_dien_dien_tu_chuong_5_dong_co_khong_dong.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện điện tử – Chương 5: Động cơ không đồng bộ 3 pha

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 153 CHƯƠNG 05 ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 5.1.TỔNG QUAN VỀ TỪ TRƯỜNG TRONG MẠCH TỪ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN : Mạch từ của động cơ cảm ứng hay động cơ khơng đồng bộ 3 pha gồm hai thành phần: Stator : phần đứng yên khơng quay. Rotor: phần quay của động cơ. Khi cho dịng điện qua các bộ dây quấn trên stator để tạo thành hệ thống đường sức từ trường hay từ thơng trong mạch từ. Hệ thống đường sức từ trường thỏa các qui luật sau dây: Đường sức từ trường luơn cĩ hướng và khép kín trên mạch từ . Đường sức từ đi theo đường ngắn nhất cĩ từ trở nhỏ nhất và tập trung mạnh nhất trong vật liệu dẫn từ. Một hệ thống đường sức từ khép kín được gọi là múi đường sức. Số múi đường sức bằng với số cực từ hình thành trong động cơ CỰC TỪ BẮC BƯỚC CỰC TỪ STATOR STATOR Số cực từ của động BẮC cơ (ký hiệu là 2p), luơn luơn là số chẳn. Các cực từ đối TỪ tính luơn luơn xếp liên tiếp TỪ THÔNG THÔNG xen kẻ nhau trong khơng gian của rotor và stator. NAM NAM ROTOR ROTOR Trong hình 5.1 trình bày phân bố đường sức từ trường dạng tổng quát.trên mạch từ của động cơvới các trường hợp 2p = 2 cực BẮC và 2p = 4 cực. MÔ HÌNH 2p = 2 CỰC TỪ NAM MÔ HÌNH 2p = 4 HÌNH 5.1: Phân bố đường sức từ trường trong mạch từ DÂY QUẤN STATOR CỰC TỪ BẮC TRUNG TÍNH HÌNH HỌC CỰC TỪ NAM TỪ THÔNG STATOR HÌNH 5.2: Phân bố đường sức từ trường trong mạch từ startor động cơ 2p = 2 cực. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
154 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 Trong hình 5.2, ta cĩ thể hình dung rõ ràng hơn dạng đường sức từ trường (hay từ thơng) qua mạch từ của mạch từ động cơ cĩ 2p = 2. Từ thơng tạo ra trong mạch từ là do các cuộn dây quấn trên stator khi cho dịng điện đi qua. Quan sát hệ thống đường sức hình thành trên mạch từ ta rút ra các nhận xét như sau:  Tại mặt cực từ cĩ đường sức đi hướng ra là mặt cực từ Bắc  Tại mặt cực từ cĩ đường sức đi hướng vào là mặt cực từ Nam.  Đường sức từ trường tập trung mạnh nhất ngay giữa mặt cực từ.  Đường thẳng nối liền tâm của các mặt cực từ (trong kết cấu 2p = 2) gọi là trục cực từ.  Đường thẳng vuơng gĩc với trục cục từ gọi là đường trung tính hình học. 5.1.1.PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG TRONG KHƠNG GIAN : Muốn hiểu rõ phân bố từ thơng trong khỏang khe hở khơng khí giữa rotor và stator, ta cĩ thể khai triển kết cấu trong hình 5.2 từ dạng khơng gian đưa về dạng khai triển trong mặt phằng xem hình 5.3. Theo điện từ học, tại những vị trí nào đường sức tập trung dầy đặc, mật độ đường sức từ trường phân bố tăng cao, từ cảm B cĩ giá trị cao. Ngược lại tại các vị trí nào ĐƯỜNG SỨC TỪ TRƯỜNG PHÂN BỐ THƯA THỚT, từ cảm B cĩ giá trị thấp. Tương tự, tại các vị trí khơng cĩ đường sức từ đi qua, từ cảm cĩ giá trị là B = 0 . Tuy nhiên để phân biệt tính chất của các cực từ Bắc và Nam trên kết cấu mạch từ, ta cĩ thể qui ước như sau : Tại cực Bắc qui ước giá trị B > 0 . Tại cực Nam qui ước giá trị B < 0. CỰC TỪ DÒNG ĐIỆN STATOR I QUA BC NAM DÂY QUẤN STATOR + CỰC TỪ BẮC CỰC TỪ NAM ĐƯỜNG SỨC TỪ THÔNG ĐI TỪ STATOR QUA ROTOR TRÊN MỘT CẶP CỰC TỪ Bm TRỤC VỊ TRÍ KHÔNG GIAN Bm BIỂU DIỄN TỪ CẢM (MẬT ĐỘ TỪ THÔNG) TRÊN MỘT CẶP CỰC TỪ HÌNH 5.3: Phân bố từ trườngmột cặp cực từ theo vị trí khơng gian, dạng khai triển trên mặt phẳng. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 155 Trong hình 5.3, trình bày đồ thị (hay đường biểu diển) mơ tả giá trị tức thởi của từ cảm B tại từng vị trí khơng gian trên một cặp cực từ. Tùy thuộc vào sự phân bố của hệ thống đường sức, giá trị B thay đổi theo từng vị trí. Trong thiết kế máy điện, người ta thường tính B tĩan độ rộng của mỗi bước cực theo khỏang hở khơng khí giữa rotor và stator để cĩ được phân bố từ thơng (hay Bm .x BB.cos m  từ cảm) theo dạng sin trong x khơng gian. Biểu thức mơ tả, x phân bố từ cảm theo dạng sin trong khơng gian được trình Khỏang mở rộng một cực từ bày theo quan hệ (5.1) với vị trí trục tọa độ chuẩn và phân  bố từ cảm dạng sin trình bày theo hình 5.4 . HÌNH 5.4: Phân bố từ cảm dạng sin trong khơng gian .x BB.cos m (5.1)  Trong đĩ :  Bm : biên độ cực đại của từ cảm B.   : bước cực từ, hay khỏang mở rộng của một cực từ (tương ứng phạm vi gĩc điện 180o theo vị trí khơng gian)  x : là tọa độ của vị trí khảo sát trong khơng gian. 5.1.2. TỪ TRƯỜNG ĐẬP MẠCH : Theo nội dung đã phân tích trong mục 5.1.1,ta chú ý các trường hợp sau: Khi cấp dịng một chiều vào dây quấn stator, phân bố từ cảm tại khe hở khơng khí (giữa rotor và stator ) cĩ dạng sin trong vị trí khơng gian tương ứng với độ lớn của giá trị dịng điện được cấp vqào dây quấn. Điều cần nhớ là: phân bố từ cảm trong khơng gian khơng phụ thuộc biến số thời gian t mà chỉ phụ thuộc vào biến số vị trí x. Khi cấp dịng điện xoay chiều hình sin vào dây quấn stator, giá trị dịng tức thời hình sin thay đổi theo từng thời điểm khảo sát (biên độ dịng điện biến thiên theo biến số thời gian). Phân bố từ cảm trong khơng gian cĩ biên độ thay đổi theo từng thời điểm khảo sát, nhưng vẫn phải đảm bảo qui tắc phân bố sin theo vị trí khơng gian. Giả sử , biểu thức tức thời của dịng điện cĩ dạng sau : it  I.sinm t (5.2) Vì biên độ của từ cảm B cũng như từ thơng  tỉ lệ thuận với dịng điện i, nên biên độ Bm trong (5.1) thay đổi theo thời gian t (phụ thuộc từng thời điểm khảo sát) . Chúng ta cĩ thể viết lại biểu thức phân bố từ cảm B theo vị trí và theo từng thời điểm khảo sát như trong (5.3). .x Bt,x  B.sinm t.cos (5.3)  Tĩm lại khi cấp dịng hình sin vào dây quấn stator, từ trường nhận được tại khe hở khơng khí là hàm theo hai biến số x (vị trí khơng gian) và t (biến số thời gian) . Nĩi cách khác, phân bố từ cảm tại khe hở khơng khí cĩ dạng sin trong khơng gian và biên độ biến thiện theo qui luật sin đối với thời gian . Từ trường phân bố theo qui luật trên được gọi là từ trường đập mạch. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
156 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 Để hiểu rõ hơn tính chất và ý nghĩa hình học của từ trường đập mạch, chúng ta khảo sát hình 5.5, trong đĩ ta lần lượt thay đổi các thơng số của quan hệ (5.3) theo từng thời điểm ; và vẽ dạng phân bố của từ cảm B theo vị trí khơng gian (theo biến x). Các thời điểm khảo sát được chọn trước và tính tĩan như sau đây : 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 TU CAMTU B -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 -1 0 0.52 1.04 1.56 2.08 2.6 3.12 3.64 4.16 4.68 5.2 5.72 6.24 6.76 VI TRI X HÌNH 5.5: Các đường biểu diển biên độ từ cảm B (phân bố từ trường) theo vị trí khơng gian, khi thời gian thay đổi. (Hình vẽ mơ tả biến đổi của phân bố từ cảm khi thời gian t biến đổi ) .0  Khi  t 0 , BB.sin.cos m 00 (đường 1 hình 5.5)  .x B .x  Khi  t , B B .sin .cos m .cos (đường 2 hình 5.5). m 6 62  .x B .x  Khi  t , B B .sin .cos m .cos (đường 3 hình 5.5). m 4 4  2  .x B 3 .x  Khi  t , B B .sin .cos m .cos (đường 4 hình 5.5). 3 m 32  .x .x  Khi  t , BB.sin.cos mm B.cos (đường 5 hình 5.5). 2 2   .x  Khi  t , BB.sin.cos m 0 (đường 1 hình 5.5).  3 3 .x .x  Khi  t , BB.sin mm .cos B.cos (đường 6 hình 3.5). 2 2   Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 157 Khi khảo sát đường biểu diễn phân bố từ trường trong khơng gian tại nhiều thời điểm liên tiếp, chúng ta rút ra nhận xét sau: Tại các vị trí khơng gian cĩ từ trường đạt biên độ cực đại, khi thời gian biến đổi biên độ của các vị trí này lúc nào cũng cực đại . Tương tự, tại các vị trí khơng gian từ trường đạt biên độ triệt tiêu, khi thời gian biến đổi biên độ ở các vị trí này lúc nào cũng triệt tiêu. Như vậy, từ trường đập mạch được xem tương đương với hiện tượng sĩng dừng của tổng hợp sĩng cơ học hay giao thoa sĩng cơ. Các vị trí khơng gian tương ứng với biên độ từ cảm B = 0, tương ứng nút dao động của sĩng dừng, các vị trí này được gọi là trung tính của cực từ. Các vị trí khơng gian tương ứng với biên độ từ cảm đạt cực đại, tương ứng bụng dao động của sĩng dừng, các vị trí này đang ở ngay chính tâm các mặt các cực từ của động cơ. Tĩm lại, trên stator động cơ, khi cho dịng điện xoay chiều đi qua dây quấn sẽ hình thành từ trường đập mạch trong khỏang hở khơng khí giữa rotor và stator. 5.2.CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ (ĐỘNG CƠ CẢM ỨNG) : Động cơ khơng đồng bộ (hay cảm ứng) gồm cĩ hai thành phần chính: STATOR: phần đứng yên của động cơ, được tạo thành từ nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình trụ vành khăn. Các lá thép tạo thành stator, được dập các rảnh phân bố đều theo vịng trịn trong của stator. Trong các rảnh người ta lĩt cách điện trước khi lắp đặt các bộ dây quấn vào rãnh stator. Trong hình 5.6 trình bày kết cấu lỏi thép stator động cơ 3 pha cơng suất lớn đang được làm vệ sinh rảnh trước khi bố trí dây quấn . HÌNH 5.6: lỏi thép stator động cơ cảm ứng 3 pha( cơng suất lớn ) Hình 5.7 trình bày một mẫu stator đang được quấn dây và hình 5.8 trình bày bộ dây quấn hịan chỉnh. Với động cơ khơng đồng bộ 3 pha, trên stator bố trí 3 bộ dây quấn độc lập nhau tuân theo một số qui luật định trước để hình thành từ trường quay trịn tại khe hở khơng khí stator và rotor. ROTOR: là phần quay của động cơ. Với động cơ cảm ứng, rotor thường được chế tạo theo một trong hai dạng: rotor lồng sĩc (hình 5.9 và 5.10) và rotor dây quấn (hình 5.11 và 5.12). Với yêu cầu vận hành bình thường, động cơ thường cĩ dạng rotor lồng sĩc, trong trường hợp cần điều chỉnh thay đổi tốc độ động cơ ta mới động cơ rotor dây quấn. Rotor lồng sĩc gồm các thanh đồng hay nhơm, được đúc xuyên qua các rảnh của rotor, các thanh HÌNH 5.7: Dây quấn stator này được hàn nối tắt bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu rotor. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
158 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 HÌNH 5.8: Dây quấn stator sau khi quấn hịan chỉnh. HÌNH 5.9: Rotor lồng sĩc. Trên các vành ngắn mạch người ta thường đức thêm các cánh khuấy để trộn giĩ , giải nhiệt cho động cơ trong quá trình vận hành. Ngịai ra chúng ta cĩ thể lợi dụng các cánh khuấy này để thêm các đối trọng cân bằng động cho rotor trong quá trình quay. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 159 HÌNH 5.10: Rotor đang được gia cơng tiện láng bề mặt sau ghi ép trục vào rotor. HÌNH 5.11: Rotor dây quấn cơng suất lớn sau khi gia cơng quấn dây. Với rotor dây quấn, nguời ta quấn dây trên các rảnh rotor, dây quấn bao gồm 3 bộ dây 3 pha độc lập nhau (bố trí tương tự như dây quấn trên stator. Dây quấn trên rotor được đấu thành hình Y, tịan bộ 3 đầu dây ra của dây quấn rotor được nối đến 3 vành trượt bố trí trên trục của rotor. Khi vận hành động cơ, ta phải dùng 3 chổi than để nối tắt 3 vành trượt này với nhau, hay nối 3 vành trượt này đến 3 đầu của bộ biến trở đấu Y bố trí bên ngịai. HÌNH 5.12: Rotor dây quấn cơng suất nhỏ với vành trượt Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
160 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 HÌNH 5.13: cấu tạo động cơ khơng đồng bộ 3 pha, rotor lồng sĩc. 5.3.KHÁI NIỆM VỀ TỪ TRƯỜNG QUAY TRỊN: Để hình dung và hiểu được từ trường quay, xem hình 5.14; với thanh nam châm vĩnh cửu hình chữ U được đặt trên trục thằng đúng. Khi chú ý đến khoảng khơng gian giữa hai cực Bắc Nam của nam châm, chúng ta biểu diễn hướng của đường sức từ trường trong khơng gian này bằng vector cảm ứng từ B. Khi quay trịn đều thanh nam châm quanh trục, vector B cũng quay trịn đều cùng chiều quay và cùng tốc độ với trục quay. Hình ảnh của vector B quay trịn trong khơng gian cho ta hình tượng đơn giản của một từ trường quay trịn. Muốn hình thành từ trường quay trịn trong động cơ khơng đồng bộ ba pha, ta cần các điều kiện sau : Trên stator bố trí 3 bộ dây quấn độc lập. Ba bộ dây được lắp đặt lệch vị trí khơng gian từng o HÌNH 5.14: Hình ảnh từ trường đơi 120 Cấp các dịng điện xoay chiều lệch pha thời gian quay trịn khi quay thanh nam o châm vĩnh cửu quanh trục đứng. từng đơi 120 vào 3 bộ dây Điều kiện bố trí lệch vị trí khơng gian của các bộ dây quấn được thực hiện trong quá trình chế tạo, khi quấn dây stator. Với ba bộ dây quấn được chế tạo giống hệt nhau về số liệu, ta xem ba bộ dây là tải 3 pha cân bằng . Muốn tạo dịng điện hình sin lệch pha thời gian từng đơi 120o qua ba bộ dây, chúng ta chỉ cần đấu 3 bộ dây theo dạng hình Y hay ; sau đĩ cấp nguồn ba pha vào hệ thống dây quấn sau khi đã được đấu nối. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 161 Áp dụng kết quả vừa khảo sát trong mục 5.2; ta cĩ nhận xét như sau: Từ trường tạo bởi mỗi pha dây quấn là từ trường đập mạch. Do vị trí bố trí trong khơng gian và dịng điện qua các bộ dây lệch pha thời gian với nhau, tại thời điểm khảo sát bất kỳ nếu từ trường tạo bởi một trong ba bộ dây cĩ giá trị cực đại, thì các từ trường hình thành trong hai bộ dây cịn lại khơng đạt giá trị cực đại. Từ trường tổng hợp từ ba từ trường đập mạch (tạo bởi ba bộ dây quấn) là từ trường quay trịn. Chúng ta khảo sát từ trường tổng hợp theo một trong hai phương pháp sau: PHƯƠNG PHÁP 1: áp dụng phương pháp tĩan học tổng hợp các từ trường đập mạch để tìm ra biểu thức cho từ trường tổng hợp, và chứng minh từ trường tổng cĩ dạng quay trịn. Sau đĩ vẽ dạng từ trường tổng hợp khi thời gian thay đổi. PHƯƠNG PHÁP 2: áp dụng phương pháp tổng hợp vector xác định từ trường tổng tại các thời điểm liên tiếp. 5.3.1 PHƯƠNG PHÁP 1 : (ÁP DỤNG GIẢI TÍCH KHẢO SÁT TỪ TRƯỜNG QUAY) Trong hình 5.15 ba bộ dây stator lệch vị trí khơng gian 1200; các bộ dây được đấu Y và cấp nguồn áp ba pha thứ tự thuận và dây quấn. Với hệ thống nguồn ba pha thứ tự thuận các biểu thức tức thời của dịng điện qua mỗi bộ dây quấn là : itAm  I.sin(t) O itBm  I.sin(t120 ) (5.4) O itCm  I.sin(t240 ) Chọn trục vị trí khơng gian chuẩn là trục của bộ dây AX , từ trường đập mạch tạo nên do bộ dây này khi cĩ dịng i A đi qua là: .x Bt,xB.sint.cosAm  (5.5)  HÌNH 5.15 Đối với bộ dây BY,do bố trí lệch khơng gian so với o bộ dây AX một gĩc là 120 , đồng thời cho dịng điện iB đi qua, từ trường đập mạch cĩ dạng sau: .x Bt,xB.sint  120oo .cos 120 (5.6) Bm  Xét tương tự cho bộ dây CZ, ta nhận được từ trường đập mạch do bộ dây này tạo ra ( khi cho dịng iC đi qua): .x Bt,xB.sint  240oo .cos 240 (5.7) Cm  Gọi B là từ trường tổng hợp từ các từ trường đập mạch thành phần : B t,x BABC t,x B t,x B t,x (5.8) Muốn xác định biểu thức giải tích của B ta áp dụng cơng thức biến đổi lượng giác cơ bản 1 sinp.cosq sin(p q) sin(p q) để biến đổi các quan hệ (5.5); (5.6) và (5.7) rồi tổng hợp. 2 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
162 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 Ta cĩ kết quả sau: 1 .x .x BAm t,x   .B sin( t ) sin( t ) (5.9) 2   1 .x o .x BBm t,x   .B sin( t 240 ) sin( t ) (5.10) 2   1 .x o .x BCm t,x   .B sin( t 480 ) sin( t ) (5.11) 2   Cần chú ý tính chất sau: .x .x oo .x sin  t sin  t 240 sin  t 480 0 (5.12)   Phối hợp (5.9); (5.10) và (5.11) suy ra biểu thức giải tích của từ trường tổng hợp, ta cĩ: 3.Bm .x Bt,x  .sin t (5.13) 2  1.5 1.4 Muốn nhìn thấy 1.3  t 0 1.2 được từ trường tổng 1.1 1  t B(t,x) là từ trường 0.9 6 0.8 quay trịn trong khơng 0.7 0.6  t gian, ta chọn trước 0.5 4 0.4 thời điểm t rồi vẽ g 0.3 0.2  t quan hệ B theo vị trí 0.1 3 0 x ; thực hiện lập lại với -0.1 -0.2 -0.3  t nhiều thời điểm liên -0.4 2 -0.5 tiếp nhau, ta sẽ thấy -0.6 -0.7 được đường sin của -0.8 -0.9 từ trường di chuyển -1 -1.1 theo phương của vị -1.2 -1.3 trí x. -1.4 -1.5 Các thời điểm 0 0.5231.0461.5692.0922.6153.1383.6614.1844.707 5.23 5.7536.2766.799 được chọn lựa để vẽ Vi tri x đường phân bố từ HÌNH 5.16: Đồ thị mơ tả từ trường hình sin đang chuyển động trường tổng như sau: 3.B .x 3.B .x   t 0 ; Bsin m t ; Bsin m 2  6 26  3.B .x 3.B .x   t ; Bsin m t ; Bsin m 4 24  3 23  3.B .x   t ; Bsin m 2 22  Trong hình 5.16 trình bày dạng của từ trường tổng di chuyển theo khơng gian khi vẽ tại các thời điểm liên tiếp nhau. trục hịanh biểu diển vị trí khơng gian tại khe hở khơng khí giữa stator và rotor động cơ . Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 163 Ta rút ra nhận xét sau: Từ trường tổng phân bố theo dạng sin trong khơng gian . Khi thời gian thay đổi, từ trường sin này di chuyển theo hướng trục x (trên hình vẻ di chuyển từ trái sang phải). Tĩm lại, từ trường tổng di chuyển trong khơng gian theo hướng trục vị trí x. Nếu trục vị trí được uốn cong thành hình trịn (theo khơng gian của khe hở khơng khí thực sư giữa rotor và stator) từ trường này sẽ di chuyển dọc theo chu vi trong của stator. Chuyển động này chứng tỏ từ trường tổng hợp là dạng từ trường quay trịn bên trong động cơ. TĨM LẠI : Trong stator động cơ 3 pha, khi lắp đặt 3 bộ dây quấn độc lập thỏa các qui tắc: lệch vị trí khơng gian 120o, và dịng điện qua các bộ dây này lệch pha thời gian 120o; ta cĩ kết luận như sau:  Từ trường tạo bởi mỗi bộ dây là dạng từ trường đập mạch.  Từ trường tổng tạo bởi 3 từ trường đập mạch thành phần (từ 3 bộ dây quấn) là từ trường quay trịn. 3  Biên độ từ trường tổng bằng lần biên độ của từ trường thành phần 2 5.3.2 PHƯƠNG PHÁP 2 : (TỔNG HỢP VECTOR) Muốn khảo sát sự hình thành từ trường quay; dựa vào giá trị tức thời của dịng 3 pha qua 3 bộ dây quấn, suy ra các vector từ trường B tạo bởi mỗi bộ dây tại từng thời điểm ; sau cùng tổng hợp các vector từ trường B thành phần để cĩ được vector từ trường tổng tạo tại thời điểm khảo sát. Thực hiện lại phương pháp trên tại vài thời 5 7 3 11 điểm liên tiếp; ta cĩ  t  t  t  t  t  t 1 6 2 2 3 6 4 6 5 2 6 6 thể thấy được hình ảnh từ trường tổng là HÌNH 5.17: Đồ thị dịng tức thời của nguồn 3 pha theo thời gian. từ trường quay. Trên hình 5.17, ta cĩ đồ thị biểu diễn các dịng 3 pha tức thời qua dây quấn, chúng ta khảo sát giá trị tức thời của các dịng điện iA, iB, iC tại 6 thời điểm; ta cĩ bảng giá trị sau: t /6 /2 5 /6 7 /6 3 /2 11 /6 iA 0,5 Im Im 0,5 Im -0,5 Im - Im -0,5 Im iB - Im -0,5 Im 0,5 Im Im 0,5 Im -0,5 Im iC 0,5 Im -0,5 Im - Im -0,5 Im 0,5 Im Im Các giá trị từ trường đập mạch (tạo ra do các bộ dây) tỉ lệ thuận với giá trị dịng điện qua dây quấn, dựa vào bảng giá trị tức thời của dịng điện 3 pha ta cĩ thể biểu diễn các vector từ cảm (đặc trưng cho từ trường) tạo ra tại từng thời điểm. Áp dụng phép tổng hợp vector suy ra vector từ trường tổng, xem hình 5.18 và 5.19 sau đây: Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
164 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 A i A = 0,5 I m A BA BC C i C = 0,5 I m B BC BB BB C B BA TỪ TRƯỜNG TỔNG i B = - I m B TỪ TRƯỜNG TỔNG TẠI LÚC t 6 A i A = I m A BA BC BB BC BB C C B B i C = - 0,5.I m BA i B = - 0,5.I m B TỪ TRƯỜNG TỔNG TẠI LÚC t TỪ TRƯỜNG 2 TỔNG A i A = 0.5I m A BA i B = 0,5.I m BB BC BB C C B B BA i C = - I m BC B TỪ TRƯỜNG 5 TỪ TRƯỜNG TỔNG TẠI LÚC t TỔNG 6 3 5 HÌNH 5.18: Khảo sát từ trường quay tại các thời điểm:  t ,  t ,  t 6 6 6 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 165 TỪ TRƯỜNG TỔNG A i A = 0,5 I m A - BA i C = - 0,5 I m C B B BC BB BA C B BB i B = I m 7 TỪ TRƯỜNG TỔNG TẠI LÚC t BC 6 TỪ TRƯỜNG TỔNG A B i A = -I m A BA BA BC BB BB C B C B BC C m i = 0,5.I i B = 0,5.I m 3 TỪ TRƯỜNG TỔNG TẠI LÚC t 2 A TỪ TRƯỜNG i A = - 0,5I m TỔNG A BA BC i B = - 0,5.I m BB B B C B C BA BC i C = I m 11 BB TỪ TRƯỜNG TỔNG TẠI LÚC t 6 7 9 11 HÌNH 5.19: Khảo sát từ trường quay tại các thời điểm:  t ,  t ,  t 6 6 6 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
166 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 5.3.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA TỪ TRƯỜNG QUAY : 5.3.3.1. VẬN TỐC CỦA TỪ TRƯỜNG QUAY : Vận tốc của từ trường quay được ký hiệu là n1 hay ndb, cịn đươc gọi là vận tốc đồng bộ. Vận tốc này phụ thuộc :  Tần số f của nguồn điện cấp vào dây quấn stator.  Số đơi cực (p) của động cơ. Với các phương pháp trình bày trong các mục 5.3.1 và 5.3.2 về phương thức hình thành từ trường quay chúng ta rút ra các nhận xét như sau đối với máy điện chỉ cĩ 2p = 2 cực: Với các dịng sin 3 pha cấp vào các bộ dây quấn theo (5.4), giá trị  trong các biểu thức của các dịng điện là tần số gĩc. Giá trị này quan hệ với tần số nguồn điện theo quan hệ:  2 .f (5.14) Với biểu thức (5.13) cho thấy từ cảm tổng hợp B là hàm điều hịa theo thời gian t, như vậy vector đặc trưng cho từ cảm tổng hợp là vector phase quay nhận giá trị  làm vận tốc gĩc. Như vậy giá trị này cĩ quan hệ với vận tốc từ từ trường n1 theo quan hệ sau:  2 .n1 (5.15) Từ (5.14) và (5.15) ta suy ra với máy điện cĩ 2p = 2 cực quan hệ giữa tần số nguồn điện cung cấp với số cực 2p thỏa quan hệ sau: fn 1 (5.16) Nĩi theo cách khác, khi dịng điện sin hồn tất một chu kỳ thì từ trường quay đã quét qua đúng một khoảng bằng 2 cực từ của máy điện. Từ đĩ suy ra với máy cĩ 2p = 4 cực, muốn từ trường quay quét qua trọn vẹn khơng gian tương ứng với 4 cực ta cần 2 chu kỳ của dịng điện hình sin cấp từ nguồn. Một cách tổng quát với máy điện cĩ 2p cực quan hệ giữa tần số nguồn điện với vận tốc từ trường quay thỏa quan hệ sau: fp.n 1 (5.17) vòng Trong đĩ, p là số đơi cực từ; và . Nếu đổi đơn vị đo của vận tốc fHz n1 s vòng ta ghi lại như sau: n1 phút p.n f 1 (5.18) 60 5.3.3.2. CHIỀU QUAY CỦA TỪ TRƯỜNG : Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha của dịng điện cấp vào dây quấn stator. Khảo sát trên hình 5.18 và 5.19 ta rút ra nhận xét sau: Hướng của vector từ trường tổng B luơn luơn cùng hướng với vector từ trường tạo bởi bộ dây quấn nào đang cho dịng điện cĩ giá trị cực đại (+ Im) hay giá trị cực tiểu ( Im) qua nĩ . Trong hình 5.18 đi dọc theo chu vi của stator ; các dịng điện qua các bộ dây cĩ biên độ cực đại (+ Im) lần lượt theo thứ tự A,B,C ; chiều của từ trường quay hình thành quét qua các bộ dây theo thứ tự tương ứng A, B, C. Khi hĩan vị hai trong ba pha nguồn cấp vào dây quấn stator, thứ tự của hệ thống thay đổi, nên chiều quay của từ trường sẽ đảo hướng ngược lại. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 167 5.4. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ : 5.4.1. CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ ÁP DỤNG KHI KHẢO SÁT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: Nguyên tắc họat động của động cơ khơng đồng bộ được giải thích dựa trên các định luật điện từ học cơ bản sau đây: Định luật cảm ứng điện từ khảo sát hiện tượng hình thành sức điện động trong thanh dẫn di chuyển cắt đường sức từ trường. Định luật Laplace khảo sát lực điện từ tác động lên thanh dẫn đang mang dịng điện và đặt trong từ trường. 5.4.1.1. ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ: Trong hình 5.20, t1 = 0 t2 = dt B B bố trí hai thanh dẫn B song song nhau, cách nhau khỏang cách là  . v Đặt thanh dẫn thứ ba B vuơng gĩc với hai v dS v G l e thanh dẫn trên. Tịan e - bộ hệ thống thanh dẫn e được đặt trong từ Hướng của dòng điện + trường đều, các đường dx e e sức từ cĩ hướng cảm ứng qua mạch vuơng gĩc với mặt HÌNH 5.20: Sức điện động hình thành khi di chuyển thanh dẫn trong từ trường phẳng tạo bởi các thanh dẫn. Tác động bằng ngọai lực để kéo thanh dẫn thứ ba này di chuyển thằng đều với vận tốc là v . Giả sử tại thời điểm ban đầu t1 = 0 từ thơng xuyên qua diện tích giới hạn bởi các thanh dẫn là 1 ; sau khỏang khỏang thời gian dt, tại thời điểm t2 = dt, thanh dẫn di chuyễn đến vị trí khác. Tại đây ta cĩ từ thơng xuyên qua tiết diện mới là 2. Áp dụng cơng thức Faraday, sức điện động cảm ứng trên thanh dẫn đi động thỏa quan hệ: d   B. S21 S e 21 (5.19) dt dt dt B.dS dx eB.lB.l.v (5.20) dt dt Dấu (-) trong biểu thức (5.20) thể hiện tính đối kháng của I sức điện động sinh ra; khi vận tốc dài làm tăng từ thơng xuyên qua tiết diện, sức điện động hình thành cĩ khuynh hướng làm giảm từ thơng xuyên qua tiết diện. Hướng của sức điện động e sinh ra phụ thuộc vào hướng củaB và vận tốc v , để xác định hướng của e ta áp dụng qui tắc e sau: ( v , B , e ) tạo thành tam diện thuận (hình 5.20) hoặc dùng qui tắc bàn tay trái, xem hình 5.21. B Với qui ước này xem thanh dẫn tuơng đương với nguồ n áp e hình thành trong thanh dẫn với dấu (+) ở vị trí ngọn vector e và dấu ( ) ở vị trí gốc vector e (xem hình 5.20). Một cách khác cĩ thể xem HÌNH 5.21: Qui tắc bàn tay trái hướng của e hình thành trong thanh dẫn chính là hướng của định hướng sức điện động e. dịng cảm ứng đi qua thanh dẫn (khi mạch ở trạng thái kín). Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
168 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 5.4.1.2. ĐỊNH LUẬT VỀ LỰC ĐIỆN TỪ : I Trong hình 5.22 trình bày một thanh dẫn thẳng mang I dịng điện i và được đặt trong từ trường B; theo định luật B Laplace thanh dẫn chịu tác dụng của lực điện từ F. Trong trường hợp tổng quát, phương của dịng điện i F và phương của B hợp nhau một gĩc cĩ giá trị là , lực điện từ F F được xác định theo quan hệ sau: F B.I.L. sin (5.21) B Trong đĩ L là bề dài của thanh dẫn đang mang dịng HÌNH 5.22: Qui tắc bàn tay trái điện I . Khi phương của dịng điện I và phương của vector từ định hướng lực điện từ. cảm B hợp nhau gĩc 900 ; lực điện từ xác định theo quan hệ sau: F B.I.L (5.22) Hướng của lực điện từ F được xác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 5.22) 5.4.2. NGUYÊN TẮC HỌAT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ CẢM ỨNG : Trong hình 5.23, trình bày mơ Chiều quay của Từ trường hình đơn giản của động cơ khơng từ trường đứng yên đồng bộ. Giả sử dây quấn trên stator B B tạo ra từ trường quay trịn (vector từ cảm tổng B quay trịn trong khơng gian với vận tốc n1). Dây quấn rotor nối tắt được mơ tả đơn giản như là khung dây kín, trong ROTOR ROTOR hình 5.22 khung dây được biểu diễn đưng yên quay bằng các mặt cắt của hai thanh dẫn tạo thành khung dây.Từ trường quay tạo bởi dây quấn stator chuyển động và quét lên các thanh dẫn của rotor ; áp dụng chuyển động tương đối HÌNH 5.23: Áp dụng chuyển động tương đối giải thích trong cơ học ta cĩ thể xem: trạng nguyên lý họat động của động cơ khơng đồng bộ. thái thanh dẫn rotor đứng yên và từ trường quay trịn (giả sử theo chiều kim đồng hồ); tương đương B với trạng thái từ trường đứng yên TỪ TRƯỜNG B và thanh dẫn rotor quay tương đối ĐỨNG YÊN v e2 theo chiều ngược lại (chiều quay F + tương đối của thanh dẫn rotor là chiều ngược kim đồng hồ). B Tĩm lại khi khảo sát theo ROTOR chuyển động tương đối, thanh dẫn QUAY rotor quay trịn và cắt đường sức e2 v từ trường, trên thanh dẫn hình thành sức điện động cảm ứng e2. Tốc độ F quay tương đối của thanh dẫn bằng tốc độ của từ trường quay là n1. Vì rotor ngắn mạch nên sức điện động e2 sẽ tạo ra dịng cảm ứng i2 HÌNH 5.24: Sức điện động sinh ra trong thanh dẫn rotor. trong các thanh dẫn. Giả sử trên rotor chỉ cĩ hai thanh dẫn, hướng của dịng cảm ứng sinh ra trên mỗi thanh dẫn trình bày trong hình 5.24 . Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 169 Khi các thanh dẫn rotor cĩ dịng cảm ứng đi qua và các thanh dẫn này đặt trong từ trường B, các thanh dẫn sẽ chịu tác động của lực điện từ F. Hướng của lực điện từ tác động lên các thanh dẫn xác định theo qui tắc bàn tay trái. Các lực điện từ tác động lên các thành dẫn hình thành ngẩu lực làm rotor quay theo hướng ngược với hướng chuyển động tương đối của các thanh dẫn trên rotor, nĩi khác đi chiều quay rotor cùng chiều với chiều của từ trường quay. Nên nhớ vận tốc của rotor khơng thể đạt bằng vận tốc của từ trường; vì nếu hai tốc độ quay bằng nhau lúc đĩ thanh dẫn rotor và từ trường xem như đứng yên khi so tương đối với nhau. Tĩm lại, vận tốc của rotor luơn luơn nhỏ hơn vận tốc của từ trường quay. Ta cĩ định nghĩa cho độ trượt s là vận tốc chênh lệch tương đối giữa vận tốc rotor so với vận tốc của từ trường quay. Gọi :  n1 : vận tốc của từ trường quay ( hay tốc độ đồng bộ).  n2 : vận tốc của rotor .  s : độ trượt của động cơ. Trong đĩ ta định nghĩa độ trượt bằng quan hệ sau: nn n s 121 2 (5.23) n 1 n1 Hay nn.(s)21 1 (5.24) THÍ DỤ 5.1: Động cơ khơng đồng bộ ba pha 2p = 4 cực, được cấp nguồn xoay chiều 3 pha cĩ tần số là f = 50Hz. Bảng lý lịch của động cơ cĩ ghi tốc độ định mức là 1425 vịng/phút . Xác định : a./ Tốc độ của từ trường quay. b./ Độ trượt của động cơ tại tải định mức. GIẢI TỐC ĐỘ CỦA TỪ TRƯỜNG QUAY: Áp dụng cơng thức (3.15) ta suy ra tốc độ đồng bộ hay tốc độ từ trường quay: 60.f 60 . 50 3000 n 1500 [vòng/phút] 1 p 22 ĐỘ TRƯỢT CỦA ĐỘNG CƠ:  Vận tốc của từ trường quay : n1 = 1500 vịng/phút.  Vận tốc của rotor tại lúc tải định mức : n2 = 1425 vịng/phút. Độ trượt s của động cơ : nn12 n 2 1425 1500 1425 75 s, 11 005 nn111500 1500 1500 5.5. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ: 5.5.1. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP Ở STATOR: Với ba bộ dây quấn stator được chế tạo cùng số liệu và hồn tồn giống nhau, ta nĩi dây quấn ba pha cân bằng. Dây quấn stator cĩ thể đấu theo dạng Y hay tùy theo áp hiệu dụng định mức cho phép đặt ngang qua hai đầu mỗi pha dây quấn. Khi cấp nguồn áp 3 pha cân bằng vào dây quấn stator, mạch điện stator là mạch 3 pha cân bằng, do đĩ ta chỉ khảo sát trên 1 pha tương đương . Gọi :  V1 : Áp pha hiệu dụng cấp vào mỗi pha dây quấn phía stator.  f 1 : tần số nguồn điện cấp vào dây quấn stator. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
170 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 Tương tự như máy biến áp, dây quấn stator xem là dây quấn sơ cấp, khi cấp dịng hình sin qua dây quấn stator mỗi pha dây quấn tạo thành từ thơng đập mạch với biên độ là m . Từ thơng này biến thiên theo thời gian nên hình thành các sức điện động cảm ứng trên mỗi pha dây quấn . Sức điện động cảm ứng hiệu dụng trên mỗi pha dây quấn xác định theo quan hệ sau: E,.f.N.K.1111 444 dq m (5.25) Trong đĩ : N 1 : tổng số vịng một pha dây quấn stator. Kdq1 : hệ số dây quấn một pha stator, tính đến sự phân bố dây quấn trên một cặp cực từ Trên dây quấn stator , Từ thông chính Từ thông tản rãnh stator Từ thông tản tạp stator chúng ta cần để ý đến các thành phần : Điện trở nội R1 của mỗi pha dây quấn . STATOR Thành phần điện kháng tản từ đặc trưng cho từ thơng tản ( thành phần từ thơng ROTOR tạo nên do dây quấn stator, khép kín mạch trên dây quấn stator nhưng khơng mĩc vịng qua rotor) . Các thành phần từ thơng tản trong máy điện quay Từ thông tản tạp rotor gồm cĩ từ thơng tản trong rãnh Từ thông tản rãnh rotor và từ thơng tản tạp (hình 5.25). HÌNH 5.25: Phân bố từ thơng tản trong rãnh stator và rotor Gọi xt1 là thành phần điện kháng tản từ mỗi pha dây quấn stator. Phương trình cân bằng áp viết cho một pha dây quấn phía stator được viết như sau: VE11 (Rj.X).I11 t 1 (5.26) Phương trình này đúng cho trường hợp động cơ vận hành ở chế độ khơng tải cũng như khi động cơ mang tải . Khi tải trên trục động cơ thay đổi, dịng điện I1 thay đổi giá trị tương ứng. 5.5.2. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP Ở ROTOR: Khi khảo sát phương trình cân bằng áp phía rotor, ta chia ra các trường hợp sau :  Trường hợp rotor đứng yên khơng quay.  Trường hợp rotor quay. Trong mỗi trường hợp điều quan trọng cần chú ý: sự thay đổi f2: tần số dịng điện rotor và các thơng số mạch phía rotor. 5.5.2.1. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP ROTOR (LÚC ROTOR ĐỨNG YÊN): Khi rotor đứng yên, từ trường quay quét qua dây quấn rotor hình thành sức điện động cảm ứng E2 trên mỗi pha dây quấn rotor. Sức điện động rotor này cùng tần số với sức điện động phía stator: E2222 444 , .f .N .Kdq . m (Rotor đứng yên) (5.27) f21 f (Rotor đứng yên) (5.28) N2 : tổng số vịng một pha dây quấn rotor. Kdq2 : hệ số dây quấn của một pha rotor. . Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 171 Vì rotor thuộc dạng ngắn mạch, phương trình cân bằng áp mỗi pha phía rotor lúc đứng yên cĩ dạng sau: E22 (R22 j.Xt ).I (Rotor đứng yên) (5.29) Trong đĩ:  R2 : điện trở nội của mỗi pha dây quấn rotor  Xt2 : điện kháng tản từ mỗi pha phía rotor 5.5.2.2. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP Ở ROTOR ( LÚC ROTOR QUAY): Khi rotor quay với tốc độ quay là n2 trong khi từ trường quay cĩ tốc độ là n1 > n2 , tốc độ quay tương đối giữa từ trường quay và rotor là sn1 = (n1 – n2 ). Vì tần số dịng điện phía rotor tỉ lệ thuận với tốc độ quét của từ trường quay lên thanh dẫn rotor ,ta cĩ nhận xét như sau TRẠNG THÁI TỐC ĐỘ TỪ TRƯỜNG QUAY SO VỚI ROTOR TẦN SỐ ROTOR Rotor đứng yên n1 f2 = f1 Rotor quay s.n1 f2 Tần số phía rotor lúc đang quay được xác định như sau: s.n11 .f fs.f21 n1 Tĩm lại : f21 s.f (Khi rotor đang quay) (5.30) Khi tải trên trục động cơ thay đổi làm thay đổi tốc độ quay của động cơ, do đĩ tần số phía rotor luơn thay đổi theo tốc độ quay của rotor. Các phần tử mạch phía rotor cĩ liên quan đến tần số đều thay đổi. Điện kháng tản từ, sức điện động cảm ứng phía rotor thay đổi theo giá trị tần số f2 khi rotor thay đổi tốc độ quay. Gọi :  E2s : sức điện động phía rotor (khi rotor quay).  Xt2s : điện kháng tản từ phía rotor lúc rotor đang quay. TRẠNG THÁI SỨC ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG ROTOR ĐIỆN KHÁNG TẢN TỪ ROTOR Rotor đứng yên E,.f.N.k. 444 2122dq m X.f.Ltt212 2 Rotor quay E,.f.N.k. 444 2222Sdqm X.f.Lts222 2 t Suy ra: E fs.f 2s 21 s Eff211 Es.E22s (5.31) Tương tự ta suy ra : X.f.L2 s.f ts222 t 1 s X.f.Lftt21212 Xs.Xts22 t (5.32) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
172 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 Phương trình cân bằng áp phía rotor (khi rotor đang quay): E22s (R22 j.Xts ).I (Rotor đang quay, tần số f 2 ) (5.33) THÍ DỤ 5.2: Với động cơ trong thí dụ 5.1, xác định tần số phía rotor khi động cơ đang tải định mức. GIẢI Với hệ số trượt của động cơ tại lúc mang tải định mức là s = 0,05 ; áp dụng quan hệ (5.30) suy ra tần số phía rotor lúc tải định mức là f21 s.f (Khi rotor đang quay) f,2 005 50 25 ,Hz 5.5.3. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG DỊNG ĐIỆN : 5.5.3.1.TỐC ĐỘ TỪ TRƯỜNG QUAY STATOR VÀ TỪ TRƯỜNG QUAY ROTOR KHI ĐỘNG CƠ QUAY: Khi bố trí trên stator dây quấn ba pha và cấp dịng điện 3 pha cĩ tần số f1 vào dây quấn, 60f từ trường quay cĩ tốc độ quay là n 1 . Dưới tác dụng của từ trường quay, rotor quay 1 p theo cùng chiều với từ trường quay, tốc độ quay của rotor là n2 = n1(1 s ) ; tần số dịng điện trong rotor là fs.f21 . Với động cơ rotor lồng sĩc (dạng rotor cĩ dây quấn nhiều pha) ; khi cĩ dịng cảm ứng qua dây quấn rotor, trên rotor cũng hình thành từ trường quay trịn với vận tốc quay là nr . Vận tốc của từ trường quay tạo bởi rotor tỉ lệ thuận với tần số rotor và tỉ lệ nghịch với số đơi cực tạo bởi dây quấn trên rotor. Áp dụng quan hệ (3.15) ta suy ra tốc độ quay của từ trường quay hình thành trên rotor. 60.f 60 .s.f 60 f ns. 211 r pp p (5.34) ns.nr 1 Khi rotor đang quay vĩi vận tốc là n2 và mang theo từ trường quay tạo bởi rotor cĩ vận tốc là nr này , suy ra vận tốc của từ trường quay tạo bởi dây quấn rotor so tương đối với tốc độ từ trường quay tạo bởi dây quấn stator là (n2 + nr). Suy ra: nnn.(s)s.n 1 21r 1 (5.35) nnn21 r Tĩm lại : Vận tốc của từ trường quay (tạo bởi dây quấn stator) và tốc độ của từ trường quay (tạo bởi dây quấn rotor) bằng nhau 5.5.3.2.PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG DỊNG (KHI ĐỘNG CƠ ĐANG QUAY): Lý luận tương tự như khi khảo sát nguyên lý của máy biến áp; từ trường (hay từ thơng) quay stator được tạo bởi sức từ động stator khi cĩ dịng 3 pha qua các pha dây quấn stator .Khi rotor mang tải, dịng điện qua dây quấn rotor hình thành sức từ động rotor cĩ tínhchất đối kháng với sức từ động stator. Hiện tượng đối kháng này sẽ cân bằng và đảm bảo sức từ động tổng luơn luơn khơng đổi và bằng với sức từ động hình thành do dây quấn stator lúc khơng tải. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 173 Gọi: N1kdq1.I1 : sức từ động tạo bởi một pha dây quấn stator (khi động cơ mang tải). N2kdq2.I2 : sức từ động tạo bởi một pha dây quấn rotor (khi mang tải). N1kdq1.I10 : sức từ động tạo bởi một pha dây quấn stator (khi khơng tải). Ta cĩ : N.K11dq .I12 N.K 2dq 2 .I N.K 11dq .I 10 (5.36) 5.6.MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ: j.X Thực hiện quá R1 j.X t1 TỪ TRƯỜNG QUAY R2 ts2 trình khảo sát tương tự như đã thực hiện khi khảo +  I10 + sát mạch tương đương I1 - I2 của máy biến áp. Mạch tương đương 1 pha khi IC Im ROTOR QUAY V1 E2 động cơ đang quay thỏa E1 R s n 0 C j.Xm 2 phương trình cân bằng áp s 1 (5.26) và khi cĩ chú ý - + - đến tổn hao lỏi thép do dịng xĩay và chu trình MẠCH STATOR TẦN SỐ f1 MẠCH ROTOR TẦN SỐ f2 từ trễ tạo ra được trình HÌNH 5.26: Mạch tương đương 1 pha lúc rotor đang quay. bày trong hình 5.26. Hình 5.27 trình bày j.X R1 j.X t1 TỪ TRƯỜNG QUAY R2 t2 mạch tương đương 1 pha của động cơ khi rotor  đứng yên. Tại trạng thái + I10 + I1 - này tần số phía rotor và I2 stator bằng nhau. Trong I Im ROTOR ĐỨNG YÊN thực tế trạng thái này xãy V C 1 E1 E2 ra tại thời điểm động cơ R j.X n2 0 C m khởi động hay khi rotor s 1 - mang tải cĩ momen tải - + quá lớn so với momen ra trên trục động cơ làm MẠCH STATOR TẦN SỐ f1 MẠCH ROTOR TẦN SỐ f1 rotor bị ghìm đứng yên HÌNH 5.27: Mạch tương đương 1 pha lúc rotor đứng yên. khơng quay. Muốn qui đổi mạch rotor về phía stator để đơn giản đi tác động của từ trường quay lên rotor tương tự như mạch qui đổi đã thực hiện cho máy biến áp, ta cần thực hiện 2 lượt qui đổi. Qui đổi mạch rotor từ tần số f2 sang tần số f1, (nĩi cách khác là qui đổi các thơng số mạch rotor lúc đang quay thành các thơng số khác tương đương như lúc rotor đứng yên). Khi đã qui đổi mạch rotor sang tần số f1, chúng ta qui đổi rotor về stator. 5.6.1. QUI ĐỔI MẠCH ROTOR TỪ TẦN SỐ f2 SANG TẦN SỐ f1: Phương trình cân bằng áp phía rotor lúc đang quay ứng với tần số f2 thỏa quan hệ (5.33). E22s (R22 j.Xts ).I (Rotor đang quay, tần số là f 2 ) Thay các quan hệ (5.31) , (5.32) vào quan hệ (5.33) ta suy ra : s.E22 (R22 j.s.Xt ). I (5.37) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
174 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 Chia hai vế quan hệ (5.37) cho s, ta được: R2 E(22 j.X).I (5.38) s t2 j.X R1 j.X t1 TỪ TRƯỜNG QUAY t2 Từ quan hệ  (5.38) cho thấy các + R I10 + 2 I1 - thơng số mạch rotor S I2 đã được qui đổi về IC Im ROTOR QUAY tần số f1, mạch điện V1 E2 tương đương của E1 R j.X n 0 C m 2 động cơ lúc này s 1 được trình bày trong - + - hình 5.28. MẠCH STATOR TẦN SỐ f1 MẠCH ROTOR TẦN SỐ f1 HÌNH 5.28: Mạch tương đương 1 pha lúc rotor quay và tần số rotor qui về f1 5.6.2. QUI ĐỔI MẠCH ROTOR VỀ STATOR : Sau khi qui đổi mạch rotor từ tần số f2 sang tần số f1 , muốn qui đổi mạch rotor về phía stator, ta căn cứ vào các phương trình cân bằng áp và dịng (5.25), (5.27) và (5.38). Phương pháp và cơ sở qui đổi thực hiện tương tự như đã trình bày trong bài máy biến áp. Căn cứ vào các biểu thức sức điện động hiệu dụng của mỗi pha dây quấn phía stator và rotor suy ra tỉ số biến đổi Kbd như sau : 444, .f.N.K . N.K E1 11dq 1 m 1 dq 1 Kbd (5.39) E2444 , .f 122 .N .Kdq . m N 22 .K dq Từ (5.36) suy ra : N.K22dq I.1210 II N.K 11dq Đặt : N.K22dq I 2 I' . I 2 (5.40) 2 N.K K 11dq bd Đặt : E'22 Kbd .E (5.41) Từ quan hệ (5.38), nhân 2 vế cho Kbd suy ra : R2 K.E22 K.( j.X).I ba ba s t2 2 RI'22 K.Eba2 K ba .( j.X).t2 (5.42) sKba Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 175 Đặt ' 2 R(K).R22 bd (5.43) ' 2 X(K).Xtbdt22 (5.43) Các quan hệ (5.40) và (5.42) được viết lại như sau: ' R2 ' EE'(12 j.X).I' 2 (5.43) s t2 II'I1 210 (5.54) R' 2 R j.X j.X ' 1 t1 S t2 Căn cứ vào các quan hệ (5.26) , (5.43) và (5.54) suy + I10 I1 - - ra mạch tương đương 1 pha I'2 dạng chính xác qui đổi rotor về stator theo hình 5.29. IC Im V1 E1 E'2 RC j.Xm - + + HÌNH 5.29: Mạch tương đương chính xác 1 pha qui đổi rotor vế stator R' 5.6.3. Ý NGHĨA VẬT LÝ CỦA 2 : s Muốn hiểu rõ ý nghĩa của thơng số này chúng ta tách phần tử thành hai thành phần : R'2 1 s R'22 .R' (5.55) ss Trong (5.55), các thành phần phân tích mang ý nghĩa như sau : R j.X R' j.X ' 1 t1 2 t2 R’2 : điện trở dây quấn rotor qui về stator. + - I10 - I1 I'2 1 s .R '2 : đặc 1 s s IC Im .R ' V1 2 E1 R j.X E'2 s trưng cho cơ năng hữu ích C m trên trục của động cơ. Mạch tương đương hình - + + 5.29 được vẽ lại theo hình 5.30 HÌNH 5.30: Mạch tương đương chính xác 1 pha qui đổi rotor vế stator Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
176 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 5.7. GIẢN ĐỒ PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG – HIỆU SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ: STATOR ROTOR P1 CÔNG SUẤT CƠ RA Pmq CÔNG SUẤT CƠ CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ P2 Pcơ CÔNG SUẤT ĐIỆN Pđt (ĐÃ TRỪ MA SÁT CƠ) P1 CẤP VÀO STATOR TỔN HAO MA SÁT CƠ TỔN HAO ĐỒNG ROTOR Pmq TỔN HAO ĐỒNG STATOR Pj2 TỔN HAO THÉP Pj1 P2 Pth HÌNH 5.31: Giản đồ phân bố năng lượng trong động cơ khơng đồng bộ. Từ mạch điện tương đương trong hình 5.30 suy ra các thành phần cơng suất từ dịng năng lượng cấp vào động cơ như sau: CƠNG SUẤT ĐIỆN CUNG CẤP VÀO ĐỘNG CƠ (THƠNG QUA DÂY QUẤN STATOR): P.V.I.cos1111 3 (5.56) Trong đĩ : V1 : điện áp pha cấp vào mỗi pha dây quấn stator. I1 : dịng qua mỗi pha dây quấn stator. cos 1 : hệ số cơng suất mỗi pha dây quấn stator. TỔN HAO THÉP 2 P.R.Ith 3 C C (5.57) TỔN HAO TRÊN DÂY QUẤN STATOR (TỔN HAO ĐỒNG STATOR): 2 P.R.Ij111 3 (5.58) CƠNG SUẤT ĐIỆN TỪ CHUYỂN TỪ STATOR SANG ROTOR: PP(PP)điện từ 11th j rr' (5.59) P 33 . 22 .I '22 . .I điện từ ss22 TỔN HAO TRÊN DÂY QUẤN ROTOR (TỔN HAO ĐỒNG ROTOR): 22 P.R'.I'.R.Ij22222 33 (5.60) CƠNG SUẤT CƠ TRÊN TRỤC CỦA ĐỘNG CƠ (CHƯA TRỪ ĐI TỔN HAO MA SÁT CƠ QUẠT GIĨ) 11 ss22 P.R' I'.R Icơ 332222 (5.61) ss CƠNG SUẤT CƠ RA TRÊN TRỤC ĐỘNG CƠ (ĐÃTRỪ TỔN HAO MA SÁT CƠ QUẠT GIĨ) Trong trường hợp cĩ tính đến tổn hao ma sát cơ khí do ổ bi, quạt giĩ cơng suất ra thực sự trên trục của động cơ là P2 , ta cĩ: PPP2 cơ ma sát cơ (5.62) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 177 Hiệu suất của động cơ khơng đồng bộ được xác định theo quan hệ sau : PP  22 (5.63) P 1 P(PPP212 th j j P) mq Khi khảo sát phân bố năng lượng phía rotor ta cần chú ý thêm các mối quan hệ giữa 3 thành phần cơng suất : Pđiện từ , Pj2 và Pcơ . Từ (5.59), (5.60) và (5.61) suy ra các quan hệ sau: PPPđiệntừ j2 cơ (5.64) Ps.Pj2 điện từ (5.65) P(s).Pcơ 1 điệntừ (5.66) THÍ DỤ 5.3: Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha: 100HP cĩ 2p = 4 cực, tần số nguồn điện cấp vào động cơ là f = 50Hz, tốc độ định mức 1445 vịng/phút. Cho 1HP  750W , biết tổn hao ma sát cơ là 900 W, tổn hao thép 4200 W, tổn hao đồng stator là 2700 W ; xác định hiệu suất của động cơ,. GIẢI Áp dụng các quan hệ đã trình bày trong giản đồ phân bố năng lượng, lần lượt xác định các thành phần cơng suất của động cơ tại tải định mức là : Cơng suất cơ hữu ích trên trục của động cơ (đã trừ đi ma sát cơ ): P.2 100 750 75 .W 000 Cơng suất cơ : PPPcơ 2 ma sát cơ 75 . 000 900 75 .W 900 Tốc độ đồng bộ của động cơ: 60f 60. 50 n 1 1500 vòng / phút 1 p 2 Độ trượt của động cơ, lúc mang tải đúng định mức: n 1445 s, 12 1 0 03667 n1 1500 Cơng suất điện từ chuyển từ stator sang rotor : P 75. 900 P.,W cơ 78 788 93 điệntừ (1-s)1 0 . 03667 Cơng suất điện cấp vào động cơ : PP PP78 . 788 , 93 2 . 700 4 . 200 11điệntừ j thép P.,W1 85 688 93 Hiệu suất của động cơ : P 75. 000  2 0,,% 87525 87 53 P.,1 85 688 93 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
178 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 5.8. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ: 5.8.1. BIỂU THỨC TỔNG QUÁT CỦA MOMEN: Momen cĩ thể hiểu là năng lượng cấp cho một vật để vật thực hiện chuyển động quay quanh một trục một gĩc bằng 1 rad. Với động cơ điện, gọi P2 là cơng suất cơ cấp đến trục của động cơ đang quay với vận tốc là n2 ; M là momen cơ trên trục của động cơ và 2 là vận tốc quay gĩc; ta cĩ định nghĩa của momen như sau: PP M 22 (5.67)  222 .n Trong đĩ đơn vị của các đại lượng là: PW ; n vòng ; MNm . 2 2 s Trong trường hợp đơn vị đo của n vòng quan hệ (5.67) được viết lại như sau: 2 phút 60.P P M,. 22955 (5.68) 2 .n22 n THÍ DỤ 5.4: Với động cơ khơng đồng bộ ba pha: 100HP cĩ tốc độ định mức 1445 vịng/phút và 1 HP = 746W ; tại lúc tải định mức momen định mức trên trục động cơ là: 100 746 M,. 955 493Nm 1445 5.8.2. MOMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ : Khi xem như tổn hao ma sát cơ khơng đáng kể, Momen cơ ra trên trục động cơ được xác định theo quan hệ sau đây : 1 s 2 3R'22 . .I' Pcơ s M,.,.2 955 955 (5.69) nn22 Ta viết lại như sau: P R' 1 s M,.,. 955cơ 9553 2 .I'.2 (5.70) 22 nsn22 Theo định nghĩa của hệ số trượt ta cĩ: n 11 s 2 1 s Hay: (5.71) n1 nn21 Thế quan hệ (5.71) vào (5.70), suy ra: R' 3 2 .I '2 s 2 P Pcơ điện từ M,.,.2 955 955 955 ,. (5.71) nn21 n 1 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 179 Tĩm lại P Pđiệntừ 955,.cơ 955 , (5.72) nn21 Nếu đặt Momemen điện từ thỏa quan hệ sau: R' 3 2 .I '2 P 2 điện từ s M,.,.điện tư 955 955 (5.73) nn11 Từ các quan hệ (5.69), (5.72) và (5.73) suy ra M2 = Mđiện từ khi tổn hao ma sát cơ khơng đáng kể. Một trong các nguyên nhân dùng giải thích lý do cần xây dựng quan hệ (5.73) được trình bày sau đây. Tại lúc động cơ khởi động (hay mở máy) ta cĩ tốc độ động cơ n2 = 0 ; nên hệ số trượt lúc mở máy là s = 1. Khi thế các giá trị này vào quan hệ (5.69) ta khơng thể xác định được giá 0 trị của momen lúc khởi động vì quan hệ này cĩ dạng vơ định . 0 Do quan hệ (5.73) tìm được ta xác định được giá trị momen mở máy dựa vào biểu thức của momen điện từ. 5.8.3. BIỂU THỨC TÍNH GẦN ĐÚNG CỦA MOMEN ĐIỆN TỪ : R' 2 Với quan hệ (5.73) khi I1 R j.X j.X ' cần xác định momen điện từ tại 1 t1 S t2 một điểm làm việc của động cơ tại mơt tốc độ định trước hay tại + I10 độ trượt viết trước, ta dựa vào I'2 mạch tương đương theo hình 5.29 hay 5.30. IC Im V1 R j.X Tuy nhiên trong một số C m trường hợp cần xác định định tính đặc tính của động cơ ta cĩ - thể áp dụng mạch tương đương 1 pha dạng gần đúng qui đổi HÌNH 5.31: Mạch tương đương 1 pha dạng gần đúng . rotor và stator theo hình 5.31 với các giả thiết sau: Xem như Tổn hao thép độc lập với tải được kéo trên trục động cơ. Xem như Tổn hao thép chỉ phụ thuộc điện áp nguồn cấp vào động cơ. Tương tự như trường hợp máy biến áp, ta đặt các đại lượng sau: RRR'n 12 (5.74) XXX'nt 12 t (5.75) 22 ZRXnnn (5.76) Rn : thànhh phần điện trở ngắn mạch ; Xn : thànhh phần điện kháng ngắn mạch và Zn : tổng trở ngắn mạch của mạch tương đương 1 pha. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
180 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 Từ mạch tương đương hình 5.31, suy ra : V1 I'2 (5.77) 2 R' RX 2 2 1 n s Biểu thức xác định momen điện từ xác định như sau : R' 2 2 9553, V s M. 1 (5.78) điện tư n 2 1 R' RX 2 2 1 n s 5.8.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ : Đặc tính cơ của động cơ là đồ thị hay đường biểu diễn trình bày quan hệ giữa momen theo tốc độ quay. Đối với động cơ khơng đồng bộ vì độ trượt s phụ thuộc vào tốc độ quay n2 của rotor, nên cĩ thể xem đặc tính cơ là quan hệ giữa hàm momen quay theo biến số độ trượt s . Khi xem các thơng số của các phần tử trong mạch tương đương của động cơ là hằng số; áp pha nguồn V1 cấp vào stator khơng thay đổi giá trị ; ta khào sát hàm momen điện từ theo độ trượt s từ đĩ suy ra đồ thị của đặc tính cơ. MIỀN XÁC ĐỊNH  Khi rotor đứng yên , tại thời điểm động cơ bắt đầu khởi động , ta cĩ n2 = 0 , suy ra s = 1 .  Khi rotor quay khơng tải, tốc độ quay xấp xỉ tốc độ từ trường quay n2  n1 , giá trị của s 0.  Miền xác định của s (0,1] . ĐẠO HÀM 2 u R' R' Hàm momen điện từ theo độ trượt s cĩ dạng , với u 2 ; vR 2 X2 1 n v s s dM vu' uv ' Suy ra : dt  . Ta chỉ cần quan tâm đến tử số của đạo hàm, ta cĩ: ds v2 2 R'22 R' 2 R' 2 R' 22 R' vu' uv ' R11 Xn 2 R. ss22 sss 2 R'22 R' 2 R' 22 R' vu' uv ' R11 Xn 2 .R s2 sss 2 R'22 22R' vu' uv ' R1 Xn s2 s Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 181 2 dMdt vu' uv ' 22R'2 Đạo hàm  0 khi RX1 n 0 . Suy ra , momen đạt cực trị khi ds v2 s R'2 sth (5.79) 22 RX1 n Giá trị độ trượt lúc momen đạt cực trị được gọi là độ trượt tới hạn. Xét dấu đạo hàm, suy ra điểm cực trị là cực đại . Giá trị cực đại của momen được xác định như sau: 9553, V2 1 1 M.max (5.80) n 22 1 2 RRX 11n M Từ quan hệ (5.78) thay thế giá trị độ M max trượt s = 1 suy ra giá trị của momen tại lúc n2 = 0 đây chính là giá trị của momen động cơ lúc khởi động. Momen khởi M mm động hay momen mở máy Mmm xác định theo quan hệ (5.81). 0 0.1 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 s th s HÌNH 5.32: Đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ 9553, V2 R' M. 12 (5.81) mm n 22 1 RXnn THÍ DỤ 5.5: Cho một động cơ khơng đồng bộ 3 pha , rotor lồng sĩc của nhà sản xuất CROMPTON GREAVES (Anh quốc) loại TEFC; cách điện cấp F cĩ các thơng số sau: Cơng suất định mức của động cơ: Pđm = 55 KW. Áp dây định mức: Vđm = 660V / 380V – Y/ . (Tần số nguồn điện f = 50 Hz ). Tốc độ định mức của động cơ : nđm = 980 vịng/phút. Hiệu suất định mức là : đm = 93,5%. Hệ số cơng suất lúc tải định mức: cos đm = 0,86. Bội số dịng điện mở máy của động cơ là mI = 6. Khi cấp nguồn áp 3 pha 380V (áp dây) vào động cơ, lúc mang tải định mức xác định: Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
182 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 1./ Tần số của rotor . 2./ Dịng điện định mức cấp vào stator động cơ . 3./ Cơng suất điện từ khi biết tổn hao ma sát cơ, quạt giĩ chiếm 15% tổng tổn hao của động cơ ; tổn hao thép chiếm 25% tổng tổn hao. 4./ Tổn hao đồng rotor và stator suy ra điện trở mỗi pha dây quấn stator. GỈAI: 1. TẦN SỐ CỦA ROTOR KHI TẢI ĐỊNH MỨC: Đơng cơ cĩ tốc độ định mức nđm = 980 vịng/phút ; khi vận hành tại tần số f = 50Hz ; suy ra số cực động cơ là 2p = 6 cực và tốc độ đồng bộ là n1 = 1000 vịng/phút. Hệ số trượt định mức của động cơ là : Idây nn 1000 980 s, 1 đm 002 Ipha n1 1000 Tần số dịng điện rotor lúc tải định mức là : fs.f,.21 00250 1 Hz Vdây = 380 V 2. DỊNG ĐIỆN ĐỊNH MỨC ĐỘNG CƠ: Dịng định mức từ nguồn cấp vào động cơ lúc tải định mức được xác định theo quan hệ sau (khi cấp nguồn áp 3 pha với áp dây là 380V vào dây quấn stator đang đấu theo sơ đồ ). Pđm 55000 I,Ađmdây 103 92 3V.đm đm .cos đm 3 380 0 , 935 0 , 86 Dịng pha định mức qua mỗi bộ dây quấn lúc tải định mức là: Iđm 103, 92 I,đmpha 59 99  60A 33 3. CƠNG SUẤT ĐIỆN TỪ CHUYỂN TỪ STATOR SANG ROTOR: Tổng tổn hao của động cơ: P 1 Tổnhao P Pđm P P 1  điện đm đm đm 1  Tổnhao 55000 1 3823 , 53 W 0935, Từ điều kiện, tổng tổn hao ma sát cơ, quạt giĩ chiếm 15% giá trị tổng tổn hao, suy ra: P 15 % Tổnhao 0 , 15 3823 , 53 573 , 53 W mq  Cơng suất cơ (khi chưa trừ đi ma sát cơ): PPPcơ đm mq 55000 573, 53 55573 ,W 53 Tại tải định mức, ta cĩ hệ số trượt s = 0,02 ; từ đĩ suy ra cơng suất điện từ cấp vào rotor: P 55573, 53 P,W cơ 56707 68  56708 dt 11002 s, Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 183 4. TỔN HAO TRÊN DÂY QUẤN TẠI TẢI ĐỊNH MỨC – ĐIỆN TRỞ PHA DÂY QUẤN STATOR: Tại tải định mức ứng với hệ số trượt định mức sđm = 0,02; ta cĩ thể xác định tổn hao trên dây quấn rotor theo một trong các quan hệ sau: s.P Ps.P cơ jđt2 1 s P,j2 0 02 56707 , 68 1134 ,W 15 Vì tổn hao thép chiếm 25% tổng tổn hao, ta suy ra : P 25 % Tổnhao 0 , 25 3823 , 53 955 , 88  956 W thép  Tổn hao trên dây quấn stator: Tổnhao P P P P  thép j12 j mq P Tổnhao P P P j12 thép j mq P,j1 3823 53 955 , 88 1124 ,, 15 573 53 1169 , 97 1170 W Điện trở trên một pha dây quấn stator: Pj1 1170 R, 01083 1 22 3360.Idmpha . Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
184 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 BÀI TẬP CHƯƠNG 5 BÀI TẬP 5.1 Cho động cơ khơng đồng bộ 3 pha : 25 hp, 6 cực, 60 Hz cĩ rotor dây quấn; điện trở và điện kháng tương đương 1 pha là : R2 = 0,1 Ω/pha ; Xt2 = 0,54 Ω/pha. Điện áp đo trên mỗi pha rotor khi rotor bị chận là E2 = 150 V. Khi động cơ vận hành, nếu rotor quay với tốc độ là 1164 vịng/phút, xác định: a./ Tốc độ đồng bộ (tốc độ n1 của từ trường quay). b./ Hệ số trượt. c./ Tổng trở phía rotor lúc đang quay. d./ Dịng điện rotor. e./ Dịng điện qua dây quấn rotor khi thay đổi tải trên trục để cĩ hệ số trượt s = 1,24 % f./ Tốc độ động cơ khi đạt điều kiện theo câu e. ĐÁP SỐ: a./ 1200 vịng/phút b./ s = 0,03 R2 o c./ Zj.X,R 338 920  d./ IR = I2 = 44,42 A s t2 o e./ IIR 2 18 , 6  3 83 A f./ 1185 vịng/phút BÀI TẬP 5.2 Cho động cơ khơng đồng bộ 3 pha: 25 hp, 4 cực, 60 Hz; 460 V (áp dây) cĩ cơng suất điện từ cấp vào rotor là 14,58 kW. Tổn hao đồng là 263 W, tổn hao ma sát cơ quạt giĩ là 197 W. Xác định: a./ Tốc độ động cơ. b./ Cơng suất cơ cấp đến tải. c./ Momen cơ trên trục động cơ. ĐÁP SỐ: a./ 1767,6 vịng/phút b./ 14317 W c./ 77,35 Nm BÀI TẬP 5.3 Cho động cơ khơng đồng bộ 3 pha: 100 hp; 6 cực ; 60 Hz ; 230 V (áp dây) cĩ hiệu suất là 91 % khi được cấp dịng dây hiệu dụng là 218 A . Cho tổn hao lỏi thép, tổn hao đổng stator và tổn hao đổng rotor lần lượt là : 1697 W ; 2803 W và 1549 W . Xác định: a./ Cơng suất điện cấp vào động cơ. b./ Tổng tổn hao của động cơ. c./ Cơng suất điện từ. d./ Tốc độ độngcơ. e./ Hệ số cơng suất của động cơ. f./ Tổn hao ma sát cơ + quạt giĩ. g./ Momen cơ ra trên trục . ĐÁP SỐ: a./ 81978 W b./ 7378 W c./ 77478 W d./ 1176 vịng/phút e./ HSCS = 0,83 f./ 1329 W g./ 605,8 Nm BÀI TẬP 5.4 Cho động cơ khơng đồng bộ 3 pha: 40 hp; 8 cực, 60 Hz, 2300 V (áp dây) vận hành 80 % tải định mức tại điện áp thấp hơn định mức 6 %. Hiệu suất và hệ số cơng suất của động cơ trong trạng thái này lần lượt là 85% và 90%. Tổn hao ma sát cơ và quạt giĩ là 1011 W , tổn hao đồng rotor là 969 W, tổn hao đồng stator là 1559 W. Xác định: a./ Cơng suất cơ trên trục. b./ Tốc độ động cơ. c./ Momen cơ ra d. Hệ số trượt. e./ Dịng dây từ nguồn cấp vào động cơ. f./ Tổn hao thép. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 185 BÀI TẬP 5.5 Cho động cơ khơng đồng bộ 3 pha: 5 hp, 4 cực, 60 Hz, 115 V (áp dây) hoạt động tại áp định mức, tần số định mức và hệ số tải là 125 % ; động cơ cĩ hiệu suất là 85,4% . Tổn hao đồng stator, tổn hao đồng rotor và tổn hao thép lần lượt là : 223,2 W ; 153 W và 114,8 W . Xác định: a./ Tốc độ động cơ. b./ Momen ra trên trục. c./ Momen sinh ra do ma sát cơ, quạt giĩ. BÀI TẬP 5.6 Cho động cơ khơng đồng bộ 3 pha: 50 hp, 4 cực, 60 Hz, 230V (áp dây) hoạt động tại áp định mức, tần số định mức . Động cơ bị qua tải khi tần số giảm thấp 5% và áp nguồn giảm thấp 7%. Để tránh tình trạng quá tải cơng suất cơ trên trục giảm cịn 70% cơng suất định mức . Dịng dây nguồn cấp vào động cơ lúc này là 100 A. Các thành phần tổn hao trong trạng thái hoạt động này là; tổn hao đồng stator 1015 W ; tổn hao đổng rotor 696 W ; tổn hao thép 522 W tổn hao do ma sát cơ và quạt giĩ là 667 W. Xác định: a./ Hiệu suất của động cơ. b./ Tốc độ động cơ. c./ Momen cơ trên trục. d./ Hệ số cơng suất. BÀI TẬP 5.7 Cho động cơ khơng đồng bộ 3 pha: 25 hp, 2 cực, 60 Hz, 230V (áp dây) dùng kéo tải theo yêu cầu momen khơng đổi (momen là hằng số khơng phụ thuộc vào tốc độ quay). Động cơ hoạt động tại áp định mức, tần số định mức với tốc độ định mức là 3575 vịng/phút. Xác định cơng suất cơ trên trục, tốc độ quay và hiệu suất nếu tần số giảm thấp đến 54 Hz. Hệ số cơng suất và dịng dây nguồn trong điều kiện mới là 0,89 và 55 A. Tổn hao đồng stator, tổn hao đồng rotor và tổn hao thép lần lượt là: 992,7 W , 496 W và 546 W. BÀI TẬP 5.8 Cho động cơ khơng đồng bộ 3 pha: 15 hp, 6 cực, 60 Hz, 460V (áp dây) dây quấn stator đấu Y, dùng kéo bơm ly tâm tại tốc độ 1185 vịng/phút. Tổn hao ma sát cơ và quạt giĩ là 166 W. Thơng số mạch tương đương 1 pha qui về stator là: R1 = 0,2 Ω ; R’2 = 0,25 Ω ; Rc = 317 Ω Xt1 = 1,2 Ω ; X’t2 = 1,29 Ω ; Xm = 42 Ω Áp dụng mạch tương đương dạng chính xác, xác định: a./ Hệ số trượt. b./. Dịng dây cấp vào dây quấn stator. c./ Cơng suất điện và hệ số cơng suất của động cơ. d./ Tổn hao đồng stator, tổn hao đồng rotor. e./ Cơng suất điện từ. f./ Cơng suất cơ và momen cơ trên trục g./ Hiệu suất của động cơ. ĐÁP SỐ: a./ 0,0125 b./ 15,11 A c./ 10,4 kW ; HSCS = 0,864 d./ 137 W, 121 W e./ 9655 W f./ 9368 W ; 75,5 Nm g./ 90% BÀI TẬP 5.9 Cho động cơ khơng đồng bộ 3 pha: 40 hp, 4 cực, 60 Hz, 460V (áp dây) cĩ tốc độ định mức là 1751 vịng/phút . Thơng số mạch tương đương 1 pha qui về stator là: R1 = 0,102 Ω ; R’2 = 0,153 Ω ; Rc = 102,2 Ω Xt1 = 0,409 Ω ; X’t2 = 0,613 Ω ; Xm = 7,665 Ω Xác định: a./ Tốc độ tại lúc đạt momen cực đại. b./ Momen cực đại và momen định mức ĐÁP SỐ: a./ 1532 vịng/phút b./ 270,32 Nm ; 88,51 Nm Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
186 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 5 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 187 CHƯƠNG 06 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA Máy phát điện đồng bộ hay máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng. Máy phát điện xoay chiều được chế tạo theo loại một pha hay ba pha, là thành phần chủ yếu trong hệ thống truyền tải và cung cấp điện năng. Ngày nay các máy phát điện cơng suất lớn cĩ cơng suất vài trăm MVA với nguồn cơ năng dùng thủy lực hình thành các nhà máy thủy điện cung cấp cho khu vực hay quốc gia. Các máy phát điện cĩ cơng suất nhỏ từ 10KVA đến 1MVA , với nguồn cơ năng là động cơ nổ Diessel, hình thành các nhà máy nhiệt điện nhỏ hay các tổ động cơ máy phát dự phịng cho các nhà máy, xí nghiệp cơng nghiệp. Máy phát điện cịn cĩ khả năng đấu vận hành song song (hịa đồng bộ ) để nâng cơng suất cấp đến tải, hay dùng làm máy bù dùng nâng cao hệ số cơng suất. Với khả năng và phạm vi sử dụng rộng rãi của máy phát, các chuyên-viên kỹ-thuật cần nắm vững các nguyên lý cơ bản; để thuận lợi trong cơng tác vận hành và bảo quản. 6.1.CẤU TẠO CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ: 6.1.1. CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH : Máy phát điện đồng bộ gồm hai thành phần chính :  ROTOR: cịn được gọi là phần cảm dùng tạo ra từ trường kích thích dạng một chiều (khơng biến thiên biên độ theo thời gian).  ROTOR CỰC TỪ LỒI dây quấn trên các cực từ được quấn tập trung, hình dạng của rotor cực lồi trình bày trong hình H6.1.  ROTOR CỰC TỪ ẦN : dây quấn trên rotor thực hiện theo dạng dây quấn phân bố khơng tập trung, xem hình H6.3 và H6.4. HÌNH H6.1: Kết cấu của rotor cực từ lồi, 2p = 4 Rotor chưa được đĩng vào trục. Trên rotor đã cĩ quấn dây quấn kích thích. HÌNH H6.2: Hình dạng của rotor cực từ lồi sau khi đã đĩng trục. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
188 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 HÌNH H6.3: Hình dạng của rotor cực từ ẩn , rotor chưa được quấn dây. HÌNH H6.4: Hình dạng của rotor cực từ ẩn , dây quấn rotor đang được sửa chửa. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 189  STATOR: cịn được gọi là phần ứng, kết cấu của stator máy phát điện xoay chiều giống như kết cấu của stator động cơ cảm ứng . Trên stator chúng ta bố trí một hay nhiều pha dây quấn để cĩ thể hình thành máy phát một pha hay nhiều pha. Với máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha, trên stator chúng ta bố trí ba bộ dây quấn lệch vị trí khơng gian 120o. Hình dạng của stator máy phát điện đồng bộ, trình bày trong hình H6.5, H6.6. HÌNH H6.5: Dây quấn stator máy phát đang được thi cơng. HÌNH H6.6: Stator máy phát đang được bảo trì. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
190 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 6.1.2. HỆ THỐNG VÀNH TRƯỢT VÀ MÁY PHÁT KÍCH TỪ ĐẦU TRỤC : Muốn tạo thành từ trường kích thích một chiều trên phần cảm chúng ta cần cấp dịng một chiều vào dây quấn phần cảm được lắp trên rotor. Khi rotor được kéo quay bởi động cơ sơ cấp, để tránh tình trạng các dây nối bị xoắn, dịng một chiều được cấp vào rotor thơng qua hệ thống vành trượt và chổi than. Các vành trượt là hai vịng hình trụ bằng đồng thau (hay đồng đỏ), được bố trí đồng trục với rotor. Vành trượt được cách điện với phần kim loại của trục quay bằng các vật liệu cách điện, xem hình H6.7. HÌNH H6.7: Kết cấu vành trượt và chổi than trên stator. Tiếp xúc với hai vành trượt là hai chổi than được lắp cố định so với trục quay rotor, dùng cấp điện vào cho dây quấn rotor. Dây quấn rotor, sau khi được quấn theo cơng nghệ nhất định (để hình thành các từ cực trên rotor) sẽ đưa ra 2 đầu dây. Hai đầu dây này được bố trí chạy bên trong cốt trục quay đến các vành trượt và được hàn dính vào hai vành trượt này. Với các máy phát điện cĩ cơng suất lớn, từ 200 KVA trở lên, dịng một chiều được cấp vào phần cảm cĩ giá trị rất lớn từ vài chục đến vài trăm Ampère trong quá trình vận hành. Tiếp xúc giữa chổi than và vành trượt dễ sinh ra các tia lửa điện khi rotor đang hoạt động; vấn đề bảo trì và vận hành tương đối phức tạp, ngồi ra tổn hao nhiệt do điện trở tiếp xúc (giữa chổi than và vành trượt) trong quá trình vận hành ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng của máy phát điện. Dạng máy phát điện dùng hệ thống chổi than và vành trượt để cấp nguồn một chiều cho phần cảm, được gọi là máy phát điện kích từ trực tiếp. Ngày nay để khắc phục nhược điểm của hệ thống vành trượt và chổi than, các máy phát (sử dụng động cơ sơ cấp là động cơ nổ) thường được chế tạo theo dạng “ brushless” khơng chổi than. Muốn cấp nguồn một chiều vào cho phần cảm ta phải dùng thêm một máy phát điện đầu trục. Liên kết giữa máy phát chính và máy phát điện đều trục được mơ tả như sau:  Máy phát điện đầu trục cũng là máy phát điện xoay chiều ba pha.  Phần ứng của máy phát điện đầu trục được ghép đồng trục với phần cảm của máy phát chính. Cả hệ thống này được quay bởi động cơ nổ sơ cấp.  Phần cảm của máy phát đầu trục được bố trí cố định bên ngồi, tương tự như phần ứng của máy phát chính. Phần cảm của máy phát đầu trục cũng được cấp nguồn áp một chiều để tạo ra từ trường kích thích (loại một chiều). Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 191  Khi phần cảm của máy phát đầu trục tạo ra từ trường kích thích và động cơ nổ sơ cấp quay phần ứng của máy phát đầu trục . Các pha dây quấn trên phần ứng máy phát đầu trục hình thành các sức điện động cảm ứng .  Điện áp 3 pha phát ra từ phần ứng của máy phát đầu trục được chỉnh lưu bằng mạch cầu diode bán dẫn để trở thành nguồn một chiều cấp vào dây quấn của phần cảm máy phát chính. Cầu chỉnh lưu gồm 6 diode bán dẫn được lắp trên dĩa cách điện, cố định đồng trục với phần ứng máy phát đầu trục và phần cảm của máy phát chính. Tịan bộ kết cấu của máy phát điện dùng máy phát đầu trục kích từ được mơ tả trong hình H6.8. Khi chỉnh lưu nguồn áp 3 pha từ phần ứng máy phát đầu trục để tạo thành nguồn áp một chiều cấp vào cho phần cảm máy phát chính, để cải thiện hiện tượng chỉnh lưu khơng phẳng, tần số của nguồn áp 3 pha phát ra từ máy phát đầu trục cĩ giá trị cao hơn tần số lưới điện thơng thường. Tần số này cĩ thể từ 120Hz đến 240Hz . Do đĩ, số cực từ của máy phát đầu trục lớn hơn số cực của máy phát chính từ 3 đến 6 lần Stator máy phát điện chính Rotor máy phát chính Stator máy phát điện đầu trục Rotor máy phát điện đầu trục HÌNH H6.8: Cấu tạo máy phát điện cĩ dùng máy phát điện đầu trục (brushless alternator) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
192 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 6.1.3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ: Với nội dung tĩm lược về cấu tạo máy phát điện đồng bộ như vừa trình bày trong các mục trên, tùy thuộc vào phương pháp cấp dịng kích thích một chiều vào dây quấn phần cảm ta cĩ các dạng máy phát kích thừ trực tiếp, và máy phát điện cĩ máy phát kích từ đầu trục. Sơ đồ nguyên lý của mỗi loại được trình bày lần lượt trong các hình H6.9 và H6.10. Trong hình H6.11 trình bày cấu tạo của nửa bộ chỉnh lưu câu dùng chỉnh lưu dịng xoay chiều 3 pha từ phần ứng máy phát điện đầu trục thành nguồn một chiều để cấp vào phần cảm của máy phát chính. HÌNH H6.9: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ (loại kích từ trực tiếp) HÌNH H6.10: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ (loại khơng chổi than, dùng máy phát đầu trục.) HÌNH H6.11: Hình dạng của nửa cầu chỉnh lưu dùng chỉnh lưu trong máy phát điện đồng bộ Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 193 6.2.NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ: Xét mơ hình nguyên lý đơn giản của máy phát điện đồng bộ gồm:  Phần cảm (rotor) cực từ lồi 2p = 2  Phần ứng (stator) bố trí ba bộ dây quấn, lệch vị trí khơng gian từng đơi B 1200. o 120 Gọi tốc độ của động cơ sơ cấp dùng quay phần cảm là n1. Vận tốc gĩc của động cơ sơ cấp là  2 .n . Vì từ thơng tạo bởi dây 120o 1 1 quấn kích thích khơng biến thiên theo thời gian, nên vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm của máy phát cĩ biên độ khơng thay đổi. Do đĩ khi dùng động cơ sơ cấp quay phần cảm trịn đều với tốc độ 1 2 .n1 , từ trường tạo bởi phần cảm chuyển động trịn đều cho ta HÌNH H6.12: hình ảnh của từ trường quay trịn. Giả sử tại lúc bất kỳ ta xét từ thơng xuyên qua bộ dây quấn AX . Gọi là gĩc hợp bởi phương của trục bộ dây AX với vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm, ta cĩ kết quả như sau:  AX B.A.cos (6.1) Trong đĩ A là tiết diện của bộ dây AX và B là cảm ứng tử tạo bởi phần cảm, thay thế tích số B.A m và 1t ta cĩ:  AX m.cos 1t (6.2) Khi chọn trục qua bộ dây AX làm chuẩn, từ thơng tạo bởi từ trường phần cảm với các bộ dây BY và CZ được viết như sau: o BY m.cos 1t 120 (6.3) o CZ m.cos 1t 240 (6.4) Tĩm lại khi động cơ sơ cấp quay trịn đều phần cảm, từ trường kích thích tạo ra các từ thơng biến thiên theo thời gian qua các bộ dây AX, BY, CZ . Nĩi một cách khác từ trường phần cảm quét qua các bộ dây quấn sẽ hình thành các sức điện động cảm ứng trên mội bộ dây. Áp dụng cơng thức Faraday ta cĩ các kết quả sau: d d .cos  t  e N .K . AX N .K . m 1 AX pha dq dt pha dq dt Hay: eAX Npha.Kdq.m.1 sin 1t (6.5) Tương tự: o eBY Npha.Kdq.m.1 sin 1t 120 (6.6) o eCZ Npha.Kdq.m.1 sin 1t 240 (6.7) Từ các quan hệ (6.5) đến (6.7) cho thấy các sức điện động sinh ra trên 3 pha dây quấn hợp thành nguồn áp 3 pha cân bằng. Với chiều quay của động cơ sơ cấp trong hình vẽ H6.12 khi từ trường phần cảm quét lần lượt qua các bộ dây AX, BY, CZ cho ta nguồn áp 3 pha thứ tự thuận. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
194 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 QUAN HỆ GIỮA TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SƠ CẤP VÀ TẦN SỐ NGUỒN ĐIỆN PHÁT RA: Từ mơ hình trình bày trong hình H6.12 với số cực 2p = 2 cực, ta cĩ nhận xét như sau: Giá trị vận tốc gĩc 1 2 .n1 đầu tiên được tạo bởi động cơ sơ cấp. Tuy nhiên trong các quan hệ (6.5) đến (6.7) vai trị của 1 trở thành tần số gĩc của nguồn áp sinh ra trên các bộ dây quấn stator của máy phát. Tại lúc này ta cĩ : 1 2 .f (6.8) Trong đĩ f là tần số nguồn áp 3 pha sinh ra trên dây quấn stator của máy phát. So sánh quan hệ (6.8) với quan hệ 1 2 .n1 suy ra. (6.9) fn 1 Đơn vị đo của các đại lượng trong quan hệ (6.9) là : [f] = [Hz] ; [n1] = [vịng/s]. Từ quan hệ (6.9) ta rút ra nhận xét sau: Với phần cảm cĩ 2p = 2 cực, khi quay từ thơng phần cảm quét qua một bộ dây quấn stator một vịng , sức điện động hình thành trong bộ dây thực hiện được 1 chu kỳ. Với phần cảm cĩ số cực 2p > 2 cực, khi quay từ thơng phần cảm quét qua một bộ dây quấn stator 1 vịng, như vậy đã cĩ p cặp cực từ quét qua bộ dây nên cĩ p chu trình của nguồn điện sin đã thực hiện trong bộ dây . Một cách tổng quát ta cĩ được quan hệ sau: (6.10) fp.n 1 Trong đĩ [f] = [ Hz] ; [n1]=[vịng/giây]. Khi tốc độ được tính theo [vịng / phút ], quan hệ (6.10) được viết lại như sau : p.n f 1 (6.11) 60 THÍ DỤ 6.1: Máy phát điện đồng bộ 3 pha cĩ 2p = 4 cực muốn phát ra nguồn áp cĩ tần số là 50 Hz thì động cơ sơ cấp cần cĩ tốc độ quay là: 60.f 60 50 n 1500 vòng / phút 1 p2 Trường hợp muốn máy phát ra nguồn áp cĩ tần số 60 Hz động cơ sơ cấp cần tăng tốc đến giá trị sau: 60.f 60 60 n 1800 vòng / phút 1 p2 SỨC ĐỘNG ĐỘNG HIỆU DỤNG PHA CỦA MỖI BỘ DÂY QUẤN TRÊN STATOR: Từ các quan hệ (6.50 đến (6.7) biên độ của sức điện động pha trên mỗi bộ dây quấn là: (6.12) EN.K 2f.N.K.phamax   pha dq m 1 pha dq m Suy ra sức điện động hiệu dụng pha của mỗiu pha dây quấn trên stator máy phát điện đồng bộ là : Ephamax Epha  4,44.f.N pha .K dq . m (6.13) 2 Trong đĩ Kdq là hệ số dây quấn của mỗi pha dây quấn. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 195 Biểu thức sức điện động hiệu dụng của mỗi pha dây quấn cịn được trình bày theo quanhệ: p.n E  4, 44. 1 .N .K . pha pha dq m 60 Hay: 4,44.p.N .K E.n.  pha dq (6.14) pha 1 m 60 Gọi KE là hằng số cấu tạo phần ứng (stator) của máy phát,, ta cĩ: 4, 44.p.Npha .K dq K (6.15) E 60 Từ các quan hệ (6.14) và (6.15) suy ra: EK.n.pha  E 1 m (6.16) Tĩm lại Sức điện động mỗi pha tỉ lệ thuận với hai thơng số: từ trường m kích thích của phần cảm và tốc độ quay n1 của động cơ sơ cấp. Tần số f của sức điện động pha tỉ lệ thuận với : số đơi cực p của máy phát và tốc độ quay n1 của động cơ sơ cấp. THÍ DỤ 6.2: Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha cĩ 2p = 4 cực và sức điện động pha là Epha = 380 V khi phát tại tần số 60 Hz . Bây giờ muốn máy phát cấp sức điện động pha vẫn là Epha = 380 V nhưng tần số là 50 Hz ta cần phải điều chỉnh các thơng số nào của máy phát. GIẢI Với yêu cầu nêu trong thí dụ, ta cĩ hai trạng thái hoạt động cho máy phát: TT1: Tại trạng thái phát ra tần số f = 60 Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là: 60.f 60 60 n 1800 vòng / phút 11 p2 TT2: Tại trạng thái phát ra tần số f = 50 Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là: 60.f 60 50 n 1500 vòng / phút 12 p2 Như vậy khi chuyển chế độ làm việc của máy phát từ trạng thái phát ra nguồn áp tần số 60Hz sang trạng thái phát nguồn áp tần số 50 Hz, ta cần giảm tốc độ quay của động cơ sơ cấp. Ngồi ra muốn đảm bảo điều kiện duy trì sức điện động hiệu dụng pha Epha = 380 V; theo quan hệ (6.16) ta phải điều chỉnh thay đổi từ thơng kích thích. Xét tỉ số sau: E n. n pha2 12 max 2 1 hay  11 .1,2.   En. max 2 n max 1 max 1 pha1 11 max 1 12 Tĩm lại muốn duy trì Epha = 380 V, ta cần tăng từ thơng kích thích tại lúc phát tần số 50 Hz. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
196 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 6.3.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ : Khi đấu tải vào dây quấn phần ứng máy phát, mạch kín cho dịng qua tải. Dịng qua tải cĩ tính chất của dịng cảm ứng vì được sinh ra bởi các sức điện động cảm ứng từ 3 pha dây quấn trên stator máy phát. Theo Lenz các dịng cảm ứng cĩ khuynh hướng tạo các hệ quả đối kháng lại nguyên nhân ban đầu sinh ra nĩ. Do đĩ các dịng qua phần ứng hình thành từ trường tương tác lên từ trường phần cảm. Sự tương tác giữa hai thành phần từ trường này được gọi là phản ứng phần ứng. Tùy thuộc vào tính chất của tải (hệ số cơng suất của tải) ta cĩ 3 trường hợp sau khi xét phản ứng phần ứng. 6.3.1.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN TRỞ : Giả sử dây quấn phần ứng đấu Y, tải 3 pha cân bằng; bỏ qua nội trở của + dây quấn phần ứng. Chúng ta khảo sát I phản ứng phần ứng sinh ra trong trường E R pha hợp này bằng mạch điện tương đương - một pha của phần ứng phối hợp với giản đồ vẽctor phase như sau (hình H6.13).  max max Ikt  Vẽ vector đặc trưng cho từ trường kích thich tạo bởi phần cảm (m). + Vkt  Vector đặc trưng cho sức điện  E o - ư pha động pha Epha , chậm pha 90 so với từ thơng (m). I  Vì tải thuần trở dịng phần ứng trùng pha với sức điện động. Dịng điện HÌNH H6.13: Phản ứng phần ứng với tải thuần trở này hình thành từ thơng ứng (ư) trùng pha với nĩ.  Vậy từ thơng phần cảm và phần ứng cĩ phương vuơng gĩc với nhau . Kết quả của sự tương tác này làm từ thơng phần cảm cĩ thay đổi và ảnh hưởng đến giá trị của sức điện động sinh ra trên mỗi pha. Vì phương của các từ thơng này vuơng gĩc với nhau, ta nĩi phản ứng phần ứng là dạng khử từ ngang trục. 6.3.2.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN CẢM : Tương tự như phần khảo sát trên, khi tải thuần cảm mạch tương đương trình + I bày trong hình H6.14 . E L pha  Vẽ vector từ trường kích thích tạo -  max bởi phần cảm (m).  max  Vẽ vector sức điện động pha Ikt o E chậm pha 90 so với từ thơng (m). pha +  Vì tải thuần cảm , dịng phần ứng Vkt - chậm pha 90o so với sức điện động. I Dịng điện này hình thành từ thơng ư ứng(ư) trùng pha với dịng ứng. Nên từ thơng (ư) chậm pha hơn sức điện động 0 HÌNH H6.14: Phản ứng phần ứng với tải thuần cảm gĩc 90 . Vậy từ thơng phần cảm và phần ứng ngược hướng với nhau . Tĩm lại từ thơng phần ứng cĩ khuynh hướng khử từ thơng phần cảm. Vì hướng của các từ thơng ngược nhau, ta nĩi phản ứng phần ứng là dạng khử từ dọc trục. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 197 6.3.3.PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN DUNG : Tương tự như các nội dung đã + khảo sát trong các mục trên, với tải I thuần dung mạch tương đương trình E C pha bày trong hình H6.15; các vector từ - thơng và điện áp được xây dựng tuần tự theo qui trình như sau: max max Ikt  Vẽ vector đặc trưng cho từ trường kích thich tạo bởi phần cảm ư + (m). Vkt I - E  Vector đặc trưng sức điện pha động chậm pha 90o so với từ thơng  Vì tải thuần dung, dịng qua HÌNH H6.15: Phản ứng phần ứng với tải thuần dung phần ứng sớm pha 90o so với sức điện động . Dịng điện này tạo thành 0 từ thơng ứng(ư) trùng pha với dịng ứng. Từ thơng (ư) sớm pha hơn sức điện động gĩc 90 .  Từ thơng phần cảm và phần ứng cùng hướng với nhau, ta nĩi từ thơng phần ứng cĩ khuynh hướng hổ trợ từ thơng phần cảm. Phản ứng phần ứng là dạng trợ từ dọc trục 6.3.4.ĐIỆN KHÁNG ĐỒNG BỘ ( XS) : Với tải cĩ tính chất bất kỳ, máy phát sinh ra các phản ứng phần ứng dọc trục hay ngang trục. Các phản ứng này ảnh hưởng đến từ thơng phần cảm và làm thay đổi giá trị sức điện động trên mỗi pha khi máy phát mang tải. Để đặc trưng cho các phản ứng phần ứng và đơn giản hĩa trong quá trình khảo sát máy phát bằng cách dùng mạch điện tương đương; chúng ta dùng điện kháng đồng bộ Xs. Thực sự điện kháng đồng bộ dọc trục, vừa phản ánh phản ứng phần ứng nhưng lại vừa phản ánh thành phần từ thơng tản từ (điện kháng tản từ) trên dây quấn phần ứng . j.X Rpha S Ipha pha I Epha Vpha Zt S ZR pha j.X S HÌNH H6.16: Mạch tương đương 1 pha của máy phát điện đồng bộ. Mạch điện tương đương 1pha của phần ứng được trình bày trong hình H6.16 Phương trình cân bằng áp của mạch phần ứng (stator) trên một pha: EVRj.XIpha pha pha (6.17) pha S VZIpha t pha (6.18) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
198 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 6.4.ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ: Khi vận hành máy phát điện, trước tiên cần điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp tương thích với số cực để tạo được tần số đúng yêu cầu và duy trì tốc độ quay khơng đổi để tần số ổn định. Kế tiếp điều chỉnh dịng một chiều cấp vào phần cảm cĩ giá trị phù hợp để tạo các áp pha trên bộ dây quấn stator cĩ giá trị bằng đúng định mức. Điều chỉnh thay đổi dịng kích từ cấp vào dây quấn phần cảm làm thay đổi giá trị của điện áp ra trên stator. Áp pha lúc khơng tải chính là sức điện động cảm ứng Epha sinh ra trên mỗi pha dây quấn. Khi máy phát mang tải , nếu duy trì khơng điều chỉnh thay đổi dịng kích từ, áp pha trên mỗi pha tải lúc vận hành cĩ giá trị là Vpha . Giá trị này khác với áp pha lúc khơng tải. Độ chênh lệch giá trị giữa Epha và Vpha được gọi là độ thay đổi điện áp của máy phát. Gọi V là độ thay đổi điện áp và V% là phần trăm độ thay đổi điện áp, ta cĩ các định nghĩa như sau: VEpha V pha (6.19) EV V% pha pha 100 (6.20) V pha 6.4.1. ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP KHI TẢI CĨ TÍNH CẢM: Bài tốn xác định độ thay đổi điện áp máy phát theo tải thường được khảo sát theo lý thuyết dưới dạng giản đồ vector. Với tải cĩ tính cảm giản đồ vector được vẽ từ mạch tương đương 1 pha trình bày trong hình H6.17. Epha R j.X S pha Vpha a h I p R . S p X ha .I ph Ipha a Ipha V p Epha Vpha ha . cos Zt in .s a h V p HÌNH H6.17: Giản đồ vector dùng xác định độ thay đổi điện áp với tải cĩ tính cảm Từ giản đồ vector hình H6.17, khi chọn dịng Ipha làm chuẩn, ta suy ra quan hệ sau: 22 EV.cosR.IV.sinX.I (6.21) pha pha pha pha pha S pha Hay: EV.cosR.Ij.V.sinX.Ipha (6.22) pha pha pha pha S pha Khi tính được Epha và biết trước Upha ta xác định V hay V% theo (6.19) hay (6.20). Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 199 6.4.2. ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP KHI TẢI CĨ TÍNH DUNG: Tương tự với tải cĩ tính dungf giản đồ vector được vẽ từ mạch tương đương 1 pha trình bày trong hình H6.18. R j.X pha S V p h a . s in + + Epha os pha c I . a X V ph Vpha S .I Epha p h Zt a I Tải nh cảm pha - HSCS trễ - a .I ph ha R p Vpha HÌNH H6.18: Giản đồ vector dùng xác định độ thay đổi điện áp với tải cĩ tính dung Từ giản đồ vector hình H6.18, khi chọn dịng Ipha làm chuẩn ta suy ra quan hệ sau: 22 EV.cosR.IV.sinX.I (6.23) pha pha pha pha pha S pha Hay: EV.cosR.Ij.V.sinX.Ipha (6.24) pha pha pha pha S pha THÍ DỤ 6.3: Cho máy phát đồng bộ 3 pha: 30 kVA ; 220 V , dây quấn stator đấu Y. Biết tổng trở đồng bộ một pha của máy phát là: ZRS j.X0,4j.1,2 . pha S pha a./ Tính độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải với điện áp cấp đến tải bằng định mức. Biết HSCS tải là 0,8 trễ. b./ Tính lại câu a, nếu HSCS tải là 0,8 sớm. CHÚ Ý: Với máy phát điện đồng bộ các thơng số định mức gồm: Cơng suất biểu kiến định mức : là cơng suất biểu kiến tiêu thụ trên tải được qui định Sdm bởi nhà sản xuất . Điện áp định mức : là áp dây cấp đến tải từ máy phát. Điện áp này luơn được duy Vdm trì khơng đổi khi cấp đến tải . Do đĩ khi tải thay đổi muốn duy trì giá trị này trên tải ta cần phải điều chỉnh thay đổi sức điện động pha của máy phát bằng cách điều chỉnh thay đổi dịng kích thích. Dịng điện định mức : là dịng dây từ máy phát cấp đến tải khi tải tiêu thụ cơng suất Idm biểu kiến bằng đúng định mức và áp cấp đến tải bằng định mức. Các quan hệ giữa các thơng số định mức của máy phát trình bày như sau: Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
200 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 IIpha dây Trong hình H6.17 trình bày mạch phần ứng máy phát đang cấp nguồn đến tải. Theo qui định vận hành trong thực tế, ta luơn đảm bảo thơng số sau: (6.25) VVdây đm Suy ra: V V dây đm (6.26) Vpha 33 Khi tải 3 pha cân bằng đấu Y, ta cĩ: (6.27) IIdây pha HÌNH H6.17: Khi máy phát đầy tải (hay phát tải định mức) ta cĩ : (6.28) IIdây đm Cơng suất biểu kiến định mức của máy phát được xác định theo quan hệ sau: (6.29) S3.V.Iđm đm đm GIẢI a./ Độ thay đổi điện áp khi tải định mức và HSCS tải 0,8 trễ. Dịng điện định mức cấp đến tải : S 30000 đm I78,73Ađm  3.Vđm 3.220 Áp pha định mức cấp đến tải : V 220 đm Vpha đm  127 V 33 Các dữ liệu cho trong thí dụ: ; ; ; . R0,4pha X1,2S  cos 0,8 sin 0,6 Vì tải cĩ tính cảm, áp dụng quan hệ (6.21) suy ra sức điện động pha là: 22 Epha 127 0,8 0,4 78,73 127 0,6 1,2 78,73 Epha  216,43 V Phần trăm độ thay đổi điện áp là: EVpha pha 216,43 127 V% 100 100 V 127 pha V% 70,42 % Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 201 b./ Độ thay đổi điện áp khi tải định mức và HSCS tải 0,8 sớm. Vì tải cĩ tính dung, áp dụng quan hệ (6.23) suy ra sức điện động pha là: 22 Epha 127 0,8 0,4 78,73 127 0,6 1,2 78,73 Epha  134,34 V Phần trăm độ thay đổi điện áp là: EVpha pha 134,34 127 V% 100 100 V 127 pha V% 5,78 % THÍ DỤ 6.4: Với máy phát điện cĩ số liệu định mức cho trong thí dụ 6.3; tính lại phần trăm độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải tại điện áp định mức và hệ số cơng suất của tải là 0,6 sớm. GIẢI Khi máy phát đầy tải tại áp định mức, các số liệu dùng trong phép tính bao gồm: ; ; ; ; ; R0,4pha X1,2S cos 0,6 sin 0,8 I78,73Ađm  Vpha đm  127 V Vì tải cĩ tính dung, áp dụng quan hệ (6.23) suy ra sức điện động pha là: 22 Epha 127 0,6 0,4 78,73 127 0,8 1,2 78,73 Epha  107,93 V Phần trăm độ thay đổi điện áp là: EVpha pha 107,93 127 V% 100 100 V 127 pha  V% 15,02 % Giá trị V% 0 cho thấy sức điện động pha cĩ giá trị thấp hơn điện áp pha trên tải. Giá trị này phản ảnh được tính chất trợ từ của phản ứng phần ứng khi tải cĩ tính dung. THÍ DỤ 6.5: Với máy phát điện cĩ số liệu định mức cho trong thí dụ 6.3; tính phần trăm độ thay đổi điện áp khi máy phát cĩ hệ số tải Kt = 0,8 tại áp định mức và hệ số cơng suất của tải là 0,7 trễ. CHÚ Ý: Hệ số tải dùng trong máy phát điện đồng bộ 3 pha cĩ định nghĩa tương tự như trường hợp của máy biến áp. Ta cĩ : S 3.V .I I K tải đm dây dây (6.30) t SI đm3.Vđm .I đm đm Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
202 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 GIẢI Khi máy phát tại hệ số tải Kt = 0,8 với áp định mức, dịng pha qua tải là: K.S 0,8 30000 tđm Ipha I dây 62,984 A 3.Vđm 3 220 Các số liệu cần dùng để tính tốn gồm: ; ; ; ; ; R0,4pha X1,2S cos 0,7 sin  0,714 Iđm  62,984 A Vpha đm  127 V Vì tải cĩ tính cảm, áp dụng quan hệ (6.21) suy ra sức điện động pha là: 22 Epha 127 0,7 0,4 62,984 127 0,714 1,2 62,984 Epha  201,64 V Phần trăm độ thay đổi điện áp là: EVpha pha 201,64 127 V% 100 100 V 127 pha V% 58,77 % 6.5.CÁC ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ : Máy phát điện đồng bộ cĩ ba đặc tuyến làm việc chính: Đặc tuyến khơng tải. Đặc tuyến ngồi hay cịn gọi là đặc tuyến tải. Đặc tuyến điều chỉnh 6.5.1.ĐẶC TUYẾN KHƠNG TẢI: Đặc tuyến khơng tải của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mơ tả quan hệ giữa sức điện động pha của phần ứng với dịng điện kích thích cấp vào phần cảm. Đặc tuyến khơng tải được ghi nhận qua thí nghiệm khi : Khơng đấu tải vào dây quấn phần ứng. Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp cĩ giá trị định trước để ổn định tần số của nguồn điện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm. Vì sức điện động pha tỉ lệ thuận với từ cảm B HÌNH H6.18: Thí nghiệm khơng tải trong khi dịng kích thích tỉ lệ thuận với sức từ động kích thích tạo bởi dây quấn phần cảm. Như vậy dịng kích thích tỉ lệ với cường độ từ trường H của vật liệu sắt từ tạo nên máy phát. Tĩm lại đặc tuyến khơng tải của máy phát cĩ dạng của đường cong từ hĩa của vật liệu sắt từ tạo thành máy phát. Hình dạng của đặc tuyến khơng tải trình bày trong hình H.6.19. Trên đặc tuyến này lúc Ikt = 0 ta vẫn cĩ được giá trị của sức điện động pha . Giá trị này hình thành do từ trường dư tồn tại trong phần cảm. Sức điện động pha tạo bởi từ trường dư được gọi là Epha dư. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 203 Epha n11 Trong hình H6.19 trình bày các đặc tuyến khơng tải khi thay đổi tốc độ động cơ sơ n12 cấp (tức thay đổi tần số nguồn điện phát ra). Tương ứng với giá trị định trước của n13 dịng kích thích khi tăng tốc độ sức điện động pha gia tăng và ngược lại. Epha1 Giá trị của sức điện động pha dư thường trong phạm vi vài volt đến khoảng ( n11 > n12 > n13 ) 10V tùy thuộc vào cấp cơng suất của máy Epha2 phát. 6.5.2.ĐẶC TUYẾN TẢI (ĐẶC TUYẾN NGỒI): Đặc tuyến tải hay đặc tuyến ngồi của Ikt máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường Epha dỉ biểu diễn mơ tả quan hệ giữa áp pha Vpha Ikt trên tải theo dịng điện pha Ipha qua tải. HÌNH H6.19: Đặc tuyến khơng tải Đặc tuyến khơng tải được ghi nhận qua thí nghiệm khi : Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp cĩ giá trị định trước để ổn định tần số của nguồn điện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm. Điều chỉnh dịng kích thích để cĩ được áp khơng tải bằng định mức trước khi đấu tải vào phần ứng. Duy trì giá trị dịng kích thích này khơng đổi trong suốt quá trình thí nghiệm. Đấu tải vào phần ứng máy phát; điều chỉnh thay đổi tổng trở tải nhưng duy trì hệ số cơng suất khơng thay đổi. Trong hình H6.20 trình bày đặc tuyến Vpha cos 0,7 sớm tải với 3 dạng tải: thuần trở, tính cảm với HSCS 0,7 trễ , tính dung với HSCS 07 sớm.  Khi chưa cấp tải vào dây quấn V phần ứng của máy phát, dịng kích thích 1 V 2 được chỉnh để đạt sức điện động pha bằng cos 1 áp pha định mức của máy phát.  Tương ứng với mỗi loại tải, khi dịng tải tăng độ lớn độ thay đổi điện áp cos 0,7 trễ cũng gia tăng. Epha = Vphadm  Với cùng giá trị dịng tải, tải cĩ tính cảm tạo độ thay đổi điện áp lớn hơn so với trường hợp tải thuần trở. Tại lúc này áp pha hay . VEpha pha VVpha pha dm I Ipha Điều này cho thấy tác dụng khử từ thơng Ipha1 pha2 kích thích bởi từ thơng ứng theo phản ứng HÌNH H6.20: Đặc tuyến tải hay đặc tuyến ngồi. phần ứng.  Với cùng giá trị dịng tải, tải cĩ tính dung tạo sự thay đổi điện áp sao cho VEpha pha hay . Điều này dẫn đến kết quả , kết quả này cĩ thể tìm thấy trong các thí dụ VVpha pha dm V0 6.3 đến 6.5. Tính chất này cho thấy tác dụng trợ từ thơng kích thích bởi từ thơng ứng theo phản ứng phần ứng.  Tĩm lại khi vận hành máy phát nếu chỉ duy trì tần số khơng đổi và khơng điều chỉnh thay đổi dịng kích thích; áp trên tải sẽ thay đổi khi dịng tải thay đổi. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
204 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 6.5.3.ĐẶC TUYẾN ĐIỀU CHỈNH: Với các phân tích về đặc tuyến Ikt tải như trên, muốn điện áp cấp đến tải cos 0,7 trễ luơn luơn duy trì bằng giá trị định mức khi tải thay đổi độ lớn và tính chất ta cos 1 cần điều chỉnh thay đổi dịng kích thích để giữ được áp cấp đến tải luơn Tăng I bằng giá trị định mức. I kt kto Biện pháp này được gọi là điều Giảm Ikt chỉnh kích thích. Ikto cos 0,7 sớm Đặc tuyến điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mơ tả quan hệ giữa dịng pha I qua tải theo dịng điện kích I cấp I Ipha pha kt Ipha1 pha2 vào phần cảm để áp pha trên tải luơn HÌNH H6.21: Đặc tuyến điều chỉnh. bằng giá trị định mức. Trong hình H6.21 trình bày đặc tuyến điều chỉnh với 3 dạng tải: thuần trở, tính cảm với HSCS 0,7 trễ , tính dung với HSCS 07 sớm.  Khi chưa cấp tải vào dây quấn phần ứng của máy phát, dịng kích thích được chỉnh để đạt sức điện động pha bằng áp pha định mức của máy phát. Giá trị dịng kích thích nqày là Ikto.  Tương ứng với tải thuần trở hay tính cảm, khi dịng tải tăng để duy trì áp pha luơn bằng định mức độ lớn dịng kích thích được điều chỉnh tăng  Với cùng giá trị dịng tải, tải cĩ tính cảm cần tăng dịng kích thích nhiều hơn so với trường hợp tải thuần trở.  Ngược lại với tải cĩ tính dung cần giảm dịng kích thích khi dịng tải gia tăng.  Đặc tính điều chỉnh cho ta các dữ liệu cần thiết để điều chỉnh thay đổi dịng kích thích khi tải thay đổi. Đặc tính này là cơ sở để thực hiện các bộ tự động điều chỉnh kích thích máy phát bằng linh kiện bán dẫn (mạch AVR: Automatic Voltage Regulator). 6.6. QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ : Trong quá trình vận hành thực tế máy phát điện đồng bộ: nguồn áp một chiều cấp vào phần cảm khơng sử dụng từ nguồn áp một chiều bên ngịai . Phương pháp kích thích độc lập (dùng nguồn DC ngồi cấp vào phần cảm) chỉ thực hiện trong quá trình chế tạo, vận hành thử trong quá trình sản xuất, hoặc trong các trường hợp thử nghiệm lấy thơng số đặc tính của máy phát, hay cần vận hành thử máy phát lần đầu tiên sau quá trình sửa chửa Khi bắt đầu vận hành máy phát điện, chúng ta cần thực hiện giai đọan tự kích cho máy phát. Quá trình tự kích là quá trình sử dụng sức điện động dư Edư sinh ra do từ trường dư trong phần cảm để cung cấp trở lại năng lượng ban đầu cho phần cảm , làm tăng dần điện áp phát ra trên phần ứng. Mạch điện đơn giản mơ tả quá trình tự kích cho máy phát điện được trình bày trong hình H6.22. Khi dùng mơ hình máy phát điện dùng máy phát kích từ đầu trục (trường hợp máy phát kích từ trực tiếp được khảo sát tương tự), sức điện động trên một pha của phần ứng máy phát được cấp vào dây quấn phần cảm thơng qua mạch chỉnh lưu dùng biến đổi dịng điện điện xoay chiều thành một chiều . Dịng điện kích thích được điều chỉnh bằng biến trở VR. Theo lý thuyết , sức điện động trên mỗi pha phần ứng máy phát ( Epha ) và dịng kích thích ( Ikt ) quan hệ với nhau thơng qua đặc tuyến khơng tải . Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 205 HÌNH H6.22: Sơ đồ nguyên lý thực hiện quá trình tự kích máy phát điện đồng bộ. Giả sử khi hình thành được Epha, giá trị Epha sau khi chỉnh lưu thành điện áp một chiều Vkt cấp vào phần cảm và hình thành dịng kích thích Ikt qua phần cảm . Phương trình cân bằng áp của mạch phần cảm là : (6.31) V(RVR).IDC kt kt Trong đĩ Rkt : điện trở dây quấn phần cảm; VR : biến trở điều chỉnh dịng kích thích Nếu bỏ qua ảnh hưởng của điện trở nội dây quấn phần ứng và điện kháng đồng bộ dọc trục, sức điện động hiệu dụng pha ở ngõ vào mạch chỉnh lưu và áp một chiều trên ngõ ra của mạch chỉnh lưu quan hệ nhau thơng qua hệ số chỉnh lưu KCL . Ta cĩ quan hệ : (6.32) VK.EDC CL pha Từ các quan hệ (6.31) và (6.32) suy ra đặc tuyến volt ampere mạch kích thích: RVR EI kt (6.33) pha K kt CL Như vậy, sức điện động pha Epha sinh ra lúc khơng tải thỏa quan hệ (6.33) và đồng thời Epha cũng quan hệ với dịng kích thích Ikt theo đặc tuyến khơng tải . Tĩm lại điểm làm việc của máy phát được xác định tại giao điểm của hai đặc tuyến này , xem hình H6.23. DIỄN TIẾN CỦA QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH Khi động cơ sơ cấp đã quay đạt tốc độ ổn định và cĩ giá trị bằng đúng định mức, đĩng kín mạch kích thích theo sơ đồ nguyên lý hình H6.22. Sức điện động dư xuất hiện trong dây quấn phần ứng, quá trình bắt đầu bắt đầu khảo sát tại vị trí 1 trong hình H6.24.Với giá trị này đủ hình thành dịng điện kích thích qua phần cảm cĩ giá trị là Ikt1 (điểm 2 trên hình H6.24). Khi mạch kích thích cĩ dịng đi qua đạt giá trị là Ikt1 , theo đặc tuyến khơng tải sức điện động pha phải cĩ giá trị là Epha1 (điểm 3 trên hình H6.24). Bây giờ giá trị Epha 1 > Edư . Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
206 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 Quá trình tiếp diễn tương tự tại các điểm 4 và 5 Ta cĩ thể xem Epha Điểm làm việc không tải quá trình tự kích cĩ dạng của quá trình hồi tiếp dương, tuy nhiên khi Epha không tải hai đặc tuyến cắt nhau, tại vị trí này hệ thống kích thích sẽ ổn định và Đặc tuyến không tải hình thành sức điện động pha khơng tải tương ứng với dịng kích thích khơng tải của máy phát. Qua quá trình tự kích chúng ta rút ra các nhận xét như sau : 7 Sức điện động pha khơng tải phụ thuộc giá trị dịng kích thích khơng tải, gián tiếp phụ thuộc điện 5 trở VR mắc nối tiếp dây quấn phần Epha2 6 cảm. Khi thay đổi VR, chúng ta thay đổi được giá trị sức điện động pha phát ra lúc khơng tải. E 3 Đặc tuyến volt ampere pha1 4 mạch kích thích Mặc khác, điều chỉnh thay đổi điện áp Vdc lấy ra sau mạch chỉnh lưu cũng cĩ thể thay đổi dịng kích 1 2 thích và sức điện động Epha khơng E tải. pha dư Ikt I I I Khi điện trở VR quá lớn làm kt1 kt2 kt không tải tăng độ dốc của đặc tuyến RVR HÌNH H6.23: Các đặc tuyến trình bày quá trình tự kích. EI kt , cĩ thể đưa pha K kt CL đến các tình trạng như sau: Hai đặc tuyến khơng cắt nhau (khi giá trị Edư quá bé) hay hai đặc tuyến cắt nhau tại vị trí cho giá trị sức điện động pha rất thấp. Giá trị VR lớn nhất làm cho hai đặc tuyến tiếp xúc nhau gọi là điện trở tới hạn của điện trở VR trong mạch kích thích. 6.7. MỘT SỐ CÁC BỘ PHẬN CHÍNH TRONG TỔ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ : Nguyên lý điều chỉnh thay đổi VR và VDC cấp vào phần cảm xem là nguyên lý cơ bản để tạo thành hệ thống tự động điều chỉnh thay đổi kích thích cho máy phát điện khi vận hành mang tải. Trong hình H6.24 trình bày kết cấu của một tổ máy phát điện dùng động cơ sơ cấp là động cơ Diesel. Trong hình H6.25 trình bày mạch điện tử dùng điều chỉnh lượng nhiên liệu để ổn định tốc độ và duy trì tần số máy phát khơng thay đổi khi HÌNH H6.24: Tổ máy phát dùng động cơ Diesel làm động cơ sơ cấp. mang tải. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 207 GOVERNOR (mạch điện tử điều khiển cấp nhiên liệu) ACTUATOR (bộ điều tiết nhiên liệu bằng điện) MAGNETIC PICKUP (cảm biến tốc độ dạng từ tính) HÌNH H6.25: Mạch điện tử và cơ cấu chấp hành dùng điều tiết nhiên liệu để ổn định tốc độ động cơ sơ cấp duy trì tần số nguồn áp phát ra khơng thay đổi. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
208 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 HÌNH H6.26: Mạch AVR tự động điều chỉnh kích thích Trong hình H6.26 trình bày mạch điện tử dùng điều chỉnh dịng kích thích để ổn định điện áp máy phát trên phần ứng khi tải thay đổi. Mạch AVR cĩ hai chức năng: vừa thực hiện quá trình tự kích khi thành lập điện áp ban đầu lúc vận hành máy phát và tự động điều chỉnh dịng kích thích. 6.8. HIỆU SUẤT VÀ PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG : Khi vận hành máy phát, ta cĩ các thành phần cơng suất tác dụng sau: P1 : cơng suất cơ của động cơ sơ cấp dùng quay máy phát điện. Pmq: tổn hao ma sát cơ khí trên hệ thống ổ bi, quạt giĩ. Với máy phát điện cĩ tần số khơng đổi, tốc độ quay n1 khơng đổi . Như vậy thành phần tổn hao này khơng đổi , vì tùy thuộc vào tốc độ quay n1 của hệ thống. Pthép : tổn hao trên lỏi thép do dịng xốy và từ trễ. PJ : tổn hao đồng trên các dây quấn phần ứng và kích thích do tác dụng Joule. 22 (6.34) P3.R.IR.IJphaphaktkt P2 : cơng suất tác dụng cung cấp đến phụ tải. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6 209 Hiệu suất của máy phát xác định theo quan hệ sau: PP  22 (6.35) P P Tổn hao 1 2  Trong đĩ: Tổn hao = P P P (6.36)  mq thép J THÍ DỤ 6.6: Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha S = 500 KVA, 2300 V (àp dây); dây quấn stator đấu Y; Chúng ta tiến hành các phép thử máy phát và ghi nhận các kết quả như sau: THỬ KHƠNG TẢI: Dịng kích thích Ikt = 25 A , sức điện động dây trên phần ứng là Ed = 1408V. THỬ NGẮN MẠCH: Dịng kích thích Ikt = 25A ; dịng ngắn mạch qua dây quấn là In = 126A . ĐO ĐIỆN TRỞ MỘT CHIỀU CỦA DÂY QUẤN STATOR: Cấp nguồn áp một chiều 8V vào 2 đầu bộ dây đấu Y stator, dịng một chiều ghi nhận là 10A. Biết điện trở xoay chiều bằng 1,25 lần điện trở một chiều. Xác định: a./ Sức điện động pha của dây quấn phần ứng khi máy phát tải định mức, cho hệ số cơng suất tải là cos = 0,866 trễ. b./ Suy ra độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải, GIẢI: a/ Sức điện động pha của dây quấn phần ứng máy phát điện:  Từ thí nghiệm khơng tải suy ra sức điện động pha tại dịng kích thích Ikt = 25A là: Ed 1408 Epha  812,91 V 33  Trong thí nghiệm ngắn mạch vì duy trì địng điện kích thích cấp vào phần cảm bằng 15A, nên sức điện động Epha bằng giá trị sức điện động pha lúc khơng tải. Dựa vào thí nghiệm ngắn mạch suy ra tổng trở đồng bộ của mỗi pha . E 812,91 Z pha  3,7635  S I 216 n  Từ phép đo điện trở một chiều, suy điện trở một pha dây quấn theo cquan hệ V 8 DC R0,4phaDC  2.IDC 2.10 Giá trị của điện trở pha khi vận hành trong nguồn áp xoay chiều: R 1,25.R  1,25 0,4 0,5 phaAC phaDC  Thành phần điện kháng đồng bộ Xs của mỗi pha là : X Z22 R 3,7635 2 0,5 2 3,73  S S phaAC Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009
210 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 6  Khi máy phát điện mang tải định mức , ta cĩ:  Áp pha định mức cấp đến tải là : Vdây đm 2300 Vpha đm  1327,9 V 33  Hệ số cơng suất tải cos = 0,866 trễ ; suy ra sin = 0,5.  Dịng định mức cấp đến mỗi pha tải là : Sđm 500000 Ipha đm  125,51 A 3.U 3 2300 dây  Sức điện động pha dây khi máy phát mang tải đúng định mức tại tải cĩ hệ số cơng suất cos = 0,866 trễ. 22 Epha 1327,9 0,866 0,5 125,51 1327,9 0,5 3,73 125,51 E1659Vpha  b/ Xác định độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải: Từ gía trị sức điện động pha tìm trong câu a, suy ra phần trăm thay đổi điện áp khi mang tải theo quan hệ sau: EVpha pha dm 1659 1327,9 U% 100  100 24,94% V 1327,9 pha dm THÍ DỤ 6.7: Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha : 1600 kVA, 11000 V ; 60 Hz ; dây quấn stator đấu Y cĩ đặc tuyến khơng tải ghi nhận trong bảng số liệu sau: Edây [kV] 6,5 9,0 11,0 12,2 13,4 14,0 14,5 Ikt [A] 100 150 205 250 300 350 400 Khi máy bị ngắn mạch và phát dịng định mức, dịng kích từ bằng 186 A. Giả sử điện trở dây quấn phần ứng khơng đáng kể (Rpha = 0 Ω), tìm phần trăm thay đổi điện áp khi máy phát tải định mức cho tải cĩ HSCS = 0,8 trễ. GIẢI: Từ bảng số liệu đặc tuyến khơng tải cho trong đầu đề, ta vẽ được đặc tuyến khơng tải mơ tả quan hệ sức điện động dây khơng tải Edây theo dịng kích thích, xem hình H6.27. Từ đồ thị đặc tuyến khơng tải, khi Ikt = 186 A ta cĩ sức điện động là Edây = 10380 V. Suy ra sức điện động pha tại Ikt = 186 A là: E 10380 day Epha 5992,895  5992,9 V 33 Dịng điện định mức của máy phát: S 1600 1000 đm Ipha đm  83,978 83,98 A 3.Vdây 3 11000 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009