Giáo trình Máy điện 1 - Chương 9: Nguyên lý máy điện không đồng bộ - Đại học Bách khoa

pdf 44 trang ngocly 18/05/2021 2220
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Máy điện 1 - Chương 9: Nguyên lý máy điện không đồng bộ - Đại học Bách khoa", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_may_dien_1_phan_thu_ba_may_dien_khong_dong_bo_dai.pdf

Nội dung text: Giáo trình Máy điện 1 - Chương 9: Nguyên lý máy điện không đồng bộ - Đại học Bách khoa

  1. 155 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
  2. 156 PHẦN THỨ BA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Chƣơng 9 NGUYÊ N LÝ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 9.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ và có tốc độ của rotor n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n1. Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và máy phát. Máy phát điện không đồng bộ ít dùng vì có đặc tính làm việc không tốt, nên trong chương nầy ta chủ yếu là xét động cơ không đồng bộ. Động cơ không đồng bộ được sử dụng nhiều trong sản xuất và trong sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá thàng rẽ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không bảo trì. Gần đây do kỹ thuật điện tử phát triễn, nên động cơ không đồng bộ đã đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh tốc độ vì vậy động cơ này càng sử dụng rộng rãi hơn. Dãy công suất của nó rất rộng từ vài watt đến hàng ngàn kilowatt. Hầu hết không đồng bộ là động cơ ba pha, có một số động cơ công suất nhỏ là một pha. Trên nhãn máy người ta ghi các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ như sau: Công suất định mức của động cơ: Pđm.(W, kW) Điện áp định mức stator: Uđm(V) Dòng điện định mức stator: Iđm.(A) Tốc độ quay định mức của rotor: nđm.(vòng/phút) Hệ số công suất định mức: cos đm. Hiệu suất định mức: đm. Công suất định mức của động cơ là công suất cơ có ích trên trục, nên công suất tác dụng định mức động cơ không đồng bộ nhận từ lưới điện: Pâm P1âm 3 UâmIâm cos âm (9-1) âm Mômen định mức của động cơ được xác định theo công thức: Pđm(W) Mđm (9-2) đm(rad /s)
  3. 157 n với  2 n / 60 đm , nên đm đm 9,55 Pđm(kW) Mđm 9550 (9-3) nđm(vòng/ phút) Trong đó: Pđm (W, kW) là công suất cơ có ích trên trục đm (rad/s) = tốc độ góc định mức của động cơ. Trên nhãn động cơ ba pha ghi Uđm - /Y- 220/380V, nghĩa là khi lưới điện có điện áp dây 220V, động cơ nối hình tam giác , còn 380V nối hình sao Y. 9.2. CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Cấu tạo của máy điện không đồng bộ được trình bày trên hình 9-1, gồm hai bộ phận chủ yếu là stator và rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy. Trục làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục. 9.2.1. Stator (sơ cấp hay phần ứng) Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy. Còn hình 9-3c là ký hiệu động cơ trên sơ đồ điều khiển. 10 9 1 8 2 3 7 4 5 6 Hình 9-1 Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ 1. Lõi thép stato; 2. Dây quấn stato; 3. Nắp máy; ; 4. Ổ bi; 5. Trục máy; 6.Hộp dầu cực; 9- Lõi thépa) rôto;Lõi 8.thép Thân : máy; 9. Quạt gió làm mát; 10. Hộp quạt
  4. 158 Lõi thép stator là phần dẫn từ, có dạng hình trụ (hình 9-2b), được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện để giảm tổn hao vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay. Phía trong lõi thép được dập rãnh (hình 9-2a) rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy. b) Dây quấn : Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi sắt. Kiểu dây quấn, hình dạng và cách bố trí dây quấn đã được trình bày ở chương 3 (xem lại chương 3). Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo nên từ trường quay (xem lại chương 5). c) Vỏ máy : .Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang (hình 9-1). iA iA (b) (a) Hình 9-2 Kết cấu stator máy điện không đồng bộ a) Lá thép stator và rotor; b) Lõi thép stator 9.2.2. Rotor (thứ cấp hay phần quay) Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. ĐC (a) (b) (d) Hình 9-3 Cấu tạo rotor động cơ không đồng bộ. a) Dây quấn rotor lồng sóc c) Lõi thép rotor d) Ký hiệu động cơ trên sơ đồ
  5. 159 a) Lõi thép: Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài lõi thép dập rãnh (hình 9-2a) để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục. b) Dây quấn: Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu : rotor ngắn mạch còn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn. Rotor lồng sóc (hình 9-3a) gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát (hình 9-3b). Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch. Rotor dây quấn (hình 9-4) cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ như dây quấn stator. Dây quấn kiểu nầy luôn luôn đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt. Vành trượt gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt nầy để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ. A Vành trượt B C Chổi than Dây quấn stator Dây quấn rotor (đấu Y hoặc ) (đấu Y) Biến trở Hình 9-4 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn
  6. 160 9.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Khi có hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha, tần số f1, chảy trong dây quấn stator, hệ thống dòng dòng điện này sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n1=60f1/p. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor và cảm ứng trong đó các sđđ E2. Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên sđđ cản ứng E2 sẽ sinh ra dòng điện I2 trong các thanh dẫn rotor. Từ thông do dòng điện nầy sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn rotor I2 tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor (hình 9-5). Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ. Hệ số trượt s của máy Sự khác nhau giữa tốc độ từ trường quay (tốc độ đồng bộ) n1 và tốc độ của rotor n được gọi là tốc độ trƣợc n2, và tỉ số của tốc độ trược trên tốc độ đồng bộ gọi là hệ số trƣợt s. Các biểu thức tương ứng là: n2 = n1 - n (9-4) n n s 1 (9-5) n1 Như vậy khi tốc độ của rotor bằng tốc độ từ trường quay (n = n1) thì hệ số trượt s = 0, còn n = 0 thì s = 1; khi n > n1, s 1. 9.3.1. Rotor quay cùng chiều từ trƣờng quay có tốc độ n < n1 (0 < s < 1) Gỉa thiết về chiều quay của từ trường khe hở quay với tốc độ n1 và của rotor quay với tốc độ n như trình bày trên hình 9-5a. Theo qui tắc bàn tay phải, xác định được chiều sđđ E2 và I2; theo qui tắc bàn tay trái, xác định được lực F và moment M. Ta thấy lực F cùng chiều quay của rotor, nghĩa là điện năng đưa tới stator, thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay rotor theo chiều từ trường quay với tốc độ n, như vậy máy làm việc ở chế độ động cơ điện. S S S n 1 n1 n1 Fđt F đt Fđt B n n Fđt B Fđt Fđt n N N N (a) (b) (c) Hình 9-5 Quá trình tạo moment của máy điện không đồng bộ
  7. 161 Tốc độ rotor của máy n luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rotor không có sđđ và dòng điện cảm ứng, nên lực điện từ bằng không. Khi rotor đứng yên, tốc độ n = 0, hệ số trượt s = 1; khi rotor quay định mức sđm= 0,02  0,08 và từ công thức (9-5), ta có tốc độ động cơ là: 60f1 n = n1(1-s) = (1-s) vg/ph. (9-6) p Như vậy động cơ khi làm việc ở chế độ định mức thường hệ số trượt trong khoảng sđm= 0,02  0,08, như vậy rotor có tốc độ n gần bằng tốc từ trường quay (độ đồng bộ) n1. 9.3.2. Rotor quay cùng chiều từ trƣờng quay nhƣng có tốc độ n > n1 (s n1. Lúc đó chiều của từ trường quay quét qua dây quấn rotor sẽ ngược lại, sđđ và dòng điện trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nên chiều của moment M cũng ngược chiều của n1, nghĩa là ngược chiều của rotor, nên đó là moment hãm (hình 9-5b). Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ, do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện, nghĩa là máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát điện. 9.3.3. Rotor quay ngƣợc chiều từ trƣờng quay tức tốc độ n 1) Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy quay ngược chiều từ trường quay (hình 9-5c), lúc nầy chiều sđđ, dòng điện và moment giống như ở chế độ động cơ. Vì moment sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotor lại. Trong trường hợp nầy, máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vào, vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ. 9.4. PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 9.4.1. Phƣơng trình điện áp ở dây quấn stator. Dây quấn stator của động cơ tương tự như dây quấn sơ cấp máy biến áp, ta có phương trình điện áp là:      U1 E1 I1(R1 jX1) E1 I1Z1 (9-7) trong đó: Z1 = R1 + jX1: tổng trở pha của dây quấn stator. * R1 là điện trở của dây quấn stator. * X1 là điện kháng tản của dây quấn stator. E1 là sđđ pha stator do từ thông của từ trường quay sinh ra có trị số là: E1 = 4,44f1N1kđq1max (9-8) Với N1, là số vòng dây của một pha dây quấn stator kdq1 là hệ số dây quấn của dây quấn stator. max là biên độ từ thông của từ trường quay. f1 là tần số dòng điện trong dây quấn stator.
  8. 162 9.4.2. Phƣơng trình điện áp ở dây quấn rotor a. Ảnh hưởng của hệ số trượt đến tần số của rotor Từ trường chính quay với tốc độ n1, rotor quay với tốc độ n theo chiều từ trường quay. Vậy giữa từ trường quay và dây quấn rotor có tốc độ trượt n2: n2 = n1 - n Tần số sđđ và dòng điện trong dây quấn rotor : n 2p n1 n n1p f2 sf1 (9-9) 60 n1 n1 trong đó, s - là hệ số trượt của động cơ không đồng bộ, lúc làm việc ở chế độ tải định mức, thường sđm = 0,02  0,08. Nếu f1 = 50Hz thì f2 = (1-4)Hz b. Ảnh hưởng của hệ số trượt đến sđđ của rotor Sđđ pha cảm ứng trong dây quấn rotor lúc quay E2s là: E2s = 4,44f2N2kdq2max (9-10) Từ công thức (9-13), thế vào (9-14a), ta có: E2s = 4,44sf1N2kdq2max (9-11) Trong đó: N2 là số vòng dây của một pha dây quấn rotor kdq2 là hệ số dây quấn của dây quấn rotor. Khi rotor đứng yên s = 1, tần số f2 = f1. Sđđ cảm ứng trong dây quấn rotor lúc đứng yên E2 là: E2 = 4,44f1N2kdq2max (9-12) So sánh (9-11) và (9-12), ta nhận được:   E2s sE2 (9-13) Từ (9-8) và (9-12), ta có tỉ số sđđ pha stator và rotor là : E1 kdq1N1 Ns a e (9-14) E2 kdq2N2 Nr với: ae gọi là hệ số qui đổi sđđ rotor về stator. Ns = kdq1N1 là số vòng dây hiệu dụng của dây quấn stator. Nr = kdq2N2 là số vòng dây hiệu dụng của dây quấn rotor c. Phương trình điện áp ở dây quấn rotor Phương trình cân bằng điện áp ở dây quấn rotor của của động cơ không đồng bộ có được bằng cách phân tích mô hình mạch điện một pha trình bày trên hình 9-6. Để thuận tiện cho việc phân tích, ta giả thiết stator lí tưởng nghĩa là từ trường do nó sinh ra có biên độ và tốc độ quay không đổi, không có tổn hao sắt, đồng và sụt áp trên dây quấn stator. Rotor được thay bằng mạch điện đứng yên gồm điện trở R2, điện kháng X2 và sđđ cảm ứng trong dây quấn rotor E2. Sđđ cảm ứng trong dây quấn rotor do từ trường quay stator có tần số f2 =f1. Mô hình
  9. 163 một pha của động cơ rotor dây quấn trình bày trên hình 9-6a, còn nếu động cơ là rotor lồng sóc thì qui đổi về rotor dây quấn tương đương. Từ trường quay stator  jX2 R2 I2   E 2 Rotor U1 Stator f2 = f1 (a) Từ trường jsX2 quay stator jsX2 R2 Z2s sE 2 Rotor 2 f2 = sf1 R2 (b) (c) Từ trường jX2 R2/s jX2 quay stator Z2/s Rotor 2 R2/s (d) (e) Hình 9-6 Sơ đồ mạch điện tương đương của động cơ điện không đồng bộ với stator lí tưởng và rotor thực Điện trở của rotor R2 phụ thuộc vào chiều dài, tiết diện ngang, điện trở xuất và hiệu ứng mặt ngoài của thanh dẫn rotor, cũng như điện trở điều chỉnh nếu nó là động cơ rotor dây quấn. Điện kháng tản của dây quấn rotor phụ thuộc vào chiều sâu của rãnh, tần số dòng điện trong dây quấn rotor và khe hỡ không khí giữa lõi thép stator và rotor. Điện kháng tản của dây quấn rotor lúc đứng yên (blocked-rotor): X2 = 2 f1L2 (9-15) Điện kháng tản của dây quấn rotor lúc quay:
  10. 164 X2s = 2 f2L2 = 2 sf1L2 X2s = sX2 (9-16) trong đó: L2 là điện cảm tản của dây quấn rotor. Giống như MBA, ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch điện rotor lúc quay, nhưng chú ý ở đây là dây quấn rotor ngắn mạch nên U2 = 0, vậy ta có phương trình là:   0 E2s I2 (R 2 jX2s ) (9-17)     hay: 0 sE2 I2 (R 2 jsX2 ) sE2 I2Z2s (9-18) trong đó: Z2s = R2 + jsX2 là tổng trở của dây quấn rotor lúc quay được trình bày trên hình 9-6c, còn R2 là điện trở pha của dây quấn rotor. Từ phương trình (9-18), ta có mạch điện tương đương hình 9-6b, và tính được dòng điện trong dây quấn rotor:    sE2 sE2 I2 (9-19) Z2s R 2 jsX2 Ta viết lại (9-19) khi chia tử và mẫu số cho s, ta có như sau:    E2 E2 I2 (9-20) Z2s /s R 2 /s jX 2 Từ phương trình (9-20), ta có mạch điện tương đương hình 9-6d. Z Z Giả thiết rằng E E 0o và 2 2  , ta có: 2 2 s s 2  o  E2 E20 E2 I2  2 (9-21) Z2s /s Z2 /s2 Z2 /s Trong đó góc 2 là góc của tổng trở phức Ẕ 2/s trình bày trên hình 9-6e, và cũng chính là góc lệch pha của sđđ E2 và dòng điện I2. Hai tổng trở Ẕ 2s và Ẕ 2/s chỉ khác nhau về môđun nhưng không khác nhau về argumen. Biểu diễn Ẕ 2/s và 2 trong các mối quan hệ hình thành chúng, được trình bày trên hình 9-6e. Từ phương trình (9-21), ta có trị số hiệu dụng dòng điện rotor: sE2 sE2 I2 (9-22) Z 2 2 2s R 2 (sX2 ) Ta viết lại (9-22) khi chia tử và mẫu số cho s, ta có được trị số hiệu dụng của dòng điện rotor như sau: E2 I2 (9-23) R ( )2 X2 s 2 X2 Và: 2 artg (9-24) R 2 /s
  11. 165 VÍ DỤ 9-1 Động cơ không đồng bộ ba pha nối Y có công suất Pđm = 75kW, Uđm = 380V, fđm = 50Hz, 4 cực từ. Khi làm việc với công suất định mức có hệ số trượt sđm = 0,05. Xác định : 1. Tốc độ đồng bộ và tốc độ của rotor. 2. Tốc độ của từ trường quay trong khe hở không khí. 3. Tần số của dòng điện trong dây quấn rotor. 4. Tốc độ trượt. 5. Tốc độ của từ trường rotor so với : + rotor + stator + từ trường quay stator 6. Điện áp cảm ứng trong dây quấn rotor khi máy làm việc định mức. Cho rằng tỉ số biến đổi điện áp ae =2. Bài giải 60f 60 50 1. Tốc độ đồng bộ : n 1500 vòng/phút 1 p 2 Tốc độ của rotor : n = (1-s)n1 = (1-0,05)1500 = 1425 vòng/phút 2. Tốc độ của từ trường quay trong khe hở không khí : vòng/phút 3. Tần số của dòng điện trong dây quấn rotor : f2 = sf1 = 0,05 x 50 = 2,5 Hz 4. Tôc độ trượt n2 = sn1 = 0,05 x 1500 = 75 vòng/phút. 5. Tốc độ của từ trường rotor so với : + rotor : 75 vòng/phút. + stator : 1500 vòng/phút + từ trường quay stator : 0 vòng/phút 6. Điện áp cảm ứng trong dây quấn rotor khi máy làm việc định mức : E2s = sE2 =s E1/ae 380 = 0,05 x = 5,485 V 3 2 VÍ DỤ 9-2 Động cơ không đồng bộ ba pha nối Y có công suất Pđm = 18,5kW, Uđm = 380V, fđm = 50Hz, 6 cực từ. Điện trở và điện kháng tương ứng của rotor là 0,1 /pha và o,54 /pha. Khi làm việc với công suất định mức có tốc độ nđm = 970 vòng/phút. Nếu sđđ pha khi rotor đứng yên là 150V. Hãy xác định : 1. Tốc độ đồng bộ và hệ số trược định mức. 2. Dòng điện trong dây quấn rotor. 3. Dòng điện trong dây quấn rotor nếu giảm tải đến hệ số trượt còn 0,02. Tính tốc độ quay lúc này.
  12. 166 Bài giải 60f 60 50 1. Tốc độ đồng bộ : n 1000 vòng/phút 1 p 3 Hệ số trượt định mức: n1 n 1000 970 sđm 0,03 n1 1000 2. Dòng điện trong dây quấn rotor lúc s = 0,03:  o  E2 1500 o I2 44,4 9,2 A R 2 /s jX 2 0,1/ 0,03 j0,54 3. Dòng điện trong dây quấn rotor lúc s = 0,02:  o  E2 1500 o I2 29,83 6,16 A R 2 /s jX 2 0,1/ 0,02 j0,54 Tốc độ của rotor : n = (1-s)n1 = (1-0,02)1000 = 980 vòng/phút 9.4.3. Phƣơng trình stđ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ làm việc, từ trường quay trong máy do dòng điện của cả hai dây quấn sinh ra. Dòng điện trong dây quấn stator sinh ra từ trường quay stator quay với tốc độ n1 so với stator. Dòng điện trong dây quấn rotor sinh ra từ trường quay rotor quay với tốc độ n2 so với rotor bằng: 60f2 60f1s n2 = s n (9-25) p p 1 Vì rotor quay đối với stator có tốc độ n, nên từ trường rotor sẽ quay đối với stator có tốc độ là : n2 + n = sn1 + n = sn1 + n1(1-s) = n1 Vậy từ trường quay stator và từ trường quay rotor quay cùng tốc độ n1, nên từ trường tổng hợp là từ trường quay với tốc độ n1. Từ thông max trong máy điện không đồng bộ có trị số hầu như không đổi ứng với chế độ không tải và có tải. Do đó ta có thể viết phương trình sức từ động của động cơ như sau:    m1kdq1N1 I1- m2kdq2N2 I2 = m1kdq1N1 I0 (9-26) trong đó: I0 là dòng điện stator lúc không tải; I1, I2 là dòng điện stator và rotor khi có tải; m1, m2 là số pha của dây quấn stator và rotor; kdq1, kdq2 là hệ số dây quấn của dây quấn stator và rotor. Chia hai vế cho m1N1kdq1 và đặt:   I2 I2 ' I2 , m1N1kdq1 a i m 2 N2kdq2   ' ta có: I1 I0 I2 (9-27)
  13. 167 ' Trong đó, I2 là dòng điện rotor qui đổi về stator, còn hệ số qui đổi dòng điện rotor về stator là: m1kdq1N1 a i (9-28) m 2kdq2N2 9.5. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán các quá trình năng lượng, ta thay thế động cơ điện không đồng bộ bằng mô hình mạch điện tương đương gồm các tham số của máy, hệ số trượt, nguồn điện đặt vào dây quấn stator như trình bày trên hình 9-7a, gọi là mạch điện thay thế động cơ điện không đồng bộ. Mạch điện rotor như đã thấy ở hình 9-6d, còn mạch điện stator tương đương phương trình cân bằng điện áp phía stator (9-7), gồm điện trở của dây quấn stator R1, điện kháng tản của dây quấn stator X1, điện trở Rfe đặt trưng cho tổn hao sắt trong lõi thép và điện kháng từ hóa XM đặt trưng cho thành phần từ hóa của đòng điện không tải. Mô hình mạch điện động cơ không đồng bộ trình bày trên hình 9-7a giống như mạch điện thay thế MBA đã biết ở chương 2, trong đó điện trở và điện kháng tản của động cơ giống như dây quấn sơ cấp và thứ cấp MBA. Do giống nhau như vậy nên sử dụng mạch điện thay thế MBA đã nghiên cứu cho động cơ không đồng bộ. Vì vậy mạch điện thay thế hình 9-7a có thể bỏ qua hai nhánh song song thay cho máy lí tưởng và các tham số qui đổi về phía stator được trình bày trên hình 9-7b, nghĩa là để nối trực tiếp dây quấn rotor về dây quấn stator thì sđđ E2 phải bằng sđđ E1, vì vậy ta phải qui đổi rotor về stator. Để qui đổi, ta nhân phương trình (9-20) với ae, chia và nhân số hạng thứ hai với ai, ta có:   I2 R 2 0 aeE2 ( aeai jX 2aeai ) (9-29a) ai s R ' 0 E ' I' ( 2 jX' ) (9-29b) 2 2 s 2 1 s 0 E ' I' (R ' R ' jX' ) (9-29c) 2 2 2 s 2 2 trong đó: E’2 = aeE2 =E1 là sđđ pha rotor qui đổi về stator; I2’= I2/ai là dòng điện 2 rotor qui đổi về stator; R2’= R2aiae = a R2 là điện trở dây quấn rotor qui đổi về 2 2 stator; X2’= X2aiae = a X2 là điện kháng dây quấn rotor qui đổi về stator; a = aiae là hệ số qui đổi tổng trở; còn điện trở R2’/s phân ra làm hai thành phần: ' ' R 2 ' R 2 (1 s) ' R R Rcơ (9-30) s 2 s 2 và Rcơ = R’2(1-s)/s (9-31) Với Rcơ gọi là điện trở cơ giả tưởng, năng lượng tiêu tán trên điện trở này tương đương năng lượng điện từ biến thành cơ năng trên trục động cơ khi rotor quay. Từ hình 9-7b, ta có các tổng trở, phương trình như sau:
  14. 168 ' ' R 2 ' R fe jX M Z2s jX 2 ; Z0 s R fe jX M Z' Z Z 2s 0 ; Z Z Z P ' V 1 P Z2s Z0 U E ' I 1 ; E ' E ; I 2 (9-32) 1 2 1 2 ' ZV Z2s    U1 E1 I1Z1 (1 s) 0 E ' I' (R ' R ' jX' ) 2 2 2 s 2 2   ' I1 I0 I2 Máy R jX R’  jX2 R2/s 1 1 2 Lý tưởng I2  +  Io  I1 I I  fe M E  U1 1 E 2 Rotor Rfe jXM _ (a) Từ trường Z quay stator 1 ' R1 jX1 I I / a R’2 2 2 i jX’2 + I o  I IM ' 1 s ZV Z fe Z R P 0 2 s Rfe jXM _ (b) Hình 9-7 Mạch điện thay thế của động cơ điện không đồng bộ; a) Mạch điện thay thế động cơ điện không đồng bộ rotor và stator rời nhau; b) Mạch điện thay thế động cơ điện không đồng bộ với các tham số qui đổi về stator Ta thấy mạch điện thay thế động cơ điện không đồng bộ khi rotor quay trên hình 9-7b giống như mạch điện thay thế máy biến áp, ở đây dây quấn sơ cấp máy biến áp là dây quấn stator, dây quấn thứ cấp máy biến áp là dây quấn rotor và phụ tải máy biến áp là điện trở cơ giả tưởng Rcơ =R’2(1-s)/s, đây là điện trở đặc trưng cho công suất cơ Pcơ của động cơ.
  15. 169 9.6. CÁC DẠNG KHÁC CỦA MẠCH ĐIỆN THAY THẾ Để thuận tiện cho việc tính toán, sơ đồ hình 9-7 được xem gần đúng tương đương với sơ đồ hình 9-8a, khi chuyển nhánh từ hóa về nối trực tiếp với điện áp nguồn U1 cũng được sử dụng nhiều trong tính toán động cơ điện không đồng bộ. Ngoài ra, nếu làm một vài phép biến đổi đơn giản, ta có sơ đồ thay thế như hình 9-8b,c, trong đó: R R R ' n 1 2 (9-33) ' X n X1 X 2 Từ sơ đồ mạch điện thay thế có thể tính dòng điện stator, dòng điện rotor, moment, công suất cơ và những tham số khác. Như vậy ta đã chuyển việc tính toán một hệ Điện - Cơ về việc tính toán mạch điện đơn giản. R jX R1 jXn I 1 1 jX’2 1 + I + o I' 2 '   I R 2 IM U1 fe R jXM s R jXM _ fe _ fe (a) (b) Rn jXn +   IM ' 1 s Ife R 2 s R jXM _ fe (b) Hình 9-8 Sơ đồ thay thế gần đúng máy điện không đồng bộ Trong máy điện không đồng bộ, do có khe hở không khí lớn nên tồn tại dòng điện từ hóa lớn, khoảng (30-50)%Iđm. Điện kháng tản X1 cũng lớn. Trong trường hợp như vậy điện kháng từ hóa XM không nên dịch chuyển về đầu nguồn (hình 9- 8) mà giữ nguyện vị trí và bỏ qua điện trở Rfe như trình bày trên hình 9-9. Ở đây bỏ qua điện trở Rfe không có nghĩa là bỏ qua tổn hao sắt mà gộp nó vào tổn hao cơ và tổn hao phụ, gọi chung là tổn hao không tải. Mạch điện thay thế hình 9-9 do I EEE (đọc là I ba E) đề xướng. Ở đây sđđ E1 vẫn khác so với U1.
  16. 170 ' R1 jX1 I 2 jX’2 R’2 +   Io I1 1 s U R ' 1 jX 2 M s _ Hình 9-9 Mạch điện thay thế IEEE 9.7. QUÁ TRÌNH NĂNG LƢỢNG TRONG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Động cơ điện không đồng bộ nhận điện năng từ lưới điện, nhờ từ trường quay điện năng đã được biến đổi thành cơ năng trên trục động cơ. Công suất tác dụng động cơ điện nhận từ lưới điện : P1 = m1U1I1cos 1. (9-34) Trong đó: U1, I1 là điện áp pha và dòng điện pha, còn 1 là góc lệch pha của dòng điện và điện áp pha; m1 là số pha của dây quấn stator. Công suất này một phần bù vào: 2 + tổn hao đồng trên dây quấn stator pCu1 = m1I 1R1 2 + tổn hao sắt thép trong lõi thép: pFe = m1I feRfe. Công suất còn lại gọi là công suất điện từ truyền qua rotor: ' '2 R 2 Pđt = P1 - (pCu1+pFe) = m I (9-35) 1 2 s p P Cu 2 hay p sP (9-36) ât s Cu 2 ât pCu1 Pfe pCu2 pq P 1 Pđt Pcơ P 2 Hình 9-10 Giản đồ năng lượng động cơ không đồng bộ (P) Công suất điện từ truyền qua rotor, sau khi mất một phần vì tổn hao đồng 2 trên dây quấn rotor: pCu2 = m1I’ 2R’2. Còn lại là công suất cơ trên trục:
  17. 171 ' '2 R 2 2 '2 ' 1 s Pcơ = Pđt - pCu2 = m I - m1I’ 2R’2 = m I R (9-37) 1 2 s 1 2 2 s 1 s P p (1 s)P (9-38) cå Cu 2 s ât Công suất cơ sau khi trừ đi tổn hao quay pq, còn lại là công suất có ích trên trục hay công suất ra của động cơ điện: P2 = Pcơ - pq Trong đó, tổn hao quay pq gồm tổn hao cơ và tổn hao phụ. Tổn hao cơ là tổn hao do ma sát ở ổ bi và nếu động cơ rotor dây quấn có thêm ma sát giữa chổi than và vành trượt; tổn hao do quạt gió để làm mát máy; còn tổn hao phụ tỉ lệ bình phương với dòng điện rotor bao gồm tổn hao dòng điện xoáy ở dây quấn stator do từ thông tản stato, ở phần đầu nối, tấm chắn phần đầu nối, và các phần khác ở phần đầu nối do từ thông phụ, tổn hao ở rotor do dòng điện sóng bậc cao stator sinh ra. Tổng tổn hao trong động cơ điện không đồng bộ: p = pCu1+ pFe + pCu2 + pq (9-39) Hiệu suất của động cơ điện là tỉ số công suất ra và công suất vào: P p  2 1  (9-40) P1 P1 VÍ DỤ 9-3 Động cơ không đồng bộ ba pha nối Y có công suất Pđm = 11kW, Uđm = 380V, fđm = 50Hz, 4 cực từ, nđm = 1440 vòng/phút. Tổn hao quay (quạt gió, ma sát và phụ ) là 750W. Xác định : 1. Công suất cơ ? 2. Công suất điện từ ? 3. Tổn hao đồng trong dây quấn rotor ? Bài giải 1. Công suất cơ của động cơ : Công suất cơ = Công suất trên đầu trục + Tổn hao quay = 11000 + 750 = 11750W 2. Công suất điện từ : Tốc độ đồng bộ : 60f 60 50 n 1500 vòng/phút 1 p 2 n n 1500 1440 Hệ số trược : s 1 0,04 n1 1500 P 11750 Công suất điện từ : P cå 12240 W ât 1 s 1 0,04
  18. 172 3. Tổn hao đồng trong dây quấn rotor : pCu2 = sPđt = 0,04 x 1224 = 489,6 W VÍ DỤ 9-4 Động cơ không đồng bộ ba pha có công suất Pđm = 15hp, điện áp Uđm = 460V, nối Y, tần số fđm = 60Hz, 6 cực từ. Khi làm việc với công suất định mức có tốc độ nđm = 1185 vòng/phút. Tổn hao quay là 166W và các tham số tính trên một pha như sau: ’ R1 = 0,2 ; R 2 = 0,25 ; Rfe = 42 ; ’ X1 = 1,2 ; X 2 = 1,29 ; XM = 317 ; Hãy xác định : 1. Hệ số trược định mức. 2. Dòng điện trong dây quấn stator, rotor, không tải và hệ số công suất của động cơ. 3. Các công suất tiêu thụ từ lưới điện. 4. Các tổn hao. 5. Công suất điện từ và công suất cơ và trên trục (đầu ra). 6. Hiệu suất của máy. Bài giải 60f 60 60 1. Tốc độ đồng bộ : n 1200 vòng/phút 1 p 3 Hệ số trượt định mức: n1 n 1200 11850 sđm 0,0125 n1 1200 2. Dòng điện stator và rotor R ' 0,25 Z' 2 jX ' j1,29 20 1,29 j 20,0423,69 0 ; 2s s 2 0,0125 0 R fe jX M 317.(4290 ) 0 Z0 41,63682,453  R fe jX M 317 42 j Z' Z 20,0423,69 o 41,63682,453 0 Z 2s 0 16,82320,034 0 Ω P ' o 0 Z2s Z0 20,0423,69 41,63682,453 0 0 ZV Z1 ZP = (0,2+1,2j)+ 16,82320,034 = 17,5730,23   Uđm 0 460 0 0 Giả thiết: U1 0 0 265,580 V 3 3 U 265,5800 I 1 15,11 30,230 A ; 1 0 ZV 17,5730,23  '  0 0 o E 2 I1 ZP 15,11 30,23 16,82320,034 254,23 3,19 V
  19. 173  ' 0 ' E2 254,23 3,19 o I 2 12,69 6,88 A ' 0 Z2s 20,0423,69   ' 0 0 0 Io I1 I2 15,11 30,23 12,69 6,88 6,1044  85,71 A 3. Các công suất tiêu thụ từ lưới điện: ~ S 3U I * 3 265,58 15,1130,230 1 1 12040 30,230 10404 j6062 VA Vậy: P1 = 10.040W = 10,04 kW Q1 = 6.062 VA = 6,062 kVAr S1 = 12.040 VA = 12,040 kVA 4. Các tổn hao: 2 2 pCu1 = 3R1.I1 = 3 x 0,2 x 15,11 = 137,03 137 W ’2 2 pCu2 = 3R’2.I2 = 3 x 0,25 x 12,69 = 120,69 121 W 2 ’2 2 pfe = 3Rfe.Ife = 3 x E2 /Rfe = 3 x 25423 /317 = 611,68 612 W p = pCu1 + pCu1 + pfe + pq = = 137,03 + 120,69 + 611,68 +166 = 1035 W 5. Công suất điện từ và công suất cơ và trên trục: p 120,69 P Cu2 9655 W đt s 0,0125 Pcơ = (1-s)Pđt = (1-0,0125) x 9655 = 9534W P2 = P1 -p = 10040 – 1,035 = 9005W 6. Hiệu suất của động cơ là: P 9005  2 0,8969 hay 89,69% P1 10040 9.8. MOMENT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Thường lợi dụng mạch điện thay thế để tính moment điện từ theo hệ số trượt. Từ mạch điện thay thế hinh 9-9, biến đổi thành mạch điện tương đương hình 9- 11. Bên trái a-b hình 9-11, theo Thévenin, ta có : ZTh = (R1 + jX1)//jXM = RTh + jXTh. (9-41)   jX M UTh U1 (9-42) R1 j(X1 XM ) Thường trong máy điện không đồng bộ : R1 << X1 + XM, nên : XM UTh U1 KTh U1 (9-43) X1 XM
  20. 174 XM 2 2 R Th ( ) R1 KTh R1 (9-44) X1 XM XM XTh X1 KTh X1 X1 vì X1 << XM. (9-45) X1 XM Moment điện từ của động cơ điện không đồng bộ: P M cå (9-46)  Viết lại biểu thức (9-31): '2 ' 1 s Pcơ = m I R (9-47) 1 2 2 s Còn  = 2 n/60 (rad/s) là tốc độ góc của rotor: 1  = (1-s)1 = (1 s) (9-48) p Và 1 là tốc độ góc của của từ trường quay: 2 n 2 .60f   1 1 1 (9-49) 1 60 p p Từ sơ đồ thay thế biến đổi Thévenin (hình 9-13) , ta có dòng điện: ' UTh I2 (9-50) ' 2 ' 2 (R Th R 2 /s) (XTh X2 ) Thế (9-50) rồi (9-47) vào (9-46), ta có moment điện từ của máy điện không đồng bộ: m U2 R ' /s M 1 Th 2 (9-51) ' 2 ' 2 1 (R Th R 2 /s) (XTh X2 ) Nhận xét: 2 + Mômen điện từ tỉ lệ U Th, mà UTh U1. + Mômen tỉ lệ nghịch với điện kháng (XTh+X’2) khi tần số cho trước. + Mômen điện từ là hàm của hệ số trượt M = f(s). ' RTh jXTh  jX’ R’ a I2 2 2  ' 1 s UTh R 2 s b Hình 9-11 Sơ đồ thay thế Thevenin của máy điện không đồng bộ Dòng điện và mômen của máy điện không đồng bộ là hai tham số rất quan trọng để chỉ tính năng của máy. Vẽ quan hệ moment theo hệ số trượt M = f(s). Để vẽ ta tính mômen cực đại.
  21. 175 9.8.1. Tìm moment cực đại Giả thiết các tham số khác là không đổi. Đặt y = 1/s. Viết lại biểu thức moment điện từ: Ay M B Cy Dy2 2 ' m1UTh R 2 2 ' 2 trong đó: A B = RTh (XTh X2 ) 1 ' '2 C 2R Th R 2 D = R 2 Lấy đạo hàm và tìm hệ số trượt tới hạn sm(sth) ứng với moment cực đại Mmax. dM A(B Dy 2 ) m 0 dy (B Cy Dy 2 )2 y ym m m ym B/ D sm D/ B ' R 2 sm (9-52) 2 ' 2 R Th (XTh X2 ) Dấu: (+) ứng với chế độ động cơ. ( ) ứng với chế độ máy phát. Sau khi thế (9-52) vào (9-51), ta có moment cực đại : 2 m1 0,5 UTh Mmax (9-53)  2 ' 2 1 R Th R Th (XTh X2 ) Mmax Mm n n1 n m 0 -s s -1 m 0 sm 1 -M max M. Fát Đ.Cơ Hãm Hình 9-12 Quan hệ M = f(s) Thường RTh << XTh + X’2, nên xem RTh = 0, ta có: R ' s 2 (9-54) m ' XTh X 2
  22. 176 m 0,5 U2 M 1 Th (9-55) max ' 1 XTh X2 Ta rút ra nhận xét về mômen Mmax như sau: 2 + Mmax tỉ lệ với U1 (vì UTh U1) + Mmax không phụ thuộc điện trở R’2 + Mmax ở chế độ máy phát lớn hơn một ít so với chế độ động cơ. + R’2 càng lớn thì sm càng lớn và sm không phụ thuộc điện áp. + R’2 tăng thì Mmax không đổi mà dịch sang phải như hình 9-13a. 9.8.2. Mômen khởi động Dòng điện khởi động và mômen khởi động có thể tìm được khi điểm s = 1 (n = 0) tức là ứng với chế độ khởi động của động cơ, vậy mômen khởi động: m U2 R ' M 1 Th 2 (9-56) K ' 2 ' 2 1 (R Th R 2 ) (XTh X2 ) Từ (9-56), ta có nhận xét về mômen khởi động MK : 2 + MK tỉ lệ với UTh 2 + MK tỉ lệ nghịch với ZTh . + Theo (9-56), muốn khi khởi động MK lớn thì phải tăng điện trở R’2 lên, và dể MK = Mmax thì hệ số trược sm = 1 (hình 9-13a). Ta có: R ' s 2 1 (9-57) m ' XTh X 2 Điện trở rotor lúc đó bằng: ' ' R 2 XTh X2 : đây là điện trở rotor để MK = Mmax . 9.8.3. Đặc tính cơ của động cơ điện Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ n = f(M2) hoặc M2 = f(n). Mà ta có M = M0 + M2, ở đây ta xem M0 = 0 hoặc chuyển M0 về mômen cản tĩnh MC, vì vậy M2 = M = f(n). M U1 < U2 R + R +R n1 R2 R2+Rp1 2 p2 p1 M max nm a MC MC b s M 0 0 1 M sm max (a) (b) Hình 9-13 Đặc tính động cơ không đồng bộ a) Quan hệ momen theo hệ số trược. b) Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ
  23. 177 Từ hình 9-12, ta xét chế độ động cơ nghĩa là s = 0 1, hình 9-13a. Nếu thay s = (n1 - n)/n1 ta sẽ có quan hệ n = f(M2) chính là đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ (hình 9-13b). + Đoạn oa (0 < s < sm): Động cơ làm việc ổn định. Đặc tính cơ cứng. + Đoạn ab ( sm < s < 1): Động cơ làm việc không ổn định. Đối với động cơ không đồng bộ, ta có các thông số quan trọng mà lý lịch máy có ghi để người sử dụng biết và chọn động cơ cho phù hợp là: a. Năng lực quá tải mM là tỉ số giũa Mmax trên Mđm: Mmax m M (=1,73) ; (9-58) Mâm b. Bội số moment khởi động mK là tỉ số giũa MK trên Mđm: MK m K (=1,1 1,7) (9-59) Mâm c. Bội số dòng điện khởi động mI và tỉ số giũa IK trên Iđm: IK m I (=4  7 Iđm) (9-60) Iâm VÍ DỤ 9-5 Động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn, nối Y có Uđm = 460V, nđm = 1740vòng/phút, f = 60Hz, 2p = 4, và có các thông số của sơ đồ thay thế một pha như sau : R1 = 0,25 , R’2 = 0,2 , X1 = X’2 = 0,5 , XM = 30 . Tổn hao không tải khi quay là 1700W, lúc đó rotor ngắn mạch trên chổi than. Tìm: a. Dòng điện khởi động khi nối dây quấn stator vào điện áp định mức ? b. Môment khởi động ? c. Hệ số trượt định mức ? d. Dòng điện định mức ? e. Bội số dòng điện khởi động ? f. Hệ số công suất định mức ? g. Môment điện từ khi hệ số trượt định mức? h. Hiệu suất của động cơ khi làm việc ở tải định mức ? i. Hệ số trượt ứng với moment cực đại ? j. Moment cực đại và năng lực quá tải mM ? k. Tính điện trở phụ mắc vào mạch rotor để moment khởi động bằng moment cực đại ? Bài giải a. Dòng điện khởi động khi điện áp định mức : U 460 Điện áp pha: U 1âm 265,6V 1 3 3
  24. 178 (R ' jX ' )jX Tổng trở pha khi s = 1 : Z R jX 2 2 M s 1 1 1 ' ' R 2 j(X2 XM ) (0,2 j0,5)j30 Z 0,25 j0,5 1,08660  s 1 0,2 j(0,5 30) Dòng điện khởi động : U 0o 265,6 I 1 245,9 66o A K o Zs 1 1,0866 b. Môment khởi động Tốc độ vòng đồng bộ : 60f 60 60 n 1 1800 voìng/ phuït. 1 p 2 Tốc độ góc đồng bộ : 2 n 2 1800  1 188,5 rad /s . 1 60 60 Điện áp và tổng trở theo Thévenin :   U1 jX M 265,6 j30 UTh 261,3V . R1 j(X1 XM ) 0,25 j(0,25 30) (R1 jX 1) jX M (0,25 j0,5) j30 ZTh 0,24 j0,49  R1 j(X1 XM ) 0,25 j(0,25 30) Moment khởi động : m U2 R' M 1 Th 2 K ' 2 ' 2 1 (RTh R 2 ) (XTh X2 ) 3 261,32 0,2 MK 185,2 N.m 188,5 (0,24 0,2)2 (0,49 0,5)2 c. Hệ số trượt định mức n1 n 1800 1740 sâm 0,0333 n1 1800 d. Dòng điện định mức Tính tổng trở của máy khi s = sđm : (R ' /s jX ' )jX Z R jX 2 đm 2 M sâm 1 1 ' ' R 2 /sđm j(X2 XM ) (0,2/ 0,0333 j0,5)j30 Z 0,25 j0,5 6,21319,70  sâm 0,2/ 0,0333 j(0,5 30)
  25. 179 Tính dòng điện định mức: U 0o 265,6 I 1 42,754 19,7o A âm Z o sâm 6,21319,7 e. Bội số dòng điện khởi động : IK 245,9 m K 5,75 Iâm 42,754 f. Hệ số công suất định mức : cos âm cos19,7 0,94 g. Môment điện từ : m U2 R ' /s M 1 Th 2 đm ' 2 ' 2 Ω1 (R Th R 2 /sđm) (XTh X2 ) 3 261,32 0,2/ 0,0333 M 163,11 N.m 188,5 (0,24 0,2/ 0,0333)2 (0,49 0,5)2 h. Hiệu suất của động cơ khi làm việc ở tải định mức : Công suất điện từ : Pât M1 163,11 188,5 30.746,2 W Tổn hao đồng trong dây quấn rotor và mômen định mức: p sP 0,0333 30.746,2 1.023,9 W Cu2 ât Pcå (1 s)Pât (1 0,0333) 30.746,2 29.722,3W P2 Pcå pquay 29.722,3 1700 28.022,3 W P2 28022 .3 Mđm 9,55 9,55 153,8Nm nđm 1740 Công suất điện động cơ nhận vào : P1 3U1I1 cos 1 3 265,6 42,754 0,94 32.022,4 W Hiệu suất của động cơ khi làm việc ở tải định mức : P2 28022,3 âm 0,875 87,5% P1 32022,4 i. Hệ số trượt ứng với moment cực đại : ' R 2 0,2 sm 0,1936 2 ' 2 [0,242 (0,49 0,5)2 ]1/ 2 R Th (XTh X2 ) j. Moment cực đại và năng lực quá tải mM : m 0,5 U2 M 1 Th max 2 ' 2 1/ 2 1 R Th [R Th (XTh X2 ) ] 3 0,5 261,32 Mmax 431,68 N.m 188,5 0,24 [0,242 (0,49 0,5)2 ]1/ 2
  26. 180 Năng lực quá tải : Mmax 431,68 m M 2,81 Mâm 153,8 k. Tính điện trở phụ mắc vào mạch rotor để moment khởi động bằng moment cực đại : Để moment khởi động bằng moment cực đại thì hệ số trược bằng : ' ' R 2 R p sm 1 2 ' 2 R Th (XTh X2 ) ' ' 0,2 R p 0,2 R p sm 1 [0,242 (0,49 0,5)2 ]1/ 2 1,0186 R’p =1,0186-0,2 = 0,8186 /pha. Mômen và hệ số trƣợt tới hạn theo mạch điện thay thế gần đúng hinh 9-8 Trong trường hợp không yêu cầu độ chính xác cao, ta có thể dùng mạch điện thay thế gần đúng như trình bày trên hình 9-8 để tính toán mômen và hệ số trượt tới hạn ứng với các công thức như sau: m U2R ' /s M 1 1 2 ' 2 ' 2 1 (R1 R 2 /s) (X1 X2 ) ' ' R 2 R 2 sm (9-61) 2 ' 2 2 2 R1 (X1 X2 ) R1 Xn 2 m1 0,5 U1 Mmax (9-62)  2 ' 2 1 R1 R1 (X1 X2 ) Thường R1 << X1 + X’2 = Xn, nên xem R1 = 0, ta có: R ' s 2 (9-63) m ' X1 X2 m 0,5 U2 M 1 1 (9-64) max ' 1 X1 X2 m U2R ' m U2R ' M 1 1 2 1 1 2 (9-65) K ' 2 ' 2 2 2 1 (R1 R 2 ) (X1 X2 ) 1 R n Xn VÍ DỤ 9-6 Động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn, nối Y có Uđm = 460V, nđm = 1740vòng/phút, f = 60Hz, 2p = 4, và có các thông số của sơ đồ thay thế một pha như sau : (giống VÍ DỤ 9-5, chỉ thêm Rfe)
  27. 181 R1 = 0,25 , R’2 = 0,2 , X1 = X’2 = 0,5 , Rfe = 297, XM = 30 . Hày xác định: 1. Dòng điện và mômen khởi động khi nối stator vào điện áp định mức. 2. Dòng điện định mức và bội số dòng điện khởi động. 3. Hệ số công suất. 4. Mômen điện từ khi hệ số trượt định mức. 5. Hệ số trượt tới hạn và mômen cực đại. Bài giải 1. Dòng điện khởi động khi điện áp định mức:  U1đm 0 460 0 0 Điện áp pha : U1 0 0 265,60 V 3 3 Theo mạch điện thay thế hình 9-8, ta có tổng trở khi s = 1 là: R fe jX M 297 30 j Z0 3 29,7j R fe jX M 297 30 j ' Zn Z1 Z2 (0,25 j0,5) (0,25 j0,5) (0,45 j) Dòng điện khởi động :    U1 U1 265,6 265,6 o IK 250,6 66,42 A Z0 Zn 3 29,7j 0,45 j 2. Môment khởi động Tốc độ vòng đồng bộ : n1 = 1800 vòng/phút Tốc độ góc đồng bộ : 1 188,5 rad/s . Hệ số trược định mức: sđm 0,0333 Moment khởi động : m U2 R ' M 1 1 2 K ' 2 ' 2 1 (R1 R 2 ) (X1 X2 ) 3 265,62 0,2 MK 186,73 N.m 188,5 (0,24 0,2)2 (0,5 0,5)2 3. Dòng điện định mức Tính tổng trở của máy khi s = sđm =0,0333. R ' 0,20 Z' 2 jX' j0,5 6,0274,76 0  ; 2Sâm s 2 0,0333 Tính dòng điện định mức :
  28. 182 U U 265,6 265,6 I 1 1 âm ' Z0 Z1 Z2sâm 3 29,7j (0,25 0,5j) 6,0274,76 45,03 20,10 A 4. Bội số dòng điện khởi động : IK 250,6 m K 5,57 Iâm 45,03 5. Hệ số công suất định mức : 0 cos âm cos20,1 0,939 6. Môment điện từ: m U2 R ' /s M 1 1 2 âm ' 2 ' 2 Ω1 (R1 R 2 /sâm) (X1 X2 ) 3 265,62 0,2/ 0,0333 M 165,17 N.m 188,5 (0,25 0,2/ 0,0333)2 (0,5 0,5)2 7. Hệ số trượt tới hạn và môment cực đại: ' R 2 sm 2 ' 2 R1 (X1 X2 ) 0,2 sm 0,194 0,25 2 (0,5 0,5)2 2 m1 0,5 U1 Mmax  2 ' 2 1 R1 R1 (X1 X2 ) 3 0,5 265,62 Mmax 438,29 N.m 188,5 0,25 [0,25 2 (0,5 0,5)2 ]1/ 2 Qua hai ví dụ cho thấy, các số liệu tính toán được không khác nhau mấy. Vì vậy trong trường hợp không yêu cầu độ chính xác cao, ta có thể sử dụng mạch điện thay thế hình 9-8 để tính. 9.9. XÁC ĐỊNH THAM SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Để xác định các tham số ở mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ (nếu không tìm thấy từ nhà sản xuất) ta có thể làm thí nghiệm như sau: đo điện trở một chiều; thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch. Mô hình mạch điện của động cơ không đồng bộ tương tự như mba, các thông số cũng được xác định bằng thí nghiệm không tải (đầu trục động cơ không nối với tải) và ngắn mạch (giữ rôto đứng yên) giống như trong mba.
  29. 183 Thí nghiệm xác định các thông số của mạch điện thay thế 9.9.1. Đo điện trở một chiều Thí nghiệm đo điện trở một chiều động cơ không đồng bộ là nhằm xác định điện trở R1 của dây quấn stator. Trên hình 9-14a, trình bày sơ đồ nối dây để thí nghiệm, trong đó DC là nguồn điện một chiều thay đổi được điện áp đưa vào hai cực của dây quấn stator; V là Vôn kế một chiều; A là Ampe kế một chiều. Khi thí nghiệm ta tăng dần điện áp nguồn DC để dòng điện trong dây quấn stator gần bằng dòng định mức. Điện trở một chiều giữa hai cực stator được xác định từ chỉ số của A và V: a Nguồn DC A điều chỉnh V được điện áp ĐC b c (a) I DC IDC R1Y a a R1 R1Y R b b 1 UDC R1Y UDC R1 c c (b) (c) Hình 9-14 Sơ đồ mạch điện thí nghiệm xác định R1 UDC R DC (9-66) VDC Nếu dây stator nối Y, như trình bày trên hình 9-14b, R DC 2R1 R R DC (9-67) 1Y 2 Nếu dây stator nối , như trình bày trên hình 9-14c,
  30. 184 R1 2R1 2 R DC R1 R1 2R1 3 R1 1,5R DC (9-68) 9.9.2. Thí nghiệm không tải Thí nghiệm không tải là để xác định điện kháng từ hóa XM và tổ hao sắt, ma sát, quạt gió. Các tổn hao này là không đổi khi tải thay đổi. Sơ đồ nối dây thí nghiệm động cơ không đồng bộ được trình bày trên hình 9-15, dây quấn stato động cơ nối vào lưới điện có điện áp và tần số định mức, còn đầu trục động cơ không nối với tải, lúc đó ta đo được các đại lượng nhờ các dụng cụ đo chỉ như sau : Công suất không tải Po (3-pha, tổng công suất trên hai Watt kế) Dòng điện không tải Io (tính trung bình từ 3 ampe kế) Điện áp không tải Uo (tính trung bình từ 3 vôn kế). Công suất không tải Po (tổn hao không tải) là các tổn thất khi công suất trên đầu trục là zéro, bao gồm : tổn hao đồng stato, tổn hao sắt và tổn hao quay (tổn hao quạt gío, ma sát và tổn hao phụ). Tổn hao sắt trong lõi thép chỉ xảy ra ở stato, còn trong rôto không đáng kể, do hệ số trượt rất thấp (so=0,001), nên tần số dòng điện trong dây quấn rôto thấp, khoảng 0,05Hz. K * A * Nguồn W AC V V A ĐK ba pha V A W * * Hình 9.15 Sơ đồ thí nghiệm ĐK ba pha Trị số dòng điện không tải động cơ không đồng bộ khoảng 20 - 40% dòng điện định mức vì có khe hở không khí. Tổn thất đồng stato khi không tải cần được tính toán, bằng cách đo điện trở một chiều và hiệu chỉnh theo dòng điện xoay chiều (50Hz). Công suất cơ Pcơ tương ứng với điện trở giả tưởng có hệ số trượt so rất thấp. Vì vậy R’2/so + jX’2 >> Rfe và jXM nên có thể bỏ qua R’2/so + jX’2. Từ mạch điện thay thế hình 9-7b khi không tải được trình bày trên hình 9.16a. Ta thấy mạch điện thay thế hình 9-16a có hai nhánh Rfe và XM nối song song nhau nên chuyển về mắc nối tiếp thành Z0:
  31. 185 R fe jX M Z0 R 0 jX 0 R fe jX M R X2 R 2 X Trong đó: R fe M và X fe M X do R << X 0 2 2 0 2 2 M fe M R fe XM R fe XM ’ ’ R1 jX1 jX 2 R 2/s   I0 I1  I IM U fe 1 Z0 R jXM fe (a) R jX 1 1 R0 I fe jX0 jX Rfe M (b) (c) Hình 9.16 Mạch điện thay thế động cơ không đồng bộ không tải Phối hợp hai nhánh nối tiếp Z1 và Z0 ta được mạch điện hình 9.16b. Trong đó, tổng trở vào lúc không tải ZV0 = Z1 + Z0 = RV0 + jXV0,, với RV0 = R1 + R0 và XV0 = X1 + X0. Ở đây ta phải hiểu RV0 đặc trưng cho tổn hao không tải gồm tổn hao đồng dây quấn stato, sắt, quạt gió, ma sát và tổn hao phụ khi không tải. Từ các thông số thí nghiệm và mạch điện thay thế hình 9-16b, ta có : P R R R o ; (9-69) V0 1 0 2 3 Io Uo ZV0 ; (9-70) 3 Io 2 2 XV0 X1 X0 ZV0 R V0 (9-71) Hệ số công suất không tải : cos 0 = P0/(U0I0) (9-72) Tròg đó R1 là điện trở pha của dây quấn stator tìm được bằng cách thí nghiệm một chiều và điện kháng tản stato X1 tìm được từ thí nghiệm ngắn mạch. Điện trở R0 << X0, nên XM lấy bằng X0. Ta có thể tách tổn hao quay (tính cả pFe)
  32. 186 khi phông tải từ tổn hao không tải bằng cách trừ tổn hao đồng trên dây quấn stato khi không tải: 2 pq = P0 - 3.R1I0 . (9-73) Do tổng trở dây quấn stato Z1 = R1 + jX1 << Rfe và jXM, nên có thể bỏ qua Z1. Mạch điện thay thế gần đúng động cơ không đồng bộ khi không tải trình bày trên hình 9-16c. Mạch điện tương đương này dùng để tính tổng trở nhánh từ hoá rất đơn giản, giống như trong MBA. Tách riêng tổn hao sắt và tổn hao quay Sự tách tổn thất này được thực hiện bằng thí nghiệm không tải với Po nguồn có tần số định mức và điện áp thay đổi được. Khi điện áp giảm dưới giá trị định mức, tổn thất lõi thép giảm gần như theo bình phương điện áp. Vì hệ số trượt tăng không đáng Ngoại suy kể, tổn hao quay gần như không đổi. Điện áp tiếp tục giảm đến khi hệ số pq trượt tăng đột ngột, và động cơ dần U dần đứng lại. Ở chế độ không tải, 0 điều này điều này xảy ra với điện áp giảm đáng kể. Đồ thị quan hệ Po = Hình 9.17 Tách riêng tổn hao sắt và tổn hao quay f(U) trên hình 9.17 được ngoại suy đến U = 0 với pq khi pFe = 0 ở điện áp zéro. b. Thí nghiệm ngắn mạch Thí nghiệm này được dùng để xác định các thông số nối tiếp trong mô hình mạch động cơ không đồng bộ. Sơ đồ nối dây thí nghiệm giống như khi không tải (hình 9-18), nhưng giữ rôto đứng yên, lúc này hệ số trượt s = 1. Giảm điện áp đặt vào dây quấn stato, sao cho dòng điện chạy trong dây quấn stato bằng dòng điện định mức. Lúc đó ta đo được các đại lượng nhờ các dụng cụ đo như sau : Công suất ngắn mạch Pn (3-pha, tổng công suất trên hai oát kế) Dòng điện ngắn mạch In (tính trung bình từ 3 ampe kế) Điện áp ngắn mạch Un (tính trung bình từ 3 vôn kế). Trong thí nghiệm này, bỏ qua tổn hao sắt R0 = 0, nhưng không thể bỏ qua điện kháng từ hoá X0 vì nó nhỏ hơn nhiều so với MBA. Từ mạch điện thay thế hình 9- 7b, khi thí nghiệm ngắn mạch được trình bày trên hình 9.18a (giống mạch điện thay thế IEEE). Phối hợp hai nhánh song song thành hình 9-18b. Nếu bỏ qua nhánh từ hoá song song của mạch điện trình bày trên hình 9-18a thì giống như thí nghiệm ngắn mạch mba, việc tính toán sẽ đơn giản hơn vì X’’2 và R’’2 tương ứng bằng X’2 và R’2. Từ các thông số thí nghiệm và mô hình mạch hình 9-18b, ta tính được
  33. 187 P R R R '' n ; (9-74) tđ 1 2 2 3 In Un Ztđ ; (9-75) 3 In '' 2 2 Xtđ X1 X2 Ztđ - R tđ (9-76) Hệ số công suất không tải : cos n = Pn/(UnIn) R1 jX1 R X X’2 1 1  ' R’’ I1 ( I2 ) 2 U  1 I0 R’2 jXM jX’’2 (a) (b) Hình 9.18 Mạch điện thay thế ĐK ngắn mạch Trong trường hợp gần đúng có thể cho rằng điện kháng tản stato và điện kháng tản rôto bằng nhau và bằng nửa Xtđ (Xtđ Xn): X1 = X’2 = Xtđ/2 (9-77) Từ mạch điện thay thế hình 2.6a và b, ta có : (R ' jX ' ) jX R '' jX '' 2 2 M (9-78) 2 2 ' ' R 2 j(X2 XM ) Phần thực của biểu thức trên là : R ' X2 R '' 2 M (9-79) 2 ' 2 ' 2 (R 2 ) (X2 XM ) Do R’2 > X’2, ta có : Xtđ = X1 + X’2 (9-82)
  34. 188 VÍ DỤ 9-7 Kết quả thu được từ thí nghiệm không tải ngắn mạch và một chiều của động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn có P = 10hp, Uđm = 440V, nối Y, Iđm= 14A, f = 60Hz, p= 4 như sau: Ngắn mạch Không tải Một chiều Un = 95V U0 = 440V VDC = 22,5 V In = 14A I0 = 6A IDC = 15 A Pn = 900W P0 = 350W Hãy xác định: a. Các tham số của mạch điện thay thế IEE và tổn hao không tải. b. Dòng điện không tải % so với dòng điện định mức. Bài giải a. Các tham số của mạch điện thay thế IEE và tổn hao không tải: Chú ý : khi thí nghiệm động cơ nối Y. Điện trở pha dây quấn stator: UDC 22,5 R DC 1,5 VDC 15 R 1,5 R R DC 0,75 1Y 1 2 2 Từ số liệu thí nghiệm không tải, ta tính được: P 350 R o 3,24  ; V0 2 2 3 Io 3 6 Uo 440 ZV0 42,34  ; 3 Io 3 6 2 2 2 2 XV0 ZV0 R V0 42,34 3,24 42,22  Từ số liệu thí nghiệm ngắn mạch, ta tính được: P 900 R n 1,53  ; tđ 2 2 3 In 3 14 Un 95 Ztđ 3,92; 3 In 3 14 2 2 2 2 Xtđ Ztđ - R tđ 3,92 1,53 3,61  Cho rằng X1 = X’2 = 0,5Xtđ = 0,5 x 3,61 = 1,805 ohms, ta có điện kháng từ hóa: XM = X0 – X1 = 42,22 – 1,085 = 40,415 .
  35. 189 Điện trở rotor: (X' X )2 R’ = ( R - R ) 2 M 2 tđ 1 2 XM (1,805 40,415)2 R’2 = ( 1,53 – 0,75) 0,851  40,415 2 Dòng điện không tải % so với dòng điện định mức: I0 6 i0 % 100 100 42,86% Iđm 14 Chú ý: Nói chung, dòng điện không tải của động cơ không đồng bộ ba pha nằm trong khoảng 40% của dòng điện định mức.    
  36. 190 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Hãy trình bày về sự hình thành từ trường quay sinh ra bởi dây quấn stator ba pha. 2. Trình bày sự khác nhau giữa động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc và rotor dây quấn về cấu tạo. 3. Trình bày sự khác nhau giữa tốc độ đồng bộ, tốc độ rotor, tốc độ trượt, hệ số trượt. 4. Các phương pháp nào để thay đổi tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ ba pha. 5. Trình bày ảnh hưởng của hệ số trượt đến tần số và điện áp của rotor. 6. Vẽ giản đồ năng lượng và trình bày quá trình năng lượng (công suất tác dụng) trong động cơ không đồng bộ ba pha. 7. * Mômen do sóng bậc cao ảnh hưởng bất lợi đến sự vận hành động cơ không đồng bộ như thế nào? 8. * Vẽ đồ thị vòng tròn của rotor động cơ không đồng bộ. Sử dụng nó để phân tích công suất điện từ ở tốc độ gần tốc độ đồng bộ động cơ không đồng bộ. 9. Sự khác nhau giữa hiệu suất và hệ số công suất. 10. Sự khác nhau giữa mômen khởi động, mômen định mức và mômen cực đại. 11. Vẽ và trình cách vẽ họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha khi thay đổi điện áp đặt vào dây quấn stator. 12. Vẽ và trình cách vẽ họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha khi thay đổi điện trở mắc nối tiếp vào dây quấn rotor. 13. Nêu các dạng tổn hao trong động cơ không đồng bộ ba pha và tình trạng liên quan đến các tổn hao này. 14. Trình bày phương pháp xác định các tham số động cơ không đồng bộ bằng thí nghiệm. 15. Trình bày cách tách tổn hao sắt và tổn hao quay bằng thí nghiệm.    
  37. 191 BÀI TẬP Bài số 9-1. Động cơ không đồng bộ ba pha 12 cực từ, tần số 50Hz. Động cơ sẽ quay với tốc độ bao nhiêu nếu hệ số trược bằng 0,06 ? Đáp số: n = 470 vòng/phút Bài số 9-2. Động cơ không đồng bộ ba pha 3 đôi cực từ, tần số 50Hz, quay với tốc độ 960vg/ph. Hãy xác định : a. Vận tốc đồng bộ. b. Tần số dòng điện rotor. c. Vận tốc tương đối của rotor so với từ trường quay. Đáp số: n1 = 1000 vòng/phút; f2 = 2 Hz; n2 = 40 vòng/phút Bài số 9-3. Động cơ không đồng bộ ba pha, tần số 50Hz, quay với tốc độ gần bằng 1000vg/ph lúc không tải và 970vg/ph lúc dầy tải. a. Động cơ có bao nhiêu cực từ ? b. Tính hệ số trượt lúc dầy tải ? c. Tìm tần số của điện áp trong dây quấn rotor lúc dầy tải ? d. Tính tốc độ của : i. Từ trường quay của rotor so với rotor ? ii. Từ trường quay của rotor so với stator ?. iii. Từ trường quay của rotor so với từ trường quay stator ?. Đáp số: a. 2p =6; b. s= 0,03; c. f2 = 1,5Hz; d. i. n2 = 40 vòng/phút; ii. n1 = 1000 vòng/phút; iii. n12 = 0 vòng/phút Bài số 9-4. Động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn, tần số 50Hz, 8 cực từ 380V có stator đấu Y và rotor đấu Y. Số vòng dây hiệu dụng rotor bằng 60% số vòng dây hiệu dụng stator. Hãy tính điện áp giữa hai vành trượt của rotor khi đứng yên và khi hệ số trượt bằng 0,04. Đáp số : 228V; 50Hz; 9,12 V; 2 Hz Bài số 9-5. Một động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn, tần số 50Hz, 6 cực từ 220V có stator đấu và rotor đấu Y. Số vòng dây hiệu dụng rotor bằng một nửa số vòng dây hiệu dụng stator. Khi hệ số trượt bằng 0,04. Hãy tính điện áp và tần số giữa các vành trượt nếu : a. Rotor đứng yên ? b. Hệ số trượt rotor bằng 0,04 ? Đáp số : a. 190,5V; 50Hz; b. 7,62V; 2Hz Bài số 9-6. Tốc độ khi đầy tải của động cơ không đồng bộ tần số 50Hz là 460vg/ph. Tìm số cực từ và hệ số trượt lúc dầy tải ? Đáp số : 2p = 12; s = 0,08 Bài số 9-7. Nhãn của một động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có ghi các số liệu như sau: 18,5kW, tần số 50Hz, 8 cực từ, dòng 40A, 380V có stator
  38. 192 đấu Y. Giả sử động cơ tiêu thụ công suất từ lưới điện 20,8kW và tốc độ n = 720vòng/ph khi làm việc ở chế độ định mức. Hãy tính : a. Hệ số trượt định mức của động cơ. b. Hệ số công suất định mức của động cơ. c. Moment định mức. Đáp số: a/ 0,04; b/ 0,79; c/ 245,4Nm. Bài số 9-8. Một động cơ điện không đồng bộ ba pha có : số đối cực từ p =2 ; N1 = 96vòng ; N2 = 80 vòng, hệ số dây quấn kdq1 = 0,945 ; kdq2 = 0,96, hệ số trượt s = 0,035. Điện áp mạng điện U = 220V ; f = 50Hz, dây quấn stato đấu tam giác, dây quấn rôto đấu sao. Tính tốc độ quay của động cơ, hệ số qui đổi sức điện động ae và hệ số qui đổi dòng điện ai. Giả sử tổn thất điện áp trên điện trở và điện kháng tản stato bằng 3 U1. Tính sức điện động E1, sức điện động rôto lúc đứng yên E2, và lúc quay E2s, từ thông cực đại m Đáp số : n = 1447vg/ph ; ae = ai = 1,18 2 E1 = 213,4 V; E2 = 180,8V ; E2s = 6,33V ; m 1,06.10 Wb Bài số 9-9. Một động cơ không đồng bộ ba pha 25hp, tần số 60Hz, 6 cực từ, 575V có stator đấu Y đang vận hành ở hệ số trượt 0,03. Công suất tổn hao phụ là 230,5W, còn tổn hao cơ là 115,3 W. Các thông số mạch/pha của động cơ qui đổi về stator như sau : R1 = 0,3723  ; R’2 = 0,390  ; Rfe = 354,6  ; X1 = 1,434  ; X’2 = 2,151  XM = 26,59  Hãy dùng mạch điện thay thế chính xác hình 9-7b để xác định (a) tổng trở vào/pha; (b) dòng điện stator; (c) công suất tác dụng, phản kháng, biểu kiến và hệ số công suất được cấp từ lưới điện; (d) các tổn hao; (e) công suất điện từ, công suất cơ; công suất ra, hiệu suất; (f) moment điện từ, moment trên đầu trục; (g) vẽ giản đồ năng lượng và ghi các số liệu. Đáp số: (a) 11,9637,58o ; (b) 27,77-37,58oA; 22,8A (c) 21916,6W; 16866,9VAr; 27655,6VA ; 0,793 (d) 861,2W; 608,7W; 764,2W; (e) 20291W; 19683W; 19336W; 88,23% (f) 161,5Nm; 161Nm Bài số 9-10. Một động cơ không đồng bộ ba pha 30kW, tần số 50Hz, 4 cực từ, 380V có stator đấu Y đang vận hành ở tốc độ 1440 vòng/phút. Công suất tổn hao phụ ở tải này là 450W, còn tổn hao cơ là 220 W. Các thông số mạch/pha của động cơ qui đổi về stator như sau : R1 = 0,1418  ; R’2 = 1,100  ; Rfe = 212,73  ; X1 = 0,7273  ; X’2 = 0,7284  XM = 21,7  Hãy dùng mạch điện thay thế chính xác hình 9-7b để xác định (a) tổng trở vào/pha; (b) dòng điện stator và rotor; (c) công suất tác dụng, phản kháng, biểu kiến và hệ số công suất được cấp từ lưới điện; (d) các tổn hao; (e) công suất điện từ, công suất cơ; công suất ra, hiệu suất; (f) moment điện từ, moment trên đầu trục, moment cực đại, moment khởi động; (g) vẽ giản đồ năng lượng và ghi các số liệu. Cho biết Mmax/Mđm= 2,2; MK/Mđm= 1,4.
  39. 193 Bài số 9-11. Một động cơ không đồng bộ ba pha số liệu định mức là 30hp, tần số 60Hz, 847 vòng/phút, 8 cực từ, 460V có stator đấu Y đang vận hành ở tốc độ 880 vòng/phút. Công suất tổn hao phụ ở tải này và tổn hao cơ là 350 W. Các thông số mạch/pha của động cơ qui đổi về stator như sau: R1 = 0,1891  ; R’2 = 0,191  ; Rfe = 189,1  ; X1 = 1,338  ; X’2 = 0,5735  XM = 14,18  Hãy dùng mạch điện thay thế chính xác hình 9-7b để xác định (a) tổng trở vào/pha; (b) dòng điện stator và rotor; (c) công suất tác dụng, phản kháng, biểu kiến và hệ số công suất được cấp từ lưới điện; (d) các tổn hao; (e) công suất điện từ, công suất cơ; công suất ra, hiệu suất; (f) moment điện từ, moment trên đầu trục, moment cực đại, moment khởi động; (g) vẽ giản đồ năng lượng và ghi các số liệu. Cho biết Mmax/Mđm= 2,2; MK/Mđm= 1,4. Đáp số: (a) 7,8940,31o ; (b) 33,68-40,31oA; 27,08A; (c) 20461,4W; 17356,6VAr; 26831,6VA ; 0,7626 (d) 643,4W; 420,2W; 865,3W; (e) 18908W; 18488W; 18137,8 W; 88,65% (f) 147,13Nm; 147,6Nm. Bài số 9-12. Một động cơ không đồng bộ ba pha 90kW, tần số 50Hz, 6 cực từ, 380V có stator đấu Y. Các thông số mạch của động cơ qui đổi về stator như sau : R1 = 0,07  ; R’2 = 0,052  ; Rfe = 54  ; Xn = 0,44  ; XM =7,68  Tổn hao cơ và tổn hao phụ là 1100W có thể xem như không đổi. Khi hệ số trượt bằng 0,04, hãy dùng mạch điện thay thế gần đúng hình BT 9- 22 để tính : a. Hệ số trượt tới hạn và moment cực đại của động cơ. b. Dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ. c. Dòng điện ứng với moment cực đại. Đáp số: a/ 0,118; 1575,6Nm. b/ 510,5A; 346Nm c/ 349A. Bài số 9-13. Một động cơ không đồng bộ ba pha 45kW, tần số 50Hz, 6 cực từ, 380V có stator đấu Y. Có các thông số mạch qui đổi về stator như sau: R1 = 0,126 ; R’2 = 0,096 ; Rfe = 67 ; Xn = 0,46 ; XM = 10,6 ; Tổn hao cơ và tổn hao phụ là 480W có thể xem như không đổi. Khi hệ số trượt bằng 0,04, hãy dùng mạch điện thay thế gần đúng như hình BT 9-19 để tính : a. Dòng điện dây và hệ số công suất của động cơ. b. Công suất ra và moment trên trục của động cơ. c. Hiệu suất của động cơ. Đáp số : a./ I1 = 94,73A; cos = 0,92; b./ P2 = 50,28kW; M2 = 500N.m; c./  = 0,874. Bài số 9-14. Một động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto dây quấn, số đối cực từ p = 3, điện trở rôto R2 = 0,01. Khi rôto đứng yên E2 = 212V. Khi rôto quay với tốc độ n = 970 vg/ph thì dòng điện rôto I2 = 240A. Tính điện kháng rôto lúc quay và lúc rôto đứng yên Đáp số : X2s= sX2 = 0,0245 ; X2 = 0,818
  40. 194 Bài số 9-15. Một động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn : E1= 216V; N1= 156vòng; kdq1= 0,955; R2 = 0,166; X2 = 0,053; N2= 27 vòng; kdq1= 0,903. ' ' Tính sức điện động rôto lúc đứng yên E2, điện trở R2 và điện kháng X 2 của rôto đã qui đổi về phía stato. ' ' Đáp số : E2 35,35 V; R 2 6,2;X2 1,98  Bài số 9-16. Một động cơ không đồng bộ ba pha nối sao, điện áp U = 380V, điện trở R1 = 0,07. Khi quay không tải có dòng điện I0 = 30A; cos 0 = 0,09. Khi quay với tốc độ n = 965vg/ph tiêu thụ công suất điện P1 = 145kW; cos 1 = 0,88. Tính mômen điện từ Mđt. Cho rằng tổn hao quay là 800W không đổi. Đáp số : Mđt = 1243Nm Bài số 9-17. Một động cơ không đồng bộ ba pha p = 2; n = 1450vg/ph, công suất điện từ Pđt = 110kW; tần số dòng điện f = 50Hz. Tính mômen điện từ Mđt, tổn hao đồng trên rôto Pđ2. Đáp số : Mđt = 700,3Nm ; Pđ2 = 3,66kW Bài số 9-18. Một động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn có stato và rôto đấu hình sao. Các số liệu định mức như sau: Uđm = 380V; Pđm = 35kW; nđm = 730vg/ph; cos đm = 0,81; Iđm2 = 188A; R2 = 0,01; đm = 0,88; điện áp giữa các vành trượt khi mạch ngoài hở và rôto đứng yên là 125V. a. Tính điện kháng rôto lúc đứng yên và lúc quay định mức. b. Tính dòng điện stato lúc quay định mức, rôto lúc khởi động và mômen điện từ lúc khởi động. Đáp số : E2 125 E2 72,17V ; sX2 = 0,00223; X2 = 0,0837; 3 3 I1đm= 74,6A; I2K = 856A ; MđtK = 283Nm Bài số 9-19. Một động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có ghi các số liệu như sau : 25 hp, tần số 50Hz, 8 cực từ, điện áp 440V, stator đấu Y. Động cơ có moment khởi động bằng 112N.m và moment định mức bằng 83N.m. Dòng điện khởi động trực tiếp là 128A khi nối vào lưới điện có điện áp định mức. Hãy tính : a. Moment khởi động khi điện áp giảm còn 300V. b. Điện áp cần cung cấp cho động cơ để moment khởi động bằng moment định mức của động cơ. c. Dòng điện khởi động khi điệnn áp giảm còn 300V. d. Điện áp cần cung cấp cho động cơ để dòng khởi động không quá 32A. Bài số 9-20. Một động cơ không đồng bộ ba pha tần số 50Hz, 4 cực từ, 220V có các thông số mạch của động cơ qui đổi về stator như sau: R1 = 0,3 ; R’2 = 0,2 ; X1 = X’2 = 1 ; Rfe = 50 ; XM = 16,7 ; a. Tính tốc độ và dòng điện trong dây quấn stator khi khi s = 0,02 b. Tính hệ số công suất và công suất ra của động cơ khi s = 0,05.
  41. 195 Bài số 9-21. Một động cơ điện ba pha có số đôi cực từ p = 2 ; f = 50Hz tiêu thụ công suất điện từ lưới P1 = 3,2kW; tổn hao đồng ở dây quấn stato và rôto pCu1+ pCu2 = 300W, tổn hao sắt từ pFe = 200W. Điện trở và dòng điện rôto đã qui đổi về ’ stato R 2 =1,5 ; I’2 = 5A. Tính tốc độ động cơ điện và mômen điện từ. Đáp số : n = 1440vg/ph ; Mđt = 17,9Nm Bài số 9-22. Một động cơ không đồng bộ ba pha 15kW, tần số 50Hz, 6 cực từ, 220V có stator đấu Y. Các thông số mạch điện thay thế qui đổi về stator tính trên một pha là: R1 = 0,126; R’2 = 0,094; Xn = 0,46; Rfe = 57; XM = 9,8; Tổn hao cơ và tổn hao phụ là 280W có thể xem như không đổi. Khi hệ số trượt bằng s = 0,03, hãy dùng mạch điện thay thế gần đúng hình BT 9-22 để tính : a. Dòng điện dây và hệ số công suất của động cơ. b. Công suất ra và mômen điện từ của động cơ. c. Hiệu suất của động cơ. R1 jX I 1 jX’2 1 + I o I' I 2 '  I M R 2 U1 fe jXM s Rfe _ Hình BT 9-22 Mạch điện thay thế gần đúng động cơ điện không đồng bộ Đáp số : a./ I1 = 44,4A; cos = 0,91; b./ P2 = 13,3kW; Mđt = 133,6N.m; c./  = 0,86 Bài số 9-23. Một động cơ không đồng bộ ba pha 125hp, tần số 60Hz, 8 cực từ, 440V có stator đấu Y. Các thông số mạch của động cơ qui đổi về stator như sau: (thông số pha) R1 = 0,068  ; R’2 =0,052  ; Rfe = 54  ; X1 =X’2 = 0,224  ; XM =7,68 . Tổn hao cơ và tổn hao phụ là 1200W có thể xem như không đổi. Khi hệ số trượt s = 0,03, hãy dùng mạch điện thay thế gần đúng hình BT 9- 22 để tính: a. Dòng điện dây và hệ số công suất của động cơ. b. Công suất ra và moment trên đầu trục của động cơ. c. Hiệu suất của động cơ. Đáp số : a./ I1 = 171,23A; cos = 0,803; b./ P2 = 93,25kW; M2 = 1224,1N.m; c./  = 0,89
  42. 196 Bài số 9-24. Một động cơ không đồng bộ ba pha 125hp, tần số 60Hz, 8 cực từ, 440V có stator đấu Y. Các thông số mạch của động cơ qui đổi về stator như sau: (thông số pha) R1 = 0,068  ; R’2 = 0,052  ; Rfe = 54  ; X1 =X’2 = 0,224  ; XM = 7,68 ; Tổn hao cơ và tổn hao phụ là 1200W có thể xem như không đổi. Khi hệ số trượt bằng 0,04, hãy dùng mạch điện thay thế gần đúng hình BT 9- 22 để tính: a. Hệ số trượt tới hạn và moment cực đại của động cơ. b. Dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ. c. Dòng điện ứng với moment cực đại. Đáp số: a/ 0,116; 2292Nm. b/ 587,7A; 496,4Nm c/ 397,5A. Bài số 9-25. Nhãn của một động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có ghi các số liệu định mức như sau: 18,5kW, tần số 50Hz, 4 cực từ, dòng stato 40A, điện áp 380V, hệ số công suất là 0,81 và stator đấu Y. Giả sử động cơ có tốc độ quay n =1440 vòng/ph khi làm việc ở chế độ định mức. Hãy tính: a. Hệ số trượt định mức. b. Công suất tác dụng và phản kháng động cơ tiêu thụ từ lưới điện. c. Hiệu suất động cơ. Đáp số: a/ 0,04; b. 21,325kW; 15,439kVAR; c. 86,75%. Bài số 9-26. Động cơ không đồng bộ ba pha có Uđm = 440V, nối Y, 2p = 2, tần số 60Hz, đang làm việc ở tốc độ n = 3492 vòng/phút, và có các thông số của mạch điện thay thế IEEE trên một pha như sau: R1 = 0,74 , R’2 = 0,647 , Rfe = bỏ qua X1 = 1,33  ; X’2 = 2,01  XM = 77,6  Tổn hao không tải khi quay là 350W. Hãy tìm: a. Hệ số trượt định mức ? b. Dòng điện khởi động khi nối trực tiếp dây quấn stator vào điện áp định mức ? c. Môment khởi động ? d. Dòng điện định mức ? e. Bội số dòng điện khởi động ? f. Hệ số công suất định mức ? g. Môment điện từ khi hệ số trượt định mức? h. Hiệu suất của động cơ khi làm việc ở tải định mức ? i. Hệ số trượt ứng với moment cực đại. j. Moment cực đại và năng lực quá tải mM. k. Tính điện trở phụ mắc vào mạch rotor để moment khởi động bằng moment cực đại ?. l. Tính lại các trường hợp trên với mạch điện hình BT 9-22 và so sánh với kết quả đã tính. Cho Rfe = 920. Đáp số: a/ 0,03; b. 70A; c. 30,27Nm.
  43. 197 Bài số 9-27. Động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn, nối Y có Uđm = 380V, nđm = 960vòng/phút, f = 50Hz, 2p = 6, và có các thông số của mạch điện thay thế hình BT 9-22 trên một pha như sau: R1 = 0,20 , R’2 = 0,25 , X1 = X’2 = 1,2 , Rfe = 317,2 , XM = 42 . Tổn hao không tải khi quay là 700W, lúc đó rotor ngắn mạch trên chổi than. Hãy xác định: a. Dòng điện khởi động khi nối trực tiếp dây quấn stator vào điện áp định mức ? b. Môment khởi động ? c. Hệ số trượt định mức ? d. Dòng điện định mức ? e. Bội số dòng điện khởi động ? f. Hệ số công suất định mức ? g. Môment điện từ khi hệ số trượt định mức ? h. Hiệu suất của động cơ khi làm việc ở tải định mức ? i. Hệ số trượt ứng với moment cực đại ? j. Moment cực đại và năng lực quá tải mM ? k. Tính điện trở phụ mắc vào mạch rotor để moment khởi động bằng moment cực đại. Bài số 9-28. Một động cơ không đồng bộ ba pha có P = 25hp, Uđm = 575V, nối Y, Iđm= 27A, f = 60Hz. Kết quả thu được từ thí nghiệm không tải ở tần số 60Hz, ngắn mạch ở tần số 15Hz và một chiều như sau: Ngắn mạch Không tải Một chiều Un = 54,7V U0 = 575V VDC = 20 V In = 27A I0 = 11,8A IDC = 27 A Pn = 1653 W P0 = 1264,5 W Hãy xác định các tham số của mạch điện thay thế IEE và tổng các tổn hao sắt, ma sát và quạt gió. Bài số 9-29. Kết quả thu được từ thí nghiệm không tải ở tần số 60Hz, ngắn mạch ở tần số 15Hz và một chiều của động cơ không đồng bộ ba pha có P = 30hp, Uđm = 460V, nối Y, Iđm= 40A, f = 60Hz. như sau: Ngắn mạch Không tải Một chiều Un = 42,39V U0 = 460V VDC = 15,4 V In = 40A I0 = 17,0A IDC = 40,2 A Pn = 1828,8 W P0 = 1381,4 W Hãy xác định các tham số của mạch điện thay thế IEE và tổng các tổn hao sắt, ma sát và quạt gió. Đáp số: R1 = 0,1915 , R’2 = 0,1895 , X1 = 0,5745  ; X’2 = 1,3404 ; XM = 14,92 ; 405,1W/pha
  44. 198 Bài số 9-30. Kết quả thu được từ thí nghiệm không tải ở tần số 60Hz, ngắn mạch ở tần số 15Hz và một chiều của động cơ không đồng bộ ba pha có P = 15hp, Uđm = 460V, nối Y, Iđm= 14A, f = 60Hz. như sau: Ngắn mạch Không tải Một chiều Un = 18,5V U0 = 459,8 V VDC = 5,6 V In = 13,9A I0 = 6,2A IDC = 14,0 A Pn = 264,6 W P0 = 799,5 W Hãy xác định các tham số của mạch điện thay thế IEE và tổng các tổn hao sắt, ma sát và quạt gió.    