Công thức máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n. Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: động cơ và máy phát.

Phân loại máy điện không đồng bộ

Khi phân loại máy điện không đồng bộ, có thể căn cứ theo:

• Theo kết cấu của vỏ, có thể chia làm các loại: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu chống nổ, kiểu chống rung…
• Theo kết cấu của rotor chia làm hai loại: kiểu rotor dây quấn và kiểu rotor lồng sóc.
• Theo số pha: kiểu một pha, hai pha, ba pha.

Cấu tạo máy điện không đồng bộ

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ bao 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 bị và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.

Stator

Stator [phần tĩnh] gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.

Lõi thép

Lõi thép stator có dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, được dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.

Dây quấn stator

Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các ranh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo nên từ trường quay.

Võ máy

Vỏ máy bao gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang.

Roto

Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.

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 dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục.

Trục

Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép roto.

Dây quấn rotor

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 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. 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 cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ như dây quấn stator. Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao [Y] và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.

Nguyên lý làm việc máy phát điện không đồng bộ

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n = 60f/p [f là tần số lưới điện; p là số đội cực từ của máy; n là tốc độ từ trường quay bậc một] Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto, làm cảm ứng trong dây quấn roto các sức điện động E,. Do roto kín mạch nên trong dây quấn roto có dòng điện I, chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tống ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn roto tác dụng với từ thông khe hở sinh ra mô men. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của roto. 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.

Các đại lượng định mức

Máy điện không đồng bộ có các đại lượng định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy. Các trị số này do nhà máy thiết kế, chế tạo qui định và được ghi trên nhãn máy. Máy điện không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ nên trên nhãn máy chỉ ghi các trị số làm việc của chế đô động cơ ứng với tải định mức.

• Dòng điện định mức.
• Điện áp dây định mức.
• Kiểu đấu sao hay tam giác
• Tốc độ quay định mức.
• Hiệu suất định mức.
• Hệ số công suất định mức.

Công dụng của máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân. Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ… Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, động cơ tủ lạnh…Tóm lại phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi.

Tuy vậy máy điện không đồng bộ có những nhược điểm sau: cosφ của máy thường không cao lắm, đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của nó có phần bị hạn chế.

Hy vọng qua bài viết trên các bạn sẽ biết được sâu hơn về máy điện không đồng bộ. Cuối cùng chúc các bạn luôn thành công và hẹn các bạn tại các viết sau!

1 PHẦN 2- MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BÀI TẬP 1 Cho một động cơ điện không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc có Pđm = 10 kW, Uđm = 220/380 V, dây quấn đấu /Y, tốc độ quay nđm = 960 vg/ph, số cực 2p = 6, tần số f = 50 Hz, hệ số công suất cos = 0,8; hiệu suất  = 0,85. 1. Tính dòng điện đònh mức của động cơ. 2. Tính tổng tổn hao công suất trong động cơ. Gợi ý: Pđm: công suất cơ ở đầu trục của động cơ. Pđm = 3 . Uđm.Iđm. cosđm .đm [W]. Dây quấn đấu /Y: chọn cách đấu dây phù hợp với điện áp dây của nguồn điện. Công suất điện động cơ tiêu thụ: P1 = 3 . Uđm.Iđm. cosđm [W]. Tổng tổn hao trong động cơ: P = Pvào - Pra [W] BÀI GIẢI 1/ Dòng điện đònh mức thay đổi theo điện áp làm việc: Với Uđm = 220 V. Iđm = đmđmđmcos.U.3.P = 8,0.220.3.85,010.103 = 38,59 [A]. Với Uđm = 380 V. Iđm = đmđmđmcos.U.3.P = 8,0.380.3.85,010.103 = 22,34 [A]. 2/ Tổng tổn hao công suất trong động cơ: đmđmđmPPP  = 85,010.103 - 10.103 = 1764,7 [W]. BÀI TẬP 2 Cho một động cơ điện không đồng bộ 3 pha dây quấn stato nối hình tam giác, điện áp lưới 220 V, f = 50 Hz. Số liệu động cơ: p = 2 đôi cực, I1 = 21 A, cos1= 0,82;  = 0,837; s = 0,053. Tính tốc độ động cơ, công suất điện động cơ tiệu thụ P1, tổng các tổn hao, công suất hữu ích của động cơ P2 Gợi ý 2 Điện áp lưới 220 V là điện áp dây. Động cơ có dây quấn nối hình tam giác tương ứng mỗi cuộn dây chòu điện áp dây 220 V từ nguồn. I1 là dòng điện đo được trên 1 pha dây quấn stato khi động cơ đang làm việc. Hệ số trượt s = 0,053 là độ lệch giữa tốc độ quay của từ trường và rotor: s = 11nnn [với n1 tốc độ đồng bộ và n tốc độ quay rotor]. Hiệu suất  đặc trưng cho hiệu quả làm việc của động cơ: =1đmPP Công suất điện động cơ tiêu thụ: P1 = 3 . U1.I1. cos[W]. BÀI GIẢI Tốc độ góc của động cơ:  = 1. [1 – s] = pf.2.[1 – s] = 250.2.[1 – 0,053] = 148,68 [rad/s]. Tốc độ quay của động cơ: n = pf.60.[1 – s] = 250.60.[1 – 0,053] = 1420 [vg/ph]. Công suất điện động cơ tiệu thụ: P1 = 3 . U1.I1. cos= 3 . 220.21. 0,82 = 6561 [W]. Công suất điện hữu ích: P2 = P1. 1 = 6561.0,837 = 5491 [W]. Tổng các tổn hao công suất: P = P1 - P2 = 6561 – 5491 = 1070 [W]. BÀI TẬP 3 Một động cơ điện không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn có số đôi cực từ của stato p = 3, tần số lưới điện f = 50 Hz. Từ thông chính trong từ trường động cơ là = 3,12.10-2 Wb, số vòng dây stato w1 = 124 vòng và rotor w2 = 98 vòng, hệ số dây quấn stato kdq1 = 0,95 và rotor kdq2 = 0,96. Hãy xác đònh sức điện động cảm ứng trong dây quấn stato và rotor khi rotor đứng yên và khi rotor quay với hệ số trượt s = 3%. Tìm tốc độ quay n của rotor động cơ. 3 Gợi ý: Công thức tính sức điện động cảm ứng dây quấn stato: E1 = 4,44.f.kdq.w1. [V]. : từ thông dưới mỗi cực từ của dây quấn stato. kdq: hệ số dây quấn phụ thuộc vào kiểu quấn dây stato và rotor. Hệ số trượt s: độ chênh lệch giữa tốc độ quay từ trường n1 và tốc độ quay rotor n. s = 11nnn Hệ số biến đổi sức điện động trong động cơ: kE = 21EE = 2dq21dq1k.wk.w Sức điện động trong dây quấn rotor khi động cơ có hệ số trượt s là: E2s = s. E20 [V]. [E20: sức điện động khi rotor hở mạch khi động cơ quay]. BÀI GIẢI Sức điện động cảm ứng dây quấn stato: E1 = 4,44.f.kdq.w1. =4,44.50.0,95.124.3,12.10-2 = 816 [V]. Khi rotor còn đứng yên thì động cơ giống như máy biến áp: dây quấn stato như sơ cấp và dây quấn rotor như thứ cấp của máy biến áp. Sức điện động trong dây quấn rotor: E20 =E1kE = 2dq21dq11k.wk.wE =1dq12dq21k.wk.w.E = 95,0.12496,0.98.816 = 652 [V]. Sức điện động trong dây quấn rotor khi quay với hệ số trượt s = 3%: E2s = s. E20 = 0,03.652 = 20 [V]. Tốc độ quay của động cơ là: n = n1.[1 – s] = pf.60.[1 – s] = 350.60.[1 – 0,03] = 970 [vg/ph]. BÀI TẬP 4 Một động cơ điện không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn khi để rotor hở mạch và cho điện áp đònh mức vào stato thì điện áp trên vành trượt là 250 V. Khi động cơ làm việc với tải đònh mức thì tốc độ n = 1420 vg/ph. Tính: 1. Tốc độ đồng bộ. 4 2. Tốc độ từ trường quay do dòng điện rotor sinh ra so với tốc độ rotor. 3. Tần số dòng điện ở rotor. 4. Sức điện động của rotor khi tải đònh mức. Gợi ý Động cơ ở trạng thái hở mạch xem như trạng thái của máy biến áp không tải và điện áp trên thứ cấp rotor là 250 V. Khi cấp điện stato thì từ trường quay với tốc độ đồng bộ: n1 = pf.60 Tần số dòng điện rotor: f2 = 60n.p2 [n2: tốc độ từ trường quay của rotor]. Hệ số trượt trong động cơ: s = 11nnn Công thức liên hệ: f2 = s.f1. E2s = s.E20. E20: điện áp dây quấn rotor hở mạch khi động cơ quay. BÀI GIẢI a/ Vì hệ số trượt của động cơ rất bé s = 3%  6% nên tốc độ từ trường quay n1 = 1500 vg/ph, tức là có hai đôi cực khi tần số là 50 Hz. b/ Tốc độ của từ trường quay của rotor: n2 = n1 – n = 1500 – 1420 = 80 [vg/ph]. c/ Tần số dòng điện rotor: f2 = 60n.p2 = 6080.2 = 2,66 [Hz]. Hay f2 = s.f1 = 0,053.50 = 2,26 [Hz]. Trong đó: s = 11nnn = 150014201500 = 150080 = 0,053 d/ Sức điện động của rotor khi quay ở tốc độ đònh mức: E2s = s.E20 = 0,053.250 = 13,4 [V]. BÀI TẬP 5 Một động cơ điện không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc có các số liệu sau: Pđm = 11,9 kW, Ufđm = 220 V; Ifđm = 25 A; f = 50 Hz; 2p = 6; Pcu1 = 745 W; Pcu2 = 480 W; PFe = 235 W; Pcơ = 180 W; Pf = 60 W. Tính công suất điện từ, mômen điện từ và tốc độ quay của động cơ. 5 Gợi ý Pđm: Công suất cơ ở đầu trục của động cơ. Ufđm, Ifđm: giá trò điện áp và dòng điện trong mỗi pha dây quấn. Pcu1, Pcu2, PFe, Pcơ, Pf: các thành phần tổn công suất trong động cơ. Khi cấp điện stato thì từ trường quay với tốc độ đồng bộ: n1 = pf.60 [vg/ph]. Công suất điện từ được tính từ công thức: Pđt = P2 + Pcơ + Pf + Pcu2 P2 = Pđm: công suất trên đầu trục của động cơ. Công thức tính mômen điện từ: Mđt = 1đtP Với tốc độ góc từ trường quay 1 = 60n.21 BÀI GIẢI a/ Công suất điện từ của động cơ: Pđt = P2 + Pcơ + Pf + Pcu2 = 11900 + 180 + 60 + 480 = 12620 [W]. Mômen điện từ của động cơ: Mđt = 1đtP = 60n.2P1đt = 601000.212620 = 120 [Nm]. Trong đó: n1 = pf.60 = 350.60 = 1000 [vg/ph]. c/ Tốc độ quay n của động cơ: Hệ số trượt: s = đt2cuPP = 12620480 = 0,038 Nên n = n1.[1 – s] = 1000[1 - 0,038] = 962 [vg/ph]. BÀI TẬP 6 Một động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn, R1 = 0,46 , X1 = 2,24 , R2 = 0,02 , X2 = 0,08 , kdq1 = 0,932, kdq2 = 0,955, w1 = 192 vòng, w2 = 36 vòng. Dây quấn stato đấu tam giác, mạng điện U = 220 V, f = 50 Hz, số pha m1 = m2 = 3. Tính hệ số qui đổi s.đ.đ kE, hệ số qui đổi dòng điện kI, điện trở mở máy mắc vào 6 mạch mở máy để mômen mở máy cực đại. Tính dòng điện trong dây quấn stato và rotor khi có biến trở mở máy và khi mở máy trực tiếp. Gợi ý Hệ số qui đổi s.đ.đ kE và hệ số qui đổi dòng điện kI dùng để tính toán các thông số của động cơ sau khi đưa về mạch tương đương, công thức tính như sau: Hệ số s.đ.đ kE: kE = 2dq21dq1k.wk.w Hệ số dòng điện kI: kI = 2dq221dq11k.w.mk.w.m [với m1, m2: số pha mạch stato và rotor]. Hệ số qui đổi của toàn mạch: k = kE . kI Công thức qui đổi nội trở thứ cấp về sơ cấp: ,2R = k.R2 [điện trở]. ,2X = k.X2 [điện kháng]. ,fR = k.Rf [điện trở phụ khi mở máy]. Dòng điện mở máy khi có điện trở phụ: Immp =22,12,f2,1P]XX[]RRR[U Khi mở máy trực tiếp thì không có điện trở phụ mắc vào mạch stato [Rf = 0]. BÀI GIẢI Hệ số qui đổi sức điện động kE: kE = 2dq21dq1k.wk.w= 955,0.36932,0.192 = 5,2 Hệ số qui đổi dòng điện kI: kI = 2dq221dq11k.w.mk.w.m = 955,0.36.3932,0.192.3 = 5,2 Hệ số qui đổi của toàn mạch: k = kE . kI = 5,2. 5,2 = 27,04 Điện trở rotor qui đổi về stato: ,2R = k.R2 = 27,04.0,02 = 0,54 []. Điện kháng rotor qui đổi về stato: ,2X = k.X2 = 27,04.0,08 = 2,163 []. Để mômen mở máy [n=0]đạt cực đại thì hệ số trượt[n=0]: sm = 1,2,f,2XXRR =1 Từ đó suy ra giá trò điện trở mắc vào mạch stato: ,fR = [1,2XX ] - ,2R = [2,163 + 2,24] - 0,54 = 3,86 []. Dòng điện pha stato khi mở máy bằng điện trở phụ ở mạch rotor: 7 Immp =2,212,f,21P]XX[]RRR[U = 22]163,224,2[]86,354,046,0[220 = 33,54 [A]. Dòng điện dây lúc mở máy [do stato đấu tam giác]: Imm = 3 . Immp = 3 .33,54 =58 [A]. Dòng điện rotor khi mở máy [do rotor đấu sao]: I2 = kI.Immp = 5,2.33,54 = 174 [A]. Dòng điện mở máy trực tiếp là: Imm = 3 .2,212,21P]XX[]RR[U = 3 .22]163,224,2[]54,046,0[220 = 84,4 [A]. Tỷ số dòng điện hai phương pháp mở máy: 46,1584,84 Nhận xét : Khi dùng điện trở mở máy thì dòng điện mở máy giảm 1,46 lần so với mở máy trực tiếp. BÀI TẬP 7 Một động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có các số liệu ghi trên nhãn máy như sau: Pđm =14 kW, tốc độ đònh mức nđm = 1450 vg/ph, hiệu suất đònh mức đm = 0,885, hệ số công suất đònh mức cosđm = 0,88; Y/- 380/220 V; tỷ số dòng điện mở máy Imm/Iđm = 5,5; mômen mở máy Mmm/Mđm = 1,3; mômen cực đại Mmax/Mđm = 2. Điện áp mạng điện U = 380 V. Tính: a/ Công suất tác dụng và phản kháng động cơ tiêu thụ ở chế độ đònh mức. b/ Dòng điện, hệ số trượt và mômen đònh mức. c/ Dòng điện mở máy, mômen mở máy và mômen cực đại. Gợi ý Pđm: công suất ở đầu trục của động cơ. Pđm = đmđmđmcos.I.U.3.  Y/- 380/220 V: khi đấu động dạng Y thì 2 cuộn dây pha có khả năng chụi điện áp dây 380 V và khi đấu động dạng  thì cuộn dây mỗi pha có khả năng chụi điện áp dây 220 V. Các tỷ số: Imm/Iđm, Mmax/Mđm, Mmm/Mđm là sự so sánh giữa lúc mở máy so với trạng thái làm việc lúc đònh mức. Cần tính thông số lúc đònh mức theo các biểu thức sau: Hệ số trượt đònh mức: sđm = 11nnn 8 Công suất phản kháng động cơ tiêu thụ: Q1 = đm11sin.I.U.3  Mômen đònh mức: Mđm = đmđmP = 9,55. đmđmnP [Nm]. BÀI GIẢI a/ Công suất tác dụng động cơ tiêu thụ: P1 = đmP = 885,014 = 15,82 [kW]. Công suất phản kháng động cơ tiêu thụ: Q1 = P1.tg = 15,82.0,54 = 8,54 [kVAr]. b/ Dòng điện đònh mức: I1đm = đmđmđm1đm.cos.U.3P = 88,0.380.3.885,010.143 = 27,31 [A]. Hệ số trượt đònh mức: sđm = 11nnn = 150014501500 = 0,0333 Sau khi tính I1đm có thể tính công suất phản kháng động cơ tiêu thụ như sau: Q1 = 3 .U1đm. I1đm.sin= 3 .380. 27,31.0,475 = 8,54 [kVAr]. Mômen đònh mức: Mđm = 9550. đmđmnP = 9,55. 145010.143 = 92,2 [Nm]. c/ Mômen mở máy: Mmm = 1,3.Mđm = 1,3. 92,2 = 119,8 [Nm]. Mômen cực đại: Mmax = 2.Mđm = 2. 92,2 = 184,4 [Nm]. Dòng điện mở máy: Imm = 5,5. I1đm = 5,5. 27,31 = 150,2 [A].