Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 51 Bên cạnh những u điểm động cơ không đồng bộ ba pha còn có những nhợc điểm sau: Dễ phát nóng với Stato, nhất là khi điện áp lới tăng và đối với rôto khi điện áp lới giảm. Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ. Khi điện áp sụt xuống thì mômen khởi động và mômen cực đại giảm rất nhiều vì mômen tỉ lệ với bình phơng điện áp. 2.2.2 Khái quát về động cơ đồng bộ + Định nghĩa và công dụng Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của từ trờng n 1 gọi là máy điện đồng bộ. Máy điện đồng bộ có 2 dây quấn: dây quấn stato nối với lới điện có tần số f không đổi, dây quấn rôto đợc kích thích bằng dòng điện một chiều. ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi. Động cơ đồng bộ đợc sử dụng rộng rãi trong những truyền động công suất trung bình và lớn, có yêu cầu ổn định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ thờng dùng cho máy bơm, quạt gió, các hệ truyền động của nhà máy luyện kim và cũng thờng đợc sử dụng làm động cơ sơ cấp trong các tổ máy phát - động cơ công suất lớn. u điểm của động cơ đồng bộ là có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cos và hiệu suất lớn. Mạch stato của nó tơng tự động cơ không đồng bộ, mạch rôto có cuộn kích từ và cuộn dây khởi động. + Các đặc tính của động cơ đồng bộ Khi đóng stato động cơ đồng bộ vào lới điện xoay chiều có tấn số f 1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ: = 2f 1 p -1 (2- 25) Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 52 Trong phạm vi mômen cho phép M M max , đặc tính cơ là tuyệt đối cứng, nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ = . Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ đợc trình bày trên hình: 2.5 1 0 M max M Hình 2.5: Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ Khi mômen vợt quá trị số M max thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ . Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ ngời ta còng sử dụng đặc tính góc: M= f( ) Đặc tính góc biểu diễn quan hệ giữa mômen của động cơ với góc lệnh của véc tơ điện áp pha lới điện và vectơ sức điện động cảm ứng trong dây quấn stato do từ trờng một chiều rôto sinh ra. Đặc tính M= f( ) đợc xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị véctơ của mạch stato với giả thiết bỏ qua điện trở R của mạch stato. Hình 2.6: Đồ thị véc tơ của mạch stato động cơ đồng bộ. Trên đồ thị véctơ Hình 2.6: U 1 - điện áp pha lới (V) Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 53 E - sức điện động pha stato (V) I 1 - dòng điện stato (A) X S - điện kháng pha stato bằng tổng điện kháng cuộn dây một pha của cuộn stato: X s = X + X 1 , góc lệch pha giữa U và E - góc lệch pha giữa véctơ điện áp U 1 và dòng điện I 1 . Từ đồ thị véctơ ta có: U 1 cos = Ecos( - ) Theo tam giác ABC: cos( - )= 1 sin s U IX Thay vào phơng trình trên ta đợc: U 1 cos = E 1 sin s U IX hay U 1 I 1 cos = 1 sin s EU X U 1 I 1 cos là công suất một pha của động cơ. Vậy công suất ba pha của động cơ là: P = 3 1 sin s EU X (2- 26) Momen động cơ: M= 1 P = 1 1 3 sin s EU X (2- 27) Đây là phơng trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ. Một cách gần đúng ta thấy đặc tính góc có dạng hình sin biểu diễn trên hình 2.7 Hình 2.7: Đặc tính góc của động cơ đồng bộ. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 54 Khi = /2 ta có biểu đồ cực đại: M max = 1 1 3 s EU X (2- 28) Lúc này: M= M m sin, M m đặc trng cho khả năng quá tải của động cơ, khi tải tăng góc lệch , nếu > /2 thì mômen giảm. Động cơ đồng bộ thờng làm việc định mức với đm = 45 0 . Hệ số quá tải về mômen: M = m M M ủt = 2ữ 2.5 Những điều phân tích ở trên chỉ đúng với động cơ đồng bộ cực ẩn và mômen chỉ xuất hiện khi có kích từ voà rôto. Còn với động cơ đồng bộc cực lồi do sự phân bố khe hở không khí giữa rôto và stato không đều nên trong máy xuất hiện mômen phản kháng phụ và phơng trình đặc tính góc có dạng sau: M= 2 11 1 311 sin sin 2 2 dqd UE U XXX + (2- 29) X q , X d là điện kháng dọc trục và ngang trục. Đờng cong biểu diễn momen sẽ là tổng của hai thành phần: M 1 = 1 3 sin d EU X , và M 2 = 2 1 1 311 sin 2 2 qd U XX (2- 30) Trên đồ thị đặc tính góc biểu diễn M 1 , M 2 bằng các đờng nét đứt. Đối với máy cực ẩn X q = X d nên M 2 = 0 và M= M 1 . Nhng thờng M 2 rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Khi đó đặc tính góc của động cơ cực ẩn và cực lồi nh nhau. Chơng 3 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 55 ảnh hởng của nguồn điện đến sự làm việc của động cơ ba pha 3.1 ảnh hởng của nguồn đến quá trình khởi động của động cơ ba pha Chế độ động cơ là chế độ đợc sử dụng chủ yếu của các máy điện không đồng bộ. Các chế độ khác đợc dùng rất hạn chế. Tên gọi động cơ không đồng bộ là để nhấn mạnh rằng các máy điện không đồng bộ đợc tạo ra có các chỉ tiêu, kĩ thuật chỉ đảm bảo ở chế độ động cơ tuy về nguyên tắc nó có thể làm việc ở các chế độ khác. Tất cả các động cơ không đồng bộ phải tự mở máy đợc nghĩa là tự lấy đà đợc từ trạng thái đứng yên lên tới tốc độ góc gần tốc độ đồng bộ sau khi thắng đợc mômen cản của tải. Yêu cầu đó đối với đặc tính mở máy trong các kiểu động cơ không đồng bộ khác nhau đợc đặt ra là khác nhau. 3.1.1 ảnh hởng của điện áp Ta có phơng trình mômen động cơ: M= () 2' 12 2 '22 11 2 3 nm URS RS R S X ++ (3- 1) Với X nm : Điện kháng ngắn mạch M: Mômen cản của động cơ, M tỉ lệ với bình phơng điện áp nguồn U 1 2 và M nm cũng tỉ lệ với bình phơng điện áp nguồn U 1 2 Trong đó: S nm là độ trợt ngắn mạch S nm = ' 2 22 1 nm R RX+ (3- 2) Ta thấy S nm không phụ thuộc vào điện áp nguồn U 1 nên khi điện áp nguồn thay đổi thì mômen M thay đổi nhng độ trợt S không thay đổi. Do đó muốn điều chỉnh điện áp nguồn U 1 để khởi động động cơ thì chỉ đợc điều chỉnh trong phạm vi hẹp. 3.1.2 ảnh hởng của tần số Khi mở máy động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc thì hiệu ứng bề mặt trong các thanh dẫn sinh ra lúc bắt đầu mở máy là lúc tần số dòng điện trong rôto: f 2 = sf 1 . Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 56 Ta thấy khi thay đổi tần số điện áp lới f 1 thì tần số dòng điện trong rôto f 2 cũng thay đổi theo từ đó làm thay đổi đặc tính mở máy của động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc. 3.1.3 ảnh hởng của mất pha. Hiện tợng mất pha là hiện tợng nguồn xoay chiều ba pha cấp cho động cơ ba pha xoay chiều ba pha bị mất một hoặc hai pha trong ba pha. Khi mất pha thì sức điện động sinh ra trong dây quấn của động cơ là hệ thống sức điện động không đối xứng, từ trờng quay cũng là từ trờng không đối xứng. Đây là nguyên nhân dẫn đến động cơ khởi động rất nặng nề, thờng gây ra những tiếng ồn lạ trong quá trình khởi động của động cơ, khi khởi động và khi quá tải đều gây nóng động cơ, nếu thời gian diễn ra dài có thể gây hỏng cách điện và dây quấn động cơ, động cơ sẽ bị hỏng nặng nề. Trong trờng hợp khác có thể không khởi động đợc động cơ do từ trờng quay quá yếu không đủ để thắng momen cản của động cơ. 3.1.4 ảnh hởng của mất thứ tự pha Hiện tợng mất thứ tự pha là hiện tợng hai trong ba pha của nguồn cung cấp cho động cơ bị thay đổi. Khi đó sẽ có hiện tợng là từ thông trong động cơ đổi chiều dẫn đến động cơ quay theo chiều ngợc lại. Ta thấy động cơ khởi động đợc nhng chiều quay bị đổi ngợc lại do hệ thống sức điện động sinh ra hệ thống từ trờng quay bị đổi ngợc lại. Trờng hợp này xẩy ra sẽ rất nguy hiểm nếu động cơ làm việc ở các hệ thống truyền động nh: băng tải, thang máy nó gây ra những tác hại cả về con ngời lẫn tài sản. Nh vậy với những dây truyền quan trong nh vậy thì bắt buộc khi mất thứ tự pha thì phải có mạch bảo vệ cắt ngay động cơ ra khỏi nguồn. 3.1.5 ảnh hởng của nguồn không đối xứng Khi nguồn ba pha là không đối xứng thì khi cấp nguồn đó cho động cơ ba pha các sức điện động sinh ra trong dây quấn stato sẽ là hệ thống sức điện động không đối xứng. Khi đó lực tác dụng tơng hỗ từ trờng quay và thanh dẫn mang dòng điện rôto sẽ ảnh h ởng đến sự mở máy của động cơ. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 57 Nh vậy khi nguồn ba pha không đối xứng cấp cho động cơ thì công suất nguồn cấp cho động cơ để mở máy phải lớn hơn nguồn đối xứng một lợng nhất định. Lợng này tuỳ thuộc vào công suất máy và chế độ mở máy của động cơ (mang tải hoặc không mang tải). 3.2 ảnh hởng của nguồn đến sự làm việc của động cơ ba pha 3.2.1 ảnh hởng của điện áp Mômen của động cơ không đồng bộ ba pha tỉ lệ với bình phơng điện áp nguồn. Do đó khi điện áp nguồn thay đổi thì dẫn đến mômen của động cơ cũng thay đổi theo. Hình 3.1: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi giảm điện áp. Khi điện áp lới suy giảm thì mômen tới hạn M th sẽ giảm tỉ lệ với bình phơng lần độ suy giảm của điện áp. Trong khi đó tốc độ đồng bộ 1 và độ trợt tới hạn s th là không thay đổi. Ta có đặc tính cơ khi điện áp lới giảm trên hình 3.1 3.2.2 ảnh hởng của tần số Từ biểu thức: 1 = 1 2 f p (3- 3) Với 1 : tốc độ đồng bộ Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 58 f 1 : tần số điện áp lới P: số cặp cực Ta thấy khi f 1 thay đổi thì sẽ là thay đổi tốc độ động cơ và tốc độ từ trờng quay. Xét trờng hợp khi tăng tần số f 1 > f 1đm thì mômen tới hạn M th sẽ giảm, tốc độ động cơ giảm tơng ứng. Xét trờng hợp khi giảm tần số f 1 < f 1đm thì dòng điện trong rôto động cơ sẽ tăng rất lớn có thể gây qúa tải nếu f 1 giảm quá nhiều. 11 f 11 f 1 > f 1đm 12 f 12 1đm f 1đm 13 f 13 f 1 < f 1đm M th M Hình 3.2: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ 3.2.3 ảnh hởng của nguồn không đối xứng Chế độ làm việc trong đó dòng điện trong các pha stato hay rôto của máy điện không đồng bộ không bằng nhau gọi là chế độ làm việc không đối xứng. Chế độ này thờng do điện áp lới sơ cấp cung cấp cho máy là không đối xứng. Chúng ta xét sự làm việc của chế độ này: Nếu dây quấn stato đợc nối hình sao trung tính cách điện thì thành phần thứ tự không của dòng điện không xuất hiện và hệ thống điện áp sơ cấp không đối xứng (U a1 , U b1 , U c1 ) có thể biểu diễn nh là tổng các thành phần thứ tự thuận(U a11 , U b11 , U c11 ) và thứ tự nghịch (U a12 , U b12 , U c12 ) nh sau: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 59 U a11 = U 11 = (U a1 +aU b1 +a 2 U c1 )/3 (3- 4) U a12 = U 12 = (U a1 +a 2 U b1 +aU c1 )/3 (3- 5) Trong đó: U a1 , U b1 , U c1 : là các thành phần của hệ thống điện áp sơ cấp không đối xứng. U a11 : thành phần điện áp thứ tự thuận của pha A U a12 : thành phần điện áp thứ tự nghịch của pha A a: toán tử quay. a= e j2 /3 Lúc này ta có thể biểu diễn dòng điện trong dây quấn stato nh tổng các dòng điện thứ tự thuận (i a11 , i b11 , i c11 ) và thứ tự nghịch (i a12 , i b12 , i c12 ) do hệ thống điện áp thứ tự thuận và thứ tự nghịch tạo ra. Dòng điện thứ tự thuận i a11 = i 11 ở trong một pha chính của stato có thể tìm đợc nhờ giản đồ thay thế thông thờng của máy điện không đồng bộ. R 1 +jX 1 . I 11 . I 12 jX 2 . 11 U Z 0 I 01 ' 2 R S Hình 3.3: Sơ đồ thay thế của máy điện không đồng bộ với điện áp TTT R 1 +jX 1 . I 11 . I 12 jX 2 . 11 U Z 0 I 01 ' 2 R S Hình2.4: Sơ đồ thay thế của máy điện không đồng bộ với điện áp TTN Hệ số trợt của rôto đối với từ trờng thứ tự thuận là: S 1 = 1 1 (3- 7) Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 60 Trong đó: 1 : tốc độ góc của từ trờng thứ tự thuận : tốc độ góc của rôto Ta có thể tính đợc dòng điện thứ tự thuận i 11 và dòng điện thứ tự nghịch i 12 trong một pha trong một pha và tìm đợc dòng điện toàn phần trong mỗi một pha stato: i a1 = i 11 + i 21 i b1 = a 2 i 11 + ai 21 (3- 8) i c1 = ai 11 + a 2 i 21 Trong đó: i a1 , i b1 , i c1 là các thành phần của hệ thống dòng điện sơ cấp không đối xứng. i a11 : thành phần dòng điện thứ tự thuận của pha A i a12 : thành phần dòng điện thứ tự nghịch của pha A Việc mất đối xứng của các dòng điện là do có thêm thành phần dòng điện thứ tự nghịch. Khi đó mômen quay M, khi điện áp nguồn mất đối xứng cộng từ mômen quay M 1 do thành phần điện áp thứ tự thuận và mômen quay M 2 do thành phần điện áp thứ tự nghịch gây ra: M= M 1 + M 2 (3- 9) Trong đó: M: Mômen quay điện áp nguồn mất đối xứng M 1 : Mômen quay thành phần điện áp thứ tự thuận M 2 : Mômen quay thành phần điện áp thứ tự nghịch Từ (3- 9) ở chế độ làm việc nguồn không đối xứng thì máy điện không đồng bộ làm việc nặng nề hơn. Vì vậy những yêu cầu về mức độ đối xứng của điện áp trong lới cung cấp cho máy điện không đồng bộ là rất cao. 3.2.4 ảnh hởng của nguồn khi mất thứ tự pha và mất pha . tiếng ồn lạ trong quá trình khởi động của động cơ, khi khởi động và khi quá tải đều gây nóng động cơ, nếu thời gian diễn ra dài có thể gây hỏng cách điện và dây quấn động cơ, động cơ sẽ bị hỏng. tính cơ là tuyệt đối cứng, nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ = . Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ đợc trình bày trên hình: 2.5 1 0 M max M Hình 2.5: Đặc tính cơ của động cơ. của nguồn cung cấp cho động cơ bị thay đổi. Khi đó sẽ có hiện tợng là từ thông trong động cơ đổi chiều dẫn đến động cơ quay theo chiều ngợc lại. Ta thấy động cơ khởi động đợc nhng chiều quay