Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Buổi 7

Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Biến đổi năng lượng
điện cơ
-Máy điện không đồng bộ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, chủ yếu dưới dạng động cơ. Cả
stator và rotor đều có dòng điện AC. Có thể sử dụng các bộ biến đổi công suất 
để đạt được đặc tính cơ tốt.
Stator có cấu tạo giống như trong máy điện đồng bộ, với dây quấn 3 pha tạo 
thành từ trường quay ở tốc độ đồng bộ s = pm, trong đó p là số cặp cực và m
là tốc độ cơ tính bằng rad/s.
 Rotor cũng có dây quấn 3 pha với cùng số cực như stator, có dòng điện cảm 
ứng. Rotor được ngắn mạch ở bên trong (rotor lồng sóc squirrel cage rotor) 
hoặc ở bên ngoài thông qua vành trượt ( rotor dây quấn wound rotor).
Giới thiệu
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Cả stator và rotor được ghép từ các lá thép mỏng có rãnh. Rotor có các cánh 
quạt ở cả hai đầu để tạo đối lưu không khí trong máy. Quạt tản nhiệt được gắn 
ở đầu trục không gắn với tải.
ShaftBearings
Ventilating
fan
Squirrel
cage rotor
Stator
winding
Fan blade
on end ring
Cấu tạo
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Tạo bởi các lá thép có rãnh để đặt dây quấn 3 pha. Nêm được dùng để giữ
dây quấn trong rãnh. Dây quấn 3 pha sẽ tạo ra từ trường quay khi được cấp 
nguồn 3 pha.
Wedge
Coil end
Stator
teeth
Stator
slot
Cấu tạo stator
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Ghép bằng các lá thép, có rãnh để đặt các thanh rotor, các thanh này được sắp 
xếp thành dây quấn 3 pha. Dây quấn 3 pha được nối với điện trở ngòai hoặc 
nguồn điện riêng thông qua các vành trượt để đạt được đặc tính cơ mong muốn.
Rotor bar
Fan blade
Slip ring
Shaft
Cấu tạo rotor dây quấn
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Tạo bởi các lá thép mỏng, có rãnh để đặt các thanh rotor. Các thanh rotor 
được ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Các cánh quạt ở vành ngắn 
mạch mỗi đầu để góp phần làm nguội trong máy. Các thanh rotor ở động cơ công 
suất nhỏ được nằm nghiêng để giảm ồn và nâng cao hiệu suất máy.
Rotor bar
Fan blade
End ring
Cấu tạo rotor lồng sóc
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Hình ảnh động cơ không đồng bộ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Dòng điện 3 pha được cấp cho dây quấn stator, tạo thành từ trường quay với 
tốc độ đồng bộ. Nếu tốc độ rotor khác với tốc độ đồng bộ, trong dây quấn rotor có 
dòng điện cảm ứng, với cùng số cực như trong dây quấn stator.
 Dòng điện cảm ứng trong dây quấn rotor cũng tạo ra một từ trường quay, 
tương tác với từ trường stator tạo thành moment quay rotor.
 Nói một cách lý tưởng, moment tạo ra (bởi dòng cảm ứng) sẽ làm tăng tốc độ
của rotor cho tới khi bằng với tốc độ đồng bộ, lúc này moment tạo ra sẽ bằng 0. 
Thực tế, do tổn hao cơ (quạt gió, ma sát, ..) rotor sẽ không đạt tới tốc độ đồng bộ, 
mà chậm hơn từ trường quay để tạo ra đủ moment chống lại moment ngược 
(trong điều kiện không tải hay có tải).
Hoạt động của động cơ không đồng bộ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Nếu động cơ có p cặp cực, tốc độ cơ m (rad/s) thỏa mãn
mrs p 
Trong đó s và r là tốc độ từ trường stator và rotor tính bằng rad/s.
 Độ lớn của dòng cảm ứng phụ thuộc vào chênh lệch tốc độ giữa từ trường
quay stator và rotor. Sự chênh lệch tốc độ được đặc trưng bởi độ trượt s
s
ms
s
s p
n
nn
s

 
 Ta có
smsr sp  
 Các trường hợp đặc biệt: s = 0 tại tốc độ đồng bộ, và s = 1 khi đứng yên (khởi
động).
Hoạt động của động cơ không đồng bộ (tt)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Dùng phương pháp năng lượng, moment được tính bởi
Trong đó Ims và Imr là các giá trị đỉnh của dòng stator và rotor.
 Sẽ đơn giản hơn nếu moment được tính qua các thông số điện của máy. Điều
này được thực hiện với mạch điện tương đương, tương tự như của máy biến áp. 
Thực tế, động cơ không đồng bộ có thể được xem như một máy biến áp có cuộn
thứ cấp quay.
 Giả sử số vòng dây tác dụng của stator gấp a lần rotor, các đại lượng phái
rotor được qui đổi về phía stator
  sin
4
9
MIIT mrms
e
'
arar vav 
'ˆˆ
arar iai 
'2
rr RRa 
'2
rr LLa 
'2
mrmr LLa 
Phân tích động cơ không đồng bộ hai cực
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Để liên kết mạch stator và rotor, cả hai đều phải có cùng mức điện áp và tần 
số. Nếu bỏ qua điện trở stator, mạch tương đương pha với trở kháng qui về phía 
stator được vẽ bên dưới.
 Lls là điện cảm rò stator và L’lr là điện cảm rò rotor qui đổi về phía stator. R’r là 
điện trở rotor qui về phía stator.
aV
aI 'ˆ
rI
aMj s
2
3
lssLj
'
lrs Lj
s
Rr
'
Mạch tương đương pha
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Điện trở rotor được tách thành 2 phần R’r và R’r(1 – s)/s. Thành phần thứ nhất 
đặc trưng cho tổn hao đồng rotor, trong khi thành phần sau đặc trưng cho công 
suất cơ tạo bởi động cơ.
 Mạch gần đúng nhận được bằng cách chuyển nhánh từ hóa aM về phía trái, 
như hình dưới.
aV aI
'
rI
s
s
Rr
 1'aMj s
2
3
lss Lj
'
lrs Lj '
rR
Mạch tương đương gần đúng
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Tổn hao sắt và tổn hao đồng stator có thể được tính từ Rc và Ra trong mạch 
tương đương gần đúng. Tổng công suất vào là
aV a
I '
rI
s
s
Rr
 1'
mjX
lsjx
'
lrjx'
rR
cR
mI aR
 csclag
c
a
ar
r
raaT PPP
R
V
RI
s
R
IIVP 
2
2'
'
2' 333cos3 
Trong đó Pag, Pscl, và Pc là công suất truyền qua khe hở (công suất điện từ), tổn
hao đồng stator, tổn hao sắt.
Các quan hệ công suất
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Pag bao gồm tổn hao đồng rotor Pr và công suất cơ lý tưởng Pm. Có thể thấy 
rằng
 sP
s
s
RIP agrrm 
 1
1
3 '2'
 Ngược lại, tổn hao đồng rotor Pr cũng có thể được viết dưới dạng Pag
agrrr sPRIP 
'2'3
 Hiệu suất của máy
T
rcsclT
T
m
P
PPPP
P
P 
 
 Nếu tổn hao quay (tổn hao cơ) Prot được xét đến, hiệu suất được tính bởi
T
rotrcsclT
T
shaft
P
PPPPP
P
P 
 
Các quan hệ công suất (tt)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Dùng mạch tương đương gần đúng, dòng rotor qui đổi về phía stator được tính 
bởi
 Công suất cơ lý tưởng là
 Với máy 2 cực m = s(1 – s), moment được tính bởi
 2'2'
'2
'2' 1313
lrlsra
ra
rrm
xxsRR
ssRV
s
s
RIP
 ''
'
lrlsra
a
r
xxjsRR
V
I
 2'2'
'231
lrlsra
ra
s
e
xxsRR
sRV
T

Biểu thức moment
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 VD. 7.2: Động cơ không đồng bộ 3 pha, 2 cực, 866 V, nối Y, 60 Hz, có sLls = 
0.5 , 3saM/2 = 5 , sL’lr = 0.5 , và R’r = 0.1 . Tìm moment tại s = 0.05 và
công suất vào ba pha dạng phức. Bỏ qua Ra và Rc. Dùng mạch gần đúng và
mạch tương đương chính xác.
 Sai số giữa dùng mạch gần đúng và mạch chính xác là khoảng 1.8% trong ví
dụ này.
 VD. 7.3: Dùng mạch gần đúng cho ví dụ 7.2, tính I’r, Pag, Pm, Pr và moment.
Ví dụ 7.2 và 7.3
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Biểu thức moment
hay
 2'2'
'231
lrlsra
ra
s
e
xxsRR
sRV
T

 Với điện áp cung cấp và tần số là hằng số, khi s nhỏ
'
23
rs
ae
R
sV
T

 sT e 
 Khi s lớn (gần 1)
Slip
T
o
rq
u
e
 (
p
u
)
 s
R
xx
V
T r
lrlss
ae
'
2'
23

hay
s
T e
1

Đặc tính moment – tốc độ (đặc tính cơ)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Từ đường đặc tính cơ, có một giá trị của độ trượt s mà ở đó moment đạt cực 
đại. Độ trượt này có thể được tìm bằng cách cho dTe/ds = 0, ta được
 2'2
'
lrlsa
r xxR
s
R
 Vì vậy, độ trượt tại moment cực đại là (độ trượt tới hạn)
 2'2
'
lrlsa
r
mT
xxR
R
s
 Moment cực đại (khi Ra = 0) là
 '
2
max
2
3
lrlss
ae
xx
V
T

 Các công thức này giải thích việc thay đổi đặc tính cơ của động cơ rotor dây 
quấn.
Biểu thức moment cực đại
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Xét máy có p cặp cực, việc phân tích có thể được lặp lại với việc thay góc 
quay cơ  bằng p. Mạch tương đương pha không đổi.
 Công suất cơ lý tưởng
p
s
TTP sem
e
m
1

 Moment
 2'2'
'23
lrlsra
ra
s
e
xxsRR
sRVp
T

 Độ trượt tại moment cực đại không đổi, với moment cực đại là
 '
2
max
2
3
lrlss
ae
xx
V
pT

Máy điện không đồng bộ nhiều cực
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 VD. 7.5: Cho một động cơ không đồng bộ 4 cực, cho các thông số, tìm 
moment tại tốc độ đã cho, moment cực đại và độ trượt tương ứng. Bỏ qua điện 
trở stator, tổn hao sắt và tổn hao đồng stator.
 VD. 7.6: Cho một động cơ không đồng bộ 6 cực với các thông số, tìm độ trượt, 
tốc độ rotor, tần số và dòng rotor, moment cực đại và moment mở máy, dùng 
mạch tương đương gần đúng và chính xác.
Ví dụ 7.5 và 7.6
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
• Bài 7.5
• Bài 7.16 (dùng mạch tương đương chính xác)
• Bài 7.17
• Bài 7.22 (dùng mạch tương đương chính xác)
• Bài 7.25
Bài tập