Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài giảng 6

1Bài giảng 6
408001
Biến ñổi năng lượng ñiện cơ
TS. Nguyễn Quang Nam
2010 – 2011, HK1
nqnam@hcmut.edu.vn
2Bài giảng 6

 Đây là loại máy ñiện ñược dùng rộng rãi nhất như ñộng cơ trong công nghiệp. 
Cả stato lẫn rôto ñều tải dòng ñiện xoay chiều. Các ñặc tính cơ hoàn hảo có thể 
thu ñược thông qua các bộ biến ñổi công suất tiên tiến.

 Bài giảng chỉ tập trung vào các hiện tượng và các mạch tương ñương cơ bản, 
rút ra từ quan ñiểm năng lượng.

 Stato giống hệt như trong máy ñiện ñồng bộ, với dây quấn 3 pha, tạo ra một 
từ trường quay ở tốc ñộ ñồng bộ ωs = pωm, với p là số ñôi cực và ωm là tốc ñộ 
cơ học tính bằng rad/s.

 Rôto cũng có một dây quấn 3 pha có cùng số cực với stato, nhờ cảm ứng bởi 
từ trường, hoặc các biện pháp nhân tạo. Rôto ñược ngắn mạch bên trong máy 
(rôto lồng sóc) hay bên ngoài thông qua các vành trượt (rôto dây quấn).
Máy ñiện không ñồng bộ - Giới thiệu
3Bài giảng 6

 Lõi thép stato và rôto ñược ghép từ các lá thép, với các rãnh cho dây quấn. 
Rôto có một số cánh khuấy ở hai ñầu ñể ñối lưu không khí bên trong máy. Ở
phía không gắn tải của trục máy là quạt thông gió.
Cấu tạo của máy
TrụcỔ ñỡ
Quạt
thông gió
Rôto
lồng sóc
Dây quấn
stato
Cánh
khuấy
4Bài giảng 6

 Lõi thép ghép từ các lá mỏng, có rãnh cho dây quấn 3 pha. Các nêm ñược 
dùng ñể giữ các cuộn dây trong rãnh. Dây quấn 3 pha sẽ tạo ra từ trường quay 
khi ñược cung cấp một hệ dòng ñiện 3 pha.
Cấu tạo stato
Nêm
Đầu nối
cuộn dây Răng
stato
Rãnh
stato
5Bài giảng 6

 Lõi thép ghép từ các lá mỏng, với rãnh cho các thanh dẫn rôto. Các thanh dẫn 
rôto ñược bố trí thành một dây quấn 3 pha. Dây quấn 3 pha ñược nối với các ñiện 
trở ngoài hay nguồn ñộc lập thông qua các vành trượt, ñể ñạt ñược ñặc tính cơ 
mong muốn, tùy theo ñiều kiện tải.
Cấu tạo rôto dây quấn
Thanh dẫn
rôto
Cánh khuấy
Vành trượt
Trục
6Bài giảng 6

 Lõi thép ghép từ các lá mỏng, có rãnh cho thanh dẫn rôto. Các thanh dẫn ñược 
nối ngắn mạch với nhau thông qua vòng ngắn mạch ở hai ñầu. Có các cánh khuấy 
ở mỗi vòng ngắn mạch ñể cải thiện việc làm mát bên trong máy. Các thanh dẫn 
trong các ñộng cơ nhỏ ñược nghiêng rãnh ñể giảm nhiễu và cải thiện hiệu năng.
Cấu tạo rôto lồng sóc
Thanh dẫn
rôto
Cánh khuấy
Vòng
ngắn mạch
7Bài giảng 6
Hình ảnh của một ñộng cơ không ñồng bộ thực
8Bài giảng 6

 Dòng ñiện 3 pha ñược ñưa vào dây quấn stato, tạo ra từ trường quay ở tốc ñộ 
ñồng bộ. Nếu tốc ñộ rôto khác với tốc ñộ ñồng bộ, sẽ xuất hiện các dòng ñiện 
cảm ứng bên dây quấn rôto, với cùng số cực như của dây quấn stato.

 Dòng ñiện cảm ứng bên dây quấn rôto cũng sẽ tạo ra một từ trường quay, 
tương tác với từ trường tạo ra bởi dây quấn stato, và sinh ra mômen.

 Một cách lý tưởng, mômen sinh ra (bởi dòng ñiện cảm ứng) sẽ tăng tốc rôto, 
theo ñịnh luật Lenz’s, cho ñến khi tốc ñộ rôto bằng với tốc ñộ ñồng bộ, ở ñó
mômen giảm xuống bằng 0. Trong thực tế, do các tổn hao công suất cơ (thông 
gió, ma sát, v.v...) rôto sẽ không bao giờ ñạt tốc ñộ ñồng bộ, mà sẽ trượt lùi so 
với từ trường quay, tạo ra vừa ñủ mômen ñể chống lại mômen cản (trong ñiều 
kiện không tải hay có tải).
Hoạt ñộng của ñộng cơ không ñồng bộ
9Bài giảng 6

 Trong ñộng cơ có p ñôi cực, tốc ñộ cơ học ωm (tính bằng rad/s) thỏa mãn
Hoạt ñộng của ñộng cơ KĐB (tt)
mrs pωωω =−
với ωs và ωr lần lượt là tần số stato và rôto tính bằng rad/s.

 Độ lớn của dòng ñiện cảm ứng phụ thuộc vào sự khác biệt tốc ñộ giữa từ 
trường quay stato và bản thân rôto. Sự khác biệt tốc ñộ ñược biểu diễn bằng một 
ñại lượng không thứ nguyên gọi là ñộ trượt s như sau
s
ms
s
s p
n
nn
s
ω
ωω −
=
−
=

 Dẫn ñến
smsr sp ωωωω =−=

 Hai trường hợp ñặc biệt: s = 0 ở tốc ñộ ñồng bộ, và s = 1 ở ñiều kiện ñứng yên 
(mở máy).
10Bài giảng 6

 Bằng các phương pháp năng lượng, có thể thấy mômen cho bởi
Phân tích máy 2 cực
với Ims và Imr tương ứng là các giá trị ñỉnh của dòng ñiện stato và rôto.

 Sẽ có ích hơn nếu mômen có thể ñược biểu diễn bằng các tham số ñiện của 
máy. Điều này có thể ñược thực hiện với một mạch tương ñương, rất giống với 
mạch tương ñương của máy biến áp. Thực tế, ñộng cơ không ñồng bộ có thể 
ñược xem như một máy biến áp tổng quát với thứ cấp quay tròn.

 Giả sử số vòng dây hiệu dụng trên stato bằng a lần số vòng dây của rôto, tất cả
các ñại lượng rôto ñược quy ñổi về phía stato như sau
( )γβ +−= sin
4
9 MIIT mrms
e
'
arar vav =
'
ˆˆ
arar iai =
'2
rr RRa =
'2
rr LLa =
'2
mrmr LLa =
11Bài giảng 6

 Để nối hai mạch stato và rôto với nhau, cả hai mạch phải ở cùng tần số và mức 
ñiện áp. Nếu bỏ qua ñiện trở stato, mạch tương ñương cho một pha của máy với 
các trở kháng quy ñổi về stato có dạng như hình dưới ñây.

 Lls là ñiện cảm tản stato, và L’lr là ñiện cảm tản rôto quy ñổi về stato. R’r là ñiện 
trở rôto quy ñổi về stato.
Mạch tương ñương một pha
aV
aI 'ˆ
rI
aMj sω2
3
lssLjω 'lrs Ljω
s
Rr
'
12Bài giảng 6

 Điện trở rôto có thể coi là tổ hợp của R’r và R’r(1 – s)/s. Phần tử thứ nhất biểu 
diễn tổn hao ñồng rôto, còn phần tử thứ hai biểu diễn tổng công suất cơ học tạo 
ra bởi ñộng cơ.

 Có thể rút ra ñược một phiên bản ñơn giản hóa bằng cách chuyển ñiện cảm từ
hóa aM sang bên trái, tạo thành mạch tương ñương gần ñúng như hình dưới.
Mạch tương ñương gần ñúng
aV aI
'
rI
s
sRr
−1
'aMj sω2
3
lss Ljω 'lrs Ljω '
rR
13Bài giảng 6

 Các tổn hao lõi thép và stato có thể ñược kể ñến bằng Rc và Ra trong mạch 
tương ñương gần ñúng. Tổng công suất ngõ vào thỏa mãn
Quan hệ công suất
aV a
I '
rI
s
sRr
−1
'
mjX
lsjx 'lrjx'
rR
cR
mI aR
( ) ( ) csclag
c
a
ar
r
raaT PPPR
VRI
s
RIIVP ++=++==
2
2
'
'
2' 333cos3 φ
với Pag, Pscl, và Pc tương ứng là công suất truyền qua khe hở, tổn hao ñồng stato, 
và tổn hao lõi thép.
14Bài giảng 6

 Pag bao gồm tổn hao ñồng Pr và công suất cơ học sinh ra Pm. Có thể dễ dàng 
thấy ñược
Quan hệ công suất (tt.)
( )sP
s
sRIP agrrm −=
−
= 113 '2'

 Ngoài ra, tổn hao ñồng rôto Pr có thể ñược biểu diễn theo Pag như sau
agrrr sPRIP ==
'2'3

 Xét toàn bộ các tổn hao nêu trên, hiệu suất của máy là
( )
T
rcsclT
T
m
P
PPPP
P
P ++−
==η

 Nếu tổn hao quay Prot ñược xét ñến, hiệu suất cho bởi
( )
T
rotrcsclT
T
shaft
P
PPPPP
P
P +++−
==η
15Bài giảng 6

 Dùng mạch tương ñương gần ñúng, có thể tính ñược dòng ñiện rôto quy ñổi về 
stato như sau
Biểu thức mômen

 Công suất cơ sinh ra

 Với máy 2 cực ωm = ωs(1 – s), mômen do ñó cho bởi
( ) ( )( ) ( )2'2'
'2
'
2
'
1313
lrlsra
ra
rrm
xxsRR
ssRV
s
sRIP
+++
−
=
−
=
( ) ( )''' lrlsra
a
r
xxjsRR
V
I
+++
=
( ) ( )2'2'
'231
lrlsra
ra
s
e
xxsRR
sRV
T
+++
=
ω
16Bài giảng 6

 Vd. 7.2: Một ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha 866 V, nối Y, 60 Hz, 2-cực có ωsLls
= 0,5 Ω, 3ωsaM/2 = 50 Ω, ωsL’lr = 0,5 Ω, và R’r = 0,1 Ω. Tìm mômen tại ñộ trượt s 
= 0,05 và công suất phức ngõ vào 3 pha. Bỏ qua Ra và Rc. Dùng mạch tương 
ñương gần ñúng và chính xác.

 Sai số giữa mạch tương ñương gần ñúng và chính xác là khoảng 1,8% trong ví
dụ cụ thể này.

 Vd. 7.3: Dùng mạch tương ñương gần ñúng cho ví dụ 7.2, tính I’r, Pag, Pm, Pr và
mômen.
Ví dụ 7.2 và 7.3
17Bài giảng 6

 Biểu thức mômen ñã ñược rút ra
Đặc tính cơ (ñặc tính mômen-tốc ñộ)
hay
( ) ( )2'2'
'231
lrlsra
ra
s
e
xxsRR
sRV
T
+++
=
ω

 Với ñiện áp ñặt vào và tần số là hằng số, ở các giá trị ñộ trượt s nhỏ
'
23
rs
ae
R
sVT
ω
≈ sT e ∝

 Ở các giá trị s lớn (xấp xỉ 1)
Slip
To
rq
u
e
(p
u
)
( ) s
R
xx
V
T r
lrlss
ae
'
2
'
23
+
≈
ω
hay
s
T e 1∝
18Bài giảng 6

 Từ ñặc tính cơ, có thể thấy tồn tại một giá trị ñộ trượt mà ở ñó mômen ñạt cực 
ñại. Có thể tìm ñộ trượt này bằng cách ñặt dTe/ds = 0, dẫn ñến
Biểu thức mômen cực ñại
( )2'2' lrlsar xxR
s
R
++=

 Như vậy, ñộ trượt mà ở ñó mômen ñạt giá trị cực ñại là
( )2'2
'
lrlsa
r
mT
xxR
R
s
++
=

 Mômen tương ứng (khi Ra = 0) là
( )'
2
max 2
3
lrlss
ae
xx
VT
+
=
ω

 Điều này giải thích việc dùng rôto dây quấn ñể thay ñổi ñặc tính cơ.
19Bài giảng 6

 Với một máy có p ñôi cực, việc phân tích có thể ñược lặp lại với góc cơ học θ 
ñược thay thế bởi pθ. Mạch tương ñương một pha không có gì thay ñổi.

 Công suất cơ cho bởi
Máy không ñồng bộ nhiều cực
( )
p
s
TTP sem
e
m
−
==
1ω
ω

 Mômen tương ứng là
( ) ( )2'2'
'23
lrlsra
ra
s
e
xxsRR
sRVpT
+++
=
ω

 Độ trượt ứng với mômen cực ñại vẫn không ñổi, với mômen cực ñại bằng
( )'
2
max 2
3
lrlss
ae
xx
V
pT
+
×=
ω
20Bài giảng 6

 Vd. 7.5: Cho một ñộng cơ không ñồng bộ 4-cực với các thông số mạch tương 
ñương, tìm mômen ở một tốc ñộ cụ thể, và mômen cực ñại cùng ñộ trượt tương 
ứng. Bỏ qua ñiện trở stato, các tổn hao lõi thép và ñồng stato.

 Vd. 7.6: Cho một ñộng cơ không ñồng bộ 6-cực với các thông số mạch tương 
ñương, tìm ñộ trượt, tốc ñộ thực, tần số của dòng ñiện rôto, mômen cực ñại và
khởi ñộng, sử dụng các mạch tương ñương gần ñúng và chính xác.
Ví dụ 7.5 và 7.6