Bài giảng Biến đổi năng lượng - Lecture 9 - Hồ Phạm Duy Ánh

1Lecture 9
BÀI GIẢNG 
Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ
TS. Hồ Phạm Huy Ánh
TS. Nguyễn Quang Nam
March 2010
2Lecture 9
¾ Đây là dạng máy điện được dùng phổ biến nhất hiện nay chủ yếu dưới dạng động 
cơ 3 pha và 1 pha. Cả stator và rotor đều dùng dòng xoay chiều. Nếu được phối bợp 
với các bộ converter bán dẫn công suất sẽ cho ta các đường đặc tính tải mô men –
vận tốc hoàn hảo.
¾ Bài giảng sẽ chú trọng các kiến thức nền tảng, cách xây dựng mạch tương 
đương, các kết quả bổ ích rút ra từ góc độ năng lượng và đồng năng lượng.
¾ Cấu trúc stator gần như y hệch như stator máy điện đồng bộ, cũng dây quấn ba 
pha tạo nên từ trường quay ở tốc độ đồng bộ ωs = pωm, với p là số đôi cực và ωm là
vận tốc cơ đồng bộ tính bằng rad/s.
¾ Rotor cũng gồm dây quấn 3 pha với cùng số cực như ở stator, dùng cảm ứng 
hoặc chính từ từ trường quay hoặc qua một phương pháp chủ động khác. Các 
thanh dẫn rotor được ngắn mạch bên trong (trường hợp rotor lồng sóc) hoặc ngắn 
mạch bên ngoài thông qua vành trượt ngắn mạch (trường hợp rotor dây quấn).
Máy điện cảm ứng – Giới thiệu chung
3Lecture 9
¾ Mạch từ cho cả stator và rotor được ghép từ nhiều lá thép và được tiện rãnh 
để đặt dây dẫn (Cu hay Al). Rotor thường được gắn thêm cánh quạt ở 2 vành 
ngắn mạch cũng như ở 2 đầu trục để làm mát nhờ đối lưu không khí.
Cấu trúc máy điện cảm ứng
TrụcỔ đở
Quạt
Làm mát
rotor lồng sóc
Dây quấn
Stator
Lá quạt ở vành
ghóp đầu cuối
4Lecture 9
¾ Mạch từ được ghép từ nhiều lá thép mỏng, với nhiều rãnh để lồng dây quấn 
ba pha. Các thanh nêm (Wedges) được chèn thêm để cố định các bối dây nằm 
trong rãnh. Hệ thống dây quấn ba pha stator có nhiệm vụ tạo từ trường quay.
Cấu trúc phần tĩnh Stator
Nêm
(Wedge)
Đầu ra dây Răng
Stator
Rãnh đi dây
Stator
5Lecture 9
¾ Mạch từ cũng được ghép từ nhiều lá thép mỏng, với nhiều rãnh để lồng thanh 
dẫn rotor. Thanh dẫn rotor được kết nối theo hệ thống dây dẫn ba pha. Hệ thống 
dây dẫn ba pha rotor được kết nối với hệ 3 trỡ ngoài thông qua hệ thống 3 vòng 
trượt. Rotor được thiết kế sao cho bảo đảm được đặc tính cơ mô men – tốc độ
mong nuốm, phụ thuộc vào đặc tính tải.
Thanh dẫn Rotor
Phiến nhôm
làm mát
Vòng
trượt
Trục quay
Cấu trúc phần quay rotor dây quấn
6Lecture 9
¾ Mạch từ cũng được ghép từ nhiều lá thép mỏng, với nhiều rãnh để đúc thanh 
dẫn rotor. Các thanh dẫn rotor được ngắn mạch 2 đầu bằng 2 vành ngắn mạch. 
Với rotor công suất nhỏ và trung bình, các rãnh được đúc xiên để giảm ồn và tăng 
hiệu suất vận hành.
Thanh dẫn rotor
Phiến nhôm làm mát
Vành ngắn
mạch đầu cuối
Cấu trúc phần quay rotor lồng sóc
7Lecture 9
Hình ảnh minh họa động cơ cảm ứng ba pha
8Lecture 9
¾ Dòng ba pha cung cấp cho dây quấn stator sẽ hình thành từ trường quay, quay 
với tốc độ đồng bộ. Khi rotor quay chậm hơn so với tốc độ đồng bộ, hình thành 
dòng cảm ứng ở dây quấn rotor, với cùng số đôi cực như dây quấn stator.
¾ Dòng cảm ứng ở dây quấn rotor sẽ tạo từ trường quay, tương tác với từ 
trường đồng bộ stator tạo mô men kéo rotor quay.
¾ Về nguyên lý mô men tạo ra từ dòng rotor cảm ứng sẽ thúc đẩy rotor quay 
nhanh hơn, theo định luật Lenz, để đạt tới tốc độ cơ đồng bộ, tương ứng với mô 
men giảm về zero. Trên thực tế do các tổn hao cơ (do ma sát, quạt gió, etc.) rotor 
luôn quay chậm hơn tốc độ cơ đồng bộ, với một độ trượt vừa đủ, để tạo mô men 
quay cân bằng với mô men cản (khi vận hành không tải hay có tải).
Nguyên lý vận hành của động cơ cảm ứng
9Lecture 9
¾ Khảo sát motor có p cặp cực và đạt tốc độ đồng bộ ωm (rad/s)
mrs pωωω =−
Trong đó ωs và ωr lần lượt là tần số dòng stator và rotor (rad/s).
¾ Ta thấy độ lớn dòng cảm ứng rotor phụ thuộc vào sai khác tốc độ giữa từ
trường quay stator và rotor. Sai khác này được thể hiện qua thông số không thứ
nguyên gọi là hệ số trượt (slip) được tính bởi:
s
ms
s
s p
n
nn
s ω
ωω −=−=
¾ Ta được
smsr sp ωωωω =−=
¾ Hai giá trị đặc biệt: s = 0 khi rotor đạt tốc độ cơ đồng bộ , và s = 1 khi rotor 
đứng yên.
Nguyên lý vận hành của động cơ cảm ứng (tt)
10Lecture 9
¾ Dùng phương pháp năng lượng, ta tính được mô men theo quan hệ
Phân tích máy điện cảm ứng hai cực
Với Ims và Imr lần lượt là giá trị đĩnh của dòng stator và rotor.
¾ Thực tế công thức mô men muốn tiện dùng cần qui về các thông số cơ bản của
máy điện cảm ứng. Điều này khả thi nếu ta xây dựng được mạch 1 pha tương
đương, giống như đã làm với MBA. Suy cho cùng, động cơ cảm ứng có thể xem
như MBA với thứ cấp là rotor quay.
¾ Theo quan điểm đó ta gọi a là tỉ số giữa số dòng dây/pha của stator so với
rotor, qua đó các thông số rotor sẽ được qui về phía stator như sau:
( )γβ +−= sin
4
9 MIIT mrms
e
'
arar vav = 'ˆˆ arar iai = '2 rr RRa = '2 rr LLa = '2 mrmr LLa =
11Lecture 9
¾ Để có thể gộp chung mạch rotor về stator, cả hai phải có cùng điện áp và tần 
số. Muốn thế ta đã qui đổi các thông số của rotor về stator. Bỏ qua điện trỡ dây 
quấn stator, mạch tương đương 1 pha qui về stator được thể hiện trên hình.
¾ Lls thể hiện điện kháng rò stator còn L’lr thể hiện điện kháng rò rotor qui về phía 
stator. R’r thể hiện điện trỡ dây quấn rotor qui về phía stator.
Xây dựng mạch tương đương 1 pha
aV
aI 'ˆrI
aMj sω2
3
lssLjω 'lrs Ljω
s
Rr
'
12Lecture 9
¾ Điện trỡ rotor qui về stator có thể phân ra thành R’r và R’r(1 – s)/s. Thành phần 
đầu thể hiện tổn hao đồng rotor, trong khi thành phấn thứ hai thể hiện công suất 
cơ đưa ra trục quay biến động theo hệ số trượt.
¾ Để tiện lợi khi tính toán, nhánh từ hóa aM được dời qua trái, cho ta mạch 
tương đương 1 pha gần đúng thể hiện trên hình.
Xây dựng mạch tương đương gần đúng
aV aI
'
rI
s
sRr
−1'aMj sω2
3
lss Ljω 'lrs Ljω 'rR
13Lecture 9
¾ Tổn hao lỏi thép và tổn hao dây quấn stator thể hiện trên Rc và Ra của mạch 
tương đương gần đúng. Từ đó công suất vào được tính bởi:
Xây dựng các biểu thức tính 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 lần lượt là công suất điện từ, tổn hao dây quấn stator, và tổn 
hao lỏi thép.
14Lecture 9
¾ Pag bao hàm cả tổn hao đồng rotor Pr và công suất cơ Pm. Ta dễ dàng suy ra
( )sP
s
sRIP agrrm −=−= 113 '2'
¾ Và, tổn hao đồng rotor Pr có thể được qui về Pag như sau:
agrrr sPRIP == '2'3
¾ Cuối cùng ta xác định được hiệu suất của máy điện cảm ứng:
( )
T
rcsclT
T
m
P
PPPP
P
P ++−==η
¾ Nếu xét thêm tổn hao quay Prot (ma sát, quạt gió,..), thì hiệu suất sẽ là:
( )
T
rotrcsclT
T
shaft
P
PPPPP
P
P +++−==η
Xây dựng các biểu thức tính công suất (tt)
15Lecture 9
¾ Sử dụng mạch tương đương gần đúng, dòng rotor qui về stator được xác định 
bởi
Xây dựng biểu thức tính mô men
¾ Từ đó xác định được công suất cơ
¾ Với cấu trúc hai cực ωm = ωs(1 – s), ta có được biểu thức tính mô men
( ) ( )( ) ( )2'2'
'2
'2' 1313
lrlsra
ra
rrm
xxsRR
ssRV
s
sRIP +++
−=−=
( ) ( )''' lrlsra ar xxjsRR
VI +++=
( ) ( )2'2'
'231
lrlsra
ra
s
e
xxsRR
sRVT +++= ω
16Lecture 9
¾ BT 7.2: Cho động cơ cảm ứng ba pha, 866 V, đấu wye, 60 Hz, hai cực có
thông số ωsLls = 0.5 Ω, 3ωsaM/2 = 5 Ω, ωsL’lr = 0.5 Ω, và R’r = 0.1 Ω. Xác định mô 
men ở s = 0.05 và công suất phức ba pha đầu vào. Bỏ qua Ra và Rc. Sử dụng 
mạch tương đương chính xác và mạch tương đương gần đúng..
¾ Cho biết sai số kết quả khi dùng mạch tương đương chính xác và mạch tương 
đương gần đúng là khoảng 1.8% cho BT 7.2.
¾ BT 7.3: Sử dụng mạch tương đương gần đúng của BT 7.2, hãy tính I’r, Pag, Pm, 
Pr và mô men.
Bài Tập 7.2 và 7.3
17Lecture 9
¾ Biểu thức xác định mô men theo hệ số trượt có dạng
Khảo sát đặc tính cơ mô men – vận tốc
or
( ) ( )2'2'
'231
lrlsra
ra
s
e
xxsRR
sRVT +++= ω
¾ Với điện áp và tần số lưới nguồn không đổi, xét trường hợp s bé
'
23
rs
ae
R
sVT ω≈ sT
e ∝
¾ Xét trường hợp s lớn (gần bằng 1)
Slip
T
o
r
q
u
e
(
p
u
)
( ) s
R
xx
VT r
lrlss
ae
'
2'
23
+≈ ω
hay
s
T e 1∝
18Lecture 9
¾ Dựa vào đặc tính cơ, ta xác định độ trượt ở đó mô men cực đại bằng cách cho 
dTe/ds = 0, kết quả sẽ là
Biểu thức xác định mô men cực đại
( )2'2' lrlsar xxRsR ++=
¾ Từ đó, giá trị độ trượt ở đó mô men đạt cực đại sẽ là:
( )2'2
'
lrlsa
r
mT
xxR
Rs
++
=
¾ Tương ứng với giá trị mô men cực đại được tính bởi (xem Ra = 0):
( )'
2
max 2
3
lrlss
ae
xx
VT += ω
¾ Các kết quả trên giải thích lý do cần dùng động cơ cảm ứng rotor dây quấn để 
điều chỉnh độ dốc đặc tình cơ.
19Lecture 9
¾ Khảo sát máy điện cảm ứng có p đôi cực, tiến hành phân tích tương tự với 
góc θ được thay bởi pθ. Mạch tương đương một pha không đổi.
¾ Lúc này công suất cơ được xác định bởi
Máy điện cảm ứng nhiều đôi cực
( )
p
sTTP sem
e
m
−== 1ωω
¾ Tương ứng với mô men:
( ) ( )2'2'
'23
lrlsra
ra
s
e
xxsRR
sRVpT +++= ω
¾ Mô men cực đại được xác định bởi biểu thức (với độ trượt tương ứng vẫn như cũ)
( )'
2
max 2
3
lrlss
ae
xx
VpT +×= ω
20Lecture 9
¾ BT 7.5: Cho 1 động cơ cảm ứng 4-pole với thông số cho trước, xác định mô 
men ở tốc độ đã cho; xác định mô men cực đại cùng hệ số trượt tương ứng. Bỏ 
qua điện trở stator, bỏ qua tổn hao đồng stator và tổn hao từ hóa.
¾ BT 7.6: Cho 1 động cơ cảm ứng 6-pole với thông số cho trước, tìm hệ số trượt 
và tốc độ quay rotor, tần số dòng rotor cảm ứng, mô men khởi động cũng như 
mô men cực đại, sử dụng mạch tương đương chính xác và mạch tương đương 
gần đúng.
Giải BT 7.5 and 7.6
21Lecture 9
¾.
Bài Tập