Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 5: Máy điện không đồng bộ

CHƯƠNG 5
MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 
2.1. KHÁI NIỆM CHUNG
¾ Máy điện không đồng bộ là loai máy điện xoay chiều làmï ,
việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rotor n
(tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n1.
¾ Máy điện không đồng bộ chủ yếu dùng làm động cơ điện.
¾ Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, làm việc chắc
chắn, hiệu suất cao, giá thành thấp nên được dùng rộng rãi nhất
trong công nghiệp và sinh hoạt.
¾ Tuy nhiên, máy điện không đồng bộ có những nhược điểm
như : cosϕ thấp và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng
d û ù đi ä kh â đ à b ä ù h à bị h h áụng cua may en ong ong o co p an ạn c e.
¾ Các động cơ từ 5Hp trở lên hầu hết là động cơ 3 pha, còn
động cơ nhỏ hơn 1Hp thường là động cơ 1 pha.
2.2. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Lõi thép stator
Hộp ra dây
Dây quấn stator Quạt 
thông gió
Trục động cơ
L õi th ù to ep ro or
Vỏ máy 
2.2. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Cấu tao máy điện không đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là:ï
stator và rotor
1. Stator (phần đứng yên hay phần cảm)
a) Lõi thép stator :
Là phần dẫn từ gồm các lá thép kỹ thuật điện dày 0 35mm, ,
hay 0,5mm ép lại. Mặt trong của thép được dập rãnh để đặt dây
quấn.
2.2. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Cấu tao máy điện không đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là:ï
stator và rotor
1. Stator
b) Dây quấn stator :
Dây quấn stator làm bằng đồng có boc cách điện đươc đặtï , ï
trong các rãnh của lõi thép stator
Dây quấn stato đươc cấp nguồn ba pha để tao ra từ trườngï ï
quay, vận tốc quay của từ trường này tùy thuộc tần số nguồn điện
và số cực của bộ dây quấn
2.2. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
2 Rotor (phần quay).
Rotor có vai trò là phần ứng (tương tự thứ cấp MBA) có
nhiệm vu cảm ứng sức điện động để tao dòng điện chay trong dâyï ï ï
quấn rotor. Rotor bao gồm : lõi thép, dây quấn và trục máy.
a) Lõi thép rotor:
Lõi thép rotor hình trụ dùng thép kỹ thuật điện tương tự như
stator, gồm nhiều lá thép ghép lại và ép lên trục quay, phía
ngoài có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
b) Dây quấn rotor
Dây quấn rotor có hai loại : rotor lồng sóc và rotor dây quấn
2.2. CẤU TẠO MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
™ Rotor lồng sóc :
Gồm các thanh đồng hoặc nhôm đặt trong rãnh, và bị ngắn
mach bởi hai vành ngắn mach ở hai đầụ ï .
™ Rotor dây quấn :
Rãnh rotor được đặt dây quấn giống như dây quấn stator.
Dây quấn rotor thường đươc nối sao, ba đầu ra nối với ba vànhï
trượt đặt cố định ở 1 đầu trục và thông qua chổi than đấu với
mạch điện bên ngoài để có thể đưa điện trở phụ hay sức điện
động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy,
điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi
máy làm việc bình thường dây quấn rotor đươc nối ngắn machï ï .
2.4. TỪ TRƯỜNG TRONGMÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
5 4 1 Từ trường đập mach trong dây quấn 1 pha :. . . ï
Từ trường của dây quấn một pha có phương không đổi, có
trị số và chiều biến thiên theo thời gian nên goi là từ trường đậpï
mạch
Từ trường đập mạch 4 cựcTừ trường đập mạch 2 cực
2.4. TỪ TRƯỜNG TRONGMÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
5 4 2 Từ trường quay của dây quấn 3 pha. . .
1/ Sự hình thành từ trường quay :
Xét máy điện 3 pha đơn giản gồm 6 rãnh ba bộ dây quấn,
AX, BY, CZ có trục đặt lệch nhau 120 độ.
Khi cho dòng điện 3 pha cân bằng chay qua 3 dây quấn ï 
ia(t) = Imsinωt
ib(t) = I sin(ωt – 120°) m 
ic(t) = Imsin(ωt – 240°)
Lúc đó, các từ cảm Ba, Bb, Bc do các dòng ia, ib, ic tao rạ
riêng lẻ là các từ cảm đập mạch có phương lần lượt trùng với
trùng với trục các a, b, c, chiều cho quy tắc vặn nút chai; và độ
à ålớn tỉ lệ lan lượt với ia, ib, ic. Từ cảm tong hợp do cả ba dòng
điện tạo ra là tổng vectơ :
rrrr
cba BBBB ++=
V äay :
- Từ trường của mỗi dây quấn vẫn là từ trường đập mạch
T ø t ø t å h l ø t ø t ø ø l ø t ø t ø hí h th
- Với cách cấu tạ dây quấn như trên, ta có từ trường quay một
đôi cưc Nếu thay đổi cách cấu tao dây quấn ta có từ trường 2 3- ư rương ong ợp a ư rương quay va a ư rương c n am
gia vào quá trình biến đổi năng lượng
ï . ï , , ,
, p đôi cực.
2/ Đặc điểm của từ trường quay :
™ Vận tốc của từ trường quay n1
Phụ thuộc vào tần số và số đôi cực
p
f60n1 =
n1[vòng/phút]
f[Hz] : tần số nguồn điện
™ Chiều của từ trường quay :
p : số đôi cực
Phụ thuộc vào thứ tự pha của nguồn điện. Muốn đổi chiều
quay động cơ ta chỉ cần đổi thứ tư 2 trong 3 dây pha bất kỳ, ï .
™ Biên độ của từ trường quay:
Φ = 3/2 Φmax = const , với Φmax là biên độ max của từ trường
một pha
2.5. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA
™Khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f vào 3 dây quấn stator sẽ,
tạo ra từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n1 = 60f/p
™ Từ trường quay cắt ngang các thanh dẫn của dây quấn rotor,
cảm ứng các sức điện động. Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch
nên sinh ra dòng cảm ứng trong các thanh dẫn rotor. Lực tương
ãtác giữa từ trường quay và dòng cảm ứng trong thanh dan sẽ kéo
rotor quay cùng chiều.
2.5. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA
™ Tuy nhiên rotor không bao giờ bắt kịp từ trường quay. Vì nếu
vận tốc rotor n = n1 thì không có sư chuyển động tương đối, trongï
dây quấn rotor mất đi sức điện động cảm ứng và dòng cảm ứng
dẫn đến lực điện từ không còn.
2.5. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA
Ta có :
n : tốc độ từ trường quay1
n : tốc độ rotor
n = n n : vận tốc tương đối giữa từ trường quay và rotor2 1 –
hay còn gọi là vận tốc trượt.
Hệ số trượt :
1
1
1
2
n
nn
n
ns −==
khi rotor đứng yên : n = 0 ; s = 1
khi rotor quay: s<1 tốc độ rotor tính theo s :,
n = n1(1 – s) = n1 – n1s
tốc độ rotor = tốc độ đồng bộ tốc độ tương đối–
(Xem ví dụ 2.1 trang 54)
2.6. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KĐB
5 6 1 Phương trình điện áp stator. . .
Tương tự phương trình dây quấn sơ cấp của MBA, ta có
phương trình điện áp pha stator
Trong đó 
( ) 1.11.111.1.1. IZEjXRIEU +=++=
U1 : điện áp pha stator
Z1 = R1 + jX1 : tổng trở 1 pha dây quấn stator
R1 : điện trở 1 pha dây quấn stator
X1 = 2πfL1 : điện kháng tản 1 pha dây quấn stator
f : tần số dòng điện stator
L1 : điện cảm tản 1 pha dây quấn stator
E1 : sức điện động pha stator do từ thông của từ trường quay sinh ra
E1 = 4,44 f kdq1W1 Φm , kdq1 <1: hệ số dây quấn nói lên sự giảm sức điện
động tổng do việc cuộn dây bị phân bố đều trong các rãnh và bước rút
ngắn, so với dây quấn tập trung trong máy biến áp.
2.6. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KĐB
5 6 2 Phương trình điện áp rotor. . .
Tương tự phương trình dây quấn thứ cấp của MBA, tuy
nhiên dây quấn rotor chuyển động so với từ trường quay tốc độ
n2 = n1 – n = sn1
Như vậy sức điện động và dòng điện trong dây quấn rotor
sẽ có tần số là: f2 = s.f
a) Khi rotor đứng yên : s=1 ; f2 = f
- Sđđ pha rotor lúc đứng yên:
b) Khi rotor quay : s<1 ; f2 =sf
- Sức điện động pha rotor lúc quay:
E2 = 4,44.f.W2.kdq2.Φm
- Điện kháng tản rotor lúc đứng yên:
E2s = 4,44.sf.W2.kdq2.Φm = s.E2
- Điện kháng tản rotor lúc quay:
X2 = 2π f L2 X2s = 2π sf L2 = s.X2
2.6. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KĐB
5 6 2 Phương trình điện áp rotor. . .
Vậy : phương trình điện áp rotor lúc quay là :
...
IjXIRE X2
⇔
22222 ss +=
( )2.2. jsXRIEs +=
s
U = 0
⇔
22 2 
ZIEs 2
.
2
. =
Tỉ số biến đổi sức điện động pha stator :
s2
111 WkEk dq==
222 WkE dq
e
(Xem ví dụ trang 57)
2.6. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KĐB
5 6 3 Phương trình sức từ động. . .
Tương tự như MÁY BIẾN ÁP, từ thông Φm có giá trị hầu
như không đổi ứng với chế độ không tải và có tải.
Phương trình sức từ động của động cơ :
IkWmIkWmIkWm =−
Với: I0 : dòng điện stator lúc không tải
011122221111 dqdqdq
I1, I2 dòng điện stator và rotor khi động cơ kéo tải
m m số pha của dây quấn stator và rotor1, 2 
Chia 2 vế cho m1kdq1W1 và đặt : hệ số qui đổi 
dòng điện, ta đươc : 222
111
dq
dq
I kWm
kWm
k =
 ï 
I’2 : dòng điện rotor qui đổi về2
.
0
.
1
.
0
.2
.
1
.
'IIIIII +=⇔=− 
statorkI
2.7. SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB
Các phương trình cơ bản của động cơ KĐB :
( ) 1.11.111.1.1. IZEjXRIEU +=++=
( ).. XRIE 2222 jss +=
2
.
0
.
1
.
''' III +=
Qui đổi phương trình điện áp rotor lúc quay về đứng yên:
⎞⎛ R
Qui đổi các đai lương rotor về stator:
⎟⎠⎜⎝ += 2
2
2
.
2
.
jX
s
IE
ï ï
R' k k R X' k k X
1
.
2
.
2
.
' EEkE E ==
Ik
II 2
.
2
.
' =
2 = E I 2 2 = E I 2
Phương trình điện áp rotor qui đổi về stator
⎞⎛ 'R ⎟⎠⎜⎝ += 2
2
2
.
2
.
''' jX
s
IE
2.7. SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB
Tương tư MÁY BIẾN ÁP thay thế nhánh E1 = E'2 bằng điệnï ,
áp nơi trên nhánh từ hóa, ta có :
( ) ZIjXRIEE .... ' +
Biến đổi :
mmm 0021 ===
⎟⎞⎜⎛ −+= sRRR 1''' 222
Ta có sơ đồ mach điện thay thế hình T của động cơ KĐB :
⎠⎝ ss
ï
2.7. SƠ ĐỒ THAY THẾ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB
Để đơn giản người ta biến đổi về sơ đồ tương đương hình Γ
Trong đó : 
R0 = R1 + Rm
X0 = X1 + Xm
Rn = R1 + R’2
Xn= X1 + X'2
⎞⎛ − s1
: đặc trưng cho 
công suất cơ học 
P û đ ä
⎟⎠⎜⎝ sR'2
cơ cua ong cơ
2.8. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNHMỨC
1 Công suất định mức : Pđ (W KW hoặc HP) : công suất có ích. m ,
(công suất ra) trên trục động cơ (cơ năng)
2. Điện áp định mức U1đm (V, KV) : điện áp dây stator
3. Dòng định mức I1đm (A) : dòng dây vào động cơ
4. Tần số định mức f (Hz)
5. Tốc độ quay rotor nđm (vòng/phút)
6 Hệ số công suất cosϕđ. m
7. Hiệu suất định mức ηđm
8 Kiểu đấu sao hay tam giác.
Suy ra các giá trị quan trọng khác :
Công suất định mức mà động cơ tiêu thu : P- ï 1đm
đmđmđm
đm
đm
đm ϕ=η= cosIU3
PP1
- Momen định mức :
đm
đm
đm ω=
PM
60
.2 đm
đm
nπω =
2.9. CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Quá trình biến đổi năng lương của động cơ như sau :ï
pCu1
pFe
P1
Công suất điện động cơ nhận từ nguồn :-
P1 = 3 U1 I1 cosϕ =
Tổn hao do điện trở dây quấn stator : p
ϕcos3 dd IU
- Cu1
pCu1 = 3.I12.R1
Tổn hao sắt từ trong lõi thép stator : p- Fe
pFe = 3.I02.Rm
2.9. CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
pCu2
Pđt
Công suất điện từ truyền qua khe hở không khí : P- đt
s
RIP 2223
′′=đt
- Tổn hao do điện trở dây quấn rotor : pCu2
p 3I ’2 R’ PCu2 = 2 . 2 = đt.s
2.9. CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
p
Pc
mq
P2
Công suất cơ hoc trên truc động cơ :- ï ï
( )sP
s
sRIPc −=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −= 11''3 222 đt
- Tổn hao ma sát, quạt gió : pmq
C â át ù í h t â t đ ä â át P- ong sua co c ren rục ong cơ = cong sua ra 2
2.9. CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Lưu đồ công suất động cơ :
P1
pCu1
Hiệu suất :
PPpFe Pđt
thPPP +
==
2
2
1
2η
pCu2
PcPth
pmq
P2
2.10. MOMEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Momen quay của động cơ :
đPIR
I
s
sR
P ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −
2
22
2
22 ''3
'1'3
Dùng sơ đồ mach tương đương đơn giản ta tính đươc:
đt
t M
ss
M c ===−== 111 )1( ωωωω
ï , ï
2
1
2'
UI
⎞⎛
=
( )22121 '' XXs
RR ++⎟⎠⎜⎝ +
Thay I'2 vào biểu thức của M
2'3 UR
( ) ⎥⎤⎢⎡ ++⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
2
21
2
2
11
12
'' XXRRs
M
ω
⎥⎦⎢⎣ s
2.10. MOMEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Đặc tuyến momen – hệ số trươt : M = f(s)ï
M l ù ở ù ( 0 1)m : momen uc m may n = , s =
Mmax : momen cực đại
h ä á t t t ùi hsth : e so rượ ơ ạn
2.10. MOMEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Đặc tuyến momen – vận tốc : M = f(n)
M
Mmax
Mm
0 nn1
M l ù ở ù ( 0 1)m : momen uc m may n = , s =
Mmax : momen cực đại
2.10. MOMEN QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Nhận xét :
Momen M tỉ lệ với U 2 nên M sẽ thay đổi nhiều khi điện áp1
làm việc của động cơ thay đổi. Nếu điện áp thấp quá có thể động
cơ không kéo nổi tải.
Momen đầu trục M2 của đ/cơ KĐB (momen kéo tải) nhỏ
hơn momen điện từ 1 ít và bằng :
2PMMM
M0 : momen không tải
ω02 =−=
Do M0 << M2⇒ đặc tính cơ M2 = f(n) cũng có dạng như 
đường đặc tính M = f(n)
2.11. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Trong giai đoạn mở máy, động cơ phải thỏa 3 yêu cầu :
- Momen mở máy phải lớn hơn momen cản của tải lúc mở máy
- Momen động cơ phải đủ lớn để thời gian mở máy không quá
lâu.
- Dòng mở máy phải đủ nhỏ để điện áp lưới khỏi bị sụt nhiều,
ảnh hưởng lớn đến các thiết bị khác
2.11. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2 9 1 Mở máy động cơ rotor dây quấn. . .
Khi mở máy dây quấn rotor được nối với biến trở mở máy
Rm. Ban đầu để Rm lớn nhất sau đó giảm dần về 0.
Dòng mở máy khi có Rm :
1UI ( ) ( )221221 ''' XXRRR mm ++++
=
2.11. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2 9 1 Mở máy động cơ rotor dây quấn. . .
Khi mở máy dây quấn rotor được nối với biến trở mở máy
Rm. Ban đầu để Rm lớn nhất sau đó giảm dần về 0.
Vậy nhờ có Rm dòng mở máy giảm, momen mở máy tăng
đó là ưu điểm của động cơ rotor dây quấn lúc mở máy.
2.11. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2 9 2 Mở máy động cơ rotor lồng sóc :. . . 
1/ Mở máy trực tiếp
Đóng trưc tiếp động cơ vào lưới điện Khuyết điểm củạ .
phương pháp này là Im lớn làm sụt áp lưới điện.
Vì vậy nó chỉ dùng khi công suất của mang điện hoặcï
nguồn điện lớn hơn công suất động cơ rất nhiều.
* Chú ý : dòng mở máy Im (dòng dây từ
nguồn đến động cơ) và momen mở máy
M khi û ù i á đ hi âm mơ may trực t ep ược g tren
nhãn máy dưới dạng :
Im / Iđm và Mm / Mđm
2.11. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2 9 2 Mở máy động cơ rotor lồng sóc :. . . 
2/ Mở máy gián tiếp → giảm điện áp stator lúc mở máy
I sẽ giảm tỉ lệ với U nhưng đồng thời M giảm tỉ lệ vớim 1, m
U12 . Vì vậy phương pháp này chỉ được dùng khi yêu cầu Mm
không lớn.
a) Dùng điện kháng (hoặc điện trở) mắc nối tiếp :
Khi mở máy điện áp đặt vào động cơ
giảm đi k lần, suy ra :
- Dòng mở máy giảm k lần
- Momen mở máy bị giảm k2 lần.
k
III mmRmL =)(hoặc
2)( k
MMM mmRmL =hoặc
2.11. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2 9 2 Mở máy động cơ rotor lồng sóc :. . . 
b) Dùng máy tự biến áp (biến áp tự ngẫu) có tỉ số k
Khi mở má điện áp đặt ào động cơy v
giảm đi k lần. Nhưng ta có :
Dòng mở máy giảm k2 lần-
- Momen mở máy bị giảm k2 lần.
2k
II mmBA = 2k
MM mmBA =
Ta thấy lúc có biến áp tự ngẫu, dòng
điện của lưới điện giảm đi k2 lần Đây.
là ưu điểm so với phương pháp dùng
điện kháng (dòng điện chỉ giảm k lần).
2.11. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2 9 2 Mở máy động cơ rotor lồng sóc :. . . 
c) Đổi nối sao_tam giác (Y_Δ)
Phương pháp nà chỉ d øng đươc ớiy u ï v
đ/cơ khi làm việc bình thường dây quấn
stator nối tam giác.
Khi mở máy ta nối Y, điện áp đặt vào
mỗi pha giảm lần Sau khi mở máy3 .
ta nối lại Δ theo đúng định mức của
máy. Ta có :
- Dòng mở máy giảm 3 lần
Momen mở máy bị giảm 3 lần- .
3
m
mY
II =
3
m
mY
MM =