Hình 1. Biến đổi năng lương của động cơ không đồng bộ
Trong đó:
- P1,Cu: công suất tổn hao đồng trên dây quấn stator.
- Pcore: công suất tổn hao lõi thép.
- P2,Cu: công suất tổn hao đồng trên rotor.
- PFW: công suất tổn ma sát.
- Pstray: công suất tổn phụ.
1.1. Tính toán công suất tổn hao trên động cơ không đồng bộ
- Công suất điện cấp vào động cơ [cấp vào dây quấn stator]
- Công suất tổn hao đồng trên dây quấn stator
Hoặc:
- Công suất tổn hao đồng của dây quấn rotor
- Công suất trên trục động cơ
- Hiệu suất của một động cơ cảm ứng
Với Ploss: Tổng tổn hao của máy
2. Momen của động cơ không đồng bộ
2.1. Momen
Momen quay của động cơ không đông bộ chính là momen điện từ đươc tạo nên bởi sự tác dụng tương hỗ của dòng điện trong cuộn dây rotor với từ trường quay của stator. Momen điện từ tỉ lệ với công suất điện từ:
Động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc phải khắc phục momen tải bao gồm momen không tải M0 và momen cản của tải M2. Phương trình cân bằng momen lúc làm việc ổn định là:
M2: Moment đầu trục
Hay
Trong đó:
- Tốc độ góc đồng bộ của từ trường quay stator:
- Tốc độ góc của rotor là:
- Thay vào phương trình tính công suất cơ ta được
Công suất điện từu tiêu thụ một phần cho tổn hao đồng trong cuộn dây stator:
Với
Vậy ta được công thức tính moment điện từ
Dựa vào mạch tương đương để tính moment điện từ theo hệ số trượt s:
Trong mạch tương đương, ta bỏ nhánh giữa Z0 và suy ra:
Vậy momen điện từ ứng với điện áp nguồn đặt vào động cơ là:
Nhận xét:
Với tần số và tham số cho trước, momen điện từ tỉ lệ với bình phương điện áp. Momen tỉ lệ nghịch với điện kháng. Theo biểu thức trên, có thể dựng được đặc tính M = f[s], ở đây chỉ có hệ số trượt là thay đổi. Các thông số khác như: m1, r1, r2‘, xt1, xt2,… cho biết theo cấu tạo động cơ, còn f1 và U1 là các thông số không đổi của lưới điện cung cấp.. Khi khởi động động cơ n2 = 0, s = 1, ta có momen khởi động:
Dưới tác dụng của Mmm, rotor bắt đầu quay, lúc đó tốc độ trượt giảm và momen tăng dần. Ở độ trượt tới hạn sm, moment đạt trị cực đại, có thể xác định sm ứng với Mmax bằng cách lấy đạo hàm quay theo s và cho bằng 0
Sau khi đạo hàm và cho đạo hàm bằng 0 ta tìm được nghiệm sm của phương trình
Vậy
- Mmax tỉ lệ với U12.
- Mmax không phụ thuộc vào điện trở của rotor
- Điện trở rotor r2‘ càng lớn thì sm càng lớn.
- Muốn cho khi mở máy Mmm = Mmax thì phải tăng r2‘, điều này thực hiện được khi ta thêm điện trở phụ Rp‘:
- Động cơ: 0 < s < 1; n < n1.
- Máy phát: -∞ < s < 0; n > n1.
- Hãm: 1 < s < +∞; n < 0.
Điểm M = Mmax là giới hạn làm việc ổn định của động cơ, muốn động cơ làm việc ổn định thì Mđm < Mmax; với Mđm đó động cơ có thể làm việc ổn định với tải định mức và có khả năng chịu tải ngắn hạn. Khả năng quá tải của động cơ được biểu hiện ở tỉ số:
Trong thực tế thường không biết các tham số của máy điện KĐB nên dùng biểu thức Kloss:
Thường r1 = r2‘
2.2. Momen phụ của máy điện không đồng bộ
Khi phân tích về momen và đặc tính M = f[s], ta chỉ xét đến tác dụng của từ trường sóng cơ bản hình sin, ngoài ra còn có sóng bậc cao bao gồm sóng điều hòa răng, song điều hòa bậc cao khe hở không khí. Nhưng từ trường sóng bậc cao đó quay với những tốc độ khác nhau và cũng sinh ra momen. Những momen đó gọi là momen phụ của máy điện.
Những momen phụ này đều là hàm tốc độ quay của máy điện và rất yếu so với momen do sóng cơ bản của từ trường, nhưng trong những trường hợp nhất định như ở tốc độ thấp nó có thể sinh ra momen hãm tương đối lớn làm cho momen của máy điện giảm rõ rệt, ảnh hưởng đến sự làm việc của máy điện nhất là quá trình mở máy của động cơ không đồng bộ.
2.2.1. Các loại momen phụ
Momen phụ không đồng bộ: do sóng hài bậc 5 và bậc 7.
Momen phụ đồng bộ: do sức từ động sóng điều hòa răng của stator và rotor sinh ra.
Momen sinh ra chấn động và tạp âm do từ trường sóng điều hòa gây nên: động cơ điện khi làm việc thường kêu và rung. Những tạp âm và chấn động đó ngoài nguyên nhân cơ khí ra, trong nhiều trường hợp là do lực từ kéo lệch trong khe hở sinh ra. Khi trục răng của stator và răng rotor trùng nhau thì lực kéo đó càng lớn, lúc rotor quay lực từ lệch đó cũng quay làm rung.
2.2.2. Phương pháp trừ khử momen phụ
Muốn làm yếu sóng hài bậc 5 hay bậc 7 dùng dây quấn bước ngắn.
Dùng rãnh chéo ở rotor, thường là chéo bước răng, có tác dụng làm cho sức từ động của rãnh phân phối đều trên quãng chéo mà không tập trung tại một điểm nên có thể làm yếu sóng điều hòa răng của đường phân bố sức từ động khe hở tổng.