Real Group Efficiency Projects
Khi nghiên cứu về động cơ không đồng bộ ba pha, thì ta cần phải hiểu các định nghĩa về công suất trong khi vận hành của động cơ không đồng bộ để từ đó ta có thể hiểu hơn về công suất vào, công suất ra và các tổn hao của nó. Vậy trong khi vận hành thì động cơ không đồng bộ sinh ra những công suất gì và những tổn hao nào? Ta sẽ cùng tìm hiểu ở bài viết này.
1. Giản đồ năng lượng
Dựa vào giản đồ năng lượng ta biết được một số tổn hao trên Stator và rotor khi nó hoạt động. Cần chú ý đến một vài thông số như:
- Công suất đầu vào P1: là công suất điện lấy từ nguồn để cấp vào động cơ.
- Công suất điện từ Pđt: là phần công suất đi vào rotor bỏ qua tổn hao trên stator.
- Công suất cơ Pcơ: là công suất đầu ra của động cơ, tính cả phần tổn hao do mát sát và quạt gió.
- Công suất đầu ra P2: là công suất đầu ra của động cơ đã loại trừ tổn hao trên stator và rotor.
Hình 1. Mạch tương đương của động cơ không đồng bộ 3 pha.
Hình 2. Lưu đồ công suất trong động cơ không đồng bộ.
2. Công suất điện
Do động cơ lấy năng lượng từ nguồn:
{P_1} = \sqrt 3 {U_1}{I_1}\cos \varphiVới cosφ là hệ số công suất của động cơ, sau khi mất một phần vì tổn hao đồng trong dây quấn stator:
{P_{d1}} = 3{R_1}I_1^2Và một phần vì tổn hao sắt từ trong lõi thép stator:
{P_t} = 3{G_c}E_1^2Một còn lại công suất đưa vào rotor, gọi là công suất điện từ:
{P_{dt}} = 3\frac{{{{R'}_2}}}{s}{I'_2}^23. Công suất đưa vào rotor
Sau khi bị mất một phần tổn hao đồng trong dây quấn rotor:
{P_{d2}} = 3{R'_2}{I'_2}^2 = s.{P_{dt}}Một phần sẽ còn lại công suất cơ trên trục:
{P_c} = 3{R'_2}.\frac{{1 - s}}{s}{I'_2} = \left( {1 - s} \right)s.{P_{dt}}4. Công suất cơ
Sau khi trừ đi tổn hao cơ Pmq do ma sát, quạt gió và tổn hao phụ, sẽ còn lại công suất có ích trên trục, hay công suất ra.
P2 = Pc – Pmq
5. Tổn hao trong động cơ
Tổn hao trong động cơ Pth là tổng của những tổn hao đồng trong dây quấn stator Pd1, tổn hao sắt trong lõi thép stator Pt, tổn hao đồng trong dây quấn rotor Pd2 và tổn hao cơ do ma sát Pmq.
Pth = Pd1 + Pt + Pd2 + Pmq
6. Hiệu suất động cơ
Hiệu suất động cơ là thước đo khả năng biến đổi năng lượng điện thành cơ năng của động cơ điện. Hay nói cách khác là tỉ lệ của công cơ học đầu ra và công suất điện tiêu thụ đầu vào.
\eta = \frac{{{P_2}}}{{{P_1}}} = \frac{{{P_2}}}{{{P_2} + {P_{th}}}}7. Hiệu suất và công suất phản kháng
Động cơ lấy năng lượng P1 = m1.U1.I1.cos 1 từ lưới. Một phần nhỏ công suất biến thành tổn hao đồng của dây quấn stator Pd1 = m1.I12.R1 và tổn hao lõi sắt stator Pst = m1.I02.Rth còn lại phần lớn công suất chuyển thành công suất điện từ Pdt truyền qua rotor, như vậy:
{P_{dt}} = {P_1} - \Delta {P_{d1}} - \Delta {P_{st}} = {m_1}{I'_2}^2\frac{{{{R'}_2}}}{s}Vì trong rotor có dòng điện, nên có tổn hao đồng dây quấn rotor Pd2 = m1.I’22.R’2, do đó công suất cơ của động cơ điện bằng:
{P_c} = {P_{dt}} - \Delta {P_{d2}} = {m_1}.{I'_2}^2\left( {\frac{{1 - s}}{s}} \right){R'_2}Vì máy quay có tổn hao cơ Pc và tổn hao phụ Pf nên công suất đưa ra đầu trục động cơ sẽ là:
P2 = Pc – (ΔPc + ΔPf) = Pc – ΔPcf
Như vậy, tổng tổn hao trong động cơ điện bằng:
ΔP = ΔPd1 + ΔPt + ΔPd2 + ΔPcf
Và công suất đưa ra đầu trục:
P2 = P1 – ΔP
Hiệu suất của động cơ:
\eta = \frac{{{P_2}}}{{{P_1}}} = 1 - \frac{{\Delta P}}{{{P_1}}}Về công suất phản kháng, động cơ không đồng bộ lấy từ lưới vào một công suất bằng:
Q1 = m1.U1.I1.sinj1
Một phần công suất này sinh ra từ trường tản trong mạch stator ΔQ1 và rotor ΔQ2:
ΔQ1 = m1.I12.X1
ΔQ2 = m2.I’22.X’2
Phần lớn công suất phản kháng còn lại để sinh ra từ trường khe hở:
Qth = m1E1I0 = m1I02Xth
Như vậy, giản đồ công suất phản kháng của động cơ điện được minh họa với
Q1 = Qth + ΔQ1 + ΔQ2
Do trong máy điện không đồng bộ khe hở lớn hơn trong máy biến áp nên dòng điện từ hóa I0 trong máy điện không đồng bộ lớn hơn dòng điện từ hóa trong máy biến áp.
Công suất phản kháng Q và dòng điện không tải I0 tương đối lớn dẫn đến hệ số công suất cosφ tương đối thấp. Thông thường, động cơ không đồng bộ có cosφ = 0,7 ÷ 0,85; khi không tải cosφ rất thấp thường là cosφ0 = 0,1 ÷ 0,2.
Từ những lý thuyết ở trên ta sẽ cùng tìm hiểu một số ví dụ để hiểu hơn về công suất trong động cơ không đồng bộ 3 pha.
Ví dụ: Một động cơ không đồng bộ 3 pha 480V; 50Hp, dòng điện định mức 70A; hệ số công suất 0,8. Biết tổn hao đồng trên stator Pd1 = 4257,5W; tổn hao đồng trên rotor Pd2 = 1000W; tổn hao sắt từ trong lõi thép stator Pt = 3000W; tổn hao quạt gió Pquạt gió = 800W; tổn hao phụ Pphụ = 200W. Xác định:
a) Công suất điện (đầu vào).
b) Công suất truyền qua khe hở không khí.
c) Công suất cơ.
d) Hiệu suất của máy.
Hướng dẫn:
a) Công suất đầu vào:
{P_1} = \sqrt 3 UI\cos \varphi = \sqrt 3 .480.70.0,8 = 46557,5257\left( W \right)b) Công suất điện từ truyền qua khe hở không khí:
{P_{dt}} = {P_1} - {P_{d1}} - {P_t} = 46557,5257 - 4257,5 - 3000 = 39300,0257\left( W \right)c) Công suất cơ:
{P_{co}} = {P_{dt}} - {P_{d2}} = 39300,0257 - 1000 = 38300,0257\left( W \right)d) Hiệu suất của động cơ:
\eta = \frac{{{P_2}}}{{{P_1}}}.100 = \frac{{37500}}{{46557,5257}} \cdot 100 = 80,5\%