67
Hình 17-1. Mạch điện thay thế của máy
điện không đồng bộ khi lấy C
1
= 1
1
U
&

1
I
&

r
1

x
1

x
m

r
m

2
I



để tính ra các đặc tính đó.
Thí nghiệm kéo tải trực tiếp tuy có thể tìm ra đRợc toàn bộ các đặc tính của máy
nhRng đòi hỏi nhiều thiết bị và thì giờ, nhất là đối với những máy lớn. Nếu dựa vào
mạch điện thay thế để tính toán toàn bộ các đặc tính thì khối lRợng tính toán tRơng đối
lớn và phức tạp. Vì vậy, để đơn giản, ta chỉ cần thông qua vài thí nghiệm cơ bản nhR
thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch rồi áp dụng cách vẽ đồ thị vòng tròn
xác định các đặc tính của máy điện không đồng bộ.
Qua đồ thị vòng tròn ta có thể thấy rõ qui luật biến thiên của các đại lRợng điện từ
và biết đRợc tình hình làm việc của máy ở các chế độ động cơ điện, máy phát điện và
chế độ hãm.
Tuy nhiên, phRơng pháp đồ thị vòng tròn vẫn có nhiều thiếu sót nhR khi vẽ chRa
xét đến ảnh hRởng của tình trạng bão hoà mạch từ (lõi sắt) làm thay đổi tổng trở từ hoá
và điện kháng tản, không xét đến ảnh hRởng của các sóng bậc cao của từ trRờng đối với
mômen , do đó những giá trị tính đRợc bằng phRơng pháp này không đRợc chính xác
lắm. NhRng đồ thị vòng tròn có thể phản ánh đRợc nhiều tính năng cơ bản của máy
điện không đồng bộ, cách vẽ lại đơn giản nên ngRời ta vẫn coi đó là phRơng pháp có
giá trị để phân tích tính năng của máy điện không đồng bộ.

17-2. Cách xây dựng đồ thị vòng tròn

Trong một mạch điện đơn giản gồm điện trở và điện kháng đặt dRới một điện áp
không đổi, khi thay đổi điện trở thì quỹ tích của dòng điện biến thiên là một đRờng
tròn. Lợi dụng điều đó có thể vẽ đồ thị vòng tròn của máy điện không đồng bộ.
Trong mạch điện thay thế đơn giản
hoá của máy điện không đồng bộ, nếu lấy
C
1
= 1 thì sơ đồ nhR hình 17-1, trong đó
)(
,

I
2
0
r
m
. Ta có:
P
0
= m
1
I
2
0
r
1
+ m
1
I
2
0
r
m
(17-1)

68
,
21
1
xx
U


C

M

N

Q

Hình 17
-
2. Cách xây dựng đồ thị vòng tròn

U
1

011
0
0
cos
IUm
P
=
(17-2)
Dòng điện I
0
lệch pha với điện áp đRa vào U
1
một góc
0


2
.
Thẳng góc với HQ, lấy QN = r
1
, NM = r

2
và
MP =
,
2
1
r
s
s

. Tâm vòng tròn quỹ tích ở trên
trục hoành và đRờng kính vòng tròn là HC
=
,
21
1
xx
U
+
. ĐRờng HP cắt đRờng tròn ở D.
Dòng điện
,
2

+ (1-s)r

2
/s = r

2
/s có trị số âm), cho
nên điểm D ở trên cung HTC.
Khi s > 1 thì điểm P nằm trong đoạn MN, nên điểm D ở trên cung KT. Điểm T ứng
với s = .
NhR vậy các cung HDK, HCT, TK ứng với những trạng thái làm việc khác nhau
của máy điện không đồng bộ. Cung HDK ứng với trạng thái làm việc động cơ điện,
cung HCT ứng với trạng thái làm việc máy phát điện và cung TK ứng với trạng thái
hãm.

17-3. Xác định đặc tính làm việc của máy điện
Không đồng bộ bằng đồ thị vòng tròn

!"#" "$%&'$()*+$',-$
Trên trục tung lấy một đoạn Of = 10 cm làm đRờng kính, vẽ một nửa vòng tròn
(hình 17-3). Muốn tìm cos của máy khi đã biết trRớc I
1
= OD (theo thRớc tỷ lệ của
dòng điện m
i
= A/cm), ta chỉ việc kéo dài OD gặp đRờng tròn ở h. Ta có:
cos =
10
Oh
Of

C

Hình 17-3. Xác định cos, công suất,
mômen và tổn hao bằng đồ thị vòng tròn

I
1

h

f

P
1
= 0

d

P
cơ
= 0

P
đt
= 0

p
cu
= 0


1
= m
1
U
1
I
1
cos = m
1
U
1
.
Da
.m
i
=
Da
.m
p
(17-4)
trong đó: m
p
= m
1
U
1
m
i
- thRớc tỷ lệ
công suất (W/cm);

=
= m
1
U
1
.OH .m
i
.cos
0
=
= m
1
U
1
m
i
.ag = ag.m
p
.
p
mDg.
=
p
mdgcdDc )( ++
(17-5)
Mặt khác, dựa vào mạch điện thay thế của máy điện không đồng bộ ta có:
P
1
- P
0
= )
1
(
1
,
2
,
2
2,
21
rrr
s
s
Im ++

(17-6)
So sánh (17-6) với (17-5), ta có:

p

2
và r
1
đồng thời tỷ lệ với các đoạn
Dc
,
cd
và
dg
, do đó ta đRợc:

1
,
2
,
2
::
1
:: rrr
s
s
dgcdDc

=
(17-8)
Căn cứ vào (17-7) và (17-8) ta có:
cp
Pr
s
s

s
s
ImmcdDcmDd ==+

=+=
,
2
2,
21
,
2
,
2
2,
21
]
1
[)(. (17-9)

70
c

g

a

H

I
0

r

s
Vì đoạn
Dc
chỉ công suất cơ P
cơ
nên ta gọi đRờng HK là đRờng công suất cơ hay
đRờng P
cơ
= 0; đoạn
Dd
chỉ công suất điện từ P
đt
nên gọi đRờng HT là đRờng công suất
điện từ hay đRờng P
đt
= 0. Các đoạn cd và
dg
chỉ tổn hao đồng trên rôto p
cu2
và stato
p
cu1
nên đoạn
cg
chỉ tổn hao đồng p
cu
.
Có khi ta gọi đRờng song song với trục tung đi qua điểm H là đRờng tổn hao đồng

M
=
1
81,9
p
m
là thRớc tỷ lệ mômen (kG.m/cm).
Nhiều khi ta còn gọi đRờng HT là đRờng mômen điện từ hay đRờng M
đt
= 0.
!"#"D"$%&'$()*+$3>*$+5,$'=$@
'=
<$3>*$+5,$@+E$@
F
$67$'/*0$-123$(45$G5$8
.
$
Khi không tải, tốc độ động cơ điện thấp hơn tốc độ đồng bộ một ít, do đó ngoài tổn
hao đồng ở stato và tổn hao sắt ra, tổn hao không tải còn bao gồm tổn hao cơ và tổn
hao phụ. Vì vậy dòng điện không tải đo đRợc trong thí nghiệm không tải không phải là
véctơ
OH
mà là véctơ
,
OH
lớn hơn
OH
. Ta thấy, đoạn HH

thực chất là chỉ tổn hao

P
cơ
- (p
cơ
+ p
f
) = P
2
(17-11)
ĐRờng H

K gọi là đRờng công suất đRa ra hay đRờng P
2
= 0.
!"#"H"$%&'$()*+$+:$-I$3G4J3$
Có nhiều phRơng pháp xác định hệ số trRợt, ở đây chỉ giới thiệu một trong những
phRơng pháp đó (hình 17-4).
Giữa hai đRờng p
cu
= 0 và đRờng HK
kéo dài lấy một đoạn qt song song với
đRờng HT. Chia đoạn qt ra làm 100 phần,
lấy điểm q làm gốc 0%, điểm t ứng với
100%. Khi tìm hệ số trRợt với điểm làm
việc D thì kéo HD gặp qt ở điểm r. Trị số
phần trăm củađiểm r là trị số phần trăm
của hệ số trRợt. Cách chứng minh nhR sau:
Xét các tam giác đồng dạng Hcd và
tqH; Hqr và DdH, ta có:


Hình 17-5. Xác định hiệu suất
bằng đồ thị vòng tròn

U
1
H
,

L

m

n

100%

p



H

TC

Hình 17
-
6

!"#"K"$%&'$()*+$+9:1$-123$$
Căn cứ vào những phân tích trên, ta có:
== pmba
p
. p
Fe
+ p
cu1
+ p
cu2
+ p
cơ
+ p
f
Kéo dài đRờng H

K gặp
trục hoành ở điểm L (hình 17-
5). Qua điểm L kẻ đRờng song
song với trục tung. Gọi đRờng
đó là đRờng tổng tổn hao p =
0 vì khoảng cách từ điểm D
đến đRờng đó là đoạn La tỷ lệ
với đoạn chỉ tổng tổn hao ba.
Giữa hai đRờng p = 0 và
đRờng HK kéo dài lấy một
đoạn mn song song với trục
hoành. Chia đoạn mn làm 100
phần, lấy điểm m làm gốc. Khi
muốn tìm hiệu suất của máy ở

và đRợc: ===
1
2
P
P
Da
Db
mn
mp
(17-13)
!"#"!"$%&'$()*+$*L*0$MN'$O1&$3P9$Q
A
$
Theo định nghĩa, năng lực quá tải k
m
=
M
max
/M
đm
.
Ta đã biết đRợc mômen định mức của
máy M
đm
, do đó chỉ cần tìm mômen cực
đại M
max
trên đồ thị vòng tròn là xác định
đRợc năng lực quá tải k
m

1

0,2

0
,4

0
,6

0
,8

1,0

P
0
I
02,0
1,6

1,2

0,8

0,4


nghiệm không tải và ngắn mạch cách vẽ thực tế

Theo cách chỉ dẫn trên, phải biết tham số của máy mới vẽ đRợc đồ thị vòng tròn,
nhRng trong thực tế, những tham số đó thRờng không biết trRớc nên phải thí nghiệm để
xác định. Sau đây giới thiệu cách dùng thí nghiệm không tải và ngắn mạch để vẽ đồ thị
vòng tròn.
TrRớc khi nói đến cách vẽ thực tế, ta hãy nghiên cứu qua nội dung thí nghiệm
không tải và ngắn mạch của máy điện không đồng bộ.
!"D" "$R+S$*0+9:A$Q+/*0$3P9$
Khi làm thí nghiệm không tải ta đặt điện áp định mức U
đm
vào stato, nhRng để
tránh sai số có tính chất ngẫu nhiên và để tìm ra tổn hao cơ và tổn hao phụ thRờng ta
thay đổi điện áp đRa vào từ 0,5 ữ 1,2 U
đm
, đo dòng không tải I

0
và công suất không tải
P

0
theo sự thay đổi của điện áp U
1
. ĐRờng biểu diễn của I
0
và P
0
= P


đRờng biểu diễn P
0
= f(U
1
) đến gặp trục
tung thì giao điểm chỉ tổn hao cơ p
cơ
.
Muốn cho cách vẽ đRợc chính xác
hơn, ta vẽ đRờng biểu diễn P
0
= f(U
2
1
). Do
đRờng biểu diễn gần giống đRờng thẳng
nên kéo dài ra tiện lợi và chính xác hơn.
Đối với tổn hao phụ, vì khó tính chính
xác nên thRờng lấy bằng 0,5% công suất
đRa vào. ThRờng (p
cơ
+ p
f
) rất nhỏ nên khi
không cần vẽ đồ thị vòng tròn một cách
1,0

6

7

5

4

3

2

1

0

U
n
0,5

U

n
I
n
I

n

(17-15)
Quan hệ giữa dòng điện ngắn mạch I
n
và điện áp ngắn mạch U
n
còn phụ thuộc vào
tổng trở ngắn mạch (chủ yếu là điện kháng ngắn mạch x
n
= x
1
+ x

2
).
Theo mức độ bão hoà của mạch từ tản, điện kháng ngắn mạch x
n
có trị số khác
nhau, gây khó khăn cho việc phân tích số liệu thí nghiệm ngắn mạch khi vẽ đồ thị vòng
tròn. Mặt khác vẽ đồ thị vòng tròn theo x
n
là biến không có ý nghĩa thực tế gì lớn, do
đó thRờng chỉ nghiên cứu hai trRờng hợp: mạch từ tản chRa bão hoà ứng với lúc máy
làm việc bằng và dRới định mức và mạch từ tản bão hoà ứng với lúc mở máy.
5"$RG4V*0$+J@$AU'+$3;$3P*$'+45$WX,$+,7"$
ThRờng khi máy điện làm việc từ không tải đến định mức thì dòng điện không lớn
nên ảnh hRởng của bão hoà mạch từ tản là ít, điện kháng ngắn mạch x
n
có thể coi nhR
không đổi. Lúc đó ta có thể dùng các số liệu thí nghiệm ngắn mạch để vẽ đồ thị vòng
tròn một cách dễ dàng.

cos == (17-18)
Vòng tròn vẽ theo những số liệu này gọi là vòng tròn làm việc, dùng để xác định
các đặc tính làm việc của máy điện với công suất định mức trở xuống.
W"$RG4V*0$+J@$AU'+$3;$3P*$WX,$+,7$
Khi mở máy, dòng điện lớn (thRờng
bằng 4 ữ 7 lần dòng điện định mức) nên
mạch từ tản chịu ảnh hRởng của bão hoà,
điện kháng x
n
sẽ nhỏ đi, đRờng kính vòng
tròn trong trRờng hợp này sẽ lớn hơn vòng
tròn làm việc. Vòng tròn này dùng để xác
định các đặc tính mở máy của máy điện
không đồng bộ nên gọi là vòng tròn mở
máy.
Muốn dùng thí nghiệm ngắn mạch để
vẽ đồ thị vòng tròn lúc mở máy, ta phải vẽ
cả đRờng đặc tính ngắn mạch bằng cách
thay đổi điện áp ngắn mạch và tìm quan
hệ giữa điện áp và dòng điện ngắn mạch 74
H

K

C

Hình 17-9. Vẽ đồ thị vòng tròn bằng số

việc và đồ thị vòng tròn mở máy

U
1
0

C


K


Khu vực quá độ

Vòng tròn

mở máy
Vòng tròn

làm việc
nhR ở hình 17-8. Kéo dài đoạn bão hoà của đRờng đặc tính ngắn mạch có thể tìm đRợc
dòng điện ngắn mạch định mức
,,
nd
I
và hệ số công suất ngắn mạch định mức
,,
cos
nd



=
và
,,
,,
,,
3
cos
nddm
nd
nd
IU
P
=
(17-19)
trong đó I

n
, P

n
, U

n
là các trị số đo đRợc qua thí nghiệm ngắn mạch ở khu vực mạch từ
đã bão hoà.
'"$Y&'+$6Z$3+N'$3[$(?$3+)$6\*0$3G\*$W]*0$-I$M9:1$3+S$*0+9:A"$
Cách vẽ này đRợc tiến hành nhR sau:
1. Từ thí nghiệm không tải biết dòng điện từ hoá (coi nhR bằng dòng không tải),
tính ra cos

Muốn đRợc đRờng P
đt
= 0 (đRờng HT)
thì từ K kẻ đRờng thẳng góc với trục hoành
gặp đRờng HC ở K
2
. Đoạn
2
KK
biểu thị
tổng tổn hao đồng lúc ngắn mạch. Trên
đoạn
2
KK
lấy đoạn
21
KK
chỉ tổn hao
đồng trên cuộn stato. Nối HK
1
gặp đRờng
tròn ở điểm T. Cách xác định điểm K
1
nhR
sau:
Theo ý nghĩa của
2
KK
và
21

là điện trở pha của dây quấn
stato, có thể đo đRợc trực tiếp; r
n
= r
1
+ r

2

là điện trở ngắn mạch, có thể tìm đRợc từ
thí nghiệm ngắn mạch:

2
1 dm
n
n
Im
P
r = (17-21)
Cần chú ý là các điện trở này đều phải
qui về nhiệt độ 75
0
C trRớc khi sử dụng.
4. Muốn vẽ vòng tròn mở máy ta sử
dụng các trị số
,,
nd
I
,
,,


&
0
I
&

Z
1
22
1
,
2
1
)(
j
eC
s
r
r

+

2
2
1
)(
j
m
n
e

x
r
j
x
x
jx
jxr
Z
Z
C
mmmm
1
11111
1
)1(11
&
(17-22)
trong đó:
mmm
x
x
r
r
x
x
C
1
2
1
2

r
tg
m
=
+
=

Tổng trở mạch điện thay thế bằng:

=+=+
22
1
,
211
,
2
2
111
)(
j
s
j
s
eCZeCZZCZC
&&

])()sin(cos)[(
2
1
,


++
=
1
1
2
1
2
1
1
)(
sin

1
)(
cos
2
1
2
1
1

++
+
=
m
m
xxr
xx


Mạch điện thay thế nhR ở hình 17-11
và dòng điện tải bằng:
)/(
2
1
,
2
2
111
2
1
,
2
1
2
1
,
2
m
j
xrxCxCjC
s
r
r
eU
I
++++
=

&


p
cu
= 0

U
1
0
2

p = 0

L

H

H


D

b
c

d

g

b


U
1
2
1
1
/

+

PhRơng pháp dùng thí nghiệm vẽ
vòng tròn giống nhR trRớc, chỉ có lấy HC
lệch với trục hoành một góc 2.
Đoạn Da chỉ công suất P
1
. Vẽ Dg
thẳng góc với HC, chiếu các điểm c, d, g
lên đRờng Da gặp ở các điểm c

, d

, g

.
Ta có:

0
. Pmag
p
= ;


3. Trong phạm vi làm việc của máy phát điện không đồng bộ, có một đoạn ở phía
trên trục hoành, lúc đó máy lấy công suất tác dụng từ lRới vào nhRng máy lại ở trạng
thái máy phát. Giải thích điều này nhR thế nào?