Động cơ không đồng bộ – CHI TIẾT

1. Khái niệm động cơ không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của roto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n₁.

Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt.

Động cơ không đồng bộ thực tế 

Động cơ điện không đồng bộ có các loại: động cơ ba pha, hai pha và một pha. Các động cơ có công suất nhỏ hơn 600 W thường là động cơ ba pha có ba dây quấn làm việc, trục các dây lệch nhau trong không gian một góc 120⁰ điện.

Các thông số trên động cơ không đồng bộ là:

·Công suất cơ có ích trên trục       P_đm

·Điện áp dây stato                           U_đm

·Dòng điện dây Stato                      I_đm

·Tần số dòng điện stato                  f

·Tốc độ quay roto                           n

·Hệ số công suất                           Cosφ

·Hiệu suất                                        

2. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ ba pha

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là: stato và roto, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.

Mặt cắt ngang hai bộ phận chính của máy điện không đồng bộ ba pha 

2.1 Stato

Stato là phần tĩnh gồm hai phần chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra có võ máy và nắp máy.

a. Lõi thép

Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép và bên trong vỏ máy.

Lõi thép stato có các rãnh hướng trục 

b. Dây quấn

Dây quấn stato làm bằng dây quấn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh lõi thép. Hình dưới là sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh của stato, dây quấn pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt trong các rãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt trong các rãnh 2, 5, 8, 11.

Sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh

Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay.

c. Vỏ máy

Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ. Hai đầu vỏ có nắp máy, ở đỡ trục. Võ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy.

2.2 Roto

Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.

a. Lõi thép

Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục.

Mặt cắt ngang của lõi thép stato 

b. Dây quấn

Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi là roto không đồng bộ lồng sóc) và roto dây quấn.

Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ lồng sóc. Loại roto lồng sóc công suất trên 100 kW, trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành các lồng sóc.

Roto lồng sóc công suất lớn 

Ở động cơ roto lồng sóc công suất nhỏ được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc ngắn mạch và cánh quạt làm mát.

Roto lồng sóc công suất nhỏ

Loại động cơ có roto dây quấn gọi là động cơ không đồng bộ roto dây quấn. Trong rãnh lõi thép roto người ta đặt dây quấn ba pha. Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và được cách điện với trục.

Roto dây quấn

Nhờ ba chổi than tì sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn roto được nối với 3 vòng tiếp xúc, nhờ đó chổi than dây quấn roto nối được với ba biến trở bên ngoài để mở máy hay điều chỉnh tốc độ.

Dây quấn roto có thể nối với biến trở ngoài 

Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo. Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động.

3. Từ trường của động cơ không đồng bộ

3.1 Từ trường đập mạch của dây quấn một pha

Từ trường của dây quấn một pha là từ trường có phương không đổi, song trị số và chiều biến đổi theo thời gian, được gọi là từ trường đập mạch. Gọi p là số đôi cực, ta có thể cấu tạo dây quấn để tạo ra từ trường một, hai hoặc p đôi cực.

Xét một ví dụ dây quấn một pha đặt trong 4 rãnh của stato. Dòng điện trong thanh 1 có chiều đi từ ngoài hướng vào trang giấy được ký hiệu là , dòng điện trong thanh 2 có chiều ngược lại được ký hiệu là . Tương tự cho các thanh còn lại (hình dưới).

Theo quy tắc vặn nút chai, căn cứ theo chiều dòng điện ta xác định được chiều của từ trường. Thanh 1 và 4 liền kề có cùng chiều dòng điện, tương tự thanh 2 và 3 nên trong trường hợp dây quấn như trên tạo nên từ trường một đôi cực: p=1.

Dây quấn một pha một cặp cực 

Ta xét một trường hợp khác dây quấn một pha đặt trong từ 4 rảnh stato nhưng thay đổi cấu tạo dây quấn (hình dưới). Trong trường hợp dây quấn này tạo nên từ trường hai đôi cực: p=2.

Dây quấn một pha hai cặp cực

3.2 Từ trường dây quấn ba pha

Dòng điện xoay chiều ba pha có ưu điểm lớn là tạo ra từ trường quay trong các máy điện.

a. Sự tạo thành từ trường quay

Hình bên dưới vẽ mặt cắt ngang của máy điện ba pha đơn giản, trong đó dây quấn ba pha đối xứng ở stato AX, BY, CZ đặt trong sáu rãnh. Trục của các dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc 120⁰ điện.

Giả thiết trong 3 dây quấn có dòng điện ba pha đối xứng chạy qua, ta có:

Để thấy rõ sự hình thành từ trường, khi vẽ từ trường ta quy ước chiều dòng điện như sau: Khi xét tại một điểm dòng điện pha nào dương có chiều từ đầu tới cuối pha, đầu được ký hiệu là và cuối ký hiệu là . Dòng điện pha nào âm có chiều và ký hiệu ngược lại.

Ta xét ở các thời điểm khác nhau trong một chu kỳ dòng điện:

• Thời điểm pha ωt = 90⁰

Dòng điện pha đạt cực dương đại, dòng điện pha B,C âm. Nên đầu A ký hiệu là và cuối X ký hiệu là , ngược lại cho pha B và C.

Theo quy tắc vặn nút chai ta xác định được chiều đường sức từ do các dòng điện sinh ra là từ trường một đôi cực có chiều như hình vẽ.

• Thời điểm pha ωt = 90⁰ + 120⁰

Ở thời điểm này dòng điện pha B cực đại dương, các dòng pha A và C âm. Tương tự ta xác định được từ trường được sinh ra, và nhận thấy từ trường đã quay một góc 120⁰ so với thời điểm đầu.

• Thời điểm pha ωt = 90⁰ + 240⁰

Ở thời điểm này dòng điện pha C cực đại dương, các dòng pha A và B âm.  Ta xác định được từ trường được sinh ra, và nhận thấy từ trường đã quay một góc 240⁰ so với thời điểm đầu.

Mặt cắt ngang của dây quấn ba pha đơn giản

Qua sự phân tích trên, ta thấy từ trường tổng của dòng điện ba pha là từ trường quay. Từ trường quay móc vòng với cả hai dâu quấn stato và roto, đó là từ trường chính của máy điện, tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng.

Với cấu tạo dây quấn như trên, ta có được từ trường quay một đôi cực. Để thay đổi số cặp cực người ta sẽ thay đổi cấu tạo của dây quấn.

b. Đặc điểm của từ trường quay

• Tốc độ từ trường quay

Ta đã biết khi từ trường có một đôi cực, khi dòng điện biến thiên một chu kỳ thì từ trường quay được một vòng. Do đó tốc độ của từ trường quay là n₁=f (vòng/giây).

Khi từ 2 đôi cực, dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay được 1/2 vòng (từ cực N®S®N là 1/2 vòng), do đó tốc độ từ trường quay là n₁ = f/2 (vòng/giây).

Một cách tổng quát, khi từ trường quay có p đôi cực, tốc độ từ trường quay là:

(vòng/giây) hay  (vòng /phút)

• Chiều quay của từ trường

Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện. Muốn đổi chiều quay của từ trường ta thay đổi thứ tự hai pha với nhau.

Khi thứ tự dòng điện của các pha cực đại là pha A, B, C một cách chu kỳ thì từ trường quay từ trục dây quấn pha A đến trục dây quấn pha B rồi đến trục dây quấn pha C một cách tương ứng (A®B®C).

Nếu ta đổi thứ tự hai pha B và C cho nhau, tức là i_B vào dây quấn CZ, dòng điện i_C vào dây quấn BY, từ trường sẽ quay theo chiều từ trục dây quấn AX đến trục dây quấn CZ rồi đến trục dây quấn BY (B®A®C), nghĩa là từ trường quay theo chiều ngược lại.

Thay đổi thứ tự pha của dây quấn

Thay đổi từ trường quay sẽ thay đổi chiều quay của động cơ không đồng bộ ba pha.

Thay đổi chiều quay của động cơ không đồng bộ ba pha

• Biên độ của từ trường quay

Từ trường quay sinh ra từ thông xuyên qua mỗi dây quấn. Ví dụ xét từ thông của từ trường quay xuyên qua dây quấn AX. Trong hệ thống dòng điện ba pha đối xứng, người ta chứng minh được:

Mà i_A = I_max.Sin(ωt), nên từ thông của dòng điện pha A là:

Cuối cùng ta có:

Vậy từ thông của từ trường quay xuyên qua dây quấn biến thiên hình sin và có biên độ bằng 3/2 từ thông cực đại cả một pha.

Xem các phần tiếp theo …