Bài giảng Chương 2: Động cơ điện - Lê Ngọc Bích

Chương 2: Động Cơ Điện*TS. Leâ Ngoïc BíchKhoa Cô KhíBoä moân Cô Ñieän TöûKhái niệm chung về động cơ điện Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ. Máy điện dùng để chuyển đổi ngược lại (từ cơ sang điện) được gọi là máy phát điện hay dynamo. Các động cơ điện thường gặp dùng trong gia đình như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước, máy hút bụi...Ứng dụngNgày nay động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực, từ các động cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng để chuyển động đĩa quay, hay trong các máy đọc đĩa (máy chơi CD hay DVD), đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như máy giặt, sự hoạt động của thang máy hay các hệ thống thông gió cũng dựa vào động cơ điện. Ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặt biệt trong các đầu máy xe lửa.Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ)Nguyên lý hoạt độngPhần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu. Khi cuộn dây trên rotor và stator được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen.Nguyên lý hoạt động*Nguyên lý hoạt độngPhần lớn các động cơ điện họat động theo nguyên lý điện từ, nhưng loại động cơ dựa trên nguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng điện áp cũng được sử dụng. Nguyên lý cơ bản mà các động cơ điện từ dựa vào là có một lực lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ trường. Lực này theo mô tả của định luật lực Lorentz và vuông góc với cuộn dây và cả với từ trường.Phần lớn động cơ từ đều xoay nhưng cũng có động cơ tuyến tính. Trong động cơ xoay, phần chuyển động được gọi là rotor, và phần đứng yên gọi là stator.Phân loại động cơ điện Đặc tính cơ của động cơ điện Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ: w=f(M).Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo. Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ khác nhau thì khác nhau và sẽ được phân tích trong phần sau.Đặc tính cơ tự nhiên: Đó là quan hệ w = f(M) của động cơ điện khi các thông số như điện áp, dòng điện... của động cơ là định mức theo thông số đã được thiết kế chế tạo và mạch điện của động cơ không nối thêm điện trở, điện kháng...Đặc tính cơ nhân tạo: Đó là quan hệ w = f(M) của động cơ điện khi các thông số điện không đúng định mức hoặc khi mạch điện có nối thêm điện trở, điện kháng... hoặc có sự thay đổi mạchnối.Đặc tính cơ của động cơ điệnTrong hệ TĐĐ bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện - cơ. Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của động cơ điện. Người ta định nghĩa như sau: Dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ Pcơ = M.w cấp cho máy SX (sau khi đã có tổn thất DP).Công suất cơ Pcơ có giá trị dương nếu mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay, có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều quay.Công suất điện Pđiện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn.Đặc tính cơ của động cơ điệnĐặc tính cơ của động cơ điệnTrong hệ thống TĐĐ, động cơ điện có nhiệm vụ cung cấp động lực cho cơ cấu sản xuất. Các cơ cấu sản xuất của mỗi loại máy có các yêu cầu công nghệ vμ đặc điểm riêng. Máy sản xuất lại có rất nhiều loại, nhiều kiểu với kết cấu rất khác biệt. Động cơ điện cũng vậy, có nhiều loại, nhiều kiểu với các tính năng, đặc điểm riêng.Đặc tính cơ của động cơ điệnVới các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ. Để một hệ thống TĐĐ làm việc tốt, có hiệu quả thì giữa động cơ điện và cơ cấu sản xuất phải đảm bảo có một sự phù hợp tương ứng nμo đó. Việc lựa chọn hệ TĐĐ và chọn động cơ điện đáp ứng đúng các yêu cầu của cơ cấu sản xuất có ý nghĩa lớn không chỉ về mặt kỹ thuật mà cả về mặt kinh tế.Do vậy, khi thiết kế hệ thống TĐĐ, người ta thường chọn hệ truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh tốc độ sao cho đường đặc tính cơ của động cơ cμng gần với đường đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất càng tốt. Nếu đảm bảo được điều kiện này, thì động cơ sẽ đáp ứng tốt đòi hỏi của cơ cấu sản xuất khi mômen cản thay đổi và tổn thất trong quá trình điều chỉnh là nhỏ nhất.Động cơ DCLực tác dụng lên cuộn dây:với:	F: lực tác dụng lên cuộn dây (N)	I: dòng chạy qua cuộn dây (A)	B: cường độ từ trường (G)	L: chiều dài cuộn dây (m)	: góc tạo bởi vectơ B và IĐộng cơ DCPhần ứng động cơ DCMoment tạo ravới:	T: moment động cơ 	KT: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ	IA: dòng điện phần ứng	: từ thôngĐộng cơ DCKhi phần ứng quay trong môi trường từ trường, một sức điện động sẽ xuất hiện trên các cuộn dây của phần ứng (ngược chiều với điện áp nguồn cấp vào phần ứng).Điện áp thực trên phần ứngvới:	VA: điện áp thực trên phần ứng 	VTn: điện áp nguồn cấp vào phần ứng	CEMF: điện áp tạo ra bởi động cơ	 IA: dòng điện phần ứng	 RA: trở kháng phần ứngvới:	EMF: điện áp tạo ra 	KE: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ	: từ thông	S: tốc độ động cơ (rpm)Động cơ DCThí dụ: Một động cơ 12 Vdc có điện trở phần ứng là 10  và sức điện động tạo ra là 0.3 V/100 rpm. Xác định dòng phần ứng thực tế khi động cơ làm việc ở vận tốc 0 rpm và ở vận tốc 1000 rpm. Giải: ta có S = 0 rpm S = 1000 rpmLưu ý: khi động cơ làm việc, dòng điện trên phần ứng giảm điCác loại động cơ điện phổ biếnĐộng cơ không đồng bộ ba pha, Động cơ cảm ứng một pha, Động cơ điện một chiều, Động cơ bước ĐộNG CƠ ĐIệN XOAY CHIềU Cấu tạoCấu tạoVề cấu tạo, động cơ điện xoay chiều 3 pha gồm có 2 phần chính:Phần cảm: gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trong không gian và được cấp điện xoay chiều 3 pha để tạo ra từ trường quay. Phần cảm thường đặt ở stator. Các cuộn dây pha phần cảm có thể nối theo hình sao hay tam giác tùy theo điện áp của mỗi cuộn dây pha và tùy theo điện áp lưới điện. Ví dụ; Với điện áp lưới là 380V/220V. Khi điện áp mỗi cuộn dây pha là 220V thì động cơ phải mắc theo dạng hình sao. Khi điện áp mỗi cuộn dây pha là 380V thì động cơ phải mắc theo dạng hình tam giác.Phần ứng: Cũng gồm 3 cuộn dây và thường đặt ở roto. Tùy theo kết cấu của ba cuộn day phần ứng mà động cơ điện xoay chiều ba pha chia ra hai loại:Cấu tạoKhi 3 cuộn dây phần ứng kết hợp thành một lồng trụ như hình sau với các thanh dẫn bằng nhôm thì roto được gọi là ro to lồng sóc.Cấu tạoKhi 3 cuộn dây phần ứng bằng dây đồng được nối hình sao và 3 đầu dây được đưa ra qua hệ vòng trượt-chổi than để nối với điện trở mạch ngoài thì roto được gọi là roto dây quấn. Nguyên lý hoạt độngKhi từ trường quay (giả sử theo chiều KĐH) của phần cảm quét qua các dây dẫn phần ứng thì trong các cuộn dây (hay thanh dẫn) phần ứng xuất hiện suất điện động cảm ứng. Nếu mạch phần ứng nối kín thì có dòng điện cảm ứng sinh ra (chiều xác định theo quy tắt bàn tay phải). Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắt bàn tay trái và tạo ra mô men làm quay phần cảm theo chiều quay của từ trường quay.Tốc độ quay của phần cảm luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay (không đồng bộ). Động cơ điện hoạt động theo nguyên tắt này được gọi là động cơ điện không đồng bộ (KĐB) hay động cơ điện dị bộ hoặc động cơ điện xoay chiều cảm ứng.Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐBKhi đóng điện trực tiếp vào động cơ KĐB để mở máy thì do lúc đầu rotor chưa quay, độ trượt lớn (s=1) nên s.đ.đ cảm ứng và dòng điện cảm ứng lớn.Dòng điện này có trị số đặc biệt lớn ở các động cơ công suất trung bình và lớn, tạo ra nhiệt đốt nóng động cơ và gây xung lực có hại cho động cơ.Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐBTuy dòng điện lớn nhưng mômen mở máy lại nhỏ: Đặc tính động cơ KĐB khi mở máy trực tiếp.Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐBDo vậy cần phải có biện pháp mở máy. Trường hợp động cơ có công suất nhỏ thì có thể mở máy trực tiếp. Động cơ mở máy theo đặc tính tự nhiên với mômen mở máy nhỏ.Những động cơ không mở máy trực tiếp thì có thể thực hiện một trong các phương pháp mở máy gián tiếp sau.Phương pháp dùng điện trở mở máy ở mạch rotor Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ rotor dây quấn vì điện trở mở máy ở mạch ngoài mắc nối tiếp với cuộn dây rotor.Phương pháp dùng điện trở mở máy ở mạch rotorLúc bắt đầu mở máy, các tiếp điểm công tắc tơ K1, K2, K3 đều mở, cuộn dây rotor được nối với cả 3 cấp điện trở phụ (R1+R2+R3) nên đường đặc tính cơ là đường 1. Tới điểm b, tốc độ động cơ đạt wb và mômen giảm còn M2, các tiếp điểm K1 đóng lại, cắt các điện trở phụ R1 ra khỏi mạch rotor.Động cơ được tiếp tục mở máy với điện trở phụ (R2+R3) trong mạch rotor và chuyển sang làm việc tại điểm c trên đặc tính 2 ít dốc hơn. Mômen tăng từ M2 lên M1 và tốc độ động cơ lại tiếp tục tăng.Động cơ làm việc trên đường đặc tính 2 từ c đến d. Lúc này, các tiếp điểm K2 đóng lại, nối tắt các điện trở R2. Động cơ chuyển sang mở máy với điện trở R3 trong mạch rotor trên đặc tính 3 tại điểm e và tiếp tục tăng tốc tới điểm f. Lúc này các tiếp điểm K3 đóng lại, điện trở R3 trong mạch rotor bị loại. Động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính tự nhiên tại g và tăng tốc đến điểm làm việc A ứng với mômen cản MC. Quá trình mở máy kết thúc.Phương pháp mở máy với điện trở hoặc điện kháng nối tiếp trong mạch stator Phương pháp này dùng điện trở hoặc điện kháng mắc nối tiếp với mạch stator lúc mở máy và có thể áp dụng cho cả động cơ rotor lồng sóc lẫn rotor dây quấn. Do có điện trở hoặc điện kháng nối tiếp nên dòng mở máy của động cơ giảm đi, nằm trong giá trị cho phép. Mômen mở máy của động cơ cũng giảm.Phương pháp mở máy với điện trở hoặc điện kháng nối tiếp trong mạch statorThời điểm ban đầu của quá trình mở máy, các tiếp điểm K2 đóng lại (các tiếp điểm K1 mở) để điện trở (hình a) hoặc điện kháng (hình b) tham gia vào mạch stator nhằm hạn chế dòng điện mở máy. Khi tốc độ động cơ đã tăng đến một mức nào đó (tuỳ hệ truyền động) thì các tiếp điểm K1 đóng lại, K2 mở ra để loại điện trở hoặc điện kháng ra khỏi mạch stator. Động cơ tăng tốc đến tốc độ làm việc. Quá trình mở máy kết thúc.Sơ đồ hình trên là mở máy với 1 cấp điện trở hoặc điện kháng ở mạch stator. Có thể mở máy với nhiều cấp điện trở hoặc điện kháng khi công suất động cơ lớn.Phương pháp mở máy dùng máy biến áp tự ngẫuPhương pháp này được sử dụng để đặt một điện áp thấp cho động cơ khi mở máy. Do vậy, dòng điện của động cơ khi mở máy giảm đi.Các tiếp điểm K' đóng, K mở lúc mở máy. Khi K' mở, K đóng thì quá trình mở máy kết thúc. Phương pháp mở máy dùng cuộn kháng X và máy biến áp tự ngẫu thích hợp cho việc mở máy các động cơ cao áp.Phương pháp đổi nối U - D khi mở máyĐộng cơ KĐB làm việc bình thường ở sơ đồ mắc D các cuộn stator thì khi mở máy có thể mắc theo sơ đồ Y. Thực chất của phương pháp này là giảm điện áp đặt vào cuộn dây stator khi đổi nối vì Uph = Ud khi mắc D, còn khi mắc Y thì điện áp giảm căn 3 lần:Đảo chiều quay động cơ điện KĐBĐể đảo chiều quay của động cơ KĐB, cần đảo chiều quay của từ trường quay do stator tạo ra. Muốn vậy, chỉ cần đảo chiều hai pha bất kỳ trong 3 pha nguồn cấp cho stator. Thank You !