Bài giảng Động cơ điện không đồng bộ

CHƯƠNG 4. ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 4-1. ĐẠI CƯƠNGNguồn động lực chủ yếu sử dụng trong sản xuất và sinh hoạt đời sống hiện nay là động cơ điện một chiều và xoay chiều. Động cơ điện xoay chiều có thể chia thành hai loại lớn, đó là động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ. Tuỳ theo nguồn điện sử dụng là ba pha hay một pha mà người ta chia động cơ không đồng bộ ra thành loại: 3 pha và 1 pha.Động cơ không đồng bộ 3 pha có ưu điểm: cấu tạo đơn giản nên tương đối rẻ tiền, dễ vận hành, vì vậy nó được sử dụng phổ biến trong sản xuất công nghiệp. Nhược điểm động cơ không đồng bộ 3 pha là khó điều chỉnh tốc độ và cos thấp.Động cơ không đồng bộ 1 pha thường được dùng trong các thiết bị điện sinh hoạt và công nghiệp, công suất thường bé, từ vài oát đến hơn một ngàn oát, sử dụng nguồn xoay chiều một pha 110/220V. So với động cơ không đồng bộ 3 pha cùng kích thước thì công suất công suất của động cơ không đồng bộ 1 pha chỉ bằng 70% công suất của động cơ không đồng bộ 3 pha, nhưng thực tế do khả năng quá tải thấp nên trừ động cơ kiểu điện dung, công suất của động cơ không đồng bộ 1 pha thường chỉ vào khoảng 50% công suất động cơ không đồng bộ 3 pha.Do sử dụng nguồn xoay chiều một pha nên động cơ không đồng bộ 1 pha được dùng khá phổ biến trong sinh hoạt và sản xuất nhỏ. Tuy nhiên do cấu tạo tương đối phức tạp nên giá thành động cơ không đồng bộ 1 pha thường cao, công việc vận hành và bảo quản cũng khó khăn hơn.Gọi là động cơ không đồng bộ vì tốc độ quay của rôto khác với tốc độ của từ trường quay trong máy. Đôi khi còn gọi là động cơ cảm ứng (vì sức điện động và dòng điện có được trong rôto là do cảm ứng). 4-2. CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KĐB.4.2.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha1. Cấu tạo Động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu tạo gồm hai phần chính là phần tĩnh (stato) và phần quay (rôto).a) Phần tĩnh (stato): gồm lõi thép, dây quấn và vỏ máy. + Lõi thép: dùng để dẫn từ, được chế tạo từ các lá thép kĩ thuật điện dày 0,35 mm hoặc 0,5 mm, dập theo dạng như hình 4-1a, trên bề mặt có phủ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện Phucô. Các lá thép được ghép lại thành hình trụ rỗng, bên trong hình thành các rãnh để đặt dây quấn (hình 4-1c). + Dây quấn: Dây quấn động cơ không đồng bộ 3 pha gồm 3 dây quấn pha, mỗi pha gồm nhiều bối dây, mỗi bối dây có nhiều vòng dây (hình 4-2a), các bối dây được lắp vào các rãnh của mạch từ (hình 4-2b). + Vỏ máy: gồm thân máy, nắp máy và chân đế. Vỏ máy dùng để cố định và bảo vệ mạch từ và bộ dây quấn, đồng thời là giá đỡ để rôto quay trong lòng stato. Vỏ máy thường đúc bằng gang hoặc thép (với động cơ công suất lớn). Hình 4-1. Lõi thép stato: a) Lõi thép hình vành khăn; b) Lõi thép hình rẻ quạt; c) Mạch từ statoa)b)c)a)b)Hình 4-2. Dây quấn của stato động cơ không đồng bộ 3 phaa) Bối dây; b) Các bối dây sau khi đặt vào rãnh mạch từ.b) Phần quay (rôto): gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. + Lõi thép: Lõi thép rôto cũng gồm các lá thép kĩ thuật điện dập định hình như ở hình 4-4a, hai mặt có sơn cách điện rồi ghép lại, mặt ngoài hình thành các rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có lỗ để ghép trục. + Dây quấn rôto: Dây quấn rôto của động cơ không đồng bộ 3 pha có hai kiểu: kiểu quấn dây và kiểu lồng sóc. - Kiểu lồng sóc: còn gọi là rôto ngắn mạch (hình 4-5). - Kiểu quấn dây: còn gọi là rôto pha (hình 4-6). + Trục máy: Trục được làm bằng thép tốt, có kết cấu kiểu trụ - bậc, được ghép chặt vào lõi thép rôto.a)b)Hình 4-4. Lá thép rôto của động cơ không đồng bộHình 4-5. Rôto lồng sóc của động cơ không đồng bộHình 4-6. Rôto (a) và sơ đồ mạch điện của rôto dây quấnb)RVòng trượtChổi thanDây quấn rôtoa) 2. Nguyên lý làm việcĐộng cơ không đồng bộ 3 pha làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.Cho dòng điện xoay chiều ba pha lệch nhau góc 1200 điện vào dây quấn ba pha đặt lệch nhau 1200 của stato động cơ không đồng bộ, trong máy sẽ hình thành một từ trường quay quay với tốc độ đồng bộ nĐB = 60f/p (vòng/phút), trong đó: f là tần số của nguồn điện, p là số đôi cực từ của động cơ. Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rôto, trong các thanh dẫn sẽ cảm ứng nên sức điện động e, Chiều của sức điện động cảm ứng được xác định theo qui tắc bàn tay phải (hình 4-7). nđbMnFFnTDBHình 4-7. Nguyên lí làm việc của ĐKB 3 phaVì rôto luôn kín mạch nên trong dây quấn rôto sẽ tạo ra dòng điện iR chạy. Dòng điện iR lại tạo ra từ trường rôto hợp với từ trường quay tạo thành từ trường trong khe hở giữa rôto và stato. Dòng điện iR chạy trong các thanh dẫn nằm trong từ trường nên bị tác dụng một lực điện từ F, chiều của lực điện từ F được xác định theo qui tắc bàn tay trái. Lực điện từ tạo nên mômen điện từ M kéo rôto quay theo chiều của từ trường quay (hình 4-7).Tốc độ của rôto luôn luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ (n < nĐB) nên gọi là động cơ không đồng bộ. Để chỉ sự khác nhau giữa tốc độ rôto và tốc độ từ trường quay, người ta dùng hệ số trượt s: s = (nĐB – n)/nĐBĐộng cơ không đồng bộ 3 pha có hệ số trượt định mức sđm = 0,02 ÷ 0,06. nđbMnFFnTDBHình 4-7. Nguyên lí làm việc của ĐKB 3 pha 4.2.2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha 1. Cấu tạo a) Phần tĩnh (stato): gồm lõi thép, dây quấn và vỏ máy. Dây quấn của động cơ không đồng bộ 1 pha gồm có hai cuộn dây: một cuộn là dây quấn chính (còn gọi là dây quấn làm việc), một cuộn là dây quấn phụ (còn gọi là dây quấn mở máy), hai dây quấn này đặt lệch nhau trong không gian góc 900 điện. b) Phần quay (rôto) Rôto của động cơ không đồng bộ một pha thường dùng là rôto lồng sóc, có cấu tạo tương tự như ở động cơ không đồng bộ 3 pha.Ngoài hai bộ phận chính trên còn có các bộ phận khởi động như tụ điện, ngắt điện li tâm hay rơle dòng điện, rơle điện áp ... 2. Nguyên lí làm việcKhi cho dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn làm việc của động cơ không đồng bộ một pha, dòng điện đó sinh ra từ trường đập mạch B. Từ trường đập mạch đó phân tích thành hai từ trường quay có biên độ bằng nhau và bằng 1/2 biên độ của từ trường đập mạch, quay ngược chiều nhau với cùng một vận tốc góc. Hai từ trường quay ngược chiều nhau BI và BN tạo ra hai mômen điện từ MT và MN ngược chiều nhau, tác dụng lên rôto của động cơ. Mômen tổng tác dụng lên rôto bằng tổng của hai mômen MT và MN. Tại điểm tốc độ bằng không (n = 0), mômen tổng bằng không (M = 0), động cơ không tự mở máy được. Nếu quay rôto theo chiều nào thì sẽ xuất hiện mômen quay theo chiều đó, tác động làm cho rôto tiếp tục quay.Trong thực tế, chiều quay của rôto phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận khởi động. 3. Khởi động động cơ không đồng bộ một pha Động cơ KĐB một pha muốn tự khởi động được thì phải có mômen mở máy (nghĩa là lúc n = 0 thì M ≠ 0), tức là phải có từ trường quay. Muốn thế, trên mạch từ của stato phải bố trí hai bộ dây quấn, một dây quấn chính và một dây quấn phụ. Hai dây quấn đó đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 điện, dòng điện chạy trong hai dây quấn đó phải lệch pha nhau về thời gian một góc 900 điện.Để tạo ra sự lệch pha của dòng điện chạy trong hai dây quấn, người ta mắc nối tiếp với dây quấn phụ một tụ điện hoặc một điện trở hay một cuộn dây gọi chung là phần tử dịch pha, trong đó tụ điện được dùng phổ biến hơn cả vì có nhiều ưu điểm hơn điện trở và cuộn dây. a) Động cơ không đồng bộ 1 pha dùng tụ khởi động dây quấn phụ được mắc nối tiếp với một tụ điện có điện dung lớn và một cái ngắt điện tự động (ngắt điện li tâm hoặc rơle dòng điện) (hình 4-8). Dây quấn chính được gọi là “dây chạy”, Dây quấn phụ được gọi là “dây đề” Tụ điện được gọi là tụ khởi động. Lúc bắt đầu khởi động ngắt điện li tâm đóng, cả cuộn chính và cuộn phụ được đóng vào lưới điện, động cơ được mở máy. Khi n ≈ 75%nđm thì ngắt điện li tâm mở, cuộn phụ được cắt khỏi nguồn, động cơ chỉ làm việc với cuộn dây chính. Hình 4-8. Động cơ KĐB 1pha mở máy bằng tụ điệnKCkđU~IchIphIb) Động cơ không đồng bộ 1 pha dùng tụ thường trực Sơ đồ mạch điện như ở hình 4-9, tụ điện mắc nối tiếp với cuộn dây phụ, nó vừa tham gia vào quá trình khởi động, vừa tham gia vào quá trình làm việc, chính vì vậy mà gọi là tụ thường trực (tụ ngâm). Nhờ thế động cơ được xem như động cơ điện hai pha. Loại này có đặc tính làm việc ổn định, hệ số công suất cos tương đối cao nhưng mômen khởi động không cao  thường sử dụng với các động cơ công suất bé.c) Động cơ vừa dùng tụ khởi động vừa có tụ thường trực Để có được ưu điểm của hai loại trên, nhất là để tạo ra mômen khởi động lớn, người ta dùng hai tụ, một thường trực và một khởi động (hình 4-10).Hình 4-9. Động cơ KĐB 1pha dùng tụ thường trựcCU~IchIphIHình 4-10. Động cơ KĐB 1 pha dùng tụ thường trựcCLVU~IchIphICkđKd) Động cơ không đồng bộ một pha không dùng tụ Ở một số động cơ công suất bé (khoảng 1/4, 1/3 HP, ...) có thể dùng chính trở kháng của dây quấn phụ để tạo sự lệch pha của dòng điện trong dây quấn chính và dây quấn phụ, nhưng lúc này góc lệch pha bé, thường chỉ đạt 300 ÷ 450. Loại này có mômen khởi động lớn hơn loại dùng tụ thường trực nhưng bé hơn loại dùng tụ khởi động. Sơ đồ như ở hình 4-11.e) Động cơ không đồng bộ một pha dùng vòng ngắn mạch Với các động cơ không đồng bộ 1 pha công suất bé từ vài oát đến hàng trăm oát, khi khởi động thường không mang tải hoặc tải rất nhỏ, thì thường được chế tạo theo kiểu vòng ngắn mạch. Hình 4-11. Động cơ KĐB một pha không dùng tụ U~IchIphIKKhi đặt điện áp xoay chiều vào cuộn dây để khởi động động cơ, dòng xoay chiều chạy trong dây quấn sẽ sinh ra từ thông  trên các cực từ. Từ thông  chia thành hai phần: - Phần từ thông 1 xuyên qua cực từ ngoài vòng ngắn mạch, có giá trị lớn; - Phần từ thông 2 xuyên qua phần cực từ có vòng ngắn mạch. 2 =  - 1.Từ thông 2 cảm ứng nên trong vòng ngắn mạch một sức điện động eV chậm sau 2 một góc π/2. Sức điện động ev sinh ra dòng iv chậm sau ev một góc V Dòng iV lại sinh ra từ thông ’2 cùng pha chạy trong phần mạch từ có vòng ngắn mạch có khuynh hướng làm giảm từ thông 2 a)Hình 4-12. Động cơ không đồng bộ 1 pha dùng vòng ngắn mạch: a) Cấu tạo; b) Đồ thị véctơ.IV12’2vvb)EVTừ thông tổng trong vòng ngắn mạch là V = 2 + ’2 . 1 là từ thông chính, V là từ thông phụ, hai từ thông 1 và V lệch nhau một góc  về thời gian và lệch nhau một góc  về không gian nên tạo ra từ trường quay và động cơ có mômen khởi động làm cho rôto quay. Đồ thị véctơ của sức điện động và từ thông như ở hình 4-12b.Động cơ không đồng bộ một pha dùng vòng ngắn mạch có cấu tạo đơn giản, giá thành hạ, nhưng mômen khởi động nhỏ, hệ số cos thấp, hiệu suất thấp và khả năng quá tải kém nên chỉ sử dụng khi động cơ có công suất bé.4. Đảo chiều quay động cơ không đồng bộ 1 phaNguyên tắc chung: để đảo chiều quay động cơ không đồng bộ một pha có dây quấn phụ là đổi chiều dòng điện chạy trong dây quấn phụ (hình 4-13), giữ nguyên chiều dòng điện trong dây quấn chính hoặc ngược lại.IchIphCKĐNĐLTU~a)IchIphCKĐNĐLTU~b)Hình 4-13. Đảo chiều quay động cơ KĐB 1 phaa) Quay thuận; b) Quay ngược