Máy điện không đồng bộ là gì? Cấu tạo máy điện không đồng bộ

Khái niệm máy điện không đồng bộ là gì

Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rô to n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n₁. Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và máy phát.

Máy điện không đồng bộ ít dùng vì có đặc tính làm việc không tốt, nên trong chương này ta chỉ xét động cơ không đồng bộ. Động cơ không đồng bộ được sử dụng nhiều trong sản xuất và trong sinh hoạt vì chế tạod dơn giản, giá thành rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không bảo trì. Dãy công suất của nó rất rộng từ vài watt đến hàng ngàn kilowatt. Hầu hết là động cơ bap ha, có một só động cơ công suất nhỏ là một pha.

Xem thêm:

• Động cơ không đồng bộ 3 pha
• Máy điện đồng bộ là gì

Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ ba pha là:

• Công suất cơ có ích trên trục:      P_dm (kW).
• Điện áp dây stato:                        U_dm (V).
• Dòng điện dây stato:                    I_dm (A).
• Tốc độ quay rôto:                         n_dm (vòng/phút).
• Hệ số công suất:                          Cosφ_dm.
• Hiệu suất:                                     ᶯ_dm.
• Tần số:                                          f_dm(Hz).

Nếu gọi P_1dm là công suất tác dụng động cơ không đồng bộ bap ha nhận từ lưới điện khi làm việc với tải định mức, ta có:

P_1dm = P_dm / ᶯ_dm = √3 U_dmI_dm Cosφ_dm

Cấu tạo của động cơ không đồng bộ

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ được trình bày trên hình 7.1, gồm hai bộ phận chủ yếu là stator và rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy. Trục làm bằng thép, trên đó gắn roto, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.

Stato (sơ cấp hay phần ứng)

Stato gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy (hình 7.1). Còn hình 7.3c là ký hiệu động cơ trên sơ đồ điều khiển.

1 – Lõi thép stato; 2 – Dây quấn stato; 3 – Nắp máy; 4 – Ổ bi; 5 – Trục máy; 6 – Hộp dầu cực; 7 – Lõi thép stato; 8 – Thân máy; 9 – Quạt gió làm mát; 10 – Hộp quạt

Lõi thép stato

Lõi thép stator có dạng hình trụ (hình 7.2b), làm bằng các lá thép ký thuật điện, được dập rãnh bên trong (hình 7.2a) rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.

Dây quấn stato

Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép (hình 7.2a). Trên hình 7.2c vẽ sơ đồ khai triển dây quấn bap ha đặt trong 12 rãnh của một máy điện, dây quấn pha A đặt trong các rãnh 1, 4, 7, 10; pha B đặt trong các rãnh 3, 6, 9, 12; pha C đặt trong các rãnh 5, 8, 11, 2.

Dòng điện xoay chiều bap ha chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo nên từ trường quay.

Xem thêm: Sơ đồ quấn dây stato động cơ 3 pha

Vỏ máy

Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang

Rotor (thứ cấp hay phần quay)

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

Lõi thép

Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài dập rãnh (hình 7.2a) để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục.

Dây quấn

Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu là rotor ngắn mạch còn gọi là rô to lồng sóc và rotor dây quấn.

• Rotor lồng sóc (hình 7.3a) gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ cỡ nhỏ, dây quấn rotor được đúc bằng nhôm nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát (hình 7.3b). Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch.

Xem thêm: máy bơm nước loại nào tốt

Dòng điện xoay chiều 3 pha chạy trong dây quấn bap ha stato sẽ tạo nên từ trường quay.

• Rô to dây quấn (hình 7.4) cũng quấn giống như dây quấn bap ha stato và có cùng số cực từ như dây quấn stato. Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu hình sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của rô to và cách điện với trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chình tốc độ.

Từ trường của máy điện không đồng bộ

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.

Xét dây quấy một pha AX đặt trong 4 rãnh của stato (hình 7.5a,b). Cho dòng điện hình sin i_A = I_msinὼt chạy qua dây quấn. Giả thiết chiều dòng diện trong các dây dẫn được vẽ trên hình 7.5a,b. Căn cứ vào chiều dòng điện, vẽ chiều từ trường theo quy tắc vặn nút chai. Dây quấn hình 7.5a tạo thành từ trường một đôi cực.

Từ trường đấu dây quấn như trên hình 7.6, ta sẽ được một từ trường đập mạch 4 cực. Chú ý rằng trên hình 7.5 dây quấn được chia làm hai nhóm nối song song, còn trên hình 7.6 dây quấn được mắc nối tiếp.

Từ trường quay của dây quấn ba pha

Sự hình thành từ trường quay

Xét máy điện bap ha đơn giản, trên stato có 6 rãnh (hình 7.7). Trong đó người ta đặt dây quấn bap ha đối xứng AX, BY, CZ. Trục của các dây quấn bap ha lệch nhau trong không gian một góc 120⁰ điện.

Giả thiết rằng trong ba dây quấn có hệ thống dòng điện ba pha đối xứng thứ tự thuận chạy qua:

Lúc đó từ cảm B_A, B_B, B_C do các dòng điện i_A, i_B, i_C tạo ra riêng rẽ là các từ cảm đập mạch có phương lần lượt trùng với trục các pha A, B, C còn chiều cho bởi quy tắc vặn nút chai và độ lớn tỉ lệ lần lượt với i_A, i_B, i_C. Từ cảm do cả ba dòng điện tạo ra là tổng vectơ:

B = B_A + B_B + B_C               (7.2)

Ta xét B tại các thời điểm khác nhau:

• Xét thời điểm ὼt = 90⁰ (hình 7.7a)

Ở thời điểm này, dòng điện pha A cực đại và dương (i_A = I_m) nên B_A cũng cực đại và hướng theo chiều dương của trục pha A (B_A = B_m). Đồng thời các dòng điện pha B và C âm (i_B = i_C = -I_m/2) nên B_B hướng theo chiều âm của trục pha B và C, và có độ dài B_m/2. Từ cảm tổng B hướng theo chiều dương của trục pha A và có độ dài (3/2)B_m.

• Xét thời điểm ὼt = 90⁰ + 120⁰ (hình 7.7b)

Lúc này là thời điểm sau thời điểm đã xét ở trên một phần ba chu kỳ. Ở thời điểm này, dòng điện pha B cực đại và dương, các dòng điện pha A và C âm. Lý luận tương tự, ta thấy từ trường tổng B hướng theo chiều dương của trục pha B, có độ dài (3/2)B_m và đã quay đi một góc 120⁰ so với thời điểm ὼt = 90⁰.

• Xét thời điểm ὼt = 90⁰ + 240⁰ (hình 7.7c)

Lúc này là thời điểm sau thời điểm đầu hai phần ba chu kỳ. Ở thời điểm này, dòng điện pha C cực đại và dương, các dòng điện pha A và B âm. Lý luận tương tự, ta thấy từ trường tổng B hướng theo chiều dương của trục pha C, có độ dài (3/2)B_m và đã quay đi một góc 240⁰ so với thời điểm ὼt = 90⁰.

Qua phân tích trên ta thấy, từ trường tổng của hệ thống dòng điện hình sin bap ha đối xứng chạy qua dây quấn bap ha là từ trường tròn có biên độ bằng 3/2 từ trường cực đại của một pha. Từ trường quay móc vòng với cả hai dây quấn stato và rô to là từ trường chính của máy điện, nó tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng.

Với cách cấu tạo và quấn như hình 7.7, ta có từ trường quay một đôi cực. Nếu thay đổi cách cấu tạo dây quấn, ta có từ trường quay 2, 3, … đôi cực.

Đặc điểm từ trường quay

Tốc độ từ trường quay

Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stato f và số đôi cực từ p. Thật vậy, với dây quấn hình 7.5, máy có một đôi cực p = 1, khi dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay một vòng. Do đó dòng điện biến thiên f chu kỳ trong một giây, từ trường quay f vòng/giây. Với dây quấn hình 7.6, máy có hai đôi cực p = 2, khi dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay ½ vòng (từ cực N qua S đến N là 1/2 vòng). Do đó dòng điện biến thiên f chu kỳ trong một giây, từ trường quay f/2 vòng/giây. Một cách tổng quát, khi máy cóp đôi cực từ, dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay 1/p vòng. Do đó dòng điện biến thiên f chu kỳ trong một giây, từ trường quay f/p vòng/giây. Vậy tốc độ từ trường quay (hay còn gọi là tốc độ đồng bộ) trong một giây là:

n₁ = f / p (vòng/giây) hoặc n₁ = 60f / p (vòng/phút)          (7.3b)

Chiều từ trường quay

Chiều của từ trường quay phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện. Muốn đổi chiều quay của từ trường ta thay đổi thứ tự hai trong ba pha cho nhau. Giả sử đi dọc theo chu vi stato ta lần lượt gặp trục các pha A, B, C theo chiều kim đồng hồ (7.7). Nếu thứ tự pha thuận, từ trường B sẽ lần lượt quét qua các trục pha A, B, C,… theo chiều kim đồng hồ (nam châm giả SN quay theo chiều kim đồng hồ). Nếu thứ tự pha ngược, cực đại dòng các pha i_A, i_B, i_C lần lượt xảy ra theo thứ tự A, C, B, … và từ trường B sẽ lần lượt quét qua các trục pha theo thứ tự A, C, B… nghĩa là ngược chiều kim đồng hồ.

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ

Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha có tần số f₁ vào dây quấn stato, trong dây quấn stato sẽ có hệ thống dòng 3 pha chạy qua, dòng điện này sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n₁ = 60f₁/p. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn roto và cảm ứng trong đó các sức điện động E₂. Vì dây quấn rô to nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện I₂ trong các thanh dẫn roto. Lực tác dụng tương hổ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rô to I₂, kéo roto quay theo chiều của từ trường quay với tốc độ n.

Để minh họa, ta xét từ trường quay B của stato đang quay theo chiều kim đồng hồ với tốc độ n₁ (hình 7.8). Lúc đó thanh dẫn a của roto đang chuyển động trong từ cảm B với tốc độ (tương đối) v nên trong thanh dẫn a của rô to cảm ứng sức điện động e₂ có chiều cho bởi:

e₂ = 1 x v x B          (7.7)

tức là e₂ hướng từ trước ra sau. Vì rô to ngắn mạch nên E₂ tạo ra dòng điện I₂ cùng chiều E₂.

Dòng điện i₂ đặt trong từ cảm B sẽ chịu tác dụng lực điện từ có chiều cho bởi :

F₂ = 1 x i₂ x B        (7.8)

tức là cùng chiều từ trường quay stato.

Tốc độ rô to của máy n luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n₁, vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rô to không có sức điện động và dòng điện cảm ứng, nên lực điện từ bằng không.

Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rô to gọi là tốc độ trượt n₂:

n₂ = n₁ – n

Hệ số trượt của tốc độ là:

s = n₂ / n₁ = (n₁ – n) / n₁ = (Ω₁ – Ω) / Ω₁          (7.9)

trong đó Ω₁ = 2 πn₁ và Ω = 2 πn là tốc độ góc của từ trường quay và của rô to.

Khi roto đứng yên, tốc độ n = 0, hệ số trượt s = 1; khi rô to quay định mức s = 0,02 ~ 0,06. Tốc độ động cơ là:

n = n₁(1-s) = 60f₁ / p (1-s) vg/ph              (7.10)