Giáo trình Máy điện 1 - Chương 11: Động cơ không đồng bộ một pha

Giáo trình giới thiệu tới người đọc các kiến thức đại cương về động cơ không đồng bộ một pha, nguyên tắc làm việc, mạch điện tương đương động cơ một pha, động cơ dùng dây quấn phụ khởi động, động cơ một pha dùng tụ, động cơ có vành ngắn mạch ở cực từ. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

MÁY ĐIỆN 1

2008

Chương 11

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA

11.1 ĐẠI CƯƠNG

Động cơ điện không đồng bộ một pha được sử dụng rất rộng rãi trong dân dụng và công nghiệp như đồng hồ, máy giặt, tủ lạnh, máy bơm, máy mài, quạt, các dụng cụ cầm tay, Nói chung là các động cơ công suất nhỏ Cụm từ “động cơ công suất nhỏ” chỉ các động cơ có công suất nhỏ hơn 350W Phần lớn động cơ một pha thuộc loại này, mặc dù chúng còn được chế tạo với công suất đến 11kW

và ở hai cấp điện áp 110V và 220V Trên hình 11-1 trình bày vài thiết bị sử dụng động cơ không đồng bộ một pha

11.2 CẤU TẠO

Về cấu tạo động cơ không đồng bộ một pha, stator giống động cơ không đồng

bộ ba pha nhưng trên đó ta đặt dây quấn một pha và được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều một pha, còn rotor thường làm rotor kiểu lồng sóc như trình bày trên hình 11-2

Hình 11-18 Ứng dụng động cơ không đồng bộ một pha một

a) Máy mài b) Máy khoan

Công tắc Chuông

11.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Cho dòng điện xoay chiều hình sin chạy vào dây quấn stator thì tạo ra từ trường stator có phương không đổi nhưng có độ lớn thay đổi hình sin theo thời gian, gọi là từ trường đập mạch, như đã biết ở chương 8:

Từ trường này sinh ra dòng điện cảm ứng trong trong các thanh dẫn dây quấn rotor và sẽ tạo ra từ thông rotor mà theo định luật Lenz, sẽ chống lại từ thông sinh

ra nó, tức ngược chiều với từ thông stator như trình bày trên hình 11-2 Từ đó ta xác định được chiều dòng điện cảm ứng và chiều của lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn rotor Ta thấy mômen tổng tác dụng lên rotor bằng không, do đó rotor không thể tự quay được Để động cơ có thể tự quay được được, trước hết ta phải quay rotor theo một chiều nào đó, như trình bày trên hình 11-3c là theo chiều kim đồng hồ, trong dây quấn rotor sẽ cảm ứng sđđ gọi là sđđ quay và tạo nên lực điện

từ, do đó động cơ sẽ tự tiếp tục quay theo chiều đó

Từ thông rotor

Từ thông stator

U

1

2

n1 n

1

n1 -n1

n

Để thấy rõ hơn nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha, ta nghiên cứu hình 11-3b, từ trường đập mạch B 

là tổng của hai từ trường quay thuận B1

và ngược B 2

cùng tốc độ quay n1 nhưng biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch và hai từ trường này quay ngược chiều nhau:



và tốc độ

p

f

So với tốc độ rotor, có hệ số trượt :

n

n n s

1

1 1

1













) s 2 ( ) (

) ( )

n

(

n )

n

(

s

1

1 1

1























(11-6)

 Từ trường quay B1

quay cùng chiều với rotor lúc động cơ làm việc, gọi

M

M

1

M

2

M

Hình 11-4 Moment của động cơ không

đồng bộ một pha

Hình 11-3 Động cơ không đồng bộ một pha một dây quấn

a) Từ thông và lực điện từ tác dụng lên rotor khi rotor đứng yên

b) Từ trường đập mạch được phân thành hai từ trường quay

c) Từ thông và lực điện từ tác dụng lên rotor khi rotor quay

 Từ trường quay B2

quay ngược chiều với rotor lúc động cơ làm việc, gọi là

từ trường quay ngược

Từ trường quay thuận B 1

tác dụng với dòng điện rotor sẽ tạo ra mômen quay thuận M1 (hình 11-4); Còn từ trường quay ngược B 2

tác dụng với dòng điện rotor

sẽ tạo ra moment quay ngược M2 (hình 11-4) Tổng đại số hai moment này cho ta đặc tuyến mômen theo hệ số trượt M = f(s):

Từ đặc tính trình bày trên hình 11- 4, ta thấy rằng lúc động cơ khởi động (n =

0, s = 1), M1 = M2 và ngược chiều nhau nên mômen tổng M = 0, vì vậy động cơ không thể tự quay được Nếu ta quay động cơ theo một chiều nào đó tức hệ số trượt s  1, như vậy M  0 động cơ sẽ tiếp tục quay theo chiều đó

Vì vậy để động cơ một pha tự làm việc được, ta phải có biện pháp khởi động, nghĩa là tìm cách tạo ra cho động cơ một moment lúc rotor đứng yên (M = MK  0 khi s =1)

11.4 MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỘNG CƠ MỘT PHA

Khi dây quấn stator của động cơ không đồng bộ một pha được cung cấp bằng nguồn một pha và rotor đứng yên Như vậy động cơ không đồng bộ một pha giống MBA khi dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch Mạch điện tương đương trình bày trên hình 11-5a

Trong đó :

R1 = điện trở của dây quấn stator

X1 = điện kháng tản của dây quấn stator

XM = điện kháng từ hóa

R’2 = điện trở của dây quấn rotor qui về dây quấn stator

X’2 = điện kháng tản của dây quấn rotor qui về dây quấn stator

U1 = điện áp vào của nguồn

E1 = sđđ cảm ứng trong dây quấn stator do tư thông khe hở Và :

trong đó  là từ thông khe hở; N là số vòng dây hiệu dụng

Theo lý thuyết phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, mạch điện thay thế hình 2a có thể phân thành hai nhánh như trình bày trên hình 11-5b, tương ứng với từ trường quay thuận và ngược, ta có các sđđ tương ứng :

Khi rotor đứng yên thì từ thông T = N nên ET = EN

1

U

1

I

R’2

jX’2

jX1

R1

jXM

o I

1

U

1

I

0,5R’ 2

0,5jX’ 2

jX1

R1

0,5jX’

2

jXM T

E 1

E +

_

Giả thiết rằng rotor quay với tốc độ nào đó trong từ trường quay thuận, ứng

hệ số trượt s Lúc này dòng điện cảm ứng trong dây quấn rotor có tần số sf1, f1 tần

số lưới điện nối vào dây quấn stator Như vậy giống máy điện không đồng bộ ba pha, tổng trở của dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận qui đổi về dây quấn stator là 0,5R’2/s + j0,5X’2.(hình 11-5c) Cũng tương tự như vậy đối với từ trường quay ngược, ta có tổng trở của dây quấn rotor ứng với từ trường quay ngược qui

về dây quấn stator là 0,5R’2/(2-s) + j0,5X’2.(hình 11-3c) Mạch điện tương đương trình bày trên hình 11-5d, có tổng trở thứ tự thuận ZT và thứ tự ngược ZT như sau :

) X X ( 5 , 0 j s / R 5 , 0

) s / R 5 , 0 X 5 , 0 j ( X 5 , 0 j jX R

Z

' 2 M

' 2

' 2

' 2 M

T T

T











) X X ( 5 , 0 j ) s 2 /(

R 5 , 0

)]

s 2 /(

R 5 , 0 X 5 , 0 j [ X 5 , 0 j jX R

2 M

' 2

' 2

' 2 M

N N

N















Công suất điện từ của từ trường thứ tự thuận và ngược :

2 1 T

Moment điện từ tương ứng :

âtT T

P M



1

âtN N

P M



Moment điện từ tổng là :

) R R (

I M M

1

2 1 N







Công suất cơ :



M

PCå

) s 1 ( M

PCå  1 

) s 1 )(

R R ( I

) s 1 )(

P P (

Công suất trên đầu trục : P2 = PCơ - pq (11-17)

pq là tổn hao quay, gồm tổn hao cơ và tổn hao phụ, cũng có khi gộp cả tổn hao sắt vào tổn hao quay

Tổn hao đồng trong dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận và ngược :

Từ (11-18a) và (11-18b), ta có tổn hao đồng trong dây quấn rotor :

VÍ DỤ 11-1

Một động cơ không đồng bộ một pha công suất 1/4 mã lực, 230V, 60Hz và 4 cực từ có tham số và tổn thất như sau :

R1 = 10; X1 = X’2 = 12,5; R’2 = 11,5; XM = 250;

Tổn hao sắt ở 230V là 35W; Tổn hao ma sát và quạt gió là 10W;

Với hệ số trượt là 0,05, xác định dòng điện stato, công suất cơ, công suất ra trên trục, tốc độ và hiệu suất khi động cơ làm việc ở điện áp và tần số định mức

Bài giải

Từ các thông số đã cho, ta tính được tổng trở thứ tự thuận ZT và thứ tự ngược ZT của động cơ một pha như sau :

) X X ( 5 , 0 j s / R 5 , 0

) s / R 5 , 0 X 5 , 0 j ( X 5 , 0 j jX R

2 M

' 2

' 2

' 2 M

T T

T













j 65 , 57 59 )

5 , 12 250 ( 5 , 0 j 05 , 0 / 5 , 11 5 , 0

) 05 , 0 / 5 , 11 5 , 0 5 , 12 5 , 0 j ( 250 5 , 0 j jX R





















) X X ( 5 , 0 j ) s 2 /(

R 5 , 0

)]

s 2 /(

R 5 , 0 X 5 , 0 j [ X 5 , 0 j jX R

2 M

' 2

' 2

' 2 M

N N

N

















) 5 , 12 250 ( 5 , 0 j ) 05 , 0 2 /(

5 , 11 5 , 0

)]

05 , 0 2 /(

5 , 11 5 , 0 5 , 12 5 , 0 j [ 250 5 , 0 j jX R

























Tổng trở vào tương đương :

ZV = Z1 + ZT + ZN = 10 + 12,5j +59 + 57,65j +2,67 + 6,01j

= 71,67 + 76,16j = 104,6 46,74o 

Dòng điện vào stato :

A 74 , 46 2

, 2 74 , 46 6 , 104

0 230 Z

U

o o

V







 



Hệ số công suất : cos = cos 46,74o = 0,685

2

60 60 ) 05 , 0 1 ( n ) s 1 (

Công suất điện từ :

Pcơ I12(RTRN)(1s) = 2,22.(59-2,67).(1-0,05) = 259 W Công suất trên đầu trục : P2 = Pcơ – pfe – pq = 259 -35- 10 = 214 W

Công suất động cơ tiêu thụ từ lưới điện:

P1 = U1.I1cos = 230.2,2 cos 46,74o = 346,77 W

22 , 347

214 P

P 1





11.5 ĐỘNG CƠ DÙNG DÂY QUẤN PHỤ KHỞI ĐÔNG

Loại động cơ này được dùng khá phổ biến như máy điều hòa, máy giặt, dụng

cụ cầm tay, quạt, bơm ly tâm

Các phần chính của loại động cơ nầy cho trên hình 11-6a, gồm dây quấn chính c

N (dây quấn làm việc), dây quấn phụ N (dây quấn khởi động) Hai cuộn dây p này đặt lệch nhau một góc 90o điện trong không gian Và rotor lồng sóc Trên hình 11-6b là trình bày sơ đồ ký hiệu động cơ một pha hai cuộn dây

Để có được moment khởi động, người ta tạo ra góc lệch pha giữa dòng điện qua cuộn chính Ic và dòng qua cuộn dây phụ Ip bằng cách mắc thêm một điện trở nối tiếp với cuộn phụ hoặc dùng dây quấn có tiết diện nhỏ hơn cho cuộn phụ, góc lệch này thường nhỏ hơn 300 Dòng điện chạy trong dây quấn chính và trong dây quấn phụ sinh ra từ trường quay để tạo ra mômen khởi động ban đầu và làm rotor quay Đồ thị vectơ lúc khởi động được trình bày trên hình 11-6c

U

NC

Np

K CD

IC

IP

(b)

I

Cuộn dây phụ

NP Cuộn dây chính

K

Khi tốc độ động cơ đạt được 7080 % tốc độ đồng bộ, cuộn dây phụ được cắt

ra nhờ công tắt ly tâm K (hoặc mạch điện tử) và động cơ tiếp tục làm việc với cuộn dây chính Đặc tính mômen được trình bày trên hình 11-6d

Mômem khởi động MK của động cơ không đồng bộ một pha dùng cuộn dây phụ tỉ lệ với dòng điện trong cuộn dây chính, dòng điện trong cuộn dây phụ và góc lệc pha giữa hai dòng trên Ta có công thức [4]:

1

N T P C











Trong đó: a = NP/NC = tỉ số vòng của cuộn dây phụ và chính

k = hằng số

IC = dòng điện trong cuộn dây chính

IP = dòng điện trong cuộn dây phụ

iC = góc pha của dòng điện cuộn dây chính

iP = góc pha của dòng điện cuộn dây phụ

 = iC - iPgóc lệch pha của hai dòng điện

VÍ DỤ 11-2

Một động cơ điện không đồng bộ một pha hai cuộn dây 120V và 60Hz có tham số khi khởi động như sau: cuộn dây chính RC = 2,00 và XC = 3,50; cuộn dây phụ RP = 9,15; XP = 8,40 Động cơ được nối vào lưới điện có điện áp

120V và f = 60Hz Xác định (a) dòng điện trong mỗi cuộn dây; (b) góc lệch pha giữa hai dòng điện; (c) mômen khởi động; (d) trị số điện trở mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha giữa hai dòng điện là 300; (e) mômen khởi động trong trường hợp (d); (f) phần trăm mômen khởi động tăng so với khi không có điện trở khởi động ngoài

Bài giải

a Xác định dòng điện mỗi cuộn dây:

Mạch điện thực khi chưa có thêm điện trở ngoài trên hình VD 11-2a

Tổng trở các cuôn dây khi khởi động:

ZC = 2,00 + j3,50 = 4,031160,260

ZP = 9,15 + j8,40 = 12,421142,550

Tính dòng điện trong các cuộn dây với giả thiết về điện áp:

V 0 120 0

U

A 26 , 60 77

, 29 26

, 60 0311 , 4

0 120 Z

U

0

0







 



A 55 , 42 66

, 9 55 , 42 4211 , 12

0 120 Z

U

0 p







 



b Góc lệch pha giữa hai dòng điện:

+

_

P I

I

C I

U +

_

ZC Z’P

P I

I

C I

RK

c I

p

I

0

(c)

Hình VD 6-2 Động cơ dùng dây quấn phụ

a)Mạch điện thực

b) Mạch điện có R K khởi động

c) Đồ thị véctơ khi có cuộn phụ

iC

iP

 ’iP









 iC iP -60,260 – (- 42,550) = 17,710

c Mômen khơi đồng khi chưa có điện trở ngoài:









k I I sin

k 45 , 87 71 , 17 sin 66 , 9 77 , 29 k

d Điện trở mắc nối tiếp với cuộn dây phụ:

Mạch điện khi có thêm điện trở khởi động mắc nối tiếp cuộn phụ trình bày trên hình VD 11.2b, còn đồ thị véctơ tương ứng trên hình VD 11-2c Qua đó cho ta tìm được góc pha của dòng điện trong cuộn dây phụ theo điều kện có điện trở khởi động RK là:









iC

'

iP 30 -60,260 + 300 = -30,260 Theo định luật Ohm, ta có tổng trở:













0

0

I

U 26 , 30 I

0 U Z

Vậy góc của tổng trở lúc này là ’ = 30,260

Từ quan hệ trong tam giác tổng trở, ta có:









K P

P R R

X '

' tag

X











 9,15 5,25

26 , 30 tag

40 , 8

e Mômen khởi động khi có RK:

A 26 , 30 2 , 7 4 , 8 j 25 , 5 15 , 9

0 120

0 '











k 1 , 107 30

sin 2 , 7 77 , 29 k

f Độ tăng mômen khởi động so với khi không só điện trở khởi động ngoài

% 5 , 22 100 45

, 87

45 , 87 1 ,

11.6 ĐỘNG CƠ MỘT PHA DÙNG TỤ

Các động cơ không đồng bộ một pha có cuộn dây phụ được mắc nối tiệp với một tụ điện được gọi là động cơ tụ điện Loại động cơ này có cuộn dây phụ bố trí lệch so với cuộn dây chính một góc 900 điện trong không gian, để tạo góc lệch về thời gian ta mắc nối tiếp với cuộn dây phụ một tụ điện Nếu tụ điện mắc nối tiếp với cuộn phụ chọn giá trị thích hợp thì góc lệch pha giữa IC và Ip là gần 900 (hình 11-16b) Tùy theo yêu cầu về mômen khởi động và mômen lúc làm việc, ta có các loại động cơ tụ điện như sau:

11.6.1 Động cơ dùng tụ điện khởi động (hình 11-7a)

Khi khởi động tốc độ động cơ đạt đến 7585% tốc độ động bộ, công tắt K mở

ra và động cơ sẽ đạt đến tốc độ ổn định

11.6.2 Động cơ dùng tụ điện thường trực (hình 11-7b)

Cuộn dây phụ và tụ điện khởi động được mắt luôn khi động cơ làm việc bình

thường Loại này có công suất thường nhỏ hơn 500W và có đặc tính cơ tốt

Ngoài ra, để cải thiện đặc tính làm việc và mômen khởi động ta dùng động cơ hai tụ điện Một tụ điện khởi động C2 khá lớn (khoảng 10 15 lần tụ điện thường trực) được ghép song song với tụ điện thường trực C1 được trình bày trên hinh 11.7b Khi khởi động tốc độ động cơ đạt đến 7585% tốc độ động bộ, tụ điện khởi động C2 được cắt ra khỏi cuộn phụ, chỉ còn tụ điện thường trực nối với cuộn dây phụ khi làm việc bình thường

11.7 ĐỘNG CƠ CÓ VÀNH NGẮN MẠCH Ở CỰC TỪ

Hình 11-8a cho thấy cấu tạo loại động cơ này Trên stator ta đặt dây quấn một pha và cực từ được chia làm hai phần, phần có vòng ngắn mạch K ôm 1/3 cực từ

và rotor lồng sóc Dòng điện chạy trong dây quấn stator I1tạo nên từ thông 'qua phần cực từ không vòng ngắn mạch và từ thông ''qua phần cực từ có vòng ngắn mạch Từ thông ''cảm ứng trong vòng ngắn mạch sđđ En, chậm pha so với ''

 một góc 900 (hình 11-8b) Vòng ngắn mạch có điện trở và điện kháng nên tạo ra dòng điện Inchậm pha so với Enmột góc n < 900 Dòng điện Intạo ra từ thông n

 và ta có từ thông tổng qua phần cực từ có vòng ngắn mạch :

NC

Np

K CD

IC

IP

(a)

I

C NC

Np

CD

IC

IP

(b)

I

C1

c I

p

I

I

0

(c)

Hình 11-7 Động cơ không đồng bộ một pha dùng tụ điện

a) Tụ điện khởi động b) Tụ điện thường trực và khởi động c) Đồ thị vectơ

C2

K









   '' 

Từ thông nầy lệch pha so với từ thông qua phần cực từ không có vòng ngắn mạch một góc là n Do từ thông 'và  lệch nhau trong không gian nên chúng tạo ra từ trường quay và làm quay rotor Loại động cơ này có mômen khởi động khá nhỏ MK = (0,2-0,5)Mđm, hiệu suất thấp (từ 25 - 40%), thường chế tạo với công

Hình 11-8 Động cơ KĐ một pha có vòng ngắn mạch ở cực từ

a) Cấu tạo b) Đồ thị vectơ c) Đặc tính mômen



(a)

” ’



n

K

1

I



n

E

n



n

I

'



0

(b)

''



n



M

1

Mmax

m (c)