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.
225 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 2008 226 Chƣơng 11 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 11.1 ĐẠI CƢƠNG Động điện không đồng pha sử dụng rộng rãi dân dụng công nghiệp đồng hồ, máy giặt, tủ lạnh, máy bơm, máy mài, quạt, dụng cụ cầm tay, Nói chung động công suất nhỏ Cụm từ “động cơng suất nhỏ” động có cơng suất nhỏ 350W Phần lớn động pha thuộc loại này, chúng chế tạo với công suất đến 11kW hai cấp điện áp 110V 220V Trên hình 11-1 trình bày vài thiết bị sử dụng động không đồng pha (a) (b) Hình 11-18 Ứng dụng động khơng đồng pha a) Máy mài b) Máy khoan 11.2 CẤU TẠO Về cấu tạo động không đồng pha, stator giống động không đồng ba pha ta đặt dây quấn pha cung cấp nguồn điện xoay chiều pha, rotor thường làm rotor kiểu lồng sóc trình bày hình 11-2 Chng Cơng tắc 227 11.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Cho dòng điện xoay chiều hình sin chạy vào dây quấn stator tạo từ trường stator có phương khơng đổi có độ lớn thay đổi hình sin theo thời gian, gọi từ trường đập mạch, biết chương 8: B Bm sin t cos (11-1) Từ trường sinh dòng điện cảm ứng trong dẫn dây quấn rotor tạo từ thông rotor mà theo định luật Lenz, chống lại từ thơng sinh nó, tức ngược chiều với từ thơng stator trình bày hình 11-2 Từ ta xác định chiều dòng điện cảm ứng chiều lực điện từ tác dụng lên dẫn rotor Ta thấy mômen tổng tác dụng lên rotor khơng, rotor khơng thể tự quay Để động tự quay được, trước hết ta phải quay rotor theo chiều đó, trình bày hình 11-3c theo chiều kim đồng hồ, dây quấn rotor cảm ứng sđđ gọi sđđ quay tạo nên lực điện từ, động tự tiếp tục quay theo chiều Chiều lực điện từ Từ thơng rotor B B2 Từ thông stator n1 -n1 U B1 n1 n1 n 228 Hình 11-3 Động khơng đồng pha dây quấn a) Từ thông lực điện từ tác dụng lên rotor rotor đứng yên b) Từ trường đập mạch phân thành hai từ trường quay c) Từ thông lực điện từ tác dụng lên rotor rotor quay Để thấy rõ nguyên lý làm việc động không đồng pha, ta nghiên cứu hình 11-3b, từ trường đập mạch B tổng hai từ trường quay thuận B1 ngược B tốc độ quay n1 biên độ nửa từ trường đập mạch hai từ trường quay ngược chiều nhau: B B1 B2 (11-2) với biên độ: B1m = B2m = Bm/2 60 f p So với tốc độ rotor, có hệ số trượt : n n 1 s + Quay thuận : s1 n1 1 + Quay ngược : ( n ) n (1 ) s2 (2 s ) ( n ) (1 ) (11-6) Từ trường quay B1 quay chiều với rotor lúc động làm việc, gọi từ trường quay thuận tốc độ (11-3) n1 (11-4) (11-5) M M M s M Hình 11-4 Moment động không đồng pha 229 Từ trường quay B quay ngược chiều với rotor lúc động làm việc, gọi từ trường quay ngược Từ trường quay thuận B1 tác dụng với dòng điện rotor tạo mơmen quay thuận M1 (hình 11-4); Còn từ trường quay ngược B tác dụng với dòng điện rotor tạo moment quay ngược M2 (hình 11-4) Tổng đại số hai moment cho ta đặc tuyến mômen theo hệ số trượt M = f(s): M = M1 + M2 = f(s) (11-7) Từ đặc tính trình bày hình 11- 4, ta thấy lúc động khởi động (n = 0, s = 1), M1 = M2 ngược chiều nên mômen tổng M = 0, động khơng thể tự quay Nếu ta quay động theo chiều tức hệ số trượt s 1, M động tiếp tục quay theo chiều Vì để động pha tự làm việc được, ta phải có biện pháp khởi động, nghĩa tìm cách tạo cho động moment lúc rotor đứng yên (M = MK s =1) 11.4 MẠCH ĐIỆN TƢƠNG ĐƢƠNG ĐỘNG CƠ MỘT PHA Khi dây quấn stator động không đồng pha cung cấp nguồn pha rotor đứng yên Như động không đồng pha giống MBA dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch Mạch điện tương đương trình bày hình 11-5a Trong : R1 = điện trở dây quấn stator X1 = điện kháng tản dây quấn stator XM = điện kháng từ hóa R’2 = điện trở dây quấn rotor qui dây quấn stator X’2 = điện kháng tản dây quấn rotor qui dây quấn stator U1 = điện áp vào nguồn E1 = sđđ cảm ứng dây quấn stator tư thông khe hở Và : E1 = 4,44fN (11-8) từ thơng khe hở; N số vòng dây hiệu dụng Theo lý thuyết phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, mạch điện thay hình 11-2a phân thành hai nhánh trình bày hình 115b, tương ứng với từ trường quay thuận ngược, ta có sđđ tương ứng : ET = 4,44fNT (11-9a) EN = 4,44fNN (11-9b) Khi rotor đứng n từ thơng T = N nên ET = EN I R 1 + 1 U _ jX1 I R1 jX’2 I o E jXM jX1 E T R’2 1 U 0,5jX’2 jX M 0,5jX’ 0,5R’2 230 Giả thiết rotor quay với tốc độ từ trường quay thuận, ứng hệ số trượt s Lúc dòng điện cảm ứng dây quấn rotor có tần số sf1, f1 tần số lưới điện nối vào dây quấn stator Như giống máy điện không đồng ba pha, tổng trở dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận qui đổi dây quấn stator 0,5R’2/s + j0,5X’2.(hình 11-5c) Cũng tương tự từ trường quay ngược, ta có tổng trở dây quấn rotor ứng với từ trường quay ngược qui dây quấn stator 0,5R’2/(2-s) + j0,5X’2.(hình 11-3c) Mạch điện tương đương trình bày hình 11-5d, có tổng trở thứ tự thuận ZT thứ tự ngược ZT sau : Z T R T jX T Z N R N jX N j0,5X M ( j0,5X '2 0,5R '2 / s) 0,5R '2 / s j0,5(X M X '2 ) j0,5X M [ j0,5X '2 0,5R '2 /(2 s)] 0,5R '2 /(2 s) j0,5(X M X '2 ) (11-10) (11-11) Công suất điện từ từ trường thứ tự thuận ngược : PâtT R T I12 ; PâtN R N I12 Moment điện từ tương ứng : (11-12) 231 MT PâtT 1 (11-13a) MN PâtN 1 (11-13b) Moment điện từ tổng : M MT M N I12 (R T R N ) 1 (11-14) Công suất : PCå M PCå M1 (1 s ) PCå I12 (R T R N )(1 s ) (11-15) PCå (PâtT PâtN )(1 s) (11-16) Công suất đầu trục : P2 = PCơ - pq (11-17) pq tổn hao quay, gồm tổn hao tổn hao phụ, có gộp tổn hao sắt vào tổn hao quay Tổn hao đồng dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận ngược : pCu2T = sPđtT (11-18a) pCu2N = (2-s)PđtN (11-18b) Từ (11-18a) (11-18b), ta có tổn hao đồng dây quấn rotor : pCu2 = sPđtT + (2-s)PđtN (11-19) VÍ DỤ 11-1 Một động không đồng pha công suất 1/4 mã lực, 230V, 60Hz cực từ có tham số tổn thất sau : R1 = 10; X1 = X’2 = 12,5; R’2 = 11,5; XM = 250; Tổn hao sắt 230V 35W; Tổn hao ma sát quạt gió 10W; Với hệ số trượt 0,05, xác định dòng điện stato, công suất cơ, công suất trục, tốc độ hiệu suất động làm việc điện áp tần số định mức Bài giải Từ thơng số cho, ta tính tổng trở thứ tự thuận Z T thứ tự ngược ZT động pha sau : Z T R T jX T Z T R T jX T j0,5X M ( j0,5X '2 0,5R '2 / s) 0,5R '2 / s j0,5(X M X '2 ) j0,5 250( j0,5 12,5 0,5 11,5 / 0,05) 59 57,65j 0,5 11,5 / 0,05 j0,5(250 12,5) 232 Z N R N jX N j0,5X M [ j0,5X '2 0,5R '2 /(2 s)] 0,5R '2 /(2 s) j0,5(X M X '2 ) j0,5 250[ j0,5 12,5 0,5 11,5 /(2 0,05)] Z N R N jX N 2,67 6,01j 0,5 11,5 /(2 0,05) j0,5(250 12,5) 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 : o I U 230 0 2,2 46,74 o A o Z V 104 ,646,74 Hệ số công suất : cos = cos 46,74o = 0,685 60 60 n (1 s )n1 (1 0,05) 1.710 vg/ph Tốc độ động : Công suất điện từ : Pcơ I12 (R T R N )(1 s) = 2,22.(59-2,67).(1-0,05) = 259 W Công suất đầu trục : P2 = Pcơ – pfe – pq = 259 -35- 10 = 214 W Công suất động tiêu thụ từ lưới điện: P1 = U1.I1cos = 230.2,2 cos 46,74o = 346,77 W Hiệu suất động cơ: P2 214 0,617 61,7% P1 347 ,22 11.5 ĐỘNG CƠ DÙNG DÂY QUẤN PHỤ KHỞI ĐÔNG Loại động dùng phổ biến máy điều hòa, máy giặt, dụng cụ cầm tay, quạt, bơm ly tâm Các phần loại động nầy cho hình 11-6a, gồm dây quấn N c (dây quấn làm việc), dây quấn phụ N p (dây quấn khởi động) Hai cuộn dây đặt lệch góc 90o điện khơng gian Và rotor lồng sóc Trên hình 11-6b trình bày sơ đồ ký hiệu động pha hai cuộn dây Để có moment khởi động, người ta tạo góc lệch pha dòng điện qua cuộn Ic dòng qua cuộn dây phụ Ip cách mắc thêm điện trở nối tiếp với cuộn phụ dùng dây quấn có tiết diện nhỏ cho cuộn phụ, góc lệch thường nhỏ 300 Dòng điện chạy dây quấn dây quấn phụ sinh từ trường quay để tạo mômen khởi động ban đầu làm rotor quay Đồ thị vectơ lúc khởi động trình bày hình 11-6c Nguồn pha K U CD I K NC IP IC Np Cuộn dây phụ NP 233 Khi tốc độ động đạt 7080 % tốc độ đồng bộ, cuộn dây phụ cắt nhờ công tắt ly tâm K (hoặc mạch điện tử) động tiếp tục làm việc với cuộn dây Đặc tính mơmen trình bày hình 11-6d Mômem khởi động MK động không đồng pha dùng cuộn dây phụ tỉ lệ với dòng điện cuộn dây chính, dòng điện cuộn dây phụ góc lệc pha hai dòng Ta có cơng thức [4]: MK 2a I C I P (R T R N ) sin(iC iP ) (11-20a) 1 M K k I C I p sin Trong đó: (11-20b) a = NP/NC = tỉ số vòng cuộn dây phụ k = số IC = dòng điện cuộn dây IP = dòng điện cuộn dây phụ iC = góc pha dòng điện cuộn dây iP = góc pha dòng điện cuộn dây phụ = iC - iP góc lệch pha hai dòng điện VÍ DỤ 11-2 Một động điện không đồng pha hai cuộn dây 120V 60Hz có tham số khởi động sau: cuộn dây RC = 2,00 XC = 3,50; cuộn dây phụ RP = 9,15; XP = 8,40 Động nối vào lưới điện có điện áp 234 120V f = 60Hz Xác định (a) dòng điện cuộn dây; (b) góc lệch pha hai dòng điện; (c) mơmen khởi động; (d) trị số điện trở mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha hai dòng điện 300; (e) mômen khởi động trường hợp (d); (f) phần trăm mômen khởi động tăng so với khơng có điện trở khởi động ngồi Bài giải a Xác định dòng điện cuộn dây: Mạch điện thực chưa có thêm điện trở ngồi hình VD 11-2a I I I C + ZC U I P ZP _ I P I C + U ZC ZP Z’P RK _ (a) (b) U iP iC I p Hình VD 6-2 Động dùng dây quấn phụ a)Mạch điện thực b) Mạch điện có RK khởi động c) Đồ thị véctơ có cuộn phụ I c (c) Tổng trở cuôn dây khởi động: ZC = 2,00 + j3,50 = 4,031160,260 ZP = 9,15 + j8,40 = 12,421142,550 Tính dòng điện cuộn dây với giả thiết điện áp: U00 120 00 V U 120 0 I U 29,77 60,26 A C Z 4,031160,26 120 0 I U 9,66 42,55 A P Z p 12,421142,55 b Góc lệch pha hai dòng điện: ’iP 235 iC iP -60,260 – (- 42,550) = 17,710 c Mơmen khơi đồng chưa có điện trở ngồi: M K k I C I p sin M K k 29,77 9,66 sin17,710 87,45.k d Điện trở mắc nối tiếp với cuộn dây phụ: Mạch điện có thêm điện trở khởi động mắc nối tiếp cuộn phụ trình bày hình VD 11.2b, đồ thị véctơ tương ứng hình VD 11-2c Qua cho ta tìm góc pha dòng điện cuộn dây phụ theo điều kện có điện trở khởi động RK là: iP' iC 30 -60,260 + 300 = -30,260 Theo định luật Ohm, ta có tổng trở: U0 Zp I 30,26 U 30,26 I Vậy góc tổng trở lúc ’ = 30,260 Từ quan hệ tam giác tổng trở, ta có: tag' RK XP X RK P RP RP RK tag' 8,40 tag30,26 9,15 5,25 e Mơmen khởi động có RK: I ' P 120 0 7,2 30,26 A 9,15 5,25 j8,4 M K k 29,77 7,2 sin 30 107 ,1.k f Độ tăng mơmen khởi động so với khơng só điện trở khởi động 107 ,1 87 ,45 100 22,5% tăng 87 ,45 11.6 ĐỘNG CƠ MỘT PHA DÙNG TỤ Các động không đồng pha có cuộn dây phụ mắc nối tiệp với tụ điện gọi động tụ điện Loại động có cuộn dây phụ bố trí lệch so với cuộn dây góc 900 điện khơng gian, để tạo góc lệch thời gian ta mắc nối tiếp với cuộn dây phụ tụ điện Nếu tụ điện mắc nối tiếp với cuộn phụ chọn giá trị thích hợp góc lệch pha IC Ip gần 900 (hình 11-16b) Tùy theo yêu cầu mômen khởi động mômen lúc làm việc, ta có loại động tụ điện sau: 11.6.1 Động dùng tụ điện khởi động (hình 11-7a) 236 Khi khởi động tốc độ động đạt đến 7585% tốc độ động bộ, công tắt K mở động đạt đến tốc độ ổn định 11.6.2 Động dùng tụ điện thƣờng trực (hình 11-7b) Cuộn dây phụ tụ điện khởi động mắt ln động làm việc bình thường Loại có cơng suất thường nhỏ 500W có đặc tính tốt CD I CD I K IP IP C1 NC C IC NC K I p C2 U IC Np I Np I c (a) (b) (c) Hình 11-7 Động khơng đồng pha dùng tụ điện a) Tụ điện khởi động b) Tụ điện thường trực khởi động c) Đồ thị vectơ Ngồi ra, để cải thiện đặc tính làm việc mômen khởi động ta dùng động hai tụ điện Một tụ điện khởi động C2 lớn (khoảng 10 15 lần tụ điện thường trực) ghép song song với tụ điện thường trực C1 trình bày hinh 11.7b Khi khởi động tốc độ động đạt đến 7585% tốc độ động bộ, tụ điện khởi động C2 cắt khỏi cuộn phụ, tụ điện thường trực nối với cuộn dây phụ làm việc bình thường 11.7 ĐỘNG CƠ CĨ VÀNH NGẮN MẠCH Ở CỰC TỪ Hình 11-8a cho thấy cấu tạo loại động Trên stator ta đặt dây quấn pha cực từ chia làm hai phần, phần có vòng ngắn mạch K ơm 1/3 cực từ rotor lồng sóc Dòng điện chạy dây quấn stator I1 tạo nên từ thông ' qua phần cực từ khơng vòng ngắn mạch từ thơng '' qua phần cực từ có vòng ngắn mạch Từ thơng '' cảm ứng vòng ngắn mạch sđđ E n , chậm pha so với '' góc 90 (hình 11-8b) Vòng ngắn mạch có điện trở điện kháng nên tạo dòng điện I n chậm pha so với E n góc n < 900 Dòng điện I n tạo từ thơng ta có từ thơng tổng qua phần cực từ có vòng ngắn mạch : n 237 '' n ' I M '' K n ” ’ (a) Mmax E n n I n n (b) s sm (c) Hình 11-8 Động KĐ pha có vòng ngắn mạch cực từ a) Cấu tạo b) Đồ thị vectơ c) Đặc tính mơmen Từ thơng nầy lệch pha so với từ thơng qua phần cực từ khơng có vòng ngắn mạch góc n Do từ thơng ' lệch không gian nên chúng tạo từ trường quay làm quay rotor Loại động có mơmen khởi động nhỏ MK = (0,2-0,5)Mđm, hiệu suất thấp (từ 25 - 40%), thường chế tạo với công 238 suất 20 - 30W, có chế tạo cơng suất đến 300W hay sử dụng làm quạt bàn, quạt trần, máy quay đĩa CÂU HỎI ÔN TẬP Cấu tạo động không đồng pha So sánh với động không đồng ba pha Nguyên lý làm việc động không đồng pha Hãy trình bày hình thành từ trường quay hai pha Các phương pháp khở động động khơng đồng pha Hãy trình bày hình thành từ trường quay động khơng đồng pha có cuộn dây phụ cắt khởi động điện trở Hãy trình bày hình thành từ trường quay động khơng đồng pha có cuộn dây phụ cắt khởi động tụ điện Động không đồng pha khởi động tụ điện có công tắc bị cắt khởi động, động rung sau bốc khói Nếu công tắc bị cắt mà ta dùng tay quay trục rotor động tiếp tục quay làm việc bình thường BÀI TẬP Bài số 11-1 Một động không đồng pha công suất 1/4 mã lực, 220V, 50Hz cực từ có tham số tổn thất sau : 239 R1 = 8,2; X1 = X’2 = 10,5; R’2 = 10,5; XM = 210; Tổn hao sắt 110V 25W; Tổn hao ma sát quạt gió 12W; Với hệ số trượt 0,05, xác định (a) dòng điện stato, (b) cơng suất cơ, (c) cơng suất trục, (d) tốc độ (e) hiệu suất động làm việc điện áp tần số định mức Bài số 11-2 Một động không đồng pha công suất 1/4 mã lực, 110V, 50Hz cực từ có tham số tổn thất sau : R1 = 2,0; X1 =2,8; X’2 = 2,0; R’2 = 4,0; XM = 70; Tổn hao sắt 230V 35W; Tổn hao ma sát quạt gió 10W; Với hệ số trượt 0,05, xác định (a) dòng điện stato; (b) cơng suất cơ; (c) công suất trục, tốc độ; (d) mômen (e) hiệu suất động làm việc với dây quấn phụ cắt điện áp tần số định mức Bài số 11-3 Thí nghiệm không tải ngắn mạch (thực cuộn dây chính) động điện khơng đồng pha ¼ hp, 120 V, 60 Hz, 1730 vòng/phút thu đươc kết sau: Thí nghiệm khơng tải: động quay không tải V = 120 V; I = 3,5 A; P = 125W Thí nghiệm ngắn mạch: giữ rotor đứng yên V = 43 V; I = A; P = 140W Xác định (a) tham số mạch điện thay động cơ; (b) tổn hao quay Bài số 11-4 ** Một động không đồng pha chạy tụ, điện áp 120V, 60Hz cực từ có tham số mạch điện thay sau : Cuộn dây chính: R1C = 2,0 ; X1C =1,5 ; Cuộn dây phụ: R1P = 2,0 ; X1P = 2,5 ; Mạch rotor: R’2 = 1,5 ; R’2 = 2,0 ; C = 30 F; a = NP/NC = XM = 48; Xác định (a) dòng điện khởi động mômen khởi động động điện áp định mức; (b) trị số điện dung C tụ điện nối song song với tụ có để mơmen khởi động đạt giá trị cực đại; (c) dòng điện khởi động động trường hợp (b) Bài số 11-5 Một động điện không đồng pha hai cuộn dây 1/4hp, 120V 60Hz có tham số khởi động sau: Cuộn dây chính: RC = 3,94 XC = 4,20; Cuộn dây phụ: RP = 8,42; XP =6,28 240 Động nối vào lưới điện có điện áp 120V f = 60Hz Xác định (a) dòng điện cuộn dây dòng điện vào động khởi động; (b) góc lệch pha hai dòng điện; (c) mômen khởi động; (d) trị số điện trở mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha hai dòng điện 300 Bài số 11-6 Một động điện không đồng pha hai cuộn dây 120V 60Hz có tham số rotor đứng yên (khởi động) sau: cuộn dây RC = 2,20 XC = 3,80; cuộn dây phụ RP = 9,25; XP = 8,55 Động nối vào lưới điện có điện áp 120V f = 60Hz Xác định (a) dòng điện cuộn dây; (b) góc lệch pha hai dòng điện; (c) mơmen khởi động; (d) điện dung C mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha hai dòng điện khởi động 900; (e) mômen khơi đồng trường hợp (d); (f) phần trăm mômen khởi động tăng so với khơng có tụ điện C Bài số 11-7 Dùng số liệu tập số 11-2 để xác định (a) trị số điện dung C mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha hai dòng điện khởi động 80,60; (b) dòng điện cuộn dây dòng điện vào động khởi động với tụ điện C Bài số 11-8 Một động điện không đồng pha hai cuộn dây 1/3hp, 120V 60Hz có tham số khở động cho là: Cuộn dây RC = 4,60 XC = 3,80; Cuộn dây phụ RP = 9,80; XP =3,60 Động nối vào lưới điện có điện áp 120V f = 60Hz Xác định (a) dòng điện cuộn dây dòng điện vào động khởi động; (b) góc lệch pha hai dòng điện; (c) điện dung C mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha hai dòng điện khởi động 900 ... ) (11 -1 0 ) (11 -1 1 ) Công suất điện từ từ trường thứ tự thuận ngược : PâtT R T I12 ; PâtN R N I12 Moment điện từ tương ứng : (11 -1 2 ) 2 31 MT PâtT 1 (11 -1 3 a) MN PâtN 1 (11 -1 3 b) Moment điện. .. N I12 (R T R N ) 1 (11 -1 4 ) Công suất : PCå M PCå M 1 (1 s ) PCå I12 (R T R N ) (1 s ) (11 -1 5 ) PCå (PâtT PâtN ) (1 s) (11 -1 6 ) Công suất đầu trục : P2 = PCơ - pq (11 -1 7 ) pq... dụng động khơng đồng pha (a) (b) Hình 11 -1 8 Ứng dụng động không đồng pha a) Máy mài b) Máy khoan 11 .2 CẤU TẠO Về cấu tạo động không đồng pha, stator giống động khơng đồng ba pha ta đặt dây quấn pha