Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Khoa: Điện GVHD: Th.g Trần Văn Chương SVTH: Lê Văn Duy 1 Câu 1: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ. 1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 1.1.1 Phần tĩnh – Stato:  Lõi thép Stator: Được ghép bằng 23 các lá thép Kỹ thuật điện hình vành khăn , có xẻ rãnh ở bên trong để đặt dây quấn Stator. Trường hợp máy có công suất lớn, kích thước lõi thép lớn thì lõi thép sẽ được ghép từ nhiều lá thép hình rẻ quạt như hình vẽ.  Dây quấn Stator: Là dây điện từ, có thể là dây Đồng hoặc Nhôm, được quấn thành các Bối dây, Tổ Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Khoa: Điện GVHD: Th.g Trần Văn Chương SVTH: Lê Văn Duy 2 bối dây; Tùy theo cuộn dây quấn Stator là 1fa hay 3fa mà ta có động cơ không đồng bộ 1fa hoặc 3fa. 1.1.2 Phần động – Rôtor  Lõi thép: Cũng được ghép bằng các lá thép Kỹ thuật điện, có sẻ rãnh ở bên ngoài để đặt dây quấn Rôto.  Dây quấn: ● Động cơ có cuộn dây Rôto nối ngắn mạch gọi là động cơ không đồng bộ Rôto ngắn mạch hay Rôto lồng sóc vì có dạng như lồng sóc. ● Đối với loại Rôto dây quấn, cuộn dây Rôto nối hình sao (Y), còn 3 đầu được nối đến 3 vòng góp cố định trên trục, được cách điện với trục và goi là 3 Vành trượt. Có 3 Chổi than tiếp xúc với 3 vành trượt này để nối ra ngoài; Người ta có thể nối nối tiếp dây quấn Rôto với các điện trở phụ để mở máy và điều chỉnh tốc độ. Động cơ Rôto lồng sóc được dựng phổ biến nhất, lồng sóc được đúc bằng Đồng hoặc Nhôm có dạng như hình vẽ. 1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha: 1.2.1 Cách tạo ra từ trường quay trong lõi thép Stato: Để tạo ra được từ trường quay trong lõi thép Stato, cuộn dây Stato cần phải được chế tạo theo quy luật nhật định, cách bố trí, đấu nối cuộn dây 3 fa của Stato cần nghiêm ngặt tuân thủ công nghệ chế tạo. Dưới đây ta khảo sát cách tạo ra từ trường quay: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Khoa: Điện GVHD: Th.g Trần Văn Chương SVTH: Lê Văn Duy 3 Cuộn dây Stato trong hình vẽ trên được biểu diễn gồm có 3 vòng dây cho 3 fa, Ba cuộn dây của 3 fa AX, BY và CZ được đặt lệnh nhau những góc 120°. Dòng điện cung cấp cho động cơ cũng là dòng xoay chiều 3fa: i A , i B và i C cũng lệnh pha nhau những góc là 120°. Để khảo sát sự biến thiên của từ trường sinh ra trong lõi thép Stato, ta hãy khảo sát chiều và vị trí của từ trường tại 4 thời điểm a, b, c và d trên đồ thị thời gian. A ZY C B X    + + + (a).    (b).    A Y Z B X + + + (c). C    + + + A Y Z C X B (d).  Ta quy ước chiều dòng điện đi từ đầu đến cuối cuộn dây mang dấu dương (+), đi từ cuối đến đầu cuộn dây mang dấu âm (-). Thì chiều dòng điện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Khoa: Điện GVHD: Th.g Trần Văn Chương SVTH: Lê Văn Duy 4 trong các cuộn dây tại các thời điểm a, b, c và d như hình vẽ. Dấu (+) là dòng điện đi vào, Dấu (.) là dòng điện đi ra. Tại thời điểm a, dòng điện trong cuộn dây AX (i A ) là cực đại và có dấu dương, theo quy ước ta biểu diễn dòng điện đi vào ở A và đi ra ở X như trên hình vẽ. Cũng thời điểm đó thì các dòng điên i B và i C có giá trị âm, có chiều đi từ cuối đến đầu các cuộn dây BY và CZ. Theo quy tắc vặn nút chai ta xác định được chiều của đường sức từ trường tại thời điểm a như hình vẽ. Bằng cách tương tự, ta xác định được chiều và vị trí của từ trường tại các thời điểm b, c và d như hình vẽ. Rõ ràng là từ trường tạo ra trong lõi thép Stato cú chiều và trị số thay đổi liên tục theo thời gian và trong trường hợp này nó quay theo chiều kim đồng hồ. Nhìn trên đồ thị thời gian ta thấy rằng từ thời điểm (a) đến thời điểm (d) tương ứng với khoảng thời gian là 1/2 Chu kì (T/2); Trong thời gian đó thì từ trường quay được 180°, như vậy là sau 1 Chu kì của dòng điện thì từ trường sẽ quay được 360° (1 vòng) Từ trường trong trường hợp ta vừa xét gồm có 2 cực (1đôi cực); Nếu ta tăng gấp đôi số cuộn dây của mỗi pha thì số cực cũng sẽ tăng lên gấp đôi, tốc độ của từ trường quay lại bị giảm đi một nửa. Trong trường hợp tổng quát, tốc độ quay của từ trường được xác định theo công thức: n 0 = p f.60 Ta lại thấy rằng khi thiết lập thứ tự dòng điện các pha lần lượt là i A , i B và i C thì chiều của từ trường quay sinh ra trong lõi thép Stato là cùng chiều Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Khoa: Điện GVHD: Th.g Trần Văn Chương SVTH: Lê Văn Duy 5 kim đồng hồ; Nếu ta thay đổi thứ tự liên tiếp của dòng điện trong các pha thì chiều quay của Từ trường cũng sẽ thay đổi. Điều này sẽ làm chiều quay của động cơ thay đổi, ta sẽ xét kỹ hơn ở phần sau. 1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ: Để giải thích nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ, ta giả sử đã tạo ra từ quay trong lõi thép Stato; Giả sử chiều và vị trí của Từ trường tại thời điểm ta xét như hình vẽ. Hai vòng tròn phía ngoài biểu diễn Lõi thép và dây quấn Stato, vòng tròn phía trong thể hiện lõi thép Rôto, các vòng tròn nhỏ thể hiện các thanh dẫn của Rôto lồng sóc. Từ trường quay với tốc độ n 0 cùng chiều kim đồng hồ. Tại thời điểm mở máy, khi Rôto đứng yên; Từ trường quay quét qua các thanh dẫn của Rôto sẽ tạo ra trong các thanh dẫn những Sức điện động cảm ứng. Ta xét hai thanh dẫn nằm ở vị trí đặc biệt như hình vẽ. Bằng quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều của Sđđ cảm ứng trong 2 thanh dẫn như hình vẽ. Ở thanh dẫn phía trên, Sđđ cảm ứng có chiều đi từ trong ra ngoài ( kí hiệu là dấu .); Ở thanh dẫn phía dưới thì ngược lại, chiều của Sđđ cản ứng là đi từ ngoài vào trong ( kí hiệu là dấu +). Các thanh dẫn Rôto bị nối ngắn mạch bởi hai vòng ngắn mạch ở hai đầu Rôto (Cấu tạo của Rôto lồng sóc), do đó Sđđ cảm ứng sẽ tạo thành dòng điện cảm ứng trong các thanh dẫn; Chiều của dũng điện cảm ứng là cùng chiều với Sđđ cảm ứng. Các thanh dẫn Rôto mang dòng điện lại nằm trong từ trường của dây quấn Stato nên chịu tác dụng của lực điện từ, chiều của lực điện từ F được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Trên hình vẽ biểu diễn chiều • dt F F dt S N n n 0 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Khoa: Điện GVHD: Th.g Trần Văn Chương SVTH: Lê Văn Duy 6 của lực điện từ F tác dụng lên hai thanh dẫn, ta thấy rằng các lực điện từ F tạo thành ngẫu lực, có xu hướng kéo Rôto quay theo chiều kim đồng hồ (Cùng chiều của từ trường quay). Dây quấn của Rôto lồng sóc gồm có rất nhiều thanh dẫn, bằng cách tương tự ta xác định được chiều của lực điện từ F tác động lên từng thanh dẫn. Tổng hợp tác dụng của các lực điện từ F sẽ tạo thành Mômen quay, kéo Rôto của động cơ quay theo chiều của từ trường với tốc độ n < n 0 . Rõ ràng tốc độ quay của Rôto phải luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường; Thật vậy nếu n = n 0 nghĩa là tốc độ tương đối giữa các thanh dẫn Rôto với từ trường là bằng 0, như vậy sẽ không có Sđđ cảm ứng và dòng điện cảm ứng I = 0, lực điện từ F cũng sẽ bằng 0 (F = 0) và Rôto phải quay chậm lại. Vậy nên tốc độ quay của Rôto phải luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường, chính vì vậy động cơ này được gọi là động cơ không đồng bộ. Để biểu thị mức độ giảm nhỏ của n so với n 0 người ta dựng khái niệm hệ số trượt S, theo biểu thức: S =   n nn  Hoặc tính theo phần trăm: S% = 0 0 100    n nn Về lý thuyết, hệ số trượt S biến thiên từ 0 đến 1, hoặc 0% đến 100%. Thực tế thì trị số của S ở tải định mức đối với động cơ không đồng bộ thông thường trong giới hạn 2 ÷ 3%; Với động cơ không đồng bộ có hệ số trượt nâng cao, S có thể đạt đến 10%. Vì vậy tốc độ làm việc của động cơ không đồng bộ vẫn gần bằng tốc độ từ trường ở phụ tải định mức, giả sử tốc độ của từ trường là 3000v/ph thì tốc độ của Rôto khoảng 2850 ÷ 2950v/ph……… Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Khoa: Điện GVHD: Th.g Trần Văn Chương SVTH: Lê Văn Duy 7 Chương 2. Phương pháp tính toán vẽ sơ đồ trải bộ dây quấn Stato động cơ không đồng bộ 3 pha. Các kiểu quấn thông dụng. 2.1 Phương pháp tính toán: Các tham số sử dụng khi lập sơ đồ dây quấn :  Số rãnh của lõi thép stator : Z 1  Số cực : 2P  Số pha : m  Số mạch nhánh song song : a  Số vòng dây của một pha : W 1f  Bước cực :  = 2 1 Z  Số rãnh ứng với mỗi cực của 1 pha: q  Bước quấn dây : y (Thường tính theo số rãnh) Từ mục 1.2.1 ta thấy rằng: Từ trường quay trong lõi thép Stato được hình thành do sự phối hợp chiều dòng điện trong dây quấn của cả 3 cuộn dây (3 pha). Như vậy: Trong cuộn dây ba pha, các rãnh nằn trong một cực được chia làm 3 phần, mỗi phần thuộc về một pha, tạo thành các nhóm cực – pha dưới mỗi cực. Vậy là dưới mỗi cực có ba nhóm cực - pha. Ngược lại, dưới mỗi một cực thì mỗi pha chỉ có một nhóm cực – pha (còn gọi là nhóm bối dây hoặc tổ bối dây). Phương pháp biểu diễn sơ đồ dây quấn đơn giản, trực quan nhất là biểu diễn bằng Sơ đồ trải; Để thiết lập sơ đồ trải dây quấn Stato của động cơ không đồng bộ người ta tưởng tượng như cắt lõi thép và dây quấn Stato theo một đường dọc theo lõi thép của máy rồi trải về cùng một mặt phẳng. Khi đó ta có một hình vẽ biểu được các thông số của cuộn dây:  Bước quấn dây: y : Đếm được theo số rãnh. Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Khoa: Điện GVHD: Th.g Trần Văn Chương SVTH: Lê Văn Duy 8  Bước cực:  : Thể hiện qua cách nối các tổ bối dây.  Số đôi mạch nhánh song song: a.  Số rãnh dưới một cực của một pha: q… Trên sơ đồ trải, cạnh của các bối dây tương ứng trong các rãnh sẽ được biểu diễn bằng các đoạn thẳng song song, cách đều; Số lượng các đoạn thẳng đúng bằng số rãnh của lõi thép Stato. Với cuộn dây quấn 1 lớp, mỗi cạnh của bối dây (cũng chính là các rãnh của lõi thép Stato) được biểu diễn là một đoạn thẳng vẽ bằng nét liền; Với dây quấn 2 lớp thì trong mỗi rãnh sẽ có hai cạnh của hai bối dây khác nhau, một cạnh nằm ở phía dưới đáy rãnh ta gọi là cạnh nằm ở lớp dưới - biểu diễn bằng đường nét đứt, cạnh còn lại nằm ở phía trên gần miệng rãnh được gọi là cạnh nằm ở lớp trên - biểu diễn bằng đường nét liền. Hình vẽ dưới đây biểu diễn các rãnh của lõi thép Stato với số rãnh Z 1 = 24 trong hai trường hợp dây quấn một lớp và hai lớp: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Khoa: Điện GVHD: Th.g Trần Văn Chương SVTH: Lê Văn Duy 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 4 5 6 7 8 9 20 21 3 4 : 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1 2 3 4 :  Mỗi Bối dây trên sơ đồ trải được tạo bởi hai cạnh nằm trong hai Rãnh cách nhau một bước quấn dây y; Phần của bối dây nằm trong các rãnh được gọi là các Cạnh tác dụng, phần còn lại của bối dây nối liền hai cạnh tác dụng được gọi là phần đầu nối. Dây quấn một lớp thì cả hai cạnh của bối dây và phần đầu nối được biểu diễn bằng nét liền; Với cuộn dây quấn hai lớp thì cạnh tác dụng và phần đầu nối nằn ở lớp trên cũng được biểu diễn bằng nét liền, cạnh tác dụng thứ hai của bối dây sẽ nằm ở lớp dưới của rãnh khác nên che khuất ta biểu diễn bằng đường nét đứt. Phần đầu nối bị các bối dây khác che khuất cũng được biểu diễn bằng nét đứt.       Tổ bối dây được tạo bởi một hoặc nhiều bối dây đấu nối tiếp nằm trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên Khoa: Điện GVHD: Th.g Trần Văn Chương SVTH: Lê Văn Duy 10 cùng một Nhóm cực - pha, các Bối dây trong mỗi Tổ bối dây được đấu nối tiếp ngay trong quá trình quấn các Bối dây đó. Hình vẽ trên biểu diễn Bối dây, Tổ bối dây trong hai trường hợp dây quấn một lớp và hai lớp, với số bối dây trong một tổ bối dây là q = 2.  Tổ bối dây trong trường hợp này được tạo bởi các bối dây có kích thước giống nhau ta gọi là Tổ bối dây kiểu đồng khuôn. Nếu các bối dây trong một tổ bối dây có kích thước khác nhau, bối dây nhỏ nằm trong lòng bối dây lớn, ta có Tổ bối dây kiểu đồng tâm.  Việc đấu nối tiếp các Tổ bối dây của các pha sẽ quyết định số cực của động cơ, vậy là quyết định tốc độ quay của động cơ. Các bối dây sẽ được đấu nối tiếp nhau theo một trong hai cách là: Nối tiếp cùng tên hoặc Nối tiếp khác tên.