4.3.1 Động cơ không đồng bộ một pha
4.3.1.1 Phạm vi ứng dụng
Động cơ điện không đồng bộ một pha được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng như máy giặt, quạt, máy bơm nước, máy nén lạnh , ... chủ yếu là dùng công suất nhỏ, hiện chiếm tới 60% các tải trong công nghiệp.
Ưu điểm và nhược điểm của loại động cơ không đồng bộ một pha - Ưu điểm:
Hoạt động trong nhiều điều kiện công nghiệp khác nhau. Giá thành rẻ hơn động cơ đồng bộ.
Cấu tạo đơn giản, hoạt động lâu dài và bảo trì, bảo dưỡng ít.
Cơ cấu khởi động đơn giản và hoạt động nhiều điều kiện môi trường... - Nhược điểm:
Kiểm soát tốc độ động cơ khó.
Khi tải thấp và ở tốc độ thấp, hệ số công suất giảm làm hiệu suất giảm theo. Moment khởi động thấp nên chỉ dùng cho tải nhẹ.
4.3.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cấu tạo gồm hai phần chính là rotor và stato.
- Rotor: Gồm 3 thành phần chính: vòng ngắn mạch, thanh dẫn và lõi thép. - Stator: Gồm 3 thành phần chính: Lõi thép, dây quấn và vỏ máy.
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 47
Xét một động cơ điện xoay chiều một pha đơn giản gồm stator, rotor lồng sóc và một cuộn dây stator đấu vào lưới điện xoay chiều một pha. Xét từ trường do dòng điện sinh ra trong cuộn dây tại các thời điểm t1, t2, t3.
Tại thời điểm t1, giả sử B dương, A âm, dòng điện chạy qua cuộn dây Stato. Dùng quy tắc vặn nút chai xác định được chiều của từ trường tương ứng chạy trong Stato như sau:
Hình 4.3 Đồ thị dòng chạy qua cuôn dây stator
Hình 4.4 Từ trường tương ứng khi chiều dòng điện thay đổi [26]
Tại thời điểm t2, không có dòng điện chạy qua cuộn dây Stator nên từ trường trong Stator bằng không. Tại thời điểm t3, khi đó B âm, A dương dòng điện chạy qua cuộn dây Stato. Dùng quy tắc vặn nút chai xác định được chiều của từ trường tương ứng chạy trong Stator. Ở các chu kỳ tiếp theo kết quả tương tự.
Nhận xét:
Khi cho dòng điện xoay chiều một pha chạy vào dây quấn Stator sẽ tạo ra từ trường. Độ lớn và chiều của từ trường này biến thiên theo quy luật của dòng điện xoay chiều nhưng phương của nó trong không gian không thay đổi (vẫn theo phương thẳng đứng). Ta nói từ trường này không quay hay nói khác đi đây không phải là từ trường mà là từ trường đập mạch.
Nhưng nếu ta lấy tay mồi cho rotor quay thì nếu coi rotor đứng yên ta lại có từ trường đập mạch quay tương đối so với rotor và kết quả là rô to sẽ tiếp tục quay theo chiều ta đã “mồi”.
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 48
Tuy nhiên, vì không phải là từ trường quay, nên khi cấp điện vào dây quấn stator của động cơ xoay chiều một pha có cấu tạo như trên thì rotor sẽ không tự quay được. Vì vậy chúng ta cần phải dùng các phần tử phụ để biến từ trường một pha thành từ trường quay.
4.3.1.3 Mở máy động cơ không đồng bộ một pha
Động cơ không đồng bộ dùng cuộn dây phụ
Để có được moment mở máy, người ta tạo ra góc lệch pha giữa dòng điện qua cuộn chính Ic và dòng qua cuộc phụ Ip bằng cách mắc thêm một điện trở nối tiếp với cuộn phụ hoặc dùng dây quấn cỡ nhỏ hơn cho cuộn phụ, góc lệch này thường nhỏ hơn 30o.
Dòng trong dây quấn chính và trong dây quấn phụ sinh ra từ trường quay để tạo ra moment mở máy. Sơ đồ kết cấu động cơ được thể hiện ở hình 4.5a. Đồ thị vector lúc mở máy được trình bày trên hình 4.5b. Khi tốc độ đạt 70÷75% tốc độ đồng bộ, cuộn dây phụ được cắt ra nhờ công tắc ly tâm K và động cơ tiếp tục làm việc với cuộn dây chính. Đặc tính moment và độ trược M=f(s) hình 4.5c.
Hình 4.5 Động cơ dùng dây quấn phụ [26] Hình 4.5a Sơ đồ kết cấu động cơ Hình 4.5b Đồ thị vector lúc mở máy Hình 4.5c Đặc tính moment và độ trượt
Động cơ dùng tụ điện
Các động cơ không đồng bộ một pha có cuộn dây phụ được mắc nối tiếp 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 90o 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 phải chọn giá trị thích hợp thì góc lệch pha giữa Ic và Ip là gần 90o hình 4.6a. Tùy theo yêu cầu về moment mở máy và moment lúc làm việc, ta có các loại động cơ tụ điện như sau:
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 49
Động cơ dùng tụ mở máy (hình 4.6a) Khi mở máy tốc độ động cơ đạt 70÷75% tốc độ đồng bộ, công tắc K mở ra và động cơ sẽ đạt đến tốc độ ổn định.
Động cơ dùng tụ điện thường trực (hình 4.6b) Cuộn dây phụ và tụ điện mở máy được mắc 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 moment mở máy ta dùng động cơ hai tụ điện. Một tụ điện mở máy khá lớn (khoảng 10÷15 lần tụ điện thường trực) được ghép song song với tụ điện thường trực. Khi mở máy tốc độ động cơ đạt đến 75÷85% tốc độ đồng bộ thì tụ điện mở máy sẽ được cắt ra khỏi cuộn phụ, chỉ còn tụ điện thường trực nối với cuộn dây phụ khi làm việc bình thường
Hình 4. 6 Động cơ dùng tụ điện [26]
Hình 4.6 Động cơ dung tụ điện Hình 4.6a Sơ đồ kết cấu động cơ
Hình 4.6b Sơ đồ kết cấu động cơ dùng tụ thường trực Hình 4.6c Góc lệch pha cuộn chính và cuộn phụ
Động cơ dùng vòng ngắn mạch
Hình 4.7a 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 I1 tạo nên từ thông ' qua phần cực từ không vòng ngắn mạch và từ thông '' qua phần cực có vòng ngắn mạch. Từ thông " cảm ứng trong vòng ngắn mạch sdđ En, chậm pha so với " một góc 90o (hình 4.7b). Vòng ngắn mạch có điện trở và điện kháng nên tạo ra dòng điện In chậm pha so với En một góc φn < 90o. Dòng điện In tạo ra từ thông n và ta có từ thông tổng qua phần cực
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 50
Từ thông này lệch pha so với từ thông qua phần cực từ không có vòng ngắn mạch một góc là φ. Do từ thông φ’ và Tong lệch nhau trong không gian nên chúng tạo ra từ
trường quay và làm quay rotor. Loại động cơ này có moment mở máy khá nhỏ Mk=(0.2- 0.5)Mđm, hiệu suất thấp từ 20-40%, thường được chế tạo công suất 20-30W, đôi khi cũng có chế tạo công suất tới 300W và hay sử dụng làm quạt bàn, quạt trần, máy quay đĩa...
Hình 4.7 Động cơ có vòng ngắn mạch ở cực từ [2] Hình 4.7a Sơ đồ kết cấu động cơ
Hình 4.7b Đồ thị vector Hình 4.7c Đặc tính moment trượt
4.3.1.4 Mô hình toán học
Ta xây dựng mạch điện thay thế chính xác của động cơ không đồng bộ một pha.
Hình 4.7 Mô hình tương đương động cơ KĐB một pha chính xác ở chế độ xác lập [2]
Thông số quy đổi: - r'2 = kr2
- x'2 = kx2 - k = ke.kI - m1 = 2
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 51
Hình 4.8 Mô hình tương đương động cơ KĐB một pha gần đúng [2]
Trong đó:
- r1: Điện trở dây quấn sator
- x1: Điện kháng tản của dây quấn stator - xm: Điện kháng từ hóa
- x'1: Điện trở dây quấn rotor quy về dây quấn stator
- x2: Điện kháng tản của dây quấn rotor quy về dây quấn stator - U1: Điện áp nguồn
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 fs, f là tần số lưới điện nối vào dây quấn stator. Cho rằng tổn hao sắt không đáng kể hoặc gộp vào tổn hao quay. Như vậy từ trường quay thuận quy về dây quấn stator là 0.5r’2/s +j0.5x’2 (hình 4.9a). 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 quy về dây quấn stator là 0.5r’2/(2- s)+j0.5x’2 (hình 4.9b). Mạch điện tương đương trình bày trên hình 4.9b có:
Tổng trở thứ tự thuận ZT và thứ tự ngược ZN như sau:
𝑍𝑇 = 𝑅𝑇 + 𝑗𝑋𝑇 =𝑗0.5𝑋𝑚(𝑗0.5𝑋2′ + 0.5𝑅2′/𝑠)
0.5𝑅2′/𝑠 + 𝑗0.5(𝑋𝑚+ 𝑋2′)
𝑍𝑁 = 𝑅𝑁 + 𝑗𝑋𝑁 =𝑗0.5𝑋𝑚[𝑗0.5𝑋2′ + 0.5𝑅2′/(2 − 𝑠)]
0.5𝑅2′/(2 − 𝑠) + 𝑗0.5(𝑋𝑚+ 𝑋2′)
Công suất điện từ (khe hở không khí) của từ trường quay thuận và nghịch 𝑃𝑑𝑡𝑇 = 𝑅𝑇𝐼12 𝑃𝑑𝑡𝑁 = 𝑅𝑁𝐼12 Moment tương ứng (a) (b) (4.5) (4.6) (4.7) (4.8) (4.9)
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 52 𝑀𝑇 =𝑃𝑑𝑡𝑇 Ω1 Moment tổng 𝑀 = 𝑀𝑇 − 𝑀𝑁 = 𝐼1 2 Ω1(𝑅𝑇 − 𝑅𝑁)
Công suất cơ
𝑃𝑐𝑜 = 𝑀Ω = 𝑀Ω1(1 − 𝑠) = 𝐼12(𝑅𝑇 − 𝑅𝑁)(1 − 𝑠) = (𝑃𝑑𝑡𝑇− 𝑃𝑑𝑡𝑁)(1 − 𝑠)
Công suất trên đầu trục
𝑃2 = 𝑃𝑐𝑜− 𝑃𝑞
Trong đó: Pq là tổn hao quay gồm tổn hao cơ và tổn hao phụ, có khi cả tổn hao sắt từ và tổn hao quay.
Tổn hao đồng trong dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận và nghịch:
𝑃𝑐𝑢2𝑇 = 𝑠𝑃𝑑𝑡𝑇
𝑃𝑐𝑢2𝑁 = (2 − 𝑠)𝑃𝑑𝑡𝑁
Tổn hao đồng trong dây quấn rotor
𝑃𝑐𝑢2 = 𝑠𝑃𝑑𝑡𝑇+ (2 − 𝑠)𝑃𝑑𝑡𝑁
4.3.2 Máy nén pitton 4.3.2.1. Máy nén hở 4.3.2.1. Máy nén hở
Định nghĩa:
Là loại máy nén có đầu trục khuỷu nhô ra ngoài thân máy nén để nhận truyền động từ động cơ điện, nên phải có cụm bịt kín cổ trục. Cụm bịt kín có nhiệm vụ phải bịt kín khoang môi chất trên chi tiết chuyển động quay (Cổ trục khuỷu).
Hình 4.9 Máy nén hở
Hiện nay công nghệ hiện đại cho phép chế tạo những bộ bịt kín mà lượng thất thoát môi chất là vài gam trong một ngày đêm. Máy nén hở có công suất từ trung bình
(4.10) (4.11) (4.12) (4.13) (4.14) (4.15)
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 53
đến lớn, trên máy có bố trí các van an toàn. Để nhận truyền động từ động cơ, trên đầu trục khuỷu nhô ra ngoài thân máy để lắp bánh đai truyền động.
Nguyên lý làm việc:
Động cơ quay sẽ truyền chuyển động cho dây đai và sau đó tới bánh đai làm cho trục khuỷu của máy nén quay theo truyền động cho tay biên, tay biên sẽ biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của pitton, nhờ pitton di chuyển tịnh tiến qua lại trong xylanh, máy nén sẽ thực hiện quá trình hút và nén môi chất. Máy nén hở thường dùng loại máy nén pitton thuận dòng
Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy nén pitton đứng thuận dòng.
1: Thân máy; 7: Đường hút
2: Xi lanh 8: Đường đẩy
3: Tay biên 9: Áo nước làm mát 4: Pitton 11: Lò xo an toàn 5: Van hút; 6: Van đẩy 12: Nắp xi lanh
Khi bắt đầu vận hành, người ta phải nối thông đường hút và đường đẩy của máy nén, động cơ chỉ phải thắng quán tính và ma sát động cơ nên động cơ đạt tốc độ định mức rất nhanh, khi máy nén đã chạy đều mới khóa van nối thông đường hút và đường đẩy kết thúc quá trình khởi động.
Hơi môi chất đi vào phần giữa của xi lanh, khi pitton đi xuống, hơi tràn vào khoang giữa pitton qua van hút tràn vào xi lanh. Van hút bố trí ngay trên đỉnh pitton. Khi pitton vượt qua điểm chết dưới để đi lên trên, do lực quán tính, van hút đóng lại hơi được nén lên áp suất cao rồi đẩy ra ngoài qua van đẩy được bố trí trên nắp trong của xi lanh. Như vậy dòng môi chất không đổi hướng khi đi qua xi lanh.
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 54
Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng:
- Ưu điểm:
+ Tăng tiết diện van hút, van đẩy để giảm tổn thất áp suất
+ Có thể điều chỉnh vô cấp năng suất lạnh nhờ điều chỉnh vô cấp đai truyền làm thay đổi tốc độ máy nén;
+ Bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng, tuổi thọ tương đối cao; + Dễ gia công các chi tiết thay thế vì công nghệ đơn giản;
+ Có thể sử dụng động cơ điện hoặc sử dụng động cơ xăng, dầu để truyền động cho máy nén khi không có điện khi lắp trên các phương tiện giao thông.
- Nhược điểm:
+ Tốc độ thấp, vòng quay nhỏ nên kích thước máy lớn, cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt và chi phí nguyên vật liệu cao;
+ Có khả năng rò rỉ môi chất qua cụm bịt cổ trục.
4.3.2.2 Máy nén nửa kín Định nghĩa: Định nghĩa:
Máy nén nửa kín có động cơ lắp chung trong vỏ của máy nén. Các mặt đệm kín khoang môi chất đều là loại mặt đệm kín có gioăng, được siết chặt với thân máy bằng các bu lông. Trên máy có bố trí các van hút, đường đẩy, mắt dầu. Hình 4.12 giới thiệu nguyên tắc cấu tạo của máy nén nửa kín thường sử dụng máy nén ngược dòng.
Hình 4.11 Nguyên lý cấu tạo máy nén pitton đứng ngược dòng
1: Thân máy 6: Van đẩy
2: Xi lanh 7: Đường hút
3: Tay biên 8: Đường đẩy 4: Pitton; 5: Van hút 10: Cánh tản nhiệt
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 55
Nguyên lý làm việc:
Van hút không bố trí trên đỉnh của pitton nên pitton đơn giản, gọn nhẹ, có thể tăng tốc độ, van hút và đẩy được bố trí trên nắp xi lanh, phía trên nắp xi lanh được chia thành hai khoang hút và đẩy riêng biệt.
Hình 4.12 Nguyên lý cấu tạo máy nén nửa kín
1: Trục khuỷu 8: Rô to
2: Khối vỏ xi lanh đúc liền 9: Stato
3: Tay biên 10: Cửa hút
4: Pitton 11: Nắp bình động cơ
5: Nắp trong 12: Cuộn dây
6: Van hút 13: Nắp trên
7: Van đẩy 14: Đệm kín
Động cơ của máy nén nửa kín nằm trong cùng với vỏ của máy nén, khi động cơ vận hành sẽ truyền động trực tiếp cho trục khuỷu của máy nén, nhờ tay biên, truyền động quay sẽ biến thành chuyển động tịnh tiến của pitton bên trong xi lanh thực hiện quá trình hút, nén và đấy của hơi môi chất;
Hơi môi chất sau khi đi qua cuộn dây làm mát động cơ điện sẽ đi vào khoang hút bên thành xi lanh rồi vào xi lanh qua van hút. Khi pitton chuyển động qua lại trong xi lanh làm thay đổi thể tích giới hạn bởi xi lanh và bề mặt pitton tạo nên các quá trình hút, nén. Pitton chuyển động từ điểm chết trên đến điểm chết dưới thể tích tăng đến lớn nhất, van hút mở ra để hơi môi chất đi vào xi lanh. Pitton chuyển động ngược lại, thể tích nhỏ dần bắt đầu quá trình nén và đẩy hơi môi chất lạnh. Lúc này hai van hút và đẩy đều đóng.
Việc giảm tải cho máy nén trong quá trình khởi động được thực hiện một cách tự động, các van chặn đường hút và đường đẩy của máy ở trạng thái mở hoàn toàn;
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 56
Động cơ điện được làm mát theo hai cách: hơi môi chất hoặc quạt làm mát từ bên ngoài.
Hình 4.13 Cấu tạo máy nén nửa kín.
1: Rô to động cơ 11: Van hút
2: Bạc ổ trục 12: Xéc măng
3: Tấm hãm cố định rô to vào động cơ 13: Van một chiều 4: Phin lọc đường hút 14: Pitton
5: Then rô to 15: Tay biên
6: Stato 16: Bơm dầu
7: Thân máy 17: Trục khủyu
8: Hộp đấu điện 18: Kính xem mức dầu 9: Rơ le quá dòng 19: Lọc dầu
10: Van đẩy 20: Van một chiều đường dầu
Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng:
- Ưu điểm:
+ Khả năng rò rỉ môi chất giảm do không có cụm bịt cổ trục mà chỉ có các gioăng đệm tĩnh đảm bảo hơn;