Cấu tạo của máy điện KĐB gồm hai bộ phận chủ yếu là stato và rotor, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy, trục máy. Trục máy làm bằng thép, trên đó
gắn rotor, bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.
Hình 3-1: Động cơ không đồng bộ.
3.1.2.1. Phần t nh (stator)
Gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn stator.
Lõi thép stator hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện có dập rãnh bên trong ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép chặt vào trong vỏ máy.
Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện
và đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo nên từtrường quay.
Hình 3-2: Stator và lá thép stator.
3.1.2.2. Phần quay (Rotor)
Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện có dập rãnh ghép lại tạo
thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗđể lắp trục. Dây quấn rotor:
Dây quấn Rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn mạch (còn gọi là rotor lồng sóc) và rotor dây quấn.
a)Loại rotor lồng sóc
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 nhỏ, dây quấn rotor được đúc
nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát. Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vành ngắn mạch ở hai đầu.
Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt, và các quạt làm mát. Động cơ điện có rotor lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ lồng sóc.
b)Loại rotor dây quấn
Trong rãnh lõi thép rotor, đặt dây quấn ba pha. Dây quấn rotor thường nối
sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục rotor và
được cách điện với trục. Nhờ ba ch i than tỳ sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn rotor được nối với 3 vòng tiếp xúc, đồng thời nối với 3 biến trở bên ngoài, để
mở máy hay điều ch nh tốc độ. Loại động cơ này gọi là động cơ không đồng bộ
rotor dây quấn.
Hình 3-4: Rotor dây quấn và ký hiệu rotor trên mạch điện.
Động cơ lồng sóc là loại rất ph biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo.
Động cơ rotor dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều ch nh tốc độ song giá
thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên ch được dùng khi
động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động.
3.1.3. Từ trƣờng của máy điện không đồng bộ 3.1.3.1. Từ trƣờng đập mạch của dây quấn 1 pha
Từ trường của dây quấn 1 pha có phương không đ i, song trị số và chiều biến đ i theo thời gian gọi là từ trường đập mạch.
Xét 1 máy điện có cấu tạo đơn giản, stator ch có 1 cuộn dây gồm 1 vòng dây đặt như hình vẽ.
Cho dòng điện sin đi qua cuộn dây. Tron g ½ chu kỳđầu, dòng điện dương, véctơ từtrường B hướng theo trục Ox, độ lớn tăng dần từ 0 đến Bm rồi từ Bm trở
và độ lớn cũng thay đ i tương tự ½ chu kỳ đầu. Véctơ B có hướng không đ i
như vậy gọi là từ trường đập mạch (không phải từtrường quay).
Hình 3-5: Sự hình thành từ trường đập mạch trong dây quấn 1 pha.
3.1.3.2. Từ trƣờng của dây quấn ba pha a)S tạo thành từtrƣờng quay
- Giả sử xét động cơ điện không đồng bộ ba pha, ba dây quấn là AX, BY và CZ. với A, B, C là ba đầu đầu của ba cuộn dây pha, X, Y, Z là ba đầu cuối của ba cuộn dây pha. Ba cuộn dây đặt cách đều nhau 120o, cho dòng điện ba pha có tần số f=50Hz.
iA = Imaxsinωt; iB = Imaxsin ωt – 120o); iC = Imax sin ωt – 240o)
Quy ước: Chiều dòng điện đi từ đầu đầu đến đầu cuối của cuộn dây là
dương và ngược lại là âm (là dòng điện đi ra tức là từ đầu cuối đến đầu
đầu).
Xét trong một chu kỳ:
- Tại thời điểm a (t = 90o , dòng điện trong cuộn dây AX là cực đại và
dương, dòng điện trong cuộn BY, CZ là âm, bằng nhau và bằng nữa trị số dòng
điện cuộn AX. Vì vậy dòng điện trong cuộn AX đi từ đầu đầu đến đầu cuối, còn trong cuộn dây BY và CZ dòng điện đi từđầu cuối đến đầu đầu.
Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dòng
điện sinh ra, từ trường t ng có một cực S và một cực N được gọi là từ trường một đôi cực (p = 1), trục của từ trường t ng trùng với trục dây quấn pha A là
pha có dòng điện cực đại.
Hình 3-6: Từ trường quay của dòng điện 3 pha.
- Tương tự tại thời điểm b và c ta có:
- Tại thời điểm c (t = 90o + 120o) là thời điểm sau thời gian đã xét ở trên là một phần ba chu kỳ T/3. Ở thời điểm này dòng điện pha B là cực đại và dương, dòng điện và pha A và C là âm. Vì vậy, dòng điện trong cuộn BY đi từ đầu đầu
đến đầu cuối, còn trong cuộn dây AX và CZ dòng điện đi từ đầu cuối đến đầu
đầu. Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dòng
điện sinh ra, từ trường t ng đã quay đi một góc là 120o so với thời điểm trước, trục của từ trường t ng trùng với trục dây quấn pha B là pha có dòng điện cực
- Tại thời điểm d (t = 90 + 240 ) là thời điểm chậm sau thời gian đầu là một phần ba chu kỳ T/3. Lúc này dòng điện pha C là cực đại và dương, dòng điện và pha A và B là âm. Vì vậy dòng điện trong cuộn CZ đi từ đầu đầu đến
đầu cuối, còn trong cuộn dây AX và BY dòng điện đi từ đầu cuối đến đầu đầu. Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dòng điện sinh ra, từ trường t ng đã quay đi một góc là 240o so với thời điểm đầu, trục của từtrường t ng trùng với trục dây quấn pha C là pha có dòng điện cực đại.
Theo chiều dòng điện ở các thời điểm ta sẽ có chiều từ trường, qua sự phân tích ở các thời điểm ta nhận thấy từ trường t ng của dòng điện ba pha là từ trường quay. Từ trường quay móc vòng với cả hai dây quấn stato và rotor, hay nói một cách khác la trong một chu kỳ từ trường quay được một vòng nên từ trường dây quấn ba pha gọi là từ trường quay, nhờ từ trường quay mà trục của
động cơ có thểquay tròn khi đưa dòng điện ba pha vao dây quấn stato. Với cách cấu tạo dây quấn như trên ta có từtrường quay một đôi cực p = 1.
Nếu thay đ i cách cấu tạo dây quấn hay là cách quấn dây ta có sốđôi cực là p = 2,3,4...vv.
b)Đặc điểm của từtrƣờng quay
- Tốc độ từ trường quay: Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng
điện stato f và sốđôi cực p.
Khi dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay được một vòng, trong một giây dòng điện stato biến thiên f chu kỳ, do đó trong một phút dòng điện stato biến thiên 60f chu kỳ và từ trường quay được 60f vòng.
Khi từ trường có một đôi cực p = 1 thì tốc độ từ trường quay là n1=60f vòng/phút.
Khi từ trường có hai đôi cực p = 2, dòng điện biến thiên một chu kỳ và từ trường quay được 1/2 vòng (từ cực N qua cực S đến N là 1/2 vòng), do đó
Trường hợp t ng quát ta có: Khi từ trường quay có p đôi cực, tốc độ từ trường quay là n1= 60 vòng/phút.
- Chiều quay của từtrường: Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự
pha của dòng điện. Muốn đ i chiều quay của từ trường ta thay đ i thứ tự hai pha với nhau (tức là đảo chiều quay của động cơ .
Ví dụ khi đấu cấp nguồn ba pha A, B, C vào dây quấn stato của động cơ không đồng bộ ba pha nếu động cơ quay ngược, để đảo chiều quay ta giữ nguyên pha A và đ i hai pha B và C cho nhau.
- Biên độ từ trường quay: Từ trường quay sinh ra từ thông xuyên qua mỗi dây quấn.
max = pmax (3-1)
Với: m là số pha; pmax là từ thông cực đại của một pha.
3.1.4. Nguy n lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ ba pha
Động cơ KĐB Rotor lồng sóc là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường Stato. Stato được quấn các cuộn dây lệch nhau về không gian (thường 3 cuộn dây lệch nhau 120o).
Hình 3-7: Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha.
Khi ta cho dòng điện ba pha trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p (f1 là tần số của lưới điện, p là số đôi cực từ của máy, n1 là tốc độ từ trường quay). Từ trường quay cắt các
thanh dẫn của dây quấn rotor, cảm ứng trong dây quấn rotor các sức điện động E2. Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng này sẽ sinh ra dòng I2 trong các thanh dẫn rotor. Trong miền từ trường do stato tạo ra, thanh dẫn mang dòng I2 sẽ chịu tác dụng lực điện từ Fđt. Tương tác giữa từ trường của rotor và stato gây ra Momen kéo Rotor chuyển động theo từ trường quay của Stato.
Giả thiết về chiều quay n1 của từ trường khe hở và của rotor như hình trên. Theo quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều sức điện động E2 và I2; theo quy tắc bàn tay trái, xác định được lực Fđt và mômen M. Ta thấy Fđt cùng chiều quay của rotor, ngh a là điện năng đưa tới stato, thông qua từ trường đã biến đ i thành
cơ năng trên trục làm quay rotor theo chiều từ trường quay n1, Chuyển động quay của Rotor được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. Như vậy máy làm việc ở chế độđộng cơ điện.
Tốc độ quay của rotor luôn luôn nhỏhơn tốc độ của từ trường quay (n < n1) nên có sự chuyển động tương đối giửa thanh dẫn và từ trường. Do đó, có sức
điện động cảm ứng E2. Dòng I2, ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗, chính vì vậy nên gọi là động cơ không đồng bộ.
3.1.5. Các thông số trong máy điện không đồng bộ3.1.5.1. Các đại lƣợng định mức 3.1.5.1. Các đại lƣợng định mức
a)Công suất định mức
Các trị sốđịnh mức do nhà máy thiết kế, chế tạo qui định và được ghi trên
nhãn máy. Vì máy điện không đồng bộ chủ yếu dùng làm động cơ điện nên trên nhãn máy ghi các trị sốđịnh mức của động cơ như sau:
Pđm: công suất định mức ở đấu trục, [kW]. đm: hiệu suất định mức.
Uđm: điện áp dây định mức, [kV]. Iđm: dòng điện dây định mức, [A].
Cosđm: hệ số công suất định mức.
Đối với động cơ điện không đồng bộ, công suất định mức là công suất trên
đầu trục động cơ. Còn động cơ ba pha, điện áp và dòng điện ghi trên nhãn máy
là điện áp và dòng điện dây tương ứng với cách đấu hình sao Y hay đấu hình
tam giác Δ .
Từ các trị sốđịnh mức ghi trên nhãn, ta có thể tính được: Công suất định mức mà động cơ điện tiêu thụ:
√ (3-2)
b)Moment quay định mức ởđầu trục
Momen có thể hiểu là năng lượng cấp cho một vật để vật thực hiện chuyển
động quay quanh một trục một góc bằng 1 rad.
Với động cơ điện, gọi P2 là công suất cơ cấp đến trục của động cơ đang
quay với vận tốc là n; M là momen cơ trên trục của động cơ và ω2 là vận tốc quay góc; ta có định ngh a về moment như sau:
(3-3)
Trong đó đơn vị của các đại lượng là: P2 (W); n (vòng/giây) ; M (N.m).
Trong trường hợp đơn vị của n (vòng/phút) quan hệđược viết lại:
(3-4)
Khi xem như t n hao ma sát cơ không đáng kể, Momen cơ ra trên trục
động cơ được xác định theo quan hệ sau đây :
Hay: (3-5) Với: nđm: tốc độquay định mức [vg/ph]. : tốc độ quay góc định mức [rad/s].
Ví dụ 3.1:Động cơ không đồng bộ ba pha: 100HP có tốc độ định mức 1445v/p
và 1HP = 746W; tại lúc tải định mức momen định mức trên trục động cơ là:
3.1.5.2. Độ trƣợt (Hệ số trƣợt)
Ta có định ngh a cho độ trượt s là vận tốc chênh lệch tương đối giữa vận tốc rotor so với vận tốc của từ trường quay.
Gọi : – n1: vận tốc của từtrường quay (hay tốc độđồng bộ). n: vận tốc của rotor.
s: độtrượt của động cơ.
Ta định ngh a độtrượt bằng quan hệ sau:
(3-6)
Ta có: n2 = n1 - n với n2 là tốc độtrượt.
Hệ sốtrượt là t số giữa tốc độtrượt và tốc độ từ trường quay. (tốc độtrượt/tốc độ từ trường) (3-7) Các trường hợp của hệ sốtrượt: n = n1 → s = 0 n = 0 → s = 1 n > n1 → s < 0
n < 0 → s > 1 (rotor quay ngược chiều từ trường quay)
Ví dụ 3.2:Động cơ không đồng bộ ba pha 2p = 4 cực, được cấp nguồn xoay
chiều 3 pha có tần số là f = 50Hz, tốc độ định mức là 1425 vòng/phút. Xác định: Tốc độ của từ trường quay và độ trượt của động cơ tại tải định mức.
Giải Tốc độ từ trường quay hay tốc độđồng bộ:
.
Độtrượt s của động cơ tại tải định mức:
3.1.5.3. Phƣơng trình điện ápdây quấn stato
Dây quấn stator của động cơ tương tự như dây quấn sơ cấp máy biến áp, ta
có phương trình điện áp là:
̇ ̇ ̇ ̇ ̇ (3-8)
Trong đó: - R1 + jX1: t ng trở của dây quấn stator. - R1: điện trở dây quấn stator.
- X1 = 2fL1: điện kháng tản dây quấn stator. - L1: điện cảm tản dây quấn stator.
Sức điện động pha stato do từ thông của từ trường sinh ra có trị số là: E1=4,44.f.kdq1.W1.max (3-9)
Trong đó:
f : là tần sốdòng điện stator. W1: số vòng dây quấn stato.
max: biên độ từ thông của từ trường quay. E1: sức điện động pha stato.
kdq1: là hệ số dây quấn của 1 pha stator. kdq1 < 1 nói lên sự suy giảm sức điện động của dây quấn do kết cấu của dây quấn rải trên các rãnh so với dây quấn tập trung như của máy biến áp.
3.1.5.4. Phƣơng trình cân b ng điện áp dây quấn rotor
Các sức điện động cảm ứng trên mạch rotor của động cơ KĐB phụ thuộc vào tần số dòng điện rotor f2, mà tần số này lại phụ thuộc vào tốc độ quay của
rotor đối với từ trường quay. Ta chọn 2 trường hợp cụ thểđể xét là:
Khi rotor quay với tốc độ n: Ta có từ trường stato quay với tốc độ n1 và tần số
f so với stato, do vậy từ trường stato sẽ quay so với dây quấn rotor với tốc độ trượt bằng n2 = n1 - n.
Sức điện động và dòng điện trong dây quấn rotor có tần số f2 và f2 = .
Trong đó:
n2 là tốc độ quay của từtrường stato so với dây quấn rotor. f2 là tần sốdòng điện trong dây quấn rotor.
Mặc khác ta có: n2 = s.n1 Mà: . (3-10)
Vậy tần sốdòng điện rotor lúc quay bằng tần sốdòng điện stato (tần sốlưới
điện) nhân với hệ sốtrượt.
Ta có sức điện động pha dây quấn rotor lúc quay là E2s=4,44.f2.W2.kdq2. max.