3.2.1. Khái niệm.
Động cơ điện xoay chiều một pha là loại động cơ thường có công suất nhỏ không quá vài kW trở xuống sử dụng điện xoay chiều 1 pha, được dùng phổ biến trong sản xuất nhỏ (máy dụng cụ cầm tay) và trong đời sống (các loại quạt điện, đồ điện gia dụng), vì máy có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ nên chỉ cần sử dụng nguồn điện có hai dây. Tương tự như động cơ ba pha, động cơ một pha bao gồm phần cố định và phần quay. Phần cố định gồm có: vỏ máy, lõi sắt, nắp máy, cuộn dây stato và chụp che quạt… Bộ phận quay gồm có: lõi thép quay, cuộn dây rôto (thông thường có dạng lồng sóc), trục quay, ổ trục, cánh quạt và công tắc ly tâm hoặc rơle. Ngoài ra, còn có tụ điện (tụ điện khởi động hoặc tụ điện quay và động cơ điện hai trị số điện dung), biển nhãn hiệu và tổ hợp nối dây của động cơ,…
3.2.1.1.Phần cố định của động cơ điện một pha
a. Vỏ máy
Vật liệu vỏ máy của phần cố định thường chế tạo bởi tấm thép, nhôm đúc hoặc gang. Tác dụng của vỏ máy dùng để giữ lõi sắt của stato, chụp đầu và mômen ngược chịu phụ tải, vỏ máy làm thành dạng có hình đậy kín, mở ra và phòng hộ. Vật liệu chế tạo vỏ máy thường dùng tấm thép dày 1,2÷2mm cuốn thành, mục đích là để giảm giá thành sản phẩm, ưu điểm của vỏ máy đúc bằng nhôm là có trọng lượng nhẹ. Đối với những vỏ máy có kích thước lớn thường dùng vỏ gang, tiện lợi khi gia công, giảm được chấn động, tăng được tính ổn định của vỏ máy.
b. Lõi thép stator
Lõi thép stator được cấu tạo bởi những lá tôn silic dày khoảng 0,35÷0,5mm xếp chồng lên nhau. Đầu tiên dùng cách dập nguội những lá tôn silic đó. Sau đó, xếp các tấm đó lại với nhau rồi dùng đinh rivê tán ép chặt lại, hoặc ép dập trực tiếp các lá tôn silic chặt trong vỏ hợp kim nhôm.
c. Cuộn dây stator
Thông thường có hai bộ dây quấn, một bộ dây chính gọi là bộ dây làm việc và một bộ dây phụ, còn gọi là bộ dây khởi động, chúng được đặt lệch nhau trong không gian một góc 90º. Như động cơ điện một pha thường yêu cầu về đường kính, số vòng dây và cuộn dây của hai bộ dây chính và phụ hoàn toàn như nhau để khi động cơ điện quay thuận và quay ngược thì hai cuộn dây này đổi cho nhau. Khi quay thuận (theo chiều kim đồng hồ) thì bộ dây chính làm việc, bộ quấn phụ khởi động, khi quay ngược, bộ dây chính biến thành bộ dây phụ và bộ dây phụ biến thành bộ dây chính.
Vật liệu dùng làm nắp máy và vỏ máy giống nhau, yêu cầu dung sai lắp ghép của nắp máy phải chính xác, độ đồng tâm cao phải phù hợp với yêu cầu, ngoài ra, phải cứng vững (độ chắc chắn) bảo đảm cho rôto hoạt động.
Khe hở (giữa rotor và stator) của động cơ điện không đồng bộ một pha là 0,2÷0,3mm. Khi lắp ráp và sửa chữa nếu không chính xác hoặc khi tháp lắp bị va đập vào nắp máy làm cho biến dạng đều sẽ ảnh hưởng tới mức độ của khe hở. Từ đó, dẫn tới làm cho rotor và stator khi làm việc sẽ cọ sát vào nhau.
3.2.1.2. Bộ phận quay của động cơ điện 1 pha
a. Lõi thép rôto
Lõi thép rotor cũng được chế tạo bằng cách ép chồng những lá tôn silic mà thành, khác với lõi thép stator là ở chỗ các rãnh được dập nghiêng để giảm thiểu sự chấn động và tiếng ồn; đối với rãnh kín yêu cầu cách điện của các lá tôn silic không cao lắm, có thể không cần phải quét lớp sơn cách điện.
b. Cuộn dây rotor
Cuộn dây rôto thường đúc bằng nhôm, dùng những thanh đồng thay cho thanh nhôm làm cho điện trở của rotor giảm, tổn hao công suất thấp, tổn hao đồng giảm đi, có thể nâng cao hiệu suất của động cơ điện.
c. Trục quay
Yêu cầu kỹ thuật đối với trục quay phải đảm bảo các kích thước, hình dáng nhất định, lại còn phải đảm bảo độ cứng bề mặt, nếu không trong khi làm việc trục quay sinh ra độ cong quá lớn làm cho khe hở không đều, thậm chí còn sinh ra sự cố (cọ sát). Thông thường trục quay được chế tạo bằng thép cacbon hoặc các loại thép đặc biệt khác.
d. Công tắc ly tâm
Do bộ dây phụ chỉ hoạt động khi động cơ bắt đầu làm việc, khi tốc độ đạt tới 75% tốc độ định mức cuộn dây phụ sẽ rời khỏi trạng thái làm việc, cho nên cần có công tắc ly tâm. Sau khi tốc độ quay tăng cao, vì tác dụng của lực ly tâm, làm cho tiếp điểm của công tắc ly tâm nhả ra, khiến cho cuộn dây phụ tách khỏi nguồn điện. Do cuộn dây phụ chỉ có tác dụng khi khởi động, cho nên số vòng dây tương đối nhiều, dây dẫn tương đối mảnh. Nếu công tắc ly tâm mất tác dụng thì cuộn dây phụ sẽ làm việc liên tục, dẫn đến làm việc quá tải có thể làm cuộn dây phụ bị cháy.
3.2.2. Các loại động cơ một pha.
Các động cơ không đồng bộ một pha có cuộn dây phụ được mắt 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 chọn tụ điện có giá trị thích hợp thì góc lệch pha giữa
3.2.2.1. Động cơ dùng tụ điện mở máy
Các động cơ không đồng bộ một pha có cuộn dây phụ được lắp nối tiếp với một tụ điện được gọi là động cơ điện một pha dùng tụ điện khởi động. Khi tốc độ động cơ đạt 75% tốc độ định mức thì ngắt điện ly tâm ngắt cuộn dây đề (hình 3.14).
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý động cơ một pha dùng tụ điện mở máy
3.2.2.2. Động cơ dùng tụ điện thường trực
Động cơ dùng tụ điện thường trực khi cuộn dây phụ và tụ điện mở máy được nối tiếp và hoạt động liên tục khi động cơ làm việc bình thường. Loại động cơ này có công suất thường nhỏ hơn 500W và có đặc tính cơ tốt (hình 3.15).
3.2.3. Biểu thức tính vẽ sơ đồ trải dây quấn stator động cơ KĐB 1 pha
Trong stator động cơ một pha hay hai pha thường bố trí hai bộ dây quấn lệch pha trong không gian 900 , và tạo dòng điện qua hai bộ dây quấn này lệch pha nhau về thời gian là 90 độ để tạo ra từ trường quay tròn khởi động động cơ.
Nếu pha phụ (đề) được cắt khỏi nguồn điện khi tốc độ quay rotor đạt 75% tốc độ định mức là động cơ một pha, và ngược lại pha phụ đấu song song với pha chính khi động cơ vận hành là động cơ ở dạng hai pha.
3.2.3.1. Công thức tính và các dạng sơ đồ trải dây quấn stator động cơ một pha.
Tương tự như động cơ ba pha, động cơ một pha cũng có các biểu thức và thuật ngữ dùng trong việc tính toán và vẽ sơ đồ trãi dây quấn.
Tổng số rãnh phân bố cho pha chính (chạy): QA . Tổng số rãnh phân bố cho pha phụ (đề): QB .
Tổng số rãnh phân bố cho pha chính (chạy) trên một bước cực từ: qA . Tổng số rãnh phân bố cho pha phụ (đề) trên một bước cực từ: qB . Khi là bội số của 2 thì dùng phân bố QA = QB .
Khi là bội số của 3 thì dùng phân bố QA = 2QB . Khi là bội số của 4 thì dùng phân bố QA = 3QB .
Và tương tự như động cơ ba pha thì biểu thức tính và kiểu sơ đồ dây quấn cũng có kiểu tập trung, kiểu phân tán và hai lớp.
3.2.3.2. Ví dụ minh họa
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1 2 3 4
A B X Y
Hình 3.16. Sơ đồ trãi dây quấn kiểu tập trung QA = 2 QB có Z = 24, 2p = 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 1 2 3 4
0
A B Y
X
Hình 3.17. Sơ đồ trãi dây quấn kiểu phân tán QA = 2 QB có Z = 24, 2p = 4
3.3. Bài tập chương 3
Bài 1: Động cơ không đồng bộ ba pha có các thông số kỹ thuật sau: công suất định mức 7,5 kW ; tần số 50Hz ; động cơ kiểu nối Y/ ứng với điện áp 220/380 vôn ; số đôi cực là 2 ; hệ số công suất định mức là 0,88 ; hiệu suất 0,88 ; tổn hao sắt từ 220W ; tổn hao cơ và phụ là 124,5W và điện trở dây quấn stator là 0,69 W. Điện áp nguồn cấp động cơ là 380 vôn. Hãy tính:
a. Dòng điện định mức, công suất tác dụng và công suất phản kháng động cơ.
b. Tốc độ quay và momen điện từ, cho biết hệ số trượt động cơ là 0,029 và tốc độ từ trường quay là 50 rad/s.
Bài 2: Động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc : Pđm = 14, tốc độ định mức nđm
= 1450 vg/ph, hiệu suất định mức đm = 0,885, hệ số công suất định mức cosđm = 0,88 ; Y/ - 380/220 V ; tỷ số dòng điện mở máy Imm/Iđm = 5,5; mômen mở máy Mmm/Mđm = 1,3 ; mômen cực đại Mmax/Mđm = 2 . Điện áp mạng điện Ud =380 vôn và n1 = 1500 vòng/phút.
a. Tính công suất tác dụng và phản kháng động cơ chế độ định mức. b. Tính dòng điện, hệ số trượt và momen định mức.
c. Tính dòng điện mở máy, momen mở máy, momen cực đại.
Bài 3: Xây dựng sơ đồ trãi dây quấn 1 lớp cho stator động cơ không đồng bộ 3 pha có số rãnh là 36 và số cực 6 kiểu tập trung. Bài giải rãnh/bước cực từ rãnh/pha/bước cực từ độ điện 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1 2 3 4 5 6 7 8 930 1 2 3 4 5 6 A Z B C X Y
Bài 4: Xây dựng sơ đồ trãi dây quấn 1 lớp cho stator động cơ không đồng bộ 1 pha có số rãnh là 36 và số cực 4 kiểu phân tán. Bài giải rãnh/bước cực từ rãnh/pha/bước cực từ rãnh/pha/bước cực từ độ điện 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 89 20 1 2 3 45 6 7 8 9 30 1 2 3 4 5 6 A B X Y 7 35 3 31
CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Giới thiệu:
Trong chương này ta sẽ làm quen với các khái niệm về máy điện một chiều, cấu tạo chung và các thông số định mức của máy điện một chiều.
Mục tiêu:
- Mô tả, kể tên các thành phần cấu tạo trong máy điện một chiều. - Trình bày nguyên lý quay máy điện một chiều.
- Tính toán được thông số điện đơn giản trong máy điện một chiều.
Nội dung chính: 4.1. Định nghĩa
Máy điện một chiều là loại máy điện quay sử dụng nguồn điện một chiều. Máy điện một chiều đặc biệt là động cơ điện một chiều được sử dụng nhiều bên cạnh động cơ điện xoay chiều. Động cơ điện một chiều có ưu điểm ở khả năng điều chỉnh tốc độ bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng và momen mở máy lớn.
Máy điện một chiều có nhược điểm là có cổ góp làm cấu tạo máy phức tạp, đắt tiền, nguy hiểm trong môi trường cháy nổ. Bên cạnh đó khi sử dụng động cơ một chiều cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo.
4.2. Cấu tạo
Máy điện một chiều cũng có tính thuận nghịch, nên có thể dùng động cơ hoặc máy phát. Cấu tạo chính của máy điện một chiều gồm stator với cực từ, rotor với dây quấn, cổ góp và chổi than.
4.2.1. Stator
Stato còn gọi là phần cảm, lõi thép bằng thép đúc, mặt trong có gắn cực từ chính và cực từ phụ. Dây quấn cực từ chính được đặt trên các cực từ chính. Dây quấn cực từ phụ được đặt trên các cực từ phụ (giữa các cực từ chính).
Hình 4.1. Cấu tạo stator máy điện một chiều
Cực từ chính: gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Nhiệm vụ cực từ chính là tạo từ trường chính.
Cực từ phụ: được đặt giữa các cực từ chính có nhiệm vụ cải thiện đổi chiều. Gông từ (võ máy): Để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
4.2.2. Rotor
Rotor của máy điện một chiều được gọi là phần ứng gồm lõi thép và dây quấn phần ứng.
Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ, có rãnh đặt dây quấn. Dây quấn phần ứng: Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.
4.2.3. Cổ góp và chổi than
Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục. Dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều.
Chổi than (chổi điện) làm bằng than graphit. Các chổi tì chặt lên cổ góp nhờ lò so và giá chổi điện gắn trên nắp máy
Hình 4.3. Hình vẽ cổ góp và chổi than máy điện một chiều
4.2.4. Các bộ phận khác
Bao gồm cánh quạt, trục máy và ổ bi. Cánh quạt thường dùng để quạt gió làm mát máy. Trục máy trên đó có đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thường được làm bằng thép tốt.
Nếu ta cho dòng điện một chiều đi vào chổi than thì do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn nằm dưới cực S nên dưới tác dụng của từ trường sẽ sinh ra mộ momen có chiều không đổi làm cho quay máy. Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái.
4.3.1. Phương trình cân bằng điện áp động cơ điện một chiều:
U = Eư + Iư Rư . Trong đó:
U : điện áp cấp động cơ.
Rư : điện trở dây quấn phần ứng.
Iư Rư : điện áp rơ trên dây quấn phần ứng. Eư : sức điện động phần ứng.
4.3.2. Phương trình cân bằng điện áp máy phát điện một chiều:
U = Eư - Iư Rư . 4.4. Thông số định mức Pđm : Công suất định mức, [kW]. Uđm : Điện áp định mức, [kV]. Iđm : Dòng điện định mức, [A]. nđm : Tốc độ định mức, [vòng/phút]. đm : Hiệu suất định mức. Iư : Dòng điện phần ứng, [A]. It : Dòng điện tải, [A].
Ikt : Dòng điện kích từ, [A].
4.5. Công suất và momen điện từ
Công suất điện từ máy điện một chiều: Pđt = Eư.Iư . Momen điện từ: Gọi k
Nhận xét:
Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng và từ thông.
Thay đổi mômen điện từ: Phải thay đổi dòng điện phần ứng hoặc thay đổi dòng điện kích từ.
Đổi chiều mômen điện từ: Phải đổi chiều hoặc dòng điện phần ứng hoặc dòng điện kích từ.
4.6. Mở máy độ động cơ một chiều. 4.6.1. Dùng biến trở mở máy 4.6.1. Dùng biến trở mở máy
Biến trở mắc vào mạch phần ứng. Khi bắt đầu mở máy đặt biến trở ở vị trí lớn nhất. Khi tốc độ động cơ tăng lên giảm dần biến trở về không. Quá trình mở máy kết thúc khi tốc độ động cơ đạt định mức.
Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý mở máy động cơ dùng biến trở
Phương pháp mở máy nhờ biến trở mở máy đối với các động cơ lớn thường cồng kềnh và tiêu hao một phần năng lượng đáng kể (tổn hao trong biến trở) nhất là với động cơ yêu cầu mở máy liên tục.
4.6.2. Giảm điện áp đặt vào phần ứng
Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý mở máy động cơ giảm điện áp phần ứng
Do đó, để mở máy động cơ công suất lớn, người ta sử dụng nguồn một chiều độc lập có