BÀI 4: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
4.1. Khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc và các đại lượng định mức
Máy điện không đồng bộ (còn có tên gọi khác là máy điện dị bộ hay máy điện cảm ứng) là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc độ quay roto n (tốc độ quay của máy) khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy n1.
Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy, ít phải chăm sóc bảo dưỡng nên được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt. Gần đây do kỹ thuật điện tử phát triển nên động cơ không đồng bộ đã đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh tốc độ, vì vậy động cơ không đồng bộ càng được sử dụng rộng rãi hơn.
Động cơ điện không đồng bộ có các loại: động cơ ba pha; hai pha và một pha.
Động cơ điện không đồng bộ có công suất trên 600 W là loại ba pha có ba dây quấn làm việc, trục các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 120 điện. Các động cơ có công suất dưới 600 W thường là động cơ hai pha hoặc một pha. Động cơ hai pha có hai dây quấn làm việc, trục của hai dây quấn lệch nhau trong không gian một góc
90điện. Động cơ điện một pha chỉ có một dây quấn làm việc.
4.1.2. Cấu tạo
1. Phần tĩnh (hay stato)
Phần tĩnh máy điện không đồng bộ gồm hai phần chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.
* Vỏ máy để cố định lõi thép và dây quấn, không dùng làm mạch dẫn từ.
Thường làm bằng gang hay thép tấm hàn lại.
Hình 4.1. Cấu tạo của máy điện không đồng bộ
1. Lõi thép; 2. Dây quấn stato; 3. Nắp máy; 4. Ổ bi; 5. Trục máy;
6. Hộp đấu dây; 7. Lõi thép rôto; 8. Thân máy; 9. Quạt gió làm mát; 10. Hộp quạt
* Lõi thép là phần dẫn từ, có dạng hình trụ (Hình 4.2b) làm bằng lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm hay 0,5 mm ép lại. Khi đường kính ngoài lõi thép Dn < 990 mm thì dùng những tấm tròn ép lại (Hình 4.2c). Khi Dn > 990 mm thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. Mặt trong của thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
Hình 4.2. Lá thép và mạch từ máy điện không đồng bộ a. Lá thép rôto; b. Lá thép stato: c. Lõi thép stato
* Dây quấn stato là phần dẫn điện, thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện và được đặt vào các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stato sẽ tạo nên từ trường quay.
2. Phần quay (hay rôto)
Phần quay gồm có lõi thép, dây quấn và trục máy.
* Lõi thép rôto làm từ thép kỹ thuật điện như stator, lõi thép được ép lên trục quay, phía ngoài có xẻ rãnh để đặt dây quấn (hình 4.2a).
* Dây quấn rôto có hai kiểu:
Kiểu dây quấn: dây quấn giống như dây quấn của stato. Dây quấn ba pha của roto thường được đấu hình sao, còn ba đầu kia nối với ba vành trượt đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than đấu với mạch điện bên ngoài. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch (hình 4.3).
- Kiểu lồng sóc: trong mỗi rãnh của stator đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm (hình 4.4).
Hình 4.4. Cấu tạo roto và ký hiệu máy điện không đồng bộ
a. Dây quấn rôto lồng sóc; b. Lõi thép rôto; c. Ký hiệu động cơ trên sơ đồ
* Khe hở không khí giữa stato và rôto: khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2 mm đến 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa). Khe hở càng nhỏ càng tốt để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới điện vào.
4.1.3. Nguyên lý làm việc
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn ba pha đặt trong lõi thép stato thì trong khe hở xuất hiện một từ trường quay với tốc độ đồng bộ n1 = 60f/p (với f là tần số lưới điện đưa vào, p là số đới cực của máy). Từ trường này quét qua dây quấn
Hình 4.3. Rôto dây quấn của máy điện không đồng bộ
Do rôto kín mạch nên trong dây quấn rôto có dòng điện i2 chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở
. Dòng điện trong dây quấn của rôto tác dụng với từ thông khe hở sinh ra mômen của máy.
Dễ thấy là khi roto đứng yên (ví dụ như lúc khởi động hoặc roto bị kẹt) thì nguyên lý làm việc của nó giống như máy biến áp.
Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Để chỉ phạm vi tốc độ của mỗi máy người ta dùng hệ số trượt s. Theo định nghĩa hệ số trượt bằng:
1 1
n n
sn (4.1)
Xét trường hợp rôto quay cùng chiều với từ trường quay nhưng n < n1 (0 < s < 1) Giả sử chiều quay n1 của và chiều quay n của rôto như hình vẽ (hình 4.5a).
Theo quy tắc bàn tay phải xác định được chiều e2, i2. Theo quy tắc bàn tay phải ta xác định được chiều dòng điện cảm ứng trên roto. Theo qui tắc bàn tay trái xác định được lực Fđt và mômen M. Ta thấy lực điện từ Fđt cùng chiều quay của rôto, nghĩa là điện năng đưa tới stato thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay rôto theo chiều từ trường quay, như vậy máy làm việc ở chế độ động cơ điện.
Tốc độ quay của roto n nhỏ hơn tốc độ của từ trường n1 vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối và trong dây quấn roto sẽ không có dòng điện, lực điện từ cũng bằng 0. Khi làm việc định mức thì giá trị của s rất nhỏ, khoảng 0,02 0,05.
Nếu tốc độ roto lại lớn hơn tốc độ từ trường thì máy chuyển sang làm việc ở chế độ máy phát (hình 4.5b).
Nếu roto quay ngược chiều từ trường thì máy làm việc ở chế độ hãm (hình 4.5c)
Hình 4.5. Các chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ a. Động cơ; b. Máy phát; c. Hãm
4.1.4. Các đại lượng định mức
Máy điện không đồng bộ có các đại lượng định mức đặc trưng cho điều kiện kỹ thuật của máy. Các trị số này do nhà máy thiết kế, chế tạo qui định và được ghi trên nhãn máy.
Máy điện không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ nên trên nhãn máy chỉ ghi các trị số làm việc của chế độ động cơ ứng với tải định mức.
- Công suất định mức ở đầu trục Pđm (kW, W hoặc Hp, 1Cv); 1Hp = 736 W (theo tiêu chuẩn Pháp); 1kW = 1,358 Cv; 1Hp = 746 W (theo tiêu chuẩn Anh).
- Dòng điện dây định mức Iđm (A).
- Điện áp dây định mức Uđm (V).
- Kiểu đấu dây stato: sao hay tam giác.
- Tốc độ quay định mức nđm. - Hiệu suất định mức đm.
- Hệ số công suất định mức cosđm.
Công suất định mức mà động cơ điện tiêu thụ:
dm dm
dm dm
dm dm
1 P 3U I cos
P
(4.2)
Mômen định mức ở đầu trục:
) s / rad 60 (
n 2
) Nm P (
M
dm dm
dm dm dm
(4.3)