Cấu tạo động cơ không đồng bộ bao gồm hai phần là rôto và stato:
- Stato (phần cảm): Là phần đứng yên trong động cơ, có cấu tạo gồm ba cuộn dây đặt lệch nhau 1200, ba cuộn dây khi được nối với nguồn điện xoay chiều ba pha sẽ sinh ra một từ trường quay trong không gian.
- Rôto (phần ứng): Có cấu tạo là những thanh dẫn được nối với nhau bằng hai vòng ngắn mạch (rôto lồng sóc) hoặc hoặc được quấn bằng dây đồng cách điện (rôto dây quấn) trong các rãnh của lõi thép trục rôto. Đối với động cơ dây quấn, các đầu cảu dây quấn được đưa ra ngoài qua vành góp để đấu điện trở phụ nhằm cải thiện tính năng khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ. Để cải thiện tính năng khởi động cho động cơ rôto lồng sóc, rôto thường được cấu tạo rãnh sâu, rãnh kép so với tâm trục hoặc sử dụng các thiết bị phụ trợ như khởi động qua cuộn kháng, điện trở phụ, khởi động mềm…
Hình 3.1. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha Usc
Rôto
Usa
Usb
Stato
- 42 -
3.1.2. Nguyên lý hoạt động
Động cơ không đồng bộ họat động theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cấp cho stato nguồn điện xoay chiều ba pha thì dây quấn stato sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ ω = 2πfs (fs là tần số nguồn cung cấp). Từ trường quay này quét trên dây quấn rôto và cảm ứng trên nó một sức điện động, khi dây quấn rôto được khép kín mạch sẽ tạo nên dòng điện. Từ thông do rôto và stato tạo nên sẽ tương tác với dòng điện rôto tạo nên mômen điện từ làm rôto quay. Tốc độ quay n của rôto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường stato n1. Nhờ có sự chuyển động tương đối giữa rôto và từ trường quay mà duy trì dòng điện rôto và mômen quay. Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ.
Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt:
1 1
n n
s= n − (3.1)
c s
p n 60.f
1 = (3.2)
Trong đó:
n1: Tốc độ quay của từ trường n: Tốc độ quay của rôto động cơ pc: Số đôi cực từ của động cơ
3.1.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Đặc tính cơ là đường đặc tính quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ, được xây dựng dựa trên phương trình:
- 43 -
th th
th
th th
s s a
s s s
s a M M
. . 2
) . 1 ( . 2
+ +
= + (3.3)
2'
1
r
a= r (3.4)
Với r1, r’2: điện trở stato và rôto quy đổi về mạch stato Đối với động cơ công suất lớn có thể tính gần đúng:
th th
th
s s s s M M
+
= 2.
(3.5)
Khi đó, hệ số trượt và mômen tới hạn tính bằng:
nm
th x
s =± r2'
nm
th x
M U
. . 2
. 3 2
± ω
= (3.6)
Hình 3.2. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
3.1.4. Động cơ không đồng bộ khi hoạt động ở chế độ hãm tái sinh
Chế độ hãm tái sinh của động cơ không đồng bộ xảy ra khi tốc độ của rôto động cơ lớn hơn tốc độ của từ trường quay stato. Lúc này động cơ tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới (để tạo ra từ trường quay) và phát trả công suất tiêu thụ về lưới. Có hai trạng thái xảy ra với hiện tượng này:
n
M n1
Mth Mc
nđm
- 44 -
- Động cơ hoạt động với mômen cản mang dấu âm (nghĩa là mômen cản cùng chiều với với chiều quay rôto động cơ). Khi đó tải sẽ kéo rôto của động cơ quay nhanh hơn tốc độ của từ trường quay stato gây ra hiện tượng hãm tái sinh.
- Khi đang hoạt động ở tốc độ n nào đó, nếu ta giảm tốc độ của động cơ bằng cách giảm tần số nguồn cấp (trong điều khiển vòng hở không có phản hồi) hoặc giảm tốc độ đặt (trong điều khiển vòng kín theo một luật điều khiển nào đó). Quá trình động cơ giảm tốc cũng là quá trình có tốc độ rôto lớn hơn tốc độ quay của từ trường stato và cũng xảy ra quá trình hãm tái sinh.
Trong hình 3.3 mô tả trạng thái hãm tái sinh của động cơ khi tốc độ của rôto lớn hơn tốc độ từ trường quay stato.
Hình 3.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ở chế độ hãm tái sinh
Khi tốc độ của rôto động cơ lớn hơn tốc độ đồng bộ tại một tần số fn nào đó thì chế độ hãm tái sinh của động cơ xảy ra (do mômen cản mang dấu âm hoặc khi chuyển đổi từ tần số cao sang tần số thấp). Ta tiến hành khảo sát thay đổi công suất và quan hệ điện từ bên trong động cơ không đồng bộ khi xảy ra quá trình hãm tái sinh bằng mô hình trong simulink như sau:
n
M n>nđb1
Mth Mc>0
Nt1
Mc<0 Nt2
Nt3
Nt4
f1 f2 f3 f4 n>nđb2
n>nđb3 n>nđb4
- 45 -
Hình 3.4. Mô hình mô phỏng hãm tái sinh trong Simulink
Tiến hành mô phỏng với động cơ không đồng bộ ba pha lòng sóc có các thông số được khai báo như sau:
Hình 3.5. Hộp thoại khai báo thông số cho động cơ không đồng bộ.
Ta tiến hành cấp cho động cơ bước nhảy mômen từ dương sang âm với giá trị ban đầu là 7N.m, sau thời gian ổn định vận tốc ta đảo chiều mômen có giá trị -7N.m tạo ra hãm tái sinh tại thời điểm 0,6s. Chạy mô hình mô phỏng cho ta các kết quả sau:
- 46 -
a) b)
Hình 3.6. Quá trình quá độ khi mô phỏng động cơ hãm tái sinh a) Mômen và tốc độ của động cơ
b) Công suất thực và phản kháng của động cơ
Hình 3.7. Thay đổi tốc độ - mômen trước và sau hãm tái sinh
a) b)
Hình 3.8. Dòng áp và mômen của động cơ trước và sau hãm tái sinh
- 47 -
Hình 3.9. Giá trị góc lệch giữa điện áp - dòng điện của động cơ trước và sau hãm tái sinh
Qua mô phỏng đã cho ta thấy hiện tượng đảo chiều công suất thực (hình 3.6b) phát trả công suất về lưới khi động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh.
Trong khi đó, thành phần công suất phản kháng vẫn giữ nguyên giá trị, tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện để tạo ra từ trường ở stato động cơ.
Đồng thời, lúc này cũng xảy ra sự thay đổi góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện stato được biểu diễn ở hình 3.8a và hình 3.9. Giá trị góc lệch này có thể miêu tả đơn giản dưới dạng vectơ như hình 3.10.
Hình 3.10. Đồ thị góc lệch giữa điện áp và dòng điện của động cơ
Ban đầu, động cơ không đồng bộ ở chế độ hoạt động bình thường, giá trị góc lệch giữa điện áp và dòng điện là φ1 < 900 và giá trị này phụ thuộc vào cosφ định mức do nhà sản xuất chế tạo cũng như phụ thuộc vào chế độ mang
us
is ϕ1
us
is
ϕ2
- 48 -
tải của động cơ, nếu động cơ non non tải (mômen cản nhỏ) sẽ càng làm cho góc lệch này tăng thêm.
Khi động cơ không đồng bộ chuyển sang chế độ hãm tái sinh, giá trị góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện là góc φ2 > 900. Lúc này, dòng điện ngược pha với điện áp phát trả công suất về lưới. Tuy nhiên, sự thay đổi giá trị của φ2 ngược lại với sự thay đổi của φ1, nếu động cơ được kéo với mômen nhỏ sẽ làm giảm góc lệch φ2.
Qua khảo sát đã tìm hiểu quá trình trả năng lượng về nguồn trong chế độ hãm tái sinh của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ nối trực tiếp với lưới điện thì dòng năng lượng có thể dịch chuyển tự do, tuy nhiên nếu động cơ được nối với lưới thông qua biến tần thì việc dịch chuyển dòng năng lượng sẽ gặp phải vấn đề do các thiết bị bán dẫn trong mạch công suất. Vấn đề này sẽ được trình bày và giải quyết trong phần tiếp theo của luận văn.