Đại cương về máy điện không đồng bộ

CHƯƠNG 5 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

5.1. Đại cương về máy điện không đồng bộ

5.1.1. Định nghĩa, phân loại và các đại lượng định mức 1) Định nghĩa

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.

Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp) nối với lưới điện tần số f = const và dây quấn rôto (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc khép kín qua điện trở. Dòng điện trong dây quấn rôto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ rôto nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy. Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là máy có thể làm việc ở hai chế độ động cơ và máy phát.

Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không được tốt so với máy phát điện đồng bộ nên ít được dùng.

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

90điện. Động cơ điện một pha chỉ có một dây quấn làm việc.

2) Phân loại

Theo kết cấu của vỏ, có thể chia làm các loại: kiểu hở; kiểu bảo vệ; kiểu kín;

kiểu chống nổ; kiểu chống rung;...vv.

Theo kết cấu của rôto chia làm hai loại: rôto dây quấn và rôto lồng sóc.

Theo số pha dây quấn stato có thể chia thành các loại: một pha; hai và ba pha.

130 3) 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 cosđm.

Công suất định mức mà động cơ điện tiêu thụ:

dm dm dm

dm dm dm

1 P 3U I cos

P  

  (5.1)

Mômen định mức ở đầu trục:

) s / rad 60 (

n 2

) Nm P (

M

dm dm

dm dm dm

 





(5.2)

5.1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ 1) Cấu tạo

Kết cấu của máy điện không đồng bộ được trình bày trên hình 5.1, gồm hai bộ phận chủ yếu là stato và rôto, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy.

a) 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.

131 Hình 5.1 Kết cấu chung 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 5.2b) 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 5.2a). 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 5.2 Cấu tạo mạch từ của 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.

132 b) 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 5.2c).

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 5.3). Hình 5.3 Rôto dây quấn của máy điện KĐB - 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 5.4).

Hình 5.4 Cấu tạo rôto lồng sóc a. Dây quấn rôto lồng sóc; b. Lõi thép rôto

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.

2) Nguyên lý làm việc

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện quay làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cho dòng điện ba pha vào ba dây quấn stato đặt trong lõi thép sẽ tạo ra 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 các thanh dẫn của dây quấn rôto nối ngắn mạch, nên các sức điện động cảm ứng e2 sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rôto

133 i2. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n.

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

s n  (5.3)

a) 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 5.5a).

Theo quy tắc bàn tay phải xác định được chiều e2, i2. 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.

Hình 5.5 Quá trình tạo mômen trong máy điện không đồng bộ a. Động cơ; b. Máy phát; c. Hãm

b) Trường hợp rôto quay cùng chiều với từ trường quay nhưng n > n1 (s < 0)

Cuộn dây Stato được nối với nguồn. Dùng một động cơ sơ cấp quay rôto của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1 (hình 5.5b). Lúc đó chiều của từ trường quay quét qua dây quấn rôto ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto cũng đổi chiều nên chiều của M ngược với chiều quay của rôto nên đó là momen hãm. Như vậy máy biến cơ năng tác dụng nên trục rôto do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng. Máy làm việc ở chế độ máy phát.

c) Trường hợp rôto quay ngược chiều từ trường quay n < 0 ( s < 1)

Vì nguyên nhân nào đó mà rôto quay ngựơc chiều với từ trường quay (hình 5.5c), lúc này chiều của sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto giống như ở chế độ động cơ. Vì mômen sinh ra ngược chiều với n nên có tác dụng hãm rôto

134 lại. Trong trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vừa lấy cơ năng ở động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc như vậy gọi là chế độ hãm điện từ.