Động cơ không đồng bộ 3 pha – CHI TIẾT NHẤT – Kiến thức về ngành tự động hóa

Bài viết này sẽ tìm hiểu chi tiết về cấu tạo, nguyên lý, đặc tính, các phương pháp điều khiển tốc độ của động cơ (máy điện) không đồng bộ 3 pha.
Contactor là gì, khởi động từ là gì – Chi Tiết Nhất
Rơ le nhiệt là gì, cấu tạo, nguyên lý, ứng dụng, sơ đồ đấu dây

1. Khái niệm động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ KĐB 3 pha là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Động cơ không đồng bộ ba pha là loại động cơ mà khi làm việc có tốc độ quay của roto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n1.
Động cơ không đồng bộ 3 pha so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt.

Các thông số trên động cơ không đồng bộ 3 pha là:
Công suất cơ có ích trên trục   Pđm
Điện áp dây stato                     Uđm
Dòng điện dây Stato                 Iđm
Tần số dòng điện stato             f
Tốc độ quay roto                      n
Hệ số công suất                      Cos φ
Hiệu suất                                η

2. Cấu tạo của máy điện không đồng bộ 3 pha

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ 3 pha gồm hai bộ phận chính là: stato và roto, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.

2.1 Stato

Stato là phần tĩnh gồm hai phần chính là lõi thép và dây quấn, ngoài những có võ máy và nắp máy .

a. Lõi thép

Lõi thép stato hình tròn trụ do những lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành những rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép và bên trong vỏ máy .

b. Dây quấn

Dây quấn stato làm bằng dây quấn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh lõi thép. Hình dưới là sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh của stato, dây quấn pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt trong các rãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt trong các rãnh 2, 5, 8, 11.
Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay.

c. Vỏ máy

Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định và thắt chặt máy trên bệ. Hai đầu vỏ có nắp máy, ở đỡ trục. Võ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy .

2.2 Roto

Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy .

a. Lõi thép

Lõi thép gồm những lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành những rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục .

b. Dây quấn

Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi là roto KĐB lồng sóc) và roto dây quấn.
– Roto lồng sóc:
Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ KĐB lồng sóc. Loại roto lồng sóc công suất trên 100 kW, trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành các lồng sóc.

Ở động cơ roto lồng sóc hiệu suất nhỏ được sản xuất bằng cách đúc nhôm vào những rãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc ngắn mạch và cánh quạt làm mát .

– Roto dây quấn:

Loại động cơ có roto dây quấn gọi là động cơ không đồng bộ ba pha roto dây quấn. Trong rãnh lõi thép roto người ta đặt dây quấn ba pha. Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định và thắt chặt trên trục roto và được cách điện với trục .Nhờ ba chổi than tì sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn roto được nối với 3 vòng tiếp xúc, nhờ đó chổi than dây quấn roto nối được với ba biến trở bên ngoài để mở máy hay kiểm soát và điều chỉnh vận tốc .

Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo. Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động.

3. Nguyên lý thao tác của động cơ không đồng bộ 3 pha

Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba pha dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ . Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn roto, cảm ứng các sức điện động. Vì trong dây quấn roto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sinh sẽ sinh ra dòng điện chạy trong các thanh dẫn roto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường qua của máy với thanh dẫn mang dòng điện roto, kéo roto quay cùng chiều quay với từ trường với tốc độ n.
Để minh họa, hình bên dưới vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn roto, chiều vẽ lực điện từ Fđt.

Khi xác lập chiều sức điện động :

Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường. Nếu coi từ trường đứng yên, thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược với chiều n1, từ đó áp dụng quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều suất điện động như hình vẽ (dấu  ⨂ chỉ chiều đi từ ngoài vào trang giấy).
Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1.
Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn roto không có suất điện động do đó dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không.
Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2.
n2 = n1 – n
Hệ số trượt của tốc độ là:

Khi roto đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1; khi roto quay định mức s = 0,02 ÷ 0,06. Tốc độ động cơ là:
 vòng/phút

4. Điều chỉnh vận tốc động cơ không đồng bộ 3 pha

Tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha tính theo công thức:
 vòng/phút
Nhìn vào biểu thức ta thấy:
Với động cơ điện KĐB lồng sốc có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện stato bằng cách đổi nối dây quấn stato để thay đổi số đôi cực từ p của từ trường, hoặc thay đổi điện áp đặt vào stato để thay đổi hệ số trượt s. Tất cả các phương pháp trên được thực hiện ở phía stato.
Với động cơ roto dây quấn thường được điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở roto để thay đổi hệ số trượt s, việc điều chỉnh thực hiện ở phía roto.

4.1 Thay đổi tần số

Việc thay đổi tần số f của dòng điện stato thực hiện bằng bộ biến đổi tần số (bộ biến tần).
Xem thêm: Biến tần là gì?
Như ta đã biết từ thông Φmax tỷ lê thuận với tỉ số U1/f, khi thay đổi tần số người ta mong muốn giữ cho từ thông Φmax không đổi, để mạch từ máy ở trạng thái định mức. Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp, giữ cho tỉ số giữa điện áp U1 và tần số f không đổi.
Hình dưới vẽ họ đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ 3 pha khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tỉ số U1/f không đổi.

Việc kiểm soát và điều chỉnh vận tốc quay bằng những đổi khác tần số thích hợp khi kiểm soát và điều chỉnh cả nhóm động cơ lồng sóc. Điều chỉnh vận tốc bằng đổi khác tần số được cho phép kiểm soát và điều chỉnh ở vận tốc một cách phẳng phiu trong khoanh vùng phạm vi rộng. Với sự tăng trưởng vượt bậc của linh phụ kiện điện tử thì giá tiền những bộ biến tần ngày càng giảm. Các bộ biến tần được ứng dụng ngày càng thoáng rộng .

4.2 Thay đổi số đôi cực

Số đôi cực của từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn. Động cơ KĐB 3 pha có cấu tạo dây quấn để thay đổi số đôi cực từ được gọi là động cơ không đồng bộ 3 pha nhiều cấp tốc độ. Phương pháp này chỉ sử dụng cho loại roto lồng sóc.
Mặc dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp, nhưng có ưu điểm là giữ nguyên độ cứng của đặc tính cơ, động cơ nhiều cấp tốc độ được sử dụng rộng rãi trong các máy luyện kim, máy tàu thủy, …

4.3 Thay đổi điện áp cung ứng cho stato

Phương pháp này chỉ được thực thi trong việc giảm điện áp. Khi giảm điện áp đường đặc tính M = f ( s ) sẽ biến hóa do đó thông số trượt đổi khác, vận tốc động cơ đổi khác. Hệ số trượt s1, s2, s3 ứng điện áp U1đm, 0,85 U1đm và 0,7 U1đm .Nhược điểm của giải pháp kiểm soát và điều chỉnh vận tốc quay bằng điện áp là giảm năng lực quá tải của động cơ, dải kiểm soát và điều chỉnh vận tốc hẹp, tăng tổn hao ở dây quấn roto. Việc kiểm soát và điều chỉnh vận tốc bằng đổi khác điện áp được dùng hầu hết với những động cơ hiệu suất nhỏ có thông số trượt tới hạn Sth lớn .

4.4 Thay đổi điện trở mạch roto

Phương pháp này chỉ vận dụng so với động cơ roto dây quấn, người ta mắc biến trở ba pha vào mạch roto .

Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn so với biến trở mở máy. Khi tăng điện trở thì tốc độ quay của động cơ sẽ giảm.
Nếu moment cản, dòng roto không đổi, khi tăng điện trở để giảm tốc độ sẽ tăng tổn hao công suất trong biến trở, do đó phương pháp này không kinh tế. Tuy nhiên phương pháp đơn giản, điều chỉnh đơn và khoảng điều chỉnh tương đối rộng, được sử dụng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ công suất cỡ trung bình.

5. Đặc tính thao tác của máy điện không đồng bộ 3 pha

5.1 Tốc độ quay n

Tốc độ quay có quan hệ với hệ số trượt s theo biểu thức:

Khi tải tăng, công suất P2 trên trục động cơ tăng, moment cản tăng lên từ đó hệ số trượt s tăng lên và tốc độ động cơ giảm xuống (hình dưới).

5.2 Hiệu suất η

Hiệu suất động cơ được tính như sau:

P1 là công suất tác dụng điện động cơ tiêu thụ để biến đổi sang công suất cơ P2.
P2 là công suất cơ hữu ích trên trục động cơ.
Động cơ không đồng bộ 3 pha thường được thiết kế sao cho hiệu suất cực đại khi hệ số tải  Trong khoảng kt = 0,5 ÷ 1 hiệu suất hầu như không đổi (hình bên dưới). Hiệu suất động cơ công nghiệp khoảng 0,75 ÷ 0,95.

5.3 Hệ số hiệu suất cosφ

Hệ số công suất của máy điện không đồng bộ 3 pha là tỉ số giữa công suất tác dụng P1 với công suất toàn phần S.

Q là công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ để tạo ra từ trường cho máy.
Khi máy quay không tải, công suất P1 nhỏ, do đó cosφ thấp chỉ từ 0,2 ÷ 0,3.
Khi tải tăng, công suất P1 tăng và cosφ được tăng lên đạt đến giá trị định mức cosφđm = 0,8 ÷ 0,9.
Khi quá tải, từ đường đặc tính cosφ ta thấy khi dòng điện vượt định mức (tức I1/Iđm > 1) thì cosφ lại giảm xuống, do từ thông tản tăng, Q1 tăng.

Từ đặc tính cosφ ta thấy, không nên cho máy làm việc không tải hoặc non tải.
Ngoài ra qua các đồ thị ta thấy khi công suất P2 tăng thì moment M và dòng điện stato I1 đều tăng.

Xem thêm: 

Động cơ một chiều là gì
Động cơ servo là gì
Contactor là gì – CHI TIẾT NHẤT
Video tham khảo

Tải tài liệu tìm hiểu thêm

Giáo trình Kỹ Thuật Điện – Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh Hỏi đáp, Máy điện, Động cơ – Tags: Máy điện không đồng bộ 3 pha, Động cơ không đồng bộ, Động cơ không đồng bộ 3 pha, Động cơ không đồng bộ ba pha

Source: https://sangtaotrongtamtay.vn
Category: Công nghệ