CHƯƠNG 6

MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

1. KHÁI NIỆM CHUNG:

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rotor là n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường (n1). Cũng như các máy điện quay khác, máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ cũng như ở chế độ máy phát.

Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt bằng máy phát điện đồng bộ, nên ít được sử dụng.

Động cơ điện không đồng bộ có cấu tạo và vận hành đơn giản, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt.

Động cơ điện không đồng bộ có công suất lớn trên 600W thường là loại ba pha có ba dây quấn làm việc, trục các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện.

Các động cơ không đồng bộ công suất nhỏ dưới 600W thường là động cơ một pha hoặc hai pha. Động cơ hai pha có hai dây quấn làm việc, trục của hai dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 điện.

2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ.

2.1 Cấu tạo:

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ (hình 5-1) gồm hai bộ phận chủ yếu là stator và rotor; ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy, bảng đấu dây.

a. Stator:

Stator là phần tĩnh, gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.

- Lõi thép: hình trụ rỗng, do các lá thép kỹ thuật điện, được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.

- Dây quấn: dây quấn stator làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây dẫn từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép.

- Vỏ máy: vỏ máy làm bằng nhôm hoặc gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cồ định máy trên bệ. Hai đầu vỏ có nắp máy và ổ đỡ trục. Vỏ máy và nắp còn có chức năng bảo vệ máy.

b. Rotor:

Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. Lõi thép rotor hình trụ đặc gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại, mặt ngoài có những rãnh để chứa dây quấn. Rotor có hai loại: rotor lồng sóc và rotor dây quấn.

- Rotor lồng sóc (hình 5-2a): có các thanh đồng hoặc nhôm đặt trong rãnh và bị nối ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, rotor được đúc nguyên khối, gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và quạt. Với động cơ lớn, các thanh dàn bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và siết chặt vào vành ngắn mạch. Nhờ không có vành trượt và chồi than nên rotor rất bền chắc, ít cần bảo trì. Các thanh dẫn của rotor thường nghiêng so với trục (dạng vặn xoắn) vì hai lý do:

+ Làm cho moment quay không bị dao động và máy ít ồn khi làm việc

+ Tránh được vị trí ở đó răng rotor song song và đồi diện với răng stato; tức là vị trí từ trở cực tiểu và rotor sẽ "bị khóa" ở đó.

Động cơ rotor lồng sóc là loại rất phổ biến, ký hiệu máy điện rotor lồng sóc như hình 5-2b.

- Rotor dây quấn (hình 5-3a): mang một bộ dây quấn một pha hoặc ba pha có cùng số cực như dây quấn stato. Rotor dây quấn ba pha thường đấu sao, ba đầu ra nối với ba vành tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục rotor và được cách điện với trục.

Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba vành tiếp xúc, dây quấn rotor được nối với bộ khởi động bên ngoài. Ký hiệu máy điện rotor dây quấn như hình 5-3b.

Động cơ 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.

2.2 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ:

a. Máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ động cơ:

Từ trường của dây quấn một pha là từ trường có phương không đổi, song trị số và chiều biến đổi theo thời gian, được gọi là từ trường đập mạch. Gọi p là số đôi cực, ta có thể cấu tạo dây quấn để tạo ra từ trường 1, 2 hoặc p đôi cực.

Dòng điện xoay chiều ba pha có ưu điểm lớn là tạo ra từ trường quay trong các máy điện. Ta xét hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên từ trường quay:

Khi dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n1:

Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor, cảm ứng các sức điện động. Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rotor. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay với thanh dẫn mang dòng điện rotor, kéo rotor quay cùng chiều quay của từ trường với tốc độ n.

Để minh họa, trên hình 5-4a vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rotor, chiều của lực điện từ.

Khi xác định sức điện động cảm ứng theo qui tắc bàn tay phải, ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn đối với từ trường. Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược chiều n1, từ đó áp dụng qui tắc bàn tay phải xác định được chiều sức điện động như hình vẽ (dấu (x) chỉ chiều đi từ ngoài vào trong). Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1.

Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường n1, vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rotor không có sức điện động và dòng điện cảm ứng dẫn đến lực điện từ bằng 0.

Độ chênh lệch 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 rotor đứng yên (n=0), hệ số trượt s=1

Khi rotor quay định mức s = 0,02 ÷ 0,06; tốc độ động cơ là:

b. Máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát điện

Trong trường hợp stator vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rotor không nối với tải mà nối với một động cơ sơ cấp, máy điện không đồng bộ sẽ làm việc ở chế độ máy phát điện khi động cơ sơ cấp kéo rotor quay cùng chiều với n1 (như trên) và với tốc độ quay n lớn hơn tốc độ từ trường n1. Lúc này, chiều dòng điện rotor I2 ngược lại với chế độ động cơ và lực điện từ đổi chiều. Lực điện từ tác dụng lên rotor ngược với chiều quay, gây ra moment hãm cân bằng với moment quay của động cơ sơ cấp, hình 5-4b, máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Hệ số trượt là:

Nhờ từ trường quay, cơ năng động cơ sơ cấp đưa vào rotor được biến thành điện năng ở stator. Để tạo ra từ trường quay, lưới điện phải dung cấp cho máy phát không đồng bộ công suất phản kháng Q, vì thế làm cho hệ số công suất cosφ của lưới điện thấp đi. Nếu khi máy phát làm việc riêng lẻ, ta phải dùng tụ điện nối đầu cực máy để kích từ cho máy. Đó là nhược điểm của máy phát điện không đồng bộ, vì thế trên thực tế ít dùng máy điện không đồng bộ.

Ví dụ 1: Một động cơ không đồng bộ ba pha 4 cực được cung cấp điện từ nguồn 50Hz.

1) Tính tốc độ từ trường

2) Trên nhãn động cơ có ghi vận tốc định mức là 1425 vòng/phút. Tính hệ số trượt định mức.

3) Giả sử tải của động cơ giảm xuống và hệ số trượt chỉ còn s = 0,02. Tính vận tốc mới của động cơ.

Lời giải:

1)

2)

3)

c. Máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ hãm điện từ.

Trong thực tế, đôi khi người ta muốn động cơ điện đừng quay một cách nhanh chóng và bằng phẳng khi cắt điện đưa vào động cơ điện hoặc cần giảm bớt tốc độ như ở cần trục lúc đưa hàng xuống hay các máy ở tàu điện. Để giải quyết vấn đề trên người ta dùng các phương pháp hãm cơ hay điện, ở đây ta khảo sát nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ khi làm việc ở chế độ hãm điện từ.

Khi động cơ làm việc ở chế độ hãm điện từ thì ta có l<s<+∞, nghĩa là rotor quay ngược chiều với từ trường quay.

Khi động cơ làm việc bình thường thì tốc độ quay n của động cơ luôn luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, nhưng khi trục động cơ được tác động bởi 1 lực nào đó làm cho động cơ quay nhanh hơn tốc độ quay của từ trường, có nghĩa là n>n1, lúc này:

Nên máy lấy công suất từ ngoài vào. Công suất điện từ:

Nên máy cũng lấy công suất điện từ lưới vào. Lúc này động cơ chuyển sang chế độ máy phát, moment điện từ sinh ra có chiều ngược với chiều quay của rotor.

Để hãm động cơ bằng phương pháp hãm điện từ, người ta sử dụng các phương pháp hãm sau:

- Phương pháp hãm đổi thứ tự pha: khi động cơ đang làm việc bình thường rotor quay cùng chiều với từ trường quay. Sau khi cắt mạch điện, muốn động cơ ngừng quay nhanh chóng, ta đóng cầu dao về phía khác để đổi thứ tự pha đặt vào stator. Do quán tính của phần quay, rotor vẫn quay theo chiều cũ trong lúc từ trường quay do đổi thứ tự pha nên đã quay ngược lại nên động cơ chuyển sang chế độ hãm, moment điện từ sinh ra có chiều ngược với chiều quay của rotor và có tác dụng hãm nhanh chóng và bằng phẳng tốc độ quay của động cơ. Khi rotor ngừng quay, phải cắt ngay mạch điện nếu không động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại.

- Phương pháp hãm đổi thành máy phát điện: tức là đổi động cơ sang chế độ máy phát, tốc độ từ trường quay bé hơn tốc độ rotor nhưng vẫn cùng chiều. Ta biết rằng khi làm việc ở chế độ động cơ điện, tốc độ rotor gần bằng tốc độ của từ trường quay cho nên khi hãm cần đổi nối làm tăng số đôi cực của dây quấn phần ứng lên, lúc đó tốc độ của rotor lớn hơn tốc độ của từ trường sau khi đổi nối, động cơ sẽ trở thành máy phát điện trả năng lượng về nguồn, đồng thời xuất hiện moment hãm động cơ lại.

- Phương pháp hãm động năng: Ở phương pháp này, sau khi cắt nguồn điện xoay chiều vào động cơ, thì lập tức đóng nguồn điện một chiều vào dây quấn stator, dòng điện một chiều lấy từ bộ chỉnh lưu đi qua dây quấn stator tạo thành từ trường một chiều trong máy. Rotor do còn quán tính, quay trong từ trường và trong dây quấn rotor cảm ứng nên sức điện động và dòng điện cảm ứng tác dụng với từ trường nối trên tạo thành moment điện từ chống lại chiều quay của máy.