Động cơ không đồng bộ hay còn gọi là động cơ cảm ứng được ứng dụng rộng rãi từ các thiết bị gia dụng cơ bản đến các ngành công nghiệp nặng. Động cơ không đồng bộ là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động? Mời quý bạn đọc xem bài viết dưới đây.
Mục lục bài viết
1. Khái niệm động cơ không đồng bộ:
Động cơ không đồng bộ là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường Stator. Đây là loại động cơ xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của Rotor phụ thuộc vào tải trên trục của máy. Động cơ không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn Stator (sơ cấp) với lưới điện tần số không đổi, dây quấn Rotor (thứ cấp). Dòng điện trong dây quấn Rotor được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ phụ thuộc vào Rotor.
2. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ:
Động cơ không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là Stator và Rotor.
– Stator là bộ phận cố định, bao gồm lõi thép dẫn từ, dây quấn và vỏ máy. Lõi thép có hình trụ, được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có dập rãnh bên trong để đặt dây quấn. Dây quấn được làm bằng dây đồng bọc cách điện, thường có ba cuộn dây lệch nhau góc 120°. Khi cấp điện áp xoay chiều ba pha vào dây quấn, trong lòng stator xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60*f/p (với f là tần số, p là số cặp cực của dây quấn stator). Vỏ máy được làm bằng gang hoặc nhôm để cố định máy trên bệ và lõi thép.
– Rotor là bộ phận quay, bao gồm lõi thép và dây quấn. Lõi thép rotor cũng có hình trụ và được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có dập rãnh. Dây quấn rotor có hai loại chính: lồng sóc và dây quấn. Loại lồng sóc được sử dụng phổ biến hơn vì có đặc tính hoạt động tốt hơn. Lồng sóc gồm nhiều thanh nhôm hoặc thanh đồng được nối với nhau bằng hai vòng dẫn điện ở hai đầu, tạo thành một mạch ngắn mạch hoàn toàn. Loại dây quấn được sử dụng khi muốn giảm tốc khởi động của động cơ bằng cách thêm các điện trở vào mỗi cuộn dây. Trục máy được làm bằng thép, trên đó có gắn rotor, ổ bi và phía cuối của trục có gắn một chiếc quạt gió để làm mát cho máy.
3. Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ:
Động cơ không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rotor n khác với tốc độ quay của từ trường n1. Động cơ không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stator (sơ cấp) được nối với lưới điện tần số không đổi, và dây quấn rotor (thứ cấp). Dòng điện trong dây quấn rotor được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor, nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy. Khi cấp điện áp ba pha vào dây quấn stator, trong lòng stator xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p, với p là số cặp cực của dây quấn stator, f là tần số. Từ trường này móc vòng qua rotor và gây điện áp cảm ứng trên các thanh dẫn của rotor. Điện áp này gây dòng điện ngắn mạch chạy trong các thanh dẫn. Trong miền từ trường do stator tạo ra, thanh dẫn mang dòng I sẽ chịu tác động của lực Bio-Savart-Laplace lôi đi. Có thể nói cách khác: dòng điện I gây ra một từ trường Fr (từ trường cảm ứng của rotor), tương tác giữa Fr và Fs gây ra momen kéo rotor chuyển động theo từ trường quay Fs của stator. Động cơ không đồng bộ có thể làm việc ở chế độ động cơ điện hoặc máy phát điện, tùy thuộc vào momen kéo và momen kháng.
4. Ứng dụng trong thực tế của động cơ không đồng bộ:
Động cơ không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều mà tốc độ quay của rôto không bằng với tốc độ của từ trường quay. Động cơ không đồng bộ có ứng dụng rộng rãi trong thực tế như thế nào? Một số ví dụ như sau:
– Động cơ không đồng bộ được sử dụng trong các thiết bị gia dụng như máy giặt, máy sấy, máy hút bụi, quạt điện, máy bơm nước, máy xay sinh tố, máy ép trái cây, máy cắt cỏ, máy khoan, máy mài, máy cưa và nhiều loại máy móc khác.
– Động cơ không đồng bộ được sử dụng trong các ngành công nghiệp như khai thác mỏ, chế biến thực phẩm, sản xuất giấy, dệt may, kim loại, hóa chất, xi măng, luyện thép, điện lực và nhiều ngành khác. Động cơ không đồng bộ có thể điều khiển được tốc độ và mô-men xoắn theo nhu cầu của quá trình sản xuất.
– Động cơ không đồng bộ được sử dụng trong các phương tiện giao thông như xe buýt điện, xe tải điện, xe tải lao dốc, xe tải kéo container, xe lửa điện và nhiều loại xe khác. Động cơ không đồng bộ có thể tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường.
– Động cơ không đồng bộ được sử dụng trong các thiết bị quân sự như tàu ngầm điện, tàu chiến điện, xe tăng điện và nhiều loại vũ khí khác. Động cơ không đồng bộ có thể tăng khả năng hoạt động và chiến đấu của các lực lượng vũ trang.
Như vậy, có thể thấy rằng động cơ không đồng bộ có ứng dụng trong thực tế rất phong phú và đa dạng. Đây là loại động cơ có hiệu suất cao, đơn giản, bền bỉ và dễ sửa chữa. Động cơ không đồng bộ là một trong những phát minh quan trọng của kỹ thuật điện.
5. Bài tập về động cơ không đồng bộ và lời giải:
– Bài tập 1: Cho một động cơ không đồng bộ ba pha, có các thông số như sau: công suất danh định Pn = 5.5 kW, điện áp danh định Un = 380 V, tần số danh định fn = 50 Hz, hiệu suất η = 0.85, hệ số công suất cosφ = 0.8, số vòng quay không tải n0 = 1425 v/p, số vòng quay tải đầy n = 1400 v/p. Tính các thông số sau:
a) Dòng điện không tải Io và dòng điện tải đầy I.
b) Mô men quay không tải Mo và mô men quay tải đầy M.
c) Hệ số trượt s và hệ số trượt không tải s0.
d) Công suất cơ Pc, công suất điện Pe và công suất mất mát Pm.
– Lời giải:
a) Dòng điện không tải Io có thể tính bằng công thức:
Io = (Pn * η * cosφ) / (3 * Un)
Thay các giá trị vào công thức ta được:
Io = (5.5 * 0.85 * 0.8) / (3 * 380)
Io = 0.0102 A
Dòng điện tải đầy I có thể tính bằng công thức:
I = (Pn * η) / (3 * Un * cosφ)
Thay các giá trị vào công thức ta được:
I = (5.5 * 0.85) / (3 * 380 * 0.8)
I = 6.35 A
b) Mô men quay không tải Mo có thể tính bằng công thức:
Mo = (Pn * η) / (2 * π * n0)
Thay các giá trị vào công thức ta được:
Mo = (5.5 * 0.85) / (2 * π * 1425)
Mo = 0.0033 Nm
Mô men quay tải đầy M có thể tính bằng công thức:
M = (Pn * η) / (2 * π * n)
Thay các giá trị vào công thức ta được:
M = (5.5 * 0.85) / (2 * π * 1400)
M = 0.0034 Nm
c) Hệ số trượt s có thể tính bằng công thức:
s = (n0 – n) / n0
Thay các giá trị vào công thức ta được:
s = (1425 – 1400) / 1425
s = 0.0175
Hệ số trượt không tải s0 có thể tính bằng công thức:
s0 = (n0 – fn) / n0
Thay các giá trị vào công thức ta được:
s0 = (1425 – 50) / 1425
s0 = 0.9649
d) Công suất cơ Pc có thể tính bằng công thức:
Pc = Pn * η
Thay các giá trị vào công thức ta được:
Pc = 5.5 * 0.85
Pc = 4.675 kW
Công suất điện Pe có thể tính bằng công thức:
Pe = Pc / cosφ
Thay các giá trị vào công thức ta được:
Pe = 4.675 / 0.8
Pe = 5.84375 kW
Công suất mất mát Pm có thể tính bằng công thức:
Pm = Pe – Pc
Thay các giá trị vào công thức ta được:
Pm = 5.84375 – 4.675
Pm = 1.16875 kW
– Bài tập 2: Cho một động cơ không đồng bộ ba pha, có các thông số như sau: công suất danh định Pn = 5.5 kW, điện áp danh định Un = 380 V, tần số danh định fn = 50 Hz, số cặp cực p = 2, hiệu suất η = 0.85, hệ số công suất cosφ = 0.8. Động cơ được nối sao và khởi động trực tiếp.
a) Tính dòng điện khởi động Ik khi động cơ chạy không tải.
b) Tính dòng điện danh định In khi động cơ chạy ở chế độ tải đầy.
c) Tính mô-men khởi động Mk và mô-men danh định Mn của động cơ.
– Lời giải:
a) Khi động cơ chạy không tải, trượt s = 1. Dòng điện khởi động Ik bằng dòng điện ngắn mạch Ikm của stator nhân với hệ số K, trong đó K là hệ số giảm dòng điện do hiệu ứng da trên stator. Ta có:
Ikm = √3 * Un / Zs
Trong đó Zs là trở kháng ngắn mạch của stator, bằng tổng trở kháng trở R1 và trở kháng tự cảm X1 của stator. Ta có:
Zs = R1 + jX1
R1 = Pn / (3 * In^2 * η * cosφ)
X1 = √(Un^2 / (3 * In^2) – R1^2)
– Thay các giá trị vào, ta được:
R1 = 5.5 * 10^3 / (3 * (10.5)^2 * 0.85 * 0.8) ≈ 3.6 Ω
X1 = √(380^2 / (3 * (10.5)^2) – 3.6^2) ≈ 4.7 Ω
Zs = 3.6 + j4.7 ≈ 5.9∠52.4° Ω
Ikm = √3 * 380 / 5.9 ≈ 117∠-52.4° A
– Giả sử hệ số K = 0.8, ta có:
Ik = K * Ikm ≈ 0.8 * 117 ≈ 94 A
b) Dòng điện danh định In của động cơ bằng công suất danh định Pn chia cho tích của điện áp pha Un/√3, hiệu suất η và hệ số công suất cosφ. Ta có:
In = Pn / (Un/√3 * η * cosφ)
– Thay các giá trị vào, ta được:
In = 5.5 * 10^3 / (380/√3 * 0.85 * 0.8) ≈ 10.5 A
c) Mô-men khởi động Mk của động cơ bằng công suất ngắn mạch Pkm chia cho tốc độ góc ω của stator, trong đó Pkm bằng tích của điện áp pha Un/√3 và dòng điện ngắn mạch Ikm nhân với hệ số công suất ngắn mạch cosφkm. Ta có:
Mk = Pkm / ω
Pkm = Un/√3 * Ikm * cosφkm
Trong đó ω = 2πfn/p là tốc độ góc của stator, cosφkm là hệ số công suất ngắn mạch, bằng tỉ số giữa trở kháng trở R1 và trở kháng ngắn mạch Zs của stator. Ta có:
ω = 2π * 50 / 2 ≈ 157 rad/s
cosφkm = R1 / Zs ≈ 3.6 / 5.9 ≈ 0.61
– Thay các giá trị vào, ta được:
Pkm = 380/√3 * 117 * 0.61 ≈ 15.4 kW
Mk = 15.4 * 10^3 / 157 ≈ 98 N.m
Mô-men danh định Mn của động cơ bằng công suất danh định Pn chia cho tốc độ góc ω của stator. Ta có:
Mn = Pn / ω
– Thay các giá trị vào, ta được:
Mn = 5.5 * 10^3 / 157 ≈ 35 N.m
