Nêu nguyên lí làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

1. Động cơ không đồng bộ là gì?

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.

Động cơ không đồng bộ làm việc ở chế độ động cơ điện hoặc máy phát điện. Khi làm việc ở chế độ động cơ điện, rotor quay chậm hơn từ trường stator, có sự trượt giữa hai tốc độ quay. Khi làm việc ở chế độ máy phát điện, rotor quay nhanh hơn từ trường stator, có sự vượt giữa hai tốc độ quay.

2. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha:

Động cơ không đồng bộ ba pha 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 tốc độ quay của Rotor, nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy.

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 ba pha:

Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha như sau: Khi cấp điện áp ba pha vào dây quấn stator, trong lòng stator xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60*f/p. Từ trường này móc vòng qua rotor và gây sức điện động cảm ứng trên các thanh dẫn lồng sóc hoặc các cuộn dây của rotor. Sức điện động này gây ra dòng điện ngắn mạch chạy trong các thanh dẫn hoặc các cuộn dây. Trong miền từ trường do stator tạo ra, thanh dẫn hoặc cuộn dây mang dòng điện sẽ chịu tác động của lực Lorentz lôi kéo theo hướng quay của từ trường. Có thể nói cách khác: dòng điện gây ra một từ trường cảm ứng của rotor, tương tác giữa từ trường cảm ứng và từ trường stator gây ra momen quay kéo rotor chuyển động theo từ trường quay của stator.

Tuy nhiên, rotor không thể quay với tốc độ bằng tốc độ quay của từ trường stator, vì nếu vậy thì không có sức điện động cảm ứng và không có momen quay. Do đó, rotor luôn quay chậm hơn từ trường stator một lượng nhất định, gọi là sai số tốc độ (s). Sai số tốc độ được tính bằng công thức: s = (n1 – n)/n1, với n là tốc độ quay của rotor. Sai số tốc độ phụ thuộc vào tải trên trục của máy. Khi tải nhỏ, sai số tốc độ cũng nhỏ, khi tải lớn, sai số tốc độ cũng lớn. Sai số tốc độ ảnh hưởng đến hiệu suất và hệ số công suất của máy.

Động cơ không đồng bộ ba pha có tính thuận nghịch, có nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện hoặc máy phát điện. Khi làm việc ở chế độ động cơ điện, máy nhận điện năng từ lưới và chuyển thành cơ năng cho tải. Khi làm việc ở chế độ máy phát điện, máy nhận cơ năng từ một nguồn khác (như máy nổ, tuabin khí…) và chuyển thành điện năng cho lưới.

4. Ứng dụng của động cơ không đồng bộ ba pha:

Động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hằng ngày. Trong công nghiệp, động cơ này được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép, máy công cụ, máy bơm, quạt, máy nén khí… Trong nông nghiệp, động cơ này được dùng để bơm nước hay gia công nông sản. Trong đời sống hằng ngày, động cơ này được dùng trong các thiết bị điện gia dụng như tủ lạnh, máy giặt, máy sấy… Động cơ không đồng bộ ba pha là loại máy điện có tính thuận nghịch, có thể làm việc ở chế độ động cơ hoặc máy phát điện.

Một số ứng dụng tiêu biểu của động cơ không đồng bộ ba pha là:

– Dùng trong vận hành thang máy

– Sử dụng trên các cẩu trục, cần cẩu

– Là động cơ chính của các loại máy mài, máy tiện, máy cắt

– Nhà máy chiết xuất dầu

– Cánh tay robot

– Hệ thống băng tải

– Dùng trong các hệ thống máy nghiền công suất lớn

5. Các dạng bài tập về động cơ không đồng bộ ba pha:

Các dạng bài tập động cơ không đồng bộ ba pha và lời giải là một chủ đề quan trọng trong môn học kỹ thuật điện.

Các dạng bài tập về động cơ không đồng bộ ba pha thường liên quan đến các nội dung sau: tính toán các thông số cơ bản của động cơ như công suất, hiệu suất, dòng điện, điện áp, tần số, mô-men quay; phân tích sơ đồ mạch của động cơ và các phương pháp khởi động; xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và tốc độ của động cơ như trượt, hệ số công suất, góc lệch pha; giải quyết các vấn đề thực tế liên quan đến hoạt động của động cơ như ngắn mạch, quá tải, mất pha.

Lời giải cho các dạng bài tập về động cơ không đồng bộ ba pha thường dựa trên các nguyên lý vật lý và toán học cơ bản. Các bước giải bài tập thường gồm: phát biểu bài toán, xác định các biến số và giả thiết, lập phương trình liên hệ giữa các biến số, giải phương trình và kiểm tra kết quả. Trong quá trình giải bài tập, cần chú ý đến các điểm sau: sử dụng các công thức và ký hiệu chuẩn; chọn hệ đơn vị thích hợp; làm tròn kết quả theo yêu cầu; viết rõ ràng các bước giải và giải thích ý nghĩa của kết quả.

Một số ví dụ về các bài tập động cơ không đồng bộ ba pha và lời giải như sau:

– Bài 1: Cho một động cơ không đồng bộ ba pha có các thông số sau: công suất danh định Pn = 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 cặp cực p = 2. Tính các thông số sau của động cơ: dòng điện danh định In, mô-men quay danh định Mn, tốc độ quay danh định n, góc trượt s.

– Lời giải:

+ Dòng điện danh định In = Pn / (√3 * Un * cosφ * η) = 5 / (√3 * 380 * 0.8 * 0.85) = 9.6 A

+ Mô-men quay danh định Mn = Pn / (2 * π * n) (N.m), trong đó n là tốc độ quay danh định của trục (vòng/phút)

+ Tốc độ quay danh định n = fn * 60 / p = 50 * 60 / 2 = 1500 vòng/phút

+ Mô-men quay danh định Mn = 5 / (2 * π * 1500 / 60) = 31.8 N.m

+ Góc trượt s = (ns – n) / ns, trong đó ns là tốc độ quay không tải của trường từ (vòng/phút)

+ Tốc độ quay không tải ns = fn * 60 / p = 50 * 60 / 2 = 1500 vòng/phút

+ Góc trượt s = (1500 – 1500) / 1500 = 0

– Bài 2: Cho động cơ không đồng bộ ba pha có các thông số sau: U = 380 V, f = 50 Hz, p = 4, R1 = 0.5 Ω, R2 = 0.6 Ω, X1 = X2 = 1.2 Ω, Xm = 30 Ω. Tính công suất cơ Pm, mô-men cơ M và hiệu suất η khi động cơ chạy ở tốc độ n = 1400 vòng/phút.

Lời giải:

– Tính góc trượt s:

s = (ns – n) / ns = (1500 – 1400) / 1500 = 0.0667

– Tính trở kháng tương đương Z của mạch rotor:

Z = R2 / s + jX2 = 8.99 + j1.2 Ω

– Tính dòng điện rotor I2:

I2 = U / (√3 * Z) = 21.9 A

– Tính công suất điện rotor Pr:

Pr = 3 * I2^2 * R2 / s = 10.3 kW

– Tính công suất cơ Pm:

Pm = Pr * (1 – s) = 9.6 kW

– Tính mô-men cơ M:

M = Pm * 60 / (2 * π * n) = 41.1 N.m

– Tính công suất đầu vào Pin:

Pin = Pr / (1 – s) = 11 kW

– Tính hiệu suất η:

η = Pm / Pin = 0.87

– Bài 3: Cho động cơ không đồng bộ ba pha có các thông số sau: U = 220 V, f = 60 Hz, p = 6, R1 = R2 = 0.8 Ω, X1 = X2 = 1.5 Ω, Xm = 25 Ω. Động cơ được khởi động bằng phương pháp sao-tam giác với tỷ số điện áp là k = 0.5. Tính dòng điện khởi động Ik và mô-men khởi động Mk.

Lời giải:

– Tính trở kháng tương đương Z của mạch stator và rotor khi khởi động:

Zs = R1 + jX1 + (R2 + jX2) * Xm / (R2 + jX2 + Xm)

   = (0.8 + j1.5) + (0.8 + j1.5) * 25 / (0.8 + j1.5 + 25)

   = 1.48 + j2.62 Ω

Zk = Zs / k^2

   = (1.48 + j2.62) / 0.25

   = 5.92 + j10.48 Ω

– Tính dòng điện khởi động Ik:

Ik = U / (√3 * Zk)

   = 220 / (√3 * (5.92 + j10.48))

   ≈ 12 A

– Tính công suất điện rotor khi khởi động Prk:

Prk = √3 * U * Ik * cosφk

    ≈ √3 * 220 * 12 * 0.36

    ≈ 1.65 kW

– Tính mô-men khởi động Mk:

Mk = Prk * p / (2 * π * f)

   ≈ 1.65 * 6 / (2 * π * 60)

   ≈ 0.83 N.m

– Bài 4: Cho động cơ không đồng bộ ba pha có các thông số sau: U = 400 V, f = 50 Hz, p = 4, R1 = R2′ = X1′ = X2′ = Xm’ / p^2= Xm’ / p^4= Xm’ / p^6= Xm’ / p^8= Xm’ / p^10= Xm’ / p^12= Xm’ / p^14= Xm’ / p^16= Xm’ / p^18= Xm’ / p^20= Xm’ / p^22= Xm’ / p^24= Xm’ / p^26= Xm’ / p^28= Xm’ / p^30= Xm’ / p^32= 0.1 Ω, Xm = 20 Ω. Động cơ được điều khiển tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp stator. Tính tốc độ n, mô-men cơ M và hiệu suất η khi điện áp stator là U = 300 V.

Lời giải:

– Tính trở kháng tương đương Z của mạch stator và rotor:

Zs = R1 + jX1 + (R2 + jX2) * Xm / (R2 + jX2 + Xm)

   = (0.1 + j0.1) + (0.1 + j0.1) * 20 / (0.1 + j0.1 + 20)

   ≈ 0.19 + j0.19 Ω

– Tính dòng điện stator I1:

I1 = U / (√3 * Zs)

   = 300 / (√3 * (0.19 + j0.19))

   ≈ 907 A

– Tính công suất điện rotor Pr:

Pr = 3 * I1^2 * R2

   = 3 * 907^2 * 0.1

   ≈ 246 kW

– Giả sử góc trượt s nhỏ, ta có công thức xấp xỉ:

s ≈ R2 / (R2 + √(R1^2 + (X1 + X2)^2))

– Tính góc trượt s:

s ≈ 0.1 / (0.1 + √(0.1^2 + (0.2)^2))

  ≈ 0.31

– Tính tốc độ n:

n = ns * (1 – s)

  = 1500 * (1 – 0.31)

  ≈ 1035 vòng/phút

– Tính công suất cơ Pm:

Pm = Pr * (1 – s)

   = 246 * (1 – 0.31)

   ≈ 170 kW

– Tính mô-men cơ M:

M = Pm * 60 / (2 * π * n)

   ≈ 170 * 60 / (2 * π * 1035)

   ≈ 98 N.m

– Tính công suất đầu vào Pin:

Pin = Pr / (1 – s)

    = 246 / (1 – 0.31)

    ≈ 357 kW

– Tính hiệu suất η:

η = Pm / Pin

   = 170 / 357

   ≈ 0.48