CHƯƠNG 1. TỔNG QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ 1.1 Khái niệm Máy điện dị bộ hay còn gọi là máy điện không đồng bộ (KĐB) là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor n khác với tốc độ từ trường quay trong máy n1. Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và Máy phát. Máy phát điện KĐB ít dùng vì có đặc tính làm việc không tốt, nên chủ yếu là xét động cơ.
Động cơ KĐB được sử dụng nhiều trong sản xuất và trong sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá thành rẽ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không bảo trì. Do kỹ thuật điện tử phát triển, nên động cơ KĐB đã đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh tốc độ vì vậy động cơ càng sử dụng rộng rãi hơn. Dãy công suất của nó rất rộng từ vài watt đến hàng ngàn kW. Hầu hết là động cơ ba pha, có một số động cơ công suất nhỏ là một pha.2 Cấu tạo, phân loại Hình 1.1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha 1: Lõi thép stato 6: Hộp dầu cực 2: Dây quân stato 7: Lõi thép roto 3: Nắp máy 8: Thân máy 4: Ổ bi 9:Quạt gió làm mát 5: Trục máy 10: Hộp quạt Giống như các loại máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ ba pha gồm có các bộ phận chính sau: Phần tĩnh hay còn gọi là stato và phần quay hay còn gọi là roto.
10 Máy điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chủ yếu là stator và rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy. Trục làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.1 Stator Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy. Lõi thép stator có dạng hình trụ, từ các lá thép kỹ thuật điện, có dập rãnh bên trong, ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
Mạch từ được chế tạo bằng thép kỹ thuật điện, gồm nhiều lá mỏng ghéplạivới nhau. Trên các lá thép có xẻ rãnh đặt dây quấn. Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn. Thường võ máy làm bằng gang.
Đối với vỏ máy có công suất tương đối lớn thường dùng thép tấm hàn lại làm vỏ máy, tùy theo cách làm nguội,máy và dạng vỏ máy cũng khác nhau. Lõi thép là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên để giảm bớt tổn hao, lõi thép được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mép lại. Khi đường kính ngoài của lõi thép nhỏ hơn 990mm thì dùng cả tấm thép tròn ép lại.
Khi đường kính goài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm thép hình rẻ quạt (hình 1.5) ghép lại thành khối tròn. Mỗi lõi thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Nếu lõi thép ngắn thì có thể ghép thành một khối nếu lõi thép quá dài thì ghép thành những tấm ngắn mỗi tấm thép dài từ 6 đến 8 cm đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt. Mặt trong cùa lá thép có sẽ rảnh để dặt dây quấn.2: Lõi thép hình rẻ quạt Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi thép.
Dây quấn phấn ứng là phần dây bằng đồng được trong các rãnh phần ứng và làm thành một 11 hoặc nhiều vòng kín. Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến dổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng. Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong toàn bộ giá thành của máy.2 Rotor Phần này gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn rotor: Lõi thép: Nói chung người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stator lõi thép đượcép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy. Phía ngoài của lá thép có sẽ rãnh để đặt dây quấn.
Dây quấn rotor: Phân loại làm hai loại chính rotor kiểu dây quấn va roto kiểu lồng sóc: Loại rotor kiểu dây quấn: rotor kiểu dây quấn (hình 1.3) cũng giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ dây quấn stator. Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao (Y) và có ba đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và cách điện với trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện và một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.3: Roto động cơ không đồng bộ dây quấn Rotor kiểu lồng sóc (hình 1.4): Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đấu. Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát.
Các động 12 cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vành ngắn mạch.3 Khe hở Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều, khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2mm đến 1mm trong máy điện cở nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào, và như vậy có thể làm cho hệ số công suất của máy tăng cao.3 Nguyên lý làm việc Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí suất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p (f1 là tần số lưới điện; p là số cặp cực; tốc độ từ trường quay). Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng diện I2 chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra momen.
Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor. Trong những phạm vi tồc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ. Hệ số trượt s của máy: (1.1) Như vậy khi n = n1 thì s = 0, còn khi n = 0 thì s = 1 ; khi n > n1, s < 0 và rotor quay ngược chiều từ trường quay n < 0 thì s > 1.
Rotor quay cùng chiều từ trường nhưng tốc độ n < n1 (0 < s < 1). 13 Giả thuyết về chiều quay n1 của từ trường khe hở Φ và của rotor n như hình 1. Theo quy tắc bàn tay phải, xác đinh được chiều sức điện động E2 và I2; theo quy tắc bàn tay trái, xác định được lực F và momen M. Ta thấy F cùng chiều quay của rotor, nghĩa là điện năng đưa tới stator, thông qua từ truờng đã biến đổi thành cơ năng trên trục quay rotor theo chiều từ trường quay n1, như vậy đông cơ làm việc ở chế độ động cơ điện .5: Chiều quay rotor Rotor quay cùng chiều nhưng tốc độ n > n1 (s < 0).
Dùng động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1. Lúc đó chiều từ trường quay quét qua dây quấn rotor sẽ ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nên chiều nên chiều của M cũng ngược chiều n1, nghĩa là ngược chiều với rotor, nên đó là moment hãm (hình 1. Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ điện, do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện, nghĩa là động cơ làm việc ở chế độ máy phát. Rotor quay ngược chiều từ trường n < 0 (s > 1) Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy điện quay ngược chiều từ trường quay hình 1.5c, lúc này chiều của sức điện động và momen giống như ở chế độ động cơ.
Vì momen sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotor lại. Trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vào, vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB ba pha Trước đây, nếu có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường dùng động cơ điện một chiều. Nhưng ngày nay nhờ kỹ thuật điện tử phát triển nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ không gặp nhiều khó khăn với yêu cầu phạm vi điều chỉnh, độ bằng phẳng khi điều chỉnh và năng lượng tiêu thụ.
Phương pháp điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện: Trên stato: Thay đổi điện áp U đưa vào dây quấn stato, thay đổi số đôi cực từ p dây quấn stato và thay đổi tần số f nguồn điện. Với rô to dây quấn: Thay đổi điện trở rôto, nối cấp hoặc đưa suất điện động phụ vào rôto.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp: Hình 1.6: Đường đặc tính cơ khi thay đổi điện áp Hệ số trượt tới hạn sm không phụ thuộc vào điện áp. Nếu r’2 không đổi thì khi giảm điện áp nguồn U 1, hệ số trượt tới hạn s m sẽ không đổi còn Mmax giảm tỉ lệ với bình phương điện áp. Họ đặc tính cơ cho thấy tốc độ thay đổi khi thay đổi điện áp.
Phương pháp này chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khi máy không tải giảm điện áp nguồn, tốc độ gần như không đổi. Thay đổi điện áp nguồn có thể dùng những cách sau: 15 o Biến áp xoay chiều. o Phân áp bằng điện kháng. o Bộ biến đổi điện áp xoay chiều.7: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp 1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số: Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp U1 , tần số f1 và mômen M.
Trong công thức về mômen cực đại, nếu bỏ qua điện trở r1: (1. Khi thay đổi tần số thì đặc tính cơ cũng thay đổi. Họ đặc tính cơ với U1 = const. Giả thiết U’1 và M’ là điện áp và mômen lúc tần số f1’, căn cứ vào điều kiện năng lực quá tải không đổi: (1.8: Đường đặc tính cơ khi thay đổi tần số 1.