Chương 1 Tổng quan về động cơ điện sẽ cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản và chuyên sâu về các loại động cơ điện thông dụng, bao gồm động cơ một chiều (DC) và động cơ xoay chiều (AC). Người học sẽ hiểu rõ cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của động cơ điện, từ các thành phần chính như stator , rotor đến cơ chế tạo ra lực quay. Ngoài ra, chương này còn trang bị các phương pháp tính công suất và kỹ thuật lựa chọn động cơ phù hợp cho hệ thống truyền động, đảm bảo đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và tối ưu hóa hiệu suất làm việc. Thông qua chương này, người học sẽ có khả năng nhận dạng chính xác các loại động cơ thông dụng và áp dụng kiến thức vào thực tế một cách hiệu quả.
Mục tiêu: − Trình bày đúng các khái niệm về động cơ điện, các loại động cơ điện thông dụng. − Trình bày đúng cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của động cơ điện. − Trình bày đúng các phương pháp tính công suất và lựa chọn động cơ điện cho hệ thống truyền động. − Nhận dạng được chính xác các loại động cơ thông dụng.
− Tính toán công suất và lựa chọn động cơ cho hệ thống truyền động đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. − Rèn luyện thái độ làm việc nghiêm túc, chủ động, tích cực. − Đạo đức nghề nghiệp, trung thực, thăng thắn. − Tuân thủ quy trình thực hiện công việc để đảm bảo an toàn trong nghề nghiệp.
QLĐT-BM13-QT31 2 1. Khái niệm Động cơ điện là một thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên hiện tượng điện từ, trong đó dòng điện chạy qua các cuộn dây bên trong động cơ tạo ra từ trường. Từ trường này tương tác với từ trường của các nam châm hoặc các cuộn dây khác để tạo ra lực kéo hoặc lực đẩy, làm quay rotor (phần quay của động cơ).
Nhờ vậy, động cơ điện có thể chuyển hóa hiệu quả năng lượng điện thành chuyển động cơ học, phục vụ nhiều mục đích khác nhau trong dân dụng và công nghiệp. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động 1. Cấu trúc chung của động cơ điện Động cơ điện có cấu trúc cơ bản bao gồm các thành phần chính sau đây: − Phần tĩnh (Stator ): + Khung (Frame): Vỏ ngoài bảo vệ các bộ phận bên trong của động cơ. + Lõi stator (Stator Core): Thường làm từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, giúp giảm tổn thất năng lượng do dòng điện xoáy.
+ Cuộn dây stator (Stator Windings): Các cuộn dây quấn quanh lõi stator , khi có dòng điện chạy qua sẽ tạo ra từ trường. − Phần quay (Rotor ): + Rotor : Cũng làm từ các lá thép kỹ thuật điện, tương tự như stator. + Cuộn dây rotor hoặc các thanh dẫn điện (Rotor Windings or Conductors): Trong động cơ cảm ứng, rotor có các thanh dẫn điện (thường bằng nhôm hoặc đồng) được đặt trong các rãnh trên lõi rotor. Trong động cơ DC, rotor có các cuộn dây quấn quanh lõi rotor.
+ Trục rotor (Rotor Shaft): Trục này nối với lõi rotor và truyền chuyển động quay ra bên ngoài động cơ. − Bạc đạn (Bearings): Các bạc đạn đỡ trục rotor và cho phép rotor quay một cách trơn tru bên trong stator. − Cổ góp (Commutator) và chổi than (Brushes)-trong động cơ DC: QLĐT-BM13-QT31 3 + Commutator: Một bộ phận hình trụ được gắn trên trục rotor, có các đoạn dẫn điện cách điện với nhau, chuyển đổi dòng điện để duy trì chiều quay của rotor. + Chổi than: Các thanh carbon tiếp xúc với commutator để cung cấp dòng điện cho rotor.
− Quạt làm mát (Cooling Fan): Được gắn vào trục rotor hoặc bên ngoài vỏ động cơ để làm mát các thành phần bên trong, giảm nhiệt độ và tăng tuổi thọ của động cơ. − Nắp che (End Bells or End Covers): Bảo vệ các đầu của động cơ và giữ các bạc đạn tại chỗ. − Hệ thống dây điện và kết nối (Electrical Connections): Bao gồm các terminal để kết nối nguồn điện và các cuộn dây stator. Nguyên tắc hoạt động chung của động cơ điện Động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, trong đó năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng cơ học thông qua sự tương tác giữa từ trường và dòng điện.
Quá trình này bao gồm các bước chính sau đây: − Tạo từ trường: Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây stator , nó tạo ra một từ trường xoay quanh rotor. Trong động cơ AC, từ trường này thay đổi liên tục theo tần số của dòng điện xoay chiều. Trong động cơ DC, từ trường này được duy trì ổn định hoặc được điều chỉnh thông qua commutator. − Tương tác từ trường và dòng điện: Từ trường tạo ra bởi stator tương tác với dòng điện trong các cuộn dây hoặc các thanh dẫn điện trên rotor.
Theo định luật Lorentz, khi một dây dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường, lực điện từ (hay lực Lorentz) sẽ được tạo ra, tác động lên dây dẫn. Lực này tạo ra mô-men xoắn, làm quay rotor. − Chuyển đổi năng lượng: Khi rotor quay, năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng cơ học. Chuyển động quay của rotor được truyền ra bên ngoài động cơ thông qua trục rotor, có thể sử dụng để thực hiện công việc như quay bánh xe, bơm nước, hoặc vận hành máy móc.
QLĐT-BM13-QT31 4 − Điều khiển tốc độ và mô-men xoắn: Tốc độ và mô-men xoắn của động cơ có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các yếu tố như điện áp cung cấp, tần số dòng điện (trong động cơ AC), hoặc dòng điện và từ trường (trong động cơ DC). Các bộ điều khiển như biến tần (inverter) cho động cơ AC hoặc bộ điều chỉnh điện áp cho động cơ DC được sử dụng để điều chỉnh hiệu suất của động cơ theo nhu cầu. Các loại động cơ điện thông dụng 1. Động cơ không đồng bộ 1.
Cấu tạo động cơ không đồng bộ Hình 1. Cấu tạo động cơ KĐB ba pha ❖ Stator : Stator của máy điện không đồng bộ gồm các phần chính là lõi thép, dây quấn và vỏ máy. Lõi thép stator do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã dập sẵn, ghép cách điện với nhau, chiều dài các lá thép thường là 0.5mm, phía trong có các rãnh để đặt dây quấn. Dây quấn ba pha stator đặt trong các rãnh lõi thép, xung quanh dây quấn có bọc các lớp cách điện với lõi thép.
Các pha dây quấn đặt cách nhau 120 điện. Vỏ máy để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator. Vỏ máy làm bằng nhôm (ở máy nhỏ), bằng gang hay thép đúc (ở máy lớn). Vỏ máy có chân máy để cố định máy trên bệ, hai đầu có nắp máy để đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn.
QLĐT-BM13-QT31 5 Hình 1. Cấu tạo Stator của động cơ KĐB ba pha ❖ Rotor : Rotor là phần quay gồm lõi thép, trục và dây quấn Lõi thép rotor cũng gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Mặt ngoài lõi thép rotor có các rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có lỗ để lắp trục, có khi còn có các lỗ thông gió. Trục máy gắn với lõi thép rotor và làm bằng thép tốt.
Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ bi. Tùy theo cấu tạo dây quấn phần quay, máy điện không đồng bộ chia ra làm hai loại : máy không đồng bộ rotor dây quấn và máy không đồng bộ rotor lồng sóc. Rotor dây quấn (Wound Rotor ): trong các rãnh của lõi thép đặt dây quấn ba pha, thường nối thành hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vành trượt bằng đồng trên trục rotor. Ba vành trượt này cách điện với nhau và với trục.
Tỳ trên ba vành QLĐT-BM13-QT31 6 trượt là ba chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngoài (điện trở này có thể là điện trở mở máy hoặc điện trở điều chỉnh tốc độ). Cấu tạo Rotor dây quấn của động cơ KĐB ba pha − Ưu điểm của động cơ cảm ứng rotor dây quấn (Slip Ring or Wound Induction Motor): + Dòng điện mở máy thấp + Moment khởi động lớn + Khởi động bằng phẳng + Có thể điều chỉnh tốc độ trong dãy hẹp + Đơn giản và mạnh + Độ tin cậy cao + Chi phí bảo trì thấp − Ứng dụng: + Cần trục + Máy nâng + Máy cuốn trong nhà máy thép,… QLĐT-BM13-QT31 7 Rotor lồng sóc (Squirrel Cage Rotor ): dây quấn là những thanh đồng hay nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rotor, hai đầu các thanh dẫn nối với hai vành đồng hay nhôm, gọi là vòng ngắn mạch. Như vậy dây quấn rotor hình thành một cái lồng, gọi là lồng sóc. Mỗi thanh dẫn của lồng sóc được xem như một pha.
Người ta thường chế tạo rotor lồng sóc bằng cách đổ nhôm nóng chảy vào các rãnh lõi thép rotor. Cấu tạo Rotor lồng sóc của động cơ KĐB ba pha Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí. Khe hở rất nhỏ, thường từ 0,35 – 1,5cm. Mạch từ máy điện không đồng bộ khép kín từ stator sang rotor, qua khe hở không khí.
Khe hở không khí càng lớn thì dòng điện từ hoá để gây ra từ thông cho máy càng lớn, hệ số cosϕ của máy càng giảm. Những thông số ghi trên nhãn máy: − Công suất định mức ( W, kW, Hp ): là công suất định mức đầu ra trên trục động cơ ( động cơ ), công suất điện đưa ra ( máy phát ). − Điện áp dây định mức Uđm ( V): đối với động cơ ba pha là Udây, đối với động cơ một pha thì Upha là điện áp đặt trên đầu cực của động cơ ( pha – trung tính hoặc pha – pha). − Dòng điện dây định mức Iđm ( A ) Ví dụ : Trên nhãn máy ghi : / Y – 220/380V – 7,5/ 4,3 A có nghĩa là khi điện áp dây lưới điện bằng 220V thì ta nối dây quấn stator theo hình tam giác và dòng điện dây định mức tương ứng là 7,5 A; khi điện áp mạng điện là 380V thì dây quấn stator nối theo hình sao, dòng điện dây định mức là 4,3A.
− Tốc độ quay định mức nđm ( vòng/ phút ). − Tần số định mức ( HZ ). QLĐT-BM13-QT31 8 − Cấp cách điện + Loại động cơ: Theo các tiêu chuẩn National Electrical Code và National Electrical Manufactures Association (NEMA), các motor được phân loại bởi ký tự đặc trưng cho tỷ số của dòng khởi động và dòng định mức. Bằng các ký tự này, có thể xác định chính xác được định mức của circuit breaker, cầu chì và các thiết bị bảo vệ khác.
+ Loại A: Dòng khởi động bình thường, 5 đến 7 lần dòng định mức.