Nghiên cứu các phương pháp khởi động động cơ xoay chiều 3 pha

Nghiên cứu các phương pháp khởi động động cơ xoay chiều 3 pha phổ biến. Tìm hiểu ưu nhược điểm và ứng dụng thực tế của từng phương pháp.

• Tác giả: Phạm Ngọc Tuân
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Hoà
• Trường học: Trường Đại Học Hùng Vương
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kĩ Thuật Điện, Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Phương Pháp Khởi Động Động Cơ Xoay Chiều 3 Pha
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Phú Thọ

Tóm tắt

I. Tổng quan động cơ xoay chiều 3 pha và tầm quan trọng của khởi động

Động cơ xoay chiều 3 pha, đặc biệt là động cơ không đồng bộ 3 pha, là thành phần cốt lõi trong nền công nghiệp hiện đại. Với cấu tạo đơn giản, giá thành hợp lý và độ tin cậy cao, chúng được ứng dụng rộng rãi từ máy bơm, quạt công nghiệp đến các dây chuyền sản xuất tự động. Đồ án của Phạm Ngọc Tuân (2023) nhấn mạnh rằng, mặc dù vận hành ổn định, quá trình khởi động lại là giai đoạn quan trọng và tiềm ẩn nhiều rủi ro. Việc lựa chọn phương pháp khởi động động cơ xoay chiều 3 pha phù hợp không chỉ đảm bảo động cơ vận hành trơn tru mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ thiết bị và sự ổn định của toàn bộ hệ thống điện. Một phương pháp khởi động không tối ưu có thể gây ra các sự cố nghiêm trọng, ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất và chi phí vận hành. Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng đúng kỹ thuật khởi động là yêu cầu bắt buộc đối với các kỹ sư và nhà quản lý hệ thống điện công nghiệp. Hiểu rõ bản chất của từng loại động cơ, từ động cơ rotor lồng sóc đến động cơ rotor dây quấn, là bước đầu tiên để lựa chọn giải pháp khởi động hiệu quả nhất.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý của động cơ không đồng bộ 3 pha

Một động cơ không đồng bộ 3 pha bao gồm hai bộ phận chính: Stato (phần tĩnh) và Roto (phần quay). Stato chứa lõi thép và dây quấn ba pha, khi được cấp nguồn điện xoay chiều sẽ tạo ra một từ trường quay với tốc độ đồng bộ. Roto, có thể là động cơ rotor lồng sóc hoặc động cơ rotor dây quấn, được đặt trong lòng Stato. Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Từ trường quay của Stato sẽ quét qua các thanh dẫn của Roto, cảm ứng nên suất điện động và tạo ra dòng điện trong Roto. Sự tương tác giữa dòng điện này và từ trường quay sinh ra một momen khởi động, làm Roto quay theo chiều từ trường nhưng với tốc độ chậm hơn. Sự chênh lệch tốc độ này được gọi là hệ số trượt (s), yếu tố quyết định đến đặc tính làm việc của động cơ. Cấu tạo này giúp động cơ vận hành bền bỉ nhưng cũng là nguyên nhân gây ra các vấn đề trong quá trình khởi động.

1.2. Vì sao cần có các phương pháp khởi động động cơ chuyên biệt

Việc nghiên cứu các phương pháp khởi động chuyên biệt là cần thiết vì những lý do cốt lõi sau. Thứ nhất, để hạn chế dòng khởi động quá lớn. Khi bắt đầu, động cơ hoạt động gần như ở chế độ ngắn mạch, khiến dòng điện có thể cao gấp 5-8 lần dòng định mức. Dòng điện đột biến này gây ra sụt áp lưới điện, ảnh hưởng đến các thiết bị khác và có thể làm các thiết bị bảo vệ động cơ như relay nhiệt tác động nhầm. Thứ hai, để điều chỉnh momen khởi động. Một số tải yêu cầu momen lớn để thắng sức ì ban đầu, trong khi các tải khác lại cần khởi động êm ái để tránh sốc cơ khí. Mỗi phương pháp khởi động cung cấp một đặc tính momen khác nhau. Cuối cùng, việc lựa chọn phương pháp đúng giúp bảo vệ động cơ khỏi quá nhiệt, kéo dài tuổi thọ và tối ưu hóa chi phí năng lượng trong suốt quá trình vận hành, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn.

II. Phân tích thách thức Dòng khởi động và sụt áp khi khởi động động cơ

Thách thức lớn nhất khi khởi động động cơ không đồng bộ 3 pha là kiểm soát dòng khởi động và hiện tượng sụt áp lưới điện đi kèm. Ở thời điểm ban đầu (hệ số trượt s=1), cuộn dây Roto bị ngắn mạch, tổng trở của động cơ rất thấp. Điều này làm dòng điện từ lưới điện đổ vào Stato tăng vọt. Dòng điện quá lớn không chỉ gây phát nóng quá mức trên dây quấn, có nguy cơ làm hỏng lớp cách điện và giảm tuổi thọ động cơ, mà còn là nguyên nhân chính gây sụt áp trên toàn hệ thống. Tình trạng sụt áp có thể làm các thiết bị điện tử nhạy cảm hoạt động sai lệch, đèn chiếu sáng bị mờ, hoặc thậm chí làm các động cơ khác đang vận hành bị ngừng hoạt động. Hơn nữa, momen khởi động tỷ lệ với bình phương điện áp, do đó sụt áp sẽ làm giảm momen, khiến động cơ không đủ sức kéo tải và quá trình khởi động thất bại. Việc tính toán chọn phương pháp khởi động chính là tìm ra điểm cân bằng giữa việc giảm dòng khởi động xuống mức an toàn mà vẫn đảm bảo đủ momen để thắng được tải trọng ban đầu. Các thiết bị như contactor và relay nhiệt trong mạch khởi động động cơ phải được lựa chọn cẩn thận để chịu được dòng điện này.

2.1. Tác động tiêu cực của dòng khởi động lớn lên hệ thống điện

Một dòng khởi động lớn gây ra nhiều tác động tiêu cực. Đối với bản thân động cơ, nhiệt lượng sinh ra do hiệu ứng Joule (P = I²R) có thể làm dây quấn Stato và thanh dẫn Roto nóng lên nhanh chóng, tiềm ẩn nguy cơ cháy hỏng cách điện. Đối với lưới điện, dòng điện lớn gây ra hiện tượng sụt áp lưới điện đáng kể, đặc biệt khi nguồn cấp có công suất hạn chế. Sụt áp này ảnh hưởng đến tất cả các thiết bị khác kết nối cùng lưới, có thể gây ra lỗi vận hành cho các bộ điều khiển lập trình (PLC), máy tính, và các thiết bị điện tử nhạy cảm. Ngoài ra, các đỉnh dòng điện đột ngột còn gây ra nhiễu điện từ (EMI), ảnh hưởng đến các hệ thống truyền thông và điều khiển. Các thiết bị đóng cắt như aptomat và contactor phải có định mức cao hơn để chịu được dòng đỉnh, làm tăng chi phí đầu tư ban đầu.

2.2. Mối quan hệ giữa momen khởi động và điện áp nguồn cung cấp

Momen điện từ của động cơ không đồng bộ có mối quan hệ chặt chẽ với điện áp nguồn, cụ thể là tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào Stato (M ∝ U²). Điều này có nghĩa là bất kỳ sự suy giảm nào của điện áp cũng sẽ làm giảm momen khởi động một cách đáng kể. Ví dụ, nếu điện áp sụt 10% (còn 90% Uđm), momen sẽ giảm xuống chỉ còn (0.9)² = 0.81, tức là 81% so với momen định mức. Khi sử dụng các phương pháp khởi động gián tiếp nhằm mục đích giảm dòng, chúng thường hoạt động dựa trên nguyên tắc giảm điện áp đầu vào. Do đó, một hệ quả không mong muốn là momen khởi động cũng bị giảm theo. Đây là một sự đánh đổi quan trọng: giảm dòng khởi động nhưng phải đảm bảo momen sinh ra vẫn lớn hơn momen cản của tải để động cơ có thể bắt đầu quay và tăng tốc.

III. Các phương pháp khởi động động cơ 3 pha truyền thống được ứng dụng

Các phương pháp khởi động truyền thống vẫn được sử dụng rộng rãi nhờ sự đơn giản, chi phí thấp và độ tin cậy cao. Phương pháp phổ biến nhất là khởi động trực tiếp (DOL - Direct On-Line), áp dụng cho các động cơ công suất nhỏ nơi dòng khởi động không gây ảnh hưởng lớn đến lưới điện. Đối với các động cơ lớn hơn, phương pháp khởi động sao - tam giác (Star-Delta) là một lựa chọn kinh tế, giúp giảm dòng khởi động xuống còn 1/3. Nguyên lý của nó là kết nối cuộn dây Stato theo hình sao khi khởi động để giảm điện áp pha, sau đó chuyển sang kết nối tam giác khi động cơ đạt tốc độ ổn định. Một phương pháp khác là khởi động bằng điện trở phụ hoặc bằng cuộn kháng, trong đó các phần tử này được mắc nối tiếp với mạch Stato để hạn chế dòng điện ban đầu, sau đó được loại bỏ (nối tắt) khỏi mạch. Đối với động cơ rotor dây quấn, phương pháp đặc trưng là thêm điện trở phụ vào mạch Roto thông qua vành trượt và chổi than. Việc này không chỉ giảm dòng khởi động mà còn tăng momen khởi động ban đầu, rất hiệu quả cho các tải nặng.

3.1. Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp khởi động trực tiếp DOL

Khởi động trực tiếp (DOL) là phương pháp đơn giản nhất, trong đó động cơ được đấu nối thẳng vào lưới điện thông qua một thiết bị đóng cắt như contactor. Ưu điểm của nó là mạch khởi động động cơ rất gọn nhẹ, chi phí thấp và cung cấp momen khởi động lớn nhất (100%), giúp thời gian khởi động nhanh. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là tạo ra dòng khởi động cực đại, có thể gây sụt áp lưới điện nghiêm trọng và tạo ra cú sốc cơ khí lớn cho hệ thống truyền động. Do đó, phương pháp này chỉ phù hợp cho các động cơ có công suất nhỏ (thường dưới 7.5 kW) hoặc trong các trường hợp lưới điện có công suất rất lớn, đủ khả năng chịu được dòng khởi động mà không bị ảnh hưởng.

3.2. Nguyên lý và sơ đồ mạch khởi động sao tam giác Star Delta

Phương pháp khởi động sao - tam giác (Star-Delta) được thiết kế cho các động cơ có cuộn dây Stato cho phép hoạt động ở chế độ tam giác (∆). Sơ đồ nguyên lý bao gồm ba contactor: contactor chính (K1), contactor sao (KS), và contactor tam giác (KTG), cùng với một relay nhiệt và timer. Ban đầu, K1 và KS đóng, nối các cuộn dây theo hình sao (Y). Ở chế độ này, điện áp đặt lên mỗi pha chỉ bằng 1/√3 điện áp dây, giúp giảm cả dòng pha và dòng dây xuống còn 1/3 so với khởi động trực tiếp. Sau một khoảng thời gian do timer cài đặt, KS mở ra và KTG đóng vào, chuyển mạch sang chế độ tam giác (∆) để động cơ hoạt động ở công suất định mức. Ưu nhược điểm của các phương pháp khởi động này là rõ ràng: giảm dòng hiệu quả nhưng cũng làm momen khởi động giảm đi 3 lần, và có thể gây ra đỉnh dòng điện thoáng qua tại thời điểm chuyển mạch.

3.3. Khởi động bằng điện trở phụ cho động cơ rotor dây quấn

Đối với động cơ rotor dây quấn, phương pháp khởi động bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch Roto là tối ưu nhất. Các điện trở này được kết nối với ba đầu dây ra của Roto qua vành trượt và chổi than. Bằng cách tăng tổng trở của mạch Roto, dòng khởi động được hạn chế hiệu quả. Một ưu điểm vượt trội của phương pháp này là nó đồng thời làm tăng momen khởi động. Bằng cách điều chỉnh giá trị điện trở phụ, có thể đạt được momen khởi động bằng với momen cực đại của động cơ. Trong quá trình động cơ tăng tốc, các cấp điện trở sẽ được loại bỏ dần khỏi mạch cho đến khi Roto được nối ngắn mạch hoàn toàn. Phương pháp này cho phép khởi động rất êm và mạnh mẽ, lý tưởng cho các tải có quán tính lớn như cần trục, máy nghiền.

IV. Giải pháp khởi động động cơ 3 pha Biến tần và khởi động mềm tối ưu

Các giải pháp hiện đại mang đến khả năng kiểm soát quá trình khởi động một cách vượt trội so với phương pháp truyền thống. Khởi động mềm (Soft Starter) là một thiết bị điện tử công suất sử dụng Thyristor (SCR) để điều khiển điện áp xoay chiều cấp cho động cơ. Nó cho phép điện áp tăng dần từ một mức cài đặt ban đầu lên đến điện áp định mức trong một khoảng thời gian nhất định (thời gian dốc lên). Điều này giúp dòng khởi động được giới hạn ở một mức an toàn và loại bỏ hoàn toàn các cú sốc cơ khí, làm cho quá trình khởi động trở nên cực kỳ êm ái. Một giải pháp cao cấp hơn là khởi động bằng biến tần (VFD - Variable Frequency Drive). Biến tần không chỉ kiểm soát điện áp mà còn cả tần số của nguồn cấp. Bằng cách duy trì tỷ số V/f không đổi, biến tần có thể tạo ra momen khởi động lớn ở tốc độ thấp mà vẫn giữ cho dòng điện trong giới hạn cho phép. Hơn nữa, biến tần còn cung cấp khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt trong suốt quá trình vận hành, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể, đặc biệt với các tải có yêu cầu thay đổi tốc độ như bơm và quạt.

4.1. Nguyên lý hoạt động và lợi ích của bộ khởi động mềm Soft Starter

Bộ khởi động mềm (Soft Starter) hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển góc kích của các cặp Thyristor đấu song song ngược cho mỗi pha. Bằng cách thay đổi góc kích, điện áp hiệu dụng đặt lên động cơ có thể được điều chỉnh một cách trơn tru. Khi khởi động, điện áp được tăng dần, giúp dòng khởi động tăng từ từ và không vượt quá giới hạn cài đặt. Lợi ích chính của khởi động mềm là khởi động êm, giảm sốc cơ khí, kéo dài tuổi thọ của các bộ phận như hộp số, dây curoa. Nó cũng giúp giảm sụt áp lưới điện hiệu quả hơn phương pháp sao-tam giác. Ngoài ra, nhiều bộ khởi động mềm hiện đại còn tích hợp các chức năng bảo vệ động cơ như bảo vệ quá tải, mất pha, thấp áp, và chức năng dừng mềm để giảm sốc thủy lực trong các ứng dụng máy bơm.

4.2. Khởi động bằng biến tần VFD và khả năng điều khiển vượt trội

Khởi động bằng biến tần (VFD) là phương pháp toàn diện nhất. Biến tần chỉnh lưu nguồn AC thành DC, sau đó nghịch lưu trở lại thành nguồn AC có cả điện áp và tần số thay đổi được. Trong quá trình khởi động, biến tần bắt đầu ở tần số thấp và tăng dần lên tần số định mức. Bằng việc giữ tỷ số điện áp/tần số (V/f) không đổi, từ thông trong động cơ được duy trì ổn định, cho phép tạo ra momen khởi động cao (có thể lên đến 150-200% momen định mức) trong khi dòng khởi động được kiểm soát chặt chẽ ở mức dòng định mức. Khả năng này làm cho VFD trở thành lựa chọn lý tưởng cho các tải yêu cầu momen khởi động rất lớn. Ngoài ra, biến tần còn cho phép điều chỉnh tốc độ, hãm tái sinh, và tiết kiệm năng lượng, làm nó trở thành giải pháp tối ưu cho nhiều ứng dụng công nghiệp phức tạp.

V. Nghiên cứu ứng dụng Mô phỏng mạch khởi động sao tam giác chi tiết

Để kiểm chứng lý thuyết và đánh giá trực quan hoạt động của các phương pháp khởi động, việc mô phỏng đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Đồ án của Phạm Ngọc Tuân (2023) đã sử dụng phần mềm CADe-SIMU để mô phỏng chi tiết mạch khởi động sao - tam giác. Phần mềm này cho phép xây dựng cả mạch lực và mạch điều khiển một cách chính xác, sử dụng các linh kiện ảo như contactor, relay nhiệt, timer, và động cơ. Quá trình mô phỏng cho thấy rõ các giai đoạn hoạt động của mạch. Khi nhấn nút ON, contactor chính (K1) và contactor sao (KS) được cấp điện, động cơ bắt đầu quay ở chế độ sao với dòng điện thấp. Đồng thời, timer bắt đầu đếm ngược. Khi hết thời gian cài đặt, tiếp điểm của timer tác động, ngắt nguồn của KS và cấp nguồn cho contactor tam giác (KTG). Mạch chuyển đổi thành công, động cơ hoạt động ổn định ở chế độ tam giác. Kết quả mô phỏng không chỉ xác nhận nguyên lý hoạt động mà còn giúp phát hiện các lỗi logic tiềm ẩn trong thiết kế sơ đồ nguyên lý trước khi triển khai thực tế, đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí.

5.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng mạch điện công nghiệp CADe SIMU

CADe-SIMU là một công cụ phần mềm mạnh mẽ và trực quan, được thiết kế chuyên biệt để vẽ và mô phỏng các sơ đồ nguyên lý mạch điện công nghiệp. Giao diện của nó thân thiện, cung cấp một thư viện phong phú các ký hiệu điện tiêu chuẩn, từ các thiết bị đóng cắt cơ bản như aptomat, nút nhấn, contactor, relay nhiệt đến các bộ điều khiển phức tạp hơn như PLC. Người dùng có thể dễ dàng kéo-thả các linh kiện, kết nối chúng để tạo thành mạch lực và mạch điều khiển. Tính năng mô phỏng cho phép người dùng kiểm tra hoạt động của mạch trong thời gian thực, quan sát trạng thái của các tiếp điểm, cuộn hút và dòng điện, giúp hiểu sâu hơn về nguyên lý hoạt động và kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế.

5.2. Đánh giá kết quả mô phỏng mạch sao tam giác và tính thực tiễn

Kết quả mô phỏng trên CADe-SIMU cho mạch khởi động sao tam giác đã chứng minh tính chính xác và hiệu quả của phương pháp này. Mô phỏng cho thấy rõ quá trình chuyển đổi trạng thái của các contactor theo đúng logic điều khiển của timer. Đặc biệt, việc mô phỏng các tình huống sự cố, chẳng hạn như tác động của relay nhiệt khi quá tải, cho thấy mạch bảo vệ hoạt động đúng chức năng: ngắt nguồn cấp cho động cơ và bật đèn báo sự cố. Tính thực tiễn của việc mô phỏng là rất lớn. Nó giúp sinh viên và kỹ sư mới làm quen với các mạch khởi động động cơ một cách an toàn, không cần tiếp xúc với điện áp cao. Đồng thời, nó là công cụ gỡ lỗi hiệu quả, giúp tối ưu hóa thiết kế, lựa chọn đúng thời gian chuyển đổi của timer và đảm bảo mạch hoạt động ổn định trước khi lắp đặt trong thực tế.

VI. Kết luận Bí quyết tính toán và chọn phương pháp khởi động tối ưu

Việc lựa chọn phương pháp khởi động cho động cơ xoay chiều 3 pha không có một câu trả lời duy nhất mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Bí quyết nằm ở việc phân tích và cân bằng giữa ba yếu tố cốt lõi: đặc tính của tải, công suất của động cơ và điều kiện của lưới điện. Tính toán chọn phương pháp khởi động tối ưu đòi hỏi phải xem xét kỹ lưỡng các yêu cầu về momen khởi động, giới hạn cho phép của dòng khởi động, và chi phí đầu tư. Đối với động cơ công suất nhỏ và tải nhẹ, khởi động trực tiếp (DOL) là lựa chọn kinh tế. Với động cơ công suất trung bình và tải không yêu cầu momen lớn, khởi động sao - tam giác là một giải pháp cân bằng. Các tải nặng, quán tính lớn sẽ phù hợp nhất với động cơ rotor dây quấn sử dụng điện trở phụ hoặc các giải pháp hiện đại như khởi động mềm (Soft Starter) và khởi động bằng biến tần (VFD). Trong đó, biến tần mang lại khả năng kiểm soát toàn diện và tiết kiệm năng lượng, là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và hiệu suất cao. Cuối cùng, việc hiểu rõ ưu nhược điểm của các phương pháp khởi động là chìa khóa để đưa ra quyết định đúng đắn, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn, hiệu quả và bền bỉ.

6.1. Bảng so sánh ưu nhược điểm các phương pháp khởi động phổ biến

Để đưa ra lựa chọn sáng suốt, việc so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp khởi động là rất cần thiết. DOL: Ưu điểm - Momen tối đa, chi phí thấp, đơn giản; Nhược điểm - Dòng khởi động rất cao, sốc cơ khí. Sao-Tam giác: Ưu điểm - Giảm dòng hiệu quả (còn 1/3), chi phí hợp lý; Nhược điểm - Momen giảm mạnh (còn 1/3), có đỉnh dòng khi chuyển mạch. Khởi động mềm: Ưu điểm - Khởi động êm, không sốc cơ khí, giới hạn dòng tốt; Nhược điểm - Chi phí cao hơn sao-tam giác, sinh nhiệt cần tản nhiệt. Biến tần (VFD): Ưu điểm - Kiểm soát toàn diện dòng và momen, điều chỉnh được tốc độ, tiết kiệm năng lượng; Nhược điểm - Chi phí đầu tư cao nhất, cấu trúc phức tạp, có thể gây nhiễu hài.

6.2. Hướng dẫn các bước lựa chọn phương pháp khởi động phù hợp

Quy trình tính toán chọn phương pháp khởi động bao gồm các bước sau: Bước 1: Xác định đặc tính tải, bao gồm momen cản ban đầu và yêu cầu về gia tốc (khởi động êm hay nhanh). Bước 2: Xác định công suất động cơ và kiểm tra thông số lưới điện (công suất máy biến áp, tiết diện dây dẫn) để ước tính khả năng chịu sụt áp. Bước 3: Dựa trên hai yếu tố trên, loại bỏ các phương pháp không phù hợp. Ví dụ, nếu tải yêu cầu momen lớn, loại bỏ phương pháp sao-tam giác. Nếu lưới điện yếu, loại bỏ phương pháp khởi động trực tiếp. Bước 4: So sánh chi phí đầu tư và vận hành giữa các phương pháp còn lại. Cân nhắc các lợi ích dài hạn như tiết kiệm năng lượng (với biến tần) hoặc giảm hao mòn cơ khí (với khởi động mềm). Bước 5: Đưa ra quyết định cuối cùng và thiết kế mạch lực và mạch điều khiển tương ứng, đảm bảo đầy đủ các thiết bị bảo vệ động cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: 1. Giới thiệu động cơ xoay chiều 3 pha: 1.1 Giới thiệu chung: Động cơ điện không đồng bộ là loại máy điện có phần quay, làm việc với điện xoay chiều, theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của roto khác với tốc độ quay của từ trường. Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, có thể làm việc ở chế độ động cơ điện và máy phát điện. Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt nên ít được dùng.

Động cơ điện không đồng bộ có cấu tạo và vận hành đơn giản, gíá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Động cơ điện không đồng bộ gồm các loại: động cơ ba pha, hai pha và một pha. Động c ơ không đồng bộ có những ưu điểm mà các động cơ kh ác không có: - Giá thành rẻ. - Dễ vận hành , có thể làm vi ệc ở môi trường dễ cháy nổ, liên t ục và dài hạn.

- Đấu nối trực tiếp với nguồn điện 3 pha, không phải tốn kém thêm các thiết bị biến đổi. - Ít chi phí vận hành, bảo trì sử a chữa. Bên cạ nh nh ững ưu điểm động cơ không đồng b ộ ba pha cũng có các nhược điểm sau: - Dễ phát nóng đối với stato, nhất là khi điện áp lướ i tăng và đối với roto khi điện áp lưới gi ảm. - Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ.

- Khi điện áp sụt xuống thì momen khởi động và momen cực đại giảm rất nhiều vì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp. Việc điều khiển máy điện xoay chi ều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũng nh ư bản 3 chất phứ c tạp v ề mặt c ấu trúc máy của động c ơ xoay chiều so với má y điện một chiều. Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa momen và từ thông để có thể điều khiển độc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán c ực nhanh và chính xác trong việc quy đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản. Vì v ậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương ph áp điều khiển trước đây dùng cho máy điện th ường đắt và có hiệu suất kém.1 Phần tĩnh(stato): Trên stato có vỏ, lõi thép và dây quấn.

Vỏ máy: Vỏ có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thân vỏ máy làm bằng gang hoặc nhôm. Đối với máy có công xuất tương đối lớn ( 1000kw) thường dùng tấm kim loại làm thành vỏ. Lõi thép: Lõi thép là phần dẫn từ, vì từ thông đi qua lõi thép là từ thông quay nên để giảm tổn hao, lõi thép được làm bằng 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 stato làm bằng dây dẫn điện được phủ cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép và cách điện tốt với lõi thép. Dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay.2 Phần quay(roto): Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. Lõi thép: Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa các lỗ để lắp trục.

Dây quấn: Phân làm 2 loại chính: Loại roto kiểu dây quấn và loại roto kiểu lồng sóc. 5 - Loại roto kiểu dây quấn: Roto có dây quấn giống dây quấn stato. Trong động cơ cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng 2 lớp vì bớt được những dây đầu nối kết cấu của dây quấn trên roto chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thường đồng tâm một lớp.

Dây quấn 3 pha của roto thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào ba rãnh trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục. Đặc biệt của roto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện roto để cải thiện hệ số công suất của máy khi máy làm việc bình thường. Dây quấn roto được nối ngắn mạch. - Loại roto kiểu lồng sóc, kết cấu của loại dây quấn này rất khác, với dây quấn stato trong mỗi rãnh của lõi sắt roto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng 2 vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng gọi là lồng sóc.

Dây quấn roto lồng sóc không cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính năng mở máy trong máy công suất lớn. Rãnh roto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc kín trong máy có công suất nhỏ, rãnh roto thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha: Máy điện không đồng bộ làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ.

Khi cho hệ thống dòng 3 pha đối xứng vào dây quấn 3 pha đối xứng (dây quấn Stato) của máy điện xoay chiều → trong máy sẽ xuất hiện 1 từ trường quay với tốc độ đồng bộ là n1 60f1 = (tốc độ của từ trường cơ bản); với f1 là tần số của lưới điện. p Từ trường quay này sẽ quét qua thanh dẫn nhiều pha tự ngắn mạch đặt ở roto và cảm ứng trong nó các sức điện động và dòng cảm ứng. Từ thông do dòng điện này sinh ra sẽ kết hợp với từ thông của dây quấn stato sinh ra tạo thành từ thông tổng khe hở. Tương tác giữa từ thông tổng khe hở và dòng điện trong dây quấn roto sinh ra momen điện từ có liên quan mật thiết đến tốc độ quay n của roto.

Để chỉ phạm vi biến đổi tốc độ của máy người ta dùng hệ số trượt s: n1 − n s% = 100% n1 6 Trong đó: n1 là tốc độ đồng bộ của từ trường quay, n là tốc độ của roto. Trường hợp roto quay thuận chiều từ trường quay với tốc độ nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n > n1: n1 Stato F,Mđt Roto n<n1 Hình 1.3 Quá trình tạo momen khi (0<s <1) Do roto quay cùng chiều từ trường quay với tốc độ nhỏ hơn nên từ trường quét qua thanh dẫn roto theo chiều quay của từ trường. Trong thanh dẫn roto sẽ xuất hiện sức điện động và dòng cảm ứng, chiều của chúng được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Dòng điện này tác dụng với từ trường tổng khe hở sinh ra lực F và momen điện từ Mđt có chiều được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.

Ta thấy Mđt cùng chiều quay với roto, kéo roto quay theo chiều từ trường quay. Như vậy điện năng máy nhận vào dây quấn stato đã biến thành cơ năng trên trục (làm quay roto) và máy làm việc ở chế độ động cơ. Trường hợp roto quay thuận chiều và nhanh hơn tốc độ từ trường quay n > n1 : n1 Stato F,Mđt Roto n>n1 Hình 1.4 Quá trình tạo momen khi (s<0) 7 Dùng 1 động cơ sơ cấp nào đó kéo roto của máy điện quay vượt tốc độ từ trường quay. Lúc đó chiều của từ trường quay quét qua thanh dẫn roto sẽ theo chiều ngược lại với chế độ động cơ.

Dùng quy tắc bàn tay phải xác định chiều sức điện động và dòng cảm ứng. Dùng quy tắc bàn tay trái xác định chiều của lực điện từ. Ta thấy chiều của chúng đều ngược lại so với ở chế độ động cơ. Momen quay ngược chiều với chiều quay roto nên là momen hãm.

Vậy máy nhận cơ năng vào trục và biến thành điện năng cung cấp cho lưới điện, nghĩa là máy làm việc ở chế độ máy phát. Trường hợp roto quay ngược chiều từ trường quay (s>1): n1 Stato F,Mđt Roto n Hình 1.5 Quá trình tạo momen khi (s>1) Trong trường hợp này chiều của sức điện động và dòng cảm ứng trong thanh dẫn rôto cũng như F, Mđt đều giống ở chế độ động cơ chỉ khác là roto quay theo chiều ngược lại. Mđt quay ngược chiều của roto nên cũng có tác dụng hãm rôto đứng lại và được gọi là M hãm. Như vậy máy điện làm việc ở chế độ hãm điện từ.

Các đặc tính cơ bản của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha: 1. Các đặc tính: Sơ đồ nguyên lý của đông cơ không đồng bộ: bao gồm động cơ không đồng bộ roto dây quấn và roto lồng sóc: 8 Hình 1.6 Động cơ roto lồng sóc và roto dây quấn Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, nhưng việc khống chế nó trong quá trình khởi động, điều chỉnh tốc độ và quá trình hãm là rất phức tạp. Đặc biệt là khi động cơ làm việc trong vùng bão hoà từ thì các đặc tính của nó đều là phi tuyến. Do vậy để đơn giản khi nghiên cứu động cơ không đồng bộ ba pha cần có các giả thiết sau : + Ba pha của động cơ là đối xứng + Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ , điện trở mạch roto không phụ thuộc vào tần số dòng điện trong nó, mạch từ không bão hào.

+ Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi , dòng điện từ hoá chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato của động cơ + Bỏ qua các tổn thất do ma sát, tổn thất trong lõi thép + Điện áp là hoàn toàn hình sin và đối xứng Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế của động cơ KĐB ba pha như sau : Hình 1.7 Sơ đồ thay thế của động cơ 9 Trong đó: : Trị số hiệu dụng điện áp pha ở stato. , , : Trị số dòng điện stato, dòng từ hoá, dòng điện roto qui đổi về stato. , , : Trị số điện trở stato, điện trở mạch từ hoá, điện trở roto qui đổi về stato. , , : Trị số điện kháng stato, điện kháng mạch từ hoá, điện kháng roto qui đổi về stato.

: Điện trở phụ thêm vào mỗi pha của roto. s: Độ trượt của động cơ.X Từ sơ đồ thay thế ta có trị số hiệu dụng gần đúng của dòng điện stato: Trong đó : : điện kháng ngắn mạch. Từ biểu thức trên ta nhận thấy: ω = 0 ; s = 1 ta có = : dòng điện ngắn mạch stato ω= ;s=0: = = Nghĩa là ở tốc độ đồng bộ động cơ vẫn tiêu thụ dòng điện từ hoá để tạo ra từ trường quay.