Mở đầu Động cơ điện cảm ứng xoay chiều là loại động cơ đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp và trong các máy gia dụng. Thiết kế đơn giản, có sẵn trên thị trƣờng, giá thành thấp, ít cần bảo dƣỡng và có thể kết nối thẳng tới nguồn xoay chiều AC là các ƣu điểm của động cơ 3 pha. Tuy nhiên muốn điều khiển tốc độ cũng nhƣ mômen quay của loại động cơ xoay chiều phải hiểu rõ về cấu trúc và các đặc tính của loại động cơ này 1.2 Cấu trúc cơ sở và nguyên lý hoạt động Các động cơ AC đều gồm 2 phần: Stator là phần cố định ở phía ngoài. Rotor là phần quay tròn nằm phía trong.
Giữa hai phần này có khe cách. Tất cả các động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng từ trƣờng quay để quay Rotor của chúng. Từ trƣờng quay này đƣợc tạo ra do dòng điện xoay chiều chạy trong các cuộn dây của Stator.1 Stator Stator đƣợc làm từ một số khung nhôm hoặc sắt mỏng. Chúng đƣợc ép chặt lại với nhau để tạo thành một hình trụ rỗng (lõi của Stator) nhƣ ở hình 1.
Các cuộn dây đƣợc cách ly với nhau và đƣợc lồng vào các khe đó. Mỗi một nhóm các cuộn sẽ bao quanh một lõi, tạo thành một nam châm điện khi đƣợc cung cấp nguồn điện AC. Số cực của động cơ phụ thuộc vào cách thức cuộn của Stator. Các cuộn Stator đƣợc kết nối tới nguồn điện.
Bên trong Stator đƣợc nối nhƣ hình 1.1, khi cung cấp nguồn thì sẽ tạo ra từ trƣờng xoay.1: Một loại Stator 1.2 Rotor Rotor có cấu tạo đơn giản và khoẻ. Rotor bao gồm một lõi hình trụ với các khe song song để dẫn điện. Mỗi khe có một thanh đồng, nhôm hoặc hợp kim. Các thanh 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Rotor đƣợc cố định đoản mạch ở 2 đầu, đƣợc mô tả ở hình 1.
Các khe của Rotor không nhất thiết phải song song với trục.2: Rotor lồng sóc Để cho động cơ chạy ổn định trong từ trƣờng xoay, Rotor đƣợc gắn lên một trục. Giữa phần Stator và Rotor đƣợc cách ly bằng khe hở không khí để truyền dẫn đƣờng cảm ứng làm cho năng lƣợng đƣợc truyền từ Stator đến Rotor. Chính điều đó đã tạo ra lực xoắn cho Rotor, làm cho Rotor quay.3 Tốc độ của động cơ xoay chiều Từ trƣờng tạo ra trong Stator là từ trƣờng xoáy ở một tốc độ không đổi ( N S ) Phƣơng trình 1: f N s 120 P Trong đó: N S : Tốc độ đồng bộ của từ trƣờng Stator tính theo vòng phút. P: Số cực của Stator f: Tần số của nguồn nuôi.
Từ trƣờng đƣợc tạo ra trong Rotor do dòng điện cảm ứng. Để cân bằng với từ trƣờng quay, Rotor bắt đầu chạy theo sự thay đổi liên tục của từ trƣờng quay Stator và sẽ dần bắt kịp tới tốc độ thay đổi đó. Tuy nhiên, trong thực tiễn, Rotor không bao giờ bắt kịp đƣợc từ trƣờng của Stator. Rotor chạy chậm hơn tốc độ thay đổi của từ trƣờng trong Stator.
Tốc độ này gọi là tốc độ cơ sở (Nb ). Sự khác nhau giữa N S và Nb gọi là hệ số trƣợt. Hệ số trƣợt sẽ thay đổi theo tải của nó. Nếu tải đƣợc tăng lên thì Rotor sẽ quay chậm hơn hay nói cách khác là hệ số trƣợt tăng lên và ngƣợc lại.
Hệ số trƣợt đƣợc tính theo tỉ lệ phần trăm và có thể tính theo công thức sau: 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phƣơng trình 2: N s Nb %slip *100 Ns NS: Tốc độ đồng bộ RPM (lý thuyết) Nb: Tốc độ cơ sở RPM (thực tế) 1.3 Các loại động cơ cảm ứng Thông thƣờng, động cơ cảm ứng đƣợc phân loại trên cơ sở số pha của Stator, bao gồm: o Động cơ xoay chiều 1 pha o Động cơ xoay chiều 3 pha 1.1 Động cơ xoay chiều 1 pha Hiện nay, động cơ xoay chiều 1 pha đƣợc sử dụng nhiều nhất vì giá thành của nó không đắt và ít phải bảo dƣỡng. Loại động cơ này chỉ có một cuộn dây và hoạt động với nguồn điện 1 pha. Động cơ xoay chiều 1 pha không tự nó khởi động đƣợc. Khi động cơ đƣợc nối với nguồn điện 1 pha, cuộn dây chính sẽ mang một dòng điện xoay chiều.
Dòng điện này sẽ làm cho từ trƣờng thay đổi. Nhờ sự cảm ứng, Rotor đƣợc tác động mạnh. Tuy từ trƣờng đƣợc thay đổi, nhƣng mômen rất cần thiết cho sự quay của động cơ thì lại không đƣợc tạo ra. Vì vậy, động cơ xoay chiều 1 pha phải có khối khởi động để kích hoạt cho động cơ quay.
Phần khởi động của động cơ xoay chiều 1 pha đƣợc lắp thêm một cuộn dây trên Stator (cuộn dây khởi động hay cuộn dây hỗ trợ) đƣợc trình bày trên hình 1. Cuộn dây khởi động có thể có một dãy các tụ và/hoặc một công tắc li tâm. Khi cung cấp nguồn, dòng điện trong cuộn dây chính chậm pha hơn nguồn cung cấp do trở kháng của cuộn dây chính. Cùng thời điểm đó, dòng điện trong cuộn dây khởi động đƣợc cấp nguồn phụ thuộc vào trở kháng phần khởi động.
Sự tƣơng tác giữa hai từ trƣờng (từ trƣờng của cuộn dây chính và từ trƣờng của phần khởi động) sẽ tạo ra từ trƣờng tổng hợp quay theo một hƣớng. Động cơ bắt đầu quay theo hƣớng của từ trƣờng tổng hợp. Động cơ 1 pha có và không có phần khởi động 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khi động cơ đạt đƣợc 75% tốc độ của nó, công tắc trung tâm sẽ không kết nối với cuộn khởi động. Lúc này, động cơ xoay chiều một pha có thể duy trì mômen để cho nó tự hoạt động.
Các động cơ xoay chiều một pha chỉ đƣợc sử dụng với công suất đến khoảng 3/4 ma lực (hp) trừ một số trƣờng hợp đặc biệt. Động cơ xoay chiều một pha đƣợc phân loại nhƣ sau: o Động cơ xoay chiều pha phụ o Động cơ xoay chiều khởi động bằng tụ o Động cơ xoay chiều tụ điện phụ cố định o Động cơ xoay chiều khởi động bằng tụ và có tụ hoạt động o Động cơ xoay chiều cực ẩn (pole-shaded) 1.2 Động cơ xoay chiều 3 pha Động cơ xoay chiều 3 pha đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và các ứng dụng trong thƣơng mại. Các động cơ này có thể khởi động đƣợc mà không cần sử dụng tụ, cuộn khởi động, công tắc trung tâm hoặc một thiết bị khởi động khác. Công suất và hiệu quả các động cơ này trong dải từ trung bình đến cao so với các động cơ 1 pha cùng loại.
Ứng dụng phổ biến của chúng là cho máy sát, máy nghiền, máy khoan, máy bơm, máy nén, băng tải, thiết bị in ấn, thiết bị cho nông nghiệp, điện lạnh và một số ứng dụng máy công suất khác. Động cơ xoay chiều 3 pha gồm 2 loại: Động cơ lồng sóc và động cơ Rotor dây cuộn 1.1 Động cơ lồng sóc Có khoảng 90% động cơ 3 pha thuộc loại động cơ lồng sóc. Công suất của nó từ 1 đến vài trăm mã lực cho động cơ 3 pha. Động cơ lồng sóc loại 1 mã lực hoặc lớn hơn, giá thành thấp và có thể bắt đầu làm việc với tải lớn hơn động cơ 1 pha tƣơng tự.2 Động cơ Rotor dây cuộn Động cơ vòng trƣợt hoặc động cơ dây cuốn là một biến thể của động cơ lồng sóc.
Trong đó, Stator giống với động cơ lồng sóc; các cuộn dây đặt trên Rotor và không ngắn mạch, nhƣng phần cuối của nó đƣợc nối tới một vòng trƣợt (xem hình 1.4) Vòng trƣợt sẽ tạo ra mômen tỉ lệ với trở kháng của Rotor. Trở kháng Rotor đƣợc tăng thêm bằng cách cho thêm trở kháng bên ngoài thông qua vòng trƣợt. Động cơ chạy nhanh thì giá trị của trở kháng có thể bị giảm xuống. Một khi động cơ đạt đến 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tốc độ cơ sở thì điện trở bên ngoài đƣợc tách khỏi Rotor.
Tại thời điểm đó, động cơ làm việc nhƣ là một động cơ cảm ứng chuẩn. Động cơ Rotor cuộn dây 1.3 Phƣơng trình cơ bản về mômen của động cơ [12] Mômen của động cơ có thể đƣợc mô tả bằng phƣơng trình Phƣơng trình 3 dm dJ T Tl J m dt dt T: là giá trị tức thời của mômen động cơ (N-m) Tl: là giá trị tức thời của mômen tải. m: vận tốc góc tức thời của trục động cơ (rad/sec) J: mômen quán tính của hệ thống tải động cơ (kg-m2) Khi mômen quán tính (dJ/dt)=0, thì phƣơng trình (3) sẽ là: Phƣơng trình 4 d m T Tl J dt Phƣơng trình này mô tả quan hệ giữa mômen của động cơ với mômen tải Tl và mômen động lực học J(d m/dt). Thành phần mômen J(d m/dt), đƣợc gọi là mômen động lực học bởi vì nó tồn tại trong thời gian tăng tốc hoặc giảm tốc của động cơ.
Việc điều khiển tăng tốc hay giảm tốc phụ thuộc vào giá trị của T so với T l. Khi tăng tốc, động cơ sẽ cung cấp không chỉ cho mômen tải, mà thêm thành phần mômen J(d m/dt), nhằm khắc phục sức ì của mômen quán tính. Khi mômen quán tính lớn (nhƣ tầu điện), mômen động cơ phải vƣợt quá mômen tải để có thể duy trì đƣợc chuyển động. Nếu ta 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com điều khiển một yêu cầu cần đáp ứng trong thời gian ngắn thì mômen động cơ sẽ đƣợc duy trì ở giá trị cao nhất và hệ thống tải của động cơ sẽ đƣợc thiết kế với quán tính chậm nhất có thể.
Năng lƣợng kết hợp với mômen động lực học J(d m/dt) đƣợc tích trữ trong dạng năng lƣợng động lực học KE là J(d m2/2). Khi giảm tốc độ, mômen động lực học mang dấu âm. Vì vậy, nó giúp cho động cơ đảm bảo mômen T và duy trì bằng năng lƣợng đƣợc tích từ năng lƣợng động lực học. Tóm lại, để động cơ hoạt động ổn định, thì mômen tạo ra từ động cơ T sẽ luôn bằng mômen đòi hỏi của tải Tl.
Đƣờng biểu diễn mômen-tốc độ của động cơ 3 pha 1.4 Các đặc tính của động cơ [12] Đặc tính khởi động Nếu đấu các động cơ cảm ứng với nguồn điện thì sẽ sinh ra một dòng điện rất lớn có thể hiểu nhƣ “dòng điện khoá Rotor”. Chúng sẽ tạo ra mômen có thể hiểu nhƣ “ mômen khoá Rotor”. Mômen khoá Rotor (LRT) và dòng điện khoá Rotor (LRC) là một hàm của điện áp của động cơ và cấu trúc động cơ. Với một điện áp không đổi, dòng điện khởi động của động cơ sẽ giảm rất chậm khi động cơ tăng tốc và sẽ bắt đầu giảm xuống đáng kể khi động cơ đạt đến dƣới 80% tốc độ.