Bài giảng Động cơ không đồng bộ một pha

Chương 11 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA ĐẠI CƯƠNG Động cơ điện không đồng bộ một pha được sử dụng rất rộng rãi trong dân dụng và công nghiệp như đồng hồ, máy giặt, tủ lạnh, máy bơm, máy mài, quạt, các dụng cụ cầm tay,... Nói chung là các động cơ công suất nhỏ. Cụm từ “động cơ công suất nhỏ” chỉ các động cơ có công suất nhỏ hơn 350W. Phần lớn động cơ một pha thuộc loại này, mặc dù chúng còn được chế tạo với công suất đến 11kW và ở hai cấp điện áp 110V và 220V. Trên hình 11-1 trình bày vài thiết bị sử dụng động cơ không đồng bộ một pha. Hình 11-18 Ứng dụng động cơ không đồng bộ một pha một a) Máy mài. b) Máy khoan (a) (b) CẤU TẠO Về cấu tạo động cơ không đồng bộ một pha, stator giống động cơ không đồng bộ ba pha nhưng trên đó ta đặt dây quấn một pha và được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều một pha, còn rotor thường làm rotor kiểu lồng sóc như trình bày trên hình 11-2. Hình 11-2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ một pha rotor lồng sóc Công tắc Chuông Bộ ly tâm cơ khí NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Cho dòng điện xoay chiều hình sin chạy vào dây quấn stator thì tạo ra từ trường stator có phương không đổi nhưng có độ lớn thay đổi hình sin theo thời gian, gọi là từ trường đập mạch, như đã biết ở chương 8: cosa (11-1) Từ trường này sinh ra dòng điện cảm ứng trong trong các thanh dẫn dây quấn rotor và sẽ tạo ra từ thông rotor mà theo định luật Lenz, sẽ chống lại từ thông sinh ra nó, tức ngược chiều với từ thông stator như trình bày trên hình 11-2. Từ đó ta xác định được chiều dòng điện cảm ứng và chiều của lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn rotor. Ta thấy mômen tổng tác dụng lên rotor bằng không, do đó rotor không thể tự quay được. Để động cơ có thể tự quay được được, trước hết ta phải quay rotor theo một chiều nào đó, như trình bày trên hình 11-3c là theo chiều kim đồng hồ, trong dây quấn rotor sẽ cảm ứng sđđ gọi là sđđ quay và tạo nên lực điện từ, do đó động cơ sẽ tự tiếp tục quay theo chiều đó. Từ thông rotor Từ thông stator U~ Chiều lực điện từ (a) (b) n1 n1 n1 -n1 n Từ thông rotor Từ thông stator U~ Chiều quay rotor (c) Hình 11-3 Động cơ không đồng bộ một pha một dây quấn a) Từ thông và lực điện từ tác dụng lên rotor khi rotor đứng yên. b) Từ trường đập mạch được phân thành hai từ trường quay. c) Từ thông và lực điện từ tác dụng lên rotor khi rotor quay. Để thấy rõ hơn nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha, ta nghiên cứu hình 11-3b, từ trường đập mạch là tổng của hai từ trường quay thuận và ngược cùng tốc độ quay n1 nhưng biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch và hai từ trường này quay ngược chiều nhau: (11-2) với biên độ: B1m = B2m = Bm/2 (11-3) và tốc độ (11-4) So với tốc độ rotor, có hệ số trượt : + Quay thuận : (11-5) + Quay ngược : (11-6) s M 0 1 2 M1 M2 M Hình 11-4 Moment của động cơ không đồng bộ một pha Từ trường quay quay cùng chiều với rotor lúc động cơ làm việc, gọi là từ trường quay thuận. Từ trường quay quay ngược chiều với rotor lúc động cơ làm việc, gọi là từ trường quay ngược. Từ trường quay thuận tác dụng với dòng điện rotor sẽ tạo ra mômen quay thuận M1 (hình 11-4); Còn từ trường quay ngược tác dụng với dòng điện rotor sẽ tạo ra moment quay ngược M2 (hình 11-4). Tổng đại số hai moment này cho ta đặc tuyến mômen theo hệ số trượt M = f(s): M = M1 + M2 = f(s) (11-7) Từ đặc tính trình bày trên hình 11- 4, ta thấy rằng lúc động cơ khởi động (n = 0, s = 1), M1 = M2 và ngược chiều nhau nên mômen tổng M = 0, vì vậy động cơ không thể tự quay được. Nếu ta quay động cơ theo một chiều nào đó tức hệ số trượt s ¹ 1, như vậy M ¹ 0 động cơ sẽ tiếp tục quay theo chiều đó. Vì vậy để động cơ một pha tự làm việc được, ta phải có biện pháp khởi động, nghĩa là tìm cách tạo ra cho động cơ một moment lúc rotor đứng yên (M = MK ¹ 0 khi s =1). MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỘNG CƠ MỘT PHA Khi dây quấn stator của động cơ không đồng bộ một pha được cung cấp bằng nguồn một pha và rotor đứng yên. Như vậy động cơ không đồng bộ một pha giống MBA khi dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch. Mạch điện tương đương trình bày trên hình 11-5a. Trong đó : R1 = điện trở của dây quấn stator. X1 = điện kháng tản của dây quấn stator. XM = điện kháng từ hóa. R’2 = điện trở của dây quấn rotor qui về dây quấn stator. X’2 = điện kháng tản của dây quấn rotor qui về dây quấn stator. U1 = điện áp vào của nguồn. E1 = sđđ cảm ứng trong dây quấn stator do tư thông khe hở. Và : E1 = 4,44fNF (11-8) trong đó F là từ thông khe hở; N là số vòng dây hiệu dụng. Theo lý thuyết phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, mạch điện thay thế hình 11-2a có thể phân thành hai nhánh như trình bày trên hình 11-5b, tương ứng với từ trường quay thuận và ngược, ta có các sđđ tương ứng : ET = 4,44fNFT (11-9a) EN = 4,44fNFN. (11-9b) Khi rotor đứng yên thì từ thông FT = FN nên ET = EN . R’2 jX’2 jX1 R1 jXM (a) RT jXT jX1 R1 RN XN ZT ZN 0,5R’2 0,5jX’2 jX1 R1 0,5R’2 0,5jX’2 (b) (d) Hình 11-5 Mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ một pha 0,5jX’2 jX1 R1 0,5X’2 (c) + _ Giả thiết rằng rotor quay với tốc độ nào đó trong từ trường quay thuận, ứng hệ số trượt s. Lúc này dòng điện cảm ứng trong dây quấn rotor có tần số sf1, f1 tần số lưới điện nối vào dây quấn stator. Như vậy giống máy điện không đồng bộ ba pha, tổng trở của dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận qui đổi về dây quấn stator là 0,5R’2/s + j0,5X’2.(hình 11-5c). Cũng tương tự như vậy đối với từ trường quay ngược, ta có tổng trở của dây quấn rotor ứng với từ trường quay ngược qui về dây quấn stator là 0,5R’2/(2-s) + j0,5X’2.(hình 11-3c). Mạch điện tương đương trình bày trên hình 11-5d, có tổng trở thứ tự thuận ZT và thứ tự ngược ZT như sau : (11-10) (11-11) Công suất điện từ của từ trường thứ tự thuận và ngược : ; (11-12) Moment điện từ tương ứng : (11-13a) (11-13b) Moment điện từ tổng là : (11-14) Công suất cơ : (11-15) (11-16) Công suất trên đầu trục : P2 = PCơ - pq. (11-17) pq là tổn hao quay, gồm tổn hao cơ và tổn hao phụ, cũng có khi gộp cả tổn hao sắt vào tổn hao quay. Tổn hao đồng trong dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận và ngược : pCu2T = sPđtT (11-18a) pCu2N = (2-s)PđtN (11-18b) Từ (11-18a) và (11-18b), ta có tổn hao đồng trong dây quấn rotor : pCu2 = sPđtT + (2-s)PđtN (11-19) VÍ DỤ 11-1 Một động cơ không đồng bộ một pha công suất 1/4 mã lực, 230V, 60Hz và 4 cực từ có tham số và tổn thất như sau : R1 = 10W; X1 = X’2 = 12,5W; R’2 = 11,5W; XM = 250W; Tổn hao sắt ở 230V là 35W; Tổn hao ma sát và quạt gió là 10W; Với hệ số trượt là 0,05, xác định dòng điện stato, công suất cơ, công suất ra trên trục, tốc độ và hiệu suất khi động cơ làm việc ở điện áp và tần số định mức. Bài giải Từ các thông số đã cho, ta tính được tổng trở thứ tự thuận ZT và thứ tự ngược ZT của động cơ một pha như sau : Tổng trở vào tương đương : ZV = Z1 + ZT + ZN = 10 + 12,5j +59 + 57,65j +2,67 + 6,01j = 71,67 + 76,16j = 104,6 Ð46,74o W. Dòng điện vào stato : Hệ số công suất : cosj = cos 46,74o = 0,685 Tốc độ động cơ : vg/ph. Công suất điện từ : Pcơ = 2,22.(59-2,67).(1-0,05) = 259 W Công suất trên đầu trục : P2 = Pcơ – pfe – pq = 259 -35- 10 = 214 W. Công suất động cơ tiêu thụ từ lưới điện: P1 = U1.I1cosj = 230.2,2 cos 46,74o = 346,77 W Hiệu suất của động cơ: ĐỘNG CƠ DÙNG DÂY QUẤN PHỤ KHỞI ĐÔNG Loại động cơ này được dùng khá phổ biến như máy điều hòa, máy giặt, dụng cụ cầm tay, quạt, bơm ly tâm ... Các phần chính của loại động cơ nầy cho trên hình 11-6a, gồm dây quấn chính (dây quấn làm việc), dây quấn phụ (dây quấn khởi động). Hai cuộn dây này đặt lệch nhau một góc 90o điện trong không gian. Và rotor lồng sóc. Trên hình 11-6b là trình bày sơ đồ ký hiệu động cơ một pha hai cuộn dây. Để có được moment khởi động, người ta tạo ra góc lệch pha giữa dòng điện qua cuộn chính Ic và dòng qua cuộn dây phụ Ip bằng cách mắc thêm một điện trở nối tiếp với cuộn phụ hoặc dùng dây quấn có tiết diện nhỏ hơn cho cuộn phụ, góc lệch này thường nhỏ hơn 300. Dòng điện chạy trong dây quấn chính và trong dây quấn phụ sinh ra từ trường quay để tạo ra mômen khởi động ban đầu và làm rotor quay. Đồ thị vectơ lúc khởi động được trình bày trên hình 11-6c. 0 (c) M s MK Mđm 0 (d) Cuộn chính Cuộn chính và cuộn phụ Hình 11-6 Động cơ dùng dây quấn phụ . a) Sơ đồ kết cấu. b) Sơ đồ ký hiệu; c) Đồ thị vectơ lúc khởi động. d) Đặc tính M = f(s) U NC Np K CD IC IP (b) I Nguồn một pha (a) Cuôn dây phụ NP Cuôn dây chính NC K Khi tốc độ động cơ đạt được 70¸80 % tốc độ đồng bộ, cuộn dây phụ được cắt ra nhờ công tắt ly tâm K (hoặc mạch điện tử) và động cơ tiếp tục làm việc với cuộn dây chính. Đặc tính mômen được trình bày trên hình 11-6d. Mômem khởi động MK của động cơ không đồng bộ một pha dùng cuộn dây phụ tỉ lệ với dòng điện trong cuộn dây chính, dòng điện trong cuộn dây phụ và góc lệc pha giữa hai dòng trên. Ta có công thức [4]: (11-20a) (11-20b) Trong đó: a = NP/NC = tỉ số vòng của cuộn dây phụ và chính k = hằng số IC = dòng điện trong cuộn dây chính IP = dòng điện trong cuộn dây phụ YiC = góc pha của dòng điện cuộn dây chính YiP = góc pha của dòng điện cuộn dây phụ a = ½YiC - YiP ½góc lệch pha của hai dòng điện VÍ DỤ 11-2 Một động cơ điện không đồng bộ một pha hai cuộn dây 120V và 60Hz có tham số khi khởi động như sau: cuộn dây chính RC = 2,00W và XC = 3,50W; cuộn dây phụ RP = 9,15W; XP = 8,40W. Động cơ được nối vào lưới điện có điện áp 120V và f = 60Hz. Xác định (a) dòng điện trong mỗi cuộn dây; (b) góc lệch pha giữa hai dòng điện; (c) mômen khởi động; (d) trị số điện trở mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha giữa hai dòng điện là 300; (e) mômen khởi động trong trường hợp (d); (f) phần trăm mômen khởi động tăng so với khi không có điện trở khởi động ngoài. Bài giải Xác định dòng điện mỗi cuộn dây: Mạch điện thực khi chưa có thêm điện trở ngoài trên hình VD 11-2a + _ ZC ZP + _ ZC Z’P RK ZP 0 (c) (a) (b) Hình VD 6-2 Động cơ dùng dây quấn phụ . a)Mạch điện thực. b) Mạch điện có RK khởi động. c) Đồ thị véctơ khi có cuộn phụ. YiC YiP Y’iP Tổng trở các cuôn dây khi khởi động: ZC = 2,00 + j3,50 = 4,0311Ð60,260 W ZP = 9,15 + j8,40 = 12,4211Ð42,550 W Tính dòng điện với giả thiết : Góc lệch pha giữa hai dòng điện: -60,260 – (- 42,550) = 17,710 Mômen khơi đồng khi chưa có điện trở ngoài: Điện trở mắc nối tiếp với cuộn dây phụ: Mạch điện khi có thêm điện trở khởi động mắc nối tiếp cuộn phụ trình bày trên hình VD 11.2b, còn đồ thị véctơ tương ứng trên hình VD 11-2c. Qua đó cho ta tìm được góc pha của dòng điện trong cuộn dây phụ theo điều kện có điện trở khởi động RK là: -60,260 + 300 = -30,260 Theo định luật Ohm, ta có tổng trở: Vậy góc của tổng trở lúc này là j’ = 30,260 Từ quan hệ trong tam giác tổng trở, ta có: Mômen khởi động khi có RK: Độ tăng mômen khởi động so với khi không só điện trở khởi động ngoài tăng ĐỘNG CƠ MỘT PHA DÙNG TỤ Các động cơ không đồng bộ một pha có cuộn dây phụ được mắc nối tiệp với một tụ điện được gọi là động cơ tụ điện. Loại động cơ này có cuộn dây phụ bố trí lệch so với cuộn dây chính một góc 900 điện trong không gian, để tạo góc lệch về thời gian ta mắc nối tiếp với cuộn dây phụ một tụ điện. Nếu tụ điện mắc nối tiếp với cuộn phụ chọn giá trị thích hợp thì góc lệch pha giữa IC và Ip là gần 900 (hình 11-16b). Tùy theo yêu cầu về mômen khởi động và mômen lúc làm việc, ta có các loại động cơ tụ điện như sau: Động cơ dùng tụ điện khởi động (hình 11-7a). Khi khởi động tốc độ động cơ đạt đến 75¸85% tốc độ động bộ, công tắt K mở ra và động cơ sẽ đạt đến tốc độ ổn định. Động cơ dùng tụ điện thường trực (hình 11-7b) Cuộn dây phụ và tụ điện khởi động được mắt luôn khi động cơ làm việc bình thường. Loại này có công suất thường nhỏ hơn 500W và có đặc tính cơ tốt. NC Np K CD IC IP (a) I C NC Np CD IC IP (b) I C1 0 (c) Hình 11-7 Động cơ không đồng bộ một pha dùng tụ điện. a) Tụ điện khởi động. b) Tụ điện thường trực và khởi động. c) Đồ thị vectơ. C2 K Ngoài ra, để cải thiện đặc tính làm việc và mômen khởi động ta dùng động cơ hai tụ điện. Một tụ điện khởi động C2 khá lớn (khoảng 10 ¸15 lần tụ điện thường trực) được ghép song song với tụ điện thường trực C1 được trình bày trên hinh 11.7b. Khi khởi động tốc độ động cơ đạt đến 75¸85% tốc độ động bộ, tụ điện khởi động C2 được cắt ra khỏi cuộn phụ, chỉ còn tụ điện thường trực nối với cuộn dây phụ khi làm việc bình thường. ĐỘNG CƠ CÓ VÀNH NGẮN MẠCH Ở CỰC TỪ Hình 11-8a cho thấy cấu tạo loại động cơ này. Trên stator ta đặt dây quấn một pha và cực từ được chia làm hai phần, phần có vòng ngắn mạch K ôm 1/3 cực từ và rotor lồng sóc. Dòng điện chạy trong dây quấn stator tạo nên từ thông qua phần cực từ không vòng ngắn mạch và từ thông qua phần cực từ có vòng ngắn mạch. Từ thông cảm ứng trong vòng ngắn mạch sđđ , chậm pha so với một góc 900 (hình 11-8b) . Vòng ngắn mạch có điện trở và điện kháng nên tạo ra dòng điện chậm pha so với một góc jn < 900. Dòng điện tạo ra từ thông và ta có từ thông tổng qua phần cực từ có vòng ngắn mạch : Hình 11-8 Động cơ KĐ một pha có vòng ngắn mạch ở cực từ a) Cấu tạo. b) Đồ thị vectơ. c) Đặc tính mômen f (a) f” f’ fS fn K fS 0 (b) jn j M 1 Mmax 0 s sm (c) Từ thông nầy lệch pha so với từ thông qua phần cực từ không có vòng ngắn mạch một góc là jn. Do từ thông và fS lệch nhau trong không gian nên chúng tạo ra từ trường quay và làm quay rotor. Loại động cơ này có mômen khởi động khá nhỏ MK = (0,2-0,5)Mđm, hiệu suất thấp (từ 25 - 40%), thường chế tạo với công suất 20 - 30W, đôi khi cũng có chế tạo công suất đến 300W và hay sử dụng làm quạt bàn, quạt trần, máy quay đĩa ... œk & k CÂU HỎI ÔN TẬP Cấu tạo động cơ không đồng bộ một pha. So sánh với động cơ không đồng bộ ba pha. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha. Hãy trình bày sự hình thành từ trường quay hai pha. Các phương pháp khở động động cơ không đồng bộ một pha. Hãy trình bày sự hình thành từ trường quay của động cơ không đồng bộ một pha có cuộn dây phụ cắt ra khi khởi động bằng điện trở. Hãy trình bày sự hình thành từ trường quay của động cơ không đồng bộ một pha có cuộn dây phụ cắt ra khi khởi động bằng tụ điện. Động cơ không đồng bộ một pha khởi động bằng tụ điện có công tắc bị cắt khi khởi động, như vậy động cơ sẽ rung và sau đó sẽ bốc khói. Nếu công tắc bị cắt mà ta dùng tay quay trục rotor thì động cơ sẽ tiếp tục quay và có thể làm việc bình thường. œk & k BÀI TẬP Bài số 11-1. Một động cơ không đồng bộ một pha công suất 1/4 mã lực, 220V, 50Hz và 4 cực từ có tham số và tổn thất như sau : R1 = 8,2W; X1 = X’2 = 10,5W; R’2 = 10,5W; XM = 210W; Tổn hao sắt ở 110V là 25W; Tổn hao ma sát và quạt gió là 12W; Với hệ số trượt là 0,05, xác định (a) dòng điện stato, (b) công suất cơ, (c) công suất ra trên trục, (d) tốc độ và (e) hiệu suất khi động cơ làm việc ở điện áp và tần số định mức. Bài số 11-2. Một động cơ không đồng bộ một pha công suất 1/4 mã lực, 110V, 50Hz và 4 cực từ có tham số và tổn thất như sau : R1 = 2,0W; X1 =2,8W; X’2 = 2,0W; R’2 = 4,0W; XM = 70W; Tổn hao sắt ở 230V là 35W; Tổn hao ma sát và quạt gió là 10W; Với hệ số trượt là 0,05, xác định (a) dòng điện stato; (b) công suất cơ; (c) công suất ra trên trục, tốc độ; (d) mômen và (e) hiệu suất khi động cơ làm việc với dây quấn phụ được cắt ra ở điện áp và tần số định mức. Bài số 11-3. Thí nghiệm không tải và ngắn mạch (thực hiện trên cuộn dây chính) của động cơ điện không đồng bộ một pha ¼ hp, 120 V, 60 Hz, 1730 vòng/phút thu đươc kết quả như sau: Thí nghiệm không tải: động cơ quay không tải V = 120 V; I = 3,5 A; P = 125W Thí nghiệm ngắn mạch: giữ rotor đứng yên V = 43 V; I = 5 A; P = 140W Xác định (a) tham số của mạch điện thay thế động cơ; (b) tổn hao quay. Bài số 11-4. ** Một động cơ không đồng bộ một pha chạy bằng tụ, điện áp 120V, 60Hz và 4 cực từ có tham số của mạch điện thay thế như sau : Cuộn dây chính: R1C = 2,0 W; X1C =1,5 W; Cuộn dây phụ: R1P = 2,0 W; X1P = 2,5 W; Mạch rotor: R’2 = 1,5 W; R’2 = 2,0 W; XM = 48W; C = 30 mF; a = NP/NC = 1 Xác định (a) dòng điện khởi động và mômen khởi động của động cơ khi điện áp định mức; (b) trị số điện dung C của tụ điện nối song song với tụ đã có để mômen khởi động đạt giá trị cực đại; (c) dòng điện khởi động của động cơ trong trường hợp (b). Bài số 11-5. Một động cơ điện không đồng bộ một pha hai cuộn dây 1/4hp, 120V và 60Hz có tham số khi khởi động như sau: Cuộn dây chính: RC = 3,94W và XC = 4,20W; Cuộn dây phụ: RP = 8,42W; và XP =6,28W. Động cơ được nối vào lưới điện có điện áp 120V và f = 60Hz. Xác định (a) dòng điện trong mỗi cuộn dây và dòng điện vào động cơ khi khởi động; (b) góc lệch pha giữa hai dòng điện; (c) mômen khởi động; (d) trị số điện trở mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha giữa hai dòng điện là 300. Bài số 11-6. Một động cơ điện không đồng bộ một pha hai cuộn dây 120V và 60Hz có tham số khi rotor đứng yên (khởi động) như sau: cuộn dây chính RC = 2,20W và XC = 3,80W; cuộn dây phụ RP = 9,25W; XP = 8,55W. Động cơ được nối vào lưới điện có điện áp 120V và f = 60Hz. Xác định (a) dòng điện trong mỗi cuộn dây; (b) góc lệch pha giữa hai dòng điện; (c) mômen khởi động; (d) điện dung C mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha giữa hai dòng điện khi khởi động là 900; (e) mômen khơi đồng trong trường hợp (d); (f) phần trăm mômen khởi động tăng so với khi không có tụ điện C. Bài số 11-7. Dùng số liệu của bài tập số 11-2 để xác định (a) trị số điện dung C mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha giữa hai dòng điện khi khởi động là 80,60; (b) dòng điện trong mỗi cuộn dây và dòng điện vào động cơ khi khởi động với tụ điện C. Bài số 11-8. Một động cơ điện không đồng bộ một pha hai cuộn dây 1/3hp, 120V và 60Hz có tham số khi khở động cho là: Cuộn dây chính RC = 4,60W và XC = 3,80W; Cuộn dây phụ RP = 9,80W; và XP =3,60W. Động cơ được nối vào lưới điện có điện áp 120V và f = 60Hz. Xác định (a) dòng điện trong mỗi cuộn dây và dòng điện vào động cơ khi khởi động; (b) góc lệch pha giữa hai dòng điện; (c) điện dung C mắc nối tiếp với cuộn dây phụ để góc lệch pha giữa hai dòng điện khi khởi động là 900. œk & k