Báo Cáo Môn Nguyên Lý Biến Đổi Năng Lượng (Nhóm 8) Đề Bài Tìm Hiểu Động Cơ Điện.pdf

Đ I H C QUỐỐC GIA HÀ N IẠỌỘ

KHOA V T LÍ & KỸỸ THU TẬ Ậ

-[] -BÁO CÁO MÔN:

Nguyên lý biến đổi năng lượng (nhóm 8) Đề bài: Tìm hiểu động cơ điện

Giảng viên: Phạm Đức Hạnh

Sinh viên: Nguyễn Minh Tuấn - 19020781Hoàng Huy Tuấn - 19020780

Mục lục

1. Phân loại động cơ điện dựa theo dòng điện 4

1 Các ký hiệu thông dụng thường gặp trên tem của động cơ điện 15 2 Thông số kỹ thuật của động cơ điện theo tiêu chuẩn quốc tế: 16 3 Thông số kỹ thuật động cơ điện theo tiêu chuẩn Việt Nam 18

1 Nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộ 21

3 Sơ đồ khởi động 23

- Động cơ điện là một loại máy sử dụng điện năng và chuyển đổi năng lượng này thành cơ năng Phần lớn các động cơ điện phổ biến hiện nay đều hoạt động theo cơ chế hiệu ứng điện từ Các loại động cơ điện có kích cỡ nhỏ hoặc siêu nhỏ thường hoạt động sử dụng hiệu ứng áp điện Bạn có thể bắt gặp động cơ điện trong các thiết bị gia dụng như quạt điện, máy hút bụi, máy giặt, …

II Phân loại: Có 2 kiểu phân loại chính:

+ Phân loại động cơ điện dựa theo dòng điện + Phân loại động cơ điện trong thực tế

1 Phân loại động cơ điện dựa theo dòng điện

3

- Động cơ điện được thiết kế thành dòng điện xoay chiều với nhiều kiểu động cơ và công suất khác nhau Theo sơ đồ đấu nối điện, người ta có thể phân động cơ điện ra làm 2 loại chính:

- Động cơ điện 1 pha Là loại động cơ dây quấn stato chỉ có 1 cuộn dây pha, còn nguồn cấp là 1 dây pha và 1 dây nguội (có thêm tụ điện để làm cho lệch pha) Tuy nhiên nếu chỉ có 1 cuộn dây pha thì động cơ điện sẽ không tự mở máy được vì từ trường 1 pha chính là từ trường đập mạch

- Để động cơ 1 pha có thể tự mở máy được, các bạn có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau Động cơ điện 1 pha hiện nay đang được sử dụng rất nhiều trong sản xuất và đời sống, chẳng hạn như: máy bơm nước, các loại máy nén khí, tời kéo, các dụng cụ cầm tay,…

Động cơ điện 3 pha Khi dòng điện xoay chiều 3 pha đi qua phần dây quấn stator sẽ có điều cực kỳ thú vị xảy ra đó là nó tạo nên 1 từ trường quay rotating magnetic field (viết tắt la RMF) Do vậy giống như hiện tượng ở phía trên, dòng điện sẽ được tạo ra bên trong các thanh dẫn của bộ phận roto lồng sóc và nó sẽ bắt đầu quay.

2 Phân loại động cơ điện trong thực tế

Động cơ đồng bộ: Đây là cấu trúc động cơ vô cùng đặc biệt mà rôto quay cùng tốc độ với từ trường Stator Có 2 loại động cơ đồng bộ:

Kích từ độc lập: Được sử dụng nguyên tắc giống như động cơ từ Kích từ trực tiếp: Sử dụng nam châm vĩnh cửu.

Động cơ không đồng bộ: Những động cơ nào hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ đều được gọi tắt là động cơ không đồng bộ Sự trượt giữa tốc độ quay của từ trường kết hợp với tốc độ quay chậm hơn của rotor đã thể hiện bản chất không đồng bộ của quá trình vận hành động cơ điện tử.

Động cơ không đồng bộ có 1 thành phần quay (roto) được mô phỏng tương tự như kiểu lồng sóc Ngoài ra, động cơ không đồng bộ còn sử dụng cuộn dây nhằm giảm bớt áp lực từ dòng khởi động của động cơ nhờ vào việc các điện trở được đấu nối trực tiếp vào trong mỗi cuộn dây.

3 Bảng phân loại động cơ điện

III Cấu tạo của động cơ điện 1 Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ:

Được làm bằng các lá thép kĩ thuật điện cán mỏng sau đó được dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục

Được ép chặt vào trong vỏ máy

- Dây cuốn:

5

Được làm bằng dây điện từ (dây đồng hoặc nhôm có vỏ bọc cách điện) Được cuốn thành bối và đặt trong các rãnh của lõi thép.

Đối với động cơ 3 pha: dây cuốn stator gồm 3 bộ dây, các pha dây quấn lệch nhau 120o điện Vd: pha A lệch với pha kế tiếp là pha B 1 góc 120o

Đối với động cơ một pha: dây quấn stator gồm dây quấn chính (running winding) và dây quấn phụ (starting winding) đặt lệch nhau 1 góc 90 điện.o

- Vỏ máy:

Được làm bằng nhôm (ở máy nhỏ), bằng gang hay thép đúc (ở máy lớn).

Chân máy để cố định máy trên bệ.

Trên đầu có hộp đấu dây để cấp nguồn vào dây quấn stator

1.2 Rotor - Lõi thép:

Được làm tử các lá thép kĩ thuật điện được tạo rãnh ở mặt ngoài, ở giữa có lỗ để lắp trục, ghép lại với nhau Ngoài ra còn có các lỗ nhỏ để làm mát rotor trong quá trình hoạt động

Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn (ổ bi).

- Dây quấn: 2 loại +Rotor lồng sóc

Dây quấn là những thanh kim loại (đồng hoặc nhôm) đặt trong các rãnh của lõi thép.

7

Các dây dẫn được nối tắt bằng 2 vòng kim loại (đồng hoặc nhôm) gọi là vòng ngắn mạch Trên 2 vòng còn các các cánh giúp làm mát rotor trong quá trình hoạt động.

+Rotor dây quấn (Chỉ có ở động cơ 3 pha)

Làm bằng dây điện từ đặt trong các rãnh của lõi thép Dây quấn gồm 3 bộ dây, đăt lệch nhau 120 điện, đấu hình sao.o

Các đầu dây ra được nối với 3 vành trượt bằng đồng Các vành trượt này được cách điện với nhau và với trục

Tỳ trên 3 vành trượt là 3 chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngoài

Giữa Stator và rotor có các khe hở không khí, các khe này rất nhỏ thường từ 0,35-1,5cm các khe hở này sẽ là thứ ảnh hưởng đến tổn hao trong máy

2 Cấu tạo của động cơ điện đồng bộ:

2.2 Rotor (phần cảm)

- Gồm lõi thép cực từ và dây quấn kích từ Dây quấn kích từ được nối với nguồn điện một chiều nhằm tạo ra từ trường cố định trên các cực từ.

- Rotor máy điện đồng bộ có hai kiểu là rotor cực lồi và rotor cực ẩn Rotor cực lồi

- Dạng của mặt cực được thiết kế sao cho khe không khí không đều, mục đích để từ cảm trong khe không khí có phân bố hình sin và do đó sức điện động cũng có hình sin.

- Dây quấn kích từ được quấn quanh thân cực từ, hai đầu của nó được nối với hai vành trượt, qua hai chổi than tới nguồn điện 1 chiều.

- Dùng cho máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực - Đường kính: D có thể lớn hơn 15m.

- Chiều dài: l/D = 0.15 0.2m.∼

Rotor cực ẩn

- Khe không khí đều, lõi thép là một khối thép hình trụ.

- Mặt ngoài phay thành rãnh để đặt dây quấn kích từ, phần không phay tạo thành mặt cực từ.

- Rotor cực ẩn có độ bền cơ khí cao, dây quấn kích từ vững chắc Vì vậy thường được sử dụng ở những máy điện đồng bộ có tốc độ từ 1500rpm trở lên, công suất lớn (1000 – 1500 MVA).

- Hai đầu của dây quấn kích từ được nối với hai vành trượt đặt ở hai đầu trục thông qua hai chổi than để nối với dòng kích từ 1 chiều.

- Đường kính: D ≤ 1.1 1.5m.∼ - Chiều dài: l/D ≤ 6.5m.

2.3 Bộ kích từ

11

Hệ thống kích từ phải đảm bảo yêu cầu: - Điều chỉnh được dòng kích từ - Cưỡng bức dòng kích từ tăng nhanh - Triệt từ trường kích thích khi có sự cố.

- Máy kích từ có thể là loại tự kích hoặc cần thêm một máy kích từ khởi tạo kiểu nam châm vĩnh cửu hoặc tự kích để kích hoạt.

Máy kích dung từ tự kích

Máy kích từ bộ kích từ khởi tạo

- Đối với bộ kích từ dùng máy phát điện một chiều, cần phải lắp thêm bộ chổi than và vành trượt để truyền tải điện năng từ máy phát đến dây quấn kích từ.

Bộ kích từ dùng máy phát 1 chiều

- Bộ kích từ dùng máy phát điện xoay chiều cần có bộ chỉnh lưu để biến đổi điện xoay chiều thành một chiều.

- Máy phát điện xoay chiều được dùng chủ yếu có phần cảm tĩnh và phần ứng quay.

13

Bộ kích từ dùng máy phát xoay chiều Bộ kích từ dùng chỉnh lưu

- Một phần điện áp 3 pha của máy phát đồng bộ được trích ra đưa qua bộ chỉnh lưu, chỉnh lưu thành dòng điện một chiều cung cấp cho dây quấn kích từ.

- Một số ít các máy điện công suất nhỏ thì phần quay lại đóng vai trò phần ứng, phần tĩnh đóng vai trò phần cảm.

I.V Các thông số kỹ thuật của động cơ điện: - Cực motor: thể hiện tốc độ vòng/phút

+ P (2) (động cơ 2 cực): 2800 có thể dùng cho các máy cần 2800 – 3000 vòng/ phút Động cơ 2 là động cơ có cấu tạo gồm một cặp cực từ bắc (N) và nam (S).

+ P (6): 960 có thể dùng cho các máy cần 900 – 1000 vòng/ phút + P (8): 700 có thể dùng cho các máy cần 700 – 720 vòng/ phút

+ Động cơ điện có số cực càng nhiều thì càng tiêu tốn nhiều điện năng sử dụng hơn do chu kỳ của rotor và chu kỳ của nguồn bị lệch nhau.

+ Giá thành động cơ điện có càng nhiều cực thì càng cao 1 Các ký hiệu thông dụng thường gặp trên tem của động cơ điện

- kW / HP: Công suất trên của động cơ (kW) hay mã lực HP (viết tắt cho từ Horse Power – sức ngựa).

Trong công nghiệp hàng ngày chúng ta tạm quy ước: 1HP = 0.75 kW (đây chỉ là giá trị tương đối)

- RPM –Round Per Minute: Vòng / phút, Vg/ph: tốc độ quay của trục động cơ vòng /phút

- One Phase / Three Phase: nghĩa là động cơ sử dụng lưới điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha

- VOLS: Điện áp định mức (V) cấp cho động cơ 220 hoặc 380 V - INS.CL (insulating class): cấp chịu nhiệt

VD: Cấp F: cuộn dây bên trong chịu nhiệt cao nhất có thể là 1550C Cấp B: cuộn dây bên trong chịu nhiệt cao nhất có thể là 130oC - IP – Ingress of protection: Cấp bảo vệ động cơ với bên ngoài: Cấp bảo vệ IP 55 là cao nhất cho các motor thông dụng: các hạt nước hoặc bụi có đường kính nhỏ khoảng 1 mm cũng không vào trong motor (vì có các doăng cao su bền bảo vệ)

- Hz: Tần số lưới điện xoay chiều 50Hz thông dụng nhất tại Việt Nam - AMP: Ampe dòng điện dây định mức của động cơ

- mF/V~: với động cơ 1 pha (220V) mF/V là giá trị điện dung của tụ điện/điện áp xoay chiều cho phép lớn nhất để tụ điện làm việc được ở chế độ dài hạn mà không bị hỏng (bục)

- Chế độ làm mát IEC：nên chọn chế độ làm mát toàn phần 15

Chỉ số hiệu suất động cơ điện tiết kiệm điện

- Cos: hệ số cos Ø (phi) của động cơ, thường từ 0.7 tới 0.95 Hệ số càng cao thì motor tiết kiệm lượng điện năng càng lớn Lưu ý con số này không bao giờ tới 1 (vì 1 = 100%)

- Eff = n %: hiệu suất động cơ điện Tính bằng %, hiệu suất càng cao làm việc năng suất càng lớn.

Hiệu suất motor điện được thiết kế bằng 3 tiêu chuẩn phổ biến:

IE: là tiêu chuẩn hiệu suất về sự chuyển hoá năng lượng từ điện năng sang cơ năng cho động cơ không đồng bộ ba pha điện áp thấp trong dải công suất từ 0.75 kW đến 375 kW.

IE1 = Standard Efficiency (tương ứng với tiêu chuẩn EFF2- đã có những tiêu chí chế tạo đạt tiêu chuẩn về tiết kiệm điện năng và bảo vệ môi trường).

IE2 = High Efficiency (tương ứng với tiêu chuẩn EFF1) - tiêu chuẩn tiết kiệm điện năng nâng cấp

IE3 = Premium Efficiency Tiêu chuẩn tiết kiệm điện năng nâng cấp Tiết kiệm điện tối ưu, các lõi rotor và stator cùng dây đồng được chế tạo cao cấp hơn Ngoài việc tiết kiệm điện, Uỷ Ban Quản Lý và Sử Dụng Năng Lượng Châu Âu (European Commission) đưa ra tiêu chuẩn motor điện bảo vệ môi trường, nghĩa là không được thải quá nhiều khí CO2, không được quá nóng khi vận hành ngôn ngữ quốc tế gọi tắt là EFF1, EFF2, EFF3.

EFF3: thiết bị đạt tiêu chuẩn về hiệu suất sử dụng điện năng

EFF2: thiết bị đạt tiêu chuẩn về tiết kiệm điện năng và bảo vệ môi trường đã nâng cấp.

EFF1: thiết bị đạt tiêu chuẩn tiết kiệm điện và bảo vệ môi trường đã được xử lý ở công nghệ cao cấp.

Một số yếu tố liên quan tới hiệu xuất motor điện

SF ( service factor): hệ số làm việc, ví dụ : SF 1.15 nghĩa là động cơ được quyền chạy khỏe hơn công suất trên tem khoảng 15% khi làm việc nặng, trong 1 khoảng thời gian ngắn.

AMB: nhiệt độ môi trường xung quanh cho phép vận hành Thường là từ 10 tới 45

- TYPE: loại động cơ, thông số này có thể cho ta biết được là động cơ 1 pha, 3 pha, nhiều cấp tốc độ, loại cấu trúc sản xuất Nhưng không có một tiêu chuẩn công nghiệp nào cho thông số này.

- 3PH: 3 pha.

- FRAME: kích thước khung, là thông số về cấu trúc, kết cấu của động cơ - HP (mã lực): là đơn vị đo công suất của động cơ

- SERVICE FACTOR: Hệ số làm việc 1.15

- AMPS: là đơn vị đo dòng điện đầy tải của dộng cơ, ở đây là 34.9A - VOLTS: là đơn vị đo điện áp của động cơ, ở đây là 460V

- R.P.M ((Revolutions per minute): đơn vị đo tốc độ của động cơ, ở đây là vòng/phút

- HERTZ: tần số của động cơ

- DUTY: Chế độ làm việc của động cơ, được phân làm 10 chế độ - S1 hoặc CONT(Continuous running duty) là chế độ hoạt động liên tục, S2 (Short-time duty) là chế độ hoạt động ngắn hạn, S3-S8 (Periodic duty) là chế độ hoạt

17

động có chu kỳ và S9-S10 là chế động hoạt động không có chu kỳ Nếu trên nhãn không có ký hiệu này thì mặc định là S1.

- CLASS INSUL: cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện và cuộn dây - AMB: chỉ số đo nhiệt độ môi trường xung quanh

Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia Mỹ (NEMA) đã thành lập một hệ thống tiêu chuẩn về kết cấu và đặc tính của động cơ Trong đó, NEMA DESIGN loại B thường được sử dụng.

-NEMA NOM.EEF: hiệu suất của động cơ.

Cần lưu ý: Vẫn hành một động cơ trên mức giới hạn của lớp cách điện sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ Trung binh cứ tăng nhiệt độ hoạt động lên 10oC có thể làm giảm tuổi thọ của động cơ xuống 50%.

3 Thông số kỹ thuật động cơ điện theo tiêu chuẩn Việt Nam

- Đây là động cơ không đồng bộ 3 pha, tần số là 50Hz

- 3.0HP hay 2.2kW: chỉ công suất của động cơ - 1475 vg/ph: tốc độ của động cơ

- Cos phi 0.84: Hệ số công suất, thường thì hệ số công suất bé hơn bằng 1 nhưng có một số thiết bị phụ được nhà sản xuất lắp vào có thể tăng công suất của động cơ lên (nhưng lưu ý rằng bất kì động cơ nào hoạt động liên tục tại một hệ số lớn hơn 1 sẽ có tuổi thọ giảm so với loại động hoạt đúng tại công suất nó được đánh giá.

- η% 80: hiệu suất động cơ tính theo phần trăm công suất đầu vào Hiệu xuất danh nghĩa của động cơ này là 80% Hiệu suất càng cao thì sẽ càng tiết kiệm được năng lượng và chi phí so với động cơ cùng công suất.

- D/Y – 220/380V – 8.66/5.0A: kiểu nối – điện áp – dòng điện cấp cho động cơ

+ Dòng điện của động cơ là 8.66A khi nối với lưới điện 3 pha điện áp 220V nối tam giác

+ Dòng điện của động cơ là 5.0A khi nối với lưới điện 3 điện áp pha 380V nối sao

- Exd: Kí hiệu “Ex” biểu thị động cơ điện bảo vệ nổ sử dùng trong mỏ, hầm lò, kí hiệu “d” biểu thị động cơ có kết cấu không xuyên nổ.

- 33kg: khối lượng của động cơ.

Bảng cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện và cuộn dây và động cơ

19

Bảng định nghĩa IPxy

V: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều:

Nguyên lý điện từ là nguyên lý hoạt động của phần lớn động cơ điện, nhưng các loại động cơ dựa trên những nguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng áp điện cũng được sử dụng Nguyên lý cơ bản mà các động cơ điện từ dựa vào là có một lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ trường Lực này theo mô tả của định luật Lorentz và vuông góc với cuộn dây và cả với từ trường.

Phần lớn động cơ từ đều xoay nhưng cũng có động cơ tuyến tính Trong động cơ xoay, phần chuyển động được gọi là rotor và phần đứng yên là stator.

Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ phận chỉnh lưu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liên tục.

21

Thông thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

- Stato tạo ra 1 từ trường không đổi.

- Và phần ứng( thành phần quay) là 1 cuộn dây đơn giản.

- Phần ứng được kết nối với nguồn của động cơ thông qua 1 cặp cổ góp.

- Khi dòng điện chạy trong cuộn dây, lực điện từ được sinh ra theo định lý Lo-ren-xơ Do đó cuộn dây sẽ bắt đầu quay.

- Khi đó, các cổ góp kết nối với nguồn năng lượng ở cực đối diện, vậy nên ở nửa trái của cuộn dây dòng điện luôn có chiều hướng vào trong, và ở nửa bên phải thì dòng điện có chiều hướng ra ngoài Điều này đảm bảo cho momen xoắn có chiều không đổi trong suốt quá trình quay Vậy nên cuộn dây sẽ tiếp tục quay và sinh ra dòng điện 1 chiều 1 Nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộ.

-Khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f vào 3 dây quấn Stator sẽ tạo ra từ trường quay có p đôi cực, quay với tốc độ n Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn Rotor, cảm1 ứng các sức điện động.

Vì dây quấn Rotor nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn Rotor Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện cảm ứng kéo Rotor quay cùng chiều từ trường quay với tốc độ n Chú ý: Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải ta phải căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường.

Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược chiều