90 CHƯƠNG IV: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (KĐB) ĐẶC BIỆT § 4.1. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA I. Đại cương Động cơ không đồng bộ một pha thường được được dùng trong các dụng cụ sinh hoạt và công nghiệp, công suất từ vài watt đến khoảng vài nghìn watt và nối vào lưới điện xoay chiều 1 pha. Do nguyên lý mở máy khác nhau và yêu cầu tính năng khác nhau mà xuất hiện những kết cấu khác nhau, nhưng nói cho cùng vẫn có kết cấu cơ bản giống như động cơ điện KĐB ba pha, chỉ khác là trên stator có 2 dây quấn: Dây quấn chính hay dây quấn làm việc và dây quấn phụ hay dây quấn mở máy. Rotor thường là lồng sóc. Dây quấn chính thường được nối vào lưới điện trong suốt quá trình làm việc, còn dây quấn phụ thường chỉ nối vào khi mở máy. Trong quá trình mở máy, khi tốc độ đạt đến 75 đến 80% tốc độ đồng bộ thì dùng ngắt điện kiểu ly tâm cắt dây quấn phụ ra khỏi lưới. Có loại động cơ sau khi mở máy, dây quấn phụ vẫn nối vào lưới. Đó là động cơ điện một pha kiểu điện dung (hay còn gọi là động cơ điện hai pha). II. Nguyên lý làm việc Đầu tiên, ta xét chế độ làm việc của động cơ điện một pha khi dây quấn mở máy đã ngắt ra khỏi lưới. Dây quấn làm việc nối với điện áp một pha, dòng điện trong dây quấn sẽ sinh ra từ trường đập mạch Φ . Từ trường này có thể phân H ình 4.1 Động cơ điện không đồng bộ 1 pha. H ình 4.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ 1 pha. 91 tích thành hai từ trường quay A Φ và B Φ có chiều ngược nhau, có n 1A = n 1B và biên độ bằng ½ biên độ từ trường đập mạch (hình 4.2a). Như vậy, có thể xem động cơ điện một pha tương đương như 2 động cơ điện ba pha giống nhau có rotor đặt trên cùng một trục và dây quấn stator nối nối tiếp nhau sao cho từ trường của chúng sinh ra trong không gian theo chiều ngược nhau (hình 4.2b). Đến lượt chúng lại tương đương một động cơ điện ba pha có hai dây quấn nối nối tiếp nhau tạo ra A Φ và B Φ (hình 4.2c). Trong động cơ điện một pha cũng như trong hai mô hình của chúng, từ trường quay thuận và quay nghòch tác dụng với dòng điện rotor do chúng sinh ra tạo thành 2 moment M A và M B . Khi động cơ đứng yên (s = 1) thì M A = M B và ngược chiều nhau, do đó moment tổng M = M A + M B = 0. Động cơ không quay được ngay cả khi không có M c trên trục. Nếu quay rotor của động cơ điện theo một chiều nào đó (ví dụ quay theo chiều của từ trường dây quấn A như hình 4.2b) với tốc độ n thì tần số của s.đ.đ, dòng điện cảm ứng ở rotor do từ trường quay thuận A Φ sinh ra sẽ là: 1 1 111 A2 sf n60 nnpn 60 nnp f = − = − = )()( Còn đối với từ trường quay ngược B Φ thì tần số ấy là: 1 1 1111 B2 fs2 n nnn2 60 pn 60 nnp f )(] )( [ )( −= −− = + = Ở đây (2-s) là hệ số trượt của rotor đối với từ trường B Φ . Cho rằng M > 0 khi chúng tác dụng theo chiều quay của từ trường A Φ , ta sẽ có các dạng đường M A và M B như hình 4.3: Khi s = 1 thì M = 0, động cơ không thể bắt đầu quay được khi trên stator chỉ có một dây quấn và điều kiện làm việc của động cơ khi rotor quay theo chiều H ình 4.3 Đặc tính M = f(s) của động cơ điện không đồng bộ 1 pha. 92 này hoặc chiều kia với tốc độ n đều giống nhau (vì đường đặc tính moment có tính chất đối xứng qua các góc toạ độ) III. Phương pháp mở máy và các loại động cơ điện một pha 1. Các phương pháp mở máy: i.Dùng dây quấn phụ: Như chúng ta đã biết, nếu chỉ có dây quấn chính nối vào lưới điện thì từ trường trong dây quấn một pha là từ trường đập mạch, nên động cơ điện không đồng bộ một pha không thể tự mở máy được vì khi s = 1 thì M = 0. Muốn động cơ tự mở máy (khởi động) thì từ trường trong máy phải là từ trường quay hoặc ít nhất từ trường quay ngược B Φ phải yếu hơn so với từ trường quay thuận A Φ , để tạo ra từ trường quay có thể dùng vòng ngắn mạch hoặc dây quấn phụ và phần tử mở máy. Dây quấn phụ đặt lệch pha với dây quấn chính một góc 90 0 điện trong không gian trên mạch từ stator, phần tử mở máy dùng để tạo sự lệch pha về thời gian giữa dòng điện trong dây quấn chính và dây quấn phụ có thể là điện trở, cuộn dây hoặc tụ điện, tụ điện được dùng phổ biến vì dùng tụ động cơ có moment mở máy lớn, hệ số công suất cos ϕ cao và dòng điện mở máy tương đối nhỏ. α . Dùng điện trở để mở máy: Để làm cho I mm lệch pha so với I lv ta nối thêm một điện trở hay điện cảm vào cuộn dây mở máy. M mm của loại động cơ này tương đối nhỏ. Trong thực tế tế chỉ cần tính toán sao cho bản thân dây quấn phụ có điện trở tương đối lớn là được (dùng bối dây quấn ngược) không cần nối thêm điện trở ngoài. β . Dùng tụ điện mở máy: Nối tụ điện vào dây quấn mở máy ta được kết quả tốt hơn. Có thể chọn trò số tụ điện sao cho khi s = 1 thì I mm lệch pha so với I lv 90 0 và dòng điện của các dây quấn đó có trò số sao cho từ trường do chúng sinh ra bằng nhau. Như vậy khi khởi động động cơ sẽ cho một từ trường quay tròn. H ình 4.5 Mở máy bằng tụ điện H ình 4.4 Mở máy bằng điện tr ơ û 93 γ . Động cơ điện một pha kiểu điện dung: Ta có thể để nguyên dây quấn mở máy có tụ điện nối vào lưới điện khi động cơ đã làm việc. Nhờ vậy động cơ điện được coi như động cơ điện hai pha. Loại này có đặc tính làm việc tốt, năng lực quá tải lớn, hệ số công suất của máy được cải thiện. Nhưng trò số điện dung có lợi nhất cho mở máy lại thường quá lớn đối với chế độ làm việc, vì thế trong một số trường hợp khi mở máy kết thúc phải cắt bớt trò số của tụ điện ra bằng công tắc ly tâm. ii.Dùng vòng ngắn mạch: Vòng ngắn mạch F đóng vai trò cuộn dây phụ F quãng 1/3 cực từ. Khi đặt một điện áp vào cuộn dây chính để mở máy, dây quấn sẽ sinh ra một từ trường đập mạch c Φ . Một phần của c Φ là c ' Φ sẽ đi qua F và sinh ra I n trong F ( nn I Φ→ ), nếu bỏ qua tổn hao trong vòng ngắn mạch thì n Φ sẽ trùng pha với I n . n Φ tác dụng với c ' Φ sinh ra c nf ' Φ+Φ=Φ . f Φ lệch pha so với phần thông còn lại c Φ - c ' Φ . Do đó sẽ sinh ra một từ trường gần giống từ trường quay và cho một moment mở máy đáng kể. II. Phân loại: Động cơ điện một pha có thể phân làm các loại sau: + Động cơ điện một pha có vòng ngắn mạch. + Động cơ điện một pha mở máy bằng điện trở (pha phụ). + Động cơ điện một pha mở máy bằng điện dung. + Động cơ điện một pha kiểu điện dung: - Có điện dung làm việc. - Có điện dung làm việc và mở máy. H ình 4.7 Động cơ điện 1 pha có vòng ngắn mạch H ình 4.6 Động cơ điện 1 pha kiểu điện dung 94 III. Sử dụng động cơ điện ba pha trong lưới điện một pha: i.Khi điện áp nguồn điện 1 pha bằng điện áp pha của động cơ ba pha. - Sơ đồ hình 4.8a + Điện áp nguồn bằng điện áp pha của động cơ U ng = U f . + Điện dung làm việc của tụ điện F U I 4800C ng f LV μ= + Điện áp làm việc của tụ: )(VUU ngc ≈ + I f : Dòng điện pha đònh mức của động cơ ba pha, (A). - Sơ đồ hình 4.8b + Điện áp nguồn bằng điện áp pha của động cơ U ng = U f + Điện dung làm việc của tụ điện F U I 1600C ng f LV μ= + Điện áp làm việc của tụ: ngc U2U ≈ Cách đấu dây theo sơ đồ 4.8b có ưu điểm hơn sơ đồ hình 4.8a: Moment mở máy lớn hơn, lợi dụng công suất khá hơn, điện dung của tụ nhỏ hơn nhưng điện áp trên tụ lớn hơn. H ình 4.8 Động cơ điện 1 pha kiểu điện dung khi phang UU = 95 ii.Khi điện áp nguồn điện 1 pha bằng điện áp dây của động cơ ba pha. Có thể đấu dây theo sơ đồ sau: - Sơ đồ hình 4.9a - Sơ đồ hình 4.9b + U ng = U d + U ng = U d + F U I 2800C ng f LV μ= + F U I 2740C ng f LV μ= + ngc UU ≈ + ngc U151U , ≈ § 4.2. ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH KHÔNG ĐỒNG BỘ ( AC SERVOMOTOR) Để điều khiển 1 đối tượng nào đó, tín hiệu điều khiển ít khi dẫn trực tiếp đến mà thường qua khâu trung gian nào đó. Thí dụ muốn biến tín hiệu điện áp thành tín hiệu cơ học tác động vào đối tượng điều khiển thì người ta dùng khâu trung gian là động cơ chấp hành. Động cơ này cần thỏa mãn các yêu cầu chính: - Độ nhạy cao, quán tính bé, nghóa là phải quay hoặc dừng tức khắc khi có tín hiệu hoặc mất tín hiệu điều khiển mà không nhờ 1 cơ cấu hãm . - Moment mở máy lớn, động cơ làm việc ổn đònh . - Đặc tính cơ tuyến tính, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng. - Công suất điều khiển nhỏ. Động cơ chấp hành không đồng bộ (KĐB) là loại động cơ KĐB 2 pha công suất bé ( 0,1÷ 300W). Kết cấu như sau: Stator ghép bằng lá thép kỹ thuật điện có 2 cuộn dây đặt lệch nhau 90 0 . Trong đó 1 cuộn W kt làm nhiệm vụ kích thích, cuộn W đk làm nhiệm vụ điều khiển, 2 cuộn này được đặt vào 2 điện áp lệch nhau 90 0 thời gian. Nguồn kích H ình 4.9 Động cơ điện 1 pha kiểu điện dung khi dng UU = 96 thích lấy ở lưới điện xoay chiều, nguồn điều khiển lấy ở tín hiệu điều khiển, có nhiều loại điều khiển : Điều khiển biên độ, điều khiển pha, điều khiển hỗn hợp (cả biên độ và pha). Tổng quát từ trường quay có thể là ellip do tính bất đối xứng của điện áp hoặc pha (pha nhỏ hơn 90 0 ). Khi có tín hiệu điều khiển trong khe hở sẽ hình thành từ trường quay và động cơ làm việc với đặc tính moment thuận (đặc tính cơ thông thường). Khi mất tín hiệu điều khiển, trong dây quấn stator chỉ còn nguồn điện 1 pha ( U kt ), từ trường đập mạch do dòng điện 1 pha sinh ra được phân thành 2 từ trường quay thuận và ngược, tương ứng ta có 2 đặc tính cơ thuận và ngược, đặc tính cơ tổng M ∑ sẽ tạo ra 1 moment ngược với moment thuận (là đặc tính cơ thông thường của động cơ KĐB khi có cả 2 điện áp kích thích và điều khiển) làm rotor đứng lại (H 4.10c). Hình 4.10. Sơ đồ nguyên lý động cơ thừa hành không đồng bộ. 97 Để máy làm việc ổn đònh và đặc tính cơ tuyến tính thì rotor phải được chế tạo với điện trở rất lớn để s m = 3 ÷ 4 , với s m lớn như vậy nó mới chống được hiện tượng tự quay nữa (còn đối với động cơ 1 pha thông thường vì điện trở rotor bé → đặc tính cơ có dạng như hình 4.10b, khi rotor đã quay ta ngắt mạch khởi động thì động cơ vẫn tiếp tục quay). Động cơ chấp hành KĐB có kết cấu tương tự như động cơ KĐB thường rotor lồng sóc nhưng phải được chế tạo với độ chính xác cao, quán tính bé. Thông thường hay làm theo kiểu rotor rỗng (hình cốâc) cấu tạo như hình 4.10d. Stator gồm 2 phần : Ngoài và trong, stator ngoài gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, gồm có răng rãnh để đặt dây quấn kích thích và dây quấn điều khiển. Stator trong gồm các lá thép ghép lại không có răng rãnh chỉ dùng làm mạch dẫn từ. Rotor rỗng thường làm bằng vật không dẫn từ như nhôm hay đuy-ra được bắt lên trên trục bằng vành đỡ và quay ở giữa khe hở stator. Ngoài ra rotor có thể làm bằng hợp kim đồng nhôm có điện trở suất cao hoặc làm bằng sắt, hay bằng vải ép trên mặt ngoài tráng vật liệu dẫn điện . Do khe hở không khí lớn ( δ =0,3 ÷ 1,4 mm) nên I 0 lớn , cos ϕ thấp, hiệu suất thấp, trọng lượng lớn (vì δ lớn nên muốn Φ cao phải tăng stđ F = I W → W tăng) (hình 4.10d). § 4.3. MÁY ĐIỆN KĐB LÀM VIỆC TRONG HỆ TỰ ĐỒNG BỘ (Selsyl) Máy điện KĐB làm việc trong hệ tự đồng bộ gồm nhiều máy đặt cách nhau và chỉ nối với nhau bằng điện. Khi 1 trong những máy đó quay đi 1 góc ( gọi là máy phát) thì những máy khác (máy thu) cũng quay 1 góc như vậy. Hệ thống này thường dùng trong kỹ thuật khống chế và đo lường. Những máy điện này thường thuộc loại 3 pha và 1 pha và có thể làm việc ở nhiều chế độ : Chỉ thò, vi sai, biến áp. 1. Hệ tự đồng bộ 3 pha ( Selsyl 3 pha): Đơn giản nhất là gồm 2 máy điện KĐB rotor dây quấn. Dây quấn stator của chúng được nối với lưới điện còn dây quấn rotor được nối với nhau theo pha . Như vậy nếu ở 2 máy vò trí của rotor đối với stator giống nhau thế sđđ E 2 trong đúng thứ tự mạch rôto của chúng sẽ ngược nhau và dòng điện I 2 sẽ bằng 0. Gọi F là máy phát tín hiệu và T là máy thu tín hiệu thì khi có tín hiệu tác động vào máy phát F làm quay roto của nó đi 1 góc θ thì các sđđ E 2F và E 2T sẽ có góc lệch θ và do đó trong mạch rotor sẽ có dòng điện I 2 . 98 T2F2 j T2F2 2 ZZ eEE I . . − − = θ± (+) khi rotor F quay cùng chiều với Φ F ( E 2T vượt trước E 2F ) (–) Khi rotor F quay ngược chiều với Φ F Trong đó : Z 2F và Z 2T : Tổng trở rotor của máy phát (F) và máy thu (T). Từ đồ thò vectơ ta thấy thành phần tác dụng của I 2 cùng chiều với E 2T do đó M T sẽ làm quay rotor của máy T đi 1 góc θ . Trái lại thành phần tác dụng của I 2 ngược chiều với E 2F nên sẽ có moment M F kéo rotor của máy F trở về vò trí θ = 0. Hoặc có thể giải thích như sau: - Góc ψ 2F ≈ 180 0 , cos ψ 2 < 0 → M F < 0 ( M hãm) : Kéo rôto máy F trở về vò trí 0. - Góc ψ 2 ≈ 0, cos ψ 2 > 0 → M T > 0 (M quay) : Kéo rôto của máy T đi 1 góc θ . Hệ thống 2 máy trên sẽ làm việc cân bằng khi góc lệch θ ở 2 máy F và T bằng nhau. Vì vậy khi giữ roto của máy F ở góc θ thì roto của máy T cũng sẽ quay 1 góc đúng bằng θ . Sự liên lạc như thế còn gọi là sự liên lạc kiểu trục điện. 2. Hệ tự đồng bộ 1 pha ( selsyl 1 pha): Stator của 2 máy F và T chỉ có 1 pha nối với lưới điện chung, còn rotor của 2 máy vẫn là dây quấn 3 pha và nối với nhau theo đúng thứ tự pha . Khi cho dòng điện 1 pha vào dây quấn stator thì trong khe hở sinh ra từ trường đập mạch và có thể phân thành 2 từ trường quay ngược chiều nhau là Φ A H ình 4.11 Sơ đồ nguyên lý của selsyl ba pha 99 và Φ B và ta coi như ø có hai hệ thống đồng bộ ba pha hợp lại. Như vậy có thể dùng nguyên lý làm việc của hệ 3 pha tìm ra moment từng phần và moment tổng. Quay rotor của máy F theo chiều của Φ AF 1 góc θ . Đối với từ trường quay thuận Φ AF và Φ AT thì giống như hệ 3 pha M AF và M AT có khuynh hướng kéo 2 rotor trở về cùng 1 vò trí . Đối với từ trường quay ngược Φ BF và Φ BT cũng vậy. Vì vậy moment do 2 từ trường quay sinh ra trên mỗi máy cùng chiều nên trò số tuyệt đối của chúng là tổng của 2 moment của từng phân lượng từ trường làm trục quay. Như vậy nếu quay roto của máy F đi 1 góc θ thì roto máy T cũng quay đi 1 góc θ . Thường đặt dây quấn sơ cấp 1 pha trên rotor còn dây quấn thứ cấp 3 pha lắp trên stator như vậy giảm đi được 1 vành trượt. Để có đặc tính moment tốt, dây quấn 1 pha thường đặt trên cực lồi. Ngày nay người ta đã chế tạo những selsyl 1 pha không vành trượt. Hệ tự đồng bộ ngày nay được áp dụng rộng rãi trong ngành tự động hóa và điều khiển. [...]...Hình 4. 12 Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của selsyl một pha 100 . 90 CHƯƠNG IV: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ (KĐB) ĐẶC BIỆT § 4. 1. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA I. Đại cương Động cơ không đồng bộ một pha thường được được dùng trong. việc. - Có điện dung làm việc và mở máy. H ình 4. 7 Động cơ điện 1 pha có vòng ngắn mạch H ình 4. 6 Động cơ điện 1 pha kiểu điện dung 94 III. Sử dụng động cơ điện ba pha trong lưới điện một. (hình 4. 10d). § 4. 3. MÁY ĐIỆN KĐB LÀM VIỆC TRONG HỆ TỰ ĐỒNG BỘ (Selsyl) Máy điện KĐB làm việc trong hệ tự đồng bộ gồm nhiều máy đặt cách nhau và chỉ nối với nhau bằng điện. Khi 1 trong những máy