ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA

1) Cấu tạo động cơ điện 3 pha

Motor 3 pha bao gồm 2 phần chính, đó là phần stator và rotor.

Phần stator: Bộ phận này được ghép cẩn thận từ các tấm thép kỹ thuật điện rất mỏng, bên trong được xẻ rãnh hoặc làm bằng khối thép đúc. Hình dưới đây cũng thể hiện cách mà các lá thép trong động cơ được gắn vào khung. Chỉ có một số lá thép đang được hiển thị ở đây, còn phần dây quấn đi qua các rãnh khe của stator.

Phần rotor: Đây là bộ phận quay của động cơ được ghép lại từ nhiều thanh kim loại để tạo thành một cái lồng có hình trụ. Rotor trong động cơ được chia thành 2 loại, đó là: rotor lồng sóc được tạo thành từ nhiều thanh kim loại song song cùng với dây quấn.

•  Rotor lồng sóc
  Rotor lồng sóc gồm lõi thép được ghép bởi các lá ghép kỹ thuật điện và thanh dẫn là các thanh đồng hoặc nhôm cách đều nhau được đặt dọc trục ngoại vi, bị chập vĩnh viễn ở hai đầu bởi hai vành ngắn mạch. Đối với động cơ nhỏ, rotor được đúc nguyên khối với thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát. Rotor lồng sóc quay với tốc độ nhỏ hơn từ trường quay của stato hoặc tốc độ đồng bộ và cung cấp cảm ứng cần thiết của dòng rotor cho momen xoắn động cơ, tỷ lệ với độ trượt. Các momen xoắn tạo ra lực chuyển động thông qua các cánh quạt đến tải và với những động cơ có công suất trên 100kW, thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor, gắn chặt vào vành ngắn mạch.

• Vậy tại sao roto lồng sóc lại bao gồm những lá thép kỹ thuật điện được ghép lệch với nhau mà không phải là ghép thẳng song song và dọc theo trục? Bởi lẽ, làm như vậy sẽ không cho từ trường stator cắt qua các thanh dẫn 1 góc 90 độ. Các rãnh của rotor lồng sóc cũng được ghép lệch với nhau nhằm mục đích triệt tiêu lực điện từ các họa tần bậc cao và làm cho roto quay được êm hơn. 

• Rotor dây quấn
  Rotor dây quấn là một nam châm lớn với các cực được chế tạo từ cán thép chiếu ra khỏi lõi rotor và được quấn dây giống như dây quấn 3 pha stato với cùng số cực từ như dây quấn stato. Các cực sẽ được cung cấp dòng điện trực tiếp hoặc từ hóa bằng nam châm vĩnh cửu.
  Dây quấn kiểu này luôn được đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu với ba vành trượt, gắn vào trục quay của rotor và được cách điện với trục. Ba chổi than cố định luôn tỳ trên vành trượt để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm bên ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
  Dòng điện một chiều DC từ một bộ kích bên ngoài hoặc từ một cầu diode được gắn trên trục rotor sẽ tạo ra một từ trường và cung cấp năng lượng cho cuộn dây của trường quay, đồng thời, dòng điện xoay chiều cung cấp năng lượng cho cuộn dây phần ứng.
  Rotor dây quấn hoạt động với tốc độ không đổi và có dòng khởi động thấp hơn, đồng thời, hiệu suất chạy của động cơ được cải thiện khi động cơ tăng tốc bởi sức cản bên ngoài giảm xuống.

• Dây quấn làm bằng dây điện từ, đặt trong các rãnh của lõi thép rotor. Dây quấn rotor gồm ba bộ dây, đặt lệch nhau 120 độ điện, đấu hình sao, ba đầu ngõ ra được nối với ba vành trượt bằng đồng. Ba vành trượt này được cách điện với nhau và với trục. Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngoài (điện trở này có thể là điện trở mở máy hoặc điện trở điều chỉnh tốc độ).

• Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn so với biến trở mở máy. Khi tăng điện trở tốc độ của động cơ sẽ giảm

Động cơ điện 3 pha là 1 dạng máy điện không đồng bộ chạy bằng dòng điện xoay chiều 3 pha, chủ yếu được sử dụng trong các ngành công nghiệp hoặc trong những dây chuyền sản xuất lớn, chẳng hạn như máy bơm ly tâm trục đứng, ly tâm trục ngang,...

Khi motor điện xoay chiều 3 pha được đem đấu nối vào lưới điện 3 pha thì từ trường quay cũng được tạo ra nhằm làm rotor quay trên trục. Chuyển động của rotor đã được trục máy thực hiện truyền ra ngoài và được dùng để vận hành các máy công cụ hay các cơ cấu chuyển động khác.

2) Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 3 pha

Nguyên lý hoạt động của một động cơ điện xoay chiều 3 pha là: khi ta tiến hành cho dòng điện 3 pha có tần số f vào trong 3 dây quấn stator, lập tức chúng sẽ tạo ra từ trường quay bên trong động cơ với tốc độ là n1 = 60f/ p. 

Từ trường quay này nằm bên trong động cơ sẽ giúp các bạn cắt lần lượt các thanh dẫn của phần dây quấn rotor cùng với cảm ứng của các sức điện động. Tuy nhiên, các dây quấn rotor cũng được tiến hành đấu nối kín mạch. Vì thế, sức điện động cảm ứng của động cơ điện 3 pha sẽ sinh ra dòng điện ở trong các thanh dẫn rotor. Lúc này, lực tác dụng tương hỗ của từ trường quay của máy cùng với thanh dẫn mang dòng điện rotor sẽ khiến cho rotor quay nhanh hơn với tốc độ n < n1, đồng thời nó và cùng chiều với n1.

Rotor n của động cơ điện 3 pha luôn có tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ vốn có của từ trường quay n1. Nếu tốc độ quay của chúng bằng nhau thì trong dây quấn rotor sẽ không còn tồn tại cả sức điện động lẫn dòng điện cảm ứng, lúc này lực điện từ sẽ = 0.

Hệ số trượt của tốc độ được tính bằng công thức: s = (n1-n)/ n1

Tốc độ của động cơ là: n= 60f/ p.(1-s) (vòng/ phút)

Từ công thức trên chúng ta thấy để thay đổi được tốc độ động cơ có 3 phương pháp:

1.    Thay đổi số cực động cơ P

2.    Thay đổi hệ số trượt s

3.    Thay đổi tần số f của điện áp đầu vào

Trong đó 2 phương pháp đầu khó thực hiện và không mang lại hiệu quả cao. Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số là phương pháp hiệu quả nhất. Biến tần là thiết bị dùng để thay đổi tần số của nguồn cung cấp đặt lên động cơ qua đó thay đổi tốc độ động cơ.

Biến tần có thể thay đổi tần số từ 0Hz đến 400Hz (một số dòng biến tần điều chỉnh tới 590Hz hoặc cao hơn). Chính vì vậy có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn bình thường so với chạy tần số 50Hz. Đối với các động cơ phổ thông thường cài đặt biến tần cho phép điều chỉnh tần số từ 0Hz - 60Hz.

Stator tạo ra từ trường xoay và sinh ra dòng điện cảm ứng trong Rotor. Lực từ tuân theo định luật Lorentz là lực của từ trường tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong Rotor.

Cực motor (pole) thể hiện tốc độ - vòng phút

• P 2: 2800 có thể dùng cho các máy cần 2800 – 3000 vòng /phút

• P 4: 1400 có thể dùng cho các máy cần 1400 -1500 vòng /phút

• 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

• Cực motor: 2,4,6…16: cực càng cao thì tốc độ máy càng thấp hơn, khi chế tạo phải dùng nhiều tôn hơn.

Những yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ động cơ 3 pha

Để có thể liệt kê những yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha, ta sẽ xét tới hai công thức sau:

Trong đó:

• N1 là tốc độ của từ trường (Stato), đơn vị vòng/phút

• N là tốc độ của máy (Rotor), đơn vị vòng/phút

• f là tần số của dòng điện xoay chiều được cung cấp, đơn vị Hz

• p là số cặp cực của động cơ

Dựa theo hai công thức ở trên, ta nhận thấy mối liên hệ tương quan giữa các đại lượng được biểu thị như sau:  N=f(f,p,s)

Theo đó, tốc độ của động cơ 3 pha sẽ phụ thuộc vào giá trị biến thiên của tần số, số cặp cực và hệ số trượt

Ảnh hưởng của phụ tải

Máy điện xoay chiều khi hoạt động ở chế độ động cơ thì tốc độ của máy sẽ nhỏ hơn tốc độ từ trường, sự chênh lệch này được gọi là hệ số trượt.

Động cơ khi làm việc có gắn phụ tải vào trục sẽ gây ra hệ số trượt, giá trị của hệ số này càng lớn khi trọng lượng của tải càng nặng, đạt đến đầy tải thì tốc độ của máy là chậm nhất.

Ảnh hưởng của tần số

Từ công thức liên hệ, có thể thấy khi tăng giá trị của tần số sẽ làm cho tốc độ quay ở ngõ ra của động cơ nhanh hơn và ngược lại.

Thực tế nếu chỉ thay đổi tần số sẽ dẫn đến từ thông trong mạch biến thiên nên các nhà sản xuất mong muốn giữ cho giá trị từ thông là không đổi để mạch từ luôn ở trạng thái định mức, điều này sẽ phải giữ cho tỉ số giữa điện áp và tần số là một hằng số nên cần phải điều chỉnh đồng thời cả điện áp.

Việc thay đổi tần số nhằm điều chỉnh tốc độ động cơ 3 pha có thể nói là rất quan trọng và hữu ích nhất hiện nay. Đây là nguyên lý được ứng dụng trong các bộ biến tần đang được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống như băng tải, máy nén khí, cầu trục…với mục đích là tạo ra tốc độ cần thiết cho việc điều khiển. Nguyên nhân đến từ việc điều chỉnh tần số sẽ cho phép điều chỉnh tốc độ vô cấp và đáp ứng phù hợp với nhiều loại tải, có thể tạo ra đặc tính tốt cho nhiều động cơ và hiệu suất cũng rất cao.

Ảnh hưởng của số cặp cực

Nếu giữ nguyên tần số được cung cấp và biến thiên hai đại lượng còn lại thì tốc độ của động cơ sẽ tỉ lệ nghịch với số cặp cực có trong Stato. Việc thêm hoặc bớt số cặp cực sẽ làm tăng hoặc giảm moment xoắn, vì vậy khi moment xoắn càng lớn thì tốc độ quay của động cơ càng chậm.

Ảnh hưởng của số cặp cực được thể hiện rõ nhất ở động cơ không đồng bộ 3 pha nhiều cấp tốc độ. Bằng cách thay đổi số cặp cực từ sẽ có thể điều chỉnh tốc độ ngõ ra của trục động cơ của một số loại máy móc như máy luyện kim, máy tàu thuỷ…Tuy nhiên, phương pháp này chỉ sử dụng đối với rotor lồng sóc.

Một số cặp cực thường được sử dụng trong các động cơ không đồng bộ là 1 cặp cực (2 cực), 2 cặp cực (4 cực), 3 cặp cực (6 cực) và 4 cặp cực (8 cực). Tuy nhiên, chúng ta sẽ gặp nhiều loại động cơ có 2 hoặc 4 cực hơn vì chi phí sản xuất cho 6 và 8 cực khá cao cũng như nhu cầu đáp ứng là không thật sự cần thiết.

Ảnh hưởng của điện áp

Ảnh hưởng của điện áp tới tốc độ động cơ 3 pha chỉ có tác động khi động cơ có mang tải, còn khi không mang tải mà có sự giảm điện áp nguồn thì tốc độ động cơ lúc này cũng gần như không thay đổi.

F=I×L×B×sin(θ) 

Khi động cơ khởi động, điện áp ở đầu vào thường không thay đổi, nhưng điện trở và cảm kháng có thể ảnh hưởng đến dòng điện, đặc biệt khi rotor chưa quay (độ trượt lớn), khiến dòng điện stator tăng cao đáng kể. 

Khi động cơ khởi động, điện áp ở đầu vào thường không thay đổi, nhưng điện trở và cảm kháng có thể ảnh hưởng đến dòng điện, đặc biệt khi rotor chưa quay (độ trượt lớn), khiến dòng điện stator tăng cao đáng kể. 

Lực Lorentz là lực tác động trực tiếp lên các hạt mang điện (như electron) khi chúng chuyển động trong một từ trường. Trong động cơ AC cảm ứng, có hai cách để hiểu về lực từ sinh ra và cách nó tác động lên rotor:

1. Lực Lorentz và các điện tích chuyển động:

• Khi từ trường quay của stator cắt qua rotor, các hạt mang điện trong rotor (các electron trong các thanh dẫn) sẽ chuyển động. Theo định luật Faraday, một dòng điện cảm ứng được tạo ra trong các thanh dẫn này.

• Khi dòng điện chạy qua, các hạt mang điện trong rotor sẽ chuyển động với vận tốc v\mathbf{v}v.

• Từ trường quay của stator có cường độ B\mathbf{B}B. Lực Lorentz tác động lên các hạt mang điện có thể được mô tả bằng công thức: F=q(v×B)\mathbf{F} = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})F=q(v×B)

• Ở đây, qqq là điện tích của hạt, v\mathbf{v}v là vận tốc của hạt, và B\mathbf{B}B là vectơ từ trường.

• Lực Lorentz này là lực trực tiếp tác động lên các điện tích đang chuyển động trong rotor, khiến các thanh dẫn trong rotor chịu một lực, dẫn đến rotor quay.

2. Tương tác giữa từ trường stator và từ trường rotor:

• Khi dòng điện được cảm ứng trong rotor, nó tạo ra một từ trường riêng gọi là từ trường rotor.

• Từ trường rotor tương tác với từ trường quay của stator. Tương tác này có thể được hiểu thông qua lực từ mà các từ trường tác động lên nhau.

• Tương tác giữa hai từ trường này có xu hướng đồng bộ hóa chuyển động của rotor với từ trường quay của stator, nghĩa là rotor sẽ quay theo hướng của từ trường quay để giảm thiểu sự chênh lệch giữa chúng.

Tóm tắt:

• Lực Lorentz: Là lực tác động trực tiếp lên các điện tích chuyển động trong rotor do từ trường quay của stator. Đây là lực sinh ra do sự tương tác giữa từ trường stator và các hạt điện tích chuyển động trong rotor.

• Tương tác từ trường: Là sự tương tác giữa từ trường quay của stator và từ trường cảm ứng trong rotor, tạo ra một mômen làm rotor quay.

Cả hai cách tiếp cận đều liên quan đến việc tạo ra lực từ, dẫn đến sự quay của rotor trong động cơ AC cảm ứng.

Trở kháng stator

Back EMF

Slip

Công suất

Phân tích sự hình thành và tác dụng của Back EMF trong động cơ cảm ứng 3 pha rotor lồng sóc?

1. Sự hình thành Back EMF:

• Khái niệm Back EMF (Electromotive Force): Back EMF là điện áp tự cảm xuất hiện trong cuộn dây của động cơ cảm ứng khi nó hoạt động. Điện áp này được tạo ra bởi sự thay đổi từ trường từ cuộn dây của rotor và được gọi là “back” vì nó xuất hiện ngược lại với nguồn điện cấp cho động cơ.

• Quá trình hình thành: Khi động cơ cảm ứng ba pha hoạt động, dòng điện ba pha tạo ra từ trường quay trong stator (phần tĩnh). Rotor (phần quay) cảm nhận từ trường quay này, dẫn đến hiện tượng cảm ứng từ Faraday và tạo ra một dòng điện trong rotor. Dòng điện này tạo ra một từ trường trong rotor, và từ trường này tương tác với từ trường quay trong stator, dẫn đến việc tạo ra một điện áp ngược chiều, tức là Back EMF.

2. Tác dụng của Back EMF:

• Giảm dòng điện: Back EMF có tác dụng làm giảm dòng điện chạy qua cuộn dây stator của động cơ. Khi động cơ quay nhanh hơn, Back EMF tăng lên, và điều này dẫn đến việc giảm hiệu ứng của điện áp nguồn đối với dòng điện trong stator. Tóm lại, Back EMF giúp tự điều chỉnh dòng điện để giữ cho động cơ hoạt động ổn định.

• Điều chỉnh tốc độ động cơ: Back EMF là một yếu tố quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ. Khi động cơ quay với tốc độ cao, Back EMF tăng lên và làm giảm dòng điện qua stator, giúp hạn chế tăng tốc độ quá mức và giữ cho động cơ không bị quá tải.

• Hiệu suất hoạt động: Back EMF đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất của động cơ. Một động cơ với Back EMF cao thường có hiệu suất tốt hơn vì nó tiêu tốn ít điện năng hơn để duy trì hoạt động ở tốc độ cụ thể.

• Bảo vệ động cơ: Back EMF giúp bảo vệ động cơ khỏi tình trạng quá tải. Nếu Back EMF không có, dòng điện trong stator có thể tăng quá mức và gây hư hỏng cho cuộn dây và các thành phần khác của động cơ.

• Tính ổn định: Trong các hệ thống điều khiển động cơ, Back EMF cung cấp thông tin về tốc độ và tình trạng hoạt động của động cơ. Điều này rất quan trọng trong các hệ thống điều khiển vòng kín để duy trì sự ổn định và chính xác của động cơ.

Tóm lại, Back EMF là một yếu tố không thể thiếu trong động cơ cảm ứng ba pha rotor lồng sóc. Nó không chỉ giúp giảm dòng điện và bảo vệ động cơ, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ và hiệu suất hoạt động của động cơ.