bài tập lớn máy điện

Giới thiệu
Chào mừng bạn đến với các khóa học trong các chương trình giáo dục kỹ thuật của
Siemens, được thiết kế dành cho các nhà phân phối của chúng tôi để bán các sản
phẩm của Siemens được hiệu quả hơn. Khóa học này bao gồm các vấn đề cơ bản
của động cơ xoay chiều ba pha và các sản phẩm có liên quan
Sau khi hoàn thành khóa cơ bản về động cơ xoay chiều ba pha. Bạn có thể
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Giải thích các khái niệm về lực,quán tính,tốc độ và momen
Giải thích sự khác biệt giữa công và công suất
Mô tả cấu trúc của động cơ xoay chiều ba pha lồng sóc
Mô tả hoạt động của từ trường quay
Tính tốc độ đồng bộ, trượt, và tốc độ rotor
Vẽ đường momen khởi động, momen khi tăng tốc, không tải, và momenđầy
tải trên một đường cong momen NEMA
Áp dụng các yếu tố giảm tải theo yêu cầu của một ứng dụng
Mô tả mối quan hệ giữa V / Hz, mô-men xoắn và công suất
Kết nối động cơ xoay chiều giữa một ứng dụng và tải của nó
Xác định các vỏ máy NEMA và cấu hình lắp ráp
Mô tả Siemens NEMA và động cơ IEC

1


Động cơ xoay chiều
Động cơ AC được sử dụng trên toàn thế giới trong nhiều
ứng dụng để biến đổi điện năng thành cơ năng. Có nhiều
loại động cơ xoay chiều, nhưng khóa học này tập trung
vào động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ, loại động
cơ phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng công
nghiệp.
Một động cơ xoay chiều có thể là một phần của một máy
bơm hoặc quạt haykết nối với một số hình thức khác của
trang bị cơ khí như một máy cuộn, băng tải, hoặc máy
trộn. Siemens sản xuất nhiều loại động cơ AC. Ngoài
việc cung cấp thông tin cơ bản về động cơ xoay chiều nói
chung, khóa học này cũng bao quát tổng quan về động cơ
xoay chiều của Siemens

2


Lực và Chuyển động
Trước khi thảo luận về động cơ xoay chiều để hiểu một
số thuật ngữ cơ bản cần thiết liên quan đến hoạt động của
động cơ.
Nhiều những thuật ngữ này quen thuộc đối với chúng ta
trong văn cảnh khác nào đó. Trong khóa học chúng tôi sẽ
sử dung những thuật ngữ này áp dụng như thế nào với
động cơ xoay chiều ba pha
Lực

Hiểu theo nghĩa đơn giản, lực là một sự đẩy hay kéo.
Lực có thể được gây ra bởi điện từ, trọng lực, hoặc một
sự kết hợp của các tác nhân vật lý.
Hợp lực
Hợp lực là tổng vector của tất cả các lực tác dụng lên một
vật,bao gồm cả ma sát và trọng lực. Khi các lực dụng
cùng một hướng, chúng được thêm vào. Ví dụ, nếu 2 lực
10 pounds tác dụng lên cùng một hướng lực tổng sẽ là 20
pounds

3


Nếu 10 pounds lực được tác dụng theo một hướng và
lực 5 pounds tác dụng theo hướng ngược lại, tổng lực là 5
pounds và các đối tượng sẽ di chuyển theo hướng của lực
lượng lớn hơn.

Nếu 2 lực cùng phương và ngược hướng thì tổng lực là 0
và lực tác dụng lên vật là 0 và vật đứng yên

Momen
Momen là lực tác động lên một đối tượng và làm xoay.
Ví dụ, một lực tác động tới điểm cuối của một đòn bẩy
gây ra một tác động quay xung quanh điểm đặt
Momen bằng tích số giữa cánh tay đòn và lực tác động
M=F.r
4

Trong hệ thống tiếng anh thì đại lượng đo cho momen là
pound-feet (lb-ft) hoặc lb-inch (lb-in). Ví dụ nếu lực tác
động là 10 lbs và cánh tay đòn dài 1 foot thì momen thu
được là 10 lb-ft

Nếu giữ nguyên lực tác động và cánh tay đòn tăng lên 2
feet thì momen tác động là 20 lb-ft

Vận tốc
Vận tốc là tỷ số giữa quãng đường đi và thời gian cần để
đi hết quãng đường đó

Vận tốc dài
5


Vận tốc dài là quãng đường thẳng mà vật đi được trong
một đơn vị thời gian.
Vận tốc dài được thể hiện bằng đơn vị khoảng cách chia
thời gian ví dụ dặm một giờ hoặc mét mỗi giây. Nếu mất
2s để di chuyển 10 m thì vận tốc dài là 5m/s

Vận tốc góc
Vận tốc góc của một vật quay xác định mất bao lâu để
vật quay được một góc cố định. Vận tốc góc thường được
biễu diễn đơn vị vòng mỗi phút (RPM). Ví dụ, một vật
quay mười vòng cần 1 phút, có vận tốc góc là 10 RPM.

Gia tốc
Đối tượng có thể thay đổi tốc độ. Đặc trưng cho sự thay

đổi về tốc độ được gọi là gia tốc. Gia tốc chỉ xuất hiện
khi có lực tương tác trên đối tượng Đối tượng cũng có thể
thay đổi từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp.Điều này được
gọi là giảm tốc.Một đối tượng quay có thể tăng tốc từ 0
đến 20 RPM, hoặc giảm tốc độ từ 20RPM xuống 0 RPM.

6


Quán tính
Hệ thống cơ khí phải tuân theo luật quán tính. Luật quán
tính là đối tượng có xu hướng duy trì trạng thái hiện tại là
đứng yên hoặc chuyển động trừ khi có lực tác động từ
bên ngoài. Thuộc tính này làm thay đổi gia /làm giảm tốc
độ được gọi là momen quán tính. Đơn vị là lb-ft2
Ma sát
Ma sát xuất hiện khi những đối tượng tiếp xúc với một
vật thể khác. Như đã biết, khi thử để di chuyển một đối
tượng ngang qua bề mặt (của) đối tượng khác, Ma sát
tăng dẫn đến phải tăng lực tác động. Ma sát là một trong
những nguyên nhân quan trọng nhất của sự tổn hao năng
lượng trong máy.
Công
Bất cứ khi nào có một lực gây ra sự chuyển động, công
được hoàn thành. Công có thể được tính toán đơn giản
bằng việc nhân những lực mà tác động gây ra chuyển
động và quãng đường
Công = lực x quãng đường
Vì công là kết quả của lực tác động và quãng đường di
chuyển của vật,công phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Đơn vị

7


của công là newton-mét. Trong hệ thống đo lường của
anh thì công có đơn vị là foot-pounds(ft-lb)
Công suất
Một đại lượng thường dùng đó là công suất. Công suất là
tỉ số công thực hiện được chia cho thời gian thực hiện
Mã lực
Công suất được định nghĩa là foot-pounds /thời
gian,nhưng đơn vị hay thường dùng đó là mã lực. Đơn vị
này được sử dụng từ thế kỷ 19 và xây dựng bởi James
Watt. Watt đã bán những động cơ hơi nước và được hỏi
là 1 động cơ hơi nước có thể thay thế bao nhiêu con
ngựa. Ông ấy đã cho những con ngựa đi bộ kéo một cái
bánh xe sẽ nâng một trọng lượng. Ông phát hiện ra rằng
một con ngựa sẽ trung bình khoảng 550 foot-pound làm
việc mỗi giây. Theo đó, một mã lực tương đương với 550
foot-pound mỗi giây hoặc 33.000 foot-pound mỗi phút.

Khi áp dụng các khái niệm về mã lực cho động cơ, nó rất
hữu ích để xác định giá trị mã lực cho giá trị momen và
tốc độ. Khi momen được biễu diễn trong lb-ft và tốc độ
được thể hiện trong RPM, công thức sau đây có thể được
8


sử dụng để tính toán mã lực (HP). Lưu ý rằng sự gia
momen, tốc độ, hoặc cả hai tăng mã lực.

Review 1
1.

2.
3.
4.

5.
6.
7.

Nếu tác dụng 1 lực 20 pounds lên một hướng và tác
dụng 1 lực 5 pounds theo hướng ngược lại thì lực tổng
hợp là 15 pounds
Nếu lực tác dụng là
Nếu lực tác dụng là 40 pounds và cánh tay đòn là 2
feet. Momen là 80 lb-ft
Luật quán tính là đối tượng có xu hướng duy trì trạng
thái hiện tại là đứng yên hoặc chuyển động trừ khi có
lực tác động từ bên ngoài
Vận tốc dài bằng quãng đường chia cho thời gian
Vận tốc góc của một vật quay xác định mất bao lâu để
vật quay được một góc cố định
Sự thay đổi tốc độ của một đối tượng được gọi là gia
tốc

Cấu trúc của động cơ xoay chiều
Động cơ không đồng bộ thường được sử nhiều trong công
nghiệp. Loại động cơ này gồm 3 phần chính

rotor,stator,vỏ máy. Stator và rotor là phần làm việc,còn
vỏ máy bảo vệ stator và rotor.

9


Lõi stator
Stator là 1 phần mạch điện từ của động cơ. Lõi stator
được tạo ra của nhiều tấm kim loại mỏng, gọi là những
sự phân lớp. Sự phân lớp nhằm giảm bớt năng lượng tiêu
hao

10


Dây quấn stator
Các lõi thép được xếp chồng lên nhau tạo thành một
xilanh rỗng. Cuộn dây điện có bọc cách điện được chèn
vào các khe của lõi stator.Khi động cơ được lắp ráp vào
hoạt động, các cuộn dây statorđược kết nối trực tiếp với
nguồn điện. Mỗi nhóm củacuộn dây, cùng với lõi thép
bao quanh nó, trở thành một nam châm điện khi có dòng
điện chạy qua. Cảm ứng điện từ là các nguyên tắc cơ bản
của hoạt động của động cơ.

Cấu trúc rotor
Rotor là phần quay của động cơ điện . Loại phổ biến
nhất của rotor được sử dụng trong một động cơ ba pha
cảm ứng là rotor lồng sóc.

11


Một lõi rotor lồng sóc được thực hiện bằng cách chồng
thép mỏng để tạo thành một hình trụ.

Thay vì sử dụng cuộn dây như dây dẫn, thanh dẫn được
đặt vào các khe cách đều nhau xung quanh xi lanh. Hầu
hết các rôto lồng sóc được thực hiện bởi đúc nhôm để tạo
thành các thanh dẫn.
Vỏ máy
Vỏ máy để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator.Vỏ máy làm
bằng nhôm (ở máy
nhỏ), bằng gang hay thép đúc (ở máy lớn). Vỏ máy có
chân máy để cố định máy trên bệ, hai đầu có nắp máy để
đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn .

12


Vỏ máy bảo vệ các bộ phận của động cơ khỏi nước và
các yếu tố môi trường khác. Tùy vào động cơ làm việc ở
môi trường khác khác nhau có các loại vỏ máy thích hợp.
Trong khóa học này vỏ máy sẽ thảo luận chi tiết hơn ở
các phần sau

Review 2
1.
2.
3.

4.
5.

Xác định các thành phần sau đây từ các hình minh họa
Stator là 1 phần mạch điện từ của động cơ
Rotor là phần quay của động cơ điện
Loại phổ biến nhất của rotor được sử dụng trong một
động cơ ba pha cảm ứng là rotor lồng sóc.
Vỏ máy bảo vệ các bộ phận bên trong của động cơ từ
nước và các yếu tố môi trường khác.

Từ tính
Các đặc tính của từ tính đóng một vai trò quan trọng
trong hoạt động của một AC motor. Do đó, để hiểu
rõđộng cơ, bạn phải hiểu nam châm. Để bắt đầu, tất cả
13


các nam châm có hai cực. Chúng hút sắt và các thép, và
chúng tương tác với các nam châm khác.Thực tế này sau
đó được chứng minh bằng cách một kim la bàn với từ
trường của Trái đất.

Đường sức từ
Các lực hút đối tượng sắt hoặc thép tạo nên các đường
liên tục từ trường, được gọi là từ thông, chạy qua nam
châm, thoát khỏi cực bắc, và đi vào thông qua cực nam.
Mặc dù những dòng từ thông là vô hình, những tác động
của từ trường có thể trở thành hiện thực. Ví dụ, khi một
tờ giấy được đặt trên một nam châm và mạt sắt lỏng lẻo

nằm rải rác trên mặt giấy, các hồ sơ tự sắp xếp dọc theo
dòng vô hình của từ thông

Hút nhau khi khác cực
14


Đẩy nhau khi cùng cực

Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn, nó tạo ra một từ
trường xung quanh cuộn dây. Độ mạnh của từ trường tỉ lệ
thuận với cường độ dòng điện
Từ trường
Khi dòng điện chạy qua dây dẫn nó tạo một từ trường
xung quanh cuộn dây. Từ trường này tỉ lệ thuận với dòng
điện chạy qua cuộn dây

15


Quy tắc bàn tay trái
Quy tắc nắm bàn tay trái biễu diễn cách xác hướng giữa
dòng điện và từ trường được tạo ra. Nắm bàn tay sao cho
ngón tay cái chỉ chiều dòng điện chiều của các ngón tay
là chiều từ thông

Nam châm điện

16

Một nam châm điện có thể tạo ra bằng cách cho dòng
điện một chiều chạy qua một cuộn dây. Các đường từ
thông hình thành bởi dòng điện chạy qua cuộn dây kết
hợp tạo ra một từ trường. Trung tâm của cuộn dây được
gọi là một nam châm điện đơn giản. Nam châm điện đơn
giản có lõi không khí

Thêm một lõi sắt
Từ thông khi đưa thêm lõi sắt vào lòng cuộn dây mạnh
hơn so với không khí.

Số vòng dây
Độ mạnh của từ trường được tăng bằng cách thay đổi số
vòng dây. Tăng số vòng dây sẽ cho từ trường mạnh hơn
so với dòng điện như nhau

17


Review 3
1.
2.

3.
4.

Đường sức từ đi ra _______ của một nam châm và đi
vào
Trong hình minh họa dưới đây, nam châm nào sẽ hút

nhau và có nam châm nào sẽ đẩy nhau?

_______ xuất hiện xung quanh dây dẫn khi có dòng
điện chạy qua nó.
Điều nào sau đây sẽ làm tăng sức mạnh của từ trường
nam châm điện

A. Tăng dòng điện chạy qua
B. Tăng số vòng dây
C. Thêm một lõi sắt
18


D. Tất cả các phương án

Sự quay rotor
Nam châm vĩnh cửu
Để xem cách rotor hoạt động, một nam châm gắn trên
một trục có thể thay thế cho các rotor lồng sóc. Khi cuộn
dây stator được nạp năng lượng, từ trường quay xuất
hiện. Các nam châm có từ trường riêng của mình mà
tương tác với từ trường quay của stator.Cực bắc của từ
trường quay hút cực nam của nam châm, và cực nam của
từ trường quay hút cực bắc của nam châm . Khi từ trường
quay, nó kéo các nam châm quay cùng. Động cơ xoay
chiều sử dụng một nam châm vĩnh cửu cho một rotor
được gọi động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Có nghĩa
rằng sự quay rotor được đồng bộ với từ trường, và tốc độ
của rotor giống như tốc độ đồng bộ của động cơ.

Cuộn dây giống như một thanh dẫn rotor, đặt trong từ
trường, một điện áp cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây.
Các điện áp cảm ứng gây ra dòng điện trong dây dẫn.
Trong động cơ rotor lồng sóc , dòng điện chạy qua thanh
dẫn rotor và xung quanh vòng kín và tạo ra một từ trường
xung quanh mỗi thanh dẫn rotor.
Bởi vì các cuộn dây stator được nối với một nguồn AC,
dòng điện cảm ứng trong thanh rotor liên tục thay đổi và
19


các rotor lồng sóc trở thành một nam châm điện với cực
bắc và nam.
Hình minh họa sau đây cho thấy ngay lập tức khi quanh
co A1 là một cực bắc và cường độ từ trường của nó tăng
dần. Kết quả dòng từ thông chảy vào thanh dẫn rotor tạo
ra một cực nam. Điều này khiến động cơ xoay về phía
A1. Tại bất kỳ thời điểm nào, từ trường cho các cuộn dây
stator đang nỗ lực hút và chống lại lực đẩy các thanh
rotor khác.Điều này làm cho rotor quay, nhưng không
cùng với tốc độ đồng bộ của động cơ.

Đối với một động cơ ba pha không đồng bộ, từ trường
quay phải quay nhanh hơn so với các rotor để tạo ra dòng
điện trong rotor. Khi đó rotor ở trạng thái dừng, sự khác
biệt này rất lớn. Sau khi động cơ đã được chạy đủ lâu để
có được lên đến tốc độ làm viêc, sự khác biệt giữa tốc độ
đồng bộ của từ trường quay và tốc độ rotor là nhỏ hơn.Sự
khác biệt đó được gọi là trượt. Độ trượt là đại lượng cần
thiết để sản sinh ra momen. Độ trượt cũng phụ thuộc vào

20


tải. Độ rượt được thể hiện như một tỷ lệ phần trăm và có
thể được tính bằng công thức sau đây.

Động cơ đồng bộ
Một loại động cơ khac của động cơ xoay chiều ba pha đó
là động cơ đồng bộ. Một loại động cơ đồng bộ được xây
dựng giống như động cơ rotor lồng sóc. Ngoài thanh dẫn
rotor có các cuộn dây. Các cuộn dây được nối với dòng
điện một chiêu được cung qua các vành trượt và chổi
than
Khi động cơ khởi động điện áp xoay chiều được đặt vào
stator và khởi động như một động cơ lồng sóc

Review 4
1.Hình minh họa sau đây được dùng cho động cơ ba
pha gồm ____cực. Khi cuộn dây A1 là cực nam,cuộn
dây A2 là cực_______.

21


2.Tốc độ của từ trường quay bằng tốc độ_____ của
động cơ
3.Tốc độ đồng bộ của một động cơ 60Hz có bốn cực
là____RPM
4. Sự khác biệt về tốc độ giữa tốc độ đồng bộvà tốc độ

rotor được gọi là ______
5. Một động cơ 2 cực đang hoạt động trên một nguồn
cung cấp điện 60 Hz.Rotor quay với vận tốc 3450
RPM. Độ trượt là _______%.

Thông số kỹ thuật của động cơ
Các nhãn tên của một động cơ cung cấp thông tin quan
trọng cần thiết cho các ứng dụng thích hợp. Ví dụ sau
đây minh họa cho thấy các nhãn của của động cơ xoay
chiều ba pha 30 HP

22


Các thông tin sau đây sẽ giải thích các thông số của động
cơ
Điện áp nguồn và dòng điện đầy tải
Động cơ được thiết kế hoạt động ở điện áp tiêu chuẩn.
Trong nhãn này động cơ sử dụng điện áp cấp là xoay
chiều ba pha 460 V. Dòng điện đầy tải là 35 ampe
Tốc độ định mức và tần số
Tốc độ định mức là tốc độ động cơ khi làm việc với công
suất định mức khi động cơ được kết nối với tải
Hệ số làm việc
Hệ số làm việc là một số mà được nhân lên bởi mã lực
danh định của động cơ để xác định mã lực mà động cơ có
thể được vận hành. Bởi vậy, một động cơ được thiết kế
để vận hành bằng hoặc thấp hơn mã lực mã lực định mức
ghi trên nhãn có một hệ số làm việc 1.0
Lớp cách điên

NEMA định nghĩa các lớp cách điện động cơ để mô tả
khả năng cách điện động cơ để xử lý nhiệt.Có bốn lớp
cách điện là A, B, F, và H. Tất cả bốn lớp xác định nhiệt
23


độ tăng cho phép từ nhiệt độ môi trường xung quanh 40 °
C (104 ° F). Lớp B và F là phổ biến nhất được sử dụng.
Nhiệt độ môi trường là nhiệt độ của môi trường xung
quanh máy. Đây cũng là nhiệt độ của cuộn dây động cơ
trước khi khởi động động cơ, giả sử động cơ đã được
dừng lại đủ lâu.Nhiệt độ trong các cuộn dây bắt đầu tăng
lên khi đông cơ khởi đông. Sự kết hợp của nhiệt độ môi
trường và cho phép sự tăng nhiệt độ cân bằng với nhiệt
độ cuộn danh định cực đại. Nếu động cơ đang hoạt động
một nhiệt dộ cao hơn, tuổi thọ sẽ giảm. Tăng 10 ° C trên
nhiệt độ hoạt động tối đa cho phép có thể làm tuổi thọ
của động cơ giảm một nửa.
Hình minh họa sau đây cho thấy nhiệt độ cho phép tăng
cho động cơ hoạt động ở hệ số làm việc 1.0 không cao
hơn 3300 ft. Mỗi lớp cách nhiệt có một biên độ cho phép
để bù đắp cho điểm nóng của động cơ, một điểm tại trung
tâm các cuộn dây của động cơ nơi có nhiệt độ cao hơn.
Cho động cơ có hệ số làm việc là 1.15 cộng 10 oC cho
phép tăng nhiêt độ cho mỗi lớp cách ly
Hiệu suất động cơ
Hiệu suất động cơ là một vấn để ngày càng quan trọng
đặc biệt với động cơ xoay chiều. Sử dụng động cơ xoay
chiều hiệu quả là một vấn đề rất quan trọng bởi vì động
cơ xoay chiều ngày đang được sử dụng một cách rộng rãi

trong các ngành công nghiệp

Đặc điểm động cơ NEMA
Thiết kế động cơ tiêu chuẩn

24


Động cơ được thiết kế với các đặc tính tốc độ mômen để
phù hợp với các yêu cầu của ứng dụng. Bốn tiêu chuẩn
A, B, C và D.
Đường cong tốc độ- momen cho động cơ NEMA B
Bởi vì mômen động cơ thay đổi theo tốc độ, các mối
quan hệ giữa tốc độ và momen được thể hiện trong đồ
thị, được gọi là một đường cong tốc độ -momen. Đường
cong này cho thấy mômen của động cơ tỷ lệ phần trăm
của mômen đầy tải, phạm vi tốc độ của động cơ, tỷ lệ
phần trăm của tốc độ đồng bộ của nó
Momen khởi động
Đối với động cơ NEMA B momen khởi động xấp xỉ
150% momen đầy tải.
Momen kéo
Khi tăng tốc độ động cơ ,momen động cơ giảm nhẹ tới
điểm B trên đồ thị. Momen tại đây được gọi là momen
kéo. Đối với động cơ NEMA B,momen này thấp hơn so
với momen khởi động nhưng lớn hơn so với momen lúc
đầy tải
Momen dánh thủng
Là momen tối đa mà động cơ có thể đạt được mà vận tốc
không bị suy giảm. Khi tốc độ tăng từ điểm B tới điểm C

momen tăng lên một giá trị tối đa 200% momen đầy tải.
Giá trị tối đa này được gọi là momen đánh thủng. Trong
ví dụ này momen đánh thủng là 178,6 lb-ft

25