Nghiên cứu ảnh hưởng răng, rãnh, khe hở không khí, và các thông số khác tới khả năng quá tải của động cơ không đồng bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------------

VŨ ĐỨC TRỌNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG RĂNG, RÃNH, KHE HỞ
KHÔNG KHÍ TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA
ĐCKĐB

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

HÀ NỘI - Năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------------

VŨ ĐỨC TRỌNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG RĂNG, RÃNH, KHE HỞ
KHÔNG KHÍ TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA
ĐCKĐB

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. PHẠM HÙNG PHI

HÀ NỘI – Năm 2014


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

LỜI CAM ĐOAN
Sau một thời gian tôi nghiên cứu và học tập tại Viện Điện, Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS. Phạm Hùng
Phi - Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi đã hoàn thành được bản luận văn này. Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của
luận văn mà tôi thực hiện trong thời gian vừa qua là trung thực, không sao chép của
ai, có nguồn trích dẫn tài liệu rõ ràng và chưa được công bố trong công trình nghiên
cứu nào khác.
Hà Nội, tháng 03 năm 2014
Học viên

Vũ Đức Trọng

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang i

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội. Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc của mình tới thầy giáo TS. Phạm
Hùng Phi - Bộ môn Thiết bị điện - điện tử, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội. Với những kiến thức, kinh nghiệm quý báu của mình, thầy đã giúp đỡ và chỉ
bảo cho tôi để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn theo đúng thời hạn mà nhà trường
cũng như bộ môn giao cho.
Qua đây cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Đào tạo Sau đại học, đến
các thầy, cô giáo tham gia giảng dạy khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn những
nhận xét, đóng góp ý kiến thiết thực của các thầy, cô giáo trong bộ môn Thiết bị điệnđiện tử, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo, các nhà khoa học chấm phản
biện, các thầy, cô giáo trong hội đồng bảo vệ và tất cả các đồng nghiệp đã cho những
nhận xét quý báu để luận văn được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè tôi và đơn vị chủ
quản đã luôn luôn động viên, giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và làm luận văn.
Hà Nội, tháng 03 năm 2014
Học viên

Vũ Đức Trọng

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang ii

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT .........................................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................... viii
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ..........................1
1.1 LỊCH SỬ RA ĐỜI, PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ. ..............................................................................................1
1.2

CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. .....................................2

1.2.1.

Phần tĩnh hay stator. ............................................................................3

1.2.2.

Phần động hay rotor. ...........................................................................4

1.3

MÔ HÌNH TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. ................5

1.3.1.

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ. ...............................5

1.3.2.

Mô hình của động cơ không đồng bộ. .................................................6

1.4

ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. ................8

1.4.1.

Phương trình đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ. .....................8

1.4.2.
Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ của động cơ không đồng
bộ…………….. .................................................................................................13
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1......................................................................................14
CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI
CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.....................................................................15
2.1. CÁC ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ. ............................................................................................15
2.1.1.
Mối quan hệ trong biến đổi năng lượng điện cơ của động cơ không
đồng bộ……. .....................................................................................................15
2.1.2.

Khả năng quá tải của động cơ không đồng bộ. .................................16

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang iii

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

2.2. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TỚI ĐIỆN KHÁNG TẢN VÀ ĐIỆN
TRỞ ROTOR TRONG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ....................................17
2.2.1.

Sự thay đổi các thông số do hiện tượng hiệu bề ứng mặt ngoài. ......17

2.2.2.

Ảnh hưởng của bão hòa răng đến giá trị điện kháng tản. ..................19

2.3. BIỆN PHÁP THAY ĐỔI KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ. ............................................................................................................22
2.3.1.

Điều chỉnh thông số liên quan đến hiệu ứng bề mặt. ........................22

2.3.2.

Điều chỉnh thông số liên quan tới sự bão hòa răng. ..........................26

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2......................................................................................29
CHƯƠNG 3: KIỂM NGHIỆM SỰ PHỤ THUỘC CỦA MÔ MEN CỰC ĐẠI VÀO
CÁC THÔNG SỐ. ....................................................................................................30
3.1. THÔNG SỐ YÊU CẦU ĐỘNG CƠ ĐƯỢC LỰA CHỌN THIẾT KẾ. .....30
3.2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỪ CỦA ĐỘNG CƠ.........................................30
3.2.1.

Các thông số chính của mạch từ. .......................................................30

3.2.2.

Cuộn dây stator. .................................................................................32

3.2.3.

Thiết kế răng- rãnh stator. .................................................................36

3.2.4.

Thiết kế răng- rãnh rotor. ..................................................................38

3.2.5.

Tính toàn vành ngắn mạch. ...............................................................41

3.2.6.

Kiểm định thông số thiết kế trong phần mềm RMxprt .....................41

3.3. PHÂN TÍCH MỐI QUAN HỆ GIỮA KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA ĐỘNG
CƠ VÀ CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ .................................................................52
3.3.1.

Lựa chọn thông số điều chỉnh. ..........................................................52

3.3.2.
Phân tích mối quan hệ giữa momen và kích thước miệng rãnh rotor
trên RMxprt và Maxwell 2D. ............................................................................52
3.3.3.
Phân tích mối quan hệ giữa momen và kích thước miệng rãnh stator
trên RMxprt và Maxwell. ..................................................................................56
3.3.4.
Phân tích mối quan hệ giữa momen và độ dài khe hở không trên
RMxprt và Maxwell. .........................................................................................61
Kết luận chương 3 .................................................................................................63
KẾT LUẬN ...............................................................................................................64

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang iv

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

PHỤ LỤC ..................................................................................................................65
A.

B.

PHẦN MỀM ANSOFT MAXWELL VÀ ỨNG DỤNG. ...........................65
1.

Giới thiệu chung về Ansoft Maxwell. ......................................................65

2.

Các thông số ban đầu được nhập vào trong phần mềm RMxprt ..............66
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. ...................................................68

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang v

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT
Ký hiệu
a

Ý nghĩa
Độ rộng của vòng ngắn mạch

b

Chiều cao của vòng ngắn mạch

bs0(b4)

Bề rộng miệng rãnh stator

bs0r(b4r)

Bề rộng miệng rãnh rotor

bs1

Đường kính nhỏ của rãnh stator

bs1r

Đường kính nhỏ của rãnh rotor

bs2r

Đường kính lớn của rãnh rotor

bs2

Đường kính lớn của rãnh stator

btr

Độ rộng răng rotor

bts

Bề rộng của răng stator

cosφdm1

Hệ số công suất định mức

f1

Tần số định mức của động cơ

δ
hcs

Chiều dài khe hở không khí
Chiều cao gông stator

hs0(h4)

Chiều cao miệng rãnh

hs0r(h4r)

Chiều cao miệng rãnh rotor

hs2

Chiều cao rãnh stator

hs2

Chiều cao phần thẳng của rãnh stator

hs2r

Chiều cao phần thẳng của rãnh rotor

Kdq1

Hệ số dây quấn stator

Kf

Hệ số hình dáng sóng

KFe

Hệ số ép chặt lõi sắt stator

Kfill

Hệ số điền đầy rãnh

Kq

Hệ số quấn rải ở tần số cơ bản

KR

Hăng số đặc trưng cho hiệu ứng mặt ngoài

KX

Hệ số đặc trưng cho sự giảm điện kháng của rãnh
rotor

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang vi

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

Ky

Hệ số bước ngắn ở tần số cơ bản

m

Số pha của động cơ

Mc

Mô men cản động

Mdt

Mô men điện từ

Mj

Mô men tải

Mkd

Mô men khởi động

Mth

Mô men cực đại

R1

Điện trở một pha của stator

R2 ’

Điện trở rotor quy đổi về phía stator lúc động cơ

s

khởi động

Hệ số trượt

sth

Hệ số trượt tới hạn

W1

Số vòng dây trên một pha của động cơ

X1

Điện kháng tản stator

X2’

Điện kháng tản rotor quy đổi về stator

Xm

Điện kháng từ hóa

β

Hệ số bước ngắn   y / 

ηdm

Hiệu suất định mức của động cơ

λ
λd1

Tỉ số giữa chiều dài tác dụng stator và độ dài cung
cực từ

λd2
λr1bh

Hệ số từ dẫn tản khi không xét đến bão hòa từ và
hiệu ứng bề mặt rotor
Hệ số từ dẫn tản rãnh khi bão hòa stator

λr2ζbh
λt1bh

Hệ số từ dẫn tản rãnh khi bão hòa từ và hiệu ứng
bề mặt rotor

λt2ζbh
ρ

Hệ số từ dẫn tản khi không xét đến bão hòa stator

Hệ số từ dẫn tản răng khi bão hòa stator
Hệ số từ dẫn tản răng khi bão hòa từ và hiệu ứng

bề mặt rotor

Điện trở suất

τ

Độ dài cung cực từ

τr

Khoảng cách giữa các rãnh rotor

τs

Bước rãnh trên stator

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang vii

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ phân loại động cơ điện ......................................................................1
Hình 1.2: Tổng giá trị sản phẩm động cơ điện thị trường Bắc Mỹ năm 2007 ............2

Hình 1.3: Cấu tạo đặc trưng động cơ không đồng bộ .................................................3
Hình 1.4: Kết cấu cơ bản của động cơ không đồng bộ kiểu rotor lồng sóc ................3
Hình 1.5: Lõi thép stator và rotor động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc .................4
Hình 1.6: Phần động của động cơ không độ bộ ..........................................................5
Hình 1.7: Mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ .......................................7
Hình 1.8: Giản đồ năng lượng trong động cơ không đồng bộ ....................................8
Hình 1.9. Sơ đồ thay thế máy điện không đồng bộ hình Γ .........................................9
Hình 1.10: Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ ...............................................11
Hình 1.11: Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ .........................................13
Hình 2.1: Ảnh hưởng hiện tượng hiệu ứng bề mặt trong rãnh ..................................18
Hình 2.2: Đường cong φ, ψ = f(ζ) .............................................................................18
Hình 2.3: Mật độ phân bố đường sức từ trong máy điện không đồng bộ .................20
Hình 2.4: Kích thước rãnh rotor dùng để xác định chiều sâu quy đổi ......................24
Hình 2.5: Kích thước rãnh rotor dùng để xác định điện kháng tản rotor ..................26
Hình 2.6: Đồ thị hàm kβ = f(β) ..................................................................................27
Hình 2.7: Ảnh hưởng của thông số đầu răng của các loại răng stator ......................28
Hình 3.1: Sơ đồ dây quấn của stator .........................................................................33
Hình 3.2: Quan hệ giữa hệ số bão hòa với hệ số cung cực từ và hệ số sóng ............34
Hình 3.3: Kích thước cơ bản của rãnh stator ............................................................36
Hình 3.4: Kích thước cơ bản rãnh rotor ....................................................................38
Hình 3.5: Mặt cắt ngang vòng ngắn mạch ................................................................41
Hình 3.6: Cấu trúc lá thép và dây quấn được thiết kế ...............................................42
Hình 3.7: Dòng điện stator theo tốc độ .....................................................................48
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang viii

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

Hình 3.8: Hiệu suất theo tốc độ .................................................................................48
Hình 3.9: Hệ số công suất theo tốc độ ......................................................................49
Hình 3.10: Công suất ra đầu trục theo tốc độ............................................................49
Hình 3.11: Momen theo tốc độ .................................................................................49
Hình 3.11: Momen theo hệ số trượt ..........................................................................49
Hình 3.12: Mô men của động cơ khi mảng tải định mức .........................................50
Hình 3.13: Tốc độ của động cơ khi mang tải định mức ............................................50
Hình 3.14: Dòng điện của stator của động cơ khi mang tải định mức ......................50
Hình 3.15: Giá trị tổn hao lõi khi động cơ mang tải định mức .................................50
Hình 3.16: Phân bố mật độ dòng điện khi khởi động ...............................................51
Hình 3.17: Phân bố mật độ từ trường khi động cơ khởi động ..................................51
Hình 3.18: Phân bố mật độ dòng điện khi động cơ làm việc ổn định .......................51
Hình 3.19: Phân bố mật độ từ trường khi động cơ làm việc ổn định ........................51
Hình 3.20: Giá trị mô men cực đại theo kích thước miệng rãnh rotor ......................52
Hình 3.21: Giá trị dòng điện cực đại theo kích thước miệng rãnh rotor ...................52
Hình 3.22: Giá trị mô men khởi động theo kích thước miệng rãnh rotor .................53
Hình 3.23: Giá trị tốc độ định mức theo kích thước miệng rãnh rotor .....................53
Hình 3.24:Mô men theo tốc độ với sự thay đổi của miệng rãnh rotor ......................54
Hình 3.25: Dòng điện stator theo tốc độ thay đổi theo miệng rãnh rotor .................54
Hình 3.26: Hiệu suất động cơ theo sự thay đổi của miệng rãnh rotor ......................55
Hình 3.27: Mô men cực đại theo độ rộng miệng rãnh rotor .....................................55
Hình 3.28: Mô men cực đại theo độ cao miệng rãnh rotor .......................................56
Hình 3.29: Giá trị mô men cực đại theo kích thước miệng rãnh stator.....................57
Hình 3.30: Giá trị dòng điện cực đại theo kích thước miệng rãnh stator ..................57
Hình 3.31: Giá trị mô men khởi động theo kích thước miệng rãnh stator ................57
Hình 3.32: Giá trị tốc độ định mức theo kích thước miệng rãnh stator ....................57

Hình 3.33:Mô men theo tốc độ với sự thay đổi của miệng rãnh stator .....................58
Hình 3.34: Dòng điện stator theo tốc độ với thay đổi theo miệng rãnh stator ..........59

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang ix

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

Hình 3.35: Hiệu suất động cơ theo sự thay đổi của miệng rãnh stator .....................59
Hình 3.36: Mô men cực đại theo độ rộng miệng rãnh stator ....................................60
Hình 3.37: Mô men cực đại theo độ cao miệng rãnh stator ......................................60
Hình 3.38:Mô men theo tốc độ với sự thay đổi độ dài khe hở không khí ................61
Hình 3.39: Dòng điện stator theo tốc độ với thay đổi độ dài khe hở không khí .......62
Hình 3.40: Hiệu suất động cơ theo sự thay đổi của độ dài khe hở không khí ..........62
Hình 3.41: Mô men cực đại theo đường kính ngoài rotor ........................................63
Hình A1: Ứng dụng phần mềm RMxprt& Maxwell 2D/3D .....................................65
Hình A.3: Đặc tính B-H vật liệu được dùng thiết kế động cơ của luận văn .............67

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang x

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay yêu cầu về khả năng làm việc cũng như hiệu suất sử dụng của động
cơ ngày càng cao khi giá thành năng lượng gia tăng, cùng với ứng dụng của các nguồn
động lực từ động cơ điện đang dần thay thế cho các nguồn động lực sử dụng dạng
năng lượng khác. Do đó vấn đề nghiên cứu giải pháp thiết kế để nâng cao khả năng
hoạt động cho nguồn động lực này là một yêu cầu thực tế.
Động cơ không đồng bộ là loại động cơ điện có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo,
làm việc chắc chắn, ít hỏng hóc, giá thành thấp và có dải công suất rộng. Là một
nguồn động lực phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp cũng như dân dụng.
Vì vậy, nhằm nâng cao khả năng làm việc của động cơ không đồng bộ với mô
men quá tải lớn, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng răng, rãnh, khe hở
không khí tới khả năng quá tải của ĐCKĐB”
Luận văn này sẽ đi từ phân tích cấu trúc và đặc tính làm việc của động cơ
không đồng bộ, qua đó xác định các thông số ảnh hưởng đến giá trị mô men cực đại
và các thông số đặc tính khác từ đó đưa ra phương hướng điều chỉnh thiết kế nhằm
nâng cao khả năng quá tải của động cơ với nội dung cơ bản như sau:
-

Chương 1: “Tổng quan về động cơ không đồng bộ”- Giới thiệu sơ bộ quá trình
hình thành và ứng dụng của động cơ không đồng bộ. Xác định đặc tính làm
việc cùng với các thông số ảnh hưởng đến đặc tính làm việc.

-

Chương 2: “Ảnh hưởng của thiết kế tới khả năng quá tải của động cơ”- Nghiên

cứu mối quan hệ năng lượng điện cơ. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá
tải, qua đó nêu ra phương hướng nâng cao khả năng quá tải của động cơ không
đồng bộ.

-

Chương 3: “Kiểm nghiệm sự phục thuộc của mô men cực đại vào các thông
số thiết kế”- Kiểm nghiệm thiết kế của động cơ không đồng bộ ba pha rotor
lồng sóc cùng với phân tích ảnh hưởng của thông số miệng rãnh stator, rotor
và độ dài khe hở không khí tới khả năng quá tải của động cơ trên hai phần
mềm phần mềm RMxprt và Maxwell 2D.

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang xi

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Nội dung trong chương 1 nêu khái quát lịch sử ra đời, phân loại, cấu tạo,
nguyên lý làm việc và những ứng dụng của động cơ không đồng bộ. Xác định đặc
tính làm việc qua mô hình, nêu ra những yếu tố ảnh hưởng đến các đặc tính làm việc
và sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các thông số này.
1.1

LỊCH SỬ RA ĐỜI, PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ.

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại động cơ điện

Năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu
ảnh hưởng từ trường của dòng điện. Một năm sau đó, Michael Faraday đã khám phá
ra trường điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời. Faraday tiếp tục khám phá ra
cảm ứng điện từ năm 1831 nhưng phải đến 1833 thì Tesla mới phát minh ra động cơ
không độ bộ xoay chiều, đến ngày nay các thiết kế động cơ điện vẫn xây dựng theo
các lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla. Các động cơ điện được chia làm hai loại
cơ bản là động cơ xoay chiều và động cơ một chiều. Động cơ điện xoay chiều phổ
thông gồm hai nhóm chính là động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ theo sơ đồ
hình 1.1.
Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất. Ưu
điểm của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản (đặc biệt là động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc), làm việc chắc chắn, khả năng quá tải cao, hiệu suất cao, giá thành hạ,

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 1

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

có khả năng làm việc trong các mô trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao.
Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được ứng dụng với dải công suất
rộng từ vàn chục oát đến vài nghìn ki lô oát vì vậy như giá trị thị trường của động cơ
không đồng bộ chiếm một thị phần rất lớn trên thị trường động cơ thế giới ví dụ như
thị trường động cơ điện Bắc Mỹ với nền tản công nghệ phát triển.

Hình 1.2: Tổng giá trị sản phẩm động cơ điện thị trường Bắc Mỹ năm 2007

So với động cơ một chiều thì động cơ điện không đồng bộ có giá thành hạ, vận
hành tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới
điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.
Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế
các quá trình quá độ khó khăn. Riêng với động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc
có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn so với động cơ một chiều và động cơ không đồng
bộ rotor dây quấn. Tuy nhiên với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất, kỹ
thuật vi xử lý, vi điều khiển… nên việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
ngày càng hiệu quả. Vì vậy các hệ truyền động dùng động cơ không ngày càng chiếm
ưu thế.
1.2

CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.
Tùy theo đặc điểm của dạng thiết kế, kiểu điều khiển và mục đích sử dụng có

thể phân loại theo nhiều dạng khác nhau: kiểu hở, kiểu phòng nổ, rotor dây quấn,
rotor lồng sóc, dây quấn một pha, dây quấn hai pha hoặc dây quấn ba pha…

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 2

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

Đặc trưng của động cơ không đồng bộ cũng giống như các máy điện quay khác
gồm hai phần chính là phần tĩnh hay stator và phần động hay rotor.
Giữa rotor và stator là khe hở không khí. Có giá trị thích hợp để hạn chế dòng
điện từ hóa lấy từ lưới và thay đổi hệ số công suất của động cơ không đồng bộ.
Tuy nhiên do đặc điểm cấu tạo thì động cơ quay không đồng bộ thường được
thiết kế kiểu trụ với hai dạng chính là phần tĩnh (stator) nằm bên ngoài như hình 1.3a
và phần động (rotor) nằm bên ngoài như hình 1.3b.

Hình 1.3: Cấu tạo đặc trưng động cơ không đồng bộ

1.2.1. Phần tĩnh hay stator.
Vỏ máy

Hình 1.4: Kết cấu cơ bản của động cơ không đồng bộ kiểu rotor lồng sóc

1. Lõi thép stator; 2. Dây quấn stator; 3. Nắp máy; 4. Ổ bi; 5. Trục máy; 6. Hộp đấu
dây; 7. Lõi thép rotor; 8. Thân máy; 9. Quạt gió làm mát; 10. Hộp quạt.
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, vỏ máy không phải là mạch
dẫn từ, thường làm bằng gang. Với vỏ máy có công suất lớn (từ 1000 kW trở lên)
thường dùng thép tấm hàn lại.
Lõi sắt

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 3

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

Hình 1.5: Lõi thép stator và rotor động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường qua lõi sắt là từ trường quay, nên có tổn
hao, để giảm tổn hao người ta dùng thép kỹ thuật điện dày (0,35 ÷ 0,5 mm) ghép lại
với nhau. Mỗi lá thép kỹ thuật điện có sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện
xoáy gây ra.
Dây quấn stator
Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được được cách điện với
lõi sắt, dây quấn stator thường làm bằng đồng.
1.2.2. Phần động hay rotor.
Lõi sắt
Nói chung thì người ta dùng thép kỹ thuật điện như ở stator. Lõi sắt được ép
trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy. Phía ngoài của lá thép có xẻ
rãnh để đặt dây quấn.
Rotor và dây quấn của rotor
Rotor có hai loại chính của động cơ không đồng bộ được thiết kế với hai kiểu
là rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc.
-

Rotor kiểu dây quấn: Rotor có dây quấn giống như dây quấn stator. Dây quấn

ba pha của rotor thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối vào ba vành
trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than
có thể đấu với mạch điện bên ngoài, có thể thông qua chổi than đưa điện trở

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 4

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy,
điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi làm việc bình
thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch.
-

Rotor kiểu lồng sóc: Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng
đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành
ngắn mạch bằng đồng hay nhôm gọi là lồng sóc. Dây quấn lồng sóc không cần
cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất
tương đối lớn, rãnh rotor lồng sóc kép. Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor
thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục.

Hình 1.6: Phần động của động cơ không độ bộ

1.3

MÔ HÌNH TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.

1.3.1. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ.
Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây dẫn stator I1 thì trong khe hở không
khí xuất hiện từ trường quay với tộc độ
n1 

60 f1
p

Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi rotor
làm cảm ứng trong dây quấn rotor các sức điện động E2. Do rotor kín mạch lên trong
thanh dẫn rotor có dòng điện I2 chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với
từ thông của stator tạo thành từ thông khe hở không khí. Dòng điện trong dây quấn
rotor tác động với từ thông khe hở sinh ra mô men.

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 5

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

1.3.2. Mô hình của động cơ không đồng bộ.
Như mạch điện tương đương của stator như hình 1.7 ta thấy điện áp pha đặt

vào stator khác với suất điện động cảm ứng trên dây quấn stator bởi vì có điện áp rơi
trên trở kháng stator.
U1 = E1 + I1(R1+jX1)
Trong đó:

(1.1)

U1 :

điện áp pha đặt vào stator

E1:

suất điện động cảm ứng trên dây quấn stator

I1 :

dòng điện stator

R1:

điện trở pha dây quấn stator

X1 :

điện kháng pha stator

Dòng điện pha rotor:
I2 =

Trong đó:

sE 2
R 2 +jsX 2

(1.2)

E2:

suất điện động pha rotor lúc đứng yên

R2:

điện trở pha rotor

X2 :

điện kháng pha rotor

s=1-

n2
:
n1

n1:

tốc độ đồng bộ ở tần số f1, n2 là tốc độ của động cơ

hệ số trượt.

Tổng tổn hao đồng rotor:
pCu2 = 3I22R 2

(1.3)

Có thể được viết lại công thức tính dòng điện pha rotor ở trên bằng cách chia
cả tử và mẫu cho hệ số trượt s.

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 6

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

I2 =

E2

(1.4)

R2
+jX 2
s

Lúc này tổng tổn hao đồng rotor ứng với mạch điện tương đương của rotor:
P = 3I 2 2

R2
p
= Cu2
s
s

(1.5)

Hình 1.7: Mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ

Dòng điện I2 theo (1.2) là tại tần số f2, còn I2 theo (1.4) ứng với tần số f1 và
công suất điện từ quy đổi qua khe hở không khí (tức Pg) từ stator sang rotor và nó bao
gồm công suất cơ và công suất tổn hao trên dây quấn rotor(1.5).
P = Pg = 3I 2 2

R2
R


= 3I 2 2  R 2 + 2 1-s  
s
s



Năng lượng đầu vào là năng lượng điện được đưa vào stator của động cơ như
hình 1.8. Như vậy, ta có mạch điện tương đương biến đổi của rotor với điện trở phụ

1 -s
 biểu diễn công suất cơ được tạo ra bởi động cơ đưa qua trục.
 s 

thuộc tốc độ R 2 

P2 = Pcơ – Pf ̶ Pms
Để có thể nối mạch điện của stator và rotor lại với nhau thì phải làm cho E1 và
E2 tương đương. Với k = w1/w2 (số vòng dây tương ứng của stator và rotor). Như vậy
ta có:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 7

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

I2 ' =

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

I2
;
k

X2 ' = k 2 X2 ;

E1 = kE2 = E2';

R 2' = k 2 R 2

 1-s 
 1-s 
R 2'   = k 2 R 2  
 s 
 s 

Hình 1.8: Giản đồ năng lượng trong động cơ không đồng bộ

1.4

ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.

1.4.1. Phương trình đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ.
Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ta sử
dụng sơ đồ thay thế hình Γ như hình 1.9 với một số giả thiết:
-

Ba pha của động cơ là đối xứng, khe hở không khí là đồng đều.

-

Các thông số của động cơ không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rotor không
phụ thuộc vào tần số dòng điện. Mạch từ của máy điện chưa bão hòa nên các
điện kháng không đổi.

-

Tổng dẫn mạch từ hóa không đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc vào tải
mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator động cơ.

-

Bỏ qua tổn hao ma sát.

-

Điện áp lưới đối xứng hình sin.
Từ sơ đồ thay thế hình Γ ta dễ dàng tính được quan hệ của mômen điện từ của

máy so với hệ số trượt theo biểu thức 1.6:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 8

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

m1. p.U12 .
M đt 

r2/

s

2

2
r2/ 
2 f1.  r1  C1    x1  C1 x2/  
s



(1.6)

Đây chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ.

Hình 1.9. Sơ đồ thay thế máy điện không đồng bộ hình Γ




 //

Trong đó: U1 : trị số hiệu dụng của điện áp pha stator; I 00 , I1, I 2 : các dòng
điện từ hóa, dòng điện stator, dòng điện rotor đã quy đổi về phía stator; Zm, Z1 , Z 2/ :
tổng trở từ hóa và tác dụng của dây quấn stator và rotor đã quy đổi về phía stator;


C1  1 

Z1

; 1 : tốc độ quay của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ
Zm

1 

Với: p:

2 f1
p

số đôi cực từ của máy.

Nếu ta biểu diễn đặc tính theo công thức 1.6 trên đồ thị sẽ là đường cong như
hình 1.10. Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong này bằng cách giả phương
trình

dM
 0 , ta sẽ có của trị số của mômen và hệ số trượt tại điểm cực trị ký hiệu là
ds

M th , sth cụ thể là như sau:
sth  

C1r2/

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

/ 2
1 2

r   x1  C x
2
1

Trang 9

(1.7)



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

1
M th  
.
2C1

m1 pU12

(1.8)

2

2 f1.   r1  r12   x1  C1 x2/  




Trong hai biểu thức (1.7) và (1.8) dấu “+” ứng với chế độ động cơ; dấu “-”
ứng với chế độ máy phát. Do đó M th ở chế độ máy phát lớn hơn M th ở chế độ động
cơ. Thông thường r12 không vượt quá 5% x1  C1 x2/  nên có thể bỏ qua, như vậy ta
2

có:
m1 pU12
1
M th  
.
2C1 2 f1.  r1   x1  C1 x2/  



(1.9)

Ngoài ra khi nghiên cứu đặc tính động cơ không đồng bộ người ta quan tâm
nhiều tới trạng thái động cơ nên đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong
khoảng tốc độ 0  s  sth , gọi là đoạn đặc tính làm việc.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ có thể biểu diễn
thuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số giữa (1.7) và (1.9) và biến đổi ta có biểu thức 1.10
dưới đây:
M dt 

Trong đó:

a

2M th 1  a.sth 
s sth
  2a.sth
sth s

(1.10)

r1
C1r2/

Trong các động cơ điện không đồng bộ thường r1  r2/ và sth  0,1  0,2 nên asth
rất nhỏ so với các số hạng đứng trước nó, ta có thể viết công thức (1.10) như sau
(công thức Klox):
M dt 

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2 M th
sth s

s sth

Trang 10

(1.11)

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Trong đó:

M th 

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

r2'
sth 
xnm
m1 pU12
4 f1.xnm

Mômen trên trục động cơ không đồng bộ M2 thường nhỏ hơn mômen điện từ
một ít và bằng:
M j  M đt  M c

Trong đó:

Mc :

(2.12)

mômen không tải.

Do Mc rất nhỏ so với mômen trên đầu trục Mj nên đặc tính cơ của động
cơ không đồng bộ M j  f (n) có thể coi bằng M đt  f (n) , do đó đường đặc tính
cơ của động cơ không đồng bộ có dạng như đường đặc tính M dt  f ( s) vẽ ở
hình 1.10.
M

M thĐ

sthF
sthĐ

0

1

s

M thF

Hình 1.10: Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ

Trong chế độ động cơ điện (0và biến năng lượng điện thành năng lượng cơ, quá trình biến đổi này quyết định trạng
thái làm việc của động cơ điện không đồng bộ như hình 1.11.
Công suất cơ này có giá trị dương nếu mô men động cơ sinh ra cùng chiều với
tốc độ quay. Ngược lại, công suất cơ có giá trị âm khi mô men động cơ sinh ra ngược
chiều với tốc độ quay theo công thức 1.13.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trang 11

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Học viên: Vũ Đức Trọng

Lớp: 11BKTĐTBĐ-DK

M dt  M c  J *

Trong đó:

Mdt, Mc:

(1.13)

Mô men điện từ động cơ điện không đồng bộ, mô men

cản và mô nen quán tính

Với:

d
dt

.

GD 2
J
4g

hằng số quán tính.

g:

gia tốc trọng trường

G và D:

trọng lượng và đường kính phần động.

Tùy thuộc vào biến đổi năng lượng trong quá trình điện cơ thì trạng thái làm
việc của động cơ bao gồm trạng thái động cơ và trạng thái hãm.
Trạng thái hãm của động cơ không đồng bộ (1sinh, hãm ngược, hãm động năng. Tất cả các trạng thái hãm, động cơ lấy công suất
cơ từ tải và công suất điện từ từ lưới và biến thành tổn hao đồng trên rotor.
Trong quá trình khởi động động cơ điện không đồng bộ, mô men khởi động là
đặc tính chủ yếu nhất trong quá trình khởi động động cơ. Muốn cho động cơ khởi
động được thì mô men khởi động của động cơ phải lớn hơn mô men tải tĩnh và ma
sát tĩnh. Trong quá trình tăng tốc, phương trình cân bằng động về mô men tuân theo
công thức 1.13.
Khi bắt đầu mở máy thì rotor đứng yên, hệ số trượt s = 1 nên giá trị dòng điện
mở máy có thể tính theo công thức 1.14.
I kd 

U1
(r1  C1r2 )  ( x1  C1 x2 )2

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2

Trang 12

(1.14)

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật