Xác định ảnh hưởng của giá trị điện dung c đến khả năng quá tải của

Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------

NGUYỄN THÀNH CHUNG

XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA GIÁ TRỊ ĐIỆN DUNG C
ĐẾN KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN DUNG

CHUYÊN NGHÀNH THIẾT BỊ ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHAN THỊ HUỆ

HÀ NỘI, NĂM 2013


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và chƣa công bố trong công trình khoa học
nào trƣớc đó.

Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi đều đƣợc
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả

Nguyễn Thành Chung


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng Đại học Bách khoa Hà
Nội. Tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật với đề tài: “ Xác định ảnh hưởng
của giá trị điện dung C đến khả năng quá tải của động cơ điện dung ”.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phan Thị Huệ đã tận tình hƣớng dẫn và tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Điện, Viện sau Đại học Trƣờng Đại học
Bách khoa Hà Nội đã đọc và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để luận văn của tôi
đƣợc hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Lãnh đạo, các đồng nghiệp
tại Công ty Điện lực Thái Bình nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất
để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bạn bè đồng nghiệp và gia đình
đã động viên khích lệ để hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày

tháng 9 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Thành Chung


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NGUYÊN VĂN

CHỮ VIẾT TẮT
KĐB

Không đồng bộ

STĐ

Sức từ động

SĐĐ

Sức điện động


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................

LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................
MỤC LỤC .....................................................................................................................
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT PHA, HAI PHA ........................4
1.1 Cơ sở lý thuyết của máy điện một pha ..............................................................4
1.1.1 Khái niệm chung ............................................................................................4
1.1.2 Điều kiện nhận đƣợc từ trƣờng quay tròn trong máy điện một pha...............6
1.2. Động cơ không đồng bộ một pha .....................................................................8
1.2.1 Khái niệm chung. ...........................................................................................8
1.2.2 Nguyên lý làm việc và các đặc điểm chính của động cơ một pha không
đồng bộ ....................................................................................................................9
1.2.3 Động cơ không đồng bộ một pha với điện trở khởi động ...........................16
1.2.4 Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động .....................................18
1.2.5 Động cơ không đồng bộ một pha với tụ làm việc ........................................19
1.2.6 Động cơ không đồng bộ 1 pha với tụ làm việc và tụ khởi động. .................20
1.2.7 Động cơ không đồng bộ 1 pha vòng chập....................................................21
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1..........................................................................................23
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ 1 PHA VỚI
CÔNG SUẤT CHO TRƢỚC. ...................................................................................24
2.1. Tính toán thiết kế động cơ một pha điện dung (vừa có tụ làm việc vừa có tụ
mở máy) công suất 370W .....................................................................................24
2.1.1. Các thông số định mức của động cơ ...........................................................24
2.1.2. Xác định kích thƣớc chủ yếu.......................................................................24
2.1.3. Dây quấn và gông stato ...............................................................................26
2.1.4. Rãnh và gông rôto .......................................................................................31
2.1.5. Trở kháng dây quấn stato và rôto ...............................................................33


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2.1.6. Tính toán mạch từ .......................................................................................37
2.1.7. Tính toán chế độ định mức..........................................................................39
2.1.8. Tính toán dây quấn phụ ...............................................................................40
2.1.9. Tính toán các tham số của động cơ ở chế độ định mức ..............................43
2.1.10. Tính toán tổn hao hiệu suất cosφ ..............................................................44
2.2. Chƣơng trình thiết kế .....................................................................................49
CHƢƠNG 3: THAY ĐỔI GIÁ TRỊ C KHÁC NHAU ĐỂ TÌM QUAN HỆ GIỮA
KHẢ NĂNG QUÁ TẢI VÀ GIÁ TRỊ CỦA C .........................................................68
3.1. Các thông số của động cơ ..............................................................................68
3.3. Khả năng quá tải của động cơ khi thay đổi giá trị tụ làm việc......................68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................72
PHỤ LỤC ..................................................................................................................73
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................77


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình máy điện 1 pha có hai cuộn dây trên stato……………………...4
Hình 1.2: Đồ thị véctơ STĐ ứng với điều kiện nhận từ trƣờng quay tròn. .................7
Hình 1.3: Động cơ một pha không ............................................................................10
đồng bộ khi roto đứng yên ........................................................................................10
Hình 1.4: Đặc tính cơ của động cơ............................................................................10
một pha không đồng bộ .............................................................................................10

Hình 1.5: Mạch điện thay thế tổng quát của động cơ không đồng bộ một pha (a) ...12
và khi không tải (b). ..................................................................................................12
Hình 1.6: a - Sơ đồ mạch điện của động cơ điện dung (trƣờng hợp chung); ............14
b – sơ đồ véc tơ khi từ trƣờng tròn ............................................................................14
Hình 1.7: Sơ đồ mắc mạch điện của động cơ không đồng bộ một pha với điện trở
khởi động...................................................................................................................16
Hình 1.8: Sơ đồ mắc mạch điện của động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi
động ...........................................................................................................................18
Hình 1.9: Sơ đồ mắc mạch điện của động cơ điện dung với tụ làm việc..................19
Hình 1.10: Sơ đồ mắc mạch điện của động cơ..........................................................20
với tụ khởi động và tụ làm việc.................................................................................20
Hình 1.11: Động cơ không đồng bộ một pha vòng chập: .........................................22
Hình 2.1: Rãnh Stato. ................................................................................................30
Hình 2.2: Cách điện rãnh Stato. ................................................................................31
Hình 2.3: Rãnh Roto. ................................................................................................31
Hình 2.4: Kích thƣớc vành ngắn mạch .....................................................................35
Hình 3.1: Đặc tính hiệu suất của động cơ khi thay đổi giá trị của tụ làm việc .........70


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài:
Hiện nay động cơ điện công suất nhỏ ngày nay đƣợc sử dụng rất phổ biến
trong các nghành công nghiệp, nông nghiệp, trong các thiết bị tự động và đặc biệt là
sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt hàng ngày của mỗi gia đình...
Trong tất cả các loại động cơ hiện nay thì động cơ không đồng bộ công suất

nhỏ rất đa dạng và phong phú về chủng loại và chức năng. Ngƣời ta giới hạn động
cơ công suất nhỏ từ trong khoảng vài phần oát đến 750W, nhƣng cũng có khi chế
tạo động cơ đến 1,5kW. Trong các trƣờng hợp khi độ tin cậy của động cơ đóng vai
trò quan trọng nhất còn yêu cầu mô men khởi động không quá cao, ngƣời ta thƣờng
dùng động cơ một pha với tụ làm việc mắc cố định. Ở những động cơ này cả hai
dây quấn luôn đƣợc nối với nguồn một pha. Cuộn chính nối trực tiếp với nguồn
(cuộn A), cuộn phụ (cuộn B) nối với nguồn qua tụ C.
Động cơ điện dung đóng một vai trò rất lớn, bởi vì nó có ƣu điểm là dùng
nguồn cấp một pha, hệ số cos cao, độ tin cậy cao…
Một vấn đề cần đƣợc quan tâm trong quá trình vận hành động cơ là khả năng
quá tải. Khả năng quá tải đƣợc đặc trƣng bởi thông số kmax = Mmax / Mđm. Đặc điểm
chung của ĐCKĐB là môm nen t lệ với bình phƣơng của điện áp nên khi điện áp
giảm mô men s bị giảm nhiều. Đối với động cơ một pha do tồn tại thành phần từ
trƣờng ngƣợc tạo nên mô men ngƣợc làm giảm mô men tổng dẫn đến khả năng quá
tải kém nhiều so với động cơ ba pha. Vì vậy tìm hiểu về khả năng quá tải của động
cơ một pha điện dung là vấn đề cần thiết. Đó chính là lý do tôi chọn đề tài “Xác
định ảnh hưởng của giá trị điện dung C đến khả năng quá tải của động cơ điện
dung”.

1


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2. Mục đích nghiên cứu:
Nghiên cứu về động cơ một pha điện dung, tính toán thiết kế và xây dựng
chƣơng trình tính toán thiết kế động cơ điện dung với tụ làm việc với các thông số
cho trƣớc. Thay đổi giá trị của tụ làm việc để tìm ra quan hệ giữa giá trị của tụ với

khả năng quá tải của động cơ.
3. Đối tượng nghiên cứu:
Động cơ điện không đồng bộ một pha điện dung.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu:
Ảnh hƣởng của giá trị tụ điện C đến khả năng quá tải của động cơ điện dung.
5. Giới hạn của đề tài:
Đề tài chỉ nghiên cứu về ảnh hƣởng của giá trị tụ điện C đến khả năng quá tải
của động cơ điện dung.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
Ngày nay trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp nói chung và trong phục
vụ đời sống gia đình nói riêng thì động cơ điện dung góp một phần rất quan trọng.
Khi nghiên cứu về động cơ điện dung thì khả năng quá tải của động cơ đóng một
vai trò quan trọng. Vì vậy đề tài nghiên cứu về ảnh hƣởng của giá trị tụ điện C đến
khả năng quá tải của động cơ điện dung s là cơ sở quan trọng để từ đó đƣa ra các
biện pháp nâng cao năng lực quá tải của động cơ điện dung trong công nghiệp và
đời sống hàng ngày.
7. Phương pháp nghiên cứu:
Ta sử dụng các phƣơng pháp nhƣ tham khảo sách giáo khoa, tài liệu... qua
mạng internet. Dùng lý thuyết kinh điển kết hợp các phƣơng pháp hiện đại nhƣ mô
phỏng dùng phần mềm matlab để giải quyết các yêu cầu của đề tài.

2


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

8. Bố cục luận văn:
Luận văn có gồm 3 chƣơng

 Chƣơng 1: Tổng quan về động cơ một pha, hai pha
 Chƣơng 2: Xây dựng chƣơng trình thiết kế động cơ một pha với công suất
cho trƣớc
 Chƣơng 3: Thay đổi giá trị C khác nhau để tìm quan hệ giữa khả năng quá tải
và giá trị của C.

3


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT PHA, HAI PHA
1.1. Cơ sở lý thuyết của máy điện một pha
1.1.1. Khái niệm chung
Hiện nay trong các sơ đồ tự động, điều khiển từ xa và trong tính toán đƣợc
các nhà nghiên cứu và sản xuất sử dụng ngày càng nhiều các động cơ điện một pha
công suất nhỏ và đƣợc gọi chung là máy điện một pha vì nguồn cấp là nguồn điện
xoay chiều chiều một pha.
Phần lớn các máy điện một pha đƣợc bố trí trên stato, hai cuộn dây A và B
tƣơng ứng vuông góc với nhau. Sự không đối xứng của máy thƣờng gây ra bởi số
vòng dây của hai cuộn dây khác nhau hoặc do hai cuộn dây chiếm số rãnh không
bằng nhau.
Trong thực tế, cả máy đối xứng và máy không đối xứng đều có thể làm việc
trong trạng thái đối xứng. Nghĩa là trong máy có từ trƣờng tròn.
Để nghiên cứu các quá trình vật lí xảy ra trong máy điện một pha có thể dùng
nhiều phƣơng pháp khác nhau, ở đây ta dùng phƣơng pháp các thành phần đối xứng.
Trên hình 1.1 v sơ đồ máy một pha
tổng quát. Máy gồm hai cuộn dây stato A và

B tƣơng ứng vuông góc nhau, chiếm số rãnh
nhƣ nhau NZA = NZB; có số vòng dây khác
nhau

=

và do đó điện trở và điện

kháng s khác nhau RA

RB ; XA

XB.(theo

mục 2.1; trang 13,14,15 TL[4])

Hình 1.1: Mô hình máy điện 1 pha
có hai cuộn dây trên stato.

Trong máy s có từ trƣờng quay tròn khi các điện áp

và

đặt vào hai

cuộn dây, lệch pha nhau về thời gian 1/4 chu kì khi (β = 90) và có trị số tỉ lệ thuận
với số vòng dây hiệu dụng, nghĩa là:

(1.1)
4

Luận văn thạc sỹ
Trong đó:

;

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
là số vòng dây thực tế của các cuộn dây.

kWA; kWB là hệ số dây quấn của các cuộn dây.
Điều kiện  = 90 chính là một trong hai điều kiện nhận đƣợc từ trƣờng tròn, còn
biểu thức (1.1) nhằm thoả mãn điều kiện còn lại A = B; hoặc FA = FB. Xuất phát
từ phƣơng trình cân bằng điện áp của các cuộn dây thì

(1.2)
(1.3)
Nếu bỏ qua điện áp rơi trên các tổng trở

và

ta có:

(1.4)
Rõ ràng điều kiện A = B s đƣợc thực hiện nếu:
(1.5)
Ý nghĩa vật lí của biểu thức 1.5 nhƣ sau:
Các từ thông trong hai cuộn dây A và B có các dòng điện xoay chiều cùng
tần số chạy qua s bằng nhau nếu nhƣ điện áp trên một vòng dây của chúng bằng
nhau.

Kết hợp hai điều kiện nhận đƣợc từ trƣờng quay tròn
FA = FB;
Ta có thể viết:

hoặc

j.

Từ đó rút ra:
(1.6)
Từ biểu thức 1.5 ta có:
(1.7)

5


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tỉ số giữa số vòng dây hiệu dụng cuộn dây B và số vòng dây hiệu dụng của
cuộn dây A đƣợc gọi là tỉ số biến áp

(1.8)
Thay (1.8) vào (1.7) ta đƣợc:

(1.9)
Điện áp

là điện áp cuộn dây B đã quy đổi về số vòng cuộn dây A.

Nhƣ vậy khi từ trƣờng quay là tròn thì điện áp trên cuộn dây A và điện áp rơi
trên cuộn dây B quy đổi về số vòng dây của cuộn dây A, phải bằng nhau.
Vì các điện áp và có trị số bằng nhau và lệch pha về thời gian một góc
90 nên ta có thể viết

(1.10)
Đây chính là điều kiện nhận từ trƣờng tròn viết dƣới dạng đẳng thức các điện
áp, một cách tƣơng tự, khi từ trƣờng là quay tròn, biểu thức (1.6) có thể viết dƣới
dạng,

hoặc

(1.11)
Điều kiện nhận đƣợc từ trƣờng tròn viết dƣới dạng đẳng thức các dòng điện

nhƣ sau,

hoặc là:

(1.12)

1.1.2 Điều kiện nhận đƣợc từ trƣờng quay tròn trong máy điện một pha
Từ trƣờng trong máy điện một pha chỉ là từ trƣờng quay tròn khi từ trƣờng
quay thuận hoặc từ trƣờng quay ngƣợc bằng 0, nghĩa là trong máy chỉ tồn tại một từ
trƣờng quay (thuận hoặc ngƣợc), STĐ của từ trƣờng, quay trong không gian với tốc
độ  = đb không đổi. Đầu mút của véc tơ STĐ v nên một vòng tròn. Giả sử có
F2 = 0 ta có :

6

Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hoặc:

(1.43)

Đẳng thức này đúng khi

hoặc
Vậy điều kiện nhận từ trƣờng quay tròn là :
(1.44)
(1.45)
Hai điều kiện này đƣợc minh hoạ trên hình 1.2 (hình 1.5, trang 10 TL[4])
Trên hình v , hai cuộn dây A và B
lệch nhau trong không gian một góc ;
dòng điện chạy trong các cuộn dây lệch pha
về thời gian một góc β và do đó các STĐ
FA và FB của hai cuộn dây lệch pha về thời
gian một góc β.

Để cho từ trƣờng quay ngƣợc bằng không
thì tổng hình học các thành phần của nó
phải bằng 0.

Hình 1.2: Đồ thị véctơ STĐ ứng với
điều kiện nhận từ trường quay tròn.

Điều đó chỉ xẩy ra khi các thành phần STĐ thứ tự ngƣợc của hai cuộn dây có
trị số bằng nhau và ngƣợc chiều nhau.
Giá trị STĐ của từ trƣờng quay (từ trƣờng quay thuận) dễ dàng xác định
đƣợc bằng cách thay vào biểu thức F1 các giá trị.
FAm = FBm = Ffm và  = 180 - β
Giá trị của từ trƣờng quay cũng có thể xác định trực tiếp từ hình 1.7, vì tứ giác
OKNM là hình thoi (FA1 = FB1) nên

7


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Mặt khác, khi từ trƣờng quay là từ trƣờng tròn thì :

Sau khi biến đổi ta đƣợc:
(1.46)
Đẳng thức này cho thấy, có thể nhận đƣợc từ trƣờng quay tròn với một góc 
bất kỳ, nhƣng từ trƣờng chỉ đạt cực đại khi  = 90 điện.
Nếu thay vào biểu thức (1.16) giá trị  = 180 - β thì ta đƣợc:
(1.47)
Đẳng thức này cho thấy, từ trƣờng chỉ đạt cực đại khi β = 90,
Vậy từ trƣờng chỉ đạt giá trị cực đại tuyệt đối, khi đổng thời  = 90 và β = 90;
ta có: F1max = FAm = FBm = Ffm

(1.48)

Trong thực tế hai cuộn dây đƣợc bố trí lệch nhau trong không gian một góc
 = 90, do đó các điều kiện (1.44) và (1.45) chuyển thành :
(1.49)
(1.50)
1.2. Động cơ không đồng bộ một pha
1.2.1 Khái niệm chung.
Động cơ động lực công suất nhỏ của hệ thống tự động phổ biến nhất hiện
nay là động cơ không đồng bộ, theo cấu tạo, đây là động cơ có rôto ngắn mạch
thƣờng có dạng lồng sóc, đôi khi đƣợc chế tạo thành dạng đặc hay rỗng làm từ gang
hoặc thép, nhằm nhận đƣợc đặc tính cơ mềm, tăng độ bền cơ của rôto khi quay
với vận tốc cao và giảm độ ồn của động cơ, động cơ không đồng bộ công suất nhỏ
với rôto dây quấn thƣờng không đƣợc chế tạo (theo mục 3.1; trang 34, 35 TL[4]).
Trong phần lớn các hệ thống tự động, động cơ động lực đƣợc nuôi bằng
nguồn điện không phải là ba pha, mà là một pha xoay chiều. Chính vì vậy, các động
cơ động lực xoay chiều chủ yếu là động cơ một pha. Động cơ ba pha trong hệ thống
tự động ít đƣợc sử dụng.

8


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Động cơ không đồng bộ một pha đƣợc gọi là một pha vì đƣợc nuôi bằng
nguồn điện một pha, nhƣng về cấu tạo trong phần lớn các trƣờng hợp là động cơ hai
pha. Chúng có hai cuộn dây trên stato, thƣờng lệch pha trong không gian một góc
90 điện. Một cuộn đƣợc nối trực tiếp với nguồn điện một pha còn gọi là cuộn làm
việc hay cuộn chính. Cuộn còn lại nối với nguồn một pha qua phần tử lệch pha
trong toàn bộ thời gian làm việc hoặc chỉ trong thời gian mở máy, gọi là cuộn phụ

hay cuộn khởi động, ở một số động cơ, cuộn phụ hoàn toàn không nối với nguồn,
sức điện động trong cuộn dây sinh ra bởi luồng từ thông của cuộn chính.
Phụ thuộc vào chủng loại của phần tử lệch pha và phƣơng pháp sử dụng
cuộn phụ (cuộn khởi động) mà động cơ không đồng bộ động lực công suất nhỏ có
thể phân vào năm nhóm:
1) Với điện trở khởi động,
2) Với tụ khởi động,
3) Với tụ khởi động và tụ làm việc,
4) Với tụ làm việc,
5) Với vòng ngắn mạch.
1.2.2 Nguyên lý làm việc và các đặc điểm chính của động cơ một pha không
đồng bộ
a) Nguyên lý tổng quát của động cơ một pha
Xét động không đồng bộ rôto ngắn mạch, trong rãnh stato đặt dây quấn
một pha đƣợc nuôi bằng nguồn điện xoay chiều hình sin. Dòng điện xoay chiều
chảy trong dây quấn stato tạo ra từ trƣờng đập mạch, có trục trùng với trục của cuộn
dây và có giá trị thay đổi từ +m đến -m
Khi rôto đứng yên s=1, từ trƣờng đập mạch cảm ứng trong rôto SĐĐ và
dòng điện tƣơng tự nhƣ ở cuộn thứ cấp của máy biến áp. Lực điện từ sinh ra bởi
sự tƣơng tác giữa dòng điện rôto và từ trƣờng stato, tác động lên rôto và cân bằng
lẫn nhau nên không tạo nên mô men quay (hình 1.3). Mômen quay của động cơ
một pha chỉ bằng không khi rôto đứng yên, nếu nhờ một lực bên ngoài làm cho rôto
rời khỏi vị trí đứng yên, nó s tự quay và tạo ra mô men quay nhất định.

9


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hình 1.3: Động cơ một pha không

Hình 1.4: Đặc tính cơ của động cơ

đồng bộ khi roto đứng yên

một pha không đồng bộ

Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của động cơ một pha ta phân tích STĐ từ
trƣờng đập mạch dây quấn một pha stato thành hai thành phần STĐ thứ tự thuận F1
và thứ tự nghịch F2, quay về hai phía ngƣợc nhau với tốc độ đồng bộ  và có cùng
biên độ F1 = F2 = F/2 (theo mục 3.2.1; trang 36,37 TL[4]).
Có thể coi sự làm việc của động cơ một pha không đồng bộ là sự làm việc
đồng thời của hai động cơ giống nhau có từ trƣờng quay tròn, nằm trên một trục, từ
trƣờng của một trong hai động cơ quay cùng chiều với rôto tạo ra mô men M1, từ
trƣờng của động cơ còn lại quay ngƣợc chiều với rôto sinh ra mô men M2.
Hệ số trƣợt của rôto ứng với từ trƣờng thứ tự thuận

Và hệ số trƣợt rôto ứng với từ trƣờng nghịch

trong đó : ndb - vận tốc quay đồng bộ của từ trƣờng ;
n - vận tốc quay của rôto.

10


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Khi rôto đứng yên s=1, từ trƣờng F1 và từ trƣờng F2 quay cùng vận tốc đồng
bộ về hai phía khác nhau, sinh ra mômen có cùng giá trị M1k và M2k nhƣng
ngƣợc chiều. Mô men tổng trở máy (s=1) M = 0, động cơ không có mô men khởi
động (hình 1.5).
Nếu nhờ một lực bên ngoài làm rôto quay, chẳng hạn cùng chiều với từ
trƣờng thứ tự thuận F1 thì s1 giảm và mômen thứ thự thuận M1 tăng ; đồng thời hệ
số trƣợt s2 tăng mômen thứ tự ngƣợc M2 giảm (hình 1.5). Mômen tổng tác động lên
rôto (M = M1 + M2) khác không và động cơ quay về phía từ trƣờng thuận.
Điểm đặc biệt của động cơ điện một pha không đồng bộ với hệ số trƣợt tới
hạn sk < 1 là rô to có thể quay về hai phía phụ thuộc vào chiều của lực bên ngoài
làm rôto rời khỏi vị trí nằm yên. Nhƣ vậy động cơ một pha không đồng bộ với
(s < 1) không có chế độ hãm điện từ. Chúng chỉ có chế độ động cơ khi n = 0 ÷ ndb
và chế độ máy phát khi n > ndb.
Do ảnh hƣởng của từ trƣờng thứ tự nghịch nên khác với động cơ không
đồng bộ ba pha đối xứng, giá trị của mômen cực đại trong động cơ một pha không
đồng bộ thay đổi khi điện trở của rôto thay đổi.
b) Sơ đồ thay thế của động cơ một pha không đồng bộ
Từ các biểu thức dòng điện thứ tự thuận và thứ tự nghịch của pha A có thể
dễ dàng nhận đƣợc sơ đồ mạch điện thay thế của động cơ một pha không đồng bộ.

Thay các giá trị UB = 0; ZB1 = ZB2 =  đối với động cơ một pha vào các biểu
thức trên và rút gọn, ta có
(1.51)
Dòng điện của pha A khi ngắt pha B hay là dòng điện của động cơ khi làm
việc với một pha

11

Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
(1.52)

Nhƣ vậy, tổng trở của động cơ một pha
(1.53)
Tổng trở ZA1, ZA2, có thể biểu diễn dƣới dạng tổng của các tổng trở của cuộn
stato và nhánh tƣơng đƣơng :
(1.54)
Suy ra tổng trở của động cơ Zdc tƣơng ứng với sơ đồ mạch điện thay thế trên
hình 1.5 (theo hình 3.4, trang 38 TL[4]).

Hình 1.5: Mạch điện thay thế tổng quát của động cơ không đồng bộ một pha (a)
và khi không tải (b).
Từ sơ đồ mạch điện thay thế trên, ta dễ dàng nhận thấy điện áp

và

thay đổi khi thay đổi tần số quay của rôto.
Khi mở máy (n = 0; s = 1)
Khi tăng tần số của rôto, điện áp thứ tự thuận
tăng và điện áp thứ tự nghịch

giảm do điện trở

12

tăng do điện trở
giảm.

Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Khi không tải lí tƣởng (n = ndb; s = 0), sơ đồ mạch điện thay thế có dạng nhƣ
hình 1.5b. Gần nhƣ tất cả điện áp

rơi trên tổng trở thứ tự thuận

. Nếu bỏ qua

các nhánh song song của tổng trở thứ tự nghịch thì tổng trở của động cơ một pha
khi không tải s là

Nếu không xét tới tổng trở dây quấn stato ZSA thì:

Điều đó giải thích tại sao dòng điện trong động cơ không đồng bộ một pha
thông thƣờng (sk < 1) có giá trị gấp 1,5 đến 2 lần so với động cơ có từ trƣờng tròn
hai pha hoặc ba pha tƣơng tự, ngƣợc lại hệ số công suất cos thì nhỏ hơn rất nhiều.
Từ trên hình 1-9 ta thấy nếu động cơ một pha chỉ có một cuộn dây trên stato
thì tại s = 1 mô men mở máy bằng không , kết quả động cơ s không mở máy đƣợc.
Để khắc phục hiện tƣợng đó, trong động cơ một pha thƣờng dùng thêm một cuộn
dây nữa phân bố sao cho trục của nó lệch với trục cuộn chính góc 900 - gọi là cuộn
phụ. Nối tiếp cuộn phụ là một phần tử lệch pha có chức năng tạo góc lệch pha về
thời gian giữa dòng điện trong hai cuộn dây chính và cuộn phụ. Phần tử lệch pha đó
có thể là điện dung hoặc điện trở. Khi động cơ có hai cuộn dây thì biểu thức mômen
khởi động có thể biểu thị :
MK  FAFBsinsin

FA, FB : Sức từ động của các cuộn dây chính (cuộn A) và cuộn phụ (cuộn B)
 : góc lệch pha theo không gian giữa trục của hai sức từ động
 : góc lệch về thời gian giữa dòng điện trong 2 cuộn dây
Trong phần lớn các động cơ có hai cuộn dây, góc  = 90 , nên có thể viết :
MK  FAFBsin
Nếu phần tử lệch pha là điện dung s dễ tạo  bằng hoặc gần 900 , kết quả
mô men sẽ tốt nhất.

13


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Đặc điểm chung của loại động cơ này là từ trƣờng tròn trong máy chỉ đạt
đƣợc ở một tốc độ nhất định ( tƣơng ứng với một giá trị s nào đó), ngoài tốc độ đó
từ trƣờng trong máy là từ trƣờng elip ( có chứa từ trƣờng ngƣợc).
c) Các điều kiện nhận đƣợc từ trƣờng tròn trong động cơ điện dung
Động cơ điện dung là động cơ một pha (xét về nguồn điện nuôi động cơ) với
hai hoặc nhiều cuộn dây stato lệch pha nhau trong không gian. Sự lệch pha theo thời
gian của dòng điện chảy trong các cuộn dây của động cơ điện dung đƣợc thực hiện
nhờ tụ điện.
Trong thực tế động cơ điện dung thƣờng có hai cuộn dây trên stato lệch pha
nhau một góc 90 điện. Cuộn dây A nối trực tiếp với lƣới gọi là cuộn chính, cuộn
B mắc nối tiếp với tụ trƣớc khi nối với lƣới gọi là cuộn phụ hay cuộn tụ.
Để nhận đƣợc từ trƣờng tròn trong động cơ điện dung không những phải
chọn đúng giá trị tụ mà còn phải thoả mãn một trong các điều kiện sau
1) Chọn đúng tỉ lệ số vòng dây của các cuộn dây hệ số biến áp :
(1.55)

2) Chọn đúng tỉ lệ điện áp của các cuộn dây - hệ số tín hiệu
(1.56)
3) Mắc nối tiếp với một tụ điện có giá trị điện trở phụ nhất định Rf

Hình 1.6: a - Sơ đồ mạch điện của động cơ điện dung (trường hợp chung);
b – sơ đồ véc tơ khi từ trường tròn

14


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Giá trị điện dung của tụ điện trong các trƣờng hợp trên là khác nhau,
chúng không chỉ phụ thuộc vào phƣơng pháp nhận đƣợc từ trƣờng tròn mà còn
phụ thuộc vào chế độ làm việc (tốc độ quay của rôto động cơ).
Xem xét sơ đồ mắc mạch của động cơ điện dung có hai cuộn dây lệch pha
nhau góc 90 điện trên hình 1.6a. Cuộn A nối với nguồn điện một pha qua triết áp.
Điện áp

cùng pha với điện áp lƣới

. Hệ số tín hiệu  = UA/UB . Mắc nối tiếp

với cuộn B là tụ C và điện trở Rf.
Điện trở toàn phần của cuộn chính ZA = rA + jxA; điện trở toàn phần
cuộn phụ ZB = rB + jxB; trong đó rA, xA, rB, xB là điện trở điện kháng các cuộn A và
B tƣơng ứng.
Giả thiết rằng, giá trị của tụ C, hệ số biến áp k, hệ số tín hiệu  và điện trở

phụ Rf đƣợc chọn sao cho từ trƣờng trong động cơ là từ trƣờng tròn, khi đó, dòng
điện của các pha

,

lệch pha nhau góc 90 còn sức từ động của chúng bằng

nhau. Ta có

(1.57)

Sơ đồ véc tơ điện áp trong trƣờng hợp này đƣợc v trên hình 1.6b, ta nhận
thấy tứ giác OKMN là hình chữ nhật bởi vì

do

do dựng hình,

góc 90

,

lệch nhau một

vì tổng các góc trong của

tứ giác là 360 . Vì các cạnh đối của hình chữ nhật bằng nhau nên có các đẳng thức
sau
(1.58)
(1.59)

Biểu diễn

và

và hệ số  nhờ tính chất của tam giác

qua,

đồng dạng, có thể viết
(1.60)
(1.61)
Thay tham số và dòng điện của các cuộn dây A và B vào (1.60) và (1.61), ta
có
(1.62)

15


Luận văn thạc sỹ

Với xC 

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

1
là điện kháng của tụ điện.
 .C

Nếu cuộn chính và cuộn phụ chiếm số rãnh nhƣ nhau trên stato NZA = NZB
(trƣờng hợp thƣờng gặp của động cơ điện dung), thì

xB  k 2 xA ;rB  k 2rA .

(1.64)

Biểu diễn dòng điện cuộn B qua dòng điện cuộn A và hệ số biến áp
theo (h1.11) ta có :
(1.65)
Thay các giá trị rB, xB và
(1.63), sau khi biến đổi ta có:
k 2 rA  R f  k.

,bằng các biểu thức (1.64), (1.65) vào (1.62) và

xA


k 2 x A  xC  k.

(1.66)
rA


(1.67)

Các đẳng thức trên đƣợc thực hiện khi từ trƣờng trong máy là từ trƣờng tròn (theo
mục 3.4; trang 40,41,42 TL[4]).
1.2.3 Động cơ không đồng bộ một pha với điện trở khởi động
Trong thực tế, thông thƣờng ở những nơi
không có yêu cầu mômen khởi động lớn, ngƣời ta

sử dụng động cơ không đồng bộ với điện trở
khởi động. Góc lệch pha theo thời gian giữa các
dòng điện chảy trong dây quấn đạt đƣợc nhờ tăng
điện trở trong mạch cuộn khởi động B. Tăng điện
trở pha B có thể bằng cách mắc nối tiếp với điện
trở phụ Rf với cuộn khởi động (hình1.7) hoặc chế
tạo cuộn B từ dây dẫn có tiết diện nhỏ (theo mục
3.5; trang 46,47,48 TL[4]).

16

Hình 1.7: Sơ đồ mắc mạch điện
của động cơ KĐB một pha với
điện trở khởi động


Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Động cơ khởi động nhƣ động cơ hai pha không đối xứng. Khi rôto đạt
đến tần số quay nhất định, cuộn khởi động B ngắt khỏi nguồn và động cơ chuyển
sang chế độ một pha với cuộn làm việc A luôn đƣợc nối với điện áp nguồn.
Bởi vì chế độ làm việc chỉ có cuộn A đƣợc nối với nguồn nên để sử dụng
tốt hơn thƣờng để 2/3 số rãnh trên stato cho cuộn chính, cuộn khởi động - cuộn B,
chỉ làm việc khi khởi động nên chúng chỉ chiếm 1/3 số rãnh trên stato, đôi khi để sử
dụng lõi thép tốt hơn rãnh của cuộn khởi động có tiết diện nhỏ hơn rãnh của cuộn
làm việc (h 1.9). Cuộn làm việc có số vòng dây lớn cho nên điện kháng xSA lớn
(

). Điện trở của cuộn làm việc tƣơng đối nhỏ. Ngƣợc lại, cuộn khởi động có

số vòng dây nhỏ, điện kháng xSB nhỏ. Điện trở của cuộn khởi động rSB rất lớn. Do
đó xSA > xSB; rSA < rSB.
Đôi khi để giảm mạnh điện kháng cuộn khởi động và tăng hiệu số (xA - xB),
một phần dây quấn khởi động đƣợc quấn chập ngƣợc.
Sự tăng điện trở của cuộn khởi động và điện kháng của cuộn làm việc, làm
tăng góc lệch pha theo thời gian  giữa các dòng điện trong dây quấn và nhờ đó
giảm đƣợc độ elíp của từ trƣờng. Tuy nhiên góc  trong động cơ này rất nhỏ so với
90o nên mômen khởi động thấp thƣờng có MK = (0,5÷0,7)Mđm nhƣng đôi khi đạt
tới MK = (1,0÷1,5)Mđm . Điều đó thực hiện đƣợc không chỉ do góc lệch pha theo
thời gian (góc  ở đây không lớn) mà còn nhờ sự cƣờng hoá luồng từ thông của
cuộn khởi động B khi giảm số vòng dây WB.

WB 

U
4, 44 f .kdqB . B

Với kdq – hệ số dây quấn pha B
Tuy nhiên việc tăng cƣờng luồng từ thông B cần phải tiến hành thận
trong bởi vì nó s dẫn đến sự tăng đáng kể dòng điện của cuộn khởi động và dòng
điện tiêu thụ của động cơ khi khởi động Ik . Với mô men khởi động lớn (Mk = Mđm
÷ 1,5Mđm) thì dòng khởi động cũng lớn, Ik = (7÷9)Iđm. Khi khởi động, mật độ dòng
trong một số động cơ lên tới 40 ÷ 60 A/mm2, những động cơ này không thể làm
việc ở chế độ đóng ngắt liên tục, đối với động cơ làm việcở chế độ đóng ngắt liên

17

Luận văn thạc sỹ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

tục, mật độ độ dòng và suy ra sự cƣờng hoá luồng từ thông buộc phải giảm, ở một
số động cơ để giảm sự quá nhiệt khi mở máy thƣờng xuyên, có thể tăng tiết diện
dây dẫn của cuộn khởi động, trong trƣờng hợp này cuộn khởi động đƣợc mắc với
điện trở phụ mắc nối tiếp phía ngoài động cơ nên hao tổn trong điện trở phụ không
ảnh hƣởng đến sự đốt nóng động cơ. Chỉ số năng lƣợng của động cơ cũng giống
nhƣ tất cả các động cơ làm việc với một pha ở chế độ định mức là không lớn,
trong đó hiệu suất :  = 0,4÷0,7, hệ số công suất cos = 0,5 ÷ 0,6. Khả năng quá tải
của động cơ mmax 

M max
 1, 4  2 . Cuộn khởi động của động cơ đƣợc ngắt tự động
M đm

có thể bằng chốt li tâm đặt trên trục của động cơ hoặc băng rơle chuyên dụng, có
cuộn dòng đặt trong mạch của cuộn chính. Khi vận tốc tăng thì IA giảm, đến vận tốc
quay nhất định rơle tác động và ngắt cuộn khởi động khỏi nguồn.
1.2.4 Động cơ không đồng bộ một pha với tụ khởi động
Động cơ không đồng bộ với
tụ khởi động thƣờng đƣợc sử dụng
trong các trƣờng hợp yêu cầu đối với
đặc tính khởi động cao dòng khởi động
Ik nhỏ, và mô men khởi động Mk lớn,
sơ đồ mắc mạch dây quấn và nối động
cơ với nguồn một pha của động cơ này
chỉ khác so với của động cơ điện trở
khởi động ở chỗ thay điện trở phụ bằng

tụ khởi động Ck (hình 1.8).

Hình 1.8: Sơ đồ mắc mạch điện của
động cơ KĐB một pha với tụ khởi động

Cũng giống nhƣ động cơ có điện trở khởi động, cuộn chính chiếm số rãnh
NZA = 2/3 ZS, cuộn phụ NZB = 1/3 ZS. Số vòng dây của cuộn phụ và điện dung của
tụ đƣợc chọn từ giá trị mômen khởi động cần thiết phải có hoặc từ điều kiện nhận
đƣợc từ trƣờng tròn khi khởi động (với n = 0). Mômen khởi động lớn đạt đƣợc nhờ
tăng (cƣờng hoá) luồng từ thông của cuộn khởi động và góc lệch pha theo thời gian
. Trong trƣờng hợp này MK = (2 ÷ 2,5)Mđm và IK = (3÷6)Iđm.

18