Máy điện 1 - Chương 11

Chương 11
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA
11.1. ĐẠI CƯƠNG
Động cơ điện không đồng bộ một pha được sử dụng rất rộng rãi trong dân dụng
và công nghiệp như đồng hồ, máy giặt, tủ lạnh, máy bơm, máy mài, quạt, các dụng
cụ cầm tay,... Nói chung là các động cơ công suất nhỏ. Cụm từ “động cơ công suất
nhỏ” chỉ các động cơ có công suất nhỏ hơn 350W. Phần lớn động cơ một pha thuộc
loại này, mặc dù chúng còn được chế tạo với công suất đến 11kW và ở hai cấp điện
áp 110V và 220V. Trên hình 11-1 trình bày vài thiết bị sử dụng động cơ không đồng
bộ một pha.
216
Hình 11-18 Ứng dụng động cơ không đồng bộ một pha một
a) Máy mài. b) Máy khoan
(a)
(b)
11.2. CẤU TẠO
Về cấu tạo động cơ không đồng bộ một pha, stator giống động cơ không đồng
bộ ba pha nhưng trên đó ta đặt dây quấn một pha và được cung cấp bởi nguồn điện
xoay chiều một pha, còn rotor thường làm rotor kiểu lồng sóc như trình bày trên
hình 11-2.
11.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
Cho dòng điện xoay chiều hình sin chạy vào dây quấn stator thì tạo ra từ trường
stator có phương không đổi nhưng có độ lớn thay đổi hình sin theo thời gian, gọi là
từ trường đập mạch, như đã biết ở chương 8:
tBB
m
ω=
sin
cosα (11-1)
Từ trường này sinh ra dòng điện cảm ứng trong trong các thanh dẫn dây quấn
rotor và sẽ tạo ra từ thông rotor mà theo định luật Lenz, sẽ chống lại từ thông sinh ra

nó, tức ngược chiều với từ thông stator như trình bày trên hình 11-2. Từ đó ta xác
định được chiều dòng điện cảm ứng và chiều của lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn
rotor. Ta thấy mômen tổng tác dụng lên rotor bằng không, do đó rotor không thể tự
quay được. Để động cơ có thể tự quay được được, trước hết ta phải quay rotor theo
một chiều nào đó, như trình bày trên hình 11-3c là theo chiều kim đồng hồ, trong
217
Hình 11-2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ một pha rotor lồng sóc
Công tắc
Chuông
Bộ ly tâm
cơ khí
dây quấn rotor sẽ cảm ứng sđđ gọi là sđđ quay và tạo nên lực điện từ, do đó động cơ
sẽ tự tiếp tục quay theo chiều đó.
Để thấy rõ hơn nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha, ta
nghiên cứu hình 11-3b, từ trường đập mạch
B

là tổng của hai từ trường quay thuận
1
B

và ngược
2
B

cùng tốc độ quay n
1
nhưng biên độ bằng một nửa từ trường đập
mạch và hai từ trường này quay ngược chiều nhau:
21

BBB

+=
(11-2)
với biên độ: B
1m
= B
2m
= B
m
/2 (11-3)
và tốc độ
p
f
n
60
1
=
(11-4)
So với tốc độ rotor, có hệ số trượt :
+ Quay thuận :
s
n
nn
s
1
1
1
1
1

=
Ω
Ω−Ω
=
−
=
(11-5)
218
Hình 11-3 Động cơ không đồng bộ một pha một dây quấn
a) Từ thông và lực điện từ tác dụng lên rotor khi rotor đứng yên.
b) Từ trường đập mạch được phân thành hai từ trường quay.
c) Từ thông và lực điện từ tác dụng lên rotor khi rotor quay.
Từ thông
rotor
Từ thông
stator
U
∼
Chiều lực điện từ
(a)
(b)
B

1
B

2
B

n

1
n
1
n
1
-n
1
n
T
ừ

t
h
ô
n
g




r
o
t
o
r
Từ thông
stator
U
∼
Chiều quay rotor

(c)
+ Quay ngược :
)s2(
)(
)(
)n(
n)n(
s
1
1
1
1
2
−=
Ω−
Ω−Ω−
=
−
−−
=
(11-6)
• Từ trường quay
1
B

quay cùng chiều với rotor lúc động cơ làm việc, gọi là từ
trường quay thuận.
• Từ trường quay
2
B


quay ngược
chiều với rotor lúc động cơ làm việc, gọi
là từ trường quay ngược.
Từ trường quay thuận
1
B

tác dụng
với dòng điện rotor sẽ tạo ra mômen
quay thuận M
1
(hình 11-4); Còn từ
trường quay ngược
2
B

tác dụng với
dòng điện rotor sẽ tạo ra moment quay
ngược M
2
(hình 11-4). Tổng đại số hai
moment này cho ta đặc tuyến mômen
theo hệ số trượt M = f(s):
M = M
1
+ M
2
= f(s) (11-7)
Từ đặc tính trình bày trên hình 11- 4, ta thấy rằng lúc động cơ khởi động (n = 0,

s = 1), M
1
= M
2
và ngược chiều nhau nên mômen tổng M = 0, vì vậy động cơ không
thể tự quay được. Nếu ta quay động cơ theo một chiều nào đó tức hệ số trượt s ≠ 1,
như vậy M ≠ 0 động cơ sẽ tiếp tục quay theo chiều đó.
Vì vậy để động cơ một pha tự làm việc được, ta phải có biện pháp khởi động,
nghĩa là tìm cách tạo ra cho động cơ một moment lúc rotor đứng yên (M = M
K
≠ 0
khi s =1).
11.4. MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỘNG CƠ MỘT PHA
Khi dây quấn stator của động cơ không đồng bộ một pha được cung cấp bằng
nguồn một pha và rotor đứng yên. Như vậy động cơ không đồng bộ một pha giống
MBA khi dây quấn thứ cấp nối ngắn mạch. Mạch điện tương đương trình bày trên
hình 11-5a.
Trong đó :
R
1
= điện trở của dây quấn stator.
X
1
= điện kháng tản của dây quấn stator.
X
M
= điện kháng từ hóa.
R’
2
= điện trở của dây quấn rotor qui về dây quấn stator.

X’
2
= điện kháng tản của dây quấn rotor qui về dây quấn stator.
U
1
= điện áp vào của nguồn.
E
1
= sđđ cảm ứng trong dây quấn stator do tư thông khe hở. Và :
E
1
= 4,44fNΦ (11-8)
trong đó Φ là từ thông khe hở; N là số vòng dây hiệu dụng.
219
s
M
0
1
2
M
1
M
2
M
Hình 11-4 Moment của động cơ không
đồng bộ một pha
Theo lý thuyết phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, mạch
điện thay thế hình 11-2a có thể phân thành hai nhánh như trình bày trên hình 11-5b,
tương ứng với từ trường quay thuận và ngược, ta có các sđđ tương ứng :
E

T
= 4,44fNΦ
T
(11-9a)
E
N
= 4,44fNΦ
N
. (11-9b)
Khi rotor đứng yên thì từ thông Φ
T
= Φ
N
nên E
T
= E
N
.
Giả thiết rằng rotor quay với tốc độ nào đó trong từ trường quay thuận, ứng hệ
số trượt s. Lúc này dòng điện cảm ứng trong dây quấn rotor có tần số sf
1
, f
1
tần số
lưới điện nối vào dây quấn stator. Như vậy giống máy điện không đồng bộ ba pha,
tổng trở của dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận qui đổi về dây quấn stator
là 0,5R’
2
/s + j0,5X’
2

.(hình 11-5c). Cũng tương tự như vậy đối với từ trường quay
ngược, ta có tổng trở của dây quấn rotor ứng với từ trường quay ngược qui về dây
quấn stator là 0,5R’
2
/(2-s) + j0,5X’
2
.(hình 11-3c). Mạch điện tương đương trình bày
trên hình 11-5d, có tổng trở thứ tự thuận Z
T
và thứ tự ngược Z
T
như sau :
220
1
U

1
I

R’
2
jX’
2
jX
1
R
1
jX
M
o

I

(a)
1
U

1
I

R
T
jX
T
jX
1
R
1
R
N
X
N
Z
T
Z
N
1
U

1
I


0,5R’
2
0,5jX’
2
jX
1
R
1
0,5R’
2
0,5jX’
2
2
jX
M
2
jX
M
(b)
(d)
Hình 11-5 Mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ một pha
s
R5,0
'
2
1
U

1

I

0,5jX’
2
jX
1
R
1
2
jX
M
T
E

N
E

0,5X’
2
s2
R5,0
'
2
−
2
jX
M
(c)
T
E


N
E

N
E

T
E

1
E

+
_
)XX(5,0js/R5,0
)s/R5,0X5,0j(X5,0j
jXRZ
'
2M
'
2
'
2
'
2M
TTT
++
+
=+=

(11-10)
)XX(5,0j)s2/(R5,0
)]s2/(R5,0X5,0j[X5,0j
jXRZ
'
2M
'
2
'
2
'
2M
NNN
++−
−+
=+=
(11-11)
Công suất điện từ của từ trường thứ tự thuận và ngược :
2
1TâtT
IRP
=
;
2
1NâtN
IRP
=
(11-12)
Moment điện từ tương ứng :
1

âtT
T
P
M
Ω
=
(11-13a)
1
âtN
N
P
M
Ω
=
(11-13b)
Moment điện từ tổng là :
)RR(
I
MMM
NT
1
2
1
NT
−
Ω
=−=
(11-14)
Công suất cơ :
Ω=

MP
Cå
)s1(MP
1Cå
−Ω=
)s1)(RR(IP
NT
2
1Cå
−−=
(11-15)
)s1)(PP(P
âtNâtTCå
−−=
(11-16)
Công suất trên đầu trục : P
2
= P
Cơ
- p
q
. (11-17)
p
q
là tổn hao quay, gồm tổn hao cơ và tổn hao phụ, cũng có khi gộp cả tổn hao sắt
vào tổn hao quay.
Tổn hao đồng trong dây quấn rotor ứng với từ trường quay thuận và ngược :
p
Cu2T
= sP

đtT
(11-18a)
p
Cu2N
= (2-s)P
đtN
(11-18b)
Từ (11-18a) và (11-18b), ta có tổn hao đồng trong dây quấn rotor :
p
Cu2
= sP
đtT
+ (2-s)P
đtN
(11-19)
VÍ DỤ 11-1
Một động cơ không đồng bộ một pha công suất 1/4 mã lực, 230V, 60Hz và 4
cực từ có tham số và tổn thất như sau :
R
1
= 10Ω; X
1
= X’
2
= 12,5Ω; R’
2
= 11,5Ω; X
M
= 250Ω;
Tổn hao sắt ở 230V là 35W; Tổn hao ma sát và quạt gió là 10W;

Với hệ số trượt là 0,05, xác định dòng điện stato, công suất cơ, công suất ra trên
trục, tốc độ và hiệu suất khi động cơ làm việc ở điện áp và tần số định mức.
Bài giải
221