Máy điện - thiết bị điện chương 3: động cơ dị bộ

MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

11
CHƢƠNG 3. ĐỘNG CƠ DỊ BỘ (3.1.0.6)
Giúp sinh viên hiểu cơ bản về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, đặc tính của động cơ dị bộ.

3.1 Tổng quan khái niệm (0,5.0.0.1)
Máy điện không đồng bộ (máy điện dị bộ) là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo
nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của nhỏ hơn tốc độ quay của từ trƣờng.
Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: động cơ và máy phát.
Máy phát không đồng bộ ít đƣợc dùng vì các đặc tính làm việc không tốt; nên trong
chƣơng này ta chỉ xét động cơ không đồng bộ. Chúng đƣợc dùng nhiều trên tàu thủy vì
chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, hiệu suất cao, vận hành, bảo dƣỡng sửa chữa dễ
dàng. Dải công suất rất rộng, từ vài đến hàng ngàn . Các động cơ từ trở
lên hầu hết là pha; còn các động cơ nhỏ hơn thƣờng là pha.
Hầu hết các động cơ điện sử dụng trên tàu thủy là động cơ không đồng bộ pha
lồng sóc.

Hình 3.1 Hình dạng bên ngoài một số loại động cơ dị bộ
3.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộ (1.0.0.1)
Cấu tạo:
Cấu tạo của máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chính là và nhƣ
trên hình .
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

12
Vỏ máy
Stator
Rotor

Hình 3.1.1 Máy điện dị bộ

3.2.1
có hai phần chính là lõi thép và dây quấn (hình ).
- Lõi thép hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Mặt trong có
những rãnh để chứa bộ dây quấn pha.
- Dây quấn làm bằng các dây dẫn bọc cách điện, đặt trong các rãnh đƣợc
phân bố đều dọc theo chu vi của lõi thép. Dây quấn nhận điện từ một
nguồn pha để tạo ra một từ trƣờng quay. Tốc độ quay của từ trƣờng này phụ
thuộc tần số nguồn điện và số cực của bộ dây quấn.

(a) (b) (c)
Hình 3.1.2 máy điện dị bộ
(a) Lá thép ; (b) Cuộn dây; (c)
Hình cho thấy sơ đồ khai triển dây quấn pha đặt trong rãnh của lõi thép trên
hình . Cuộn dây của pha đặt trong các rãnh ; của pha trong
các rãnh ; và của pha trong các rãnh .
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

13
Khe không khí
C
Z
B
Y

A
X

11

12

1

2

3

4

5

10

9

8

7

6

(a)
Stator
Rotor
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2
A
B C
X
Y Z
(b)

Hình 3.1.3 (a) Mạch từ và dây quấn ;
(b) Sơ đồ khai triển dây quấn
3.2.2
cũng có hai phần chính là lõi thép và dây quấn.
Lõi thép hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Mặt ngoài có những
rãnh để chứa dây quấn.
có hai loại: lồng sóc và dây quấn.
(1) lồng sóc (hình ) gồm các thanh đồng hoặc nhôm đặt trong rãnh, và
bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, đƣợc
đúc nguyên khối, gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và quạt. Với
động cơ lớn, các thanh bằng đồng đƣợc đặt vào các rãnh và siết chặt vào
vành ngắn mạch. Nhờ không có vành trƣợt và chổi than nên rất bền,
chắc; ít cần bảo trì.
Các thanh dẫn thƣờng nghiêng so với trục (ta có cảm tƣởng nhƣ bị vặn
xoắn); vì các lý do:
làm cho quay không bị dao động và máy ít ồn khi làm việc,
tránh đƣợc vị trí ở đó răng song song và đối diện với răng ; tức là
vị trí từ trở cực tiểu và sẽ bị “khóa" ở đó; và,
tăng chiều dài tác dụng của thanh dẫn.

(a) (b)
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

14
Lá thép KTĐ
Trục
Thanh dẫn
Vòng ngắn mạch

(c)
Hình 3.1.4 lồng sóc máy điện dị bộ
a- Lá thép ; b- Hình dạng ; c- Hình cắt
(2) dây quấn (hình ) là dây quấn pha có cùng số cực nhƣ dây quấn
. Dây quấn luôn luôn đấu và có đầu ra đấu vào vành trƣợt
gắn vào trục quay của . Ba chổi than cố định quét lên vành trƣợt này để
dẫn điện ra một biến trở pha đấu nằm ngoài động cơ, dùng để khởi động
hoặc điều chỉnh tốc độ.

(a) (b)
Hình 3.1.5 dây quấn máy điện dị bộ
a- Vành trượt; b- dây quấn
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

15
Stator
Vòng bi
Rotor
Quạt
làm mát
Vòng bi
Nắp mỡ
Nắp mỡ
Vỏ máy

Hình 3.1.6 Kết cấu của máy điện dị bộ
Nguyên lý hoạt động:
Sự hình thành từ trường quay:
Xét dây quấn pha đơn giản trên hình . Cuộn đặt trong hai rãnh đối diện tạo
thành pha ; cuộn đặt cách một góc là pha và cuộn đặt cách một

góc là pha . Trục của cuộn dây này lệch nhau trong không gian một góc .
Giả sử trong dây quấn có một hệ thống dòng điện pha cân bằng thứ tự thuận chạy qua
(chiều giả thiết từ đầu đến cuối dây quấn).
Dòng điện chạy trong cuộn dây có dạng sóng nhƣ hình và biểu thức tức thời là:

w
t = 90
o
+ 240
o
w
t = 90
o
+ 120
o
w
t = 90
o
i
A
i
B
i
C
w
t
i
0

Hình 3.2.1 Dạng sóng dòng điện pha trong các cuộn dây

MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

16
A
ZY
X
BC
A
ZY
X
BC
A
ZY
X
BC
f
S
f
S
f
S

Hình 3.2.2 Từ trƣờng tại các thời điểm và
Lúc đó, các từ cảm do các dòng tạo ra riêng rẻ là các từ cảm đập
mạch có phƣơng lần lƣợt trùng với trục các pha . Chiều đƣợc xác định bằng quy
tắc vặn nút chai; và độ lớn tỷ lệ lần lƣợt với . Từ cảm tổng hợp do cả ba dòng
tạo ra là tổng :

B
C

B
B
B
A
B
S
60
o
B
C
B
B
B
A
B
S
60
o
B
C
B
A
B
B
B
S
60
o

Hình 3.2.3 Biểu diễn từ trƣờng thành phần và từ trƣờng tổng

Ta xét tại các thời điểm sau:
Thời điểm .
Lúc này, dòng qua pha cực đại và dƣơng nên cũng cực đại và hƣớng
theo chiều dƣơng của trục pha . Đồng thời, nên
hƣớng theo chiều âm của trục các pha và có chiều dài . Từ cảm tổng hợp
hƣớng theo chiều dƣơng của trục pha và có chiều dài .
Thời điểm .
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

17
Lúc này, dòng qua pha cực đại và dƣơng. Tƣơng tự, ta thấy hƣớng theo chiều
dƣơng của trục pha và có chiều dài . Từ cảm tổng hợp đã quay .
Thời điểm .
Lúc này dòng qua pha cực đại và dƣơng. Tƣơng tự, ta thấy hƣớng theo chiều
dƣơng của trục pha và vẫn có chiều dài . Từ cảm tổng hợp đã quay thêm
.
Hoạt động:
Khi ta cho dòng điện pha tần số vào cuộn dây , trong sẽ tạo ra từ
trƣờng quay với tốc độ . Giả sử vào thời điểm , từ trƣờng đang
quay theo chiều kim đồng hồ với tốc độ đồng bộ và đang có chiều trên hình .
Lúc đó, dây dẫn của ở trong từ cảm và đang chuyển động tƣơng đối với với
tốc độ tƣơng đối nên trong dây dẫn sẽ có sức điện động cảm ứng có chiều cho bởi:

tức là hƣớng từ trƣớc ra sau (hình ).
Vì ngắn mạch nên tạo ra dòng cảm ứng , cũng hƣớng từ trƣớc ra sau.
Dòng đặt trong từ cảm sẽ chịu tác dụng của lực điện từ:

tức là cùng chiều với chiều quay của từ trƣờng . Tƣơng tự, đối với dây dẫn và rõ
ràng các lực và tác động lên các dây dẫn và sẽ tạo ra một kéo
quay theo từ trƣờng , nghĩa là tìm cách "đuổi theo" từ trƣờng . Tuy

thiên, nó không bao giờ bắt kịp từ trƣờng đó vì nếu tốc độ đúng bằng thì ,
kéo theo , nghĩa là sẽ không còn lực để kéo tải. Vì lẽ đó, luôn
luôn quay với tốc độ ; nghĩa là từ trƣờng quay đối với với tốc độ
tƣơng đối , gọi là tốc độ trƣợt.
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

18
+
·
a
x
B
S
N
Trục của
từ trường Stator
Trục của
từ trường Rotor
n
1
(a)
+
·
a
x
i
2
e
2
i

2
e
2
B
B
Fv
-v
-F
(b)

Hình 3.2.4 a- Quá trình tạo quay trong động cơ
b- Biểu diễn bằng
Tỷ số giữa tốc độ trƣợt và tốc độ đồng bộ gọi là hệ số trƣợt:

Tốc độ là: = (tốc độ đồng bộ) – (tốc độ trƣợt).

Khi đứng yên , khi quay ở tốc độ định mức .
Thông số định mức:
- Điện áp định mức : là điện áp dây định mức.
- Công suất định mức : với động cơ dị bộ, đây là công suất cơ trên trục động
cơ.
- Dòng điện định mức : là dòng ứng với khi các thông số máy và tải
định mức.
- Tần số định mức : tần số nguồn cấp, thƣờng là .
- Tốc độ định mức : tốc độ quay của , thƣờng tính đơn vị là vòng/phút
.
- Hệ số công suất định mức .
- Hiệu suất định mức .
- Cấp cách điện, cấp bảo vệ của máy.
Ngoài ra, trên nhãn còn ghi các thông số khác nhƣ: tên nhà sản xuất, năm sản

xuất, khối lƣợng, mã vòng bi, kiểu máy, số pha, …
Từ các trị số định mức ghi trên nhãn, ta có thể tính đƣợc:
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

19
- Công suất định mức mà động cơ tiêu thụ từ lƣới điện:

- Mômen quay định mức ở đầu trục:

Với là tốc độ góc của rotor.
3.3 Mạch điện tương đương, hiệu suất (1.1.0.1)
3.3.1 Mạch điện tương đương
Để xây dựng mạch điện tƣơng đƣơng, trƣớc hết ta xây dựng mô hình toán của động cơ dị
bộ; từ mô hình toán này, ta thiết lập một mạch điện thay thế, gọi là mạch điện tƣơng
đƣơng.
3.3.1.1 Phương trình điện áp dây quấn
Khi nối dây quấn với nguồn pha thì trong dây quấn có dòng điện , phƣơng
trình cân bằng điện áp trên dây quấn là:

trong đó,
- nội trở cuộn dây quấn .
- điện kháng tản dây quấn , đặc trƣng cho từ thông tản .
- tần số dòng điện trong cuộn dây .
- điện cảm tản cuộn dây .
- sức điện động cảm ứng trên cuộn dây . Sức điện động này do từ thông
chính quét qua cuộn dây và có trị số:

, do các dây quấn rải đều trên rãnh mà không quấn tập trung nhƣ trong .
3.3.1.2 Phương trình điện áp dây quấn
Từ trƣờng chính (từ trƣờng ) quay với tốc độ , quay với tốc độ , nhƣ

vậy từ trƣờng chính quay đối với dây quấn với tốc độ là .
Do đó, tần số của sức điện động và dòng điện trong cuộn dây quấn là:


Khi quay, sức điện động cảm ứng trên cuộn dây là:


Khi đứng yên, nghĩa là , lúc này:
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

20

So sánh và , ta thấy sức điện động pha khi quay và khi
đứng yên quan hệ:

Tƣơng tự:

Gọi là hệ số quy đổi sức điện động về , ta có:

Do ngắn mạch, phƣơng trình cân bằng điện áp pha là:

3.3.1.3 Phương trình sức từ động
Khi không quay, dòng và dòng sinh ra sức từ động quay và
với tốc độ đồng bộ . Hai sức từ động này tác dụng với nhau tạo thành sức từ động
tổng trong khe hở.
Phƣơng trình cân bằng sức từ động:
hay
trong đó:

- số pha; - số đôi cực
Nhƣ vậy, từ suy ra:

So sánh sức từ động do dòng của và thành phần của sinh ra, ta có:

Từ đó, ta có hệ số quy đổi dòng điện :

Các phân tích trên ứng với trƣờng hợp đứng yên, và khi quay (tức trục từ
trƣờng và lệch nhau một góc bất kỳ) thì kết quả trên vẫn đúng.
3.3.1.4 Mô hình toán động cơ dị bộ
Các phƣơng trình cơ bản đặc trƣng cho động cơ dị bộ:
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

21

3.3.1.5 Sơ đồ thay thế động cơ dị bộ
Quy đổi các đại lượng
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán, ta thiết lập sơ đồ điện gọi là sơ đồ thay
thế từ hệ phƣơng trình mô tả . Để thiết lập đƣợc sơ đồ, ta cần phải quy đổi
về . Trong hệ phƣơng trình mô tả, ta biến đổi phƣơng trình thứ nhƣ sau:



Đặt:
là sức điện động pha quy đổi về .
là dòng quy đổi về .
là điện trở dây quấn quy đổi về .
là điện kháng dây quấn quy đổi về .
là hệ số quy đổi tổng trở về .

Lúc này, trở thành:

Tƣơng tự nhƣ trong , thành phần chính là điện áp trên tổng trở đặc trƣng
cho từ thông chính và tổn hao sắt từ của lõi thép. Coi tổn hao không đáng kể (tổn hao
dòng xoáy và từ thông tản móc vòng qua không khí); nên từ thông chính do dòng không
tải sinh ra. Do đó, ta có thể viết:

Trong đó:
+ là tổng trở từ hoá đặc trƣng cho mạch từ.
+ là điện trở từ hoá đặc trƣng cho tổn hao sắt từ.
Cuối cùng, ta có phƣơng trình thay thế mô tả động cơ dị bộ nhƣ sau:

Sơ đồ thay thế
Từ hệ phƣơng trình ta thiết lập sơ đồ thay thế nhƣ sau:
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

22
R
1
X
1
R
2
R
th
X
th
U
1
I

1
I
2
I
o
‘
.
.
.
.
‘
X
2
‘
s

Hình 3.4.1 Sơ đồ tƣơng đƣơng máy điện không đồng bộ
3.3.2 Hiệu suất
Công suất điện do động cơ nhận từ nguồn:

(với là hệ số công suất của động cơ);
sau khi bị mất một phần vì tổn hao đồng trong dây quấn là .

và một phần vì tổn hao sắt từ trong lõi thép là .
công suất còn lại đƣa vào , gọi là công suất điện từ:

Công suất đƣa vào , sau khi bị mất một phần vì tổn hao đồng trong dây quấn :

sẽ còn lại công suất cơ trên trục:

Công suất cơ, sau khi trừ đi tổn hao cơ do ma sát, quạt gió và tổn hao phụ, sẽ còn
lại công suất có ích trên trục, hay công suất ra:

Tổng tổn hao trong động cơ là:

Hiệu suất động cơ là:

Lƣu đồ công suất đƣợc vẽ trên hình
MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

23
P
1

P
đ
t

P
c

DP
đ
1

DP
F
e

DP

đ
2

DP
m
q

P
2


Hình 3.4.2 Lƣu đồ công suất trong động cơ không đồng bộ
3.4 Đặc tính cơ (0,5.0.0.1)
Gọi:
và là tốc độ từ trƣờng tính bằng vòng/giây và rad/giây.
và là tốc độ tính bằng vòng/giây và rad/giây.
Ta có ; với là tần số góc của dòng điện .
quay của động cơ là:

Dòng tính gần đúng bằng:

là trở kháng mạch và mạch quy về .
Suy ra,

Quan hệ đƣợc vẽ trên hình .
Quan hệ vẽ trên hình , gọi là đặc tính cơ (hay đặc tính - vận
tốc).
Điểm cực đại trên hình có tọa độ cho bởi . Suy ra hệ số trƣợt tới hạn:

và cực đại:

MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 – ĐỘNG CƠ DỊ BỘ

24

Ngoài ra, thay , ( , đứng yên) vào , ta đƣợc mở máy:

Quan hệ có thể viết gần đúng nhƣ sau:

với là hệ số trƣợt tới hạn.
Trên hình , ta có và .
Gọi là đặc tính cơ của tải mà động cơ kéo. Nếu hệ thống quay đều thì của
động cơ bằng cản của tải và điểm làm việc là giao điểm của hai đặc tính cơ
và (hình ).
M
s
M
th
M
m
s
th
1
M = f(s)
0

M
n
M
th
M

đm
n
th
M
m
n
đm
n
o
A
M
c
M = f(n)
0

(a) (b)
Hình 3.4.3 a- Đặc tính - hệ số trƣợt; b- Đặc tính cơ
3.5 Quấn dây (0.0.0.2)
Chƣơng 9 trong tài liệu BK Đà Nẵng
3.6 Động cơ một pha, hai pha (0.0.0.2)
Chƣơng 12 trong tài liệu BK Đà Nẵng