Tiểu luận Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ ba pha (ĐHBK Hà Nội)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN -----š›&š›----- TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ ba pha Nhóm 3 - Điện 4 - K55 Sinh viên thực hiện : Đặng Văn Hưng Lê Khắc Hưng Nguyễn Quang Hưng Vũ Duy Khánh Phan Trần Linh Giáo viên hướng dẫn : Vũ Thụy Nguyên Hà Nội tháng23/11/2011 LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá nhằm đưa đất nước tiến kịp với các nền kinh tế của các nước trong khu vực và trên thế giới. Tốc độ phát triển kinh tế của một quốc gia phụ thuộc vào tốc độ phát triển của ngành năng lượng. Thường tốc độ phát triển của ngành công nghiệp phải cao hơn tốc độ phát triển chung của nền kinh tế. Do đó ngành chế tạo máy điện đòi hỏi phải luôn đi trước 1 bước về công nghiệp và chất lượng nhằm đảm bảo tốc độ phát triển chung của toàn ngành và yêu cầu của nền kinh tế. Ngành chế tạo máy điện sản xuất ra các thiết bị điện phục vụ cho nền kinh tế như: Máy biến áp, động cơ điện dùng làm nguồn động lực cho các loại thiết bị, công suất từ vài Wat đến hàng trăm KiloWat. Với những kiến thức thực tế và thông qua việc tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu của các thành viên trong nhóm chúng em xin trình bày những kiến thức đã biết về động cơ không đồng bộ ba pha. Mong được sự góp ý của thầy và các bạn. MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU 1 MỤC LỤC 2 NỘI DUNG 3 I. GIỚI THIỆU LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 3 II. CẤU TẠO 4 1. SATOR 4 1.1. Vỏ máy 4 1.2. Lõi thép 4 1.3. Dây quấn 5 2. ROTOR 5 2.1. Lõi thép 5 2.2. Dây quấn 5 a. Rotor dây quấn 6 b. Rotor lồng sóc 6 2.3. Khe hở 6 III. NGUYÊN LÝ 6 Sự quay đồng bộ và không đồng bộ 6 1.1. Sự quay đồng bộ 6 1.2. Sự quay không đồng bộ 6 1.3. Giải thích 7 2. Sự hình thành từ trường quay 7 3. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha 9 IV. ỨNG DỤNG 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 NỘI DUNG I. GIỚI THIỆU LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Phát hiện của Oersted: Tháng 4 năm 1820, nhà vật lí và hóa học người Đan Mạch, Hans Christian Oersted theo thuật lại đã có một bài giảng về điện khi ông chú ý thấy kim của một la bàn gần đó tự sắp nó vuông góc với một dây dẫn mang dòng điện. Nghiên cứu sau đó của ông không đưa đến tận cùng của cái ông đã nhìn thấy, nhưng ông sớm công bố khám phá của ông trước thế giới, lần này đã hiểu được tầm quan trọng của nó. Thật vậy, tin tức của Oersted đã gây ra một cơn chấn động trong cộng đồng khoa học, cho ra đời lĩnh vực điện từ học và đặt nền tảng cho đột phá mang tính lịch sử của Michael Faraday và James Clerk Maxwell sau này trong cùng thế kỉ. Phát minh của Michael Faraday: Vào năm 1821, ngay sau khi nhà hóa học, vật lý học người Đan Mạch, Hans Christian Oersted khám phá ra hiện tượng điện từ trường, Davy và một nhà khoa học người Anh William Hyde Wollaston cố gắng làm ra một động cơ điện nhưng bất thành. Faraday đã thảo luận vấn đề động cơ điện với hai ông này, tiến hành chế tạo hai thiết bị phát ra điện từ trường xoay: chuyển động xoay liên tục xuất phát từ lực từ xoay xung quanh dây điện và dây điện được nhúng vào cốc nước thủy ngân có thỏi nam châm bên trong sẽ xoay xung quanh thỏi nam châm nếu được cấp dòng điện từ nguồn pin hóa học. Thiết bị sau này được biết đến với cái tên homopolar motor. Bánh xe Barlow: Năm 1822,nhà toán học và kĩ sư người Anh, Peter Barlow chứng minh được một phiên bản sơ khai của động cơ điện thường được gọi là bánh xe Barlow. Động cơ điện đầu tiên: Năm 1828, động cơ điện đầu tiên sử dụng nam châm điện cho cả rotor và stator được phát minh bởi Ányos Jedlink (nhà khoa học người Hungary), sau đó ông đã phát triển động cơ điện có công suất đủ để đẩy được một chiếc xe. II. CẤU TẠO 1,SATOR: Trên stator có võ , lõi thép và dây quấn . 1.1, Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn. Thường võ máy làm bằng gang. Đối với vỏ máy có công suất tương đối lớn (1000 kw) thường dung thép tấm hàn lại làm vỏ máy, tùy theo cách làm nguội, máy và dạng vỏ máy cũng khác nhau. Nắp chắn ở vỏ máy có các ổ bi có tác dụng đỡ trục rotor. Ngoài ra gắn trên nắp máy còn có cầu nối dây và quạt gió tản nhiệt. 1.2, Lõi thép: Lõi thép là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên để giảm bớt tổn hao, lõi thép được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại. Khi đường kính ngoài của lõi thép nhỏ hơn 990mm thì dùng cả tấm thép tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm thép hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. Mỗi lõi thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên .Nếu lõi thép ngắn thì có thể ghép thành một khối nếu lõi thép quá dài thì ghép thành những tấm ngắn mỗi tấm thép dài từ 6 đến 8 cm đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt .Mặt trong cùa lá thép có sẽ rảnh để dặt dây quấn . 1.3,Dây quấn: Dây quấn stator được đặt vài các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi thép . Dây quấn phấn ứng là phần dây bằng đồng được trong các rãnh phần ứng và làm thành một hoặc nhiều vòng kín .Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến dổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng . Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong toàn bộ giá thành của máy. Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm: - Sinh ra được một sức điện động cần thiết có thể cho một dòng điện nhất định chạy qua mà không bị nóng quá một nhiệt độ nhất định để sinh ra một moment cần thiết đồng thời đảm bảo đổi chiều tốt. - Triệt để tiết kiệm vật liệu, kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn an toàn - Dây quấn phấn ứng có thể phân ra làm các loại chủ yếu sau: Dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức tạp. Dây quấn song đơn và dây quấn song phức tạp. Trong một số máy cở lớn còn dùng dây quấn hỗn hợp đó là sự kết hợp giữa hai dây quấn xếp và song. 2,ROTOR: 2.1,Lõi thép của rotor: Nói chung người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stator lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy. Phía ngoài của lá thép có sẽ rãnh để đặt dây quấn. 2.2,Dây quấn rotor: Có hai loại chính rotor kiểu dây quấn va roto kiểu lồng sóc: a,Rotor dây quấn: Rotor là một khối sắt (thực ra là một khối gồm các lá thép kỹ thuậ điện ghép với nhau) trên đó quấn dây như staor vậy, khi đó thì các dây quấn này một đầu được nối với nhau trong động cơ, một đầu được đưa ra ngoài bằng bộ vành góp. b,Rotor kiểu lồng sóc: Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đấu. Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát. Các động cơ công suất trên 100kw thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vành ngắn mạch. 2.3,Khe hở: Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều, khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2mm đến 1mm trong máy điện cở nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào, và như vậy có thể làm cho hệ số công suất của máy tăng cao. III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1, Sự quay đồng bộ và không đồng bộ: 1.1,Sự quay đồng bộ: Đặt một nam châm kim la bàn bên trong từ trường của nam châm hình chữ U. Cho nam châm hình chữ U quay với tốc độ góc w ta thấy nam châm bên trong cũng quay cũng chiều với tốc độ góc w. 1.2,Sự quay không đồng bộ: Đặt một khung dây dẫn kín trong từ trường của một nam châm hình chữ U. Cho nam châm hình chữ U quay với tốc độ góc wo ta thấy khung dây bên trong quay cùng chiều với tốc độ góc w<wo. 1.3,Giải thích sự quay không đồng bộ: Khi nam châm quay sinh ra từ trường quay, xuất hiện từ thông biến thiên trong khung dây, khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng, do lực điện từ xuất hiện tác dùng làm khung dây quay cung chiều với nam châm. Nếu khung dây đạt tốc độ góc bằng tốc độ góc của nam châm thì không có từ thông biến thiên dẫn đến dòng điện cảm ứng bằng không khi đó lực điện từ mất sẽ làm khung dây quay chậm lại. Vì vậy thực tế khung dây chỉ quay với tốc độ góc w<wo. 2,Sự hình thành từ trường quay: H1. Dây quấn Stator động cơ H2. Biểu diễn dòng điện ba pha Để tạo ra được từ trường quay trong lõi thép Stato, cuộn dây Stato cần phải được chế tạo theo quy luật nhất định, cách bố trí, đấu nối cuộn dây ba pha của Stato. Ba cuộn dây của 3 pha AX, BY và CZ được đặt lệch nhau những góc 120o. Dòng điện cung cấp cho động cơ cũng là dòng xoay chiều ba pha: iA, iB, iC cũng lệch pha nhau những góc là 120o. Để khảo sát sự biến thiên của từ trường sinh ra trong lõi thép Stato, ta hãy khảo sát chiều và vị trí của từ trường tại 4 thời điểm a, b, c, d trên đồ thị thời gian. (a) (b) (c) (d) Ta quy ước chiều dòng điện đi từ đầu đến cuối cuộn dây mang dấu dương (+), đi từ cuối đến đầu cuộn dây mang dấu âm (-). Thì chiều dòng điện trong các cuộn dây tại các thời điểm a, b, c và d như hình vẽ. Dấu (+) là dòng điện đi vào, dấu (.) là dòng điện đi ra. Tại thời điểm (a), dòng điện trong cuộn dây AX (iA) là cực đại và có dấu dương, theo quy ước ta biểu diễn dòng điện đi vào ở A và đi ra ở X như trên hình vẽ. Cũng thời điểm đó thì các dòng điện iB và iC có giá trị âm, có chiều đi từ cuối đến đầu các cuộn dây BY và CZ. Theo quy tắc vặn nút chai ta xác định được chiều của đường sức từ trường tại thời điểm (a) như hình vẽ. Bằng cách tương tự, ta xác định được chiều và vị trí của từ trường tại các thời điểm b, c và d như hình vẽ. Nhìn trên đồ thị thời gian ta thấy rằng từ thời điểm (a) đến thời điểm (d) tương ứng với khoảng thời gian là 1/2 chu kì (T/2); Trong khoảng thời gian đó thì từ trường quay được 180o. Như vậy là sau 1 chu kì của dòng điện thì từ trường sẽ quay được 360o (1vòng). 3,Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha: Giả sử đã tạo ra được từ trường quay trong lõi thép Stator. Giả sử chiều và vị trí của từ trường tại thời điểm ta xét như hình vẽ. Hai vòng tròn phía ngoài biểu diễn Lõi thép và dây quấn Stato, vòng tròn phía trong thể hiện lõi thép Rôto, các vòng tròn nhỏ thể hiện các thanh dẫn của rotor lồng sóc. Từ trường quay với tốc độ no cùng chiều kim đồng hồ. Tại thời điểm mở máy, khi rotor còn đứng yên; Từ trường quay quét qua các thanh dẫn của rotor sẽ tạo ra trong các thanh dẫn những sức điện động cảm ứng. Ta xét hai thanh dẫn nằm ở vị trí đặc biệt như trên hình vẽ. Bằng quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều của Sđđ cảm ứng trong 2 thanh dẫn như hình vẽ ở thanh dẫn phía trên, Sđđ cảm ứng có chiều đi từ trong ra ngoài (kí hiệu là dấu .); ở thanh dẫn phía dưới thì ngược lại, chiều của Sđđ cảm ứng là đi từ ngoài vào trong (+). Các thanh dẫn rotor bị nối ngắn mạch bởi hai vòng ngắn mạch ở hai đầu rotor (Cấu tạo của rotor lồng sóc), do đó Sđđ cảm ứng sẽ tạo thành dòng điện cảm ứng trong các thanh dẫn; Chiều của dòng điện cảm ứng là cùng chiều với Sđđ cảm ứng. Các thanh dẫn rotor mang dòng điện lại nằm trong từ trường của dây quấn stato nên chịu tác dụng của lực điện từ, chiều của lực điện từ F xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Trên hình vẽ biểu diễn chiều của lực điện từ F tác dụng lên hai thanh dẫn, ta thấy rằng các lực điện từ F tạo thành ngẫu lực, có xu hướng kéo rotor quay theo chiều kim đồng hồ (Cùng chiều của từ trường quay). Dây quấn của rôto lồng sóc gồm có rất nhiều thanh dẫn, bằng cách tương tự ta xác định đuợc chiều của lực điện từ F tác động lên từng thanh dẫn. Tổng hợp tác dụng của các lực điện từ F sẽ tạo thành Mômen quay, kéo rotor của động cơ quay theo chiều của từ trường với tốc độ n < no. IV.ỨNG DỤNG Ưu điểm Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong công nghiệp. Cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy. Kêt cấu đơn giản nên giá thành rẻ. Vận hành dễ dàng bảo quản thuận tiện. Nhược điểm Hệ số công suất thấp gây tổn thất nhiều công suất phản kháng. Không sử dụng được lúc non tải hoặc không tải. Khó điều chỉnh tốc độ. Đặc tính mở máy không tốt, dòng mở máy lớn. Mômen mở máy nhỏ. Những ứng dụng điển hình của bộ khởi động mềm Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu. Động cơ bơm. Động cơ vân hành non tải lâu dài. Động cơ có bộ chuyển đổi (ví dụ hộp số, băng tải ..) Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy nghiền, máy ép, máy khuấy, máy dệt … Những đặc điểm khác Bền vững tiết kiệm không gian lắp đặt. Có chức năng điều khiển và bảo vệ. Khoảng điện áp sử dụng 200 – 500 V, tần số 45 – 65 Hz. Có phần mềm chuyên dụng đi kèm. Lắp và đặt chức năng dễ dàng. Biện pháp khắc phục Hạn chế vận hành non tải. Cải thiện đặc tính mở máy bằng cách điều chỉnh tốc độ (bằng cách thay đổi điện áp, thêm điện trở phụ vào nạch ro to) hay dùng ro to có rãnh sâu đồng thời tăng mômen mở máy. Chế tạo roto có khe hở thật nhỏ để hạn chế dòng điện từ hoá và nâng cao hệ số công suất B¶o vÖ m¸y ®èi víi m«i tr­êng bªn ngoµi KiÓu hë: Lo¹i nµy kh«ng cã trang bÞ b¶o vÖ sù tiÕp xóc tù nhiªn c¸c bé phËn quay vµ c¸c bé phËn mang ®iÖn,còng kh«ng cè trang bÞ b¶o vÖ c¸c vËt liÖu ngoµi r¬i vµo m¸y.Lo¹i nµy ®­îc chÕ t¹o theo kiÓu tù lµm nguéi.Lo¹i nµy th­êng ®Æt trong nhµ cã ng­êi tr«ng coi KiÓu b¶o vÖ Cã trang bÞ b¶o vÖ chèng sù tiÕp xóc ngÉu nhiªn c¸c bé phËn quay hay mang ®iÖn,b¶o vÖ c¸c vËt ë ngoµi hoÆc n­íc r¬i vµo theo c¸c gãc ®é kh¸c nhau KiÓu kÝn lµ lo¹i m¸y mµ kh«ng gian bªn trong m¸y vµ m«i tr­êng bªn ngoµi m¸y ®­îc c¸ch ly.KiÓu kÝn lµ tù th«ng giã b»ng c¸ch thæi giã ë mÆt ngoµi vá m¸y hay th«ng giã ®éc lËp b»ng c¸ch ®­a giã vµo trong m¸y TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Một số đồ án tốt nghiệp nghiên cứu về: “Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha”. “Thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha”. 2. Trên một số trang web: “www.vikipedia.com” “www.webdien.com” ........ 3. Giáo trình máy điện I và II.