Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện không đồng bộ

ô tô điệnbiến đổi điện năng từ dòng điện xoay chiều thành cơ năng gọi là động cơ điện xoay chiều.

Trong công nghiệp, động cơ ba pha không đồng bộ là phổ biến nhất. Hãy xem thiết bị và nguyên lý hoạt động của các động cơ này.

Nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng dựa trên việc sử dụng từ trường quay.

Để hiểu được hoạt động của một động cơ như vậy, chúng ta sẽ thực hiện thí nghiệm sau.

chúng tôi sẽ tăng cường nam châm móng ngựa trên trục để nó có thể được xoay bằng tay cầm. Giữa các cực của nam châm, chúng ta đặt một hình trụ bằng đồng dọc theo trục, hình trụ này có thể quay tự do.

Hình 1. Mô hình đơn giản nhất để thu được từ trường quay

Hãy bắt đầu xoay tay cầm nam châm theo chiều kim đồng hồ. Trường của nam châm cũng sẽ bắt đầu quay và khi nó quay, các đường sức của nó sẽ đi qua hình trụ bằng đồng. Trong một xi lanh theo định luật cảm ứng điện từ, sẽ có dòng điện xoáyai sẽ tạo ra của riêng mình từ trường - trường của hình trụ. Từ trường này sẽ tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu làm cho hình trụ quay cùng chiều với nam châm.

Người ta thấy rằng tốc độ quay của hình trụ nhỏ hơn một chút so với tốc độ quay của từ trường.

Trong thực tế, nếu hình trụ quay cùng tốc độ với từ trường, thì các đường sức từ không cắt qua nó và do đó không có dòng điện xoáy nào phát sinh trong nó làm hình trụ quay.

Tốc độ quay của từ trường thường được gọi là đồng bộ, bởi vì nó bằng tốc độ quay của nam châm và tốc độ quay của hình trụ là không đồng bộ (không đồng bộ). Do đó, bản thân động cơ được gọi là động cơ cảm ứng... Tốc độ quay của xi lanh (rôto) khác với tốc độ quay đồng bộ của từ trường với một lượng trượt nhỏ.

Biểu thị tốc độ quay của rôto qua n1 và tốc độ quay của từ trường qua n ta tính được phần trăm trượt theo công thức:

s = (n—n1)/n.

Trong thí nghiệm trên, chúng ta thu được từ trường quay và chuyển động quay của hình trụ do nó gây ra là do chuyển động quay của một nam châm vĩnh cửu, do đó một thiết bị như vậy chưa phải là động cơ điện… Cần phải làm điện tạo ra một từ trường quay và sử dụng nó để quay cánh quạt. Vấn đề này đã được M. O. Dolivo-Dobrovolski giải quyết một cách xuất sắc vào thời của ông. Ông đề xuất sử dụng dòng điện ba pha cho mục đích này.

Thiết bị của động cơ điện không đồng bộ M. O. Dolivo-Dobrovolski

Hình 2. Sơ đồ động cơ điện không đồng bộ Dolivo-Dobrovolsky

Trên các cực của lõi sắt hình vòng, được gọi là stato của động cơ, được đặt ba cuộn dây, mạng dòng điện ba pha 0 nằm so với nhau ở góc 120 °.

Bên trong lõi, một xi lanh kim loại, cái gọi là rôto của động cơ điện.

Nếu các cuộn dây được kết nối với nhau như trong hình và được kết nối với mạng dòng điện ba pha, thì tổng từ thông do ba cực tạo ra sẽ quay.

Hình 3 cho thấy đồ thị về sự thay đổi dòng điện trong cuộn dây của động cơ và quá trình xuất hiện từ trường quay.

Hãy xem xét quá trình này chi tiết hơn.

Hình 3. Lấy từ trường quay

Ở vị trí «A» của đồ thị, dòng điện ở pha đầu tiên bằng 0, ở pha thứ hai là âm và ở pha thứ ba là dương. Dòng điện chạy qua các cuộn dây cực theo hướng được chỉ định bởi các mũi tên trong hình.

Sau khi xác định, theo quy tắc bàn tay phải, hướng của từ thông do dòng điện tạo ra, chúng ta sẽ đảm bảo rằng cực nam (S) sẽ được tạo ra ở đầu cực bên trong (đối diện với rôto) của cuộn dây thứ ba và cực bắc (C ) sẽ được tạo ra ở cực của cuộn dây thứ hai. Từ thông tổng sẽ hướng từ cực của cuộn dây thứ hai qua rôto đến cực của cuộn dây thứ ba.

Ở vị trí «B» của đồ thị, dòng điện ở pha thứ hai bằng 0, ở pha thứ nhất là dương và ở pha thứ ba là âm. Dòng điện chạy qua cuộn dây cực tạo ra cực nam (S) ở cuối cuộn dây thứ nhất và cực bắc (C) ở cuối cuộn dây thứ ba. Tổng từ thông bây giờ sẽ được hướng từ cực thứ ba qua rôto đến cực thứ nhất, nghĩa là các cực sẽ di chuyển 120 °.

Ở vị trí «B» của đồ thị, dòng điện ở pha thứ ba bằng 0, ở pha thứ hai là dương và ở pha thứ nhất là âm.Bây giờ dòng điện chạy qua cuộn dây thứ nhất và thứ hai sẽ tạo ra cực bắc (C) ở đầu cực của cuộn dây thứ nhất và cực nam (S) ở đầu cực của cuộn dây thứ hai, tức là , cực của từ trường tổng sẽ dịch chuyển thêm 120°. Tại vị trí «G» trên đồ thị, từ trường sẽ dịch chuyển thêm 120°.

Do đó, tổng từ thông sẽ thay đổi hướng của nó với sự thay đổi hướng của dòng điện trong cuộn dây stato (cực).

Trong trường hợp này, trong một khoảng thời gian thay đổi dòng điện trong cuộn dây, từ thông sẽ tạo ra một vòng quay hoàn chỉnh. Từ thông quay sẽ kéo theo hình trụ và như vậy ta sẽ có được động cơ điện không đồng bộ.

Nhớ lại rằng trong Hình 3, cuộn dây stato được nối sao, nhưng từ trường quay được hình thành khi chúng được nối tam giác.

Nếu chúng ta chuyển đổi cuộn dây của pha thứ hai và thứ ba, từ thông sẽ đảo ngược hướng quay của nó.

Kết quả tương tự có thể đạt được mà không cần thay đổi cuộn dây stato, nhưng hướng dòng điện của pha thứ hai của mạng vào pha thứ ba của stato và pha thứ ba của mạng vào pha thứ hai của stato.

Do đó, bạn có thể thay đổi hướng quay của từ trường bằng cách chuyển đổi hai pha.

Chúng tôi đã xem xét một thiết bị có động cơ cảm ứng với ba cuộn dây stato... Trong trường hợp này, từ trường quay là lưỡng cực và số vòng quay trên giây bằng số chu kỳ thay đổi dòng điện trong một giây.

Nếu sáu cuộn dây được đặt trên stato xung quanh chu vi, thì từ trường quay bốn cực... Với chín cuộn dây, trường sẽ là sáu cực.

Ở tần số dòng điện ba pha bằng 50 vòng/giây hay 3000 vòng/phút thì số vòng quay n của từ trường quay trong một phút sẽ là:

với stato lưỡng cực n = (50 NS 60) / 1 = 3000 vòng / phút,

với stato bốn cực n = (50 NS 60) / 2 = 1500 vòng quay,

với stato sáu cực n = (50 NS 60) / 3 = 1000 vòng,

với số cặp cực stato bằng p: n = (f NS 60)/p,

Vì vậy, chúng tôi đã thiết lập tốc độ quay của từ trường và sự phụ thuộc của nó vào số vòng dây của stato của động cơ.

Như chúng ta đã biết, rôto động cơ sẽ bị trễ một chút khi quay.

Tuy nhiên, độ trễ của cánh quạt là rất nhỏ. Ví dụ, khi động cơ chạy không tải, sự khác biệt về tốc độ chỉ là 3% và dưới tải là 5-7%. Do đó, tốc độ của động cơ cảm ứng thay đổi trong giới hạn rất nhỏ khi tải thay đổi, đây là một trong những ưu điểm của nó.

Bây giờ hãy xem xét thiết bị của động cơ điện không đồng bộ

Động cơ điện không đồng bộ đã tháo rời: a) stato; b) rôto lồng sóc; c) rôto đang trong giai đoạn thực hiện (1 — khung; 2 — lõi thép dập; 3 — dây quấn; 4 — trục; 5 — vòng trượt)

Stato của động cơ điện không đồng bộ hiện đại có các cực không rõ rệt, nghĩa là bề mặt bên trong của stato được làm hoàn toàn nhẵn.

Để giảm tổn thất dòng điện xoáy, lõi stator được hình thành từ các lá thép dập mỏng. Lõi stato lắp ráp được cố định trong vỏ thép.

Một cuộn dây đồng được đặt trong các rãnh của stato... Các cuộn dây pha của stato của động cơ điện được nối với nhau bằng một «sao» hoặc «tam giác», theo đó tất cả các đầu và cuối của các cuộn dây được nối với nhau. cơ thể - đến một lá chắn cách nhiệt đặc biệt. Một thiết bị stato như vậy rất tiện lợi, vì nó cho phép bạn bật cuộn dây của nó thành các điện áp tiêu chuẩn khác nhau.

Rôto của động cơ cảm ứng, giống như stato, được lắp ráp từ các tấm thép dập. Một cuộn dây được đặt trong các rãnh của rôto.

Tùy thuộc vào thiết kế của rôto, động cơ điện không đồng bộ được chia thành động cơ rôto lồng sóc và rôto pha.

Dây quấn rôto lồng sóc được làm bằng các thanh đồng luồn vào các rãnh của rôto. Các đầu của thanh được kết nối với một vòng đồng. Cái này gọi là lăn lồng sóc. Lưu ý rằng các thanh đồng trong các kênh không được cách nhiệt.

Ở một số động cơ, "lồng sóc" được thay thế bằng rôto đúc.

Động cơ rôto không đồng bộ (có vòng trượt) thường được sử dụng trong động cơ điện công suất cao và trong những trường hợp này; khi cần động cơ điện tạo lực lớn khi khởi động. Điều này đạt được bởi thực tế là các cuộn dây của động cơ pha được kết nối bắt đầu biến trở.

Động cơ cảm ứng lồng sóc được vận hành theo hai cách:

1) Kết nối trực tiếp điện áp lưới ba pha với stato động cơ. Phương pháp này là đơn giản nhất và phổ biến nhất.

2) Giảm điện áp đặt vào cuộn dây stato. Ví dụ, điện áp được giảm bằng cách chuyển đổi cuộn dây stato từ sao sang tam giác.

Động cơ được khởi động khi các cuộn dây stato được kết nối theo kiểu "sao" và khi rôto đạt tốc độ bình thường, các cuộn dây stato được chuyển sang kết nối "tam giác".

Dòng điện trong dây cung cấp trong phương pháp khởi động động cơ này giảm 3 lần so với dòng điện xảy ra khi khởi động động cơ bằng cách kết nối trực tiếp với mạng có cuộn dây stato được kết nối bằng «delta».Tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp nếu stato được thiết kế để hoạt động bình thường khi cuộn dây của nó được nối tam giác.

Đơn giản nhất, rẻ nhất và đáng tin cậy nhất là động cơ lồng sóc không đồng bộ, nhưng động cơ này có một số nhược điểm - nỗ lực khởi động thấp và dòng khởi động cao. Những nhược điểm này phần lớn được loại bỏ bằng cách sử dụng rôto pha, nhưng việc sử dụng rôto như vậy làm tăng đáng kể chi phí của động cơ và yêu cầu khởi động biến trở.

Các loại động cơ không đồng bộ

Loại máy không đồng bộ chính là động cơ không đồng bộ ba pha... Nó có ba cuộn dây stato đặt lệch nhau 120 °. Các cuộn dây được kết nối sao hoặc tam giác và được cung cấp bởi dòng điện xoay chiều ba pha.

Trong hầu hết các trường hợp, động cơ công suất thấp được triển khai dưới dạng hai pha... Không giống như động cơ ba pha, chúng có hai cuộn dây stato, các dòng điện trong đó phải lệch nhau một góc để tạo ra từ trường quay π/2.

Nếu dòng điện trong các cuộn dây có độ lớn bằng nhau và lệch pha 90 °, thì hoạt động của một động cơ như vậy sẽ không khác với hoạt động của động cơ ba pha theo bất kỳ cách nào. Tuy nhiên, những động cơ có hai cuộn dây stato như vậy trong hầu hết các trường hợp được cấp nguồn bởi mạng một pha và độ dịch chuyển gần 90 ° được tạo ra một cách giả tạo, thường là do tụ điện.

Động cơ một pha chỉ có một cuộn dây của stato thực tế không hoạt động, khi rôto đứng yên, chỉ có từ trường dao động được tạo ra trong động cơ và mô-men xoắn bằng không. Đúng là nếu rôto của một cỗ máy như vậy quay đến một tốc độ nhất định, thì nó có thể thực hiện các chức năng của động cơ.

Trong trường hợp này, mặc dù sẽ chỉ có một trường xung, nhưng nó bao gồm hai trường đối xứng - tiến và lùi, tạo ra các mô-men xoắn không bằng nhau - động cơ lớn hơn và phanh ít hơn, phát sinh do dòng rôto có tần số tăng (trượt ngược với đồng bộ ngược). trường lớn hơn 1).

Liên quan đến điều trên, động cơ một pha được cung cấp cuộn dây thứ hai được sử dụng làm cuộn dây khởi động. Các tụ điện được bao gồm trong mạch của cuộn dây này để tạo ra sự lệch pha của dòng điện, công suất có thể khá lớn (hàng chục microfarad với công suất động cơ dưới 1 kW).

Hệ thống điều khiển sử dụng động cơ hai pha, đôi khi được gọi là điều hành... Chúng có hai cuộn dây stato lệch nhau 90 ° trong không gian. Một trong các cuộn dây, được gọi là cuộn dây trường, được kết nối trực tiếp với mạng 50 hoặc 400 Hz. Thứ hai được sử dụng như một cuộn dây điều khiển.

Để tạo ra từ trường quay và momen xoắn tương ứng, dòng điện trong cuộn dây điều khiển phải lệch đi một góc gần bằng 90°. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ, như sẽ chỉ ra bên dưới, được thực hiện bằng cách thay đổi giá trị hoặc pha của dòng điện trong cuộn dây này. Điều ngược lại được cung cấp bằng cách thay đổi pha của dòng điện trong cuộn dây điều khiển 180 ° (chuyển đổi cuộn dây).

Động cơ hai pha được sản xuất trong một số phiên bản:

• với rôto lồng sóc,

• với một cánh quạt rỗng không từ tính,

• với một rôto từ rỗng.

động cơ tuyến tính

Việc biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của các cơ quan máy công tác luôn gắn liền với nhu cầu sử dụng các bộ phận cơ khí nào: thanh răng, trục vít, v.v.chỉ có điều kiện - như một cơ quan di chuyển).

Trong trường hợp này, động cơ được cho là đã được triển khai. Cuộn dây stato của động cơ tuyến tính được thực hiện theo cách tương tự như đối với động cơ thể tích, nhưng nó chỉ được đặt trong các rãnh dọc theo toàn bộ chiều dài của chuyển động tối đa có thể của rôto trượt. Rôto trượt thường bị đoản mạch, phần thân làm việc của cơ cấu được khớp nối với nó. Ở hai đầu của stato tất nhiên phải có các điểm dừng để ngăn rôto rời khỏi giới hạn làm việc của đường dẫn.