Nguyên tắc vận hành

Động cơ điện được truyền động bằng lực điện từ.

Nếu dây dẫn điện có dòng điện chạy qua được đưa vào từ trường của một nam châm vĩnh cửu, những đường sức từ sẽ giao thoa (chổng chập lên nhau) (Hình 2).

Tại dòng điện trong hình (a), từ trường được tăng cường ở bên phải và bị yếu đi ở bên trái. Điều này sẽ làm nảy sinh một lực đẩy dây dẫn điện sang bên trái. Trong trường hợp dòng điện có hướng ngược lại (b) dây dẫn điện chịu một lực đẩy sang bên phải. Nếu dây dẫn điện được hình thành dưới dạng một vòng trong từ trường, như vậy sẽ có 2 lực đẩy làm cho vòng dây dẫn điện quay.

Trong một động cơ điện, nhiều vòng dây dẫn điện cuốn chung quanh một vật quay và tạo thành rôto. Chung quanh rôto là 4 nam châm điện bao gồm guốc cực (cực từ) và cuộn dây được xếp đặt trong khung máy tạo thành stato.

Khi nối vào lưới điện ba pha, từ trường của rôto và stato chổng chập với nhau và làm rôto quay. Qua đó vòng quay của rôto và tẩn số của điện áp tỷ lệ thuận với nhau. Đặc điểm chính để phân biệt động cơ điện là loại dòng điện vận hành. Theo đó người ta phân biệt động cơ điện ba pha, động cơ điện một chiều và động cơ điện đa năng (Bảng 1).

Động cơ điện ba pha

Động cơ điện ba pha được sử dụng nhiều nhất là động cơ không đồng bộ ba pha.Thành phần chính của nó là guốc cực với cuộn dây điện được gắn chặt vào trong khung máy (stato) và phần quay được đỡ trong ổ trục (rôto) (Hình 1). Rôto có thể là loại lổng sóc hay vành trượt. Stato gồm có 3 cuộn dây U1,V1 và W1 đặt lệch nhau 120° (Hình 2). Khi nối vào lưới điện ba pha, 3 dòng điện xoay chiều lv /2, /3 kế tiếp theo nhau chạy vào 3 cuộn dây này. Qua đó xuất hiện trong stato một từ trường quay với cặp cực (N và S). Từ trường của stato cảm ứng trong các thanh nhôm dẫn điện của rôto gây ra những dòng điện xoáy, những dòng điện xoáy này cũng tạo ra một từ trường mạnh trong rôto. Từ trường của stato và từ trường của rôto đẩy lẫn nhau và làm rôto quay. Rôto luôn bị từ trường quay của stato đẩy.

Ở một cặp cực, rôto quay gần bằng với tẩn số của từ trường stato (= tẩn số lưới điện 50 Hz). Điều này tương đương với số vòng quay 3000/ min. ở hai cặp cực, vòng quay rôto giảm xuống một nửa, n = 3000/min: 2 = 1500/min và ở ba cặp cực còn một phần ba n=3000/min:3 = 1000/min.

Trong động cơ có thể đảo cực, vòng quay có thể đảo cực từng bước.

Các thông số đặc trưng của động cơ điện được cho biết trên biển công suất (Bảng 1 và hình 3).

Động cơ điện không đồng bộ 3 pha phần lớn được chế tạo với rôto lổng sóc (Hình 1, trang 419). ở loại động cơ này các thanh nhôm dẫn điện được ngắn mạch qua các vòng ở cuối rôto, vì thế mà người ta cũng gọi là động cơ rôto ngắn mạch. Từ trường quay của stato làm cảm ứng trong những thanh dẫn điện của rôto một điện áp và như thế tạo ra một dòng điện. Từ đó một từ trường trong rôto được hình thành. Từ trường của stato và rôto tác dụng với nhau khiến cho rôto quay theo chiều của trường quay stato.Vận tốc vòng quay của rôto luôn luôn nhỏ hơn của trường quay một tí vì nếu không điện áp sẽ không còn được tạo ra tiếp tục nữa. Động cơ không chạy đồng bộ mà sẽ chạy không đồng bộ với trường quay. Sự chênh lệch giữa vận tốc vòng quay của trường quay và vận tốc vòng quay rôto được gọi là độ trượt. Tùy theo tải của động cơ mà độ trượt sẽ vào khoảng 3% đến 7% của tẩn số lưới điện. Vì vậy vận tốc vòng quay của một động cơ điện không đồng bộ ba pha sẽ là 1460/min thay vì 1500/min.
Tính năng vận hành của động cơ điện ba pha không đồng bộ

Khi bật máy thì đã có mômen khởi động M_A (Hình 2). Nó tác động để động cơ chạy đến khi đạt vòng quay định mức n_N tại mômen địnhmức M_n. Khi mômentải hạ xuống 0, tốc độ quay sẽ tăng lên đến tốc độ quay không tải n_L. Khi mômen tải tăng lên, tốc độ quay sẽ giảm xuống cho đến tốc độ lật n_K. Mômen lật M_K là mômen quay cực đại mà động cơ có thể cung cấp. Khi tải vượt qua mômen lật, động cơ sẽ chạy chậm dần và dừng lại. Động cơ đạt đến mômen danh định (danh nghĩa) khi nó đạt vòng quay định mức như đã ghi ở trong bảng công suất. Động cơ không đồng bộ được vận hành giữa mômen không tải và mômen định mức.

Động cơ điện ba pha không đồng bộ được sử dụng cho rất nhiều công việc truyền động, thí dụ như truyền động trục chính của máy công cụ hay truyền động cho máy bơm, máy nén và hệ thống vận chuyển.

Một loại đặc biệt của động cơ điện ba pha không đồng bộ là động cơ không đồng bộ vành trượt.

Nó được ứng dụng khi phải cẩn đến mômen quay khởi động lớn, thí dụ như cần cẩu xây dựng.

Điều khiển khởi động của động cơ điện không đồng bộ ba pha

Những động cơ điện lớn cần dòng điện rất cao từ lưới điện khi khởi động. Qua đó điện áp trong lưới điện bị giảm. Để tránh sự biến động lớn không cho phép của điện áp trong lưới khi khởi động, động cơ không đồng bộ không được bật máy trực tiếp khi cường độ dòng điện khởi động vượt quá 60 A. Động cơ được trang bị một bộ phận điều khiển khởi động.

Với bộ chuyển mạch sao-tam giác, đầu tiên những cuộn dây động cơ được cấp điện ở vị trí Y (sao) với 230 V, sau đó chuyển sang vị trí tam giác với điện áp đầy đủ 400 V (Hình 3).
Những thiết bị điện tử khởi động mềm tạo ra việc khởi động và lấy đà nhẹ nhàng bằng việc giảm điện áp và dòng điện của động cơ, qua đó cũng tránh được việc tải tăng vọt và mômen nhảy vọt. Những thiết bị khởi động này có thể phù hợp một cách tối Ưu với từng ứng dụng.
Sự khởi động được điều khiển bằng bộ đảo điện tiết kiệm nhiều năng lượng, nhất là ở truyền động với chế độ tắt mở rất thường xuyên.
Động cơ điện ba pha đồng bộ

Rôto quay có cùng tẩn số với trường quay (đồng bộ). Vận tốc quay chỉ lệ thuộc vào tần số lưới điện và có thể điều khiển bằng điện tử.

Đặc tính của động cơ đồng bộ ba pha