Động Cơ Cảm Ứng

Động cơ cảm ứng được tạo ra nhằm mục đích để xử lý các loại tải khác nhau và các tốc độ khác nhau.

Trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu động cơ cảm ứng sẽ bị ảnh hưởng như thế nào khi thay đổi số cực trong Stator.

Ta có thể tăng hoặc giảm Moment xoắn bằng cách thêm hoặc bớt số cực trong Stator. Càng nhiều cực sẽ làm cho từ trường quay càng chậm.

Hình 1. Một số cực của động cơ cảm ứng mà ta thường gặp.

1. Tại sao càng nhiều cực sẽ làm cho từ trường quay càng chậm?

Để trả lời cho câu hỏi trên, chúng ta sẽ sử dụng công thức tính tốc độ đồng bộ sau để giải thích.

(Công thức này được ứng dụng trong động cơ là số cực từ)

Trong đó:

  • f là tần số của dòng điện xoay chiều được cung cấp.
  • p là số lượng cực của động cơ.

Giả sử chúng ta có một động cơ cảm ứng 2 cực hoạt động ở tần số 60 Hz, suy ra tốc độ từ trường của Stator là 3600 vòng/phút.

Hình 2. Động cơ cảm ứng 2 cực hoạt động ở tần số 60 Hz.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra khi ta thay đổi số cực của động cơ ở ví dụ trên là 6 cực thay vì 2 cực hoạt động ở tần số 60 Hz? Kết quả sẽ như hình bên dưới, ta thu được tốc độ từ trường của Stator bị giảm xuống còn 1200 vòng/phút.

Hình 3. Động cơ cảm ứng 4 cực hoạt động ở tần số 60 Hz.

Bảng sau đây thống kê lại những giá trị của tốc độ đồng bộ sẽ giảm khi ta tăng số cực số cực.

Chính vì vậy động cơ cảm ứng có moment xoắn càng cao sẽ có tốc độ càng chậm hơn so với động cơ cảm ứng có moment xoắn thấp hơn cùng loại, và dĩ nhiên tốc độ của nó cũng sẽ lớn hơn.

2. Lưu ý

Ở đây có một điều cần lưu ý, đó chính là khi tăng số cực thì chi phí sản xuất cũng sẽ tăng theo. Vì vậy, hầu hết các loại động cơ cảm ứng có cấu hình từ 2 đến 4 cực. Nếu như cần nhiều moment xoắn hơn thì người ta sẽ chọn một loại động cơ lớn hơn thay vì dùng động cơ 6 cực hoặc 8 cực.

3. Ví dụ

Cuối cùng chúng ta hãy cùng xem lại ví dụ sau nhé.

Nếu ta có một động cơ với tốc độ định mức 1774 vòng/phút, nó có bao nhiêu cực?

Hình 4. Nhãn động cơ cảm ứng.

Dựa vào nhãn của động cơ như hình trên, câu trả lời cho câu hỏi là 4 cực.

Hình 5. Tính số cực của động cơ với tốc độ định mức 1774 vòng/phút.

Trong bài viết này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về ý nghĩa đường cong của momen động cơ.

1. Giới thiệu

Động cơ cảm ứng được dùng để thực hiện công việc hoàn thành một nhiệm vụ mang tính cơ học nào đó. Khi động cơ cảm ứng hoạt động nó sẽ sử dụng năng lượng điện để tạo ra momen xoắn cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ đó.

Đường cong tốc độ của momen xoắn sẽ cho chúng ta thấy momen xoắn được tạo ra như thế nào khi một động cơ cảm ứng thay đổi cách hoạt động trong suốt các giai đoạn khác nhau.

Hình 1. Đường cong tốc độ của moment xoắn của động cơ cảm ứng.

Hình 1. Đường cong tốc độ của momen xoắn của động cơ cảm ứng.

  • Momen khởi động là lượng momen mà động cơ cảm ứng tạo ra khi nó tăng tốc từ vị trí đứng yên.

Nhìn vào hình bên dưới, đường cong momen khởi động đạt 150% momen định mức.

Hình 2. Đường cong momen khởi động.

  • Pull up Torque (tạm gọi là Momen kéo tải) là lượng momen dùng để tăng tốc động cơ về tốc độ định mức của nó. Nếu momen của động cơ nhỏ hơn momen cần thiết để tăng tốc kéo tải thì tốc độ của động cơ không thể nào đạt đến tốc độ định mức.

Khi động cơ tiếp tục tăng tốc về tốc độ định mức thì nó sẽ đạt đến một giá trị gọi là momen tới hạn.

Hình 3. Momen tới hạn của động cơ.

Momen tới hạn là lượng momen lớn nhất mà động cơ có thể tạo ra. Hay nói cách khác, tại đây sẽ sinh ra một lực xoắn lớn nhất và một động cơ điện tạo ra với điện áp tương ứng được dùng ở tần số tương ứng mà không có sự suy giảm bất thường trong tốc độ.

Khi động cơ tăng tốc đến tốc độ định mức của nó, momen động cơ lúc này bằng khoảng 80% đến 100% momen định mực của nó. Đó là điều tất nhiên nếu như động cơ được thế kế đúng.

Hình 4. Momen động cơ khi tăng tốc đến tốc độ định mức.

2. Từng trường hợp của tải làm cho momen thay đổi

2.1. Ví dụ 1

Bây giờ chúng ta hãy cùng xem lại ví dụ sau và hãy chú ý đến giá trị momen động cơ.

Hình 5. Momen của động cơ thay đổi khi tăng tải.

Khi tải được tăng lên, tốc độ động cơ giảm kéo theo momen của động cơ sẽ tăng. Từ đó, ta có thể thấy được momen và dòng điện tỉ lệ thuận với nhau; điều đó có nghĩa là một động cơ cảm ứng sẽ có dòng điện lớn hơn khi tăng tải. Vì vậy, khi tải tăng nó sẽ tăng lượng dòng điện mà động cơ sinh ra đồng thời một lượng momen cũng được tạo ra.

Hình 6. Khi tải tăng thì dòng điện và momen cũng tăng theo.

2.2. Ví dụ 2

Chúng ta hãy cùng xem một ví dụ khác, giả sử tải trở nên rất lớn, lớn đến mức làm cho momen động cơ tạo ra gần bằng với giá trị của momen tới hạn (Mth).

Hình 7. Tải vừa bắt đầu tăng.

Hình 8. Tải tăng đến mức giữa.

Chúng ta có thể thấy rằng khi tải càng tăng thì momen cũng tăng theo đường cong này (như hình vẽ), bởi vì lúc này tốc độ của động cơ giảm và dòng điện trong động cơ bắt đầu tăng dần.

Dòng điện trong Rotor bắt đầu giảm khi Rotor đạt trạng thái bão hoà. Điều này làm rời rạc (phân rã) các từ trường trong Rotor, làm cho Rotor quay chậm lại hoặc ngừng hoạt động.

Hình 9. Momen của động cơ khi đầy tải.

Mặc dù dòng điện đang giảm trong Rotor nhưng dòng điện trong toàn bộ hệ thống đang tăng lên, khi động cơ trượt ra ngoài momen tới hạn của nó, nó sẽ bắt đầu tạo ra momen ít hơn và làm cho tốc độ động cơ giảm.

Hình 10. Động cơ trượt ra ngoài momen tới hạn của nó.

Trường hợp này rất có hại cho động cơ do Stator của động cơ quá nóng. Để khắc phục trường hợp này, thông thường người ta sẽ có một relay bảo vệ quá tải, nó sẽ giúp bảo vệ động cơ tránh khỏi hư hại.

Hình 11. Relay nhiệt bảo vệ quá tải động cơ.

Hình 12. Một số Relay nhiệt dùng bảo vệ quá tải động cơ trong thực tế.

NEMA là viết tắt của National Electrical Manufacturers Association: Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia Hoa Kỳ (Mỹ). Tổ chức này đã phát triển một loạt các tiêu chuẩn của vỏ bọc, vỏ bảo vệ cho thiết bị điện tử tương ứng với hệ thống đánh giá IP của Ủy Ban Kỹ Thuật Điện Quốc Tế (IEC).

NEMA đã đề ra các tiêu chuẩn thiết kế về điện cho động cơ cảm ứng, bao gồm các tiêu chuẩn A, B, C và D.

Hình 1. Các tiêu chuẩn thiết kế của NEMA cho động cơ cảm ứng.

Mỗi một tiêu chuẩn thiết kế có khả năng về tốc độ momen và tốc độ trượt riêng độc đáo riêng, tuỳ thuộc vào việc mà động cơ được thiết kế sẽ thực hiện.

1. Kiểu A

Hình 2. Tiêu chuẩn thiết kế kiểu A.

  • Động cơ được cho phép trượt tối đa 5%.
  • Tương tự thiết kế kiểu B về lượng momen.
  • Không bị giới hạn về dòng khởi động.
  • Cho phép trở kháng của cuộn dây thấp hơn bình thường, từ đó giảm điện trở Stator làm cho thiết kế kiểu A hiệu quả nhất tại điểm nguồn.
  • Thường cung cấp momen lớn hơn kiểu B.
  • Quạt li tâm và máy bơm là ví dụ điển hình cho kiểu thiết kế A.

Hình 3. Quạt li tâm (phải) và máy bơm (trái).

2. Kiểu B

Hình 4. Tiêu chuẩn thiết kế kiểu B.

  • Động cơ được thiết kế theo kiểu B là kiểu động cơ được sử dụng phổ biến nhất trong ngành Điện.
  • Độ trượt tối đa của kiểu B là 5%.
  • Tốc độ momen tương tự như các động cơ được thiết kế theo kiểu A.
  • Nhưng dòng khởi động của động cơ bị giới hạn theo tiêu chuẩn của NEMA.
  • Bởi vì loại động cơ này có thể cung cấp Pull Up Torque (tạm gọi là momen kéo tải) tốt nên chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng.

Hình 5. Một số ứng dụng của động cơ thiết kế theo kiểu B.

  • Động cơ được thiết kế theo kiểu B có thể chịu sự tác động hoặc tải tăng đột ngột ở tốc độ lớn nhất mà không có lực bên ngoài ngăn cản.

3. Kiểu C

Hình 6. Tiêu chuẩn thiết kế kiểu C.

  • Động cơ được thiết kế theo kiểu C cũng có độ trượt tối đa là 5%.
  • Kiểu C được chế tạo để cung cấp năng lượng cho các thiết bị đòi hỏi momen tới hạn cao như Positive-displacement pumps và băng tải.

Hình 7. Positive-displacement pumps (trái) và băng tải (phải).

4. Kiểu D

Hình 8. Tiêu chuẩn thiết kế kiểu D.

  • Tương tự như kiểu thiết kế C, động cơ được thiết kế theo kiểu D là động cơ lồng sóc được thiết kế với độ trượt tối đa từ 5% đến 13%.
  • Dòng khởi động thấp.
  • Momen khoá Rotor rất cao.
  • Yêu cầu momen khởi động cơ.

Hình 9. Ứng dụng cẩu trục (trái) và xà lan (phải).

Hình 1. Loại vỏ của động cơ cảm ứng.

Hình 1. Loại vỏ của động cơ cảm ứng.

1. Open drip proof (ODP)

Hình 2. Open drip proof (ODP).

  • ODP thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà. Vỏ bọc cho phép không khí bên ngoài lưu thông qua để làm mát cuộn dây. Cánh quạt giúp di chuyển không khí đi qua động cơ.
  • Trong vỏ ODP, các lỗ thông hơi ngăn chất lỏng và chất rắn rơi từ trên cao xuống theo góc tới 15° so với phương thẳng đứng vào bên trong động cơ và tránh làm hư hỏng các bộ phận vận hành khi động cơ không ở vị trí nằm ngang, như khi nó được gắn trên tường.
  • ODP có thể được chỉ định khi môi trường không có chất gây ô nhiễm và nơi mà có nhiều mưa gió thì cần cân nhắc.

2. Totally enclosed nonventilated (TENV)

Hình 3. Totally enclosed nonventilated (TENV).

  • Không khí xung quanh động cơ có chứa các yếu tố ăn mòn, bụi, cát và các mảnh vụn khác có thể làm hỏng các bộ phận bên trong của động cơ hoặc động cơ tiếp xúc với mưa gió, nước biển.
  • TENV hoàn toàn không kín, nhưng nó hạn chế việc trao đổi không khí tự do giữa bên trong và bên ngoài động cơ. Ngăn chặn nước, bụi và các vật lạ khác có thể đi vào động cơ dọc theo trục. Tất cả nhiệt đều được tản ra qua vỏ bọc thông qua sự dẫn nhiệt.
  • Động cơ TENV có thể được sử dụng trong nhà và ngoài trời.

3. Totally enclosed fan cooled (TEFC)

Hình 4. Totally enclosed fan cooled (TEFC).

  • TEFC tương tự như vỏ TENV, TEFC được làm mát bằng quạt gắn bên ngoài được kết nối với trục động cơ.
  • Quạt làm mát bằng cách thổi không khí bên ngoài vào động cơ để tản nhiệt nhanh hơn. Một tấm vải che quạt lại để đảm bảo an toàn, ngăn bất cứ ai chạm vào nó.
  • Động cơ TEFC có thể được sử dụng trong điều kiện vận hành bẩn, ẩm hoặc có sự ăn mòn nhẹ, hoặc nơi dự kiến ​​có mưa gió.

4. Totally enclosed blower cooled (TEBC)

Hình 5. Totally enclosed blower cooled (TEBC).

  • TEBC được làm mát bằng cách thông qua đối lưu cưỡng bức bằng quạt gió. TEBC được sử dụng phổ biến nhất cho động cơ tốc độ thay đổi kết hợp với ổ đĩa tốc độ biến đổi của một số loại.
  • Động cơ được chế tạo với vỏ kín, loại bỏ nước. Một quạt quay với tốc độ không đổi nhằm mục đích thổi không khí qua động cơ để giữ cho động cơ mát ở mọi tốc độ vận hành.
  • Lưu ý rằng động cơ này không phù hợp để sử dụng trong môi trường ô nhiễm hoặc nguy hiểm.