CHƯƠNG 18
CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ CÁC DẠNG KHÁC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ



18-2. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA
Máy điện không đồng bộ một pha có kết cấu giống như máy điện không đồng bộ 3 pha, chỉ khác là trên stato có hai dây quấn: dây quấn chính (dây quấn làm việc) và dây quấn phụ (dây quấn mở máy). Rôto thường là rôto lồng sóc.
Dây quấn chính nối với lưới trong suất quá trình làm việc, dây quấn phụ chỉ nối với lưới khi mở máy. Khi tốc độ đạt đến 75 ÷ 80% tốc độ định mức, nhờ bộ ngắt điện kiểu ly tâm cắt dây quấn phụ ra khỏi lưới. Cũng có loại động cơ sau khi mở máy xong dây quấn phụ vẫn nối với lưới, đó là loại động cơ một pha kiểu điện dung (kiểu tụ ngâm).
So với động cơ KĐB ba pha cùng kích thước, công suất của động cơ KĐB một pha chỉ bằng 70% công suất của động cơ điện ba pha. Tuy nhiên, do khả năng quá tải thấp nên trên thực tế, trừ động cơ điện kiểu điện dung, công suất của động cơ điện một pha chỉ bằng 40 ÷ 50% công suất động cơ điện ba pha.

18.1.1. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB một pha
Đặt vào dây quấn làm việc điện áp xoay chiều một pha, dòng điện trong dây quấn sẽ sinh ra từ trường đập mạch Φ. Từ trường này có thể phân tích thành hai từ trường quay ngược chiều nhau ΦA và ΦB có tốc độ bằng nhau, có biên độ bằng một nửa biên độ của từ trường đập mạch (hình 18-4a).
Hình 18-4. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB một pha
Như vậy, có thể xem động cơ KĐB một pha tương đương như một động cơ ba pha có dây quấn stato gồm hai phần giống nhau mắc nối tiếp nhau và tạo thành các từ trường quay theo hai chiều ngược nhau (hình 18-4b).
Tác dụng của các từ trường quay thuận và quay ngược đó với dòng điện rôto do chúng sinh ra tạo thành hai mômen MA và MB quay ngược chiều nhau.
Khi rôto đứng yên (s = 1) hai mômen đó bằng nhau và ngược chiều nên mômen tổng bằng không.
Nếu ta quay rôto của động cơ theo một chiều nào đó (ví dụ theo chiều của từ trường quay thuận ΦA) với tốc độ n thì:
Tần số của dòng điện rôto do từ trường quay thuận ΦA sinh ra sẽ là:
(2-s) chính là hệ số trượt của rôto đối với từ trường quay ngược ΦB.
Như vậy, khi 0 < s < 1, đối với từ trường quay thuận ΦA máy làm việc ở chế độ động cơ. Đối với từ trường quay ngược ΦB, do (2-s) > 1 nên máy làm việc ở chế độ hãm.
Khi 1 < s < 2, tức là khi rôto quay theo chiều của từ trường dây quấn B, hệ số trượt đối với từ trường ΦB là 0 < (2-s) < 1, máy làm việc ở chế độ động cơ. Đối với từ trường ΦA máy làm việc ở chế độ hãm.
Nếu cho rằng mômen có trị số dương khi chúng tác dụng theo chiều của từ trường ΦA, ta vẽ được các đường cong MA, MB và mômen tổng như ở hình 18-5.
Từ hình 18-5 ta thấy: đặc tính mômen của động cơ không đồng bộ một pha có tính chất đối xứng, do đó nó có thể quay theo bất kỳ chiều nào.
Chiều quay thực tế của động cơ điện một pha phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy.
Từ hình 18-5 thấy rằng:
Năng lực quá tải của động cơ điện một pha nhỏ hơn động cơ điện ba pha.
Mômen cực đại Mmax của động cơ điện một pha phụ thuộc vào điện trở r’2, đó là vì khi r’2 tăng, mặc dù Mmax do từ trường thuận sinh ra không đổi nhưng hệ số trượt sAm ứng với MAmax tăng lên, đồng thời ở hệ số trượt đó MB cũng tăng nên mômen cực đại của động cơ giảm.
Hình 18-6. Ảnh hưởng của điện trở mạch rôto đối với mômen cực đại của động cơ KĐB một pha
Sự thay đổi của mômen cực đại theo điện trở r2 được biểu thị như ở hình 18-6.
Mạch điện thay thế:
Mạch điện thay thế của máy điện KĐB một pha được xây dựng theo nguyên lý mạch điện thay thế của máy điện KĐB ba pha.
Vì máy điện không đồng bộ một pha có thể coi như hai dây quấn ba pha nối tiếp nhau và sinh ra hai từ trường ngược chiều nhau nên phương trình cân bằng s.đ.đ. ở dây quấn stato là:




Zm = rm + jxm - tổng trở mạch từ hoá,
I0A, I0B - dòng từ hoá sinh ra bởi từ trường thuận ΦA và từ trường ngược ΦB.
Tương tự như máy điện KĐB ba pha ta có:
Phương trình cân bằng s.đ.đ. mạch rôto:
(18-9)
trong đó r’2, x’2 là điện trở và điện kháng tản của dây quấn rôto đã quy đổi và không xét đến ảnh hưởng của tần số.
Dựa vào các phương trình trên ta có thể xây dựng được mạch điện thay thế như ở hình 18-7
Theo mạch điện thay thế ta có:
Mômen của động cơ điện không đồng bộ một pha bằng tổng hai mômen do từ trường quay thuận và quay ngược sinh ra:
M = MA + (- MB) (18-12)
trong đó:

18.1.2. Mở máy động cơ không đồng bộ một pha
Động cơ không đồng bộ một pha muốn tự mở máy được cần có dây quấn mở máy. Từ trường của dây quấn mở máy cùng với từ trường của dây quấn chính hợp lại thành một từ trường quay tạo nên mômen mở máy ban đầu.
Dây quấn mở máy lệch với dây quấn chính một góc 900 trong không gian, dòng điện trong dây quấn mở máy phải lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc 900 về thời gian.
Có thể tạo ra sự lệch pha về thời gian giữa dòng điện trong dây quấn chính và dây quấn mở máy bằng cách nối mạch điện dây quấn mở máy với một điện cảm hay một điện dung (hình 18-8b). Khi đó dòng điện trong dây quấn mở máy If vượt trước điện áp lưới và lệch pha với dòng trong dây quấn chính Ic một góc gần bằng 900.
Nhờ có sự lệch pha giữa hai dòng điện Ic và If mà trong khe hở của máy sinh ra một từ trường quay đảm bảo có mômen mở máy tương đối lớn.
Khi máy đã quay, bộ ngắt điện ly tâm cắt dây quấn mở máy ra khỏi lưới. Động cơ điện mở máy kiểu này gọi là động cơ điện kiểu điện dung.
a)
b)
Hình 18-8. Các phương pháp mở máy và các loại động cơ không đồng bộ một pha
Mở máy bằng điện trở:
Trên dây quấn phụ cũng có thể đấu nối tiếp điện trở để tạo mômen mở máy (hình 18-8a), lúc đó IC và If cũng lệch pha nhau một góc nhất định, nhưng mômen mở máy nhỏ.
Phương pháp này chỉ cần tính toán sao cho bản thân dây quấn phụ có điện trở tương đối lớn là được, không cần thêm điện trở ngoài nên kết cấu động cơ đơn giản.
Dây quấn phụ nối tiếp với điện dung có thể thiết kế để làm việc lâu dài trên lưới mà không cần cắt ra sau khi mở máy. Loại này còn được gọi là động cơ điện hai pha. Loại này có đặc tính làm vệc tốt, năng lực quá tải lớn, hệ số công suất cosφ được cải thiện (hình 18-8c).
Do khi mở máy cần nhiều điện dung hơn khi làm việc nên thường dùng bộ ngắt điện kiểu ly tâm cắt bớt điện dung ra sau khi mở máy (hình 18-8d). Động cơ điện lúc mở máy và làm việc đều cần điện dung gọi là động cơ điện kiểu điện dung.

Mở máy bằng vòng ngắn mạch
Động cơ điện một pha công suất nhỏ mở máy không tải hay tải nhẹ thường dùng vòng ngắn mạch để mở máy.
Vòng ngắn mạch F đặt trên cực từ và đóng vai trò cuộn dây phụ (hình 18-10a). Vòng ngắn mạch ôm lấy khoảng 1/3 cực từ.
Khi đặt điện áp xoay chiều vào cuộn dây để khởi động động cơ, dòng xoay chiều chạy trong dây quấn sẽ sinh ra từ thông C.
Từ thông C chia thành hai phần: Phần từ thông ’C xuyên qua cực từ ngoài vòng ngắn mạch có giá trị lớn và phần từ thông V xuyên qua phần cực từ có vòng ngắn mạch. V = C - ’C.

Trong vòng ngắn mạch sẽ sinh ra sức điện động En và dòng điện ngắn mạch In, dòng In lại sinh ra từ thông Φn. Từ thông Φn tác dụng với từ thông Φv để sinh ra từ thông Φf đi qua vòng ngắn mạch (hình 18-10b).
Kết quả là ở phần cực từ không có vòng ngắn mạch có từ thông Φ’C đi qua, trong vòng ngắn mạch có Φf đi qua, giữa chúng có góc lệch pha nhất định về thời gian và góc lệch về không gian tạo nên một từ trường quay và máy có mômen mở máy ban đầu làm cho động cơ quay.
Động cơ điện ba pha cũng có thể dùng trong lưới một pha.
Điện áp một pha đặt vào hai dây quấn pha nối tiếp, dây quấn pha còn lại nối thêm một điện dung tạo thành dây quấn mở máy (hình 18-11).
Khi đổi động cơ điện ba pha thành động cơ điện một pha kiểu điện dung thì đặc tính của động cơ có kém đi, mặt khác do giá thành điện dung đắt nên thường chỉ đổi động cơ điện ba pha có ≤ 1,7 kW thành động cơ điện một pha kiểu điện dung
Hình 18-11. Một vài phương pháp mở máy động cơ điện ba pha trong lưới một pha.