Từ trường quay tạo bởi dây quấn Stator trong động cơ không đồng bộ ba pha

1. Khái niệm về từ trường

Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt bao quanh nam châm, dòng điện. Từ trường gây ra lực từ (lực tương tác) lên nam châm, dòng điện khác hoặc các vật có từ tính đặt trong nó.

Hình 1. Thí nghiệm về tương tác từ giữa nam châm và dòng điện

2. Khái niệm về từ trường quay tạo bởi dây quấn stator trong động cơ không đồng bộ ba pha

Khi dòng điện xoay chiều 3 pha đi qua dây quấn stator. Dưới tác dụng của từ trường quay Rotating magnetic field (RMF) và cách sắp xếp các bối dây đã tạo nên lực từ tác động lên Rotor làm quay động cơ. Như trong hình 2 dưới ta có thể thấy hướng đi của dòng điện và từ trường quay do dòng điện tạo ra tác động lên động cơ như thế nào. Để hiểu rõ hơn chúng ta cùng xét về quá trình hình thành từ trường quay trong động cơ không đồng bộ 3 pha.

Hình 2. Từ trường quay tạo ra bởi động cơ điện

2.1. Sự hình thành từ trường quay tạo bởi dây quấn stator

Để hiểu được quá trình tạo ra từ trường quay, chúng ta cùng xét 1 máy điện đơn giản gồm 6 rãnh với ba cuộn dây đối xứng AX, BY, CZ. Ba dây quấn được đặt lệch nhau trong không gian 1 góc  điện. Khi ba cuộn dây Stator của động cơ không đồng bộ 3 pha được nối vào nguồn áp 3 pha thì sẽ xuất hiện dòng điện trong các pha. Dây dẫn mang dòng điện sẽ tạo ra một trừ trường xung quanh nó, từ trường được tạo ra bởi dòng điện 3 pha sẽ được hiển thị như hình 3 dưới đây tại 1 thời điểm tức thời riêng biệt.

Hình 3. Từ trường tạo ra bởi ba cuộn dây đơn giản và cuộn dây đơn

Do vị trí các cuộn dây là khác nhau và dòng điện trong các cuộn dây cũng khác nhau, nên sức từ động tổng do các dòng điện tạo nên là tổng hợp các sức từ động tổng của các pha. Nên khi dòng điện biến đổi hình sin thì sức từ động tổng cũng biến đổi hình sin. Kết quả là một sức từ động chạy vòng tròn (từ trường quay tròn) trên bề mặt stator với tốc độ quay không đổi (tốc độ đồng bộ). Nếu 3 pha đối xứng được đấu với 3 pha của lưới theo thứ tự a, b, c thì ta có các phương trình dòng điện trong các pha như sau:

Xét từ trường tổng do dòng ba pha gây ra tại ba thời điểm : 

+ Tại thời điểm t0t = 900):

  • Dòng điện pha a đạt giá trị cực đại và dương, dòng pha b, c âm và có giá trị bằng nhau. Lực từ động thành phần, từ động tổng và chiều đi dòng điện của các pha được biểu diễn trên hình 4a dưới.

+ Tại thời điểm t1+T/12 (ωt = 2100):

  • Dòng điện pha b đạt giá trị cực đại và dương, dòng pha a, c âm và có giá trị bằng nhau. Lực từ động thành phần, từ động tổng và chiều đi dòng điện của các pha được biểu diễn trên hình 4b dưới.

 + Tại thời điểm t2+T/6 (ωt = 3300) :

  • Dòng điện pha c đạt giá trị cực đại và dương, dòng pha a, b âm và có giá trị bằng nhau. Lực từ động thành phần, từ động tổng và chiều đi dòng điện của các pha được biểu diễn trên hình 4d dưới.

Như hình 4 dưới ta có thể thấy mỗi từ trường có một hướng khác nhau ở một thời điểm, nhưng độ lớn là giống nhau. Từ 3 thời điểm trên ta thấy dòng điện ba pha tạo ra từ trường quay.

Hình 4. Từ trường quay trong 4 khoảng thời gian khác nhau

Hình 5. Dòng điện 3 pha đối xứng trong các cuộn dây pha

Hình 6. Các thành phần sóng sức từ động tai thời điểm t0

Giả sử bạn đang đặt một vòng dây dẫn kín bên trong từ trường quay như hình 1.7. Khi từ trường biến thiên thì một điện áp cảm ứng EMF được tạo ra trong vòng kín theo định luật Faraday. EMF sẽ sinh ra một dòng điện chạy trong vòng dây kín. Do đó giờ đây nó trở thành trường hợp một vòng dây kín có dòng điện đi qua được đặt trong từ trường. Điều này dẫn đến sẽ có một lực điện từ trong dây dẫn kín theo định luật Lorentz, vì vậy vòng dây kín sẽ bắt đầu quay dưới tác dụng của lực điện từ.

Hình 7. Hiện tượng RMF trong dây dẫn kín

2.2. Đặc điểm của từ trường quay

Từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stator f và số đôi cực p. Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện cực đại. Muốn đổi chiều quay của từ trường ta giữ nguyên 1 pha và thay đổi thứ tự hai pha còn lại với nhau.

Biên độ của từ trường quay từ thông của từ trường quay xuyên qua dây quấn biến thiên hình sin và có biên độ 3/2 từ thông cực đại của một pha Φmax = Φpmaxc . Từ trường quay của dây quấn hai pha, khi có dây quấn 2 pha đặt lệch nhau một góc điện, dòng điện trong hai dây quấn đặt lệch nhau về thời gian 900 . Từ trường hai pha là từ trường quay và có biên độ Φmax = Φpmax.

2.3. Quan hệ giữa tần số nguồn điện, số đôi cực với tốc độ từ trường quay

2.3.1. Quan hệ giữa số đôi cực từ với tốc độ từ trường quay

Tốc độ của động cơ KĐB:

Từ công thức trên ta có thể thấy khi thay đổi số đôi cực p, sẽ điều chỉnh được ω0 và sẽ điều chỉnh được tốc độ. Do đó tốc độ của từ trường quay phụ thuộc vào số đôi cực từ p. Trong thực tế người ta chế tạo ra máy đa tốc với các tổ quấn dây stator khác nhau để tạo ra được số đôi cực p khác nhau làm có chức năng thay đổi tốc độ động cơ.

Thực tế, các động cơ DK đa tốc thường gặp là đổi nối theo hai cách: hình sao sao kép (YĠ) và tam giác sao kép (ΔĠ).

Khi nối Δ hoặc Y, hai đoạn dây quấn mỗi pha được đấu nối tiếp thuận cực, nên ta giả thiết khi đó p = 2 và tương ứng tốc độ đồng bộ là ω0 . Khi đổi nối thành, các đoạn dây sẽ nối song song ngược cực, nên p = 1, tốc độ đồng bộ tăng gấp đôi ω=2ω0.

Như vậy, khi đổi nối YĠ hay ΔĠ , tốc độ không tải lý tưởng đều tăng lên 2 lần (ω=2ω0 ), độ trượt tới hạn không đổi (giá trị tương đối), còn mômen tới hạn giảm mất 1/3 lần. 

Hình 8. Đặc tính điều chỉnh tốc độ khi đổi nối dây quấn stator theo hai kiểu Y và Δ

2.3.2. Quan hệ giữa tần số nguồn điện với tốc độ từ trường quay

Tốc độ của động cơ KĐB:

Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỷ lệ thuận với tần số.

Từ công thức trên ta có thể thấy khi điện áp nguồn cung cấp cho động cơ có tần số (f1) thay đổi thì tốc độ từ trường và tốc độ động cơ cũng thay đổi theo. Qua đồ thị hình 1.7 dưới, khi tần số tăng (f13 > f1dm) thì moment tới hạn giảm (với điện áp nguồn U1 = const ) thì Mth giảm theo tỉ lệ bình phương tần số :

Khi tần số nguồn giảm (f11 < f1dm) càng nhiều, nếu giữ điện áp không đổi thì dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn. Do vậy, khi giảm tần số cần giảm điện áp theo quy luật nhất định sao cho động cơ sinh ra mômen như trong chế độ định mức.

Hình 9. Đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số nguồn điện vào

Mặt khác, từ biểu thức:

Ta nhận thấy Φmax tỷ lệ thuận với E1/f1. Chúng ta mong muốn giữ cho Φmax = const

Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời cả E/f , có nghĩa là phải sử dụng một nguồn điện đặc biệt , đó là các bộ máy biến tần công nghiệp.

Để hiểu hơn về nội dung bài biết chúng ta cùng theo dõi video về quá trình hình thành từ trường quay:

error: Real Group - Efficiency Projects