Động cơ điện AC: Các bộ phận, chủng loại, hệ thống dây điện và cách chúng hoạt động

Làm thế nào một Động cơ xoay chiều Tác phẩm

Động cơ điện xoay chiều chuyển đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng quay cơ học thông qua nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi điện áp nguồn xoay chiều được cấp vào cuộn dây stato, nó sẽ tạo ra một từ trường quay (RMF). Tốc độ quay của trường này được gọi là tốc độ đồng bộ , được xác định bởi tần số nguồn và số cặp cực từ trong stato: Ns = 120f/P , ở đâu f là tần số cung cấp tính bằng Hz và P là số cực.

Trong động cơ cảm ứng - loại động cơ xoay chiều phổ biến nhất - từ trường quay cắt ngang qua dây dẫn rôto và tạo ra dòng điện bên trong chúng theo định luật Faraday. Dòng điện cảm ứng đó tạo ra từ trường riêng của nó và sự tương tác giữa từ trường rôto và từ trường quay của stato tạo ra mô-men xoắn làm rôto quay. Rôto luôn chạy chậm hơn một chút so với tốc độ đồng bộ; sự khác biệt tốc độ này được gọi là trượt , thường là 2–8% trong động cơ cảm ứng tiêu chuẩn. Không có sự trượt, không tồn tại chuyển động tương đối giữa từ trường và dây dẫn rôto, không có dòng điện cảm ứng và không tạo ra mô men xoắn.

Trong động cơ xoay chiều đồng bộ, rôto được kích thích bởi trường DC hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu, khóa nó để quay với tốc độ đồng bộ chính xác và không có độ trượt. Điều này làm cho động cơ đồng bộ trở thành lựa chọn ưu tiên trong đó hoạt động chính xác ở tốc độ không đổi là rất quan trọng, chẳng hạn như trong cơ chế đồng hồ, một số máy dệt nhất định và bộ truyền động tốc độ biến đổi hiệu suất cao.

Các bộ phận của động cơ AC

Hiểu cấu trúc bên trong của động cơ AC giúp xác định đúng bộ phận, chẩn đoán lỗi và lập kế hoạch định kỳ bảo trì. Các thành phần chính là:

• Stator: Bộ phận bên ngoài cố định chứa lõi sắt nhiều lớp và cuộn dây đồng. Lõi stato được chế tạo từ các lớp thép silicon mỏng xếp chồng lên nhau để giảm thiểu tổn thất do dòng điện xoáy. Các cuộn dây được quấn thành các rãnh trong lõi và nối với nguồn điện xoay chiều.
• Cánh quạt: Cụm quay bên trong được gắn trên trục đầu ra. Trong động cơ cảm ứng lồng sóc, rôto bao gồm các thanh dẫn bằng nhôm hoặc đồng được nối ngắn mạch ở mỗi đầu bằng các vòng cuối. Trong động cơ rôto dây quấn, rôto mang các cuộn dây ba pha nối với điện trở bên ngoài thông qua các vòng trượt.
• Trục đầu ra: Trục thép chắc chắn truyền mô-men xoắn cơ học tới tải trọng điều khiển. Đường kính trục và kích thước rãnh then được tiêu chuẩn hóa theo thông số kỹ thuật kích thước khung IEC hoặc NEMA.
• Vòng bi: Điển hình là vòng bi rãnh sâu ở đầu dẫn động (DE) và đầu không dẫn động (NDE). Vòng bi hỗ trợ tải trọng hướng tâm và hướng trục do rôto và tải trọng dẫn động gây ra, đồng thời là hạng mục thay thế bảo trì phổ biến nhất.
• Tấm chắn cuối (chuông cuối): Vỏ bằng gang hoặc nhôm bao bọc mỗi đầu của khung động cơ, giữ các vòng bi ở đúng vị trí và bao bọc bộ phận bên trong.
• Quạt và vỏ quạt: Hầu hết các động cơ AC đều có thiết kế TEFC (Làm mát bằng quạt hoàn toàn), với một quạt làm mát bên ngoài được gắn trên phần mở rộng trục cuối không dẫn động, được bao bọc bởi một nắp quạt bằng thép ép. Quạt hút không khí xung quanh qua các vây khung động cơ để tản nhiệt.
• Hộp đầu cuối (hộp nối): Vỏ chống chịu thời tiết trên khung động cơ có chứa các đầu nối cuộn dây (thường được dán nhãn U1, V1, W1, U2, V2, W2 theo quy ước IEC). Đây là nơi kết nối cáp nguồn và mọi liên kết cấu hình sao/tam giác.
• Khung: Thân kết cấu bên ngoài, thường có gân bằng gang hoặc hợp kim nhôm, cung cấp hỗ trợ cơ học, hoạt động như một bộ tản nhiệt và mang các chân lắp hoặc mặt bích để lắp đặt.

Các thành phần bổ sung có trong các loại động cơ cụ thể bao gồm trượt rings and brushes (động cơ cảm ứng rôto dây quấn), công tắc khởi động ly tâm (động cơ khởi động bằng tụ điện một pha), và tụ điện (thiết kế chạy tụ điện một pha và khởi động/chạy tụ điện).

Các loại động cơ điện xoay chiều

Động cơ AC chia thành hai nhóm chính - cảm ứng (không đồng bộ) và đồng bộ - mỗi nhóm có một số loại phụ được tối ưu hóa cho các yêu cầu vận hành khác nhau.

Đối với phần lớn các ứng dụng công nghiệp, Động cơ cảm ứng lồng sóc ba pha vẫn là lựa chọn mặc định. Nó không cần chổi than, vòng trượt hoặc kích thích bên ngoài, khiến nó trở thành lựa chọn có mức bảo trì thấp nhất và tiết kiệm chi phí nhất cho tải tốc độ không đổi. Bộ truyền động tần số thay đổi (VFD) đã mở rộng khả năng sử dụng của nó cho các ứng dụng có tốc độ thay đổi mà trước đây yêu cầu động cơ DC hoặc rôto dây quấn.

Sơ đồ nối dây động cơ AC Khái niệm cơ bản

Đấu dây động cơ AC đúng cách là điều cần thiết để vận hành an toàn và đạt được các đặc tính mô-men xoắn và tốc độ chính xác. Cấu hình hộp đầu cuối thay đổi tùy theo loại động cơ và điện áp nguồn, nhưng phần sau đây bao gồm các tình huống thường gặp nhất.

Động cơ điện áp kép ba pha (Star / Delta)

Hầu hết các động cơ cảm ứng ba pha đều được quấn ở hai mức điện áp - thường là 230V/400V hoặc 400V/690V - và hộp đấu dây chứa sáu dây dẫn có nhãn U1, V1, W1 (đầu cuộn dây) và U2, V2, W2 (đầu cuộn dây). Điện áp cung cấp xác định kết nối:

• Kết nối hình sao (Y) - điện áp cao hơn: Liên kết U2, V2 và W2 với nhau để tạo thành điểm sao trung tính. Kết nối nguồn điện ba pha với U1, V1, W1. Mỗi cuộn dây nhìn thấy điện áp pha-trung tính. Được sử dụng khi điện áp nguồn phù hợp với điện áp định mức cao hơn của động cơ (ví dụ: nguồn 400V trên động cơ 230/400V).
• Kết nối Delta (Δ) - điện áp thấp hơn: Liên kết U1 với W2, V1 với U2, W1 với V2, tạo thành một vòng khép kín. Kết nối nguồn điện ba pha trên mỗi cặp thiết bị đầu cuối được nối. Mỗi cuộn dây nhìn thấy điện áp đầy đủ giữa các đường dây. Được sử dụng khi điện áp nguồn phù hợp với điện áp định mức thấp hơn của động cơ (ví dụ: nguồn 230V trên động cơ 230/400V).

Khởi động sao-tam giác là phương pháp khởi động mềm phổ biến cho động cơ lớn: động cơ khởi động theo hình sao (điện áp giảm trên mỗi cuộn dây = dòng điện khởi động thấp hơn, thường bằng 1/3 dòng khởi động trực tiếp), sau đó chuyển sang chế độ tam giác khi nó đạt tốc độ tối đa. Điều này làm giảm sự nhiễu loạn nguồn điện nhưng cũng làm giảm mô-men xoắn khởi động ở cùng hệ số 1/3, do đó nó chỉ phù hợp cho các ứng dụng khởi động ở mức tải thấp.

Dây động cơ một pha

Động cơ xoay chiều một pha cần có mạch khởi động phụ vì chỉ nguồn điện một pha không thể tạo ra từ trường quay. Sự sắp xếp thiết bị đầu cuối thường bao gồm:

• Thiết bị đầu cuối cuộn dây chính (M): Kết nối trực tiếp trên đường dây và trung tính.
• Bắt đầu cuộn dây thiết bị đầu cuối (S): Được mắc song song với cuộn dây chính nhưng nối tiếp với tụ điện khởi động. Tụ điện tạo ra sự lệch pha (khoảng 90°) giữa dòng điện cuộn dây chính và phụ, tạo ra từ trường quay đủ mạnh để tạo ra mô-men xoắn khởi động.
• Công tắc ly tâm hoặc rơle PTC: Ngắt kết nối cuộn dây khởi động khi động cơ đạt khoảng 75–80% tốc độ đồng bộ. Lỗi công tắc này - vẫn mở (động cơ không khởi động) hoặc vẫn đóng (khởi động cuộn dây quá nóng và cháy) - là một trong những lỗi động cơ một pha thường gặp nhất.

Động cơ đảo chiều quay

Đảo ngược hướng quay của động cơ ba pha yêu cầu hoán đổi hai trong ba pha cung cấp bất kỳ tại các cực của động cơ - ví dụ: trao đổi các kết nối ở U1 và V1. Điều này đảo ngược hướng của từ trường quay và do đó làm đảo ngược hướng của rôto. Đối với động cơ một pha, việc đảo chiều đạt được bằng cách hoán đổi các kết nối của cuộn dây khởi động so với cuộn dây chính; một số động cơ cung cấp các dấu hiệu đầu cuối chuyên dụng cho mục đích này, trong khi một số động cơ khác yêu cầu kết nối lại bên trong.

Nối đất và bảo vệ quá tải

Mỗi lần lắp đặt động cơ AC phải bao gồm một kết nối đất bảo vệ (PE) được liên kết với khung động cơ, nối với dây nối đất tại hộp đấu nối. Ngoài ra, được đánh giá đúng rơle quá tải nhiệt hoặc rơle bảo vệ động cơ điện tử phải được lắp đặt trong mạch cung cấp, được đặt ở mức định mức dòng điện đầy tải (FLC) của động cơ. Bảo vệ quá tải là biện pháp bảo vệ chính chống lại dạng hư hỏng động cơ phổ biến nhất: quá dòng kéo dài do quá tải cơ học, một pha hoặc thông gió hạn chế làm tăng nhiệt độ cuộn dây vượt quá giới hạn cấp cách điện.