- Nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng
- Định luật Faradays của cảm ứng điện từ
- Động cơ cảm ứng một pha
- Động cơ cảm ứng ba pha
Động cơ cảm ứng là một máy điện xoay chiều biến đổi năng lượng điện thành cơ năng. Động cơ cảm ứng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau từ các thiết bị gia dụng cơ bản đến các ngành công nghiệp nặng. Máy có rất nhiều ứng dụng khó có thể đếm được và bạn có thể hình dung quy mô khi biết rằng gần 30% năng lượng điện được tạo ra trên toàn cầu được tiêu thụ bởi chính động cơ cảm ứng. Cỗ máy tuyệt vời này được phát minh bởi nhà khoa học vĩ đại Nikola Tesla và phát minh này đã thay đổi vĩnh viễn quá trình phát triển của nền văn minh nhân loại.
Dưới đây là một vài ứng dụng của động cơ cảm ứng một pha và ba pha mà chúng ta có thể tìm thấy trong cuộc sống hàng ngày.
Các ứng dụng của động cơ cảm ứng một pha:
- Quạt điện trong nhà
- Máy khoan
- Máy bơm
- Máy mài
- Đồ chơi
- Máy hút bụi
- Quạt hút
- Máy nén và máy cạo râu điện
Các ứng dụng của động cơ cảm ứng ba pha:
- Công nghiệp quy mô nhỏ, quy mô vừa và quy mô lớn.
- Thang máy
- Cần cẩu
- Lái máy tiện
- Nhà máy chiết xuất dầu
- Cánh tay robot
- Hệ thống băng tải
- Máy nghiền nặng
Các động cơ cảm ứng có nhiều kích cỡ và hình dạng có tính năng tương đối và xếp hạng điện. Chúng có kích thước khác nhau từ vài cm đến vài mét và có công suất từ 0,5Hp đến 10000Hp. Người dùng có thể chọn một cái thích hợp nhất trong số các mô hình để đáp ứng nhu cầu của mình.
Chúng ta đã thảo luận về Các nguyên tắc cơ bản của Động cơ và hoạt động của nó trong bài viết trước. Ở đây chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về cấu tạo và hoạt động của Động cơ cảm ứng.
Nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng
Để hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng, trước tiên chúng ta hãy xem xét một thiết lập đơn giản như thể hiện trong hình.
Đây,
- Hai lõi sắt hoặc ferit có kích thước bằng nhau được lấy và treo lơ lửng trong không khí ở khoảng cách xa.
- Một sợi dây đồng tráng men được quấn ở lõi trên cùng với lõi dưới cùng và hai đầu được đưa về một phía như hình vẽ bên.
- Lõi ở đây đóng vai trò là vật trung gian mang và tập trung từ thông do cuộn dây sinh ra trong quá trình hoạt động.
Bây giờ, nếu chúng ta nối một nguồn hiệu điện thế xoay chiều vào hai đầu của đồng, chúng ta sẽ có một hình như dưới đây.
Trong chu kỳ dương của AC:
Ở đây trong nửa chu kỳ đầu tiên, điện áp dương tại điểm 'A' sẽ dần dần đi từ không đến cực đại và sau đó trở về không. Trong khoảng thời gian này, dòng điện trong cuộn dây có thể được biểu diễn bằng.
Đây,
- Trong chu kì dương của nguồn điện xoay chiều, cường độ dòng điện ở hai đầu cuộn dây tăng dần từ không đến cực đại rồi ngược dần từ cực đại đến không. Điều này là do theo định luật Ohms, dòng điện trong dây dẫn tỷ lệ thuận với điện áp đầu cuối, và chúng ta đã thảo luận về nó nhiều lần trong các bài viết trước.
- Các cuộn dây được quấn theo cách mà dòng điện trong cả hai cuộn dây chạy theo cùng một hướng, và chúng ta có thể thấy biểu thị giống nhau trong sơ đồ.
Bây giờ chúng ta hãy nhớ một định luật gọi là định luật Lenz mà chúng ta đã nghiên cứu trước đó trước khi tiếp tục. Theo định luật Lenz, ' Một vật dẫn mang dòng điện sẽ tạo ra một từ trường xung quanh bề mặt của nó',
và nếu chúng ta áp dụng định luật này trong ví dụ trên, thì một từ trường sẽ được tạo ra bởi mỗi vòng dây trong cả hai cuộn dây. Nếu chúng ta thêm từ thông tạo ra bởi toàn bộ cuộn dây, thì nó sẽ nhận được một giá trị đáng kể. Toàn bộ từ thông này sẽ xuất hiện trên lõi sắt khi cuộn dây được quấn trên thân lõi.
Để thuận tiện, nếu ta vẽ các đường sức từ tập trung ở hai đầu lõi sắt thì ta sẽ có hình như dưới đây.
Ở đây bạn có thể thấy các đường sức từ tập trung vào lõi sắt và chuyển động của nó qua khe hở không khí.
Cường độ từ thông này tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy trong cuộn dây quấn trên cả hai thân sắt. Vì vậy, trong nửa chu kỳ dương, thông lượng đi từ 0 đến Cực đại và sau đó giảm dần từ Cực đại đến 0. Một khi chu kỳ dương hoàn thành, cường độ trường tại khe hở không khí cũng bằng không và sau đó, chúng ta sẽ có một chu kỳ âm.
Trong chu kỳ âm của AC:
Trong chu kỳ âm của điện áp hình sin này, điện áp dương tại điểm 'B' sẽ dần dần đi từ không đến cực đại và sau đó trở về không. Như thường lệ, vì điện áp này, sẽ có một dòng điện chạy qua và chúng ta có thể thấy hướng của dòng điện này trong các cuộn dây trong hình bên dưới.
Vì cường độ dòng điện tỉ lệ tuyến tính với hiệu điện thế nên cường độ của nó ở cả hai cuộn dây tăng dần từ không đến cực đại rồi giảm dần từ cực đại đến không.
Nếu chúng ta xem xét định luật Lenz, thì một từ trường sẽ xuất hiện xung quanh các cuộn dây vì dòng điện chạy tương tự như trường hợp đã nghiên cứu trong chu kỳ dương. Trường này sẽ tập trung ở tâm của lõi ferit như trong hình. Vì cường độ từ thông tỷ lệ thuận với dòng điện chạy trong cuộn dây quấn trên cả hai thân sắt, nên từ thông này cũng sẽ đi từ 0 đến Cực đại rồi giảm dần từ Cực đại đến 0 theo độ lớn của dòng điện. Mặc dù điều này tương tự như một chu kỳ dương, có một sự khác biệt và đó là hướng của các đường sức từ. Bạn có thể quan sát sự khác biệt này về hướng thông lượng trên sơ đồ.
Sau chu kỳ âm của anh ta đến chu kỳ dương tiếp theo là chu kỳ âm khác và cứ tiếp tục như vậy cho đến khi hết điện áp xoay chiều hình sin. Và do chu kỳ điện áp thay đổi này, từ trường ở tâm trên lõi sắt luôn thay đổi cả về độ lớn và hướng.
Tóm lại bằng cách sử dụng thiết lập này,
- Chúng tôi đã phát triển một khu vực tập trung từ trường ở tâm của các lõi sắt.
- Cường độ từ trường tại khe hở không khí không ngừng thay đổi cả về độ lớn và hướng.
- Trường tuân theo dạng sóng điện áp hình sin xoay chiều.
Định luật Faradays của cảm ứng điện từ
Thiết lập này mà chúng ta đã thảo luận cho đến bây giờ là phù hợp nhất để nhận ra định luật Faradays về cảm ứng điện từ. Điều này là do từ trường thay đổi liên tục là yêu cầu cơ bản và quan trọng nhất đối với hiện tượng cảm ứng điện từ.
Chúng ta đang nghiên cứu định luật này ở đây vì Động cơ cảm ứng hoạt động dựa trên nguyên tắc của định luật Faraday về cảm ứng điện từ.
Bây giờ để nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ, chúng ta hãy xem xét thiết lập dưới đây.
- Người ta lấy một dây dẫn và nắn nó thành hình vuông, nối tắt cả hai đầu.
- Một thanh kim loại được cố định ở tâm của hình vuông dây dẫn đóng vai trò như trục của thiết lập.
- Bây giờ hình vuông dây dẫn có thể quay tự do dọc theo trục và được gọi là rôto.
- Rôto được đặt ở tâm của khe hở không khí để vòng dây dẫn có thể chịu trường cực đại do cuộn dây rôto tạo ra.
Chúng ta biết theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, ' khi một từ trường thay đổi cắt một dây dẫn kim loại, thì EMF hoặc điện áp sẽ cảm ứng trong dây dẫn' .
Bây giờ, chúng ta hãy áp dụng luật này để hiểu hoạt động của động cơ Cảm ứng:
- Theo định luật cảm ứng điện từ này, một EMF sẽ gây ra cảm ứng trong dây dẫn rôto đặt ở tâm do từ trường thay đổi do nó gây ra.
- Do EMF cảm ứng này và dây dẫn bị đoản mạch nên một dòng điện chạy trong toàn bộ vòng lặp như thể hiện trong hình.
- Đây là chìa khóa hoạt động của động cơ cảm ứng, Chúng ta biết theo định luật Lenz, một dây dẫn mang dòng điện tạo ra một từ trường xung quanh nó có cường độ tỷ lệ với độ lớn của dòng điện.
- Vì định luật chung nên vòng dây dẫn của rôto cũng phải tạo ra từ trường vì dòng điện chạy qua nó là do cảm ứng điện từ.
- Nếu ta gọi từ trường do cuộn dây stato tạo ra và thiết lập lõi sắt là Từ thông chính hay Từ thông Stator. Khi đó ta có thể gọi từ trường do vòng dây dẫn của rôto tạo ra là từ thông Rotor.
- Do sự tương tác giữa từ thông Chính và từ thông Rotor mà rôto chịu một lực. Lực này cố gắng chống lại cảm ứng EMF vào rôto bằng cách điều chỉnh vị trí của rôto. Do đó, chúng ta sẽ trải qua một chuyển động ở vị trí trục tại thời điểm này.
- Bây giờ từ trường liên tục thay đổi vì điện áp xoay chiều lực cũng tiếp tục điều chỉnh vị trí rôto liên tục không ngừng.
- Vì vậy rôto tiếp tục quay vì hiệu điện thế xoay chiều và do đó ta có công xuất cơ tại trục hoặc trục của rôto.
Với điều đó, chúng ta đã thấy vì Cảm ứng điện từ vào rôto mà chúng ta có công suất cơ học ở trục. Vì vậy, tên được đặt cho thiết lập này được gọi là Động cơ cảm ứng.
Cho đến bây giờ những gì chúng ta đã thảo luận là nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng nhưng hãy nhớ rằng cả lý thuyết và thực tế đều khác nhau. Và để hoạt động của động cơ cảm ứng, cần có một thiết lập bổ sung mà chúng ta sẽ thảo luận bên dưới.
Động cơ cảm ứng một pha
Động cơ cảm ứng hoạt động trên nguồn điện xoay chiều một pha được gọi là Động cơ cảm ứng một pha.
Đường dây điện có sẵn cho chúng ta ở nhà là đường dây điện một pha AC 240V / 50Hz và động cơ cảm ứng mà chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày trong nhà của chúng ta được gọi là Động cơ cảm ứng một pha.
Để hiểu rõ hơn về nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng một pha, chúng ta hãy cùng tìm hiểu cấu tạo của động cơ cảm ứng một pha.
Đây,
- Chúng tôi sẽ lấy nhiều dây dẫn và gắn chúng trên trục quay tự do như trong hình.
- Ngoài ra, chúng ta sẽ cắt ngắn các đầu của tất cả các dây dẫn bằng một vòng kim loại, do đó tạo ra nhiều vòng dây dẫn mà chúng ta đã nghiên cứu trước đó.
- Thiết lập rôto này trông giống như một lồng sóc khi nhìn gần hơn và do đó nó được gọi là Động cơ cảm ứng lồng sóc. Sau đây chúng ta hãy xem cấu tạo 3D của rôto lồng sóc.
- Stato được coi là một cục sắt hoàn chỉnh thực chất là một nhóm các tấm sắt mỏng xếp chồng lên nhau. Chúng được ép chặt vào nhau đến mức sẽ không có không khí giữa chúng. Chúng tôi sử dụng một chồng các tấm sắt thay vì một tấm sắt đơn lẻ vì lý do tương tự như chúng tôi sử dụng các tấm sắt cuộn trong trường hợp máy biến áp là để giảm tổn thất sắt. Bằng cách sử dụng phương pháp xếp chồng, chúng tôi sẽ giảm đáng kể tổn thất điện năng trong khi vẫn giữ nguyên hiệu suất.
Hoạt động của thiết lập này tương tự như thiết lập được sử dụng trong việc giải thích nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng.
- Đầu tiên, chúng ta sẽ cung cấp điện áp xoay chiều và do điện áp này, dòng điện chạy qua cuộn dây stato trên cả hai đoạn trên và dưới.
- Do dòng điện, một từ trường được tạo ra trên cả cuộn dây trên và dưới.
- Phần lớn các tấm sắt đóng vai trò như một phương tiện cốt lõi để mang từ trường do các cuộn dây tạo ra.
- Từ trường xoay chiều do lõi sắt mang theo sẽ tập trung tại khe hở không khí trung tâm do thiết kế cấu trúc có chủ đích.
- Bây giờ kể từ khi rôto được đặt trong khe hở không khí này, các dây dẫn bị chập được cố định trên rôto cũng trải qua trường xoay chiều này.
- Do từ trường, một dòng điện được cảm ứng trong các dây dẫn của rôto.
- Vì dòng điện đi qua các dây dẫn của rôto nên một từ trường cũng sẽ được tạo ra xung quanh rôto.
- Khi tương tác giữa từ trường rôto tạo ra và từ trường stato, rôto sẽ chịu một lực.
- Lực này chuyển động của rôto dọc theo trục và do đó chúng ta sẽ có chuyển động quay.
- Vì điện áp biến thiên liên tục nên rôto cũng quay liên tục dọc theo trục của nó. Qua đó chúng ta sẽ có một đầu ra cơ liên tục cho điện áp đầu vào một pha nhất định.
Mặc dù chúng ta đã giả định rằng rôto sẽ tự động quay sau khi cấp điện cho động cơ một pha nhưng không phải vậy. Vì trường do động cơ cảm ứng một pha tạo ra là từ trường xoay chiều chứ không phải từ trường quay. Vì vậy khi khởi động động cơ, rôto bị khóa ở vị trí của nó vì lực tác dụng bởi cuộn dây dưới cùng và cuộn dây trên sẽ có cùng độ lớn và ngược chiều. Vì vậy khi bắt đầu, lực thuần do rôto chịu tác dụng bằng không. Để tránh điều này, chúng tôi sẽ sử dụng cuộn dây phụ cho động cơ cảm ứng để biến nó thành động cơ tự khởi động. Cuộn dây phụ này sẽ cung cấp trường cần thiết để làm cho rôto chuyển động khi khởi động. Ví dụ cho trường hợp này là chiếc quạt điện mà chúng ta thấy trong cuộc sống hàng ngày,là tụ điện khởi động và chạy động cơ cảm ứng có cuộn phụ mắc nối tiếp với tụ điện.
Động cơ cảm ứng ba pha
Động cơ cảm ứng hoạt động trên nguồn điện xoay chiều ba pha được gọi là Động cơ cảm ứng ba pha. Thông thường, Động cơ cảm ứng ba pha được sử dụng trong các ngành công nghiệp và không thích hợp cho các ứng dụng gia đình.
Dòng điện có sẵn cho các ngành công nghiệp là 400V / 50Hz Nguồn điện xoay chiều ba pha bốn dòng và động cơ cảm ứng hoạt động trên nguồn cung cấp này trong các ngành công nghiệp được gọi là Động cơ cảm ứng ba pha.
Để hiểu rõ hơn về nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng ba pha, chúng ta hãy cùng tìm hiểu cấu tạo của động cơ cảm ứng ba pha.
Đây,
- Cuộn dây pha A bắt đầu từ đoạn trên cùng tiếp theo là đoạn dưới cùng như thể hiện trong hình.
- Đối với hai đầu của pha, một cuộn dây A được nối với đường dây pha A của nguồn điện ba pha còn đầu kia được nối với trung tính của nguồn điện ba pha bốn đường giống nhau. Điều này có thể thực hiện được vì trong nguồn điện ba pha bốn dòng, chúng ta có ba dòng đầu tiên mang điện áp ba dòng trong khi dòng thứ tư là trung tính.
- Các cuộn dây hai pha còn lại mắc theo kiểu giống như pha A. Ở hai đầu của pha B, người ta nối một đầu vào đường dây pha B của nguồn điện ba pha còn đầu kia nối với trung tính của ba pha giống nhau. nguồn điện bốn dòng.
- Cấu tạo của rôto tương tự như rôto lồng sóc và là rôto cùng loại được sử dụng trong động cơ cảm ứng một pha.
Bây giờ nếu chúng ta cung cấp năng lượng điện cho cuộn dây ba pha của stato thì dòng điện bắt đầu chạy trong cả ba cuộn dây. Do dòng điện chạy qua, một từ trường sẽ được tạo ra bởi các cuộn dây và từ trường này sẽ chạy qua đường dẫn có điện trở từ ít hơn do lõi nhiều lớp cung cấp. Ở đây cấu trúc của động cơ được thiết kế sao cho từ trường do lõi mang theo sẽ tập trung vào khe hở không khí ở tâm nơi đặt rôto. Vì vậy, từ trường tập trung bởi lõi ở khe hở trung tâm ảnh hưởng đến các dây dẫn trong rôto, do đó tạo ra dòng điện trong chúng.
Khi có dòng điện dẫn, rôto cũng tạo ra từ trường tương tác với từ trường stato tại bất kỳ thời điểm nào. Và do sự tương tác này, rôto chịu một lực dẫn đến quay động cơ.
Ở đây từ trường do stato tạo ra thuộc loại quay vì nguồn điện ba pha, không giống như loại xoay chiều mà chúng ta đã thảo luận ở động cơ một pha. Và do từ trường quay này, rôto bắt đầu tự quay ngay cả khi không có lực đẩy ban đầu. Điều này làm cho động cơ Ba pha trở thành loại tự khởi động và chúng ta không cần bất kỳ cuộn dây phụ nào cho loại động cơ này.