Động cơ không đồng bộ ba pha - Định nghĩa, ứng dụng, công thức và bài tập

Mục Lục

Định nghĩa

Động cơ không đồng bộ ba pha (hay còn gọi là động cơ cảm ứng ba pha) là một loại động cơ điện xoay chiều (AC) sử dụng nguồn điện ba pha để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Động cơ này bao gồm hai phần chính: stato (phần đứng yên) và rôto (phần quay).

Ứng dụng và ví dụ thực tiễn

Ứng dụng

Công nghiệp: Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như bơm, quạt, máy nén, băng tải, và máy công cụ.
Giao thông vận tải: Được sử dụng trong các hệ thống truyền động của xe điện và tàu điện.
Nông nghiệp: Sử dụng trong các máy bơm tưới tiêu và các thiết bị nông nghiệp khác.

Ví dụ thực tiễn

Máy nén khí: Sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha để nén khí trong các hệ thống khí nén.
Băng tải: Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng để vận hành các băng tải trong các nhà máy sản xuất.
Quạt công nghiệp: Sử dụng để cung cấp thông gió và làm mát trong các nhà máy và tòa nhà lớn.

Công thức

Công thức cơ bản

Tốc độ đồng bộ ($N_s$):
$ N_s = \frac{120f}{P} $
- $f$: Tần số của nguồn điện (Hz)
- $P$: Số cặp cực của động cơ
Slip ($s$):
$ s = \frac{N_s – N_r}{N_s} $
- $N_r$: Tốc độ của rôto (rpm)
Mô-men xoắn ($T$):
$ T \propto \phi I_2 \cos \phi_2 $
- $\phi$: Từ thông
- $I_2$: Dòng điện rôto
- $\phi_2$: Góc pha giữa điện áp rôto và dòng điện rôto

Công thức nâng cao

Công suất đầu vào của stato ($P_1$):
$ P_1 = \sqrt{3} V_L I_L \cos \phi $
- $V_L$: Điện áp dây
- $I_L$: Dòng điện dây
- $\cos \phi$: Hệ số công suất
Công suất đầu ra của rôto ($P_2$):
- $ P_2 = P_1- P_{cu-stator} – P_{core} $
- $P_{cu-stator}$: Tổn thất đồng trong stato
- $P_{core}$: Tổn thất lõi
Mô-men xoắn cực đại ($T{max}$):
$ T{max} = \frac{K E_2^2}{2 R_2} $
- $K$: Hằng số
- $E_2$: Điện áp rôto
- $R_2$: Điện trở rôto

Một số câu hỏi tư duy

Câu hỏi tư duy

Tại sao động cơ không đồng bộ ba pha lại không thể đạt được tốc độ đồng bộ?
Làm thế nào để điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha?
Tại sao động cơ không đồng bộ ba pha lại được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp?
Giải thích hiện tượng “slip” trong động cơ không đồng bộ ba pha.
Tại sao động cơ không đồng bộ ba pha lại có hiệu suất cao hơn so với động cơ một pha?

Trả lời câu hỏi tư duy

Động cơ không đồng bộ ba pha không thể đạt được tốc độ đồng bộ vì nếu rôto đạt tốc độ đồng bộ, không có sự chênh lệch tốc độ giữa từ trường quay và rôto, do đó không có dòng điện cảm ứng trong rôto để tạo ra mô-men xoắn.
Tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp (sử dụng biến tần), thay đổi số cặp cực của động cơ, hoặc thay đổi điện áp đầu vào.
Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì chúng có cấu trúc đơn giản, độ bền cao, chi phí thấp, và hiệu suất cao.
“Slip” là sự chênh lệch giữa tốc độ đồng bộ và tốc độ thực tế của rôto. Slip là cần thiết để tạo ra dòng điện cảm ứng trong rôto và do đó tạo ra mô-men xoắn.
Động cơ không đồng bộ ba pha có hiệu suất cao hơn so với động cơ một pha vì chúng có thể cung cấp công suất lớn hơn và hoạt động ổn định hơn do sự phân bố đều của dòng điện trong ba pha.

Bài tập

Bài tập cơ bản

Tính tốc độ đồng bộ của một động cơ không đồng bộ ba pha có tần số 50 Hz và 4 cặp cực.
- A. 1500 rpm
- B. 3000 rpm
- C. 750 rpm
- D. 1000 rpm
Một động cơ không đồng bộ ba pha có tốc độ đồng bộ là 1500 rpm và tốc độ rôto là 1450 rpm. Tính slip của động cơ.
- A. 0.033
- B. 0.05
- C. 0.1
- D. 0.067
Tính công suất đầu vào của stato nếu điện áp dây là 400V, dòng điện dây là 10A và hệ số công suất là 0.8.
- A. 5.54 kW
- B. 6.93 kW
- C. 4.62 kW
- D. 7.68 kW
Tính mô-men xoắn cực đại nếu điện áp rôto là 220V và điện trở rôto là 0.5Ω.
- A. 484 Nm
- B. 242 Nm
- C. 121 Nm
- D. 605 Nm
Tính công suất đầu ra của rôto nếu công suất đầu vào của stato là 10 kW, tổn thất đồng trong stato là 1 kW và tổn thất lõi là 0.5 kW.
- A. 8.5 kW
- B. 9 kW
- C. 7.5 kW
- D. 8 kW

Bài tập nâng cao

Một động cơ không đồng bộ ba pha có tần số 60 Hz và 6 cặp cực. Tính tốc độ đồng bộ của động cơ.
- A. 1200 rpm
- B. 1000 rpm
- C. 1500 rpm
- D. 1800 rpm
Một động cơ không đồng bộ ba pha có tốc độ đồng bộ là 1800 rpm và slip là 0.04. Tính tốc độ rôto của động cơ.
- A. 1728 rpm
- B. 1750 rpm
- C. 1800 rpm
- D. 1680 rpm
Tính mô-men xoắn nếu từ thông là 0.05 Wb, dòng điện rôto là 20A và góc pha giữa điện áp rôto và dòng điện rôto là 30 độ.
- A. 0.866 Nm
- B. 1.732 Nm
- C. 2.5 Nm
- D. 1.5 Nm
Tính công suất đầu vào của stato nếu điện áp dây là 415V, dòng điện dây là 15A và hệ số công suất là 0.9.
- A. 9.7 kW
- B. 10.8 kW
- C. 8.6 kW
- D. 11.2 kW
Tính mô-men xoắn cực đại nếu điện áp rôto là 240V và điện trở rôto là 0.6Ω.
- A. 480 Nm
- B. 320 Nm
- C. 640 Nm
- D. 400 Nm

Giải chi tiết bài tập

Giải bài tập cơ bản

Tốc độ đồng bộ ($N_s$):
$ N_s = \frac{120f}{P} = \frac{120 \times 50}{4} = 1500 \text{ rpm} $
- Đáp án: A. 1500 rpm
Slip ($s$):
$ s = \frac{N_s – N_r}{N_s} = \frac{1500 – 1450}{1500} = 0.033 $
- Đáp án: A. 0.033
Công suất đầu vào của stato ($P_1$):
$ P_1 = \sqrt{3} V_L I_L \cos \phi = \sqrt{3} \times 400 \times 10 \times 0.8 = 5.54 \text{ kW} $
- Đáp án: A. 5.54 kW
Mô-men xoắn cực đại ($T{max}$):
$ T{max} = \frac{K E_2^2}{2 R_2} = \frac{K \times 220^2}{2 \times 0.5} = 484 \text{ Nm} $
- Đáp án: A. 484 Nm
Công suất đầu ra của rôto ($P_2$):
$ P_2 = P1 – P{cu-stator} – P_{core} = 10 – 1 – 0.5 = 8.5 \text{ kW} $
- Đáp án: A. 8.5 kW

Giải bài tập nâng cao

Tốc độ đồng bộ ($N_s$):
$ N_s = \frac{120f}{P} = \frac{120 \times 60}{6} = 1200 \text{ rpm} $
- Đáp án: A. 1200 rpm
Tốc độ rôto ($N_r$):
$ N_r = N_s (1 – s) = 1800 \times (1 – 0.04) = 1728 \text{ rpm} $
- Đáp án: A. 1728 rpm
Mô-men xoắn ($T$):
$ T \propto \phi I_2 \cos \phi_2 = 0.05 \times 20 \times \cos 30^\circ = 0.05 \times 20 \times 0.866 = 0.866 \text{ Nm} $
- Đáp án: A. 0.866 Nm
Công suất đầu vào của stato ($P_1$):
$ P_1 = \sqrt{3} V_L I_L \cos \phi = \sqrt{3} \times 415 \times 15 \times 0.9 = 9.7 \text{ kW} $
- Đáp án: A. 9.7 kW
Mô-men xoắn cực đại ($T{max}$):
$ T{max} = \frac{K E_2^2}{2 R_2} = \frac{K \times 240^2}{2 \times 0.6} = 480 \text{ Nm} $
- Đáp án: A. 480 Nm