So sánh giữa máy phát đồng bộ và động cơ đồng bộ

Động cơ xoay chiều lúc bấy giờ được chia thành 2 loại chính, đó là động cơ điện đồng bộ và động cơ điện không đồng bộ. Một động cơ điện không đồng bộ còn có tên gọi thông dụng là động cơ cảm ứng. Cả hai loại động cơ này có nhiều điểm khác nhau. Để làm rõ sự độc lạ này, tất cả chúng ta hãy cùng so sánh động cơ điện đồng bộ và không đồng bộ trong bài viết dưới đây .

1. Khái niệm động cơ điện đồng bộ và không đồng bộ

Trước khi đi vào so sánh động cơ điện đồng bộ và không đồng bộ, tất cả chúng ta hãy cùng tìm hiểu và khám phá sơ lược về khái niệm của 2 loại động cơ này. Cần chú ý quan tâm, những thuật ngữ có tên gọi gần giống nhau, có tương quan đến công nghệ tiên tiến động cơ hoàn toàn có thể dễ gây ra sự nhầm lẫn .Vì đôi lúc nhiều thuật ngữ chỉ hoàn toàn có thể vận dụng ở những trường hợp rất cơ bản chứ không phải hàm chứa một điều gì đó độc lạ và nâng tầm. Và một trong những thuật ngữ cần quan tâm đó chính là “ động cơ đồng bộ ” và “ động cơ không đồng bộ ” .

So sánh giữa máy phát đồng bộ và động cơ đồng bộ

Bạn đang đọc: So Sánh Động Cơ Điện Đồng Bộ Và Không Đồng Bộ

Cái “ lồng sóc ” này gồm có có nhiều thanh đồng hoặc thanh nhômTất cả những động cơ hoạt động giải trí dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ ngày này ( induction motor – tạm gọi tắt là động cơ điện từ ) đều được xem là động cơ không đồng bộ. Bản chất không đồng bộ của quy trình vận hành động cơ điện từ đến từ sự trượt giữa vận tốc quay của từ trường tích hợp với vận tốc quay chậm hơn của rotor. Còn tại sao lại có sự trượt này, cần xem lại 1 yếu tố nâng cao hơn ở cấu trúc bên trong của động cơ .Cái “ lồng sóc ” này gồm có có nhiều thanh đồng hoặc thanh nhôm sắp xếp như hình ở trên. Chúng được nối với nhau bằng 2 vòng dẫn điện ở 2 đầu, làm cho những thanh ngắn mạch trọn vẹn với nhau. Còn phần lõi của rotor lại được làm bằng vật liệu thép .Bạn hoàn toàn có thể nhìn thấy những rãnh được chạy dọc theo bộ phận rotor. Các rãnh này thực ra cũng có nguyên do sống sót của nó, đặc biệt quan trọng là số lượng rãnh của rotor thường nhỏ hơn của stator. Hơn nữa, số lượng rãnh trên rotor cũng phải tránh không được là ước của stator, để tránh được thực trạng mắc kẹt từ trường ( còn gọi là magnetic interlock ) trong khi khởi động động cơ .Bên cạnh động cơ roto lồng sóc, tất cả chúng ta cũng hoàn toàn có thể thấy có rất nhiều loại động cơ sử dụng những cuộn dây. Lợi thế của kiểu cấu trúc này chính là hoàn toàn có thể giảm tốc khởi động của động cơ nhờ vào những điện trở được đấu tiếp nối đuôi nhau vào trong mỗi cuộn dây .Các cuộn dây sản sinh ra dòng điện do hoạt động giải trí theo kiểu sắp xếp vòng trượt. Khi động cơ đã đạt được vận tốc mong ước, thì nó sẽ chuyển qua một vòng ngắn mạch, và khi đó, động cơ lại quản lý và vận hành tương tự như như một động cơ lồng sóc .

2. So sánh động cơ điện đồng bộ và không đồng bộ

a) Khác nhau về cấu tạo

Những động cơ dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ đều được gọi là động cơ không đồng bộ. Sự trượt giữa vận tốc quay của từ trường và vận tốc quay chậm hơn của rotor là thực chất không đồng bộ của việc vận hành động cơ điện tử .Động cơ không đồng bộ có một thành phần quay ( rotor ) được mô phỏng như kiểu lồng sóc .Cái lồng sóc này gồm nhiều thanh nhôm hoặc thanh đồng nối với nhau bằng 2 vòng dẫn điện ở 2 đầu làm những thanh gắn mạch trọn vẹn với nhau. Phần lõi của rotor được làm bằng thép .Ngoài động cơ không đồng bộ có sử dụng lồng sắt thì còn có nhiều loại sử dụng cuộn dây nhằm mục đích giảm bớt dòng khởi động của động cơ nhờ vào những điện trở được đấu tiếp nối đuôi nhau vào mỗi cuộn dây .Phần Stator của động cơ là phần đứng yên trong động cơ được nối với nguồn điện xoay chiều AC để tạo ra dòng điện chạy bên trong nó .

So sánh giữa máy phát đồng bộ và động cơ đồng bộ

Động cơ không đồng bộĐộng cơ đồng bộ : Đây là cấu trúc động cơ đặc biệt quan trọng mà trong đó rotor quay cùng vận tốc với từ trường của Stator. Có 2 loại động cơ đồng bộ như sau :

  • Kích từ độc lập: Hoạt động theo nguyên tắc tương tự giống như động cơ từ. Đây là động cơ có được từ trở thay đổi, bao gồm rotor làm bằng thép có các răng, thuộc kiểu cực lồi. Để chuyển rotor chạy sang vị trí kế tiếp, mạch điều khiển sẽ phải tuần tự chuyển đổi công suất sang cho các cuộn dây 1 cách tuyến tính, quá trình này cũng tương tự như ở động cơ bước.
  • Kích từ trực tiếp: Được dùng với nam châm vĩnh cửu. Thiết kế này sẽ sử dụng 1 rotor có chứa một số nam châm vĩnh cửu và chúng có thể được lắp đặt ở trên bề mặt hoặc ráp vào phía trong.

b) Khác nhau về động cơ

Động cơ đồng bộ : Stato có những khe dọc theo phần trục, gồm có những khe của cuộn dây stato được làm theo một số ít cực đơn cử. Nói chung, 1 rotor cực mạnh thường được gắn trên đó 1 cuộn dây rôto. Cuộn dây roto sẽ phân phối cho nguồn cung ứng DC nhờ vào sự trợ giúp của vòng trượt. Ngoài ra, bạn cũng hoàn toàn có thể sử dụng một cánh quạt cùng với nam châm hút vĩnh cửu là đủ .

Động cơ không đồng bộ: Cuộn dây stato bên trong cũng tương tự như động cơ đồng bộ. Đó là dấu hiệu cho một số cực cụ thể của một rôto lồng sóc hoặc một rôto dây quấn có thể được sử dụng. Trong rôto lồng sóc, các thanh rôto cũng được ngắn mạch vĩnh viễn cùng với các vòng cuối. Trong rôto dây quấn, cuộn dây cũng bị ngắn mạch vĩnh viễn, do đó lúc này sẽ không cần vòng trượt.

Xem thêm: Top 5 Laptop dưới 10 triệu cấu hình cao, tốt nhất năm 2021

So sánh giữa máy phát đồng bộ và động cơ đồng bộ

Động cơ không đồng bộ có nhiều điểm đặc biệt quan trọng

c) So sánh hiệu suất làm việc

Động cơ đồng bộ : Các cực của stato hoạt động quay với vận tốc đồng bộ ( Ns ) khi đã được phân phối điện bởi nguồn cung ứng 3 pha. Các cánh quạt cũng được phân phối với một nguồn điện DC. Roto cần được quay cùng với vận tốc gần với vận tốc đồng bộ của động cơ trong quy trình khởi động .Nếu được quản lý và vận hành như vậy, những cực của roto cũng được ghép từ tính với những cực của bộ phận stato quay. Khi đó, roto khởi đầu quay để đạt được vận tốc của động cơ đồng bộ. Động cơ đồng bộ thì sẽ luôn chạy ở vận tốc bằng với vận tốc đồng bộ của nó. Tức là vận tốc trong thực tiễn sẽ = vận tốc đồng bộ hoặc số vòng dây N = Ns = 120 f / P. .Động cơ không đồng bộ ( động cơ cảm ứng ) : Khi stato được cung ứng điện bởi nguồn phân phối AC 2 pha hoặc 3 pha, từ trường quay ( ký hiệu RMF ) cũng được tạo ra. Tốc độ tương đối giữa từ trường quay của stato và phần rôto sẽ gây ra dòng điện cảm ứng bên trong những dây dẫn của rôto. Dòng điện rôto lúc này sẽ làm tăng thông cho lượng rôto .

Theo định luật Lenz, lúc này hướng của dòng điện cảm ứng chính là xu hướng chống lại nguyên nhân sản xuất ra nó, tức là tốc độ tương đối của từ trường quay RMF giữa stato và roto. Do đó, roto sẽ cố gắng để bắt kịp với RMF và giảm thiểu được tốc độ tương đối. Động cơ cảm ứng cũng sẽ luôn chạy ở tốc độ nhỏ hơn so với tốc độ đồng bộ, tức là: N

Ngày nay, hiệu suất của động cơ đã trở thành một trong những yếu tố quan trọng trong mục tiêu tiết kiệm năng lượng, và điều này đã khiến các nhà sản xuất phải không ngừng đưa ra những cải tiến cho hiệu quả động cơ của mình. Tuy nhiên, những thuật ngữ liên quan đến công nghệ động cơ có thể dễ gây nhầm lẫn vì đôi khi nhiều thuật ngữ có thể áp dụng ở các trường hợp rất cơ bản chứ không phải hàm ý một điều gì đó đột phá. Và một trong những thuật ngữ đó chính là động cơ “đồng bộ” và “không đồng bộ”.

Tất cả các động cơ dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ ngày nay (induction motor – tạm goi tắt là động cơ điện từ) đều là động cơ không đồng bộ. Bản chất không đồng bộ của việc vận hành động cơ điện từ đến từ sự trượt giữa tốc độ quay của từ trường và tốc độ quay chậm hơn của rotor. Còn tại sao lại có sự trượt này thì lại thuộc một vấn đề chuyển sâu hơn về bên trong của động cơ.

Hầu hết các động cơ điện từ ngày này đề có một thành phần quay (rotor) hay còn được gọi là phần cảm , được mô phỏng kiểu lồng sóc ( tại vì nó giống như cái lồng để nhốt con sóc 😀 )

So sánh giữa máy phát đồng bộ và động cơ đồng bộ
 Đây là hình ảnh mô phỏng của rotor lồng sóc

Cái “Lồng sóc” này gồm nhiều thanh đồng hoặc nhôm bố trí như hình trên, nối với nhau bằng hai vòng dẫn điện ở hai đầu, làm các thanh ngắn mạch hoàn toàn với nhau. Phần lõi của rotor được làm bằng thép.

So sánh giữa máy phát đồng bộ và động cơ đồng bộ

Bạn có thể nhìn thấy các rãnh chạy dọc theo rotor như trên hình. Các rãnh này cũng có lý do tồn tại của nó, và số lượng rãnh của rotor thường nhỏ hơn stator, và số lượng rãnh trên rotor không được là ước của stator, để tránh tình trạng mắc kẹt từ trường (magnetic interlock) khi khởi động động cơ.

Bên cạnh động cơ lồng sóc, chúng ta cũng có thể thấy nhiều loại động cơ sử dụng các cuộn dây. Lợi thế của kiểu cấu tạo này đó là có thể giảm bớt dòng khởi động của động cơ nhờ vào các điện trở được đấu nối tiếp vào mỗi cuộn dây. Các cuộn dây sinh ra dòng điện nhờ vào kiểu bố trí vòng trượt. Khi động cơ đã đạt đến tốc độ mong muốn, thì nó được chuyển qua một vòng ngắn mạch, và khi đó, vận hành tương tự như động cơ lồng sóc.

Bên dưới là sơ đồ nguyên lý của kiểu động cơ này

So sánh giữa máy phát đồng bộ và động cơ đồng bộ

bạn có thể thấy ở đây có các chổi quét (brush) giúp thay đổi điện trở ( tương tự một số mạch khác sử dụng biến trở ). Khi động cơ đã đạt đến tốc độ mong muốn, các chổi quét này sẽ ngưng tiếp xúc ( hoặc trường hợp sử dụng biến trở, thì giá trị được chuyển về gần như bằng 0 ). Và mạch quay trở lại như mạch rotor lồng sóc.

Phần đứng yên trong động cơ được gọi là stator mà mình có đề cập đến ở trên., hay còn được gọi là phần ứng ( rotor được gọi là phần cảm, stator được gọi là phần ứng, ghép lại thành “cảm ứng” là nguyên tắc vận hành của động cơ điện từ, tiếng việt thật là vi diệu 😀 ). Stator được nối với một nguồn điện xoay chiều AC, cấp một điện áp cho stator để tạo ra dòng điện chạy bên trong nó. Dòng điện này sẽ tạo ra từ trường xoay chiều ảnh hưởng đến rotor, và tạo ra dòng điện cảm ứng bên trong rotor.

Cực bắc của stator sẽ cảm ứng với cực nam rotor (tương tự như nam châm hai cực hút nhau, con trai sẽ bị cảm ứng với con gái J ) . Nhưng vì cực của stator sẽ thay đổi liên tục theo dòng điện xoay chiều, nên cực của rotor của sẽ bị cảm ứng ( bị hút theo ) và như vậy sẽ làm quay rotor. Tuy nhiên, nếu bạn nào còn nhớ định luật Faraday, nói một cách đơn giản là dây dẫn mang điện chuyển động trong từ trường đứng yên, hoặc dây dẫn đứng yên trong từ trường chuyển động thì sẽ có một lực điện động được sinh ra. Vậy nên nếu rotor quay với đúng tốc độ quay của từ trường stator ? về mặt tương đối, thì ko có sự thay đổi giữa từ trường (của stator)  và dây dẫn ( chính là cái lồng sóc ), như vậy thì sẽ không có lực và rotor sẽ không có lực tác động ( không bị cảm ứng ), khiến tốc độ của nó chậm hơn tốc độ của stator, và khi nó vừa chậm lại, thì đã có sự thay đổi trong từ trường, khiến nó lại quay, và cứ như thế…điều này giải thích cho vấn đề mà mình có đặt ra ở trên : tại sao tốc độ quay của rotor luôn chậm hơn từ trường stator (sự trượt)

Sự trượt này có thể rất khác nhau tùy vào tải của động cơ, nhưng nó cũng bị ảnh hưởng bởi điện trở của rotor và cường độ từ của trường mà từ thông stator cảm ứng.

Chúng ta hãy cùng đi vào vấn đề định lượng một chút nhé.

Dưới đây là một số công thức cơ bản để thể hiện mối liên hệ này giữa stator và rotor.

Khi nguồn AC cấp cho stator, Rotor vẫn đang đứng yên. Điện áp cảm ứng bên trong rotor có cùng tần số với điện áp của stator. Khi stator quay, điện áp cảm ứng trong rotor sẽ có tần số bị giảm đi, gọi là fr ( frequency rotor ). Nếu f là tần số của điện áp stator, và s là độ trượt thì ta có : fr = f.s (0≤ s≤ 1)

Khi rotor đứng yên, rotor và stator tạo thành một máy biến áp. Điện trường cảm ứng trong rotor được cho bởi phương trình : E = 4.44 f N фm

Với N = số dây dẫn ở một cực của stator ( thường khá nhỏ trong trường hợp động cơ lồng sóc ) và фm  là từ thông tối đa, đơn vị là Webers. Khi rotor xoay, điện trường Er cảm ứng phụ thuộc vào độ trượt: Er = 4.44 s f N фm = s E

Giải thích về động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ là cấu trúc động cơ đặc biệt mà rotor quay cùng tốc độ với tốc độ từ trường stator ( nên được gọi là đồng bộ ). Một ví dụ của động cơ đồng bộ chính là động cơ bước, được sử dụng nhiều trong các ứng dụng liên quan đến điều khiển vị trí (tay vận hành robot trong các nhà máy). Tuy nhiên, với sự phát triển gần đây của các mạch điện tử công suất, người ta đã có thể tối ưu thiết kế của động cơ đồng bộ để sử dụng cho các ứng dụng với công suất cao hơn như quạt, máy sấy, và thậm chí là trong động cơ xe địa hình.

Có hai loại động cơ đồng bộ :

  • Kích từ độc lập – sử dụng nguyên tắc tương tự như động cơ điện từ và
  • Kích từ trực tiếp – thường dùng với các nam châm vĩnh cữu, nhưng không phải lúc nào cũng vậy.

Động cơ kích từ độc lập, còn được gọi là động cơ từ trở thay đổi, gồm rotor thép có các răng, kiểu cực lồi. Chính các răng này sẽ khoác rotor với từ trường stator và làm rotor quay với tốc độc đồng bộ.

Để chuyển rotor sang vị trí kế tiếp, mạch điều khiển phải tuần tự chuyển công suất sáng các cuộn dây/pha stator một cách tuyến tính tương tự như động cơ bước.

Động cơ kích từ trực tiếp thì có nhiều tên gọi khác nhau như ECPM ( động cơ nam châm vĩnh cữu ) hoặc BLDC ( động cơ DC không chổi quét ), hoặc đơn giản là động cơ nam châm vĩnh cữu không chổi quét. Thiết kế này sử dụng một rotor có chứa các nam châm vĩnh cữu. Các nam châm này có thể được lắp trên bề mặt hoặc ráp ở phía trong ( trong trường hợp này được gọi là động cơ nam châm vĩnh cữu chìm )

Các nam châm vĩnh cữu là các cực lồi và giúp loại bỏ sự trượt. Một bộ vi xử lý điều khiển mạch công suất tuần tự trên cuộn dây stator sẽ sử dụng các công tắt chuyển trạng thái để giảm giật ( torque ripple ). Nguyên lý vận hành của các kiểu động cơ đồng bộ này cơ bản là tương tự nhau. Công suất được cấp cho các cuộn dây quấn trên các răng stator tạo ra một từ thông đi qua các khe hở không khí giữa rotor và stator. Dòng từ thông sẽ vuông góc với các khe hở không khí. Nếu một cực lồi của rotor vuông goc hoàn toàn với răng stator, thì sẽ không có moment được tạo ra. Nếu các răng rotor không vuông góc với răng stator, sẽ có một ít từ thông đi qua khe hở và tạo ra moment trên rotor làm quay rotos. Nếu thay đổi công suất trên cuộn dây stator đúng lúc, có thể tạo ra các chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ.

Một loại động cơ đồng bộ khác được gọi là động cơ từ trở thay đổi (SR).

So sánh giữa máy phát đồng bộ và động cơ đồng bộ

Rotor của nó bao gồm các vòng thép với các dãy răng. Các răng này đều có tính từ thẩm ( có thể bị từ hóa ), và các khu vực xung quanh đó thì có độ từ thẩm yếu. Do đó, rotor này không cần đến các cuộn dây, các vật liệu hiếm , hoặc nam châm.

Không giống với động cơ điện từ, không có các thanh rotor và không có dòng điện tạo ra momen trong rotor. Sự thiếu vắng của các thiết bị dẫn trên rotor từ trở thay đổi sẽ giúp giảm bớt tổn hao trên động cơ so với các động cơ thông thường. Moment tạo ra bởi động cơ từ trở này được điều khiển bằng cách thay đổi cường độ dòng điện trong trường điện từ stator. Tốc độ được điều khiển bằng cách điều khiển Moment ( thông qua các dòng cuộn dây). Kỹ thuật này tương tự như cách điều khiển tốc độ bằng dòng điện phần ứng trong độc cơ DC chổi quét truyền thống.

Một động cơ từ trở tạo ra từ trường tỉ lệ với dòng được đưa vào cuộn dây. Việc tạo ram omen không bị ảnh hưởng bởi tốc độ động cơ. Đây là điển khác biệt so với động cơ điện từ AC, khi tốc độ quay cao ở vùng từ trường yếu, dòng rotor sẽ tăng độ trễ so với từ trường stator kho tốc độ motor (rpm) tăng.