Động lực học của động cơ cảm ứng và đồng bộ là gì?

Đặc Tính Động Của Động Cơ Dẫn Động và Động Cơ Đồng Bộ

Động cơ dẫn động (Induction Motor) và động cơ đồng bộ (Synchronous Motor) là hai loại động cơ AC phổ biến. Chúng khác biệt đáng kể về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và đặc tính động. Dưới đây là phân tích về đặc tính động của hai loại động cơ này:

1. Đặc Tính Khởi Động

Động Cơ Dẫn Động:

Động cơ dẫn động thường có dòng khởi động cao, thường từ 5 đến 7 lần dòng định mức. Điều này là do khi khởi động, rotor đứng yên, và độ trượt s=1, gây ra dòng điện cảm ứng lớn trong cuộn dây rotor.

Mô-men khởi động tương đối thấp, đặc biệt dưới tải đầy, và có thể chỉ từ 1,5 đến 2 lần mô-men định mức. Để cải thiện hiệu suất khởi động, có thể sử dụng khởi động mềm hoặc khởi động sao tam giác để giảm dòng khởi động và tăng mô-men khởi động.

Quá trình khởi động của động cơ dẫn động là không đồng bộ; động cơ dần tăng tốc từ trạng thái đứng yên đến gần tốc độ đồng bộ nhưng không bao giờ đạt được sự đồng bộ chính xác.

Động Cơ Đồng Bộ:

Đặc tính khởi động của động cơ đồng bộ phụ thuộc vào loại của chúng. Đối với động cơ đồng bộ tự khởi động (như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ đồng bộ có cuộn dây khởi động), chúng có thể khởi động không đồng bộ như động cơ dẫn động nhưng được kéo vào trạng thái đồng bộ bởi hệ thống kích từ khi tiếp cận tốc độ đồng bộ.

Đối với động cơ đồng bộ không tự khởi động, thường cần thiết bị bên ngoài (như biến tần hoặc động cơ phụ trợ) để giúp khởi động động cơ cho đến khi đạt tốc độ đồng bộ, sau đó nó có thể đi vào hoạt động đồng bộ.

Động cơ đồng bộ thường cung cấp mô-men khởi động cao hơn, đặc biệt là những động cơ có hệ thống kích từ, có thể cung cấp mô-men lớn trong quá trình khởi động.

2. Đặc Tính Hoạt Động Bình Thường

Động Cơ Dẫn Động:

Tốc độ của động cơ dẫn động tỷ lệ thuận với tần số nguồn nhưng luôn thấp hơn một chút so với tốc độ đồng bộ. Độ trượt s đại diện cho sự khác biệt giữa tốc độ thực tế và tốc độ đồng bộ, thường nằm trong khoảng từ 0,01 đến 0,05 (tức là 1% đến 5%). Độ trượt nhỏ hơn dẫn đến hiệu suất cao hơn, nhưng mô-men đầu ra giảm theo.

Đặc tính mô-men-tốc độ của động cơ dẫn động là dạng parabol, với mô-men tối đa xảy ra tại một giá trị độ trượt cụ thể (thường là độ trượt tới hạn). Khi tải tăng, tốc độ giảm nhẹ, nhưng động cơ vẫn duy trì hoạt động ổn định.

Hệ số công suất của động cơ dẫn động thường thấp, đặc biệt dưới tải nhẹ hoặc không tải, có thể thấp đến 0,7. Khi tải tăng, hệ số công suất cải thiện.

Động Cơ Đồng Bộ:

Tốc độ của động cơ đồng bộ tỷ lệ trực tiếp với tần số nguồn và giữ nguyên ở tốc độ đồng bộ, bất kể thay đổi tải. Điều này đảm bảo tốc độ cực kỳ ổn định, làm cho động cơ đồng bộ phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển tốc độ chính xác.

Đặc tính mô-men-tốc độ của động cơ đồng bộ là một đường thẳng dọc, cho thấy nó có thể cung cấp mô-men ổn định ở tốc độ đồng bộ mà không có bất kỳ thay đổi nào về tốc độ. Nếu tải vượt quá khả năng mô-men tối đa của động cơ, động cơ sẽ mất đồng bộ và dừng lại.

Động cơ đồng bộ có thể điều khiển hệ số công suất bằng cách điều chỉnh dòng kích từ, cho phép chúng hoạt động ở chế độ dung hoặc cảm. Đặc điểm này làm cho động cơ đồng bộ hữu ích để cải thiện hệ số công suất của lưới điện.

3. Đặc Tính Phản Ứng Động

Động Cơ Dẫn Động:

Phản ứng động của động cơ dẫn động tương đối chậm, đặc biệt khi tải thay đổi đột ngột. Do quán tính của rotor và quán tính điện từ, có thời gian trễ để động cơ thích nghi với điều kiện tải mới. Thời gian trễ này có thể gây ra dao động tốc độ, đặc biệt trong các ứng dụng tải nặng hoặc khởi động-dừng thường xuyên.

Phạm vi điều khiển tốc độ của động cơ dẫn động có giới hạn, thường đạt được bằng cách thay đổi tần số nguồn (ví dụ: sử dụng biến tần). Tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến giảm mô-men, đặc biệt ở tốc độ thấp.

Động Cơ Đồng Bộ:

Phản ứng động của động cơ đồng bộ nhanh hơn, đặc biệt khi tải thay đổi. Do tốc độ của động cơ luôn đồng bộ với tần số nguồn, nó có thể duy trì tốc độ ổn định ngay cả khi tải thay đổi. Ngoài ra, phản ứng mô-men của động cơ đồng bộ nhanh, cung cấp mô-men cần thiết trong thời gian ngắn.

Động cơ đồng bộ có thể điều chỉnh mô-men và hệ số công suất bằng cách thay đổi dòng kích từ, cung cấp kiểm soát linh hoạt hơn. Các phương pháp kiểm soát tiên tiến như kiểm soát vector hoặc kiểm soát mô-men trực tiếp (DTC) cũng có thể được sử dụng để đạt được kiểm soát tốc độ và mô-men chính xác.

4. Khả Năng Quá Tải và Bảo Vệ

Động Cơ Dẫn Động:

Động cơ dẫn động có một khả năng quá tải nhất định và có thể chịu được 1,5 đến 2 lần tải định mức trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, quá tải kéo dài có thể gây ra quá nhiệt, làm hỏng vật liệu cách điện. Vì vậy, động cơ dẫn động thường được trang bị các thiết bị bảo vệ quá tải, như rơle nhiệt hoặc cảm biến nhiệt, để ngăn chặn quá nhiệt.

Khả năng quá tải của động cơ dẫn động phụ thuộc vào thiết kế của chúng. Ví dụ, động cơ dẫn động rotor quấn thường có khả năng quá tải tốt hơn so với động cơ rotor chuột vì dòng rotor có thể được điều chỉnh bằng các điện trở bên ngoài.

Động Cơ Đồng Bộ:

Động cơ đồng bộ có khả năng quá tải mạnh, đặc biệt là những động cơ có hệ thống kích từ, có thể chịu được 2 đến 3 lần tải định mức trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, quá tải kéo dài cũng có thể dẫn đến quá nhiệt.

Động cơ đồng bộ được bảo vệ bằng nhiều phương pháp, bao gồm bảo vệ quá dòng, bảo vệ mất bước, và bảo vệ lỗi kích từ. Bảo vệ mất bước ngăn chặn động cơ mất đồng bộ dưới tải quá mức, trong khi bảo vệ lỗi kích từ đảm bảo hoạt động đúng của hệ thống kích từ.

5. Kịch Bản Ứng Dụng

Động Cơ Dẫn Động:

Động cơ dẫn động được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp và đồ gia dụng, đặc biệt trong các ứng dụng không yêu cầu điều khiển tốc độ chính xác cao. Ví dụ bao gồm quạt, bơm, và máy nén.

Do cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và dễ bảo dưỡng, động cơ dẫn động thường là lựa chọn ưu tiên cho nhiều ứng dụng.

Động Cơ Đồng Bộ:

Động cơ đồng bộ phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển tốc độ chính xác cao, như máy công cụ chính xác, máy phát điện, và máy nén lớn. Khả năng duy trì tốc độ ổn định và cung cấp hệ số công suất cao làm cho chúng có giá trị trong hệ thống điện để cải thiện hiệu quả lưới.

Động cơ đồng bộ cũng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển tốc độ chính xác và phản ứng động nhanh, như hệ thống servo và robot.

Tóm Tắt

• Động Cơ Dẫn Động: Dòng khởi động cao, mô-men khởi động thấp, tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, phản ứng động chậm, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và gia đình thông thường.

• Động Cơ Đồng Bộ: Đặc tính khởi động phụ thuộc vào loại, tốc độ đồng bộ nghiêm ngặt, phản ứng động nhanh, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển tốc độ chính xác và cải thiện hệ số công suất.