Máy điện đặc biệt dòng điện 1 chiều

Chia sẻ: Vu Xuan Thanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:22

1
206
lượt xem
85
download

Máy điện đặc biệt dòng điện 1 chiều

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp....

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Máy điện đặc biệt dòng điện 1 chiều

  1. PHẦN V MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT CHƯƠNG 15 MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT DÒNG MỘT CHIỀU 15.1. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU TỪ TRƯỜNG NGANG 15.1.1. Mở đầu. Để nghiên cứu loại máy điện một chiều từ trường ngang, trước hết ta hãy xét các hiện tượng xảy ra ở cuộn dây ph ần ứng máy đi ện m ột chiều. Qua nghiên cứu người ta đưa ra 2 kết luận sau đây: - Nếu qua cuộn dây phần ứng chạy một dòng điện thì trục c ủa t ừ trường tạo ra bởi dòng điện này sẽ trùng với trục của chổi có dòng điện chạy qua (hình 15.1). - Nếu cuộn dây máy điện một chiều quay trong từ trường không đổi thì các chổi đặt trong trục của từ trường này sẽ không xuất hiện bất kỳ một điện áp nào mặc dầu từng cuộn dây riêng biệt có cảm ứng sđđ b ất k ể t ừ trường được tạo ra bằng cách nào, còn trên chổi vuông góc về điện với từ trường sẽ xuất hiện một điện áp có giá trị lớn nhất. Hướng của từ trường tạo ra do dòng điện chạy trong cuộn ph ần ứng phụ thuộc vào chiều dòng điện và vào hướng quấn dây. Trong đó các hình a, b, c, d lưu ý tới hướng quấn dây và chiều dòng đi ện, còn hình a 1, b1, c1, d1 là giản đồ phần ứng cùng chiều dòng điện và chiều từ thông. a) b) c) + +d)+ + • • • • • • • • ++ v + + + + • • • I + φ + • • • + + φ I φ φ + I I • • + φ • + φ + φ • • • •+ •+ a) b) + c) + • d) • • • • + + +• •+ + +• φ • • • • • ++ • ++ • • • • • • • • • • • • Cuộn dây vòng phải Cuộn dây vòng trái I φ φ φ φ I I I a1 ) b1 ) c1 ) d1 ) Hình 15.1 Hướng của từ trường trong cuộn dây máy điện một chiều phụ thuộc vào chiều dòng điện và cách quấn dây 237
  2. Chiều của điện áp cảm ứng trên các chổi phụ thuộc vào chiều từ trường, chiều quay của rô to và chiều quấn dây. Ví dụ: ở cuộn dây vòng phải chiều mũi tên từ thông (vẽ ở trong rô to hình 15.1) sẽ chỉ chổi “+” sau khi quay đi 90 0 điện theo hướng quay của rô to, còn nếu cuộn là cuộn vòng trái sẽ chỉ chổi “-”. Từ đây để cho ti ện ta ch ỉ nghiên cứu cuộn dây vòng phải. 2. Nguyên lý hoạt động của Mê - ta - dyn Sơ đồ máy có từ trường ngang biểu diễn ở H.15.2. Rô to máy điện một chiều 2 cực có cuộn dây đặt trên 2 ổ bi. Về nguyên tắc máy có thể không cần stato, tuy nhiên phải được đặt trong m ột vỏ bằng vật liệu từ fe –rô nhằm tạo ra một đường dẫn từ thông có trở từ nhỏ . Giả thiết stato là hình trụ nên khe khí đều. Stato không có cu ộn dây. Trên c ổ góp đặt hai hệ chổi a1a2 và b1b2, trục của chúng vuông góc với nhau về điện (αđiện= αcơ = 900) . b1 Ia a1 Ea φa a2 Rt¶i Ua φb Eb Nguån B2 Ib Ua Hình 15.2 Sơ đồ máy Mê-ta -dyn Rôto tạm thời đứng im. Cấp cho chổi a1- a2 dòng điện Ia, dòng điện này tạo ra từ thông φa có trục trùng với chổi a1- a2. Máy lúc này không có mô men nào cả. Bây giờ quay mô men bằng một máy lai thì cuộn dây phần ứng sẽ cắt các từ thông φa của từ trường tạo ra bởi dòng Ia (ở chổi a1- a2 không xuất hiện một điện áp nào do trục chổi trùng với trục từ trường) làm xuất hiện ở chổi b1- b2, một stđ Eb (vì B1b2 vuông góc với trục từ trường) (hình 15.2). Như vậy cuộn rôto vừa đóng vai trò cuộn kích từ, vừa đóng vai trò cuộn phần ứng. Giả thiết mạch b1b2 hở, không có dòng điện nào chạy qua 2 ch ổi b 1b2, thì để có dòng Ia, điện áp Ua rất nhỏ (Ua= ∆U, ∆U - độ sụt áp suất trên điện trở cuộn dây). Nếu bây giờ nối vào b1b2 một điện trở thì sẽ có dòng I b chạy, tạo ra φb có trục trùng với trục của chổi b1b2. Từ thông φb làm xuất hiện một sđđ Ea trên 2 chổi a1- a2 có hướng như hình 15.2 (còn φb không tạo ra sđđ ở b1 – b2). Sđđ Ea chống lại nguồn điện cung cấp dòng Ia . Để giữ được dòng Ib nguồn 238
  3. cung cấp phải tạo ra điện áp U a ≈ Ea, nếu bỏ qua điện trở cuộn dây (R ≠ 0) thì điện áp Ua phải bằng: Ua= Ea+ IaR (15.1) Ta có: Ea= C1φbn , còn: Eb= C1φa n. Giả sử mạch điện chưa bão hoà thì: φa= Ca.Ia , φb= CbIb Thông thường Ca= Cb= C2 , do đó: Ea= C1C2Ibn = CIbn Eb= C1C2Ian = CIan (15.2) Nếu nhận R ≈ 0 thì: Ua≈ Ea= CIbn Ub≈ Eb= CIan Kết luận: Nếu điện áp Ua= const, và n= const thì dòng I b= const không phụ thuộc vào điện trở tải. Điểm đặc biệt của máy là không có mô men đi ện từ vì stato không có cuộn kích từ. Máy biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng điện một chiều có giá trị điện áp và dòng điện khác. C ơ năng đưa vào chỉ nhằm bù đắp tổn hao quay rôto. Sự thay đổi điện trở tải nhằm thay đổi Eb và Ia nhưng Ib= const (luôn đảm bảo UaIa ≈ UbIb). Hiện tượng này xảy ra trong máy có thể trình bày tổng quát như sau: Rtải↓ →Ib ↑→φ↑→ a↑→ a↓→φa↓→ b↓→ b↓ E I E I Ta thấy hệ thống chứa phản hồi âm. - Khi ngắn mạch Ub= 0 (Ua= const, n= const) có nghĩa E b ≈ 0, như vậy khi chổi b1b2 ngắn mạch máy nhận dòng Ia rất nhỏ, ngược lại khi không tải Ib= 0 thì Ea = 0 nên qua a1a2 dòng Ia có giá trị lớn. Để điều chỉnh dòng Ib ta phải đặt ở stato một cuộn dây có trục trùng với chổi b 1b2 và cấp điện từ nguồn ngoài, điều chỉnh dòng điện chạy qua cuộn này ta điều chỉnh được E b và do đó Ib. 15.2. M¸y ROSENBERG Trên hình 15.3 biểu diễn mô hình máy từ trường ngang ROSENBERG. Cuộn kích từ đặt ở stato và cấp nguồn điện một chiều. Chổi a 1 - a2 được ngắn mạch, cuộn kích từ tạo ra φkt, khi rôto quay sẽ tạo ra ở chổi a 1- a2 một sđđ Ea, do a1- a2 ngắn mạch nên có dòng Ia chạy, dòng Ia tạo ra φa và làm xuất hiện trên chổi b1b2 sđđ Eb theo biểu thức: Ea = C1 φktn Eb= C1 φa n (15.3) Khi có Rtải ở chổi b1b2, dòng Ib tạo ra từ thông φb, φb và φkt tác động lên nhau tạo ra từ trường tổng φktb vậy khi có tải: Eb=C1φktbn (15.3a) Eb Ib= R + R (15.3b) tai 239
  4. Ea I a= (15.3c) R Trong đó: R-điện trở cuộn dây phần ứng Ở hình 15.3b biểu diễn đặc tính Eb = f(n) khi Rtải và R không đổi. Từ đặc tính ta thấy khi tốc độ n > n x thì Eb hầu như không đổi. Tương tự như E b, đặc tính Ib = f(n) cũng như vậy, khi n > nx thì Ib = const. Tính chất của máy Rosenberg có thể biểu diện tổng quát như sau: n ↑→ I b ↑→ Φ ktb → Ea ↓ → Φ a ↓ → Eb ↓ → I b ↓ φkt Ikt ib b1 φa φb n ia Eb a1 U Ea R tải a1 φkt b2 E b,ib E b=f(n),Ikt và R tải=const Ib=f(n),Ikt và R tải=const nx Hình 15.3 Máy điện Rosenberg : a) Sơ đồ máy điện, b)Đặc tính Đặc tính trên của Rosenberg được sử dụng cho hệ thống chiếu sáng tàu hoả hoặc nạp ắc qui các phương tiện giao thông hình 15.4 Eb,Ib b1 Ib W n Eb U1 U a1 a2 Eb Ib b2 n a) b) . Hình 15.4 Máy Rosenberg dùng cho chiếu sáng và nạp accqui tàu thủy 240
  5. Khi tàu dừng tốc độ n < nx công tắc W mở, đèn được cấp điện từ ắc qui, khi tàu chạy n > nx, W đóng, ắn qui được nạp điện, và các đèn cũng được cấp điện từ máy phát. 15.3. AMPLIDYN (MÁY ĐIỆN KHUYẾCH ĐẠI) Sơ đồ một amplidyn biểu diễn ở hình 15.5. Nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống như máy Rosenberg. Đây là một máy khuy ếch đại 2 b ậc. Th ật vậy gọi công suất vào là công suất kích từ Pkt’ còn công suất ra là Pđ ’ ta viết: Pd P Pq Kp = = d . = K p 2 .K p1 Pkt Pq Pkt P P Trong đó: K p 2 = Pq và K p1 = d q và Pd = Udid , Pkt = IktUkt Pw q E Mà Ud = RtảiId; Ed = (Rd + Rtải)Id = C1 Φ an = C2 λ.q R n . q Dòng Id tạo ra từ thông chống lại Φ kt ' để khử ảnh hưởng của Id ta dùng thêm cuộn khử hoàn toàn thì: E q = C1φ kt n = C 3 λ d n .I kt Trong đó: λ d , λ q - độ dẫn từ theo trục d-d và q-q. Cλ 2 λ 2 n 4 R t q d Kết hợp lại ta được : Kp = (15.4) ( R d + Rt ) 2 R q R kt 2 Ikt id φkt d P vào φq φ n Ukt d id Eq Ed q Ud P ra q φkqd d Hình 15.5 Máy khuyếch đại Am-pli-dyn Bậc khuyếch đại thứ nhất gồm cuộn kích từ và mạch chổi q-q, còn bậc thứ hai là hệ chổi q-q và ra là hệ chổi d-d. Đây th ực chất là 2 máy phát mắc nối tiếp với nhau. 241
  6. Amplidyn như mô hình 15.5 chỉ dùng để giải thích nguyên lý hoạt động vì nó có rất nhiều nhược điểm. Hệ số khuyếch đại không lớn vì m ạch từ trục ngang rất nhỏ. Phản ứng phần ứng đã làm từ trường kích từ yếu nhiều, chổi d-d làm việc trong điều kiện chuyển mạch dòng điện x ấu. Đ ể loại trừ các nhược điểm trên người ta dùng amplidyn như hình 15.6. Sự khác nhau cơ bản ở đây là a) b) c) id Ikt d d d iq φq q U q q φd q Uk t d d d Hình15.6 Mô hình amplidyn a)Sơ đồ, b)Đường sức ngang,c)Đường sức dọc mạch từ có 4 mấu. Việc tách mỗi cực từ thành 2 phần đối xứng đã làm tăng độ dẫn từ ngang φa, bây giờ từ thông này khép kín như hình 15.6b. Từ thông chính của trục dọc khép kín qua đường ở hình 15.6c. Ta thường gặp amplidyn có nhiều cuộn dây ở stato ( hình 15.7). Chúng làm nhiệm vụ cuộn khử, cuộn kích từ và cuộn điều khiển. Cuộn khử n Ud a1 a2 Eb Cuộn khử Cuộn ổn định Cuộn điều khiển Ukt Hình 15.7 Sơ đồ máy điện khuyếch đại dùng trong trực tế 242
  7. 15.4. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CÓ CỔ GÓP. Máy điện một chiều ta nghiên cứu trước đây có điện áp và dòng điện xoay chiều, để có dòng một chiều ta phải dùng chỉnh lưu cơ khí. Dòng điện nh ư vậy không phải là dòng điện phẳng mà nhấp nháy gây nhiễu cho các thi ết b ị khác. Để tạo dòng điện phẳng người ta tạo máy điện một chiều mà cuộn dây của nó luôn chuyển động dưới 1 cực (hình .15.8), sđđ xuất hiện ở máy có chiều không đổi, ta không cần dùng bộ chỉnh lưu cơ khí nữa. 1 2 3 Ikt • + • N E S - n - N E S + + + Hình 15.8 Máy diện m,ột chiều không có chổi than 1-stato,2-phần ứng,3-kích từ Đĩa 2 gắn trên trục quay trong từ trường tạo ra bởi dòng Ikt (cuộn dây kích từ đặt tại stato). Chiều quay và chiều từ trường biểu diễn trên hình vẽ, chiều sđđ sẽ hướng từ trục ra ngoài. Như vậy chổi đặt trên chu vi là ch ổi dương, còn chổi đặt trên trục là chổi âm. Giá trị sđđ E = Blv. Cần khẳng định rằng một máy điện như thế chỉ đạt được một sđđ nhỏ ngay cả khi tốc độ lớn và độ cảm ứng từ lớn. Máy chỉ có điện áp khoảng vài vôn nhưng lại có giá trị dòng điện rất lớn. Vì thế máy điện một chiều loại này được dùng cho công nghiệp điện hoá là chính . 243
  8. CHƯƠNG 16 MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT DÒNG XOAY CHIỀU 16.1.CUỘN DÂY MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU NẰM TRONG TỪ TRƯỜNG BIẾN ĐỔI Một cuộn dây máy điện bất kỳ quay trong từ trường biến đổi s ẽ xu ất hiện 2 sđđ : sđđ quay và sđđ truyền đạt. a. Sđđ truyền đạt Sđđ truyền đạt xuất hiện do sự thay đổi từ thông móc vòng với cuộn dây. Do cuộn dây đối xứng ở mọi trục nên khi rôto quay, sđđ này không thay đổi. Nói một cách khác sđđ truyền đạt không phụ thuộc vào tốc độ quay rô to, ta có thể nghiên cứu cuộn dây ở vị trí đứng im. Để đơn giản xét cuộn dây ch ỉ có một vòng dây (hình 16.1) Trục từ trường φ φ φ φ stato . . α E Trục α . + • cuộn α= E 0 • + dây + ro to . α E . a) b) c) d) E tr E tr E tr E tr=0 φ φ φ φ Hình 16.1 Cuộn dây máy điện một chiều nằm trong từ trường biến đổi Nếu trong cuộn dây stato chạy một dòng điện xoay chiều thì sẽ t ạo ra một từ trường biến thiên và sẽ móc vòng với các cuộn dây ở hình 16.1b,c,d nhưng không móc vòng với cuộn dây ở vị trí hình16.1a, do đó trong hình 16.1a cuộn dây không cảm ứng sđđ nào. Còn ở các vị trí 16.1b, c, d đều cảm ứng một sđđ truyền đạt. Giá trị hiệu dụng của sđđ truyền đạt biểu diễn bằng : Etr= 4,44φfcosα (16.1) 244
  9. Trong đó: α - góc hợp bởi trục cuộn dây với trục từ trường biến đổi. Bây giờ ta xét một cuộn dây có nhiều vòng dây. Trên hình 16.2 bi ểu diễn chiều sđđ ở những thời điểm khác nhau. Nếu cuộn dây phân bố đều ở chu vi rôto thì hình ảnh này không phụ thuộc vào vị trí rôto so với stato. Nếu chổi đặt ở vị trí hình 16.2c ta có E tr= Etrmax, còn nếu chổi đặt như hình 16.2d, thì Etr= 0. Qua phân tích rút ra 3 kết luận sau: - Tần số sđđ truyền đạt bằng tần số biến đổi từ thông, không ph ụ thuộc vào tốc độ quay roto. - sđđ Etr với một từ thông nhất định phụ thuộc góc đặt chổi α. - sđđ Etr chậm pha so với từ thông 1 góc π/2 . φ φ φ φ Từ thông Từ thông Từ thông tăng giảm tăng . . + ++ ++ . . . . . + ++ . . + ++ . + ++ . Etđ . + . + . . + Etđ + . . + . + + + . . . . + . + . + . + . + Etdmax + + + . . . + . . + . + . . + + . . . + . . + + ++ . . . + + . . ++ . . ++ . . ++ + a) b) c) Etđ=0 d) Hình 16.2 Sđđ truyền đạt trong cuộn dây máy điện một chiều nằm trong từ trường biến đổi:a,b hướng thực tế của sđđ trong những thời điểm khác nhau, cd, sđđ truyền đạt phụ thuộc vào vị trí chổi. b. sđđ quay Khi cuộn dây rôto quay trong từ trường sẽ cảm ứng sđđ quay xác định bằng biểu thức: Eq= Cφn (16.2) Giá trị sđđ này cũng phụ thuộc vào vị trí đặt ch ổi. Nếu ch ổi vuông góc về điện với trục từ trường, sđđ E q có giá trị cực đại, nếu chổi có trục trùng với trục từ trường thì mặc dầu tồn tại từ trường và rôto quay nh ưng vẫn không có sđđ quay. Ta có thể biểu diễn sđđ quay bằng công th ức (gi ả thi ết s ự phân bố từ trường ở khe khí là hình sin). Eq = Cφnsinα (16.3) Trong đó: α - góc hợp bởi trục chổi và trục từ trường. Nếu từ trường biến thiên thì Sđđ quay sẽ biến đổi phụ thuộc vào giá trị từ thông. Khi φ = φmax sđđ Eq lớn nhất, khi φ =0, sđđ Eq= 0. Từ đây rút ra kết luận sau: 245
  10. - Sđđ quay có tần số biến đổi fx bằng tần số biến thiên của từ thông φ, tần số này phụ thuộc vào tốc độ quay rôto. - Giá trị hiệu dụng cuả E q phụ thuộc vào giá trị từ thông, tốc độ quay và vị trí chổi. - Sđđ quay cùng pha với từ thông (hình 16.3) Qua phân tích trên ta thấy cuộn dây máy điện một chiều quay trong t ừ trường biến đổi xuất hiện 2 sđđ biến đổi cùng tần số . Ở một vị trí nh ất đ ịnh của chổi, 2 sđđ này biểu diễn như sau: Etr= Etrcosα và Eq= Eqmax sinα. Giá trị Sđđ tổng xác định như sau: E = Etrm· cos 2 α + E q max sin 2 α 2 2 (16.4) a) b) c) n Equay φ E quay φ Equay t φ Equay Hình 16.3 sđđ quay ở cuộn dây quay phải a)Sơ đồ với mũi tên chỉ hướng, b) Sơ đồ đặc tính thời gian, c) Đồ thị véc tơ 18.2 ĐỘNG CƠ MỘT PHA XOAY CHIỀU CÓ CỔ GÓP Động cơ xoay chiều có cổ góp rất dễ điều chỉnh tốc độ. Về cấu tạo động cơ xoay chiều có cổ góp thực chất là máy điện nối tiếp dòng đi ện m ột chiều. Rôto có cuộn dây giống như cuộn dây máy điện một chiều. Cuộn phần ứng mắc nối tiếp với cuộn kích từ đặt ở stato (hình 16.4). M ạch t ừ c ủa stato làm bằng các lá thép như ở máy điện xoay chiều. Ở stato ngoài cuộn kích từ còn cuộn phụ và cuộn khử. Nhiệm vụ hai cuộn phụ và khử giống nh ư ở máy điện dòng một chiều. Chổi đặt trên đường trung tuyến hình học. Khi cấp cho cuộn kích từ một dòng điện biến đổi thì cực t ừ cũng thay đổi theo hướng dòng điện ở phần ứng, do đó động cơ có th ể quay theo chi ều này hoặc chiều khác. Vì cuộn kích từ mắc nối tiếp với phần ứng nên giá trị t ức th ời c ủa dòng điện i trong rôto và stđ Fkt do kích từ sinh ra sẽ trùng pha, nhưng từ thông kích từ φkto do stđ kích từ Fkt tạo ra đi qua rôto nên chậm pha so với std một góc α (hình 16.4b) (do tổn hao dòng fucô trong lõi thép). Giả thiết rằng dòng điện và từ thông kích từ biến đổi theo hàm sin, giống như ở máy điện một chiều, giá trị tức thời của mômen: 246
  11. mt = Cmφi = Cmφkto.Imsin(ωt-α)sinωt. Tính giá trị trung bình của mômen ta được: 1T 1 T M = ∫ mt dt = T ∫o Cmφkto I m sin(ωt − α ) sin ωtdt T 0 (16.5) 1 M = Cmφkto I m cos α 2 Từ (hình 16.4b) ta thấy mô men quay của động cơ biến đổi hình sin và có giá trị “+” ở khoảng (π-α) và “-” ở khoảng α. Tuy mômen có dạng biến đổi nhưng động cơ vẫn quay với tốc độ đều nhờ quán tính của động cơ. Cần lưu ý rằng cuộn dây cực phụ chỉ tác động ở tốc độ đ ịnh m ức, khi khởi động cực phụ không có tác dụng nên để đảo chi ều tốt h ơn ng ười ta s ử dụng các biến pháp sau đây: (+ ) U~ (-) Mt (-) (+ ) Mtb Mmax i Wkt Cuộn π-α khử α α Cuộn π-α khö a) b) Hình 16.4 Động cơ xoay chiều có cổ góp a)Sơ đồ, b) Đặc tính mô men và dòng điện - Giảm số lượng vòng dây mắc giữa các phiến góp. - Tăng số lượng cực từ nên giảm được số lượng từ thông ở một cực. 2 - Giảm tần số dòng điện, ví dụ ở tàu hoả người ta dùng tần số 16 Hz , 3 ngoài ra người ta còn đưa thêm điện trở phụ vào giữa hai phiến góp và giữa các bin cuộn dây, tuy nhiên khi khởi động ch ậm, đi ện trở b ị đ ốt nóng làm giảm độ tin cậy của máy. Để khởi động động cơ, người ta thường dùng biến áp tự ngẫu, đôi khi khởi động bằng điện trở. Đảo chiều và điều chỉnh tốc độ thực hiện nh ư ở máy điện một chiều. Máy có mômen khởi động lớn. Với máy điện xoay chiều có cổ góp công suất nh ỏ người ta không dùng cuộn phụ và cuộn khử. Nếu là động cơ vạn năng (làm việc được với dòng xoay chi ều và m ột chiều) thì khi làm việc với dòng xoay chiều ta chỉ cấp điện một phần cuộn dây (hình 16.5). 247
  12. U= U~ Hình 16.5 Động cơ xoay chiều có Wkt cổ góp công suất nhỏ 16.3. ĐỘNG CƠ ĐẨY (THOM SON) Động cơ có hệ thống chổi bị ngắn mạch, cuộn kích từ được m ắc n ối tiếp với cuộn khử (hình 16.6). Wkt W α Hình 16.6 Động cơ đẩy (Thonson) Dòng Iko (cuộn khử) tạo từ thông φko. Trong phần ứng có dòng điện cảm ứng tác động với từ thông kích từ φkt tạo ra mômen quay. Ưu điểm của loại động cơ này là: Phần ứng không nối tiếp với lưới do đó ta có thể thực hiện động cơ với điện áp cao. Do qua hai cu ộn dây ở stato chạy cùng một dòng điện nên ta có thể thay chúng bằng một cuộn dây W tạo với trục chổi 1 góc α, giá trị W tính bằng: W = W2kt + W2ko Wk và góc α= acrtg W ko Điều chỉnh tốc độ động cơ rất dễ dàng. Do chổi đặt trên một giá đỡ không cố định, cho phép ta thay đổi vị trí chổi, dẫn đến mômen thay đổi làm tốc độ thay đổi. Khi khởi động, chổi đặt vuông góc với từ trường, dòng khởi động nhỏ nhất, sau đó giảm dần góc α và tăng dần mômen tức là tăng tốc độ. 248
  13. Để đảo chiều quay ta quay chổi theo chiều ngược lại. Động cơ được dùng ở cần cẩu, các xe nâng dùng điện.vv. 16.4. MÁY BIẾN ĐỔI TẦN SỐ Trên hình 16.7 biểu diễn một máy biến đổi tần số. Máy g ồm stato không có cuộn dây chỉ dùng tạo đường khép kín từ thông (ở hình 16.7 không vẽ stato) . Roto là rôto máy điện một chiều, một phía được nối v ới các đi ểm a1,b1,c1 của hệ thống ba pha A1,B1,C1 qua ba vòng trượt và chổi, còn phía thứ hai dẫn ra cổ góp đặt 3 chổi cách nhau 120 0 là a2,b2,c2. Giả thiết rằng các vị trí chổi như hình 16.7. Khi đưa dòng 3 pha vào cuộn rôto không chuy ển đ ộng, s ẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n 1 = 60f/p so với rôto, giả thiết theo hướng kim đồng hồ. U2, A2 B2 C2 b2 n b1 n a2 b2 c2 a2 a1 c1 n a2 c2 n A1 B1 C1 b) a) Hình 16.7 Sơ đồ máy biến đổi tần số Nếu W là số vòng dây một pha của cuộn rôto, Kdq – hệ số dây quấn thì giá trị hiệu dụng sđđ cảm ứng của cuộn rôto sẽ là Etr= 4,44WKdqfφ (16.6) Với cách nối bin cuộn dây như ở hình vẽ thì sự phân b ố đi ện th ế trên cuộn dây sẽ giống như ở cổ góp (hình 16.7b). Đường cong hình sin phân bố điện áp trên cổ góp gọi là sóng điện th ế cổ góp. Cũng nh ư tốc đ ộ n 1, đường phân bố điện thế cổ góp cũng quay cùng hướng với h ướng tốc đ ộ. Nh ư v ậy trên chổi ta sẽ nhận được điện áp 3 pha với tần số: pn f2 = f = 60 249
  14. Nếu bỏ qua độ sụp áp ở cuộn rôto ta có thể coi: U*2=E*2=U*1 Khi dịch chuyển các chổi a 2,b2,c2 so với vị trí biểu diễn ở H.16.7a, điện áp U2 có giá trị không đổi nhưng thay đổi pha. Thật vậy khi dịch ch ổi ( sóng điện thế) ngược chiều quay của từ thông, trục cuộn dây gi ữa các ch ổi a2-b2,b2- c2 và c2-a2 dịch chuyển trong không gian trùng hướng và cùng một góc do vậy từ thông sẽ lệch trục các cuộn dây một góc α (sớm pha hơn). α Lúc này điện áp thứ cấp sẽ bằng U 2 = U1ej còn nếu dịch chuyển α chổi theo hướng từ thông U2=U1e-j , như vậy: ± α U2=U1e j Bây giờ ta quay rôto ngược với chiều quay của sóng điện thế cổ góp thì vì U1 và f không đổi nên sóng điện thế cũng không đổi, nó tiếp tục quay so f 60 với rôto tốc độ n1= p . Nhưng trong không gian, sóng điện thế bây giờ quay so với chổi không chuyển động với tốc độ n2=n1-n. Như vậy rôto quay theo chiều quay sóng điện thế sẽ quay với tốc độ n2=n1+n. Tần số điện áp thứ cấp trong cuộn dây sẽ bằng: pn2 p (n1 ± n) pn1 (n1 ± n) f2 = = = . = sf1 (16.7) 60 60 60 60 Máy điện nghiên cứu trên đây cho phép ta biến đổi được tần số f2 và fa của U2 (U2 = const). Tính chất này được dùng để thay đổi tốc độ động cơ dị bộ và đ ể kh ử hệ số cosϕ. 16.5. ĐỘNG CƠ BƯỚC 16.5.1 Mở đầu Hiện nay trong các hệ thống tự động hoặc trong máy tính hay sử dụng hệ thống truyền động rời rạc. Các hệ thống truyền động rời rạc này được th ực hiện nh ờ lo ại đ ộng c ơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bước. Động cơ bước thường là động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hi ệu điều khiển dưới dạng xung điện áp thành các chuyển động góc quay ho ặc chuyển động của rô to và có khả năng cố định rô to ở những vị trí cần thiết. Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử, đ ể đưa các tín hiệu điều khiển vào các cuộn dây stato, theo một th ứ t ự và t ần s ố nhất định. Tổng số góc quay của rô to tương ứng với số lần chuy ển m ạch cũng như chiều quay và tốc độ quay của rô to phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. 16.5.2 Cấu tạo của động cơ bước. Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ nhưng không quay liên t ục mà làm việc ở chế độ quay rời rạc, nên về cấu trúc có đặc đi ểm riêng so v ới động cơ đồng bộ thông thường. Để đảm bảo có đặc tính động và tĩnh c ần 250
  15. thiết, rô to của động cơ bước có đường kính nhỏ và không có dây qu ấn kh ởi động. Động cơ bước có 2 loại chính là: -Động cơ bước có rô to được kích thích bằng cuộn kích t ừ dòng m ột chiều -Động cơ bước có rô to không có cuộn kích t ừ (động c ơ c ảm ứng và động cơ phản kháng). 16.5.2.1 Động cơ bước rô to kích thích. Rô to có cuộn kích từ được cấp bằng dòng một chiều, tuy nhiên hiện nay chủ yếu dùng kích thích bằng nam châm vĩnh cửu (hình 16.12). Rô to có dạng cực lồi, để giảm bước quay, rô to thường có nhi ều c ực tạo thành hình sao cacvs nam châm N-S. Vì đường kính rô to nhỏ nên s ố lượng cực từ bị hạn chế và bước quay vẫn lớn. Hình 16.12 Động cơ bước rô to nam châm vĩnh cửu Để có thể giảm bước quay thường phải phối hợp với việc tăng số pha và số lượng chuyển mạch của dây quấn stato, do đó dây quấn stato thường thực hiện với số rãnh của một pha dưới một cực có q=1. Trường hợp động cơ bước dùng trong mạch chỉ báo (trên trục rô to không có mô men cản) người ta thường dùng động cơ ki ểu từ trễ. Ở loại động cơ này, rô to có dạng cực ẩn, lõi thép rô to được từ hóa bởi trường stato. Bước quay của động cơ chỉ được xác định bởi số rãnh của stato. 16.5.2.2 Động cơ bước rô to không kích thích. Loại động cơ này có thể chia thành 2 loại: a)Động cơ bước kiểu cảm ứng. Lõi thép stato và rô to của loại này được chế tạo từ thép kỹ thuật điện. Các rãnh của rô to thuộc dạng hở và rô to không được kích t ừ. Stato có 2 loại rãnh: rãnh lớn kiểu nửa hở trong đó đặt cuộn dây điều khiển và nh ờ các chuyển mạch để đưa xung điện vào các cuộn dây này, rãnh nhỏ kiểu h ở được bố trí trên cùng một răng lớn có dạng hình lược (hình 16.13a). Số rãnh của stato và rô to cùng kích thước hình học của chúng cần lựa chọn một cách thích hợp để đảm bảo trị số bước quay cần thiết và nh ận được mô men quay đủ lớn, ứng với một dạng điện điện áp điều khiển cho trước. 251
  16. Đặc điểm cơ bản của động cơ bước kiểu cảm ứng là từ thông trong khe hở khe khí giữa stato và rô to lúc động c ơ làm vi ệc gồm 2 thành ph ần: t ừ thông một chiều và từ thông xoay chiều. Từ thông một chiều do nam châm N-S sinh ra, còn từ thông xoay chiều do các xung dòng điện đưa vào cuộn dây điều khiển. Từ thông này quay trong không gian ứng với tần số nhịp chuyển mạch. Kết cấu động cơ bước kiểu cảm ứng kích thích bằng nam châm vĩnh cửu trình bày trên hình 16.13b a) b) Hình 16.13 Cấu tạo rô to động cơ bước không kích thích: a) Các lá thép stato và rô to của động cơ bước kiểu cảm ứng; b) Động cơ bước kiểu cảm ứng với nam châm vĩnh cửu trên stato; 1-Các cực stato;2-Nam châm vĩnh cửu N-S; 3-rô to; 4 và 5 các cuộn dây điều khiển b)Động cơ bước kiểu phản kháng Động cơ bước kiểu phản kháng (hình 16.15a) có kết cấu giống như động cơ bước kiểu cảm ứng, chỉ khác là trên stato không có cuộn dây kích thích bằng a) b) Hình 16.14 Động cơ bước rô to không kích thích: a) Động cơ bước phản kháng bốn pha; b)Động cơ bước 2 cực một pha. 252
  17. dòng một chiều (hoặc không có nam châm vĩnh cửu), do đó không có thành phần từ thông một chiều trong khe hở không khí. Loại đ ộng c ơ này có ch ỉ s ố năng lượng và trị số mô men đồng bộ thấp hơn so với động c ơ b ước ki ểu cảm ứng. Mặt khác vì không có nam châm N- S trên stato nên động c ơ này không có khả năng cố định về phương diện từ ở bên trong của rô to khi ng ắt điện cuộn dây stato. Trên hình 16.14b trình bày động cơ bước 2 cực một pha, đây là loại động cơ có cấu tạo đơn giản, bộ phận chuyển mạch cũng đơn giản, nó thường được sử dụng trong trường hợp không yêu cầu mô men lớn và t ốc đ ộ nhanh. Thường rô to chỉ quay theo một chiều nhất định. Để tạo ra mô men khởi động , rô to thường chế tạo không đối xứng và có dạng hình khóa. Khi cuộn dây điều khiển 1 chưa có xung điều khiển thì rô to 2 đ ược c ố đ ịnh v ị trí nhờ nam châm vĩnh cửu 3. Nếu đưa xung điện vào cuộn điều khi ển 1 thì rô to sẽ quay theo chiều mũi tên. khi rô to quay được 90 0 thì ngắt điện cuộn điều khiển, lúc đó rô to vẫn tiếp tục quay do quán tính, cho đ ến khi g ặp các c ực t ừ của nam châm vĩnh cửu N- S thì rô to được cố định lại. 16.5.3 Nguyên lý hoạt động Hiện nay đa số các động cơ bước là động cơ đồng bộ m ột pha hoặc nhiều pha. Khác với động cơ đồng bộ thông thường là rô to của nó không có cuôn dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số. Rô to của động cơ bước có thể được kích từ (rô to tích cực) hoặc không đ ược kích từ (rô to thụ động). Trên hình 16.8a là sơ đồ động c ơ bước m pha v ới rô to có 2 cực và là rô to thụ động. 1 1 1 m 2 m 2 m 2 3 3 3 4 4 4 a) b) c) Hình 16.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ bước không kích thích được điều khiển bằng xung đơn cực 253
  18. Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có th ể là xung đ ơn c ực (hình 16.9a) hay lưỡng cực (hình 16.9b). Khi cung cấp cho stato một xung đơn cực, điện áp sẽ biến đổi từ 0 đến +U, còn khi cung cấp xung lưỡng cực thì điện áp biến đổi từ-U đến +U. Bộ chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theo từng cuộn đơn lẻ hoặc theo từng nhóm các cu ộn dây. Giá trị và chiều của stđ tổng F của động cơ và vị trí của rô to trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. Ví dụ nếu các cuộn dây của hình 16.8a được cung cấp theo từng cuộn đơn lẻ theo trình tự 1,2,3..m bằng xung một cực, thì rô to của động cơ sẽ có m vị trí ổn định trùng với trục các cuộn dây. a) b) t t Hình 16.9 Xung điều khiển động cơ bước a)Đơn cực, b)Lưỡng cực Trong thực tế để tăng cường stđ tổng của stato và nhằm làm tăng từ thông và mô men đồng bộ, người ta thường cung cấp đồng thời cho 2 , 3 hoặc nhiều cuộn dây . Lúc đó rô to của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng trùng với vị trí stđ tổng F. Trên hình 16.8b vẽ stđ tổng F khi cung cấp đồng thời cho s ố ch ẵn cu ộn dây (trên hình vẽ là 2 cuộn dây được cung cấp điện đồng thời). Trên hình 16.8c là khi cung cấp đồng thời cho số lẻ cuộn dây (3 cuộn), trong cả 2 trường hợp rô to của động cơ bước có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa 2 vị trí liên tiếp của rô to bằng 2π/m. Nếu cung cấp theo thứ tự số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây ví dụ 12 – 2 – 23 - 3-...m thì số vị trí cân bằng của rô to sẽ gấp đôi là 2m. Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn thay đổi (ví dụ điều khiển theo trình tự chẵn, lẻ-chẵn..) được gọi là điều khiển không đối xứng, thì số lượng bước quay của rô to trong khoảng 0 - 3600 là: K=m.n1n2.p Trong đó p-là số đôi cực; m-số cuộn dây điều khiển trên stato, n 1, n2-là hệ số điều khiển, cụ thể nếu n1=1 là điều khiển đối xứng, n1=2 điều khiển không đối xứng, n2= 1 điều khiển bằng xung một cực, n 2=2 điều khiển bằng xung lưỡng cực. Bước quay của rô to trong không gian α =3600/K 254
  19. 16.5.4 Mô men đồng bộ và trạng thái ổn định tĩnh của động cơ bước. Công thức mô men đồng bộ của động cơ bước khác với mô men đồng bộ của động cơ đồng bộ thường vì động cơ bước được cung cấp bởi đi ện áp một chiều chứ không phải điện áp xoay chiều.. Với động cơ xoay chiều thì khi biên độ và tần số điện áp không đổi thì từ thông ở chế độ ổn định cũng có giá trị không đổi do đó: U1=E2 = 4,44fWφ = const Nếu từ dẫn thay đổi thì sẽ làm dòng từ hoá thay đổi Trong động cơ cung cấp bởi dòng điện một chiều, dòng điện trong các cuộn dây stato là hằng số: U I= R =const s Nếu từ dẫn trên đường khép kín từ thông thay đổi sẽ làm cho từ thông thay đổi trong một phạm vi rộng : IW φ = R = var M Mô men đồng bộ tĩnh của động cơ bước khi stato và rô to có răng và kích từ có thể viết dưới dạng tổng của 3 mô men quay: 1 dL s 1 dL R dL sR M(θ)=MS+MR+MSR = pI s + pI R + pI s I R ; (16.8) 2 dθ 2 dθ dθ Trong đó IS, IR ,LS(θ),LR(θ)LSR(θ) là các giá trị xác lập của dòng stato, rô to, tự cảm, hỗ cảm của stato, rô to , p-số đôi cực. Mô men MS-được hình thành do sự thay đổi từ dẫn của khe hở không khí trên đường đi của từ thông stato do dòng Is sinh ra Mô men MR-được hình thành do sự thay đổi từ dẫn trên đường đi c ủa t ừ thông rôto do dòng IR sinh ra Mô men MSR-được hình thành do sự thay đổi hỗ cảm giữa stato và rô to do dòng Is và IR sinh ra. Trong trường hợp stato hoặc rô to không được kích thích (IS=0 hoặc IR=0) thì biểu thức mô men sẽ đơn giản hơn (ví dụ I R=0 thì MR=0 lúc này biểu thức 1 dL mô men có dạng: pI s s ) 2 dθ Quan hệ giữa các mô men thành phần MS, MR, MSR với góc quay θ là góc giữa từ trường tổng và trục rô to được xác định bởi quan hệ giữa L S, LR, LSR với góc quay θ. Các quan hệ này thường là không hình sin do ảnh h ưởng của cấu trúc răng và cấu trúc cực lồi của stato và ro to, có th ể bi ểu di ễn chúng dưới dạng Fourier, vì vậy các mô men MS, MR, MSR và ngay cả mô men tổng cũng không phải là hàm hìn sin theo góc quay θ. Chúng cũng có thể biểu diễn bởi một tổng của các sóng điều hoà. Trên hình 16.10 biểu diễn đường cong mô men tổng M=f(θ) (đường nét liền) và các sóng điều hoà của nó (đường nét đứt) 255
  20. Chất lượng của động cơ bước được đánh giá bằng độ dốc của đường cong mô men đồng bộ M=f( θ), đặc biệt là ở đầu của vùng làm việc ổn định của đường cong này. Độ cong của M=f( θ) càng lớn thì đạo hàm của nó (dM/dθ) càng lớn và khả năng giữ đồng bộ của động cơ càng lớn. S ự có mặt của yên ngựa trên đường cong M=f( θ) là bất lợi vì ở một giá trị mô men tải nào đó sẽ có 2 vị trí làm việc ổn định (M=M c) ví dụ điểm 1, 2 trên hình 16.10. Ở động cơ bước stđ của stato chuyển dịch theo vòng tròn của khe hở không khí giữa stato và rô to không liên tục mà là đ ột bi ến, đi ều đó gây nên m ột lo ạt những đặc điểm riêng của động cơ bước. Trên hình 16.11 vẽ đặc tính c ơ tĩnh của động cơ bước trước và sau khi chuyển mạch cuộn dây. Trước khi chuyển mạch giả thiết rằng rô ro của động cơ đang mang một mô men c ản M C , ứng với góc θ1. Sau khi chuyển mạch các cuộn dây stato thì stđ stato chuy ển dịch một cách đột biến một M M M M M1 M1 1 2 M1 1 2 M2 M2 M3 M3 Hình 16.10 Đường cong M=f(θ) của một số động cơ bước bước quay α. Nếu bỏ qua quá trình quá độ trong mạch điện stato và coi rằng dòng điện trong cuộn dây stato đạt đến giá trị xác lập một cách tức th ời thì đường cong của mô men đồng bộ tĩnh cũng chuy ển dịch một cách tức th ời đi một góc α. M M2 M M1 M1 Mđm θ1 θ θ1 θ α 0 π α 0 π θ2 θ2 -M -M a) b) 16.11 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ bước: M1-Trước khi chuyển mạch các cuộn 256 M2-sau khi chuyển mạch các cuộn dây dây;

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản