Bài giảng lý thuyết biến đổi năng lượng điện cơ

Chia sẻ: Phan Thi Ngoc Giau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

70
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Máy điện DC nói chung tiện dùng nhờ điều khiển tốc độ đơn giản và có đặc tính cơ mô men-tốc độ rất linh hoạt. Dây quấn stator (cuộn kích từ) và dây quấn rotor (phần ứng) đều dùng nguồn DC.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng lý thuyết biến đổi năng lượng điện cơ

BÀI GIẢNG Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ TS. Hồ Phạm Huy Ánh TS. Nguyễn Quang Nam March 2010 http://www4.hcmut.edu.vn/~hphanh/teach.html Lecture 10 1
Máy Điện DC – Giới thiệu chung Máy điện DC nói chung tiện dùng nhờ điều khiển tốc độ đơn giản và có đặc tính cơ mô men-tốc độ rất linh hoạt. Dây quấn stator (cuộn kích từ) và dây quấn rotor (phần ứng) đều dùng nguồn DC. Tuy vậy với cùng thông số công suất, máy điện DC vẫn mắc hơn máy điện AC. Hiện nay với nhiều máy điện DC công suất nhỏ, cuộn kích từ cồng kềnh đã được thay bằng lõi từ thường trực. Cuộn kích từ stator hoặc lõi từ thường trực được dùng để tạo từ trường tĩnh, trong khi dòng cấp cho phần ứng rotor phải qua hệ thống chổi than cổ góp. Hệ thống chổi than cổ góp đóng vai trò như bộ chỉnh lưu bảo đảm từ trường rotor và stator luôn vuông góc nhau. Nhờ đó giúp mô men kéo đạt trị cực đại với gía trị dòng nhất định, đồng thời cho phép thuật toán điều khiển vận tốc khá đơn giản. Ngoài ra các động cơ vạn năng cho phép vận hành với cả điện AC và DC cũng được xem là máy điện DC do có cấu tạo thực chất là máy điện DC kích từ nối Lecture 10 2 tiếp.
Cấu tạo máy điện DC Mạch từ phần ứng được ghép từ nhiều lá thép mỏng với các Rãnh phần ứng rãnh để lồng dây quấn rotor. Các được đúc xiên đầu cuộn dây được đấu vào lá Chổi than đồng cổ góp theo kiểu quấn rãi Cổ góp hay quấn xếp tùy thiết kế. Lõi thép stator được đúc đặc Ổ đỡ do nhận dòng kích từ DC. Lỏi thép này được cố định theo võ máy. Lecture 10 3
Nguyên lý vận hành máy điện DC Khảo sát máy điện DC có cấu tạo đơn giản như hình minh họa bên phải. Cặp cực mạch từ tĩnh Mỗi đầu cuộn dây được đấu vào lá đồng cổ góp khác nhau. Khi hai cạnh dây quấn rotor đảo cực khi quay, lá đồng cổ góp tương ứng của chúng cũng đảo đầu ra chổi than. Nhờ đó dòng qua 2 cạnh dây quấn rotor cũng được đảo chiều, bảo đảm chiều mô men Chổi than Cổ góp Dây quấn rotor tác động lên cạnh dây quấn rotor như cũ, bất chấp cực tính mạch từ thay đổi. dLsr (θ ) Theo phương pháp đồng năng lượng, ta có: T (i r , i s , θ ) = i r i s e dθ Lecture 10 4
Xây dựng phương trình đặc trưng của máy điện DC Cấu trúc thực của máy điện DC có cổ góp gồm nhiều lá đồng nối với đầu cuối dây quấn rotor (xem Fig. 8.4 của GT). Hệ thống chổi than cổ góp hình thành trục từ trường phần ứng luôn vuông góc với trục từ trường của mạch kích stator Duy trì được độ lớn mô men tối đa với chiều ổn định. Biểu thức tính mô men cho thấy độ lớn mô men tỉ lệ với dòng rotor ia và dòng stator if: T e = Gia i f Ta xây dựng hệ phương trình động từ mạch tương đương của máy điện DC: _ La Ra di f + vf vf = Rf if + Lf + Rf if dt ia va Gωmif Lf dia + Gω m i f _ v a = R a i a + La dt Sức phản điện động (Back EMF) Lecture 10 5
Xây dựng phương trình đặc trưng của máy điện DC (tt) Khảo sát máy điện DC vận hành ở chế độ xác lập với điện áp và tốc độ không đổi, ta có các công thức biểu diễn công suất điện và cơ: Pa = Va I a = Ra I a + Gω m I a I f 2 Công suất điện từ (Armature power): Pf = V f I f = R f I 2 Công suất kích từ (Field power): f Pm = T eω m = GI a I f ω m Công suất cơ (Mechanical power): Có thể thấy với ĐC DC, công suất cơ chính bằng công suất điện từ trừ đi tổn hao phần ứng. Đồng thời có thể loại trừ tổn hao kích từ Pf bằng cách dùng lõi từ thường trực cho các máy điện DC công suất bé.. Thực tế, tùy cấu trúc máy điện DC sẽ cho ta nhiều cách kết nối khác nhau giữa cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng. Tựu trung ta qui về 3 cấu trúc chính của máy điện DC gồm: kích từ độc lập, kích từ nối tiếp, và kích từ song song. Lecture 10 6
Máy điện DC kích từ độc lập Dây quấn kích từ và dây quấn phần ứng được nuôi bởi 2 nguồn DC riêng rẽ. Thông thường cuộn kích từ được nối với nguồn nuôi không đổi công suất nhỏ để tạo từ trường từ trường không đổi. Vận tốc và mô men của động cơ DC được chỉnh định thông qua điện áp cấp cho phần ứng. Máy điện DC kích từ độc lập ở chế độ xác lập tuân thủ các quan hệ sau: Bω m = GI f I a − Tload Va = Ra I a + Gω m I f Quan hệ momen Từ đó Va − Gω m I f Va − Gω m I f theo tốc độ Ia = T = GI f e Ra Ra Từ đó ta có đặc tuyến tải mô men – tốc độ có dạng đường thẳng bậc nhất Va Ra Ra ωm = T e = ωm 0 − − Te GI f (GI f )2 (GI f )2 Lecture 10 7
Khảo sát đặc tính tải mô men – tốc độ của Động cơ DC Chế độ hãm (Brake) xãy ra khi công suất cấp cho máy điện DC cả ở phần ứng (Pa > 0) và cả ở trục quay (Pm < 0); ở chế độ này toàn bộ công suất sẽ tiêu tán dưới dạng nhiệt trên điện trỡ phần ứng Ra. Máy điện DC vận hành ở chế độ máy phát tương ứng với Pm < 0 và Pa < 0, với điều kiện ωm > Va/(GIf). Chế độ vận hành như động cơ khi Pa > 0 và Pm > 0 (xem Fig. 8.7 của Giáo Trình). Cho dPm/dωm = 0 và giải ra ωm, ta tìm Increasing Va ωm được tốc độ quay ở đó công suất máy điện DC KTĐL đạt cực đại là: Va2 Va ω mP = = max và Pm 4 Ra 2GI f Qua hình vẽ ta thấy có thể điều chỉnh mịn tốc độ động cơ DC KTĐL thông qua điều Te chỉnh điện áp phần ứng Va. Lecture 10 8
Máy điện DC kích từ nối tiếp Có kết cấu hai cuộn kích từ và cuộn phần ứng được mắc nối tiếp, cho ta mạch tương đương được biểu diễn như Hình vẽ:. La + Lf Ra + Rf v = (Ra + R f )i + (La + L f ) + Gω m i di + dt i v T e = Gi 2 Gωmi _ Quan hệ xác lập của Máy điện DC kích từ nối tiếp với nguồn hằng được xác định ωm bởi: V I= (Ra + R f ) + Gω m Tăng V V2 T =G e [(R ] + R f ) + Gω m 2 a Te Lecture 10 9
Động cơ điện DC vạn năng Các động cơ vạn năng thường có cấu trúc động cơ DC kích từ nối tiếp , sử dụng được cả nguồn nuôi AC lẫn DC. Khi vận hành với nguồn nuôi AC, lưu ý điện kháng X của các cuộn dây phải được xét đến. Các quan hệ xác lập của động cơ vạn năng được mô tả như sau: V I= (R + R f + Gω m ) + (La + L f )ω 2 2 2 a e GV 2 T = GI = e 2 (R + R f + Gω m ) + (La + L f ) ω e2 av 2 2 a Trong đó ωe là tần số điện lưới. Thực tế điện áp AC thường được hiệu chỉnh bằng mạch công suất dùng SCR IGBT hay triac để điều chỉnh giá trị hiệu dụng của dòng, qua đó cũng sẽ làm suy giảm mô men. Lecture 10 10
Máy điện DC kích từ song song Máy điện DC loại này có cuộn kích từ và cuộn phần ứng mắc song song, cho ta mạch tương đương như hình (đang vận hành ở chệ độ ĐC). La i di f Ra v = Rf if + Lf dt + ia dia Rf + Gω m i f v = R a i a + La dt v Gωmif T e = Gia i f if Lf _ Các quan hệ khi ĐC DC kích từ song song vận hành xác lập với áp nguồn không đổi v = V, R f − Gω m V − Gω m I f V If = T = GI a I f = GV Ia = e 2 R 2 Ra Rf Ra f Cách điều tốc hiệu quả nhất là hiệu chỉnh điện trỡ ngoài mắc trên cuộn kích từ. Lecture 10 11
Máy phát điện DC kích từ song song Khi được vận hành như một máy phát điện với tải tiêu thụ RL được kết nối ở ngõ ra phần ứng như hình, ta xây dựng được các quan hệ. La i di f Ra v = Rf if + Lf dt + ia Rf dia v = Gωmi f − Ra ia − La v dt Gωmif RL v = RL (ia − i f ) if Lf _ Các quan hệ khi MP DC kích từ song song vận hành xác lập với áp tải không đổi v = V, V = I f R f = Gω m I f − Ra I a = R L (I a − I f ) Lecture 10 12
Máy điện DC kích từ hổn hợp và cách khởi động Với máy điện DC kích từ hổn hợp, gồm cuộn kích từ nối tiếp với dây quấn phần ứng, và gồm cả cuộn kích từ mắc song song với phần ứng. Tổng cộng ta được 4 kiểu kết nối khi phối hợp 2 cuộn kích từ này. Lý do chính khi khai thác động cơDC kích từ hổn hợp là để giới hạn dòng phần ứng ở vùng tốc độ thấp (gồm cả dòng khởi động). Khi khởi động hay vận hành ở vùng tốc độ thấp, thường sức phản điện động EMF nhỏ hơn nhiều so với áp nguồn nuôi, do đó dễ bị quá dòng do chỉ có điện trỡ phần ứng tham gia hạn chế. Có thể khắc phục bằng cách thêm điện trỡ mắc ngoài phần ứng với giá phải trả là năng lượng tiêu hao trên điện áp này. Một cách hiệu quả hơn khi khởi động động cơ DC là dùng các bộ converters công suất để hiệu chỉnh điện áp trung bình cấp cho phần ứng, thông qua kĩ thuật điều rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM). Lecture 10 13
Khảo sát động cơ cảm ứng một pha Có kết cấu dây quấn stator gồm 2 cuộn đặt lệch nhau 900 trong không gian để tạo từ trường quay khi cấp dòng 2 pha lệch nhau 90o trong miền thời gian cho chúng. Thông thường ta tạo dòng 2 pha lệch nhau 90o trong miền thời gian từ nguồn xoay chiều 1 pha, khi đó động cơ cảm ứng một pha có thể vận hành. Đơn giản hơn ta chỉ cần thêm cuộn kích từ mồi, kéo động cơ cảm ứng một pha khởi động theo chiều tùy ý, mà không cần mô men khởi động. Trong thực tế, cuộn phụ thường được thiết kế thêm vào động cơ cảm ứng một pha, và nhiều phương pháp được đề xuất tạo mô men khởi động hoặc để duy trì hệ thống dòng 2 pha lệch nhau 90o cần thiết. Các sơ đồ thông dụng hiện nay dành cho động cơ cảm ứng một pha bao gồm: Kiểu cuộn phụ riêng lẽ; Kiểu cuộn phụ thêm tụ khởi động; Kiểu cuộn phụ thêm tụ thường trực; Kiểu cuộn phụ phối hợp tụ thường trực & khởi động; Kiểu cuộn phụ khởi động phối hợp tụ thường trực. Lecture 10 14
Khảo sát cấu tạo thực của động cơ cảm ứng một pha Lecture 10 15
Các kiểu động cơ cảm ứng một pha Kiểu cuộn phụ dùng tụ khởi động Kiểu cuộn phụ dùng tụ thường trực Kiểu cuộn phụ riêng lẽ Kiểu cuộn phụ khởi động Kiểu cuộn phụ dùng tụ phối hợp tụ thường trực thường trực & khởi động Lecture 10 16
Các Bài Tập Các BT sẽ đươc hướng dẫn trên lớp. Lecture 10 17