Giáo Trình Máy Điện Trong Điều Khiển Tự Động

Giáo Trình máy điện trong Điều Khiển Tự Động

Máy Điện Tài liệu tham khảo : 1. Máy điện nhỏ (Trần Tuấn) 2.Giáo trình máy điện 2 tập (4 tác giả) 3. Máy điện cho thiết bị tự động Ôn tập * MBA là một thiết bị điện từ gồm một lõi sắt và hai cuộn dây có số vòng dây lần lượt là 1 w , 2 w khác nhau . Khi có dòng điện xoay chiều vào cuộn sơ cấp thì xuất hiện một dòng điện 1 i . Dòng này sinh ra từ thông biến thiên trong lõi thép .Từ thông này móc vòng sinh ra sđđ cảm ứng. Sđđ này sinh ra dòng điện ở cuộn thứ cấp (nếu mạch điện khép kín) - Sức điện động là : lực đẩy điện động chuyển động trong mạch điện ( theo quán tính ) - Sức từ động là : lực đẩy từ động chuyển động trong mạch từ - Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ 3 pha : i 1 U 1 i 2 U 2 Z  Sơ đồ thay thế MBA : r 1 x 1 r' 2 x'2 r m x m I 1 -I' 2 I 0 U1 U'2 Phương trình điện áp của MBA : . U 1 = -( . E 1 ) + . I 1 .Z 1 Z 1 = r 1 + j x 1 x 1 = ω 1 × L 1 = 2 × Π × f 1 × L 1 . U 2 ’= . E 2 ’ + . I 2 ’ × Z 2 Z 2 ’ = k 2 × Z 2 K = 2 1 W W = 2 1 u u . I 1 = . I 0 + (- . I 2 ’) . E = . E 2 ’ = . I 0 ’ × Z m Với Z m = r m + j x m 1 R m là điện trở đặc trưng cho tổn hao của lõi sắt khi có từ thông đi qua ( không đo được bằng Ω m ) dòng điện cảm ứng được sinh ra do từ thông Φ 2 nó luôn có xu hướng chống lại từ thông sinh ra nó . * Động cơ không đồng bộ 3 pha: Cho điện áp xoay chiều vào stato tạo ra từ thông quay tròn với n1 = p f.60 . Φ tạo ra sđđ E 1 , E 2 ( roto) trong dây quấn roto Do dây quấn rôto luôn được khép kín → trong dây quấn roto xuất hiện dòng điện I 2 Theo định luật lực điện từ thì thanh dẫn roto mang điện nằm trong từ trường xuất hiện lực điện từ → tạo ra momen quay → tạo nên tốc độ roto là n ≠ n 1 ( tốc độ từ trường ) . Nếu n = n 1 thì không tạo nên chuyển động tương đối → không có từ thông roto cảm ứng nên E 2 → 0 → không có I 2 n 2 = n 1 - n s = 1 2 n n = 1 1 n nn − s : là tốc độ tương đối của roto với từ trường quay 0 < s < 1 0< n < n1 Khi n < 0 ( roto quay ngược chiều từ trường ) Chế độ hàm điện từ : MĐ lấy điện năng từ lưới làm cho roto quay ngược chiều từ trường → chuyển động hãm điện từ , máy điện lấy điện năng từ lưới , lấy cơ năng quay ngược chiều từ trường (1-s 1 ).r ' R /s 1 I 0 -I' 2A1 I A1 x mA r mA x' RA r' RA x SA r SA K = 2 1 w w Z 2 ’ = k e × k i × Z 2 r 2 = k e × k i × .r 2 x 2 = k e × k i × x 2 Dây quấn MĐ quay không quấn tập trung trong rãnh → sđđ cảm ứng < sđđ MBA kc = 2 1 W W . 2 1 kdq kdq k dq = k r × k n k r : krải k n : kngắn k i = 222 111 kdqWm kdqWm ×× ×× Số pha dây quấn lồng sóc bằng số thanh trong rãnh roto Sơ đồ thay thế khác là: 2 r 1 x 1 r 1 x 1 r' 2 x' 2 r m x m I 1 -I 2 I 0 (1-s).r '2 /s Sơ đồ này thuận tiện hơn : khi I tải thay đổi thì chỉ có I 2 thay đổi → I 1 thay đổi tương ứng Còn sơ đồ trên I tải thay đổi → ( I 0 , I 2 ) thay đổi → I 1 thay đổi 1 . U = -( 1 E  ) + × 1 I  r 1 + j × × 1 . I x 1 x 1 = 2 × Π × f 1 × L 1 = . E 2 ’ - I 2 ’. r 2 ’ - j . I 2 ’. x 2 ’ – I 2 ’ . ( s s−1 . r 2 ) I 1 = oI . + (- 2 . I ’) x 2 ’ = ke. Ki . x 2 x 2 = 2. Π . f f 2 = s . f 1 E 1 = E 2 ’ = - ( I o ). Z m Mômen điện từ M = C m . Φ stato . I roto . cos Ψ Ψ = arg ( E roto , I roto ) đây là biểu thức nguyên lý : C m ∈ kết cấu .( 3fa , 1fa , … ) I roto ≠ 0 → mạch r oto khép kín Mạch roto thường có tính trở Thường cos Ψ = 1 cos Ψ < 0 → mômen sinh ra < 0 → động cơ là động cơ không đồng bộ .Động cơ quay ngược lại đảo chiều quay động cơ bằng cách đảo chiều Stato ⇔ tác động vào đầu vào tăng M = ])()[(2 . 2 21 2 ' 2 11 ' 2 2 1 xx s r rf srUp +++××Π× ××× p = const ( số đối cực ) Unguồn = const F = const → U1 = const ⇒ M = f ( s ) M = f ( n ) ⇒ Ta có đặc tính cơ: M s HãmĐC   3 Tại s =1 ( n = 0 ) cho Momen . Điểm kởi động ( mở máy) Mômen đó là Mômen máy Tại Mmax ⇒ có hệ số trượt tới hạn M s M max M mm M t ? i M dm 1 (n=0) s max s dm 0 Khi mở máy có Mmm , Mtăng dần đến Mmax rồi giảm dần đến khi Mômen khởi động bằng Mômen tải thì động cơ hoạt động ổn định    < = %30sm mvaiphantrasdm ⇒ động cơ thông thường Mmax = Xf U , 2 1 Mmm = Xf RU roto , , 2 1 Sm = ' 21 ' 2 xx r + Mmax không phụ thuộc vào điện trở của roto. Khi tăng R của roto lên thì sm tăng .Biểu diễn ở đồ thị màu đỏ §3.MÁY ĐỒNG BỘ Cấu tạo : gồm hai phần : - Tĩnh ( phần cảm ) là phần tạo nên từ trường tĩnh bằng hai cách ⇒ kích thích điện từ : cuộn dây + lõi sắt . Thuộc loại kính thích từ điện : NCVC - Quay (ứng) : lõi sắt + dây quán Máy phát điện đồng bộ : cho điện một chiều vào kích từ → kichtu Φ không đổi : dùng động cơ sơ cấp quay phần ứng . Theo định luật cảm ứng điện từ trong dây quấn phần ứng tạo ra SĐĐ thanh dẫn chuyển động liên tục , lúc thì cực S , N → sđđ xoay chiều máy phát điện ba pha xoay chiều , tạo ra từ trường quay với n 1 = p f.60 Roto ( phần ứng ) điện cơ quay với tốc độ n → Eư có tần số f = 60 .np → n = n 1 Máy điện này luôn có n = n 1 * Động cơ đồng bộ : gồm MFĐ ĐB : phải có kích thích , đặt U xoay chiều vào dây quấn phần ứng → tạo Ifần ứng → tạo từ trường phần ứng Φ ư tương tác với Φ kích thích ⇒ tạo nên lực từ → tạo mômen điện từ làm roto quay với n = n 1 Fần cảm trên roto 4 Fần ứng trên stato ⇒ Kết cấu của máy điện nhỏ - Mạch điện từ Mđt ( đồng bộ ) = θ ω sin . . 1 011 d x EUm + )2sin() 11 ( 2 2 1 θ dq xx Um + 1 .2 f×Π×= ω Eo : là sđđ lúc máy không tải Xq , xd : điện kháng đồng bộ ngang trục ,dọc trục θ : là góc giữa Eo , U1 .hoặc là góc giữa trục từ trường kích thích và trục từ trường phần ứng ( θ t , θ δ ) - Cấu tạo Có hai loại MĐ : - Cực ẩn : nhìn vào không thấy được dây quân - Cực lồi : nhìn thấy ngay hình rãnh. Trên mặt cực có rãnh , ở rãnh đặt , dây quấn lồng sóc MĐ cực ẩn : từ trường đi theo dọc trục cực từ MĐĐB có một loại máy không kích thích : không cần kích từ , nam châm vĩnh cửu MĐ cực lồi xd = xq = xđb MĐ cực ẩn xd ≠ xq §4 MÁY CÓ VÀNH GÓP ( TỰ ĐỌC ) Những máy điện có P( vài trăm w → gọi là máu điện nhỏ ) 5 PHẦN 1: MÁY ĐIỆN NHỎ §1. CÔNG DỤNG CUẢ MÁY ĐIỆN NHỎ 1. Dẫn động quay các động cơ 2. Thực hiện việc điều chỉnh kiểm tra từ xa 3. Thực hiện các biến đổi không tương đương VD: Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu cơ và ngược lại . Biến đổi lượng giác ,thực hiện biến đổi toạ độ , biến đổi tần số , biến đổi điện áp , biến đổi dạng sóng Thiết bị điện từ : bền Thiết bị điện tử : không bền bằng thiết bị điện từ VD : n = θω = ( góc xung roto ) dt d θ ω = U = C’ . dt d θ → Tín hiệu đầu vào là góc xoay roto Tín hiệu đầu ra là một hàm của góc xoay roto : θ Phần một : cầu Tín hiệu được đưa vào một bộ biến đổi ( tần số hoặc dạng sóng ) sau đó được đưa vào khuếch đại và tiếp tục được đưa vào động cơ chấp hành ( ĐCCH ) rồi qua một cơ cấu để giảm tốc độ xung Có hai cơ cấu phản hôì : phản hồi tốc độ : tín hiệu sau động cơ chấp hành với bộ giảm tốc qua khâu ứng để biến đổi để điện trở Vị trí I : cầu cân ( thực hiện chưa biến đổi thành hệ thống nằm yên đưa vị trí con trượt từ I → II → cầu mất cân bằng → xuất hiện tín hiệu điện áp → BĐ làm cho Đ chấp hành xoay qua CH làm dịch vị trí R2 Hệ thống ổn định ở một ngưỡng điện áp khác Đối với mạch xoay chiều : nếu dùng hệ thống này với MĐN thì cầu này được coi là xen xin , biến áp xoay chiều Bộ biến đổi , khuếch đại dùng khuếch đại từ ĐCCH : là động cơ chấp hành xoay chiều Cơ cấu phản hồi được gọi là tathometa : Máy phát tốc độ xoay chiều Mạch một chiều : từ một chiều thành xoay chiều để dễ dàng khuếch đại nó lên cơ cấu phản hồi là máy phất tốc độ một chiều §2. Phân loại Theo 2 kiểu :  Theo nguyên lý làm việc : Máy biến áp , máy không đồng bộ , máy đồng bộ có vành góp  Theo chức năng : a. máy điện nhỏ dân dụng b. máy điện nhỏ điều khiển a. Phân loại theo dân dụng 6 Vạn năng : chạy được cả một chiều lẫn xoay chiều b. Phân loại theo chức năng Động lực : quay cơ cấu Biến áp xoay : đo góc xoay §3. CÁC YÊU CẦU KINH TẾ KỸ THUẬT 1) Loại một : không phụ thuộc vào chức năng và nguyên lý làm việc , kết cấu Nói cấu tạo của động cơ chấp hành và máy phát tốc độ một chiều a) Dùng cho máy thông dụng : chỉ tiêu năng lượng : ϕη cos, phải cao - Làm việc lâu dài - Cấu tạo đơn giản , dễ vận hành , sửa chữa , giá thành hạ a) Dùng cho máy điều khiển : - Độ chính xác cao ( độ chính xác về tín hiệu diều khiển ) - Đặc tính ra ổn định - Tác động nhanh - Độ tin cậy cao 2) Loại 2 : phụ thuộc vào lĩnh vực và điều kiện sử dụng - Kích thước trọng lượng nhỏ - Ổn định và bền với các tải trọng rung và đập - Độ bền cao với các điều kiện khí hậu ( phóng xạ ) - Chống nổ : công nghiệp dầu khí , hầm mỏ . - Ít tạo khí 7 §4. CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA MÁY NHỎ A. Giống các máy lớn về nguyên lý cơ bản B. Khác biệt với máy điện lớn 1. Yêu cầu rất cao về công nghệ và vật liệu , độ dung sai cho phép rất nhỏ 2. Điện trở R rất lớn so với điện kháng X 3. Công suất từ hoá và dòng không tải Io lớn Máy có P = 100 MVA = 100 000 KVA = 109 VA 1VA có khe hở δ = 0,3 mm = 0,03 cm → Khe hở trong máy lớn → I 0 lớn → Q từ hoá lớn 4. Chế độ làm việc của mạch từ là không bão hoà 8 PHẦN 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY HAI PHA CHƯƠNG I : TỪ TRƯỜNG TRONG MÁY XOAY CHIỀU § 1.1 VẤN ĐỀ CHUNG Đưa i vào cuộn dây → tạo nên F → từ trường tuỳ theo kết cấu dây quấn lõi sắt. Từ trường có các dạng : Từ trường đập mạch : do dây quấn 1 pha tạo nên Fđm = F1m . sin αω cos. α : góc xác định vị trí trong không gian của điểm đang xét → Từ trường đập mạch là từ trường phân bố hình sin trong không gian biến đổi hình sin theo thời gian Có thể biểu diễn theo đồ thị không gian của khe hở trong không khí ( giữa roto và sato ) → từ trường đập mạch kiểu quả tim - Từ trường quay : xuất hiện với máy có số pha ≥ 2 có 2 loại : Loại tròn Loại quay elip  Quay tròn : Biểu thức toán học : Fq = Fqm.sin ( αω ±t ) dấu ( - ) : quay thuận chiều ( quay cùng chiều với roto ) dấu (+) : quay ngược chiều ( quay ngược với roto ) Phương trình sóng chạy : Biểu diễn theo không gian Tại t1 : phân bố hình sin theo thời gian Tại t2 : từ biểu đồ trên ⇒ đây là sóng chạy 11 2 f πω = , n = p f.60 Sóng thuận quay cùng tốc độ với từ trường n1 Sóng ngược quay ngược chiều với từ trường n1 § 1-2 TỪ TRƯỜNG TRÒN Từ trường tròn dễ dàng nghiên cứu chỉ cần viết phương trình cho 1 pha cho hiệu suất cao 1) Máy 3 pha : có hai điều kiện để có từ trường tròn a. Kết cấu máy đối xứng : + Có dây quấn 3 pha giống nhau WA . kqA = WB . kdqB = WC . kdqC Số vòng dây hiệu dụng và có ích của 3 pha là như nhau + Lệch pha trong không gian là 120˚ độ điện Độ điện là góc độ về mặt từ trường . Góc lệch pha trong từ trường Biểu thức góc độ điện : z hinhhoc 0 360 = α z p dien 360. = α b. Nguồn đối xứng Điện áp các pha trị số bằng : UA = UB = UC IA = IB = IC Góc lệch pha về thời gian là : 3 .2 π 9 2) Máy 2 pha a. Kết cấu máy là đối xứng dây quấn 2 pha là như nhau : UA = UB góc lệch pha là : 2 π ( giữa I và điện áp ) b. Nguồn đối xứng §1-3.QUAN HỆ GIỮA CÁC LOẠI TỪ TRƯỜNG 1. Từ trường đập mạch - Có thể phân tích thành tổng 2 từ trường quay tròn ( thuận và nghịch ) : quay cùng tốc độ - Từ trường đập mạch có thể chia thành 2 phần : Từ trường quay tròn thuận nghịch có cùng tốc độ quay Biên độ 2 từ trường này bằng nhau và bằng biên độ từ trường đập mạch Fđm = t F . + n F . t F . = n F . = 2 1 dm F . 2. Từ trường quay tròn bằng tổng 2 từ trường đập mạch 2 từ trường này lệch pha trong không gian là 2 π Chậm pha nhau về thời gian là 2 π 3. Từ trườg quay elip Phân tích thành tổng 2 từ trường quay thuận và nghịch có biên độ khác nhau Fe F 1 F 2 = + -w 2 w 1 §1-4 MẠCH KHÔNG ĐỐI XỨNG HAI PHA - Không đối xứng về kết cấu dây quấn WA . kdqA ≠ WB . kdqB + Góc lệch không gian 2 π θ ≠ - Không đối xứng về nguồn : UA ≠ UB Góc lệch pha thời gian là 2 π β ≠ Véctơ sức từ động do I đi vào các dây quấn tạo ra 1. Phân tích sức từ động đập mạch bằng tổng 2 từ trường thuận và nghịch 2 1 . A A A FFF += Với == . . 21 AA FF 2 A F 2 . 1 BBB FFF += 10 [...]... lại cắt nhau Đặc tính điều chỉnh: m = 0 thì nó xuất phát từ gốc toạ độ Còn các đường khác là có m ≠ 0 Thực tế không có m = 0 Tại điểm A tốc độ ν = 0 : điện áp điều khiển khác 0 Khi α e > α e tới hạn thì động cơ bắt đầu làm việc Nghĩa là U > Uđktớihạn b Điều khiển pha: - Là điều khiển góc lệch pha giữa dòng điện kích thích và dòng điện điều khiển hoặc giữa điện áp điều khiển và điện áp kích thích M2pha... dây → R của cuộn dây ↑ Cuộn khởi động làm việc trong thời gian ngắn nên cho phép nó làm việc với mật độ dòng lớn một số động cơ tăng R = cách quấn chập đôi dây → ↓ điện kháng → ↑ điện trở  Thường gặp trong thực tế là các loại tủ lạnh Hitachi 2) Động cơ mở máy = tụ điện Quá trình làm việc ( mở máy ) lâu dài giống động cơ ở trên nhưng khác là động cơ này cho momen mở máy lớn K LV C mm Tụ C thường được... vòng dây của quận điều khiển hoặc kích thích bị ngắn mạch thì hiện tượng giống như trên ⇒ sinh ra 1 momen ( không có tín hiệu điều khiển , mới có điện áp kích thích ⇒ động cơ tự quay + Các cuộn dây đặt không phải lệch pha 90° điện Khi có Ukt cuộn điều khiển cũng có sức điện động ⇒ tạo nên hiện tượng tự chạy ( momen quay) B Khắc phục : nâng cao trình độ tay nghề CHƯƠNG 7 : ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH 1 CHIỀU... - Điều chỉnh kích thích độc lập → Về mặt kích từ có 2 loại: • Từ điện NCVC • Điện từ : cuộn dây + cực từ 32 Cấu tạo giống các loại động cơ 1 chiều công suất nhỏ Loại hiện nay thông dụng nhất là động cơ rôto rỗng không dẫn từ hoặc động cơ roto đĩa mạch in 2 Cách điều khiển: M = CM × Φ t × I u M ≡ Φt × Iu Thay đổi Φ t : gọi là điều khiển cực Thay đổi I u : gọi là điều khiển phần ứng Ưu điểm : giống động. .. Đặc tính tuyến tính Với động cơ KĐB để giảm vùng không nhạy ta giảm Mqt của động cơ §7.3 ĐIỀU KHIỂN CỰC Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ trường cực từ 33 Điện áp đặt vào chỗ nào cố định thì gọi là U kích thích Điện áp đặt vào chỗ nào thay đổi thì gọi là U điều khiển M ≡ Φt × Iu Phương trình mômen: Với điểm cực M ≡ Idk × Ikt Thay đổi Uđk → Idk → dòng kích từ ( dòng điện phần ứng là dòng... chỉ vài phút là bị hỏng máy do r u nhỏ → I lớn Nên muốn động cơ hoạt động được thì ta phải tăng ru lên = cách mắc thêm vào một cuộn dây 26 It UAC Iu U= Động cơ này phổ biến trong sinh hoạt : máy bơm , máy xay sinh tố… Máy khoan tay : n 0 M↑→ n↓ M↓→n↑ M = 0 thì tốc độ = ∞ Máy này không cho phép làm việc ở chế độ không tải Được sử dụng cho động cơ : như tàu điện , tàu hoả… M §5.3 ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU KHÔNG... điểm : đều có momen mở máy  Nhược : Mạch có R thì tăng tổn hao Mạch có L làm cosϕ thấp đi → momen sinh ra là nhỏ Thực tế không dùng phương pháp mở máy = L , chỉ dùng phương pháp mở máy = R  Dùng C thì cosϕ của máy tốt hơn → momen mở máy là max Do đó thực tế dùng phần tử dịch pha là C nhiều §3.3 CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ MỘT PHA 1) Động cơ mở máy điện trở :  Điều kiện có từ trường tròn ở máy 2 fa : WA kdqA... tác động của các xung điện áp thì Rôto của ĐC bước sẽ xoay đi 1 góc gọi là bước và kí hiệu là α Công thức tính: 360° α= K Trong đó: K = m × n 1 × n 2 với m là số tia n 1 là hệ số phụ thuộc vào loại xung n 2 là hệ số phụ thuộc cách điều khiển xung ví dụ : có 4 tia m = 4 Có rất nhiều kiểu cấu tạo và nguyên lý điều khiển động cơ bước Được dùng nhiều trong robot §8.2 ĐỘNG CƠ BƯỚC ROTO TÁC DỤNG ( động. .. ↑ → n ≈ nđm mở K → động cơ từ 2 fa trở thành động cơ 1 fa đã khởi động → tiếp tục làm việc đến khi Mđc = Mcản Cách làm việc của động cơ : khi đóng điện vào động cơ thì M đc ↑ = Mc → nđc ↑ = nđm → khoá K mở → động cơ trở thành động cơ 1 fa Qmm = 1/3Q Qlv = 2/3 Q M a Mm A (A+B) Mk Mdm 0 sk 0,5 1 s Khoá K có thể là rơle  Thực tế người ta không mắc điện trở vào giống sơ đồ 1 mà tăng điện trở = cách giảm... lúc mở máy Ưu điểm : M mở máy lớn Tụ dễ cháy → tốn tiền 3) Động cơ có tụ mở máy và tụ làm việc  Khi khởi động ta đóng khoá k → Ta có Ckđ : Ckđ = C1 + C2 18 U L I A Cl Ck IA IB B Khi n = 0 → Mkđ max Khi tốc độ ổn định → K mở , động cơ tiếp tục làm việc với 2 dây quấn (động cơ 2 fa ) với tụ C2 C2 gọi là tụ làm việc Tụ C2 ứng với từ trường tròn Khi n = nđm → M = Mđm Chú ý : φ tròn trong máy điện 2 fa . E 2 ( roto) trong dây quấn roto Do dây quấn rôto luôn được khép kín → trong dây quấn roto xuất hiện dòng điện I 2 Theo định luật lực điện từ thì thanh dẫn roto mang điện nằm trong từ trường. như nhau + Lệch pha trong không gian là 120˚ độ điện Độ điện là góc độ về mặt từ trường . Góc lệch pha trong từ trường Biểu thức góc độ điện : z hinhhoc 0 360 = α z p dien 360. = α b. Nguồn. cm → Khe hở trong máy lớn → I 0 lớn → Q từ hoá lớn 4. Chế độ làm việc của mạch từ là không bão hoà 8 PHẦN 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY HAI PHA CHƯƠNG I : TỪ TRƯỜNG TRONG MÁY XOAY