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

điện i Dòng này sinh ra từ thông biến thiên trong lõi thép Từ thông này móc vòng 1

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 = I. 0 + (-I. 2’)

E = . E. 2’ = I. 0’× Zm Với Zm = rm + j xm

Rm là điện trở đặc trưng cho tổn hao của lõi sắt khi có từ thông đi qua ( không đo được bằng Ωm ) dòng điện cảm ứng được sinh ra do từ thông Φ2 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

E1 , E2 ( roto) trong dây quấn roto

Do dây quấn rôto luôn được khép kín → trong dây quấn roto xuất hiện dòng điện I2

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 ≠ n1 ( tốc độ từ trường ) Nếu

n = n1 thì không tạo nên chuyển động tương đối → không có từ thông roto cảm ứng nên

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

1 1 1

kdq W m

kdq W m

Mômen điện từ M = Cm .Φstato Iroto cosΨ

Ψ= arg ( Eroto , Iroto )

đây là biểu thức nguyên lý : Cm∈ kết cấu ( 3fa , 1fa , … )

Iroto ≠ 0 → mạch roto khép kín

Mạch roto thường có tính trở

Thường cosΨ = 1

cosΨ < 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 2 1 2

' 2 1 1

' 2

2 1

x x s

r r f

s r U p

+++

×

×Π

ĐC

 

Tại s =1 ( n = 0 ) cho Momen Điểm kởi động ( mở máy) Mômen đó là Mômen máyTại Mmax ⇒ có hệ số trượt tới hạn

sm

m vaiphantra sdm

' 2

x x

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 → Φkichtu 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 n1 =

p

f

60Roto ( phần ứng ) điện cơ quay với tốc độ n

→ Eư có tần số f =

60

.n

p → n = n1

Máy điện này luôn có n = n1

* 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 Φư tương tác với Φkích thích ⇒

tạo nên lực từ → tạo mômen điện từ làm roto quay với n = n1

Fần cảm trên roto

x

E U m

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 )

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

→ 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

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 : η,cosϕ 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

§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 → I0 lớn → Q từ hoá lớn

4 Chế độ làm việc của mạch từ là không bão hoà

PHẦN 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY HAI PHA

CHƯƠNG I : TỪ TRƯỜNG TRONG MÁY XOAY CHIỀU

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 (ω ±t α )

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

ω =1 2.π.f1 , 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

2π

2) Máy 2 pha

a Kết cấu máy là đối xứng

dây quấn 2 pha là như nhau : UA = UB

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

2 Từ trường quay tròn bằng tổng 2 từ trường đập mạch

2 từ trường này lệch pha trong không gian là

3 Từ trườg quay elip

Phân tích thành tổng 2 từ trường quay thuận và nghịch có biên độ khác nhau

§1-4 MẠCH KHÔNG ĐỐI XỨNG HAI PHA

- Không đối xứng về kết cấu dây quấn

- 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

Với = =

2

2

.

2

B

F F

2 Điều kiện có từ trường tròn

Điều kiện : hoặc F1 = 0 hoặc F2 = 0 → khi đó máy chỉ còn từ trường quay tròn

θ = ( 2 dây quấn lệch nhau 90o )

NA = NB ( số thanh dẫn của A bằng của B )

φs : stot của stato ⇒ F1 + F2

IR : stot của roto ⇒ F1 + F2

sin,, B

A I

I

⇒

§1-5 ĐẶC ĐIỂM TỪ TRƯỜNG ELIP

Điều khiển máy điện bằng cách tạo nên từ trường elip

CHƯƠNG 2: MÁY HAI PHA CÔNG SUẤT NHỎ

§ 2.1 CẤU TẠO CHUNG VÀ ĐẶC ĐIỂM

1) Cấu tạo :

Máy 2 fa dùng nguồn 1 fa → Máy 2 fa

 Stato : Lõi Fe KTĐ rãnh 2 dây quấn (giống nhau)

Là điều kiện có từ trường tròn FA = FB→ φA = φB

 Ở dây quấn A : đặt vào điện áp UA→ IA→ φA → EA

 Nếu bỏ qua điện áp rơi thì UA = EA

EA≈ UA = 4.44 f WA kdqA φA

4, 44 .

4, 44

A A

B b

f W k

W k U

k

θθ

 Chú ý : Xem lại lý thuyết MĐKĐB : cách tính toán và phương pháp

Lập pt tính toán giống như ở máy 3 fa → lập cho 1 fa

a) Sơ đồ thay thế :

Fa A : sơ đồ thay thế thuận nghịch

Fa B : sơ đồ thay thế thuận nghịch

b) Pt cân bằng : giống máy 3 fa

r1, x1 : điện trở, điện kháng của dây quấn stato

Muốn β = π/2 thì thông thường đặt vào 1 fa 1 tụ điện thường là mắc vào fa B

→ Sơ đồ fa B có thêm tụ điện:

Sau khi tính toán ta có :

điều kiện có từ trường tròn ở máy 2 fa có tụ:

α =

rc : điện trở của tụ điện

xc : trở kháng của tụ điện

 U∼→ vào dây quấn → I →φ1fa

 φ∼ với f xuyên qua các dây dẫn roto cảm ứng trong dây dẫn tạo thành I nếu mạch khép kín

→ gọi là sức điện động kiểu biến áp

 Xác định của sức điện động Nếu trong mạch có e , i thì tạo ra φ2 φ2 có xu hướng chống lại φ

MM

02

2

0 S1

M2(S2)

Cộng : M1fa = M1 + M2

Tại s = 2 ( n = 0 ) thì M1fa = 0 , tức là động cơ mở máy được

Dùng lực bên ngoài tác động theo chiều thuận n > 0 → s < 1 → M > 0 → quay trở lại Nếu quay theo chiều nghịch n < 0 → s > 1 → Nhận được M < 0 → động cơ tiếp tục chạy theo chiều ngược

§3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP MỞ MÁY

Muốn mở máy động cơ pải có momen quay , có Mq khi có φq → phải có 2 dây quấn và I trong dây quấn phải lệch pha : M2fa = IA IB sinβ sinθ

ĐCKĐB 1 fa có 2 dây quấn đặt lệch nhau 1 góc θ = π/2

Giả thiết coi 2 dây quấn là giống nhau Khi đó sơ đồ động cơ 2 dây quấn này sẽ là :

Làm việc : dây quấn làm việc, mở máy ( phụ ) phần tử dịch pha có thể là R , L , C

 Hai phương pháp đầu dùng R và L :

 Ưu 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 = WB kdqB

Góc fa θ + β = 180°

Cụ thể với máy 2 fa có các điều kiện :

1

=

=

dqB B

dqA A

k W

k W

U∼ , IA , IB , θ , β→ M ≠ 0

Động cơ khởi động → n ↑→ 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 Mđc↑ = Mc→ nđc↑ = nđm→

khoá K mở → động cơ trở thành động cơ 1 fa

→↓ 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

Tụ C thường được tính toán sao cho có φ tròn 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

Chú ý : φ tròn trong máy điện 2 fa chỉ tốn tại ở 1 M nhất định và 1 tốc độ nhất định →

cấu tạo động cơ này khác các động cơ trên

 Ưu điểm : Mmm lớn , Mđm lớn , cosϕ cao Đây là động cơ của hầu hết tất cả các loại tủ lạnh

4) Động cơ có điện dung

 Đây là động cơ 2 fa , mở máy làm việc liên tục QA = QB = Q/2 Số vòng dây và tiết diện dây ở 2 fa khác nhau

 Tụ C được chọn sao cho có φ tròn lúc định mức → lúc mở máy thì momen nhỏ

 Động cơ này được dùng cho các tải không yêu cầu Mmm lớn : Quạt

 Đổi chiều quay động cơ :

M = IA IB sinβ sinθ

Thay IA , IB , sinθ khó → thay góc β→β∈ tụ C

⇒ muốn đổi chiều động cơ này phải thay tụ C → tốn kém → đổi chiều đấu dây của cuộn dây mở máy

LV LV

Từ thông φ’’ xuyên qua vòng ngắn mạch sinh ra Evòng nhỏ vì R của vòng cu cũng rất nhỏ nên ta có I vòng là khó lớn Iv tạo nên từ thông φnm Có φnm luôn ngược chiều với φ

Tại vùng cực từ tiết diện nhỏ ta có :

φv = φ’’ + φnm

φ đi từ stato sang roto

 từ thông khép mạch là φ’ và φ’’ Hai từ thông này ngược fa nhau Vì vậy về mặt hiện tượng vật lý giống như đây là 1 động cơ 2 fa có 1 cuộn dây lệch nhau 1 góc θ

 Trên thực tế góc β rất nhỏ → M khởi động là nhỏ → động cơ tự quay được

 Ưu điểm : cấu tạo đơn giản , giá thành hạ

 Nhược :

 Do Iv = Inm lớn → tổn hao lớn → η≤ 0,2

 Từ thông ở vòng ngắn mạch bão hoà → tạo nên từ thông tản lớn → x lớn → cosϕ

thấp + tổn hao do bão hoà

 Để giảm từ thông tản này người ta đã dùng tôn liên cực

 Để nâng cao hiệu suất của động cơ này người ta chế tạo nhiều vòng ngắn mạch

(3 vòng ngắn mạch)

CHƯƠNG 4 : ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

θ

2sin

2 0

=

d q d

dt

x x

mU x

x x

 Roto là 1 NCVC 2 hay nhiều cực (nhiều cực gọi là roto cánh sao)

 Ưu điểm : Dễ chế tạo

 Nhược : Từ cảm bị tổn hao

 Từ hoá sau : Dùng vật liệu chế tạo NC nhưng chưa từ hoá Sau khi chế tạo xong thành stato và roto rồi mới từ hoá Phương pháp này chính xác hơn về từ cảm nhưng tốn kém hơn

 Lúc này Mkđb = 0 và Mđb tạo nên tốc độ quay n = n1 = const

 Khi roto quay ở tốc độ n1 thì NCVC ở roto sẽ cảm ứng sức điện động ở dây quấn stato như ở chế độ máy phát điện → Efát → Ifát vì mạch stato khép kín quanh dòng điện →

φroto→ Mđt

 Chú ý : Chiều của momen điện từ ở máy phát ngược chiều với momen cơ Ở đây ,

MđtMF ngược Mđb→ ↑ Mc trên trục của roto Coi đây là 1 loại tổn hao

2 0

=

d q

mU x

U mE

2) Cách làm việc : U∼→φquay φquay tác động giống máy KĐB tạo MKĐB roto quay n

< n1 Khi n ≈ n1 thì xuất hiện momen phản kháng → Mkh kéo roto với n = n1

2) Nguyên lý làm việc:

 Đặt U∼ vào stato tạo nên φ quay φ quay đầu tiên từ hoá lõi thép roto

 Vật liệu từ cứng gồm các phần tử lưỡng cực rất nhỏ sắp xếp 1 cách hỗn độn Dưới tác động của từ trường thì nó sẽ sắp xếp lại như hình vẽ sau:

S

 Khi φ dịch chuyển đến do tính chất trễ của vật liệu nên các vật liệu lưỡng cực vẫn giữ nguyên trạng thái Lúc này xuất hiện Fđt hút Các fđt này tạo nên momen từ trễ và kéo roto luôn quay với tốc độ n = n1

CHƯƠNG 5: ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

- Stato = phần cảm = phần cực từ: + = NCVC → gọi là kích thích kiểu từ điện

+ = cuộn dây và lõi sắt → gọi là kích thích kiểu điện từ

- Roto: + phần ứng thông thường: lõi sắt phần ứng trên đó đặt dây quấn phần ứng và phiến góp tạo nên vành góp và có chỏi than tì lên nó

+ phần ứng rỗng