động cơ điện

Lê Ngọc BíchĐặc tính cơ của động cơ điện  Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ.. Pham Kỹ thuật điều khiển tự độ

Lê Ngọc Bích

Chương 2: Động Cơ Điện

05/28/14

TS Lê Ngọc Bích Khoa Cơ Khí Bộ môn Cơ Điện Tử

Lê Ngọc Bích

Khái niệm chung về động cơ điện

 Động cơ điện là máy điện

dùng để chuyển đổi năng

lượng điện sang năng lượng

cơ Máy điện dùng để

chuyển đổi ngược lại (từ cơ

sang điện) được gọi là máy

phát điện hay dynamo Các

động cơ điện thường gặp

dùng trong gia đình như

quạt điện, tủ lạnh, máy giặt,

máy bơm nước, máy hút

bụi

Lê Ngọc Bích

Ứng dụng

 Ngày nay động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực,

từ các động cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng để chuyển động đĩa

quay, hay trong các máy đọc đĩa (máy chơi CD hay DVD),

đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như

máy giặt, sự hoạt động của thang máy hay các hệ thống thông

gió cũng dựa vào động cơ điện Ở nhiều nước động cơ điện

được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặt biệt trong

các đầu máy xe lửa.

 Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong

các ổ cứng, ổ quang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ)

động (rotor) được quấn

nhiều vòng dây dẫn hay có

nam châm vĩnh cửu Khi

cuộn dây trên rotor và stator

được nối với nguồn điện,

xung quanh nó tồn tại các từ

trường, sự tương tác từ

trường của rotor và stator

tạo ra chuyển động quay của

rotor quanh trục hay 1

mômen.

Lê Ngọc Bích

Nguyên lý hoạt động

5

Lê Ngọc Bích

Nguyên lý hoạt động

 Phần lớn các động cơ điện họat động theo nguyên lý điện từ,

nhưng loại động cơ dựa trên nguyên lý khác như lực tĩnh điện

và hiệu ứng điện áp cũng được sử dụng Nguyên lý cơ bản mà các động cơ điện từ dựa vào là có một lực lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ trường Lực này theo mô tả của định luật lực Lorentz và vuông góc với

cuộn dây và cả với từ trường.

 Phần lớn động cơ từ đều xoay nhưng cũng có động cơ tuyến

tính Trong động cơ xoay, phần chuyển động được gọi là rotor,

và phần đứng yên gọi là stator.

Lê Ngọc Bích

Phân loại động cơ điện

Lê Ngọc Bích

Đặc tính cơ của động cơ điện

 Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và

mômen của động cơ: w=f(M).

 Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và

đặc tính cơ nhân tạo Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ

khác nhau thì khác nhau và sẽ được phân tích trong phần sau.

 Đặc tính cơ tự nhiên: Đó là quan hệ w = f(M) của động cơ

điện khi các thông số như điện áp, dòng điện của động cơ là

định mức theo thông số đã được thiết kế chế tạo và mạch điện

của động cơ không nối thêm điện trở, điện kháng

 Đặc tính cơ nhân tạo: Đó là quan hệ w = f(M) của động cơ

điện khi các thông số điện không đúng định mức hoặc khi

mạch điện có nối thêm điện trở, điện kháng hoặc có sự thay

đổi mạchnối.

Lê Ngọc Bích

Đặc tính cơ của động cơ điện

 Trong hệ TĐĐ bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng

điện - cơ Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái

làm việc của động cơ điện Người ta định nghĩa như sau: Dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều

truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ Pcơ = M.w cấp cho máy SX (sau khi đã

có tổn thất DP).

 Công suất cơ Pcơ có giá trị dương nếu mômen động cơ sinh ra

cùng chiều với tốc độ quay, có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều

quay.

 Công suất điện Pđiện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ

về nguồn.

Lê Ngọc Bích

Đặc tính cơ của động cơ điện

Lê Ngọc Bích

Đặc tính cơ của động cơ điện

 Trong hệ thống TĐĐ, động cơ điện có nhiệm vụ cung cấp

động lực cho cơ cấu sản xuất Các cơ cấu sản xuất của mỗi

loại máy có các yêu cầu công nghệ vμ đặc điểm riêng Máy

sản xuất lại có rất nhiều loại, nhiều kiểu với kết cấu rất khác

biệt Động cơ điện cũng vậy, có nhiều loại, nhiều kiểu với các

tính năng, đặc điểm riêng.

Lê Ngọc Bích

Đặc tính cơ của động cơ điện

 Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm

việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ Để một hệ thống TĐĐ làm việc tốt, có hiệu quả thì giữa động cơ điện và

cơ cấu sản xuất phải đảm bảo có một sự phù hợp tương ứng

nμo đó Việc lựa chọn hệ TĐĐ và chọn động cơ điện đáp ứng

đúng các yêu cầu của cơ cấu sản xuất có ý nghĩa lớn không chỉ

về mặt kỹ thuật mà cả về mặt kinh tế.

 Do vậy, khi thiết kế hệ thống TĐĐ, người ta thường chọn hệ

truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh tốc độ sao cho

đường đặc tính cơ của động cơ cμng gần với đường đặc tính

cơ của cơ cấu sản xuất càng tốt Nếu đảm bảo được điều kiện

này, thì động cơ sẽ đáp ứng tốt đòi hỏi của cơ cấu sản xuất khi mômen cản thay đổi và tổn thất trong quá trình điều chỉnh là

nhỏ nhất.

 C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-13

Động cơ DC

Lực tác dụng lên cuộn dây: với: F: lực tác dụng lên cuộn dây (N)

I: dòng chạy qua cuộn dây (A) B: cường độ từ trường (G) L: chiều dài cuộn dây (m)

θ: góc tạo bởi vectơ B và I

 C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-14

Động cơ DCPhần ứng động cơ DC

Moment tạo ra

với: T: moment động cơ

KT: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ

IA: dòng điện phần ứng

φ : từ thông

 C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-15

Động cơ DC

Khi phần ứng quay trong môi trường từ trường, một sức điện động sẽ xuất hiện trên các cuộn dây của phần ứng (ngược chiều với điện áp nguồn cấp vào phần ứng).

Điện áp thực trên phần ứng

với: VA: điện áp thực trên phần ứng

VTn: điện áp nguồn cấp vào phần ứng CEMF: điện áp tạo ra bởi động cơ

IA: dòng điện phần ứng

RA: trở kháng phần ứng

với: EMF: điện áp tạo ra

KE: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ

φ : từ thông

S: tốc độ động cơ (rpm)

 C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-16

Động cơ DC

Thí dụ: Một động cơ 12 Vdc có điện trở phần ứng là 10 Ω và sức điện động tạo ra là 0.3 V/100 rpm Xác định dòng phần ứng thực tế khi động cơ làm việc ở vận tốc 0 rpm và ở vận tốc 1000 rpm

Lê Ngọc Bích

Các loại động cơ điện phổ biến

 Động cơ không đồng bộ ba pha,

 Động cơ cảm ứng một pha,

 Động cơ điện một chiều,

 Động cơ bước

Lê Ngọc Bích

ĐộNG CƠ ĐIệN XOAY CHIềU

Lê Ngọc Bích

Cấu tạo

Lê Ngọc Bích

Cấu tạo

 Về cấu tạo, động cơ điện xoay chiều 3 pha gồm có 2 phần

chính:

 Phần cảm: gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trong không gian và

được cấp điện xoay chiều 3 pha để tạo ra từ trường quay Phần cảm

thường đặt ở stator Các cuộn dây pha phần cảm có thể nối theo hình

sao hay tam giác tùy theo điện áp của mỗi cuộn dây pha và tùy theo

điện áp lưới điện

Ví dụ; Với điện áp lưới là 380V/220V Khi điện áp mỗi cuộn dây pha là 220V thì động cơ phải mắc theo dạng hình sao Khi điện áp mỗi cuộn dây pha là 380V thì động cơ phải mắc theo dạng hình tam giác

 Phần ứng: Cũng gồm 3 cuộn dây và thường đặt ở roto Tùy theo kết

cấu của ba cuộn day phần ứng mà động cơ điện xoay chiều ba pha chia

ra hai loại:

Lê Ngọc Bích

Cấu tạo

 Khi 3 cuộn dây phần ứng

bằng dây đồng được nối

hình sao và 3 đầu dây được

đưa ra qua hệ vòng

trượt-chổi than để nối với điện trở

mạch ngoài thì roto được

gọi là roto dây quấn

Lê Ngọc Bích

Nguyên lý hoạt động

 Khi từ trường quay (giả sử theo chiều KĐH) của phần cảm

quét qua các dây dẫn phần ứng thì trong các cuộn dây (hay

thanh dẫn) phần ứng xuất hiện suất điện động cảm ứng Nếu

mạch phần ứng nối kín thì có dòng điện cảm ứng sinh ra

(chiều xác định theo quy tắt bàn tay phải) Từ trường quay lại

tác dụng vào chính dòng cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắt bàn tay trái và tạo ra mô men làm quay phần

cảm theo chiều quay của từ trường quay.

 Tốc độ quay của phần cảm luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ

trường quay (không đồng bộ) Động cơ điện hoạt động theo

nguyên tắt này được gọi là động cơ điện không đồng bộ

(KĐB) hay động cơ điện dị bộ hoặc động cơ điện xoay chiều

cảm ứng.

Lê Ngọc Bích

Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐB

 Khi đóng điện trực tiếp vào động cơ KĐB để mở máy thì do

lúc đầu rotor chưa quay, độ trượt lớn (s=1) nên s.đ.đ cảm ứng

và dòng điện cảm ứng lớn.

 Dòng điện này có trị số đặc biệt lớn ở các động cơ công suất

trung bình và lớn, tạo ra nhiệt đốt nóng động cơ và gây xung

lực có hại cho động cơ.

Lê Ngọc Bích

Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐB

 Tuy dòng điện lớn nhưng

mômen mở máy lại nhỏ:

Đặc tính động cơ KĐB khi mở máy

trực tiếp.

Lê Ngọc Bích

Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐB

 Do vậy cần phải có biện pháp mở máy Trường hợp động cơ

có công suất nhỏ thì có thể mở máy trực tiếp Động cơ mở

máy theo đặc tính tự nhiên với mômen mở máy nhỏ.

 Những động cơ không mở máy trực tiếp thì có thể thực hiện

một trong các phương pháp mở máy gián tiếp sau.

Lê Ngọc Bích

Phương pháp dùng điện trở mở máy ở mạch rotor

 Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ rotor dây quấn vì

điện trở mở máy ở mạch ngoài mắc nối tiếp với cuộn dây

rotor.

Lê Ngọc Bích

Phương pháp dùng điện trở mở máy ở mạch rotor

 Lúc bắt đầu mở máy, các tiếp điểm công tắc tơ K1, K2, K3 đều mở, cuộn dây rotor được nối với cả 3 cấp điện trở phụ (R1+R2+R3) nên

đường đặc tính cơ là đường 1 Tới điểm b, tốc độ động cơ đạt wb và mômen giảm còn M2, các tiếp điểm K1 đóng lại, cắt các điện trở

phụ R1 ra khỏi mạch rotor.

 Động cơ được tiếp tục mở máy với điện trở phụ (R2+R3) trong

mạch rotor và chuyển sang làm việc tại điểm c trên đặc tính 2 ít dốc

hơn Mômen tăng từ M2 lên M1 và tốc độ động cơ lại tiếp tục tăng.

 Động cơ làm việc trên đường đặc tính 2 từ c đến d Lúc này, các tiếp điểm K2 đóng lại, nối tắt các điện trở R2 Động cơ chuyển sang mở

máy với điện trở R3 trong mạch rotor trên đặc tính 3 tại điểm e và

tiếp tục tăng tốc tới điểm f Lúc này các tiếp điểm K3 đóng lại, điện

trở R3 trong mạch rotor bị loại Động cơ chuyển sang làm việc trên

đặc tính tự nhiên tại g và tăng tốc đến điểm làm việc A ứng với

mômen cản MC Quá trình mở máy kết thúc.

Lê Ngọc Bích

Phương pháp mở máy với điện trở hoặc điện kháng nối tiếp

trong mạch stator

 Phương pháp này dùng điện trở hoặc điện kháng mắc nối

tiếp với mạch stator lúc mở máy và có thể áp dụng cho cả

động cơ rotor lồng sóc lẫn rotor dây quấn Do có điện trở

hoặc điện kháng nối tiếp nên dòng mở máy của động cơ

giảm đi, nằm trong giá trị cho phép Mômen mở máy của

động cơ cũng giảm.

Lê Ngọc Bích

Phương pháp mở máy với điện trở hoặc điện kháng nối tiếp

trong mạch stator

 Thời điểm ban đầu của quá trình mở máy, các tiếp điểm K2

đóng lại (các tiếp điểm K1 mở) để điện trở (hình a) hoặc điện

kháng (hình b) tham gia vào mạch stator nhằm hạn chế dòng

điện mở máy Khi tốc độ động cơ đã tăng đến một mức nào đó (tuỳ hệ truyền động) thì các tiếp điểm K1 đóng lại, K2 mở ra

để loại điện trở hoặc điện kháng ra khỏi mạch stator Động cơ

tăng tốc đến tốc độ làm việc Quá trình mở máy kết thúc.

 Sơ đồ hình trên là mở máy với 1 cấp điện trở hoặc điện kháng

ở mạch stator Có thể mở máy với nhiều cấp điện trở hoặc điện kháng khi công suất động cơ lớn.

Lê Ngọc Bích

Phương pháp mở máy dùng máy biến áp tự ngẫu

 Phương pháp này được sử dụng

để đặt một điện áp thấp cho động

cơ khi mở máy Do vậy, dòng

điện của động cơ khi mở máy

giảm đi

 Các tiếp điểm K' đóng, K mở lúc

mở máy Khi K' mở, K đóng thì

quá trình mở máy kết thúc

 Phương pháp mở máy dùng cuộn

kháng X và máy biến áp tự ngẫu

thích hợp cho việc mở máy các

động cơ cao áp

Lê Ngọc Bích

Phương pháp đổi nối U - D khi mở máy

 Động cơ KĐB làm việc bình thường ở sơ đồ mắc D các

cuộn stator thì khi mở máy có thể mắc theo sơ đồ Y

Thực chất của phương pháp này là giảm điện áp đặt vào

cuộn dây stator khi đổi nối vì Uph = Ud khi mắc D, còn

khi mắc Y thì điện áp giảm căn 3 lần:

Lê Ngọc Bích

Đảo chiều quay động cơ điện KĐB

 Để đảo chiều quay của động

cơ KĐB, cần đảo chiều quay

của từ trường quay do stator

tạo ra Muốn vậy, chỉ cần

đảo chiều hai pha bất kỳ

trong 3 pha nguồn cấp cho

stator

Lê Ngọc Bích

Chương 2: Động Cơ Điện (tt)

05/28/14

TS Lê Ngọc Bích Khoa Cơ Khí Bộ môn Cơ Điện Tử

Hãm động cơ điện xoay chiều KĐB

 Hãm tái sinh: Đặc tính hãm

tái sinh của động cơ KĐB

như hình vẽ Động cơ điện

xoay chiều KĐB ở chế độ

hãm tái sinh khi tốc độ

động cơ vượt quá tốc độ

đồng bộ w0 Khi hãm tái

sinh thì động cơ làm việc ở

chế độ máy phát.

Hãm động cơ điện xoay chiều KĐB

 Hãm ng ượ c

 a) Hãm ngược nhờ đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng

 b) Hãm ngược nhờ đảo chiều quay

Hãm động cơ điện xoay chiều KĐB

 Hãm động năng

 Để hãm động năng một động cơ

điện KĐB đang làm việc ở chế

độ động cơ, ta phải cắt stator ra

khỏi lưới điện xoay chiều (mở

các tiếp điểm K ở mạch lực) rồi

cấp vào stator dòng điện một

chiều để kích từ (đóng các tiếp

điểm H) Thay đổi dòng điện

kích từ nhờ biến trở Rkt.

Hãm động cơ điện xoay chiều KĐB

độ (do đó tần số) giảm dần Động năng qua động cơ sẽ biến đổi thành điện năng tiêu thụ trên điện trở ở mạch rôto.

Lê Ngọc Bích

Điều khiển tốc độ

Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch

stato

 Chỉ sử dụng cho động cơ

rotor dây quấn

Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch

stato

 Nhận xét:

 Phương pháp này chỉ cho phép tốc độ động cơ thay đổi

theo chiều giảm

 Tốc độ càng giảm (do tăng điện trở) thì đặc tính cơ càng

mềm, tốc độ động cơ càng kém ổn định nếu tăng hoặc giảm mô men tải

 Dải điều chỉnh phụ thuộc giá trị của mômen tải Mômen tải càng nhỏ, dải điều chỉnh càng bị thu hẹp

 Khi điều chỉnh động cơ vận hành ở tốc độ thấp thì độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khi điều chỉnh càng lớn

 Vận tốc có thể thay đổi liên tục nhờ thay đổi biến trở nhưng

do dòng phần ứng lớn nên thường được điều chỉnh theo cấp

Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch

stato

Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch

stato

 Nhận xét:

 Thay đổi điện áp chỉ được thực hiện về phía giảm và điện áp phải nhỏ hơn điện áp định mức nên kéo theo mô men tới hạn giảm nhanh theo bình phương của điện áp

 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ KĐB thường có độ trượt tới hạn nhỏ nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp thường được thực hiện cùng với việc tăng điện trở phụ ở mạch rôtor để tăng độ trượt tới hạn và nhờ đó có thể tăng được dải điều chỉnh

 Khi điện áp đặt vào động cơ giảm, mô men tới hạn của các đặc tính cơ giảm, trong khi tốc độ không tải lý tưởng (hay tốc độ đồng bộ) giữ nguyên Nên khi giảm tốc độ thì độ cứng đặc tính cơ giảm, độ ổn định tốc độ kém đi

Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay

chiều

 T n s càng caoầ ố t c c càng l n.ố độ đ ớ

 Đ ềi u khi n t c b ng cách thay i t n s c a ngu n xoay ể ố độ ằ đổ ầ ố ủ ồ

chi u th ng kéo theo i u ch nh i n áp, dòng i n ho c t thông ề ườ đ ề ỉ đ ệ đ ệ ặ ừ

c a m ch stator ủ ạ

 T n s gi m ầ ố ả  dòng i n càng l n, moment t i h n càng l n.đ ệ ớ ớ ạ ớ

 Để tránh quá dòng U/f=const: Lu t i u ch nh t n s ậ đ ề ỉ ầ ố

Lê Ngọc Bích

Động cơ điện xoay chiều 1 pha

Động cơ điện xoay chiều 1 pha

47

Động cơ điện xoay chiều 1 pha

 D a theo nguyên t c c a ng c không ng b ba pha, ng i ự ắ ủ độ ơ đồ ộ ườ

ta ch t o ế ạ được nh ng ng c không ng b m t pha ữ độ ơ đồ ộ ộ

 Stato c a lo i ng c này g m hai cu n dây t l ch nhau m t ủ ạ độ ơ ồ ộ đặ ệ ộgóc, m t dây n i th ng v i m ng i n, dây kia n i v i m ng i n ộ ố ẳ ớ ạ đ ệ ố ớ ạ đ ệqua m t t i n ộ ụ đ ệ

 Cách m c nh v y làm cho hai dòng i n trong hai cu n dây l ch ắ ư ậ đ ệ ộ ệpha nhau và t o ra t tr ng quay ạ ừ ườ