Bài giảng biến đổi năng lượng điện cơ docx

1Lecture 10 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 2Lecture 10 ¾ 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. ¾ 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. ¾ 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. ¾ 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 tiếp. Máy Điện DC – Giới thiệu chung 3Lecture 10 Cấu tạo máy điện DC Ổđỡ Rãnh phần ứng được đúc xiên Cổ góp ¾ Mạch từ phần ứng được ghép từ nhiều lá thép mỏng với các rãnh để lồng dây quấn rotor. Các đầu cuộn dây được đấu vào lá đồng cổ góp theo kiểu quấn rãi hay quấn xếp tùy thiết kế. ¾ Lõi thép stator được đúc đặc do nhận dòng kích từ DC. Lỏi thép này được cố định theo võ máy. Chổithan 4Lecture 10 ¾ Khảo sát máy điện DC có cấu tạo đơn giản như hình minh họa bên phải. ¾ Mỗi đầu cuộn dây được đấu vào lá đồng cổ góp khác nhau. ¾ 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 tác động lên cạnh dây quấn rotor như c ũ, bất chấp cực tính mạch từ thay đổi. Nguyên lý vận hành máy điện DC Cặpcựcmạch từ tĩnh Dây quấn rotor Cổ góp Chổithan ¾ Theo phương pháp đồng năng lượng, ta có: () ( ) θ θ θ d dL iiiiT sr srsr e =,, 5Lecture 10 ¾ 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 Ö Duy trì được độ lớn mô men tối đa với chiều ổn định. ¾ Biểu thức tính mô men cho thấy độ lớn mô men tỉ lệ v ới dòng rotor i a và dòng stator i f : Xây dựng phương trình đặc trưng của máy điện DC fa e iGiT = ¾ Ta xây dựng hệ phương trình động từ mạch tương đương của máy điện DC: dt di LiRv f ffff += fm a aaaa iG dt di LiRv ω ++= Gω m i f L a R a v a + _ i a R f L f + _ v f i f Sứcphản điện động (Back EMF) 6Lecture 10 ¾ 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: famaaaaa IIGIRIVP ω +== 2 2 fffff IRIVP == mfam e m IGITP ωω == Công suất điệntừ (Armature power): Công suấtkíchtừ (Field power): Công suấtcơ (Mechanical power): ¾ 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 P f bằng cách dùng lõi từ thường trực cho các máy điện DC công suất bé ¾ 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. Xây dựng phương trình đặc trưng của máy điện DC (tt) 7Lecture 10 ¾ 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. ¾ Máy điện DC kích từ độc lập ở chế độ xác l ập tuân thủ các quan hệ sau: Máy điện DC kích từ độc lập loadafm TIGIB − = ω fmaaa IGIRV ω + = Từ đó a fma a R IGV I ω − = a fma f e R IGV GIT ω − = ¾ Từ đó ta có đặc tuyến tải mô men – tốc độ có dạng đường thẳng bậc nhất () () e f a m e f a f a m T GI R T GI R GI V 2 0 2 −=−= ωω Quan hệ momen theo tốc độ 8Lecture 10 ¾ Chế độ hãm (Brake) xãy ra khi công suất cấp cho máy điện DC cảởphần ứng (P a > 0) và cảởtrục quay (P m < 0); ở chế độ này toàn bộ công suất sẽ tiêu tán dưới dạng nhiệt trên điện trỡ phần ứng R a . ¾ Máy điện DC vận hành ở chế độ máy phát tương ứng với P m < 0 và P a < 0, với điều kiện ω m > V a /(GI f ). Chế độ vận hành như động cơ khi P a > 0 và P m > 0 (xem Fig. 8.7 của Giáo Trình). Khảo sát đặc tính tải mô men – tốc độ của Động cơ DC ω m T e Increasing V a ¾ Cho dP m /dω m = 0 và giải ra ω m , ta tìm được tốc độ quay ở đó công suất máy điện DC KTĐL đạt cực đại là: f a mP GI V 2 = ω a a m R V P 4 2 max = và ¾ Qua hình vẽ ta thấy có thể điều chỉnh mịn tốc độ động cơ DC KTĐL thông qua điều chỉnh điện áp phần ứng V a . 9Lecture 10 ¾ 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:. Gω m i L a + L f R a + R f v + _ i () ( ) iG dt di LLiRRv mfafa ω ++++= 2 GiT e = ¾ Quan hệ xác lập của Máy điện DC kích từ nối tiếp với nguồn hằng được xác định bởi: () mfa GRR V I ω ++ = () [] 2 2 mfa e GRR V GT ω ++ = ω m T e Tăng V Máy điện DC kích từ nối tiếp 10Lecture 10 ¾ 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. ¾ Các quan hệ xác lập của động cơ vạn năng được mô tả như sau: ()() 2 22 efamfa LLGRR V I ωω ++++ = ()() 2 22 2 2 efamfa e av LLGRR GV GIT ωω ++++ == Trong đó ω e là tầnsốđiệnlưới. ¾ ThựctếđiệnápAC thường đượchiệuchỉnh bằng mạch công suất dùng SCR IGBT hay triac để điềuchỉnh giá trị hiệudụng của dòng, qua đócũng sẽ làm suy giảm mô men. Động cơ điện DC vạn năng [...]... 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,... 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 v = Rf if + Lf di f dt La i + ia Rf dia v = Gωmi f − Ra ia − La dt RL v = RL (ia − i f ) v if _ Ra Gωmif Lf Các quan hệ khi MP DC kích từ song song vận hành xác lập với áp tải không đổi. .. 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...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) v = Rf if + Lf La i di f dt + dia v = R a i a + La + Gω m i f dt Rf Ra ia v T e = Gia i f if _ Gωmif Lf Các quan hệ khi ĐC DC kích từ song song vận hành xác lập với áp nguồn không đổi v = V, V If = Rf Ia = V − Gω... 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... 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 phối hợp tụ thường trực Kiểu cuộn phụ dùng tụ thường trực & khởi động Lecture 10 16 Các Bài Tập Các BT sẽ đươc hướng dẫn trên lớp Lecture 10 17 ... 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 . 1Lecture 10 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 2Lecture 10 ¾ Máy điện DC nói chung tiện. giản. ¾ 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 tiếp. Máy Điện DC – Giới thiệu chung 3Lecture. DC: dt di LiRv f ffff += fm a aaaa iG dt di LiRv ω ++= Gω m i f L a R a v a + _ i a R f L f + _ v f i f Sứcphản điện động (Back EMF) 6Lecture 10 ¾ 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: famaaaaa IIGIRIVP ω +== 2 2 fffff IRIVP