Nghiên cứu về động cơ đồng bộ

Luận văn

Phần 2 Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Phần 1 TổNG QUAN Về ĐộNG CƠ ĐồNG Bộ 1.1. Khái niệm và phân loại động cơ đồng bộ 1.1.1. Khái niệm động cơ đồng bộ Những động cơ điện xoay chiều có tốc độ quay của roto (n) bằng tốc độ quay của từ trờng (n 1 ) gọi là động cơ đồng bộ (ĐCĐB). ở chế độ xác lập động cơ điện đồng bộ có tốc độ quay của roto luôn không đổi khi tải thay đổi, tuỳ thuộc vào tần số của nguồn ( s = 2f s /p) và số đôi cực của động cơ. 1.1.2. Phân loại động cơ đồng bộ * Phân loại theo cấu tạo - Động cơ đồng bộ cực lồi. - Động cơ đồng bộ cực ẩn. * Phân loại theo nguồn kích thích - Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm điện (viết tắt: ĐCĐBNCĐ) - Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu (viết tắt: ĐCĐBNCVC) đây là đối tợng nghiên cứu chính của đề tài. 1.2. NGuyên lý cấu tạo ĐCĐBNCVC Theo TL [3], [6], [16] thì động cơ đồng bộ nói chung, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là những máy điện xoay chiều có phần cảm đặt ở rotor và phần ứng là một hệ dây quấn ba pha đặt ở stator. Với ĐCĐBNCVC thì phần cảm đợc kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dới bề 17 Phần 2 Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu mặt rotor. Các thanh nam châm thờng đợc làm bằng đất hiếm ví dụ nh Samariu- cobalt (SmCO 5 , SmCO 17 ) hoặc Neodymium-ion-boron (NdFeB), là các nam châm có suất năng lợng cao và tránh đợc hiệu ứng khử từ, thờng đợc gắn trên bề mặt hoặc bên trong của lõi thép rotor để đạt đợc độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các thanh nam châm có thể đắp bằng vật liệu dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, ví dụ nh sợi thuỷ tinh hoặc bắt bulon vít lên các thanh nam châm. Ngoài ra còn có nam châm gốm độ bền cao. Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia ĐCĐBNCVC ra thành hai loại : Động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi mà ta xét dới đây để thấy rõ đặc điểm cấu tạo của từng loại máy điện này. 1.2.1. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi Cấu tạo động cơ gồm hai phần chính đó là Startor và rotor. * Startor của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy. - Lõi thép startor gồm các lá thép kỹ thuật điện (tôn silic dầy 0,5mm) hai mặt đợc phủ lớp sơn cách điện đợc dập rãnh bên trong sau đó đợc ghép lại với nhau tạo thành hình trụ rỗng, bên mặt trong tạo thành các rãnh theo hớng trục để đặt dây quấn sau này (hình 1.1). Dọc chiều dài của lõi thép startor cứ cách khoảng 3 6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục rộng 10mm. Lõi thép startor đợc đặt cố định trong thân máy. Thân máy phải đợc thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió để làm mát máy tốt nhất. Nắp máy thờng đợc chế tạo từ gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc. - Dây quấn startor thờng đợc chế tạo bằng đồng có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật (tuỳ thuộc vào công suất máy), bề mặt đợc phủ một lớp cách điện, đợc quấn thành từng bối và lồng vào các rãnh của lõi thép startor, đợc đấu nối 18 Phần 2 Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu theo các qui luật nhất định tạo thành các sơ đồ hình sao hoặc tam giác. * Rotor máy điện cực lồi thờng có tốc độ quay thấp nên đờng kính rotor có thể lớn, trong khi chiều dài lại nhỏ. Tỷ số chiều dài/ đờng kính nhỏ. Rotor thờng là đĩa nhôm hay nhựa trọng lợng nhẹ có độ bền cao. Các nam châm đợc gắn chìm trong đĩa này. Các loại máy này thờng đợc gọi là máy từ trờng hớng trục (rotor đĩa). Loại này thờng đợc sử dụng trong kỹ thuật robot. 1 2 3 Hình 1.1. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi 1 - lõi thép stator; 2 - rotor; 3 - nam châm vĩnh cửu 1.2.2. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn * Startor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn có cấu tạo tơng tự nh động cơ cực lồi. * Rotor của máy điện cựu ẩn thờng làm bằng thép hợp kim chất lợng cao, đợc rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm. Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt đợc cấu trúc cơ học bền 19 Phần 2 Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu vững hơn, kiểu này thờng đợc sử dụng trong các động cơ cao tốc. Tốc độ loại này thờng cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thờng có dạng hình trống với tỷ số chiều dài/đờng kính lớn. Máy này đợc gọi là máy từ trờng hớng kính (rotor trụ dài), nó thờng đợc sử dụng trong các máy công cụ. Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể đợc coi là khe hở không khí đều. Trong trờng hợp này các thanh nam châm đợc lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi là không có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các nam châm. Mỗi nam châm đợc bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, vì do các mảng cực thép này tạo ra các đờng dẫn từ sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả trong không gian vuông góc với từ thông nam châm. Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh mô men của máy điện. 1 2 3 Hình1.2. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn 1 - lõi thép stator; 2 - rotor; 3 - nam châm vĩnh cửu Với yêu cầu của truyền động secvô là vận hành phải êm, do đó cần phải hạn chế mô men răng (rãnh) và mô men đập mạch do các sóng hài không gian và thời 20 Phần 2 Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu gian sinh ra. Để đạt đợc điều này ngời ta thờng tạo hình cho các nam châm, uốn các nam châm lợn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây quấn startor kết hợp với tính toán số răng và kích thớc của nam châm. Kỹ thuật tạo ra các rôtor xiên là khá đắt tiền và phức tạp. Trong điều kiện bình thờng của truyền động secvô, nếu mô men điều hoà răng cỡ 2% mô men định mức thì có thể coi là chấp nhận đợc. Tuy nhiên có thể hạn chế đợc đa số các mô men điều hoà răng (rãnh) trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi chất lợng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động nh tốc độ, vị trí của động cơ. Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển, trên startor có các răng, ngày nay ta có thể chế tạo startor không răng. Trong trờng hợp này dây quấn startor đợc chế tạo từ bên ngoài sau đó đợc lồng vào và định vị trong startor. Máy điện nh vậy sẽ không đập mạch ở tốc độ thấp và tổn thất sẽ giảm, tăng đợc không gian hơn cho dây quấn startor, nên có thể sử dụng dây quấn tiết diện lớn hơn và tăng dòng điện định mức của máy điện do đó tăng đợc công suất của máy. Nhng khe hở không khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phải chế tạo rotor có đờng kính lớn hơn và có bề mặt nam châm lớn hơn. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn có nhiều kiểu rotor khác nhau. Dới đây là ba kiểu rotor thờng gặp trong thực tế. a b c c Hình 1.3. Các kiểu rotor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn 21 Phần 2 Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 1.3. Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ Để nghiên cứu, phân tích các quá trình điện từ xảy ra bên trong động cơ và xây dựng các đặc tính cơ của chúng, ngời ta thờng sử dụng sơ đồ thay thế một pha với các giả thiết sau: - Ba pha của động cơ là đối xứng, điện áp nguồn hoàn toàn hình sin đối xứng. - Các thông số của động cơ là không đổi (nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở là hằng số, mạch từ không bão hoà nên điện kháng cũng không đổi). - Dòng điện một chiều kích thích không thay đổi (I kt = const). - Bỏ qua các hao tổn cơ và hao tổn phụ. - Bỏ qua ảnh hởng của từ trờng bậc cao trong máy. Khi mô tả các đại lợng điện áp và dòng điện ở dạng các véc tơ phức, theo TL[6], ta có phơng trình điện áp cho mỗi pha của động cơ đồng bộ nh sau: U = E + I ( R +JX ) (1.1) Trong đó: U điện áp pha. E = 2 f.k w .N. sức điện động trong dây quấn phần ứng. I dòng điện chạy trong mạch phần ứng. R điện trở phần ứng. X điện kháng phần ứng. Từ phơng trình (1.1) ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ đồng bộ nh sau. R X I E U Hình 1.4. Sơ đồ thay thế động cơ đồng bộ 22 Phần 2 Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 1.4. Các đặc tính của động cơ đồng bộ Khi ta đóng stator động cơ đồng bộ vào nguồn điện xoay chiều có tần số f 1 không đổi, động cơ sẽ quay với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ: 1 =2 f 1 /p (1.2) Trong phạm vi mô men cho phép M M max , đặc tính cơ là cứng tuyệt đối (độ cứng của đặc tính cơ = ). Theo TL [2], [8] đặc tính cơ của động cơ đồng bộ nh hình 1.5 1 0 M max M Hình 1.5. Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ Khi mô men vợt quá trị số M max thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ. Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ ngời ta còn sử dụng đặc tính góc:M = f ( ) . Đặc tính góc biểu diễn mối quan hệ giữa mô men của động cơ với góc lệch của véc tơ điện áp pha lới điện và véc tơ sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator do từ trờng 1 chiều sinh ra. Từ phơng trình (1.1) nếu bỏ qua điện trở R của stator ta có đồ thị véc tơ nh hình 1.6 Từ đồ thị véc tơ (hình 1.6) ta có: U.cos = E cos( - ) (1.3) mà cos( - ) = X.I si. nU 23 Phần 2 Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Hình 1.6. Đồ thị véc tơ của mạch stator động cơ đồng bộ ợc: Ucos = E U E j IX I Thay vào phơng trình trên ta đ X.I sin.U UI cos = X EU .sin (1.4) Vì UI cos là công suất 1 pha của động cơ nên công suất 3 pha của động cơ 3 là: P = X EU .sin (1.5) Mô men của động cơ là: M = sin EU3P = X 11 (1.6) Đây là phơng trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ (hình 1.7). Trên đờng đặc tính góc ta thấy, khi = /2 thì mô men đạt cực đại: M măx = 3 X. EU (1.7) Mô men M đặc tr ng quá tải của động cơ. Khi tải tăng, góc lệch tăng, nếu > /2 thì mô men lại giảm. Động cơ đồng bộ thờng làm việc măx ng cho khả nă 0 24 Phần 2 Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu định mức với đm = 20 0 ữ 30 0 . Hệ số quá tải về mô men: dm max = M M M = 2 ữ 2,5 (1.8) Quá trình phân tích ở trên chỉ đúng với động cơ đồng bộ cực ẩn. Với động cơ đồng bộ cực lồi do sự phân bố khe hở không khí giữa rotor và stator không ụ, theo TL [2], [8] phơng M = Hình 1.7. Đặc tính góc của động cơ đồng bộ M M M 1 3/2 2 0 /2 M 2 đều nên trong máy xuất hiện mô men phản kháng ph trình đặc tính góc có dạng sau: 2sin 11U3 sin UE3 2 + XX2X. dqd (1.9) Với X d , X q là điện kháng dọc trục và ngang trục. 1 Đờng cong biểu diễn M sẽ là tổng của hai thành phần: M = sin UE3 (1.10) X. d M = XX2 dq 2sin (1.11) ứt. Đối với n có thể cực ẩn là nh nhau. 11U3 2 2 Trên đồ thị đặc tính góc biểu diễn M 1 , M 2 bằng các đờng nét đ máy cực ẩn X d = X q nên M 2 = 0 và M = M 1 . Nhng thờng M 2 rất nhỏ nê bỏ qua. Khi đó đăc tính góc của động cơ cực lồi và 25 Phần 2 Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 1.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 1.5.1. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ Theo TL [2], [7] tốc độ quay của ĐCĐB đợc tính bởi biểu thức: p s f2 s = (1.12) tiếp là bộ biến tần dùng để biến đổi trực tiếp điện áp xoay hiều U 1 có tần số f 1 thành điện áp xoay chiều U 2 có tần số f 2 cung cấp cho tải mà ông cần qua khâu trung gian nào. Vì vậy biến tần này có hiệu suất biến đổi iện năng cao. Tuy nhiên thực tế sơ đồ mạch van khá phức tạp, nên hiện nay chỉ loại điều chỉnh tần số ra thấp hơn tần số nguồn cung cấp (f 2 <f 1 ) và sử dụng o các hệ truyền động công suất lớn. Sơ đồ khối của bộ biến tần trực tiếp đợc n trên hình 1.8. Trong đó: f s là tần số của nguồn cung cấp p là số đôi cực từ của động cơ Từ công thức (1.12) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh đợc tốc độ quay của động. Do vậy trong cấu trúc của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ĐCĐB bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số (gọi tắt là bộ biến tần). * Bộ biến tần là thiết bị điện tử dùng để biến đổi năng lợng điện xoay chiều từ tần số này sang tần số khác, nó đợc chia làm hai loại: - Bộ biến tần trực c kh đ có ch thể hiệ U 1 f 1 U 2 f 2 Mạch van Hình 1.8. Sơ đồ khối bộ biến tần trực tiếp 26