Tài liệu Máy điện đặc biệt dòng điện 1 chiều doc

PHẦN V MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT CHƯƠNG 15 MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT DÒNG MỘT CHIỀU 15.1 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU TỪ TRƯỜNG NGANG 15.1.1 Mở đầu Để nghiên cứu loại máy điện chiều từ trường ngang, trước hết ta xét tượng xảy cuộn dây phần ứng máy điện chiều Qua nghiên cứu người ta đưa kết luận sau đây: Nếu qua cuộn dây phần ứng chạy dịng điện trục từ trường tạo dòng điện trùng với trục chổi có dịng điện chạy qua (hình 15.1) Nếu cuộn dây máy điện chiều quay từ trường khơng đổi chổi đặt trục từ trường không xuất điện áp cuộn dây riêng biệt có cảm ứng sđđ từ trường tạo cách nào, cịn chổi vng góc điện với từ trường xuất điện áp có giá trị lớn Hướng từ trường tạo dòng điện chạy cuộn phần ứng phụ thuộc vào chiều dòng điện vào hướng quấn dây Trong hình a, b, c, d lưu ý tới hướng quấn dây chiều dòng điện, cịn hình a 1, b1, c1, d1 giản đồ phần ứng chiều dịng điện chiều từ thơng a) + + + I + φ φ v b) + • + + + • • a) • • • • • • I • • c) + •+ b) • + + + + • • • • • • • • • φ • φ a1 ) I φ • • • • I φ + •+ c) •+ + + + • • • • + + • • • • • φ φ φ + + • • I b1 ) φ c1 ) + + + I + + + • φ I • • d) • • • φ d1 ) Hình 15.1 Hướng từ trường cuộn dây máy điện chiều phụ thuộc vào chiều dòng điện cách quấn dây 237 + + Cuộn dây vòng trái Cuộn dây vịng phải I d) • • Chiều điện áp cảm ứng chổi phụ thuộc vào chiều từ trường, chiều quay rô to chiều quấn dây Ví dụ: cuộn dây vịng phải chiều mũi tên từ thơng (vẽ rơ to hình 15.1) chổi “+” sau quay 90 điện theo hướng quay rơ to, cịn cuộn cuộn vòng trái chổi “-” Từ tiện ta nghiên cứu cuộn dây vòng phải Nguyên lý hoạt động Mê - ta - dyn Sơ đồ máy có từ trường ngang biểu diễn H.15.2 Rô to máy điện chiều cực có cuộn dây đặt ổ bi Về nguyên tắc máy khơng cần stato, nhiên phải đặt vỏ vật liệu từ fe –rơ nhằm tạo đường dẫn từ thơng có trở từ nhỏ Giả thiết stato hình trụ nên khe khí Stato khơng có cuộn dây Trên cổ góp đặt hai hệ chổi a1a2 b1b2, trục chúng vng góc với điện (αđiện= αcơ = 900) b1 Ia a1 Ea φb Nguån φa a2 Ua Eb Rt¶i B2 Ua Ib Hình 15.2 Sơ đồ máy Mê-ta -dyn Rôto tạm thời đứng im Cấp cho chổi a1- a2 dòng điện Ia, dòng điện tạo từ thơng φa có trục trùng với chổi a1- a2 Máy lúc khơng có mơ men Bây quay mô men máy lai cuộn dây phần ứng cắt từ thơng φa từ trường tạo dòng I a (ở chổi a1- a2 không xuất điện áp trục chổi trùng với trục từ trường) làm xuất chổi b 1b2, stđ Eb (vì B1b2 vng góc với trục từ trường) (hình 15.2) Như cuộn rơto vừa đóng vai trị cuộn kích từ, vừa đóng vai trị cuộn phần ứng Giả thiết mạch b1b2 hở, khơng có dịng điện chạy qua chổi b 1b2, để có dịng Ia, điện áp Ua nhỏ (Ua= ∆U, ∆U - độ sụt áp suất điện trở cuộn dây) Nếu nối vào b1b2 điện trở có dịng I b chạy, tạo φb có trục trùng với trục chổi b1b2 Từ thông φb làm xuất sđđ Ea chổi a1- a2 có hướng hình 15.2 (cịn φb khơng tạo sđđ b1 – b2) Sđđ Ea chống lại nguồn điện cung cấp dòng I a Để giữ dòng Ib nguồn cung cấp 238 phải tạo điện áp Ua ≈ Ea, bỏ qua điện trở cuộn dây (R ≠ 0) điện áp Ua phải bằng: Ua= Ea+ IaR (15.1) Ta có: Ea= C1φbn , cịn: Eb= C1φa n Giả sử mạch điện chưa bão hồ thì: φa= Ca.Ia , φb= CbIb Thông thường Ca= Cb= C2 , đó: Ea= C1C2Ibn = CIbn Eb= C1C2Ian = CIan (15.2) Nếu nhận R ≈ thì: Ua≈ Ea= CIbn Ub≈ Eb= CIan Kết luận: Nếu điện áp Ua= const, n= const dịng I b= const khơng phụ thuộc vào điện trở tải Điểm đặc biệt máy khơng có mơ men điện từ stato khơng có cuộn kích từ Máy biến đổi lượng chiều thành lượng điện chiều có giá trị điện áp dòng điện khác Cơ đưa vào nhằm bù đắp tổn hao quay rôto Sự thay đổi điện trở tải nhằm thay đổi E b Ia Ib= const (luôn đảm bảo UaIa ≈ UbIb) Hiện tượng xảy máy trình bày tổng quát sau: Rtải↓ →Ib ↑→ φ↑→Ea↑→Ia↓→φa↓→Eb↓→Ib↓ Ta thấy hệ thống chứa phản hồi âm - Khi ngắn mạch Ub= (Ua= const, n= const) có nghĩa Eb ≈ 0, chổi b1b2 ngắn mạch máy nhận dịng Ia nhỏ, ngược lại khơng tải I b= Ea = nên qua a1a2 dịng Ia có giá trị lớn Để điều chỉnh dịng Ib ta phải đặt stato cuộn dây có trục trùng với chổi b 1b2 cấp điện từ nguồn ngồi, điều chỉnh dịng điện chạy qua cuộn ta điều chỉnh Eb Ib 15.2 M¸y ROSENBERG Trên hình 15.3 biểu diễn mơ hình máy từ trường ngang ROSENBERG Cuộn kích từ đặt stato cấp nguồn điện chiều Chổi a - a2 ngắn mạch, cuộn kích từ tạo φkt, rôto quay tạo chổi a1- a2 sđđ Ea, a1- a2 ngắn mạch nên có dịng Ia chạy, dòng Ia tạo φa làm xuất chổi b1b2 sđđ Eb theo biểu thức: Ea = C1 φktn Eb= C1 φa n (15.3) Khi có Rtải chổi b1b2, dịng Ib tạo từ thơng φb, φb φkt tác động lên tạo từ trường tổng φktb có tải: Eb=C1φktbn (15.3a) Eb Ib= R + R (15.3b) Ea R (15.3c) tai I a= 239 Trong đó: R-điện trở cuộn dây phần ứng Ở hình 15.3b biểu diễn đặc tính Eb = f(n) Rtải R khơng đổi Từ đặc tính ta thấy tốc độ n > n x Eb không đổi Tương tự E b, đặc tính Ib = f(n) vậy, n > n x Ib = const Tính chất máy Rosenberg biểu diện tổng quát sau: n ↑→ I b ↑→ Φktb → Ea ↓ → Φa ↓ → Eb ↓ → I b ↓ φkt Ikt b1 a1 Ea φkt φa ia φb Eb ib n U a1 Rtải b2 Eb,ib Eb=f(n),Ikt Rtải=const Ib=f(n),Ikt Rtải=const nx Hình 15.3 Máy điện Rosenberg : a) Sơ đồ máy điện, b)Đặc tính Đặc tính Rosenberg sử dụng cho hệ thống chiếu sáng tàu hoả nạp ắc qui phương tiện giao thông hình 15.4 b1 Ib Eb,Ib W n U U1 a1 Eb a2 Eb Ib n b2 a) b) Hình 15.4 Máy Rosenberg dùng cho chiếu sáng nạp accqui tàu thủy 240 Khi tàu dừng tốc độ n < nx công tắc W mở, đèn cấp điện từ ắc qui, tàu chạy n > nx, W đóng, ắn qui nạp điện, đèn cấp điện từ máy phát 15.3 AMPLIDYN (MÁY ĐIỆN KHUYẾCH ĐẠI) Sơ đồ amplidyn biểu diễn hình 15.5 Nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống máy Rosenberg Đây máy khuyếch đại bậc Thật gọi cơng suất vào cơng suất kích từ Pkt’ cịn cơng suất Pđ ’ ta viết: Kp = Trong đó: K p2 = Pd Pq Pd P Pq = d = K p K p1 Pkt Pq Pkt K p1 = Pq Pw Pd = Udid , Pkt = IktUkt Mà Ud = RtảiId; Ed = (Rd + Rtải)Id = C1 Φ an = C2 λ.q Dịng Id tạo từ thơng chống lại thêm cuộn khử hồn tồn thì: Φ ' kt Eq Rq n để khử ảnh hưởng Id ta dùng E q =C1φkt n =C λd n I kt Trong đó: λd , λq - độ dẫn từ theo trục d-d q-q Kết hợp lại ta : Kp = Cλ2 λ2 n R t q d Ikt Pvào id φkt φq Ukt q Eq (15.4) ( R d + Rt ) R q R kt id d φd n Ed q Ud Pra φkqd d Hình 15.5 Máy khuyếch đại Am-pli-dyn Bậc khuyếch đại thứ gồm cuộn kích từ mạch chổi q-q, bậc thứ hai hệ chổi q-q hệ chổi d-d Đây thực chất máy phát mắc nối tiếp với Amplidyn mô hình 15.5 dùng để giải thích ngun lý hoạt động có nhiều nhược điểm Hệ số khuyếch đại khơng lớn mạch từ trục ngang nhỏ Phản ứng phần ứng làm từ trường kích từ yếu nhiều, chổi d-d 241 làm việc điều kiện chuyển mạch dòng điện xấu Để loại trừ nhược điểm người ta dùng amplidyn hình 15.6 Sự khác a) b) c) id d Ikt Uk t q iq d d U q φq q d q φd d d Hình15.6 Mơ hình amplidyn a)Sơ đồ, b)Đường sức ngang,c)Đường sức dọc mạch từ có mấu Việc tách cực từ thành phần đối xứng làm tăng độ dẫn từ ngang φa, từ thơng khép kín hình 15.6b Từ thơng trục dọc khép kín qua đường hình 15.6c Ta thường gặp amplidyn có nhiều cuộn dây stato (hình 15.7) Chúng làm nhiệm vụ cuộn khử, cuộn kích từ cuộn điều khiển Cuộn khử n a1 Eb Ud a2 Cuộn khử Cuộn ổn định Cuộn điều khiển Ukt Hình 15.7 Sơ đồ máy điện khuyếch đại dùng trực tế 15.4 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KHƠNG CĨ CỔ GĨP 242 Máy điện chiều ta nghiên cứu trước có điện áp dịng điện xoay chiều, để có dịng chiều ta phải dùng chỉnh lưu khí Dịng điện khơng phải dịng điện phẳng mà nhấp nháy gây nhiễu cho thiết bị khác Để tạo dòng điện phẳng người ta tạo máy điện chiều mà cuộn dây ln chuyển động cực (hình.15.8), sđđ xuất máy có chiều khơng đổi, ta khơng cần dùng chỉnh lưu khí Ikt • N • + E S n N + E S + + Hình 15.8 Máy diện m,ột chiều khơng có chổi than 1-stato,2-phần ứng,3-kích từ Đĩa gắn trục quay từ trường tạo dịng I kt (cuộn dây kích từ đặt stato) Chiều quay chiều từ trường biểu diễn hình vẽ, chiều sđđ hướng từ trục Như chổi đặt chu vi chổi dương, chổi đặt trục chổi âm Giá trị sđđ E = Blv Cần khẳng định máy điện đạt sđđ nhỏ tốc độ lớn độ cảm ứng từ lớn Máy có điện áp khoảng vài vơn lại có giá trị dịng điện lớn Vì máy điện chiều loại dùng cho cơng nghiệp điện hố 243 CHƯƠNG 16 MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT DÒNG XOAY CHIỀU 16.1.CUỘN DÂY MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU NẰM TRONG TỪ TRƯỜNG BIẾN ĐỔI Một cuộn dây máy điện quay từ trường biến đổi xuất sđđ : sđđ quay sđđ truyền đạt a Sđđ truyền đạt Sđđ truyền đạt xuất thay đổi từ thông móc vịng với cuộn dây Do cuộn dây đối xứng trục nên rôto quay, sđđ không thay đổi Nói cách khác sđđ truyền đạt khơng phụ thuộc vào tốc độ quay rơ to, ta nghiên cứu cuộn dây vị trí đứng im Để đơn giản xét cuộn dây có vịng dây (hình 16.1) Trục từ trường stato Trục cuộn dây ro to φ φ φ α α + φ E α=0 • + • E c) b) a) Etr=0 φ φ + E d) Etr Etr α Etr φ φ Hình 16.1 Cuộn dây máy điện chiều nằm từ trường biến đổi Nếu cuộn dây stato chạy dòng điện xoay chiều tạo từ trường biến thiên móc vịng với cuộn dây hình 16.1b,c,d khơng móc vịng với cuộn dây vị trí hình16.1a, hình 16.1a cuộn dây khơng cảm ứng sđđ Cịn vị trí 16.1b, c, d cảm ứng sđđ truyền đạt Giá trị hiệu dụng sđđ truyền đạt biểu diễn : Etr= 4,44φfcosα (16.1) Trong đó: α - góc hợp trục cuộn dây với trục từ trường biến đổi Bây ta xét cuộn dây có nhiều vịng dây Trên hình 16.2 biểu diễn chiều sđđ thời điểm khác Nếu cuộn dây phân bố chu vi rơto 244 hình ảnh khơng phụ thuộc vào vị trí rơto so với stato Nếu chổi đặt vị trí hình 16.2c ta có Etr= Etrmax, cịn chổi đặt hình 16.2d, Etr= Qua phân tích rút kết luận sau: - Tần số sđđ truyền đạt tần số biến đổi từ thông, không phụ thuộc vào tốc độ quay roto - sđđ Etr với từ thông định phụ thuộc góc đặt chổi α - sđđ Etr chậm pha so với từ thơng góc π/2 φ + ++ + + a) φ Từ thông tăng + + + + + + + Etđ ++ ++ + + + + + + ++ + b) φ Từ thông giảm Etđ φ + ++ + + c) + + + + + + + Etdmax Từ thông tăng + ++ ++ Etđ=0 + + + + + + + d) Hình 16.2 Sđđ truyền đạt cuộn dây máy điện chiều nằm từ trường biến đổi:a,b hướng thực tế sđđ thời điểm khác nhau, cd, sđđ truyền đạt phụ thuộc vào vị trí chổi b sđđ quay Khi cuộn dây rôto quay từ trường cảm ứng sđđ quay xác định biểu thức: Eq= Cφn (16.2) Giá trị sđđ phụ thuộc vào vị trí đặt chổi Nếu chổi vng góc điện với trục từ trường, sđđ Eq có giá trị cực đại, chổi có trục trùng với trục từ trường tồn từ trường rơto quay khơng có sđđ quay Ta biểu diễn sđđ quay công thức (giả thiết phân bố từ trường khe khí hình sin) Eq = Cφnsinα (16.3) Trong đó: α - góc hợp trục chổi trục từ trường Nếu từ trường biến thiên Sđđ quay biến đổi phụ thuộc vào giá trị từ thông Khi φ = φmax sđđ Eq lớn nhất, φ =0, sđđ Eq= Từ rút kết luận sau: - Sđđ quay có tần số biến đổi fx tần số biến thiên từ thông φ, tần số phụ thuộc vào tốc độ quay rôto - Giá trị hiệu dụng cuả Eq phụ thuộc vào giá trị từ thông, tốc độ quay vị trí chổi - Sđđ quay pha với từ thơng (hình 16.3) 245 Qua phân tích ta thấy cuộn dây máy điện chiều quay từ trường biến đổi xuất sđđ biến đổi tần số Ở vị trí định chổi, sđđ biểu diễn sau: Etr= Etrcosα Eq= Eqmax sinα Giá trị Sđđ tổng xác định sau: E = E cos α + E sin α (16.4) trm · 2 q max a) b) Equay φ n c) Equay φ Equay φ t Equay Hình 16.3 sđđ quay cuộn dây quay phải a)Sơ đồ với mũi tên hướng, b) Sơ đồ đặc tính thời gian, c) Đồ thị véc tơ 18.2 ĐỘNG CƠ MỘT PHA XOAY CHIỀU CÓ CỔ GÓP Động xoay chiều có cổ góp dễ điều chỉnh tốc độ Về cấu tạo động xoay chiều có cổ góp thực chất máy điện nối tiếp dịng điện chiều Rơto có cuộn dây giống cuộn dây máy điện chiều Cuộn phần ứng mắc nối tiếp với cuộn kích từ đặt stato (hình 16.4) Mạch từ stato làm thép máy điện xoay chiều Ở stato cuộn kích từ cịn cuộn phụ cuộn khử Nhiệm vụ hai cuộn phụ khử giống máy điện dịng chiều Chổi đặt đường trung tuyến hình học Khi cấp cho cuộn kích từ dịng điện biến đổi cực từ thay đổi theo hướng dịng điện phần ứng, động quay theo chiều chiều khác Vì cuộn kích từ mắc nối tiếp với phần ứng nên giá trị tức thời dịng điện i rơto stđ F kt kích từ sinh trùng pha, từ thơng kích từ φkto stđ kích từ Fkt tạo qua rôto nên chậm pha so với std góc α (hình 16.4b) (do tổn hao dịng fucơ lõi thép) Giả thiết dịng điện từ thơng kích từ biến đổi theo hàm sin, giống máy điện chiều, giá trị tức thời mơmen: mt = Cmφi = Cmφkto.Imsin(ωt-α)sinωt Tính giá trị trung bình mơmen ta được: T M = 1 T ∫ mt dt = T ∫o Cmφkto I m sin(ωt −α) sin ωtdt T M = Cmφkto I m cos α 246 (16.5) Từ (hình 16.4b) ta thấy mơ men quay động biến đổi hình sin có giá trị “+” khoảng (π-α) “-” khoảng α Tuy mômen có dạng biến đổi động quay với tốc độ nhờ quán tính động Cần lưu ý cuộn dây cực phụ tác động tốc độ định mức, khởi động cực phụ khơng có tác dụng nên để đảo chiều tốt người ta sử dụng biến pháp sau đây: (+) (-) U~ (-) (+) Mt Mtb i Mmax Wkt π-α Cuộn khử α Cuộn khư α π-α b) a) Hình 16.4 Động xoay chiều có cổ góp a)Sơ đồ, b) Đặc tính mơ men dịng điện - Giảm số lượng vịng dây mắc phiến góp - Tăng số lượng cực từ nên giảm số lượng từ thơng cực - Giảm tần số dịng điện, ví dụ tàu hoả người ta dùng tần số 16 Hz , người ta đưa thêm điện trở phụ vào hai phiến góp bin cuộn dây, nhiên khởi động chậm, điện trở bị đốt nóng làm giảm độ tin cậy máy Để khởi động động cơ, người ta thường dùng biến áp tự ngẫu, khởi động điện trở Đảo chiều điều chỉnh tốc độ thực máy điện chiều Máy có mơmen khởi động lớn Với máy điện xoay chiều có cổ góp cơng suất nhỏ người ta khơng dùng cuộn phụ cuộn khử Nếu động vạn (làm việc với dòng xoay chiều chiều) làm việc với dịng xoay chiều ta cấp điện phần cuộn dây (hình 16.5) U= U~ Wkt 247 Hình 16.5 Động xoay chiều có cổ góp cơng suất nhỏ 16.3 ĐỘNG CƠ ĐẨY (THOM SON) Động có hệ thống chổi bị ngắn mạch, cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn khử (hình 16.6) Wkt W α Hình 16.6 Động đẩy (Thonson) Dịng Iko (cuộn khử) tạo từ thơng φko Trong phần ứng có dịng điện cảm ứng tác động với từ thơng kích từ φkt tạo mơmen quay Ưu điểm loại động là: Phần ứng khơng nối tiếp với lưới ta thực động với điện áp cao Do qua hai cuộn dây stato chạy dòng điện nên ta thay chúng cuộn dây W tạo với trục chổi góc α, giá trị W tính bằng: W = W2kt + W2ko Wk góc α= acrtg W ko Điều chỉnh tốc độ động dễ dàng Do chổi đặt giá đỡ không cố định, cho phép ta thay đổi vị trí chổi, dẫn đến mơmen thay đổi làm tốc độ thay đổi Khi khởi động, chổi đặt vng góc với từ trường, dịng khởi động nhỏ nhất, sau giảm dần góc α tăng dần mơmen tức tăng tốc độ Để đảo chiều quay ta quay chổi theo chiều ngược lại Động dùng cần cẩu, xe nâng dùng điện.vv 16.4 MÁY BIẾN ĐỔI TẦN SỐ Trên hình 16.7 biểu diễn máy biến đổi tần số Máy gồm stato khơng có cuộn dây dùng tạo đường khép kín từ thơng (ở hình 16.7 không vẽ stato) 248 Roto rôto máy điện chiều, phía nối với điểm a 1,b1,c1 hệ thống ba pha A1,B1,C1 qua ba vòng trượt chổi, cịn phía thứ hai dẫn cổ góp đặt chổi cách 1200 a2,b2,c2 Giả thiết vị trí chổi hình 16.7 Khi đưa dịng pha vào cuộn rơto khơng chuyển động, tạo từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p so với rôto, giả thiết theo hướng kim đồng hồ U2, B2 A2 C2 b2 n b1 a1 a2 c1 a2 n c2 a) A1 B1 b2 n c2 a2 n b) C1 Hình 16.7 Sơ đồ máy biến đổi tần số Nếu W số vòng dây pha cuộn rôto, K dq – hệ số dây quấn giá trị hiệu dụng sđđ cảm ứng cuộn rôto Etr= 4,44WKdqfφ (16.6) Với cách nối bin cuộn dây hình vẽ phân bố điện cuộn dây giống cổ góp (hình 16.7b) Đường cong hình sin phân bố điện áp cổ góp gọi sóng điện cổ góp Cũng tốc độ n 1, đường phân bố điện cổ góp quay hướng với hướng tốc độ Như chổi ta nhận điện áp pha với tần số: f2 = f = pn 60 Nếu bỏ qua độ sụp áp cuộn rơto ta coi: U*2=E*2=U*1 Khi dịch chuyển chổi a2,b2,c2 so với vị trí biểu diễn H.16.7a, điện áp U2 có giá trị khơng đổi thay đổi pha Thật dịch chổi ( sóng điện thế) ngược chiều quay từ thơng, trục cuộn dây chổi a 2-b2,b2- c2 c2-a2 dịch chuyển không gian trùng hướng góc từ thơng lệch trục cuộn dây góc α (sớm pha hơn) 249 Lúc điện áp thứ cấp U = U1ejα cịn dịch chuyển chổi theo hướng từ thơng U2=U1e-jα, vậy: U2=U1e±jα Bây ta quay rôto ngược với chiều quay sóng điện cổ góp U1 f khơng đổi nên sóng điện khơng đổi, tiếp tục quay so với rơto tốc độ n1= f 60 p Nhưng không gian, sóng điện quay so với chổi không chuyển động với tốc độ n2=n1-n Như rôto quay theo chiều quay sóng điện quay với tốc độ n 2=n1+n Tần số điện áp thứ cấp cuộn dây bằng: f2 = pn2 p (n1 ± n) pn1 (n1 ± n) = = = sf1 60 60 60 60 (16.7) Máy điện nghiên cứu cho phép ta biến đổi tần số f fa U2 (U2 = const) Tính chất dùng để thay đổi tốc độ động dị để khử hệ số cosϕ 16.5 ĐỘNG CƠ BƯỚC 16.5.1 Mở đầu Hiện hệ thống tự động máy tính hay sử dụng hệ thống truyền động rời rạc Các hệ thống truyền động rời rạc thực nhờ loại động chấp hành đặc biệt gọi động bước Động bước thường động đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện áp thành chuyển động góc quay chuyển động rơ to có khả cố định rơ to vị trí cần thiết Động bước làm việc nhờ có chuyển mạch điện tử, để đưa tín hiệu điều khiển vào cuộn dây stato, theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay rô to tương ứng với số lần chuyển mạch chiều quay tốc độ quay rô to phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi 16.5.2 Cấu tạo động bước Động bước thực chất động đồng không quay liên tục mà làm việc chế độ quay rời rạc, nên cấu trúc có đặc điểm riêng so với động đồng thông thường Để đảm bảo có đặc tính động tĩnh cần thiết, rơ to động bước có đường kính nhỏ khơng có dây quấn khởi động Động bước có loại là: -Động bước có rơ to kích thích cuộn kích từ dịng chiều -Động bước có rơ to khơng có cuộn kích từ (động cảm ứng động phản kháng) 16.5.2.1 Động bước rơ to kích thích Rơ to có cuộn kích từ cấp dịng chiều, nhiên chủ yếu dùng kích thích nam châm vĩnh cửu (hình 16.12) 250 Rơ to có dạng cực lồi, để giảm bước quay, rơ to thường có nhiều cực tạo thành hình cacvs nam châm N-S Vì đường kính rơ to nhỏ nên số lượng cực từ bị hạn chế bước quay lớn Hình 16.12 Động bước rơ to nam châm vĩnh cửu Để giảm bước quay thường phải phối hợp với việc tăng số pha số lượng chuyển mạch dây quấn stato, dây quấn stato thường thực với số rãnh pha cực có q=1 Trường hợp động bước dùng mạch báo (trên trục rô to mơ men cản) người ta thường dùng động kiểu từ trễ Ở loại động này, rô to có dạng cực ẩn, lõi thép rơ to từ hóa trường stato Bước quay động xác định số rãnh stato 16.5.2.2 Động bước rơ to khơng kích thích Loại động chia thành loại: a)Động bước kiểu cảm ứng Lõi thép stato rô to loại chế tạo từ thép kỹ thuật điện Các rãnh rô to thuộc dạng hở rô to khơng kích từ Stato có loại rãnh: rãnh lớn kiểu nửa hở đặt cuộn dây điều khiển nhờ chuyển mạch để đưa xung điện vào cuộn dây này, rãnh nhỏ kiểu hở bố trí lớn có dạng hình lược (hình 16.13a) Số rãnh stato rơ to kích thước hình học chúng cần lựa chọn cách thích hợp để đảm bảo trị số bước quay cần thiết nhận mô men quay đủ lớn, ứng với dạng điện điện áp điều khiển cho trước Đặc điểm động bước kiểu cảm ứng từ thông khe hở khe khí stato rơ to lúc động làm việc gồm thành phần: từ thông chiều từ thông xoay chiều Từ thông chiều nam châm N-S sinh ra, cịn từ thơng xoay chiều xung dòng điện đưa vào cuộn dây điều khiển Từ thông quay không gian ứng với tần số nhịp chuyển mạch Kết cấu động bước kiểu cảm ứng kích thích nam châm vĩnh cửu trình bày hình 16.13b 251 b) a) Hình 16.13 Cấu tạo rơ to động bước khơng kích thích: a) Các thép stato rô to động bước kiểu cảm ứng; b) Động bước kiểu cảm ứng với nam châm vĩnh cửu stato; 1-Các cực stato;2-Nam châm vĩnh cửu N-S; 3-rô to; cuộn dây điều khiển b)Động bước kiểu phản kháng Động bước kiểu phản kháng (hình 16.15a) có kết cấu giống động bước kiểu cảm ứng, khác stato khơng có cuộn dây kích thích a) b) Hình 16.14 Động bước rơ to khơng kích thích: a) Động bước phản kháng bốn pha; b)Động bước cực pha dịng chiều (hoặc khơng có nam châm vĩnh cửu), khơng có thành phần từ thơng chiều khe hở khơng khí Loại động có số lượng trị số mô men đồng thấp so với động bước kiểu cảm ứng Mặt khác khơng có nam châm N- S stato nên động khơng có khả cố định phương diện từ bên rơ to ngắt điện cuộn dây stato Trên hình 16.14b trình bày động bước cực pha, loại động có cấu tạo đơn giản, phận chuyển mạch đơn giản, thường sử dụng trường hợp không yêu cầu mô men lớn tốc độ nhanh 252 Thường rô to quay theo chiều định Để tạo mô men khởi động , rô to thường chế tạo không đối xứng có dạng hình khóa Khi cuộn dây điều khiển chưa có xung điều khiển rơ to cố định vị trí nhờ nam châm vĩnh cửu Nếu đưa xung điện vào cuộn điều khiển rơ to quay theo chiều mũi tên rơ to quay 90 ngắt điện cuộn điều khiển, lúc rơ to tiếp tục quay quán tính, gặp cực từ nam châm vĩnh cửu N- S rô to cố định lại 16.5.3 Nguyên lý hoạt động Hiện đa số động bước động đồng pha nhiều pha Khác với động đồng thông thường rô to khơng có cn dây khởi động mà khởi động phương pháp tần số Rô to động bước kích từ (rơ to tích cực) khơng kích từ (rơ to thụ động) Trên hình 16.8a sơ đồ động bước m pha với rơ to có cực rô to thụ động 1 m 2 m 3 a) m 4 b) c) Hình 16.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động động bước khơng kích thích điều khiển xung đơn cực Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato xung đơn cực (hình 16.9a) hay lưỡng cực (hình 16.9b) Khi cung cấp cho stato xung đơn cực, điện áp biến đổi từ đến +U, cung cấp xung lưỡng cực điện áp biến đổi từ-U đến +U Bộ chuyển mạch điện tử cung cấp điện áp điều khiển cho cuộn dây stato theo cuộn đơn lẻ theo nhóm cuộn dây Giá trị chiều stđ tổng F động vị trí rơ to khơng gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho cuộn dây 253 Ví dụ cuộn dây hình 16.8a cung cấp theo cuộn đơn lẻ theo trình tự 1,2,3 m xung cực, rơ to động có m vị trí ổn định trùng với trục cuộn dây a) b) t t Hình 16.9 Xung điều khiển động bước a)Đơn cực, b)Lưỡng cực Trong thực tế để tăng cường stđ tổng stato nhằm làm tăng từ thông mô men đồng bộ, người ta thường cung cấp đồng thời cho , nhiều cuộn dây Lúc rơ to động bước có vị trí cân trùng với vị trí stđ tổng F Trên hình 16.8b vẽ stđ tổng F cung cấp đồng thời cho số chẵn cuộn dây (trên hình vẽ cuộn dây cung cấp điện đồng thời) Trên hình 16.8c cung cấp đồng thời cho số lẻ cuộn dây (3 cuộn), trường hợp rô to động bước có m vị trí cân Góc xê dịch vị trí liên tiếp rơ to 2π/m Nếu cung cấp theo thứ tự số chẵn cuộn dây, số lẻ cuộn dây ví dụ 12 – – 23 - 3- m số vị trí cân rơ to gấp đơi 2m Nếu số lượng cuộn dây điều khiển ln thay đổi (ví dụ điều khiển theo trình tự chẵn, lẻ-chẵn ) gọi điều khiển không đối xứng, số lượng bước quay rơ to khoảng - 3600 là: K=m.n1n2.p Trong p-là số đôi cực; m-số cuộn dây điều khiển stato, n 1, n2-là hệ số điều khiển, cụ thể n1=1 điều khiển đối xứng, n1=2 điều khiển không đối xứng, n2= điều khiển xung cực, n 2=2 điều khiển xung lưỡng cực Bước quay rô to không gian α =3600/K 16.5.4 Mô men đồng trạng thái ổn định tĩnh động bước Công thức mô men đồng động bước khác với mô men đồng động đồng thường động bước cung cấp điện áp chiều điện áp xoay chiều Với động xoay chiều biên độ tần số điện áp khơng đổi từ thơng chế độ ổn định có giá trị khơng đổi đó: U1=E2 = 4,44fWφ = const Nếu từ dẫn thay đổi làm dịng từ hoá thay đổi 254 Trong động cung cấp dòng điện chiều, dòng điện cuộn dây stato số: U I= R =const s Nếu từ dẫn đường khép kín từ thơng thay đổi làm cho từ thông thay đổi phạm vi rộng : IW φ=R M = var Mô men đồng tĩnh động bước stato rơ to có kích từ viết dạng tổng mô men quay: M(θ)=MS+MR+MSR = pI s dL s dL dL + pI R R + pI s I R sR dθ dθ dθ ; (16.8) Trong IS, IR ,LS(θ),LR(θ)LSR(θ) giá trị xác lập dịng stato, rơ to, tự cảm, hỗ cảm stato, rô to , p-số đơi cực Mơ men MS-được hình thành thay đổi từ dẫn khe hở khơng khí đường từ thơng stato dịng Is sinh Mơ men MR-được hình thành thay đổi từ dẫn đường từ thông rôto dịng IR sinh Mơ men MSR-được hình thành thay đổi hỗ cảm stato rô to dòng Is IR sinh Trong trường hợp stato rơ to khơng kích thích (IS=0 IR=0) biểu thức mơ men đơn giản (ví dụ IR=0 MR=0 lúc biểu thức mơ men có dạng: dL s pI s dθ ) Quan hệ mô men thành phần MS, MR, MSR với góc quay θ góc từ trường tổng trục rô to xác định quan hệ L S, LR, LSR với góc quay θ Các quan hệ thường khơng hình sin ảnh hưởng cấu trúc cấu trúc cực lồi stato ro to, biểu diễn chúng dạng Fourier, mơ men MS, MR, MSR mô men tổng khơng phải hàm hìn sin theo góc quay θ Chúng biểu diễn tổng sóng điều hồ Trên hình 16.10 biểu diễn đường cong mô men tổng M=f(θ) (đường nét liền) sóng điều hồ (đường nét đứt) Chất lượng động bước đánh giá độ dốc đường cong mô men đồng M=f(θ), đặc biệt đầu vùng làm việc ổn định đường cong Độ cong M=f(θ) lớn đạo hàm (dM/dθ) lớn khả giữ đồng động lớn Sự có mặt yên ngựa đường cong M=f(θ) bất lợi giá trị mơ men tải có vị trí làm việc ổn định (M=M c) ví dụ điểm 1, hình 16.10 Ở động bước stđ stato chuyển dịch theo vịng trịn khe hở khơng khí stato rô to không liên tục mà đột biến, điều gây nên loạt đặc điểm riêng động bước Trên hình 16.11 vẽ đặc tính tĩnh động bước trước sau chuyển mạch cuộn dây Trước chuyển mạch giả thiết 255 rô ro động mang mô men cản M C , ứng với góc θ1 Sau chuyển mạch cuộn dây stato stđ stato chuyển dịch cách đột biến M M M M M1 M1 M1 M2 M2 M3 M3 Hình 16.10 Đường cong M=f(θ) số động bước bước quay α Nếu bỏ qua trình độ mạch điện stato coi dòng điện cuộn dây stato đạt đến giá trị xác lập cách tức thời đường cong mô men đồng tĩnh chuyển dịch cách tức thời góc α M M M2 M1 M1 Mđm α θ2 -M θ1 π θ α -M a) θ2 θ1 θ π b) 16.11 Đặc tính tĩnh động bước: M1-Trước chuyển mạch cuộn dây; M2-sau chuyển mạch cuộn dây Do chuyển dịch đột biến stđ mà góc tải tăng đột biến thêm đại lượng ∆θ=α Giá trị góc tải ứng với đường cong M θ2=θ1+α Trong trường hợp (hình 16.4a) mơ men đồng tăng thêm lượng ∆M>0 M>MC nên rơ to động bắt đầu chuyển dịch đến vị trí Tại vị trí cân ta lại có: M=MC ∆M=0 256 Cần lưu ý chuyển dịch rô to xảy điều kiện định, mà chuyển dịch stđ stato góc α khơng đưa động vào vùng ổn định đặc tính góc M=θ (hình 16.11a) Nếu bước α lớn rơ to động rơi vào vùng ổn định đặc tính góc M=f(θ) (hình 16.11b) Trường hợp rơ to khơng bám theo từ trường, tách khỏi trạng thái ổn định động bị bước Điều không phép xảy hệ thống tự động rời rạc bước tín hiệu thông tin Để động không bị bước cần thoả mãn điều kiện sau: π MC