Thiết kế môn học(ht)

Động cơ điện 1 chiều, cấu trúc, mô phỏng ...

Chương 1: Tổng quan động cơ điện một chiều Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, nó được sử dụng rộng trong hệ thống đòi hỏi có độ chính xác cao, vùng điều chỉnh rộng và qui luật điều chỉnh phức tạp. Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể chứng kiến sự phát triển nhanh kể cả về qui mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại.Trong sự phát triển đó ta cũng có thể dễ dàng nhận ra và khẳng định rằng điện năng và máy tiêu thụ điện năng đóng vai trò quan trọng không thể thiếu được. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề cũng nhưng làm mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện. 1.1. Khái niệm động cơ điện một chiều. Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điện từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào cuộn dây và làm cuộn dẫn chuyển động. Động cơ điện biến đổi năng lượng điện thành cơ năng. Ngày nay, trong sản xuất động cơ điện vẫn được sử dụng nhiều, nhất là những nơi đồi hỏi việc điều chỉnh tốc độ có giới hạn điều chỉnh lớn và độ điều chỉnh láng. Động cơ điện một chiều cũng được chia thành: động cơ kích từ động lập, song song, nối tiếp và hỗn hợp. Trong “ Thiết kế môn học này” ta tìm hiều sâu hơn về động cơ điện một chiều kích từ động lập. 1.2. Cấu tạo chung của động cơ điện một chiều Giống như các loại máy điện quay khác, động cơ điện một chiều cũng có cấu tạo gồm 2 phần chính: phân cảm (stato) và phần ứng (roto). 1 2 1 3 8 7 6 5 4 9 Hình 1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều 1.2.1. Phần cảm (stato) - Phần cảm gọi là stato, là nơi tạo ra từ thông chính của máy, gồm các chi tiết sau: - Cực từ chính : gắn vỏ máy nhờ các bulông. Là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1 mm ép lại và tán chặt.Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối . - Dây quấn kích từ : đặt trên lõi cực từ và cách điện với thân cực từ. Nó được quấn bằng dây đồng bọc cách điện, có thể gồm cuộn kích từ nối tiếp hoặc kích từ song song. - Cực từ phụ : lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối. Cực từ phụ được đặt lên các cực từ chính và dùng để cải thiện quá trình đảo chiều. Có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại . - Vỏ máy : làm bằng gang hoặc thép, cực từ chính và cực từ phụ được ghép vào vỏ máy. Vỏ máy làm nhiệm vụ bảo vệ máy đảm bảo an toàn cho người vận hành và khai thác. Phía cổ góp thì nắp có các cửa sổ cúp xuống để thông gió và tránh nước bắn vào. Có thể mở cửa sổ này để quan sát tia lửa điện trên cổ góp. 2 - Cơ cấu chổi than : để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính . - Gông từ :dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. 1.2.2.Phần ứng ( Roto) Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là roto, gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy. - Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng - Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp (hình 1.2 a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình 1.2b). Hình 1.2. Dây quấn phần ứng động cơ 1 chiều a)Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn - Cổ góp ( vành góp) : Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trục tròn. Cổ góp vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ học, chống mài mòn. 3 - Ngoài ra còn bộ phận khác như : cánh quạt, vòng bi, trục máy … Hình 1.3. Cổ góp và chổi than 1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều. Khi đặt điện áp một chiều vào phần cảm (Stato) thì trong phần cảm xuất hiện từ trường Ф kt . Đồng thời đặt điện áp một chiều vào phần ứng thì trong dây quấn phần ứng (Roto) xuất hiện dòng điện i ư . Do đó thanh dẫn phần ứng chịu một lực tác động F, có chiều được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.F=BLI lực F sẽ tạo ra mômen quay làm quay rô to. Để chứng minh nguyên lý làm việc trên, đơn giản ta xét cho máy điện có rôto là khung dây, Stato là một nam châm điện hai cực Bắc - Nam (N-S) sau đây : - Trên (hình h1): khi mặt phẳng khung dây ABCD trùng với các đường sức của từ trường Ф kt , nếu điện áp U(=) mạch ngoài có dương ở chổi C 1 âm ở chổi C 2 thì chiều dòng điện chạy trong rôto có chiều là: (+) C 1 V 1 ABCDV 1 C 2 (-). Dùng quy tắc bàn tay trái, ta xác định được chiều của lực F và từ đó suy ra chiều mô men M và ω. - Trên (hình h2): tương tự khi mặt phẳng ABCD quay đi 180 o so với hình h1 ta thấy chiều dòng điện chạy trong phần ứng là: (+)C 1 .V 2 DCBAV 1 .C 2 (-) và tương tự ta cũng 4 ω φ kt - + B U (h.1) c 1 v 2 D C A c 2 v 1 I­ I­ F F F F I­ I­ v 1 c 2 D B A v 2 c 1 (h.2) U C + - kt φ ω xác định được chiều của F và chiều của Mômen M cũng như ω có chiều tương tự ở hình h1. Kết luận : Điện áp mạch ngoài là một chiều nhưng dòng phần ứng là xoay chiều, do đó mọi thời điểm chiều của lực mômen là không đổi. Chổi than và cổ góp đóng vai trò là cái nghịch lưu cơ khí. 1.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đặc điểm của động cơ là dòng kích từ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ. Ta mắc động cơ theo 2 cách sau : a. Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng . b. Nếu nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì nguồn kích từ phải độc lập với nguồn phần ứng . 5 - Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng : U ư = E ư + ( R ư + R f ).I ư (1) Trong đó : U ư – Là điện áp phần ứng (V) E ư – Là sức điện động phần ứng (V) R ư – Là điện trở của mạch phần ứng ( Ω ) R f – Là điện trở phụ trong mạch phần ứng ( Ω ) I ư – Là dòng điện mạch phần ứng (A) Ta có : . . u E k φ ω = (2) Với : . 2. . P N k a π = Trong đó : P – Là số đôi cực N – Là tổng số thanh dẫn của cuộn dây phấn ứng a – Là số mạch nhánh song song . Từ (1) và (2) ta có : U ư = . .k φ ω + ( R ư + R f ).I ư ⇒ ω = . . u f u u R R U I k k φ φ + − (3) Phương trình (3) - Là phương trình đặc tính cơ – điện . Ta có : Mômen điện từ là : . . u M k I φ = suy ra . u M I k φ = (4) Thay (4) vào (3) ta được : ( ) 2 . . u f u R R U M k k ω φ φ + = − (5) Phương trình (5) - là phương trình đặc tính cơ . - Khi Ι = 0 hoặc M = 0 thì . u o U k ω ω φ = = là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ . 6 - Khi ω = 0 thì nm Uu I I Ru Rf = = + Với . . nm nnm M k I M φ = = . ( I nm và M nm là dòng điện và momen ngắn mạch ). 7 Chương 2 : Xây dựng cấu trúc mô phỏng mạch vòng dòng điện 2.1. Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều . 2.1.1. Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện 1 chiều. Cho đến nay, động cơ điện một chiều vẫn được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền động chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đến vài MW. Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều được biểu diễn như sau: U k U I i k R k L k M c CB CKN CKÐ CF M E N P' a L R U U w Hình 2.1. Giản đồ thay thế động cơ một chiều Trong đó : - CKĐ : dây quấn kích từ độc lập - CKN : dây quấn kích từ nối tiếp - CB : dây quấn bù - CF : dây quấn cực từ phụ - U K : điện áp kích thích - U : điện áp phần ứng 8 - N, P’, a, L Ư , R Ư : số thanh dẫn ,số đôi cực, số đôi mạch nhánh ,hệ số tự cảm và điện trở phần ứng - R K , L K : điện trở và điện cảm cuộn kích từ độc lập - i K : dòng điện phần kích từ - I : là dòng điện phần ứng - ω , M ,M C : là tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động cơ 2.1.2. Chế độ xác lập của động cơ một chiều. Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u k nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện i k và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau: '. . . 2 . p N M I k I a π = Φ = Φ (2.1) Trong đó: p ’ - số đôi cực của động cơ; N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ; a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng; k = p ’ N/2пa - hệ số kết cấu của máy. Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động (sđđ): ' . . . 2 . p N E k a ω ω π = Φ = Φ (2.2) Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto. Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng: u U R I k ω − = Φ Trong đó: R ư là điện trở mạch phần ứng của động cơ (2.3) 2.1.3. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều . 9 Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 2.1 như sau : * Mạch kích từ: có hai biến dòng điện kích từ i k và từ thông Φ là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt : U k (p) = R k I k (p) + N k .p.Φ(p) (2.4) trong đó: N k - số vòng dây cuộn kích từ; R k - điện trở cuộn dây kích từ. * Mạch phần ứng: U(p) = R ư .I(p) + Lư.p.I(p) ± N N .p.Φ(p) + E(p) (2.5) Hoặc dạng dòng điện: I(p) = [ ] )()( )( 1 /1 pEppNpU pT R N u u −Φ± + trong đó : L ư - điện cảm mạch phần ứng; N N - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp; T ư = L ư /R ư - hằng số thời gian mạch phần ứng. * Phương trình hệ điện cơ (phương trình chuyển động của hệ thống): M(p) – M c (p) = Jpω (2.6) trong đó: J là mômen quán tính của các phần tử chuyển động quy đổi về trục động cơ. 2.1.4. Thành lập sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều. Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều như sau: • Dạng đầy đủ : 10