Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài 10 - Nguyễn Quang Nam

Nội dung text: Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài 10 - Nguyễn Quang Nam

1. 408001 Bi ến đổi n ăng l ượng điện c ơ Gi ảng viên: TS. Nguy ễn Quang Nam 2013 – 2014, HK2 Bài gi ảng 10 1 Máy điện một chi ều – Gi ới thi ệu
   Máy m ột chi ều là một thi ết b ị đa dụng v ới các đặc tính c ơ ưu vi ệt. Điều khi ển t ốc độ dễ dàng là một trong nh ững ưu điểm. C ả dây qu ấn stato (kích t ừ) l ẫn rôto (ph ần ứng) đều tiêu th ụ dòng điện m ột chi ều t ại đầu c ực.
   Với cùng ch ỉ tiêu k ỹ thu ật, các máy m ột chi ều đắt ti ền h ơn các máy xoay chi ều. Dây qu ấn kích t ừ trong các máy m ột chi ều nh ỏ có th ể là nam châm v ĩnh c ửu.
   Dây qu ấn kích t ừ trên stato được kích thích b ởi dòng m ột chi ều, ho ặc có th ể dùng nam châm v ĩnh c ửu, để tạo m ột t ừ tr ường đứng yên. Bài gi ảng 10 2
2. Máy điện một chi ều – Gi ới thi ệu (tt)
   Dòng điện rôto được cung c ấp thông qua các ch ổi than và bộ cổ góp. B ộ cổ góp s ẽ đổi chi ều dòng điện trong các c ạnh cu ộn dây để từ trường rôto và stato luôn vuông góc nhau. Điều này giúp c ực đại hóa mômen sinh ra v ới m ột dòng điện đã cho, và đơn giản hóa các yêu c ầu điều khi ển c ủa máy.
   Các động c ơ v ạn n ăng c ũng có th ể làm vi ệc v ới điện áp AC, m ặc dù được phân lo ại là động c ơ DC. Bài gi ảng 10 3 Phân lo ại
   Thường được phân lo ại theo cách kích t ừ: kích t ừ độc l ập, kích t ừ song song, kích t ừ nối ti ếp, và kích t ừ hỗn h ợp.
   Với máy kích t ừ độc l ập, ngu ồn kích t ừ có th ể là một ngu ồn điện, ho ặc là một nam châm v ĩnh c ửu.
   Động c ơ v ạn n ăng có th ể làm vi ệc v ới ngu ồn DC l ẫn AC, nh ưng b ản ch ất là một động c ơ DC kích t ừ nối ti ếp.
   Với nh ững ti ến b ộ về điện t ử công su ất, động c ơ DC không ch ổi than đang ngày càng phát tri ển. Bài gi ảng 10 4
3. Cấu t ạo máy một chi ều
   Mạch t ừ ph ần ứng ghép t ừ nhi ều lá mỏng, có các rãnh rôto. M ỗi Ph ần ứng có cạnh cu ộn dây được đặt trong m ột nghiêng rãnh rãnh và nối v ới m ột phi ến góp. Cổ góp Luôn luôn có 2 c ạnh cu ộn dây n ối vào m ột phi ến góp, để tạo thành dây qu ấn x ếp ho ặc sóng.
   Mạch t ừ ph ần c ảm không cần ghép t ừ lá mỏng, vì ch ỉ Ổ đỡ có kích thích m ột chi ều. Lõi thép này được g ắn c ố định vào khung máy. Bài gi ảng 10 5 Cấu t ạo máy một chi ều ( ảnh ch ụp ph ần c ảm) Bài gi ảng 10 6
4. Cấu t ạo máy một chi ều ( ảnh ch ụp ph ần ứng) Bài gi ảng 10 7 Dây qu ấn x ếp và dây qu ấn sóng Dây qu ấn sóng Dây qu ấn x ếp Bài gi ảng 10 8
5. Nguyên t ắc ho ạt động
   Xét máy m ột chi ều đơ n gi ản nh ất Cực t ừ với s ơ đồ như h ình bên ph ải.
   Mỗi c ạnh cu ộn dây được n ối vào một phi ến góp.
   Khi m ột c ạnh cu ộn dây chuy ển t ừ cực từ này sang c ực t ừ kia, phi ến góp c ủa nó cũng chuy ển sang ch ổi đối di ện. Điều này Ch ổi làm đổi chi ều dòng điện ch ạy trong c ạnh Cổ góp Cu ộn dây cu ộn dây đó, d ẫn đến mômen tác động rôto lên c ạnh cu ộn dây gi ống nh ư c ũ. (θ ) e dL sr
   Từ pp đồng n ăng l ượng, mômen là T ()i ,i ,θ = ii r s r s dθ Bài gi ảng 10 9 Một máy một chi ều th ực t ế hơn
   Các máy m ột chi ều th ực có nhi ều phi ến góp và cu ộn dây rôto (Hình 8.4). Phi ến góp ho ạt động sao cho luôn t ạo ra m ột tr ục t ừ ph ần ứng vuông góc v ới tr ục t ừ kích t ừ  mômen không đổi.
   Nói chung, mômen sinh ra t ỷ lệ với các dòng điện ph ần ứng và kích t ừ: e = T Gi ai f
   Dưới đây là mạch t ươ ng đươ ng cùng v ới các ph ươ ng trình động h ọc: Bài gi ảng 10 10
6. Một máy một chi ều th ực t ế hơn (tt)
   Mạch t ươ ng đươ ng và các ph ươ ng trình động h ọc: di v = R i + L f f f f f dt di v = R i + L a + Gω i a a a a dt m f Sức ph ản điện động _ La R + vf a Rf if + ia ω va G mif L f _ Bài gi ảng 10 11 Một máy một chi ều th ực t ế hơn (tt.)
   Xét điều ki ện v ận hành v ới điện áp và tốc độ không đổi, ở tr ạng thái xác l ập, các quan h ệ công su ất là = = 2 + ω Công su ất ph ần ứng Pa Va I a Ra I a G m I a I f = = 2 Công su ất kích t ừ Pf V f I f R f I f = eω = ω Công su ất c ơ Pm T m GI a I f m
   Có th ể th ấy r ằng công su ất c ơ được t ạo ra t ừ công su ất ph ần ứng. Điều này cho phép s ử dụng nam châm v ĩnh c ửu trong dây qu ấn kích t ừ của máy nh ỏ. Bài gi ảng 10 12
7. Máy kích t ừ độc l ập
   Các dây qu ấn kích t ừ và ph ần ứng được cung c ấp b ởi các ngu ồn riêng bi ệt. Dây qu ấn kích t ừ thường được n ối v ới m ột ngu ồn áp không đổi, t ạo ra m ột t ừ trường không đổi. T ốc độ và mômen c ủa máy được điều khi ển b ởi dòng điện ph ần ứng.
   Ở tr ạng thái xác l ập, các quan h ệ sau được th ỏa mãn ω = − = + ω B m GI f I a Tload Va Ra I a G m I f dẫn đến Mômen-tốc độ V − Gω I V − Gω I = a m f e = a m f I a T GI f Ra Ra Bài gi ảng 10 13 Đặc tính c ơ
   Đặc tính mômen – tốc độ thường được g ọi là đặc tính c ơ, là một đường th ẳng trong tr ường h ợp máy DC, và dưới m ột dạng khác V R R ω = a − a T e = ω − a T e m ()2 m0 ()2 GI f GI f GI f
   Ch ế độ hãm di ễn ra khi công su ất được đư a vào máy ở cả ph ần ứng ( Pa > 0 ) lẫn tr ục máy ( Pm < 0 ), và toàn b ộ công su ất này được tiêu tán trên điện tr ở ph ần ứng Ra. Bài gi ảng 10 14
8. Đặc tính c ơ (tt)
   Ch ế độ máy phát t ươ ng ứng v ới Pm V a/(GI f). Ch ế độ động c ơ x ảy ra khi Pa > 0 và Pm > 0 (Hình 8.7). ω Tăng V a m ω
   Bằng cách cho dP m/d m = 0 và ω gi ải theo m, có th ể xác định t ốc độ ứng v ới công su ất c ực đại V V 2 ω = a và max = a mP Pm Te 2GI f 4Ra
   Tốc độ có th ể được điều ch ỉnh nhuy ễn b ằng cách thay đổi điện áp ph ần ứng Va (hình trên). Bài gi ảng 10 15 Ví dụ 8.1  Động c ơ DC kích t ừ độc l ập có Va = 300 V và dòng ph ần ứng định m ức là 60 A. Điện tr ở ph ần ứng là 0,2 Ω, dòng kích từ If = 2 A và G = 1,5 H. Tìm t ốc độ và công su ất điện t ừ (tính bằng HP).
   Từ phương tr ình điện áp − = − ( ) = ω Va Ra I a 300 60 2,0 G m I f
   Suy ra t ốc độ động c ơ 300 − 60 ( 2,0 ) ω = = 96 rad/s m 5,1 ()2 Bài gi ảng 10 16
9. Ví dụ 8.1 (tt)
   Tốc độ tính b ằng vòng/phút: 60 (ω ) 60 (96 ) n = m = = 916 7, vòng/phút 2π 2π
   Mômen điện t ừ: e = = ( )( ) = T GI f Ia 5,1 2 60 180 N.m
   Công su ất điện t ừ tương ứng: = eω = ( ) = Pm T m 180 96 17280 W = 23 ,16 HP Bài gi ảng 10 17 Máy kích t ừ nối ti ếp
   Cu ộn dây kích t ừ và ph ần ứng n ằm n ối ti ếp nhau, t ạo thành m ạch t ươ ng đươ ng d ưới đây. L + L a f Ra + R f = ( + ) + ( + )di + ω v Ra R f i La L f G mi + dt i e 2 ω v T = Gi G mi _
   Vận hành xác l ập v ới điện áp ω không đổi được mô t ả bởi m V I = Tăng V ()+ + ω Ra R f G m V 2 T e = G []()+ + ω 2 Ra R f G m Te Bài gi ảng 10 18
10. Ví dụ 8.2  Động c ơ DC kích t ừ nối ti ếp 220 V tiêu th ụ dòng điện 25 A và quay v ới t ốc độ 300 vòng/phút. Điện tr ở ph ần ứng là 0,6 Ω và điện tr ở kích t ừ là 0,4 Ω. Tính công su ất ra đầu tr ục để kéo m ột t ải qu ạt và mômen c ủa máy.
    Từ phương tr ình điện áp − ( + ) = − ( + ) = ω Va Ra R f I 220 25 6,0 4,0 G m I
    Công su ất do động c ơ t ạo ra: = ( ω ) = ( ) = = Pm G m I I 195 25 4880 W 6,54 HP Bài gi ảng 10 19 Ví dụ 8.2 (tt)
    Tốc độ động c ơ tính b ằng rad/s: 2πn 2π (300 ) ω = = = 31 ,42 rad/s m 60 60
    Mômen c ủa động c ơ: P 4880 T e = m = =155 3, N.m ω m 31 ,42 Bài gi ảng 10 20
11. Động c ơ v ạn n ăng
    Các động c ơ v ạn n ăng th ực ch ất là các động c ơ m ột chi ều kích t ừ nối ti ếp, có th ể làm vi ệc v ới ngu ồn AC l ẫn DC. Khi được c ấp ngu ồn AC, điện c ảm c ủa các dây qu ấn nên được xem xét.
    Vận hành xác l ập có th ể được mô t ả bởi V I = ()()+ + ω 2 + + 2 ω 2 Ra R f G m La L f e GV 2 T e = GI 2 = av ()()+ + ω 2 + + 2 ω 2 Ra R f G m La L f e ω với e là tần s ố điện (rad/s). Bài gi ảng 10 21 Động c ơ v ạn n ăng (tt)
    Với đặc tính c ơ c ủa m ột động c ơ kích t ừ nối ti ếp, động c ơ vạn n ăng r ất thích h ợp cho các máy công c ụ, như máy xay, khoan điện, vì dải t ốc độ làm vi ệc r ất r ộng và kh ả năng th ích ứng v ới các mômen thay đổi r ộng, trong khi công su ất làm vi ệc g ần nh ư không đổi trong d ải t ốc độ làm vi ệc.
    Điện áp vào AC có th ể được c ắt pha b ằng các m ạch SCR hay triac để gi ảm giá tr ị hi ệu d ụng c ủa dòng điện, t ừ đ ó gi ảm mômen sinh ra. Bài gi ảng 10 22
12. Máy kích t ừ song song
    Trong các máy kích t ừ song song, cu ộn dây kích t ừ và ph ần ứng được n ối song song, t ạo thành m ạch t ươ ng đươ ng d ưới đây (ở ch ế độ động c ơ). di f i La = + Ra v R f i f L f dt + ia Rf di a = + + ω v ω v Raia La G mi f G mif dt if Lf _ e = T Gi ai f Bài gi ảng 10 23 Máy kích t ừ song song (tt)
    Khi v ận hành xác l ập v ới điện áp ngõ vào không đổi v = V , = V I f R f V − Gω I = m f I a Ra R − Gω e = = 2 f m T GI a I f GV 2 R f Ra
    Vi ệc điều ch ỉnh t ốc độ được th ực hi ện t ốt nh ất b ằng cách nối m ột điện tr ở với dây qu ấn kích t ừ. Bài gi ảng 10 24
13. Ví dụ 8.3  Động c ơ DC ở ví dụ 8 .1 được n ối thành d ạng kích t ừ song song nh ư hình 8.13, tiêu th ụ 30 A. Điện tr ở kích t ừ là 100 Ω. Tính t ốc độ, công su ất điện t ừ, và mômen c ủa động c ơ.
    Dòng điện kích t ừ: 300 I = = 3 A f 100
    Dòng điện ph ần ứng: = − = − = I a I I f 30 3 27 A Bài gi ảng 10 25 Ví dụ 8.3 (tt)
    Từ phương tr ình điện áp − = − ( ) = ω Va Ra Ia 300 27 2,0 G m I f
    Suy ra, t ốc độ của động c ơ: 300 − 27 ( 2,0 ) ω = = 65 5, rad/s m 5,1 ()3
    Do đ ó: 60 (ω ) 60 (65 5, ) n = m = = 625 vòng/phút 2π 2π Bài gi ảng 10 26
14. Ví dụ 8.3 (tt)
    Công su ất điện t ừ của động c ơ: = ( ω ) = ( ) = Pm G m I f Ia 294 6, 27 7954 W
    Mômen điện t ừ của động c ơ: P 7954 T e = m = =121 4, N.m ω m 65 5, Bài gi ảng 10 27 Máy phát kích t ừ song song
    Một máy kích t ừ song song có th ể vận hành nh ư m ột máy phát, v ới m ột t ải RL nối gi ữa các c ực máy nh ư d ưới đây. i La R di a v = R i + L f f f f dt + ia Rf = ω − − di a v G mi f Rai a La R v Gω i dt L m f i f L = ( − ) f v RL ia i f _
    Khi v ận hành xác l ập v ới điện áp ngõ ra không đổi v = V , = = ω − = ( − ) V I f R f G m I f Ra I a RL I a I f Bài gi ảng 10 28
15. Máy kích t ừ hỗn h ợp và vấn đề mở máy
    Trong m ột máy kích t ừ hỗn h ợp, m ột ph ần dây qu ấn kích từ nằm n ối ti ếp v ới ph ần ứng, và ph ần còn l ại thì song song với ph ần ứng. Có 4 t ổ hợp khác nhau c ủa hai ph ần dây qu ấn kích t ừ.
    Lý do chính c ủa vi ệc s ử dụng dây qu ấn kích t ừ hỗn h ợp là để gi ới h ạn dòng điện ph ần ứng ở tốc độ th ấp (bao g ồm c ả tr ạng thái m ở máy). Bài gi ảng 10 29 Máy kích t ừ hỗn h ợp và vấn đề mở máy
    Khi m ở máy hay ch ạy ở tốc độ th ấp, s ức ph ản điện động của máy nh ỏ hơn nhiều so v ới điện áp đặt vào, do đó dòng điện r ất l ớn s ẽ ch ạy qua ph ần ứng, và ch ỉ bị gi ới h ạn b ởi điện tr ở ph ần ứng. Có th ể dùng m ột điện tr ở ngoài để gi ảm dòng điện đến m ức ch ấp nh ận được v ới cái giá ph ải tr ả là lãng phí năng lượng trên điện tr ở này.
    Một cách t ốt h ơn để mở máy động c ơ là dùng các b ộ bi ến đổi công su ất để điều ch ỉnh điện áp ph ần ứng, thông qua k ỹ thu ật điều ch ế độ rộng xung (PWM). Bài gi ảng 10 30