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
/>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
11Lecture 10
¾ 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).

L
a
R
a
R
f
L
f
i
a
i
+
_
v
i
f
Gω
m
i
f
dt
di
LiRv
f
fff
+=
fm
a
aaa
iG

dt
di
LiRv
ω
++=
fa
e
iGiT =
¾ Các quan hệ khi ĐC DC kích từ song song
vận hành xác lập với áp nguồn không đổi v = V,
f
f
R
V
I =
a
fm
a
R
IGV
I
ω
−
=
af
mf
fa
e
RR
GR

GVIGIT
2
2
ω
−
==
¾ Cách điều tốc hiệu quả nhất là hiệu chỉnh điện trỡ ngoài mắc trên cuộn kích từ.
Máy điện DC kích từ song song
12Lecture 10
¾ Khi được vận hành như một máy phát điện với tải tiêu thụ R
L
được kết nối ở
ngõ ra phần ứng như hình, ta xây dựng được các quan hệ.
dt
di
LiRv
f
fff
+=
dt
di
LiRiGv
a
aaafm
−−=
ω
¾ Các quan hệ khi MP DC kích từ song song
vận hành xác lập với áp tải không đổi v = V,
L
a

R
a
R
f
L
f
i
a
i
+
_
v
i
f
Gω
m
i
f
R
L
(
)
faL
iiRv
−
=
(
)
faLaafmff
IIRIRIGRIV

−
=
−
=
=
ω
Máy phát điện DC kích từ song song
13Lecture 10
¾ 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.
¾ Lý do chính khi khai thác động cơDC kích từ hổn hợp là để giới hạn dòng
phần ứng ở vùng tốc độ thấp (gồ
m cả dòng khởi động).
¾ Khi khởi động hay vận hành ở vùng tốc độ thấp, thường sức phản điện động
EMF nhỏ hơn nhiều so với áp nguồn nuôi, do đódễ 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 đ
iện áp này.
¾ 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, thông qua kĩ thuật
điều rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM).
Máy điện DC kích từ hổn hợp và cách khởi động
14Lecture 10
¾ Có kết cấu dây quấn stator gồm 2 cuộn đặt lệch nhau 90
0
trong không gian để
tạo từ trường quay khi cấp dòng 2 pha lệch nhau 90
o
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.
¾ Đơn giản hơn ta chỉ cần thêm cuộn kích từ mồi, kéo động cơ cảm ứng một
pha khởi 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 cả
m 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 90
o
cần thiết. Các sơ đồ thông dụng hiện nay
dành cho động cơ cảm ứng một pha bao gồm: Kiểucuộnphụ riêng lẽ; Kiểucuộn
phụ thêm tụ khởi động; Kiểucuộnphụ thêm tụ thường trực; Kiểucuộnphụ phối
hợptụ thường trực& khởi động; Kiểucuộnphụ khởi động phốihợ
ptụ thường
trực.
Khảo sát động cơ cảm ứng một pha
15Lecture 10
Khảo sát cấu tạo thực của động cơ cảm ứng một pha
16Lecture 10
Các kiểu động cơ cảm ứng một pha
Kiểucuộnphụ riêng lẽ
Kiểucuộnphụ dùng tụ khởi động
Kiểucuộnphụ dùng tụ
thường trực
Kiểucuộnphụ dùng tụ
thường trực& khởi động
Kiểucuộnphụ khởi động
phốihợptụ thường trực
17Lecture 10
Các Bài Tập

¾ Các BT sẽ đươc hướng dẫn trên lớp.