Bài giảng biến đổi năng lượng điện cơ chương 7 ppsx

1Bài giảng 7
408001
Biến ñổi năng lượng ñiện cơ
TS. Nguyễn Quang Nam
HK2, 2009 – 2010
/>
2Bài giảng 7
 Máy một chiều là một thiết bị ña dụng với các ñặc tính cơ ưu việt. ðiều khiển
tốc ñộ dễ dàng là một trong những ưu ñiểm. Cả dây quấn stato (kích từ) lẫn rôto
(phần ứng) ñều tiêu thụ dòng ñiện một chiều tại ñầu cực.
 Với cùng chỉ tiêu kỹ thuật, các máy một chiều ñắt tiền hơn các máy xoay chiều.
Dây quấn kích từ trong các máy một chiều nhỏ có thể là nam châm vĩnh cửu.
 Dây quấn kích từ trên stato ñược kích thích bởi dòng một chiều, hoặc có thể
dùng nam châm vĩnh cửu, ñể tạo một từ trường ñứng yên. Dòng ñiện rôto ñược
cung cấp thông qua các chổi than và bộ cổ góp. Bộ cổ góp sẽ ñổi chiều dòng ñiện
trong các cạnh cuộn dây ñể từ trường rôto và stato luôn vuông góc nhau. ðiều
này giúp cực ñại hóa mômen sinh ra với một dòng ñiện ñã cho, và ñơn giản hóa
các yêu cầu ñiều khiển của máy.
 Các ñộng cơ vạn năng cũng có thể làm việc với ñiện áp AC, mặc dù ñược
phân loại là ñộng cơ DC.
Máy ñiện một chiều – Giới thiệu
3Bài giảng 7
Cấu tạo máy một chiều
Ổ ñỡ
Phần ứng có
nghiêng rãnh
Cổ góp
 Mạch từ phần ứng ghép từ nhiều
lá mỏng, có các rãnh rôto. Mỗi
cạnh cuộn dây ñược ñặt trong một
rãnh và nối với một phiến góp.

Luôn luôn có 2 cạnh cuộn dây nối
vào một phiến góp, ñể tạo thành
dây quấn xếp hoặc sóng.
 Mạch từ phần cảm không
cần ghép từ lá mỏng, vì chỉ có
kích thích một chiều. Lõi thép
này ñược gắn cố ñịnh vào
khung máy.
4Bài giảng 7
 Xét máy một chiều ñơn giản nhất với
sơ ñồ như hình bên phải.
 Mỗi cạnh cuộn dây ñược nối vào một
phiến góp.
 Khi một cạnh cuộn dây chuyển từ cực
từ này sang cực từ kia, phiến góp của nó
cũng chuyển sang chổi ñối diện. ðiều này
làm ñổi chiều dòng ñiện chạy trong cạnh
cuộn dây ñó, dẫn ñến mômen tác ñộng
lên cạnh cuộn dây giống như cũ.
Nguyên tắc hoạt ñộng
Cực từ
Cuộn dây
rôto
Cổ góp
Chổi
 Từ pp ñồng năng lượng, mômen là
( )
(
)
θ

θ
θ
d
dL
iiiiT
sr
srsr
e
=,,
5Bài giảng 7
 Các máy một chiều thực có nhiều phiến góp và cuộn dây rôto (Hình 8.4). Phiến
góp hoạt ñộng sao cho luôn tạo ra một trục từ phần ứng vuông góc với trục từ
kích từ  mômen không ñổi.
 Nói chung, mômen sinh ra tỷ lệ với các dòng ñiện phần ứng và kích từ:
Một máy một chiều thực tế hơn
fa
e
iGiT =
 Dưới ñây là mạch tương ñương cùng với các phương trình ñộng học:
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
Sức phản ñiện ñộng
6Bài giảng 7

Dây quấn xếp
Dây quấn xếp và dây quấn sóng
Dây quấn sóng
7Bài giảng 7
 Xét ñiều kiện vận hành với ñiện áp và tốc ñộ không ñổi, ở trạng thái xác lập,
các quan hệ công suất là
Một máy một chiều thực tế hơn (tt.)
famaaaaa
IIGIRIVP
ω
+==
2
2
fffff
IRIVP ==
mfam
e
m
IGITP
ωω
==
Công suất phần ứng
Công suất kích từ
Công suất cơ
 Có thể thấy rằng công suất cơ ñược tạo ra từ công suất phần ứng. ðiều này
cho phép sử dụng nam châm vĩnh cửu trong dây quấn kích từ của máy nhỏ.
 Các dây quấn phần ứng và kích từ có thể ñược nối theo nhiều cách khác nhau
cho các ứng dụng khác nhau. Ba cách nối chính bao gồm: kích từ ñộc lập, kích
từ nối tiếp, và kích từ song song.
8Bài giảng 7

 Các dây quấn kích từ và phần ứng ñược cung cấp bởi các nguồn riêng biệt.
Dây quấn kích từ thường ñược nối với một nguồn áp không ñổi, tạo ra một từ
trường không ñổi. Tốc ñộ và mômen của máy ñược ñiều khiển bởi dòng ñiện
phần ứng.
 Ở trạng thái xác lập, các quan hệ sau ñược thỏa mãn
Máy kích từ ñộc lập
loadafm
TIGIB
−
=
ω
fmaaa
IGIRV
ω
+
=
dẫn ñến
a
fma
a
R
IGV
I
ω
−
=
a
fma
f
e

R
IGV
GIT
ω
−
=
 ðặc tính cơ là một ñường thẳng, và dưới một dạng khác
( ) ( )
e
f
a
m
e
f
a
f
a
m
T
GI
R
T
GI
R
GI
V
2
0
2
−=−=

ωω
Mômen-tốc ñộ
9Bài giảng 7
 Chế ñộ hãm diễn ra khi công suất ñược ñưa vào máy ở cả phần ứng (Pa > 0)
lẫn trục máy (
Pm < 0), và toàn bộ công suất này ñược tiêu tán trên ñiện trở phần
ứng
R
a
.
 Chế ñộ máy phát tương ứng với P
m
< 0 và P
a
< 0, và chỉ xảy ra khi ω
m
>
V
a
/(GI
f
). Chế ñộ ñộng cơ xảy ra khi P
a
> 0 và P
m
> 0 (Hình 8.7).
ðặc tính cơ
ω
m
T

e
Increasing V
a
 Bằng cách cho dP
m
/dω
m
= 0 và giải theo
ω
m
, có thể xác ñịnh tốc ñộ ứng với công
suất cực ñại
f
a
mP
GI
V
2
=
ω
a
a
m
R
V
P
4
2
max
=

và
 Tốc ñộ có thể ñược ñiều chỉnh nhuyễn
bằng cách thay ñổi ñiện áp phần ứng
V
a
.
10Bài giảng 7
 Cuộn dây kích từ và phần ứng nằm nối tiếp nhau, tạo thành mạch tương
ñương dưới ñây.
Máy kích từ nối tiếp
Gω
m
i
L
a
+ L
f
R
a
+ R
f
v
+
_
i
(
)
(
)
iG

dt
di
LLiRRv
mfafa
ω
++++=
2
GiT
e
=
 Vận hành xác lập với ñiện áp không ñổi
ñược mô tả bởi
( )
mfa
GRR
V
I
ω
++
=
( )
[ ]
2
2
mfa
e
GRR
V
GT
ω

++
=
ω
m
T
e
Increasing V
11Bài giảng 7
 Các ñộng cơ vạn năng thực chất là các ñộng cơ một chiều kích từ nối tiếp, có
thể làm việc với nguồn AC lẫn DC. Khi ñược cấp nguồn AC, ñiện cảm của các
dây quấn nên ñược xem xét.
 Vận hành xác lập có thể ñược mô tả bởi
ðộng cơ vạn năng
( ) ( )
2
22
efamfa
LLGRR
V
I
ωω
++++
=
( ) ( )
2
22
2
2
efamfa
e

av
LLGRR
GV
GIT
ωω
++++
==
với ω
e
là tần số ñiện (rad/s).
 ðiện áp vào AC có thể ñược cắt pha bằng các mạch SCR hay triac ñể giảm
giá trị hiệu dụng của dòng ñiện, từ ñó giảm mômen sinh ra.
12Bài giảng 7
 Trong các máy kích từ song song, cuộn dây kích từ và phần ứng ñược nối
song song, tạo thành mạch tương ñương dưới ñây (ở chế ñộ ñộng cơ).
Máy kích từ song song
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 =
 Khi vận hành xác lập với ñiện áp ngõ vào
không ñổi
v = V,
f
f
R

V
I =
a
fm
a
R
IGV
I
ω
−
=
af
mf
fa
e
RR
GR
GVIGIT
2
2
ω
−
==
 Việc ñiều chỉnh tốc ñộ ñược thực hiện tốt nhất bằng cách nối một ñiện trở với
dây quấn kích từ.
13Bài giảng 7
 Một máy kích từ song song có thể vận hành như một máy phát, với một tải R
L
nối giữa các cực máy như dưới ñây.
Máy phát kích từ song song

dt
di
LiRv
f
fff
+=
dt
di
LiRiGv
a
aaafm
−−=
ω
 Khi vận hành xác lập với ñiện áp ngõ vào
không ñổi
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
14Bài giảng 7
 Trong một máy kích từ hỗn hợp, một phần dây quấn kích từ nằm nối tiếp với
phần ứng, và phần còn lại thì song song với phần ứng. Có 4 tổ hợp khác nhau
của hai phần dây quấn kích từ.
 Lý do chính của việc sử dụng dây quấn kích từ hỗn hợp là ñể giới hạn dòng
ñiện phần ứng ở tốc ñộ thấp (ñến trạng thái mở máy).

 Khi mở máy hay chạy ở tốc ñộ thấp, sức phản ñiện ñộng của máy nhỏ hơn
nhiều so với ñiện áp ñặt vào, do ñó dòng ñiện rất lớn sẽ chạy qua phần ứng, và
chỉ bị giới hạn bởi ñiện trở phần ứng. Có thể dùng một ñiện trở ngoài ñể giảm
dòng ñiện ñến mức chấp nhận ñược với cái giá phải trả là lãng phí năng lượng
trên ñiện trở này.
 Một cách tốt hơn ñể mở máy ñộng cơ là dùng các bộ biến ñổi công suất ñể
ñiều chỉnh ñiện áp phần ứng, thông qua kỹ thuật ñiều chế ñộ rộng xung (PWM).
Máy kích từ hỗn hợp và vấn ñề mở máy