Bài giảng Điện tử công suất và điều khiển động cơ - Chương 5: Khái niệm chung về động cơ điện - Nguyễn Thị Hồng Hạnh

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Quá trình biến đổi năng lượng Điện từ trường – Cơ năng Điện từ là phương pháp biến đổi năng lượng được ứng dụng phổ biến nhất trong cơ cấu chấp hành cơ điện nói chung và động cơ điện nói riêng. Năng lượng điện Từ trường Cơ năng Công thức liên hệ mật độ từ thông và từ trườngB r H r trong đó là hằng số độ từ thẩm, là độ từ thẩm ứng với từng loại vật liệu. 0µ 0( )rB H Hµ µ= ⋅ ⋅ ur uur uur ( )Hr rµ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Quá trình biến đổi năng lượng (tiếp) Định luật Lorenz F i B= ×ur r ur Khi một vật dẫn mang dòng điện được đặt trong từ trường, nó sẽ chịu tác động một lực cảm ứng theo công thức: F r i r B r vectơ lực vectơ dòng điện vectơ mật độ từ thông F F BLi= =ur Độ lớn của lực Lorenz: trong đó là từ thông. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Quá trình biến đổi năng lượng (tiếp) Định luật Faraday Chuyển động của một vật dẫn trong từ trường sẽ sinh ra một sức điện động (hiệu điện thế) ở hai đầu vật dẫn: demf E dt φ= = − emf E BLv= = .B dAφ = ∫ rr Vật có độ dài L chuyển động với tốc độ v không đổi trong từ trường không đổi vuông góc với bề mặt: Định luật Boit-Savart NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Quá trình biến đổi năng lượng (tiếp) Môt vật mang điện dài vô hạn, thẳng, sinh ra một từ trường quanh vật dẫn, mật độ từ thông B ở khoảng cách r được xác định như sau 0 2 rB i r µ µ π= ⋅ Nếu độ dài L lớn hơn nhiều đường kính D thì B được xác định theo quy tắc bàn tay phải và có giá trị là NB i L µ= ⋅ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Kết cấu của động cơ điện Stator, phần tĩnh của động cơ, nó có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây. Rotor, phần quay của động cơ, nó có thể là lõi sắt từ và các cuộn dây hoặc nam châm vĩnh cửu. Tùy theo từng loại động cơ mà còn có thêm bộ phận khác như: vành góp, chuyển mạch Mômen sinh ra trong động cơ điện là do tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ trường stator. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Mạch từ của động cơ Từ trường chính, móc vòng từ phần tĩnh sang phần ứng qua khe hở không khí. Từ trường tản, móc vòng từ phần tĩnh qua vỏ máy, gông từ Từ thông chính được tạo ra từ từ trường chính và cảm ứng tạo nên suất điện động (sđđ) trong phần 0Φ ứng. Từ thông tản không tham gia vào quá trình tạo sđđ nhưng góp phần làm bão hòa mạch từ, và giảm hiệu suất hoạt động của động cơ. σΦ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Phát nhiệt của động cơ Phát nhiệt gây ra do tổn hao của quá trình biến đổi năng lượng bên trong máy điện quay. Tổn hao của động cơ được chia làm hai loại: - Tổn hao đồng, gây ra do điện trở của cuộn dây, làm phát nhiệt trên chính cuộn dây. - Tổn hao từ hóa, gây ra do từ thông tản không móc vòng qua phần ứng, làm phát nhiệt. Phát nhiệt còn phụ thuôc vào chế độ làm việc của động cơ: - Chế độ định mức liên tục, nhiệt độ tăng đến giá trị xác lập (nhiệt độ làm việc). NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Phát nhiệt của động cơ - Chế độ làm việc định mức ngắn hạn, nhiệt độ thăng giáng ít - Chế độ làm việc gián đoạn lắp lại, nhiệt độ dao động trong phạm vi thấp hơn nhiệt độ làm việc. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Cấu tạo Stator, phần tĩnh, là các cực lồi ghép từ lá thép kỹ thuật điện, và các cuộn dây quấn xung quanh. Rotor, phần ứng, là các cuộn dây đặt giữa các rãnh. Từ trường tạo ra có dạng đập mạch, hiệu suất hoạt động thấp.Có 3 phương pháp nâng cao hiệu suất hoạt động: - tăng số cuộn dây; - tăng số đôi cực; - tăng số vòng dây. : là hệ số sức điện động ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ độc lập aaRIEU += Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Sức điện động của phần ứng: nKn a pNE eΦ=Φ= 60 Mômen điện từ của động cơ: aa IKIa pNM Φ=Φ= π2 eKK : là hệ số cấu tạo ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ ( ) MK R K U 2Φ−Φ=ω Phương trình đặc tính cơ liên hệ giữa tốc độ và mômen: Phương trình đặc tính cơ điện liên hệ giữa tốc độ và dòng điện phần ứng: ( ) aIK R K U Φ−Φ=ω càng tăng. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ Ảnh hưởng của điện trở phần ứng (mắc thêm điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây phần ứng), đặc tính cơ càng dốc khi axR axR Phương pháp điều chỉnh điện trở phần ứng được ứng dụng cho bài toán hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ Ảnh hưởng của điện áp phần ứng (thay đổi điện áp đặt vào phần ứng-giảm áp), độ dốc của đường đặc tính không đổi nhưng giá trị momen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch, tốc độ không tải giảm theo giá trị điện áp giảm. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng sử dụng cho bài toán điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. 0ω 01ω 02ω ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ Ảnh hưởng của từ thông, từ thông được thay đổi thông qua việc thay đổi dòng điện kích từ tại mạch kích từ. Khi thay đổi từ thông, mômen của phần ứng cũng bị thay đổi theo. Phương pháp điều chỉnh từ thông sử dụng cho bài toán điều chỉnh mômen. 0ω 0ω 01ω 01ω 02ω 02ω ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ song song Nếu giả thiết nguồn lưới cấp cho động cơ đủ lớn và điện áp được giữ cố định trong suốt quá trình làm việc thì ta có thể coi động cơ kích từ song song là một động cơ kích từ độc lập. Phương trình đặc tính cơ và cơ điện hoàn toàn tương tự như động cơ kích từ độc lập. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ nối tiếp Phần kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng. Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Sức điện động của phần ứng: Mômen điện từ của động cơ: ( ) ama IRREU ++= nKn a pNE eΦ=Φ= 60 aa IKIa pNM Φ=Φ= π2 : là hệ số sức điện độngeK K : là hệ số cấu tạo Phương trình đặc tính cơ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ nối tiếp Phương trình đặc tính cơ liên hệ giữa tốc độ và mômen: Phương trình đặc tính cơ điện liên hệ giữa tốc độ và dòng điện phần ứng: a ma I K RR K U Φ +−Φ=ω ( ) MK RR K U ma 2Φ +−Φ=ω ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ nối tiếp Đặc tính cơ của động cơ phụ thuộc theo tải, có khả năng chịu quá tải lớn về mômen do đó động cơ kích từ nối tiếp được sử dụng cho hệ truyền động có yêu cầu hệ số làm việc quá tải lớn hoặc yêu cầu mômen khởi động lớn. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Cấu tạo Stator có cấu tạo là 3 cuộn dây đặt lệch nhau một góc 120 độ. Điện áp đặt vào là 3 pha. Rotor có cấu tạo lồng sóc hoặc 3 cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ. Từ trường sinh ra bởi điện áp 3 pha đặt vào stator có tốc độ quay 60 sè cÆp cùc =s fN Hệ số trượt s: s s N N s N −= sN : tốc độ đồng bộ : tốc độ quay rotorN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặc tính cơ Ở chế độ động cơ, đặc tính cơ nằm ở góc phía trên bên phải của mặt phẳng tọa độ. Mômen đạt cực đại ứng với trường hợp động cơ chạy đầy tải. Đặc tính dòng điện phía stator và rotor ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặc tính cơ Ảnh hưởng của điện áp stator Ảnh hưởng của điện áp stator đến đặc tính cơ, khi điện áp càng giảm thì ta có (tốc độ đồng bộ) và vẫn giữ nguyên, trong khi giá trị mômen ngắn mạch giảm dần. 1ω Phương pháp điều chỉnh này phù hợp với phụ tải bơm và quạt gió, không phù hợp với tải không đổi. Với động cơ công suất lớn, phương pháp được sử dụng để hạn chế dòng điện khi khởi động. ths ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặc tính cơ Ảnh hưởng của tổng trở stator ths fR Khi lắp thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stator vẫn giữ nguyên còn và mômen ngắn mạch giảm xuống. Tuy nhiên đặc tính cơ khi thêm vẫn cứng hơn so với 1ω fX s 01ω ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặc tính cơ Ảnh hưởng của tổng trở rotor Khi lắp thêm điện trở vào mạch rotor và mômen ngắn mạch vẫn giữ nguyên còn tăng lên. 1ω ths Khi điện trở lắp thêm càng tăng thì đặc tính cơ càng mềm, dòng điện khởi động càng giảm. sth 1ω ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặc tính cơ Ảnh hưởng của tần số điện áp stator Khi tần số thay đổi thì tốc độ từ trường quay và tốc độ động cơ sẽ thay đổi. Vùng (1) tương ứng với dmff 11 > dmff 11 < Vùng (2) tương ứng với Trong vùng (2), khi tần số giảm, điện áp cùng giảm tỷ lệ để đảm bảo duy trì mômen không đổi. f11 f12 f13 f14 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3 PHA Cấu tạo Stator có cấu tạo là 3 cuộn dây đặt lệch nhau một góc 120 độ. Điện áp đặt vào là 3 pha. Rotor có cấu tạo nam châm điện hoặc cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ. Tốc độ quay của động cơ được xác định theo công thức sau: 60 sè cÆp cùc =s fN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặc tính cơ Trong phạm vi cho phép, đặc tính mômen – tốc độ có độ cứng tuyệt đối. Khi thì động cơ mất đồng bộ. Đặc tính mômen – góc biểu diễn quan hệ mômen và góc lệch giữa vectơ điện áp pha lưới điện và vectơ sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator do từ trường một chiều rotor sinh ra. maxMM > ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Đặc điểm Động cơ tuyến tính là loại động cơ tạo trực tiếp chuyển động thẳng. - Phần chuyển động là stator, phần đứng yên là rotor - Nguồn cấp đặt vào phần chuyển động - Động cơ thông thường tạo chuyển động quay có hai thông số đầu ra cần quan tâm là mômen và vận tốc góc, còn động cơ tuyến tính tạo chuyển động tịnh tiến có hai thông số đầu ra là lực kéo và vận tốc dài. ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Phân loại Động cơ tuyến tính kiểu không đồng bộ: từ thông được tạo nên bởi thành phần dòng stator. Động cơ tuyến tính kiểu đồng bộ: từ thông được tạo nên bởi một cuộn kích thích biệt lập với các cuộn dây stator hoặc bởi các phiến nam châm vĩnh cửu bố trí đều đặn trên bề mặt phần tĩnh. ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Cấu tạo ĐCTT kiểu không đồng bộ LIM (Linear Induction motor) 1. Bắt đầu từ ĐCKĐB rotor lồng sóc, cắt và trải thẳng động cơ. 2. Thay rotor bằng tấm dẫn điện 3. Cấp nguồn xoay chiều và ta có LIM 4. Với 2 stator có thể bỏ được phiến phản ứng ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Cấu tạo Phần chuyển động: gồm có 3 module chuyển động. Mỗi module có một nam châm năng lượng cao và một cuộn dây mà lõi của nó đặt song song với nam châm. Phần chuyển động liên hệ với phần tĩnh thông qua hệ thống răng, khe cắm và khe hở không khí. Phần tĩnh: là một tấm kim loại phi từ tính đặt dưới phần chuyển động. Trên bề mặt là các phiến nam châm vĩnh cửu được bố trí một cách đều đặn. ĐCTT kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu PMLMS (Permanent magnet linear synchronous motor) ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Cấu tạo Cấu tạo một module chuyển động Cấu tạo của PMLSM với 3 module chuyển động PMLMS ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Nguyên lý làm việc Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. 9Khi các cuộn dây được cấp nguồn, dòng xoay chiều ba pha qua 3 cuộn dây tạo thành vector dòng di chuyển theo phương nằm ngang. Thành phần dòng trục q tạo với từ thông của NCVC thành lực kéo nằm ngang. 9Lực kéo này có thể làm động cơ chuyển động theo cả hai chiều. Việc đảo chiều được thực hiện nhờ đảo dấu thành phần dòng trục q (trục vuông góc với trục từ thông cực). ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH