Biến đổi năng lượng điện cơ

1Bài giảng 7 408001 Biến ñổi năng lượng ñiện cơ TS. Nguyễn Quang Nam HK2, 2009 – 2010 nqnam@hcmut.edu.vn 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 θθ d dLiiiiT srsrsr 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 fffff += fm a aaaa iGdt di LiRv ω++= Gωmif La Ra va + _ ia Rf Lf + _vf if 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 ( ) ( ) ef a m e f a f a m TGI RT GI R GI V 202 −=−= 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 Ra.
Chế ñộ máy phát tương ứng với Pm Va/(GIf). Chế ñộ ñộng cơ xảy ra khi Pa > 0 và Pm > 0 (Hình 8.7). ðặc tính cơ ωm Te Increasing Va
Bằng cách cho dPm/dωm = 0 và giải theo ωm, 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 Va. 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 Gωmi La + Lf Ra + Rf v + _ i ( ) ( ) iG dt diLLiRRv mfafa ω++++= 2GiT e =
Vận hành xác lập với ñiện áp không ñổi ñược mô tả bởi ( ) mfa GRR VI ω++ = ( )[ ]2 2 mfa e GRR VGT ω++ = ωm Te 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 ( ) ( ) 222 efamfa LLGRR VI ωω ++++ = ( ) ( ) 222 2 2 efamfa e av LLGRR GVGIT ωω ++++ == với ωe 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 La Ra Rf Lf ia i + _ v if Gωmif dt di LiRv ffff += fm a aaa iGdt di LiRv ω++= fa e iGiT =
Khi vận hành xác lập với ñiện áp ngõ vào không ñổi v = V, f f R VI = 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 RL nối giữa các cực máy như dưới ñây. Máy phát kích từ song song dt di LiRv ffff += dt diLiRiGv aaaafm −−= ω
Khi vận hành xác lập với ñiện áp ngõ vào không ñổi v = V, La Ra Rf Lf ia i + _ v if GωmifRL ( )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