Bài giảng Trang bị điện-Điện tử - Chương 2: Động cơ điện -TS. Lê Ngọc Bích (Phần 1)

Nội dung text: Bài giảng Trang bị điện-Điện tử - Chương 2: Động cơ điện -TS. Lê Ngọc Bích (Phần 1)

1. 7/13/2021 Chương 2: Động Cơ Điện TS. Lê Ngọc Bích Khoa Cơ Khí Bộ môn Cơ Điện Tử Lê Ngọc Bích
2. Khái niệm chung về động cơ điện ❖ Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ. Máy điện dùng để chuyển đổi ngược lại (từ cơ sang điện) được gọi là máy phát điện hay dynamo. Các động cơ điện thường gặp dùng trong gia đình như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước, máy hút bụi Lê Ngọc Bích
3. Ứng dụng ❖Ngày nay động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực, từ các động cơ nhỏ dùng trong lị vi sĩng để chuyển động đĩa quay, hay trong các máy đọc đĩa (máy chơi CD hay DVD), đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như máy giặt, sự hoạt động của thang máy hay các hệ thống thơng giĩ cũng dựa vào động cơ điện. Ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặt biệt trong các đầu máy xe lửa. ❖Trong cơng nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ) Lê Ngọc Bích
4. Nguyên lý hoạt động ❖ Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vịng dây dẫn hay cĩ nam châm vĩnh cửu. Khi cuộn dây trên rotor và stator được nối với nguồn điện, xung quanh nĩ tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mơmen. Lê Ngọc Bích
5. Nguyên lý hoạt động 5 Lê Ngọc Bích
6. Nguyên lý hoạt động ❖Phần lớn các động cơ điện họat động theo nguyên lý điện từ, nhưng loại động cơ dựa trên nguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng điện áp cũng được sử dụng. Nguyên lý cơ bản mà các động cơ điện từ dựa vào là cĩ một lực lực cơ học trên một cuộn dây cĩ dịng điện chạy qua nằm trong một từ trường. Lực này theo mơ tả của định luật lực Lorentz và vuơng gĩc với cuộn dây và cả với từ trường. ❖Phần lớn động cơ từ đều xoay nhưng cũng cĩ động cơ tuyến tính. Trong động cơ xoay, phần chuyển động được gọi là rotor, và phần đứng yên gọi là stator. Lê Ngọc Bích
7. Phân loại động cơ điện Lê Ngọc Bích
8. Đặc tính cơ của động cơ điện ❖ Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mơmen của động cơ: w=f(M). ❖ Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo. Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ khác nhau thì khác nhau và sẽ được phân tích trong phần sau. ❖ Đặc tính cơ tự nhiên: Đĩ là quan hệ w = f(M) của động cơ điện khi các thơng số như điện áp, dịng điện của động cơ là định mức theo thơng số đã được thiết kế chế tạo và mạch điện của động cơ khơng nối thêm điện trở, điện kháng ❖ Đặc tính cơ nhân tạo: Đĩ là quan hệ w = f(M) của động cơ điện khi các thơng số điện khơng đúng định mức hoặc khi mạch điện cĩ nối thêm điện trở, điện kháng hoặc cĩ sự thay đổi mạchnối. Lê Ngọc Bích
9. Đặc tính cơ của động cơ điện ❖ Trong hệ TĐĐ bao giờ cũng cĩ quá trình biến đổi năng lượng điện - cơ. Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của động cơ điện. Người ta định nghĩa như sau: Dịng cơng suất điện Pđiện cĩ giá trị dương nếu như nĩ cĩ chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi cơng suất điện thành cơng suất cơ Pcơ = M.w cấp cho máy SX (sau khi đã cĩ tổn thất DP). ❖ Cơng suất cơ Pcơ cĩ giá trị dương nếu mơmen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay, cĩ giá trị âm khi nĩ truyền từ máy sản xuất về động cơ và mơmen động cơ sinh ra ngược chiều quay. ❖ Cơng suất điện Pđiện cĩ giá trị âm nếu nĩ cĩ chiều từ động cơ về nguồn. Lê Ngọc Bích
10. Đặc tính cơ của động cơ điện Lê Ngọc Bích
11. Đặc tính cơ của động cơ điện ❖Trong hệ thống TĐĐ, động cơ điện cĩ nhiệm vụ cung cấp động lực cho cơ cấu sản xuất. Các cơ cấu sản xuất của mỗi loại máy cĩ các yêu cầu cơng nghệ vμ đặc điểm riêng. Máy sản xuất lại cĩ rất nhiều loại, nhiều kiểu với kết cấu rất khác biệt. Động cơ điện cũng vậy, cĩ nhiều loại, nhiều kiểu với các tính năng, đặc điểm riêng. Lê Ngọc Bích
12. Đặc tính cơ của động cơ điện ❖ Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ. Để một hệ thống TĐĐ làm việc tốt, cĩ hiệu quả thì giữa động cơ điện và cơ cấu sản xuất phải đảm bảo cĩ một sự phù hợp tương ứng nμo đĩ. Việc lựa chọn hệ TĐĐ và chọn động cơ điện đáp ứng đúng các yêu cầu của cơ cấu sản xuất cĩ ý nghĩa lớn khơng chỉ về mặt kỹ thuật mà cả về mặt kinh tế. ❖ Do vậy, khi thiết kế hệ thống TĐĐ, người ta thường chọn hệ truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh tốc độ sao cho đường đặc tính cơ của động cơ cμng gần với đường đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất càng tốt. Nếu đảm bảo được điều kiện này, thì động cơ sẽ đáp ứng tốt địi hỏi của cơ cấu sản xuất khi mơmen cản thay đổi và tổn thất trong quá trình điều chỉnh là nhỏ nhất. Lê Ngọc Bích
13. Động cơ DC Lực tác dụng lên cuộn dây: với: F: lực tác dụng lên cuộn dây (N) I: dịng chạy qua cuộn dây (A) B: cường độ từ trường (G) L: chiều dài cuộn dây (m) : gĩc tạo bởi vectơ B và I © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-13
14. Động cơ DC Phần ứng động cơ DC Moment tạo ra với: T: moment động cơ KT: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ IA: dịng điện phần ứng : từ thơng © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-14
15. Động cơ DC Khi phần ứng quay trong mơi trường từ trường, một sức điện động sẽ xuất hiện trên các cuộn dây của phần ứng (ngược chiều với điện áp nguồn cấp vào phần ứng). với: EMF: điện áp tạo ra KE: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ : từ thơng S: tốc độ động cơ (rpm) Điện áp thực trên phần ứng với: VA: điện áp thực trên phần ứng VTn: điện áp nguồn cấp vào phần ứng CEMF: điện áp tạo ra bởi động cơ IA: dịng điện phần ứng RA: trở kháng phần ứng © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-15
16. Động cơ DC Thí dụ: Một động cơ 12 Vdc cĩ điện trở phần ứng là 10  và sức điện động tạo ra là 0.3 V/100 rpm. Xác định dịng phần ứng thực tế khi động cơ làm việc ở vận tốc 0 rpm và ở vận tốc 1000 rpm. Giải: ta cĩ • S = 0 rpm • S = 1000 rpm Lưu ý: khi động cơ làm việc, dịng điện trên phần ứng giảm đi © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-16
17. Các loại động cơ điện phổ biến ❖Động cơ khơng đồng bộ ba pha, ❖Động cơ cảm ứng một pha, ❖Động cơ điện một chiều, ❖Động cơ bước Lê Ngọc Bích
18. ĐộNG CƠ ĐIệN XOAY CHIềU Lê Ngọc Bích
19. Cấu tạo Lê Ngọc Bích
20. Cấu tạo ❖ Về cấu tạo, động cơ điện xoay chiều 3 pha gồm cĩ 2 phần chính: ▪ Phần cảm: gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trong khơng gian và được cấp điện xoay chiều 3 pha để tạo ra từ trường quay. Phần cảm thường đặt ở stator. Các cuộn dây pha phần cảm cĩ thể nối theo hình sao hay tam giác tùy theo điện áp của mỗi cuộn dây pha và tùy theo điện áp lưới điện. Ví dụ; Với điện áp lưới là 380V/220V. Khi điện áp mỗi cuộn dây pha là 220V thì động cơ phải mắc theo dạng hình sao. Khi điện áp mỗi cuộn dây pha là 380V thì động cơ phải mắc theo dạng hình tam giác. ▪ Phần ứng: Cũng gồm 3 cuộn dây và thường đặt ở roto. Tùy theo kết cấu của ba cuộn day phần ứng mà động cơ điện xoay chiều ba pha chia ra hai loại: Lê Ngọc Bích
21. Cấu tạo ❖ Khi 3 cuộn dây phần ứng kết hợp thành một lồng trụ như hình sau với các thanh dẫn bằng nhơm thì roto được gọi là ro to lồng sĩc. Lê Ngọc Bích
22. Cấu tạo ❖ Khi 3 cuộn dây phần ứng bằng dây đồng được nối hình sao và 3 đầu dây được đưa ra qua hệ vịng trượt- chổi than để nối với điện trở mạch ngồi thì roto được gọi là roto dây quấn. Lê Ngọc Bích
23. Nguyên lý hoạt động ❖ Khi từ trường quay (giả sử theo chiều KĐH) của phần cảm quét qua các dây dẫn phần ứng thì trong các cuộn dây (hay thanh dẫn) phần ứng xuất hiện suất điện động cảm ứng. Nếu mạch phần ứng nối kín thì cĩ dịng điện cảm ứng sinh ra (chiều xác định theo quy tắt bàn tay phải). Từ trường quay lại tác dụng vào chính dịng cảm ứng này một lực từ cĩ chiều xác định theo quy tắt bàn tay trái và tạo ra mơ men làm quay phần cảm theo chiều quay của từ trường quay. ❖ Tốc độ quay của phần cảm luơn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay (khơng đồng bộ). Động cơ điện hoạt động theo nguyên tắt này được gọi là động cơ điện khơng đồng bộ (KĐB) hay động cơ điện dị bộ hoặc động cơ điện xoay chiều cảm ứng. Lê Ngọc Bích
24. Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐB ❖ Khi đĩng điện trực tiếp vào động cơ KĐB để mở máy thì do lúc đầu rotor chưa quay, độ trượt lớn (s=1) nên s.đ.đ cảm ứng và dịng điện cảm ứng lớn. ❖ Dịng điện này cĩ trị số đặc biệt lớn ở các động cơ cơng suất trung bình và lớn, tạo ra nhiệt đốt nĩng động cơ và gây xung lực cĩ hại cho động cơ. Lê Ngọc Bích
25. Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐB ❖ Tuy dịng điện lớn nhưng mơmen mở máy lại nhỏ: Đặc tính động cơ KĐB khi mở máy trực tiếp. Lê Ngọc Bích
26. Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐB ❖Do vậy cần phải cĩ biện pháp mở máy. Trường hợp động cơ cĩ cơng suất nhỏ thì cĩ thể mở máy trực tiếp. Động cơ mở máy theo đặc tính tự nhiên với mơmen mở máy nhỏ. ❖Những động cơ khơng mở máy trực tiếp thì cĩ thể thực hiện một trong các phương pháp mở máy gián tiếp sau. Lê Ngọc Bích
27. Phương pháp dùng điện trở mở máy ở mạch rotor ❖ Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ rotor dây quấn vì điện trở mở máy ở mạch ngồi mắc nối tiếp với cuộn dây rotor. Lê Ngọc Bích
28. Phương pháp dùng điện trở mở máy ở mạch rotor ❖ Lúc bắt đầu mở máy, các tiếp điểm cơng tắc tơ K1, K2, K3 đều mở, cuộn dây rotor được nối với cả 3 cấp điện trở phụ (R1+R2+R3) nên đường đặc tính cơ là đường 1. Tới điểm b, tốc độ động cơ đạt wb và mơmen giảm cịn M2, các tiếp điểm K1 đĩng lại, cắt các điện trở phụ R1 ra khỏi mạch rotor. ❖ Động cơ được tiếp tục mở máy với điện trở phụ (R2+R3) trong mạch rotor và chuyển sang làm việc tại điểm c trên đặc tính 2 ít dốc hơn. Mơmen tăng từ M2 lên M1 và tốc độ động cơ lại tiếp tục tăng. ❖ Động cơ làm việc trên đường đặc tính 2 từ c đến d. Lúc này, các tiếp điểm K2 đĩng lại, nối tắt các điện trở R2. Động cơ chuyển sang mở máy với điện trở R3 trong mạch rotor trên đặc tính 3 tại điểm e và tiếp tục tăng tốc tới điểm f. Lúc này các tiếp điểm K3 đĩng lại, điện trở R3 trong mạch rotor bị loại. Động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính tự nhiên tại g và tăng tốc đến điểm làm việc A ứng với mơmen cản MC. Quá trình mở máy kết thúc. Lê Ngọc Bích
29. Phương pháp mở máy với điện trở hoặc điện kháng nối tiếp trong mạch stator ❖ Phương pháp này dùng điện trở hoặc điện kháng mắc nối tiếp với mạch stator lúc mở máy và cĩ thể áp dụng cho cả động cơ rotor lồng sĩc lẫn rotor dây quấn. Do cĩ điện trở hoặc điện kháng nối tiếp nên dịng mở máy của động cơ giảm đi, nằm trong giá trị cho phép. Mơmen mở máy của động cơ cũng giảm. Lê Ngọc Bích
30. Phương pháp mở máy với điện trở hoặc điện kháng nối tiếp trong mạch stator ❖ Thời điểm ban đầu của quá trình mở máy, các tiếp điểm K2 đĩng lại (các tiếp điểm K1 mở) để điện trở (hình a) hoặc điện kháng (hình b) tham gia vào mạch stator nhằm hạn chế dịng điện mở máy. Khi tốc độ động cơ đã tăng đến một mức nào đĩ (tuỳ hệ truyền động) thì các tiếp điểm K1 đĩng lại, K2 mở ra để loại điện trở hoặc điện kháng ra khỏi mạch stator. Động cơ tăng tốc đến tốc độ làm việc. Quá trình mở máy kết thúc. ❖ Sơ đồ hình trên là mở máy với 1 cấp điện trở hoặc điện kháng ở mạch stator. Cĩ thể mở máy với nhiều cấp điện trở hoặc điện kháng khi cơng suất động cơ lớn. Lê Ngọc Bích
31. Phương pháp mở máy dùng máy biến áp tự ngẫu ❖ Phương pháp này được sử dụng để đặt một điện áp thấp cho động cơ khi mở máy. Do vậy, dịng điện của động cơ khi mở máy giảm đi. ❖ Các tiếp điểm K' đĩng, K mở lúc mở máy. Khi K' mở, K đĩng thì quá trình mở máy kết thúc. ❖ Phương pháp mở máy dùng cuộn kháng X và máy biến áp tự ngẫu thích hợp cho việc mở máy các động cơ cao áp. Lê Ngọc Bích
32. Phương pháp đổi nối U - D khi mở máy ❖ Động cơ KĐB làm việc bình thường ở sơ đồ mắc D các cuộn stator thì khi mở máy cĩ thể mắc theo sơ đồ Y. Thực chất của phương pháp này là giảm điện áp đặt vào cuộn dây stator khi đổi nối vì Uph = Ud khi mắc D, cịn khi mắc Y thì điện áp giảm căn 3 lần: Lê Ngọc Bích
33. Đảo chiều quay động cơ điện KĐB ❖ Để đảo chiều quay của động cơ KĐB, cần đảo chiều quay của từ trường quay do stator tạo ra. Muốn vậy, chỉ cần đảo chiều hai pha bất kỳ trong 3 pha nguồn cấp cho stator. Lê Ngọc Bích
34. Lê Ngọc Bích