Bài giảng Biến đổi năng lượng - Lecture 10 - Hồ Phạm Duy Ánh

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
Ổ đỡ
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.
Chổi than
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 cũ, 
bất chấp cực tính mạch từ thay đổi.
Nguyên lý vận hành máy điện DC
Cặp cực mạch từ tĩnh
Dây quấn rotor
Cổ góp
Chổi than
¾ Theo phương pháp đồng năng lượng, ta có: ( ) ( )θ
θθ
d
dL
iiiiT srsrsr
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 với dòng rotor ia và dòng stator if:
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 fffff +=
fm
a
aaaa iGdt
di
LiRv ω++=
Gωmif
La Ra
va
+
_
ia
Rf
Lf
+ _vf
if
Sức phản 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 điện từ (Armature power):
Công suất kích từ (Field power):
Công suất cơ (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 Pf 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 lập 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
( ) ( ) efamefafam TGI
RT
GI
R
GI
V
202 −=−= ωω
Quan hệ momen
theo tốc độ
8Lecture 10
¾ Chế độ hãm (Brake) xãy ra khi công suất cấp cho máy điện DC cả ở phần ứng 
(Pa > 0) và cả ở trục quay (Pm < 0); ở chế độ này toàn bộ công suất sẽ tiêu tán 
dưới dạng nhiệt trên điện trỡ phần ứng Ra.
¾ Máy điện DC vận hành ở chế độ máy phát tương ứng với Pm < 0 và Pa < 0, với 
điều kiện ωm > Va/(GIf). Chế độ vận hành như động cơ khi Pa > 0 và Pm > 0 (xem 
Fig. 8.7 của Giáo Trình).
Khảo sát đặc tính tải mô men – tốc độ của Động cơ DC
ωm
Te
Increasing Va
¾ Cho dPm/dωm = 0 và giải ra ωm, 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
VP
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 Va.
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:.
Gωmi
La + Lf Ra + Rf
v
+
_
i
( ) ( ) iG
dt
diLLiRRv mfafa ω++++=
2GiT e =
¾ Quan hệ xác lập của Máy điện DC kích 
từ nối tiếp với nguồn hằng được xác định 
bởi:
( ) mfa GRR
VI ω++=
( )[ ]2
2
mfa
e
GRR
VGT ω++=
ωm
Te
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:
( ) ( ) 222 efamfa LLGRR
VI
ωω ++++
=
( ) ( ) 222
2
2
efamfa
e
av LLGRR
GVGIT ωω ++++==
Trong đó ωe là tần số điện lưới.
¾ Thực tế điện áp AC thường được hiệu chỉnh bằng mạch công suất dùng SCR 
IGBT hay triac để điều chỉnh giá trị hiệu dụng của dòng, qua đó cũng 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).
La Ra
Rf
Lf
ia
i
+
_
v
if
Gωmif
dt
di
LiRv ffff +=
fm
a
aaa iGdt
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
VI =
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 RL được kết nối ở
ngõ ra phần ứng như hình, ta xây dựng được các quan hệ.
dt
di
LiRv ffff +=
dt
diLiRiGv aaaafm −−= ω
¾ Các quan hệ khi MP DC kích từ song song
vận hành xác lập với áp tải không đổi v = V,
La Ra
Rf
Lf
ia
i
+
_
v
if
GωmifRL( )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 (gồm 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 đó dễ 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 điện 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 900 trong không gian để
tạo từ trường quay khi cấp dòng 2 pha lệch nhau 90o 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 cảm 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 90o cần thiết. Các sơ đồ thông dụng hiện nay 
dành cho động cơ cảm ứng một pha bao gồm: Kiểu cuộn phụ riêng lẽ; Kiểu cuộn
phụ thêm tụ khởi động; Kiểu cuộn phụ thêm tụ thường trực; Kiểu cuộn phụ phối
hợp tụ thường trực & khởi động; Kiểu cuộn phụ khởi động phối hợp tụ 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
Kiểu cuộn phụ riêng lẽ
Kiểu cuộn phụ dùng tụ khởi động Kiểu cuộn phụ dùng tụ
thường trực
Kiểu cuộn phụ dùng tụ
thường trực & khởi động
Kiểu cuộn phụ khởi động
phối hợp tụ thường trực
17Lecture 10
Các Bài Tập
¾ Các BT sẽ đươc hướng dẫn trên lớp.