Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: Nguyên lý hoạt động chung

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Quá trình biến đổinăng lượng 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 cơđiện nói riêng. Năng lượng điện Từ trường Cơ năng r r Công thức liên hệ mật độ từ thông B và từ trường H uruuruur B = µµ()HH⋅⋅ r 0 r trong đó µ 0 là hằng sốđộtừ thẩm, µ r ( H ) là độ từ thẩm ứng với từng loại vật liệu. Điện từ trường – Cơ năng NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Quá trình biến đổinăng lượng (tiếp) Khi một vật dẫn mang dòng điện được đặt trong từ trường, nó sẽ chịu tác động một lực cảm ứng theo công thức: urrur FiB= × r F vectơ lực r i vectơ dòng điện r B vectơ mật độ từ thông Độ lớn của lực Lorenz: ur FFBLi== Định luật Lorenz NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Quá trình biến đổinăng lượng (tiếp) Chuyển động của một vật dẫn trong từ trường sẽ sinh ra một sức điện động (hiệu điện thế) ở hai đầu vật dẫn: dφ emf==− E dt r r trong đó φ = ∫ B .dA là từ thông. Vật có độ dài L chuyển động với tốc độ v không đổi trong từ trường không đổi vuông góc với bề mặt: emf== E BLv Định luật Faraday NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Quá trình biến đổinăng 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 µµ B = r 0 ⋅i 2π r 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 N B = µ ⋅i L Định luật Boit-Savart NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Kếtcấucủa động cơđiện 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 Φ 0 được tạo ra từ từ trường chính và cảm ứng tạo nên suất điện động (sđđ) trong phần ứng. Từ thông tản Φσ không tham gia vào quá trình tạo sđđ nhưng góp phần làm bão hòa mạch từ, và giảmhiệu suất hoạt động của động cơ. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG Phát nhiệtcủa 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 nhiệtcủa 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 Cấutạo 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 đặtgiữa 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. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từđộclập Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U = E + I a Ra Sức điện động của phần ứng: pN E = Φn = K Φn 60a e Mômen điện từ của động cơ: pN M = ΦI = KΦI K :là hệ số sức điện động 2πa a a e K :là hệ số cấu tạo ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từđộclập Phương trình đặc tính cơ liên hệ giữa tốc độ và mômen: U R ω = − M KΦ ()KΦ 2 Phương trình đặc tính cơ điện liên hệ giữa tốc độ và dòng điện phần ứng: U R ω = − I KΦ ()KΦ a Phương trình đặc tính cơ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từđộclập Ảnh hưởng của điệntrở phần ứng (mắcthêmđiệntrở phụ Rax nốitiếpvớicuộn dây phần ứng), đặc tính cơ càng dốckhi Rax càng tăng. Phương pháp điềuchỉnh điện trở phần ứng được ứng dụng cho bài toán hạnchế dòng điện và điềuchỉnh tốc độ động cơ dướitốc độ cơ bản. Phương trình đặctínhcơ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từđộclập ω Ảnh hưởng của điệnápphần 0 ω ứng (thay đổi điệnápđặtvào 01 phần ứng-giảmáp), độ dốccủa ω02 đường đặc tính không đổi nhưng giá trị momen ngắn mạch, dòng điệnngắnmạch, tốc độ không tảigiảmtheogiá trịđiệnápgiảm. Phương pháp điềuchỉnh điệnápphần ứng sử dụng cho bài toán điềuchỉnh tốc độ động cơ và hạnchế dòng điện khi khởi động. Phương trình đặctínhcơ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từđộclập ω02 ω Ảnh hưởng củatừ thông, từ 01 thông đượcthayđổi thông qua ω việcthayđổi dòng điệnkíchtừ 0 tạimạch kích từ. Khi thay đổitừ thông, mômen củaphần ứng cũng bị thay đổi theo. Phương pháp điềuchỉnh từ thông sử dụng cho bài toán ω02 điềuchỉnh mômen. ω01 ω0 Phương trình đặctínhcơ 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 nốitiếp Phần kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng. Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U = E + ()Ra + Rm I a Sức điện động của phần ứng: pN E = Φn = K Φn 60a e Mômen điện từ của động cơ: K :là hệ số sức điện động pN e M = ΦI a = KΦI a K :là hệ số cấu tạo 2πa ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ nốitiếp Phương trình đặc tính cơ liên hệ giữa tốc độ và mômen: U R + R ω = − a m M KΦ ()KΦ 2 Phương trình đặc tính cơ điện liên hệ giữa tốc độ và dòng điện phần ứng: U R + R ω = − a m I KΦ KΦ a Phương trình đặc tính cơ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ kích từ nốitiếp 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 Cấutạo 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 hoặc3cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ. Từ trường sinh ra bởi điện áp 3 pha đặt vào stator có tốc độ quay 60 f N : tốc độ đồng bộ Ns = s sè cÆp cùc N : tốc độ quay rotor NN− Hệ số trượt s: s = s Ns ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặctínhcơ 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 Đặctínhcơ Ảnh hưởng của điệnápstator đến đặc tính cơ, khi điện áp càng giảmthìtacó ω1 (tốc độ đồng bộ) vàsth vẫngiữ nguyên, trong khi giá trị mômen ngắn mạch giảmdần. Phương pháp điềuchỉnh này phù hợpvớiphụ tảibơmvà quạt gió, không phù hợpvớitải không đổi. Với động cơ công suấtlớn, phương pháp đượcsử dụng để hạnchế dòng điệnkhikhởi động. Ảnh hưởng của điệnápstator ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặctínhcơ Khi lắp thêm điệntrở hoặc điện kháng ω1 vào mạch stator ω 1 vẫngiữ nguyên cònsth 0 và mômen ngắnmạch giảmxuống. Tuy s nhiên đặc tính cơ khi thêm X f vẫncứng hơnso với R f Ảnh hưởng củatổng trở stator ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặctínhcơ ω1 Khi lắp thêm điệntrở vào mạch rotor sth ω1 và mômen ngắnmạch vẫngiữ nguyên cònsth tăng lên. Khi điệntrở lắp thêm càng tăng thì đặc tính cơ càng mềm, dòng điệnkhởi động càng giảm. Ảnh hưởng củatổng trở rotor ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặctínhcơ Khi tầnsố thay đổithìtốc độ từ trường f quay và tốc độ động cơ sẽ thay đổi. 11 Vùng (1) tương ứng với f12 f1 > f1dm Vùng (2) tương ứng với f1 < f1dm f13 Trong vùng (2), khi tầnsố giảm, điện f14 áp cùng giảmtỷ lệđểđảmbảoduytrì mômen không đổi. Ảnh hưởng củatầnsốđiện áp stator ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3 PHA Cấutạo 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 f N = s sè cÆp cùc ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3 PHA Đặctínhcơ Trong phạm vi cho phép, đặc tính mômen – tốc độ có độ cứng tuyệt đối. Khi M > M max 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. 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 Cấutạo 1. Bắt đầutừ ĐCKĐB rotor lồng sóc, cắtvàtrải thẳng động cơ. 2. Thay rotor bằng tấmdẫn điện 3. Cấpnguồn xoay chiềuvàtacóLIM 4. Với 2 stator có thể bỏđược phiếnphản ứng ĐCTT kiểu không đồng bộ LIM (Linear Induction motor) ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Cấutạo Phần chuyển động: gồm có 3 module chuyển động. Mỗi module có một nam châm năng lượng cao và mộtcuộn dây mà lõi củanóđặt song song với nam châm. Phần chuyển động liên hệ vớiphầntĩnh thông qua hệ thống răng, khe cắmvàkhehở không khí. Phầntĩnh: là mộttấm kim loạiphi từ tính đặtdướiphần chuyển động. Trên bề mặtlàcácphiến nam châm vĩnh cửu đượcbố trí mộtcáchđều đặn. ĐCTT kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửuPMLMS (Permanent magnet linear synchronous motor) ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Cấutạo Cấutạomột module chuyển động CấutạocủaPMLSM với 3 module chuyển động PMLMS ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Nguyên lý làm việc Dựatrênhiệntượng cảm ứng điệntừ. 9Khi các cuộn dây đượccấp nguồn, dòng xoay chiều ba pha qua 3 cuộn dây tạo thành vector dòng di chuyểntheo phương nằm ngang. Thành phần dòng trụcq tạovớitừ thông của NCVC thành lựckéonằm ngang. 9Lực kéo này có thể làm động cơ chuyển động theo cả hai chiều. Việc đảochiều đượcthựchiệnnhờđảodấu thành phần dòng trụcq (trục vuông góc vớitrụctừ thông cực). ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH