BÀI tập lớn nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện

1.2.2 Ứng dụng của động cơ điện một chiều - Trong đời sống con người: động cơ điện một chiều được sử dụng rấtphổ biến trong nhiều lĩnh vực như : + Các bộ phận khởi động của ôtô, xe máy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN

Nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng

dụng trong xe ô tô điện

NGUYỄN CÔNG HIẾU

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thị Lan Hương

Bộ môn: Điều khiển tự động

Chữ ký của GVHD

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Công Hiếu 20212803

Nghiêm Xuân Hậu 20212792 Khóa: K66 Viện: Điện Ngành: CN ĐK &TĐH

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện

2 Nội dung đề tài:

………

………

………

………

………

3 Cán bộ hướng dẫn: Phần Họ tên cán bộ ………

………

………

4 Thời gian giao đề tài:

5 Thời gian hoàn thành:………

Hà Nội,Ngày tháng … năm 2022 LÃNH ĐẠO BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Lời cảm ơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của trườngĐại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô của khoa Kỹ thuật Điều khiền và Tựđộng hóa của trường đã tạo giúp đỡ em hoàn thành báo cáo nhập môn để có nhiều trảinghiệm và những định hướng tốt cho ngành nghề mà em theo đuổi Và em cũng xinchân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Lan Hương đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thànhtốt bài tập lớn này

Trong quá trình tìm hiểu, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo, khó tránh khỏisai sót Do trình độ hiểu biết cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báocáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp củaThầy, Cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn!

Tóm tắt nội dung đồ án

Từ trước đến nay, động cơ điện vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi trongquá trình sản xuất và điều khiển các máy công cụ, phương tiện giao thông Hiện nayviệc lựa chọn sử dụng ô tô điện như một giải pháp thay thế đầy tiềm năng và có hiệuquả vì nó có những ưu điểm như hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với các ô

tô sử dụng động cơ đốt trong, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường Vì vậy

em đã chọn để tài “Nghiên cứu công nghệ điều khiển động cơ điện và ứng dụng trên xe

điện” để tìm hiểu và nghiên cứu qua đó em nắm bắt được các cơ chế hoạt động và đặc

điểm của các loại động cơ điện cũng như phương thức thay đổi tốc độ của động cơđiện… Nội dung đề tài được chia làm 3 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện

Chương 2: Các phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ điên

Chương 3: Điều khiển động cơ điện và ứng dụng trên xe ô tô điện

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 6

1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện 6

1.1.1 Ứng dụng của động cơ điện 6

1.1.2 Phân loại động cơ điện 6

1.1.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 7

1.2 Động cơ điện một chiều 8

1.2.1 Khái niệm chung 8

1.2.2 Ứng dụng của động cơ điện một chiều 8

1.2.3 Phân loại động cơ điện một chiều 9

1.2.4 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 9

1.2.5 Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều 13

1.2.6 Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều 14

1.3 Động cơ điện xoay chiều 15

1.3.1 Khái niệm chung 16

1.3.2 Ứng dụng của động cơ xoay chiều 16

1.3.3 Phân loại động cơ xoay chiều 17

1.3.4 Cấu tạo động cơ xoay chiều 19

1.3.5 Nguyên lí hoạt động của động cơ xoay chiều 23

1.3.6 Ưu nhược điểm của động cơ điện xoay chiều 24

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 25

2.1 Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều 25

2.1.1 Khái quát chung 25

2.1.2 Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều 25

2.2 Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều 29

2.2.1 Khái quát chung 29

2.2.2 Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ .30

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG TRÊN XE Ô TÔ ĐIỆN 35

3.1.1 Khái niệm 35

3.1.2 Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện 35

3.1.3 Ưu điểm của việc sử dụng động cơ điện 36

3.1.4 Các Yêu cầu đối với ô tô điện 37

3.1.5 Đánh giá một số loại động cơ điện 37

f Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent) 41

3.2 Điều khiển động cơ điện trên xe ô tô 42

3.2.1 Biến tần 42

3.2.2 Phương pháp điều khiển 48

CHƯƠNG 1: QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện

Động cơ điện (hay còn gọi là motor TỔNG điện) là máy điện dùng để chuyển

đổi điện năng thành cơ năng Máy điện dùng để chuyển đổi ngược lại (từ cơ sang điện)được gọi là máy phát điện Các động cơ điện thường gặp dùng trong gia đình như quạtđiện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước, máy hút bụi

Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành cơ năng Cơnăng này được sử dụng để: quay bánh công tác của bơm, quạt hoặc quạt đẩy, chạy máynén, nâng vật liệu,vv… Các động cơ điện được sử dụng trong dân dụng (máy xay,khoan, quạt gió) và trong công nghiệp

Hì

nh 1.1: Hình ảnh của động cơ điện

1.1.1 Ứng dụng của động cơ điện

Ngày nay động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực, từ các động cơnhỏ dùng trong lò vi sóng để chuyển động đĩa quay, hay trong các máy đọc đĩa, đếncác đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như máy giặt, sự hoạt động củathang máy hay các hệ thống thông gió 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 giao thông vận tải động cơ điện được ứng dụng trong các phương tiện

giao thông như: Xe đạp điện, xe ô tô điện, xe lai…

Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các ổ cứng, ổquang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ)

1.1.2 Phân loại động cơ điện

Có rất nhiều loại động cơ điện nhưng dựa vào chức năng người ta phân làm hailoại động cơ chính: động cơ một chiều và động cơ xoay chiều Trong mỗi loại này lạiđược chia ra nhiều loại khác nhau

Hình 1.2: Các loại động cơ điện chính

Các loai động cơ được phân loại dựa trên nguồn cung năng lượng, cấu trúcđộng cơ và cơ chế vận hành

1.1.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện

Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động(rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây trênrotor và stator được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tươngtác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1mômen

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 có một lực lực cơ học trên mộtcuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ trường Lực này theo mô tả của địnhluật lực Lorentz và vuông góc với cuộn dây và cả với từ trường

Phần lớn động cơ từ đều xoay nhưng cũng có động cơ tuyến tính Trong động

cơ xoay, phần chuyển động được gọi là rotor, và phần đứng yên gọi là stator

1.2 Động cơ điện một chiều

1.2.1 Khái niệm chung

Hình 1.3: Động cơ điện sử dụng dòng điện 1 chiều

Động cơ điện một chiều thuộc về máy điện một chiều là loại máy điện hoạtđộng với nguồn điện một chiều Chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát điệnhoặc chế độ động cơ điện

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại máyquan trọng Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong nhữngđiều kiện làm việc khác

Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy nó đượcdùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nhưcán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải

1.2.2 Ứng dụng của động cơ điện một chiều

- Trong đời sống con người: động cơ điện một chiều được sử dụng rấtphổ biến trong nhiều lĩnh vực như :

+ Các bộ phận khởi động của ôtô, xe máy, máy kéo…

+ Các hệ truyền động có công suất nhỏ như quạt điện, máy xay sinh tố, động

cơ bơm nước…

+ Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy…

- Trong công nghiệp: động cơ điện một chiều có vai trò quan trọng, đượcứng dụng trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ, trong giao thông vận tải hay

1.2.3 Phân loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người

ta phân loại chúng dựa vào phương pháp kích từ, qua đó người ta chia động cơ điệnmột chiều thành các loại sau:

+) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được

cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ ( Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện kháckhông liên hệ với phần ứng của máy )

+) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song

song với phần ứng

+) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp

với mạch phần ứng

+) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm 2 dây quấn kích từ, một

cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

1.2.4 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm có các bộ phận chính sau:

a) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây

quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ, các cực từ được gắn vào vỏ máy bằng cácbulông Một cặp cực từ (đôi cực) gồm 2 cực nam – bắc đặt đối xứng với nhau qua trụcđộng cơ, tùy theo động cơ mà có thể có nhiều hay ít hơn Các máy điện nhỏ cực từđược làm bằng thép khối

Cực từ chính gồm :

+) Lõi sắt: làm bằng lá thép kĩ thuật điện (thép cacbon) dày từ 0.5-1 mm, được

ép và tán chặt lại với nhau thành một khối

+) Dây quấn kích từ : được quấn bằng dây đồng có bọc cách điện và mỗi

cuộn dây đều bọc cách điện kĩ thành một khối, đựơc tẩm sơn cách điện trước khi đặtlên cực từ

Hình 1.5: Cực từ chính của động cơ một chiều

b) Cực từ phụ: Đặt giữa các cực từ chính với tác dụng cải thiện đổi chiều,

Cực từ phụ được làm bằng thép khối trên đặt các cuộn dây quấn Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông

Cực từ phụ bao gồm:

+) Lõi thép : làm bằng thép khối

+) Dây quấn : làm bằng đồng, có bọc cách điện, mỗi cuộn dây đều được bọc

cách điện tạo thành khối và được tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên cực từ phụ

c) Gông từ: Gông từ được dùng làm mạch từ nối liền các cực từ chính

đồng thời làm vở máy, từ thông móc vòng qua các cuộn dây và khép kín chạy trong mạch từ Trong máy điện lớn gông từ làm bằng thép đúc, trong các máy điện nhỏ gông

từ làm bằng thép lá được uốn lại thành hình trụ tròn rồi hàn Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

+) Nắp máy: Có tác dụng bảo vệ các chi tiết của máy tránh không cho các vật

bên ngoài rơi vào trong máy có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ … và đảm bảo antoàn cho người khỏi va chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tácdụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

+) Cơ cấu chổi than: Đưa dòng điện từ ngoài vào nếu máy là động cơ và đưa

dòng điện ra nếu máy là máy phát điện Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt tronghộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giáchổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổithan cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

1.2.3.2 Rotor: Là phần quay của động cơ, bao gồm:

-Lõi sắt phần ứng -Dây quấn phần ứng

-Cổ góp - Các bộ phận khác a ) Lõi sắt phần ứng: Có tác dụng dẫn từ,

và được làm từ lá thép kĩ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0.5mm đựơc phủcách điện mỏng ở 2 mặt rồi ép chặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên.Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép tạo thành các rãnh đặt cuộn dây phầnứng vào Lõi sắt là hình trụ tròn và được ép cứng vào với trục tạo thành mộtkhối thống nhất

Hình 1.6: Lõi sắt phần ứng rotor của động cơ điện một chiều

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió đểkhi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục Trong những động

cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có

để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rotor Dùng giá rotor có thể tiếtkiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rotor

b) Dây quấn phần ứng: Có tác dụng sinh ra một sức điện động và có

dòng điện chạy qua Nó được làm bằng dây đồng có bọc cách điện, được quấn cáchđiện cẩn thận với rãnh lõi thép Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diệntròn, với các động cơ công suất vừa và lớn tiết diện dây là hình chữ nhật Khi đặt dâyquấn phần ứng vào rãnh Rotor người ta phải dùng các nêm, chèn lên bề mặt của cuộndây, các nêm này nằm trong rãnh đặt các cạnh dây quấn để tránh cho dây không bịvăng ra ngoài khi dây chịu lực điện từ tác động

c) Cổ góp : Cổ góp còn gọi là vành góp hay vành đảo chiều, dùng để đổi

dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Cổ góp gồm nhiều phiến góp bằngđồng ghép lại thành hình trụ tròn sau đó ép chặt vào trục Các phiến góp được cáchđiện với nhau bằng các tấm mên đặt ở giữa( 0,4 đến 1,2mm ) Đuôi các phiến góp nhôcao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đuôi chỉ hàn một đầu dây vàtạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau

Hình 1.7: Cổ góp của rotor của động cơ điện một chiều

d ) Các bộ phận khác bao gồm :

+) Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy Cánh quạt được lắp trên trục

động cơ để hút gió từ ngoài vào qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió

từ bên ngoài qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió hút vào làm nguộidây quấn, mạch từ

+) Trục máy : Là bộ phận trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt, ổ

bi… Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt

1.2.3.3 Hệ thống chổi than – vành góp

Dùng để đưa điện áp một chiều vào cuôn dây phần ứng và đổi chiều dòng điệntrong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ ( một nửa có cựctính dương, một nửa có cực tính âm)

Hình 1.8: Chuổi than và phiến góp của động cơ điện một chiều

1.2.5 Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanh dẫn

có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rotor quay, chiều của lực

được xác định bằng quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do

có phiếu góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thayđổi Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều củasuất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ởđộng cơ chiều sđđ Eư ngượcchiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động Khi đó ta có phương trình:

U = Eư + Rư.Iư

Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều, ta giả sử động cơ điệnmột chiều được mô phỏng một cách đơn giản qua việc làm quay khung dẫn abcd theomột chiều duy nhất

Hình 1.9: Mô hình đơn giản của động cơ điện một chiều

+ Nếu ta đặt điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B thì trong dây quấnphần ứng sẽ có một dòng điện Iư chạy qua Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằmtrong từ trường (từ trường tạo bởi phần kích từ của động cơ), sẽ tạo ra các lựcFđtngựơc chiều nhau, tác dụng làm cho rotor quay (hình 1.9 a) (Chiều lực xác định theoquy tắc bàn tay trái )

+ Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ chonhau, tuy nhiên do có phiến góp đổi chiều dòng điện nên chiều lực từ tác dụng khôngđổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi (hình 1.9 b) Và cứ như vậy, ta thấynăng lượng điện đã biến thành năng lượng cơ làm cho động cơ quay theo một chiềuduy nhất

1.2.6 Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

a ) Ưu điểm:

+ Có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làmviệc khác nhau

+ Điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng

bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi

đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thểđiều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơnđồng thời lại đạt chất lư ợng cao

+ Động cơ điện một chiều có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng : Vì động cơ điện

một chiều có thể điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi Iư, Uư, Φ nên tốc độ động

cơ có thể được chỉnh tốc trong miền dưới và trên tốc độ định mức

+ Chất lượng điều chỉnh tốc tốt, dễ điều chỉnh tốc độ : Do động cơ điện mộtchiều có đường đặc tính cơ dạng tuyến tính nên dễ dàng điều khiển tốc độ Đặc biệt là

với động cơ điện một chiều kích từ độc lập có phần kích từ và phần ứng là riêng biệtnên càng dễ cho việc điều khiển

+ Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt : vì bộ biến đổi của động cơ điện một chiều

có khả năng tạo ra sai số tốc độ nhỏ, độ trơn điều chỉnh mịn, dải điều chỉnh rộng…

+ Động cơ điện một chiều có dòng mở máy và momen mở máy nhỏ, có khảnăng quá tải về momen với Iưmở =U/Rư ; Imở = (1.5÷2)Iđm ;

M = K.Φ.I ư

+ Công suất của phía kích từ động cơ kích từ độc lập nhỏ hơn công suất phầnứng động cơ Chính vì vậy nó vẫn được sử dụng trong các dây truyền cán…Ngoàinhững ưu điểm đó động cơ điện một chiều còn có cấu trúc mạch lực, mạch điều khiểnđơn giản hơn so với các loại động cơ khác Chính vì vậy động cơ điện một chiều được

sử dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp yêu cầu momen mở máy lớn hoặcyêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác, bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng như ngànhcán thép, hầm mỏ …

b ) Nhược điểm:

+ Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trườngrung

=>Kết luận: đông cơ điện một chiều còn có nhiều nhược điểm, song không vì thế mà

động cơ điện một chiều kém ưu thế hơn so với các loại động cơ khác, nó vẫn được sửdụng phổ biến, ngày càng được cải tiến, khắc phục những nhược điểm vốn có và nângcao hiệu suất của động cơ…

1.3 Động cơ điện xoay chiều

Ở động cơ xoay chiều ta tìm hiểu và xét đến động cơ xoay chiều không đồng bộ

Hình 1.12: Động cơ không đồng bộ 3 pha, rotor lồng sóc [7]

1.3.1 Khái niệm chung

Động cơ điện không đồng bộ là loại động cơ xoay chiều làm việc theo nguyên

lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rôto n ( tốc độ quay của máy ) khác với tốc độquay của từ trường n1

Động cơ điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ởchế độ động cơ điện và máy phát điện

Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vậnhành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sảnxuất và sinh hoạt

1.3.2 Ứng dụng của động cơ xoay chiều

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động

cơ điện( đặc biệt là loại rotor lồng sóc) có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ xoaychiều Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động

cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp , đờisống hằng ngày

Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn độnglực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy côngnghiệp nhẹ

Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm

1.3.3 Phân loại động cơ xoay chiều

Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau

và có thể phân loại như sau:

- Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại:

Hình1.13: Động cơ đồng bộ

- Cấu tạo của động cơ đồng bộ:

+) Rotor: Sự khác nhau chủ yếu giữa động cơ đồng bộ và không đồng bộ là

roto của động cơ đồng bộ quay với tốc độ của từ trường quay

+) Stator: Stato tạo ra từ trường quay tỉ lệ với tần số cung cấp

Động cơ quay với tốc độ đồng bộ, cho trong phương trình sau: N= 120f/p Trong đó: f: Tần số

P: số cực từ

b ) Động cơ không đồng bộ

Hình1.14: Các bộ phận của động cơ không đồng bộ

Là động cơ rất thông dụng , được sử dụng cho các thiết bị khác nhau trong côngnghiệp Sở dĩ loại động cơ này thông dụng là vì chúng có thiết kế đơn giản, rẻ tiền và

dễ bảo trì, có thể nối trực tiếp với nguồn xoay chiều

- Cấu tạo:

Một động cơ không đồng bộ có hai bộ phận cơ bản sau:

+) Rotor: Trong động cơ không đồng bộ có 2 loại rotor:

• Rotor lồng sóc: Bao gồm các dẫn dầy đặt tại các rãnh song song, đầu

thanh này được nối vào vòng đoản mạch

• Rotor dây quấn: Rotor được quấn nhiều cực như stator Ba pha được

nối dây bên trong và các đầu dây này được nối vào vành trượt treo trên một trục có cácchổi than

+) Stator: Được ghép từ các vòng dập định hình với các rãnh để chứa các cuộn

dây 3 pha Chúng được quấn cho một số cực nhất định Bố trí trong không gian nhữngcuộn dây này lệch nhau 120 độ

- Phân loại động cơ không đồng bộ

Có thể phân động cơ không đồng bộ thành hai nhóm chính :

• Động cơ không đồng bộ một pha: Chỉ có một cuộn dây stator, hoạt

động bằng nguồn điện một pha, có một rotor lồng sóc và cần một thiết bị để khởi độngđộng cơ Hiện nay, đây là loại động cơ phổ biến nhất sử dụng trong các thiết bị tại giađình như quạt, máy giặt, máy sấy quần áo và có công suất trong khoảng 3 - 4 mã lực

• Động cơ không đồng bộ ba pha: Từ trường quay do nguồn cung ba

pha cân bằng sinh ra Những động cơ loại này có năng lực công suất cao hơn, có thể córotor lồng sóc hoặc rotor dây quấn (khoảng 90% là có rôto lồng sóc), và tự khởi động

Ước tính khoảng 10% động cơ trong công nghiệp thuộc loại này, chúng được sử dụngtrong máy bơm, máy nén, băng tải, lưới điện công suất cao và máy mài

Chúng thích hợp trong dải từ1/3 tới hàng trăm mã lực

1.3.4 Cấu tạo động cơ xoay chiều

Ta xét cấu tạo và nguyên lí làm việc của động cơ xoay chiều không đồng bộ

Hình 1.15: Cấu tạo động cơ điện xoay chiều không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần chính đó là phần tĩnh(stator)

và phần động (rotor), ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

Hình 1.16: Các bộ phận của động cơ không đồng bộ

a ) Phần tĩnh (stator): Gồm có 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài

Hình1.17: Các bộ phận của stato của động cơ không đồng bộ

+) Lõi thép: Được dùng để dẫn từ, được chế tạo từ các lá thép kĩ thuật điện dày

0.35mm hoặc 0.5mm được dập thành rãnh bên trong, trên bề mặt có phủ sơn cách điện

để giảm tổn hao do dòng điện phu-cô Các lá thép được ghép thành hình trụ rỗng, bêntrong hình thành các rãnh để đặt dây quấn, lõi thép được ép vào vỏ máy

Hình 1.18: Lõi thép stator của động cơ không đồng bộ [1]

+) Dây quấn: Dây quấn stator được làm bằng dây dẫn (bằng đồng hay nhôm)

có bọc cách điện (còn gọi là dây điện từ) Dây quấn stator được đặt vào rãnh của lõithép và được cách điện tốt với lõi thép

Hình 1.19: Dây quấn stator của động cơ không đồng bộ 3 pha

a, Bối dây b, Các bối dây sau khi đã được đặt vào rãnh mạch từ

+) Vỏ máy: Gồm thân máy, nắp máy và chân đế Vỏ máy dùng để cố định lõi

thép và bảo vệ mạch từ và bộ dây quấn, đồng thời là giá đỡ để rotor quay trong lòngstator Vỏ máy thường đúc bằng gang hoặc bằng thép (với động cơ công suất lớn1000kw) Tùy theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ máy cũng khác nhau

b ) Phần quay(rotor): Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

Hình 1.20: Rotor của động cơ không đồng bộ

+) Lõi thép: Gồm các lá thép kĩ thuật điện được rập rãnh mặt ngoài được ghép

lại tạo thành các rãnh theo hướng dọc trục, ở giữa có lỗ để lắp trục

+) Dây quấn: Dây quấn rotor của động cơ không đồng bộ ba pha có hai kiểu: rotor lồng sóc và rotor dây quấn

 Loại rotor kiểu dây quấn (còn gọi là rotor pha):

Rotor có dây quấn giống như dây quấn stator Dây quấn 3 pha của rotor thườngđấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cốđịnh ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc

công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch.Nhược điểm so với động cơ rotor lòng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trườngkhắc nghiệt, dễ cháy nổ …

Hình 1.21: Rotor dây quấn của động cơ không đồng bộ

 Loại rotor kiểu lồng sóc(còn gọi là rotor ngắn mạch):

Kết cấu của loại dây quấn này khác với dây quấn stator Trong mỗi rãnh của lõithép rotor đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài khỏi lõi thép và được nối tắt lại ởhai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng màngười ta quen gọi là lồng sóc

Hình 1.22: Rotor lồng sóc của động cơ không đồng bộ [7]

Nếu là rotor đúc nhôm thì trên vành ngắn mạch còn có các cánh khoáy gió.Rotor thanh đồng được chế tạo từ hợp kim có điện trở suất cao nhằm mục đích nâng

cao mômen mở máy

Để cải thiện tính năng mở máy, đối với máy có công suất lớn, người ta làm rãnhrôto sâu hoặc dùng lồng sóc kép Đối với máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor được làm chéogóc so với tâm trục Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép

c) Khe hở không khí:

Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy

từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

1.3.5 Nguyên lí hoạt động của động cơ xoay chiều

Ta xét nguyên lý hoạt động của động cơ xoay chiều không đồng bộ:

Động cơ không đống bộ ba pha có hai phần chính: stator (phần tĩnh) và rotor(phần quay) Stator gồm có lõi thép trên đó có chứa dây quấn ba pha Khi đấu dâyquấn ba pha vào lưới điện ba pha, trong dây quấn sẽ có các dòng điện chạy qua nó, hệthống dòng điện này tao ra từ trường quay, quay với tốc độ: n1 = 60.f/p Trong đó: f1:tần số nguồn điện p: số đôi cực từ của dây quấn

Phần quay, nằm trên trục quay bao gồm lõi thép rotor Dây quấn rotor bao gồmmột số thanh dẫn đặt trong các rãnh của mạch từ, hai đầu được nối bằng hai vànhngắn mạch

Hình 1.23: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ [2]

Từ trường quay của stator cảm ứng trong dây rotor sức điện động E, vì dây

lên thanh dẫn có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái Tập hợp các lực tác dụng lênthanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt rotor tạo ra mômen quay rotor Như vậy,

ta thấy điện năng lấy từ lưới điện đã được biến thành cơ năng trên trục động cơ Nóicách khác, động cơ không đồng bộ là một thiết bị điện từ, có khả năng biến điện nănglấy từ lưới điện thành cơ năng đưa ra trên trục của nó Chiều quay của rotor là chiềuquay của từ trường, vì vậy phụ thuộc vào thứ tự pha của điện áp lưới đăt trên dây quấnstator

1.3.6 Ưu nhược điểm của động cơ điện xoay chiều

a ) Ưu điểm:

+ Ít phải bảo dưỡng do không có cổ góp

+ Kết cấu bền vững, đơn giản

+ Làm việc chắc chắn, hiệu suất cao

+ Khả năng chịu quá tải tốt nhờ cơ chế bảo vệ

+ Khả năng điều khiển tốc độ quay đa năng

+ Giá thấp hơn so với truyền động sử dụng động cơ một

chiều

b ) Nhược điểm:

+ Luôn vận hành gắn với hệ thống xoay chiều có sẵn

+ Khó mô tả toán học hơn động cơ một chiều

+ Cấu trúc điều khiển phức tạp hơn

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC

ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1 Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều

2.1.1 Khái quát chung

Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng mộtphạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giảnhơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha Vì một số ưu điểm nhưvậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp,trong giao thông vận tải

2.1.2 Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều

- Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

- Phương pháp thay đổi từ thông Ф

- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

2.1.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

 Nguyên lý điều khiển: trong phương pháp này người ta giữ U=Uđm, ф= ф

đm nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

(2.1) +) Ta thấy khi điện trở càng lướn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc

ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

 Đặc điểm của phương pháp:

+) Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ địnhmức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

+) Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trênđiện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơđiện trong cần trục

+) Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được

mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số momen tải, tải càngnhỏ thì dải điều chỉnh D= ωmax / ωmin càng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnhtrong dải D=3: 1

+) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trởphụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

2.1.2.2 Phương pháp thay đổi từ thông Ф 

Nguyên lí điều khiển:

Giả thiêt U=Uđm, Rư=const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòngđiện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối tiếp biến trở vàomạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ

Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đaф=фmax mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ cóthể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông ф tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc

độ định mức Nên khi giảm ф thì tốc độ không tải lý tưởng tăng, còn độcứng đặc tính cơ giảm , ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tựnhiên

Hình 2.2: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông