Giáo trình Cơ sở lý thuyết máy điện phục vụ cho công tác dạy nghề. Giáo trình này được biên soạn để giảng dạy cho người học ở trình độ cao đẳng nghề hoặc làm tài liệu tham khảo cho các khoá đào tạo ngắn hạn cho các công nhân kỹ thuật chuyên ngành điện.
Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều
5 Ứng dụng của động cơ một chiều
5 Chương IV: Động cơ điện vạn năng
1 Cấu tạo động cơ điện vạn năng
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 8
2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện vạn năng
3 Nguyên lý từ trường trong động cơ điện vạn năng
4 Ứng dụng của động cơ điện vạn năng
1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
2 Điều khiển động cơ servo
3 Ứng dụng của động cơ servo
1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
2 Điều khiển động cơ bước
3 Ứng dụng của động cơ bước
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 9
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
- Phát biểu được các định luật điện từ trong máy điện;
- Phân tích được nguyên lý hoạt động của máy phát và động cơ điện;
- Giải thích được quá trình phát nóng và làm mát của máy;
- Phát huy tính tích cực, chủ động, cẩn thận trong công việc;
1 Định nghĩa và phân loại máy điện
Máy điện là thiết bị điện từ hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, bao gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây cuốn) Chức năng của máy điện là biến đổi năng lượng, chẳng hạn như chuyển đổi cơ năng thành điện năng trong máy phát điện, hoặc chuyển đổi điện năng thành cơ năng trong động cơ điện Ngoài ra, máy điện còn có khả năng biến đổi các thông số điện năng như điện áp, dòng điện, tần số và số pha.
Máy điện là máy thường gặp nhiều trong công nghiệp, giao thông vận tải, sản xuất và đời sống
Máy điện được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên các tiêu chí như công suất, cấu tạo, chức năng, dòng điện (xoay chiều hoặc một chiều) và nguyên lý làm việc Trong giáo trình này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân loại máy điện dựa trên nguyên lý biến đổi năng lượng.
Máy điện tĩnh hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, trong đó từ thông giữa các cuộn dây biến đổi mà không cần chuyển động tương đối giữa chúng.
Máy điện tĩnh là thiết bị quan trọng trong việc biến đổi thông số điện năng, nhờ vào tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ Quá trình biến đổi này cho phép máy biến áp chuyển đổi hệ thống điện từ thông số U1, f sang U2, f hoặc ngược lại, đảm bảo hiệu quả trong việc quản lý và phân phối điện năng.
Máy bao gồm một khung dây abcd kết nối với hai phiến góp, được quay quanh trục với vận tốc không đổi trong từ trường của hai cực nam châm Các chổi than A và B được đặt cố định và luôn tì sát vào phiến góp.
Hình 4-6 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện
Khi cho khung quay theo định luật cảm ứng điền từ trong thanh dẫn sẽ cảm ứng nên sức điện động theo định luật Faraday ta có: e = B.l.v (V) (4-1)
B: Từ cảm nơi thanh dẫn quét qua; T
L: Chiều dài của thanh dẫn nằm trong từ trường; m
V: Tốc độ dài của thanh dẫn; m/s
Chiều của sức điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải Cụ thể, sức điện động của thanh dẫn CD nằm dưới cực S có chiều đi từ D đến C, trong khi thanh AB nằm dưới cực N có chiều đi từ B đến A Khi mạch ngoài được khép kín qua tải, sức điện động sẽ được phát sinh.
Giáo trình Cơ sở lý thuyết máy điện 10 trình bày rằng khi có động cơ trong khung dây, dòng điện sẽ chạy từ A đến B Nếu từ cảm B phân bố theo hình sin, sức điện động cảm ứng trong khung dây sẽ biến đổi theo dạng sóng hình sin Tuy nhiên, do chổi than và thanh dẫn nằm dưới cực S, dòng điện ngoài chỉ chạy theo chiều từ A đến B Sức điện động xoay chiều trong thanh dẫn và dòng điện tương ứng được chỉnh lưu thành sức điện động và dòng điện một chiều nhờ hệ thống vành góp và chổi than, tạo ra dạng sóng sức điện động một chiều như mô tả trong hình 5.3b Đây chính là nguyên lý hoạt động của máy phát điện một chiều.
Từ cảm hay sức điện động hình sin a) Quy tắc bàn tay
Trong khung dây trước chỉnh lưu phải a) S.đ.đ và dòng điện đã được chỉnh b) Quy tắc bàn tay lưu trái
Hình 4-7 Các dạng sóng sức điện động Hình 4-8 Quy tắc bàn tay trái và phải
Khi dòng điện một chiều đi vào chổi than A và ra ở B, dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn dưới cực N và ra ở các thanh dẫn dưới cực S Dưới tác dụng của từ trường, một mô men quay không đổi sẽ được sinh ra, khiến cho máy quay Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái, đây chính là nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.
4 Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều
Sức điện động cảm ứng trong dây quấn phần ứng được sinh ra khi dòng điện kích thích được đưa vào dây quấn kích thích, tạo ra từ thông Φδ trong khe hở Khi phần ứng quay với tốc độ nhất định, suất điện động sẽ được cảm ứng trong dây quấn Suất điện động này tương đương với sức điện động của mạch nhánh song song, bằng tổng sức điện động cảm ứng của các thanh dẫn nối tiếp trong mạch nhánh đó.
Sức điện động cảm ứng của một thanh dẫn: ex = Bδx.lδ.v (4-2)
Bδx: Từ cảm nơi thanh dẫn x quét qua lδ: Chiều dài tác dụng của thanh dẫn v: Tốc độ dài của thanh dẫn
Hình 17-05-9 Xác định s.đ.đ phần ứng
Nếu thanh dẫn của một mạch nhánh là a
Nếu số thanh dẫn đủ lớn thì
bằng trị số trung bình Btb nhân với tổng số thanh dẫn trong mạch nhánh:
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 11
Với v là tốc độ dài của phần ứng Φδ: từ thông dưới mỗi cực từ trong khe hở không khí: Φδ = Bδ.lδ.τ
Trong đó: p: Số dư cực từ kích thích
N: Tổng số thanh dẫn của phần ứng n: Tốc độ quay của phần ứng (vòng/phút) a: Số đôi mạch nhánh song song Đặt CE a pN
60 : Hệ số kết cấu của máy điện
Tổn hao trong máy điện một chiều
Tổn hao năng lượng trong hệ thống bao gồm tổn hao ở ổ bi, ma sát giữa chổi than và vành góp, cũng như ma sát của không khí với cánh quạt Những tổn hao này chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ quay của máy, thường dao động từ 2-4% so với công suất định mức Bên cạnh đó, tổn hao sắt cũng cần được xem xét trong quá trình tính toán hiệu suất của máy.
Do trễ từ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên Được xác định bằng công thức:
Hệ số kinh nghiệm kδ, thường được chọn là 3,6, giúp xem xét sự tăng thêm tổn hao thép do quá trình gia công và lắp ghép lõi thép, cũng như từ thông phân bố không đều Suất tổn hao của thép, ký hiệu là p(1/50), được tính khi từ cảm B đạt 1T và tần số dòng điện f là 50Hz, trong đó 1T tương đương với 10^4 Gauss.
GC: trọng lượng của sắt tính bằng kg β: số mũ thép hợp kim thấp β = 1,5; với thép hợp kim cao thì β = 1,2-1,3
Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải
Nó sinh ra mô men không tải mang tính chất hãm
Tổn hao đồng trong mạch phần ứng PCu ư bao gồm tổn hao trong dây quán tính I2ư.rư và tổn hao tiếp xúc giữa chổi than và vành góp Ptx.
Giáo trình cơ sở lý thuyết máy điện 12 bao gồm các khái niệm quan trọng như điện trở phần ứng (rư), điện trở của dây quấn cực từ phụ (rf), và điện trở tiếp xúc của chổi than với vành góp (rtx) Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và phân tích hoạt động của máy điện.
- Tổn hao đồng trong mạch kích từ PCu t
Ut: điện áp đặt trên mạch kích thích
It: dòng điện kích thích d) Tổn hao phụ p f :
Tổn hao phụ trong thép xuất phát từ từ trường không đồng đều trên bề mặt phần ứng của máy điện, do ảnh hưởng của răng và rãnh gây ra từ trường đập mạch dọc trục.
Tổn hao phụ trong đồng xảy ra do dòng điện phân bố không đều trên chổi than, dẫn đến sự phân bố từ trường không đồng nhất trong rãnh Khi đổi chiều, hiện tượng này tạo ra dòng điện xoáy trong dây quấn, gây ra tổn hao trong dây nối cân bằng Những vấn đề này thường gặp trong máy điện một chiều.
Công suất tiêu thụ của máy không có dây quấn bù là Pf = 1%Pđm, trong khi máy có dây quấn bù có Pf = 0,5%Pđm Tổng tổn hao trong máy được tính bằng công thức Σp = pcơ + pFe + pCu ư + pCu t + pf Nếu p1 được định nghĩa là công suất đưa vào máy, thì các yếu tố này cần được xem xét để đánh giá hiệu suất hoạt động của máy.
P2 là công suất đưa ra của máy thì
Hiệu suất của máy được tính theo phần trăm %
1 Hãy định nghĩa máy phát điện một chiều?
2 Nêu cấu tạo của máy phát điện một chiều?
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 13
3 Trình bày nguyên lý làm việc của máy phát điện và động cơ điện một chiều?
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 14
4 Nêu các đại lượng định mức của máy điện một chiều và ý nghĩa của chúng?
Câu 4 Sđđ trong máy điện phụ thuộc vào những yếu tố gì?
ĐỘNG CƠ VẠN NĂNG
- Phân tích được cấu tạo và nguyên lý của động cơ vạn năng;
- Trình bày được đặc điểm từ trường của động cơ điện vạn năng;
- Rèn luyện tính cẩn thận, tư duy khoa học và sáng tạo
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 15
Động cơ vạn năng, hay còn gọi là động cơ cổ góp điện hoặc Serie motor, là loại động cơ có cấu tạo gồm hai phần chính Nguyên lý hoạt động của động cơ này cho phép nó hoạt động hiệu quả với nhiều nguồn điện khác nhau.
Stato, hay còn gọi là phần cảm, thực chất là một nam châm điện với hai cực lồi, được quấn các cuộn dây nhằm tạo ra từ trường.
+ Roto: Còn gọi là phần ứng, gồm nhiều lá sắt ghép lại thành khối trụ, có rảnh ở xung quanh và được quấn dây theo một trật tự nhất định
Các đầu cuộn dây được kết nối với cổ góp điện, tạo thành mạch kín Cổ góp điện gồm nhiều phiến đồng cách điện độc lập, có nhiệm vụ dẫn điện vào phần ứng và kết hợp với chổi than để duy trì chiều quay không đổi của roto.
Động cơ đơn giản trong hình 5-2a có phần cảm mắc nối tiếp với phần ứng Khi dòng điện được cấp vào động cơ, từ trường của phần cảm tạo ra lực điện từ làm cho roto quay Khi roto quay được 180°, phiến góp cũng di chuyển, dẫn đến dòng điện trong thanh dẫn ở mỗi từ cực vẫn giữ nguyên chiều Nhờ đó, roto tiếp tục quay tròn do lực điện từ tác dụng không đổi chiều.
Động cơ vạn năng có khả năng hoạt động liên tục với dòng điện xoay chiều, nhờ vào việc chiều từ trường trong phần cảm cũng đổi chiều khi dòng điện thay đổi Điều này cho phép động cơ quay theo một chiều nhất định, dù sử dụng dòng điện một chiều hay dòng điện xoay chiều Động cơ vạn năng đạt tốc độ cao lên tới 10.000 vòng/phút và có momen quay lớn, nhưng không nên vận hành không tải để tránh làm hỏng các đầu dây nối vào cổ góp điện Khi có tải, tốc độ quay của động cơ dao động từ 2500 đến 6000 vòng/phút.
Động cơ vạn năng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị như máy may, máy khoan điện cầm tay, máy xay trái cây và máy xay thịt.
Việc điều chỉnh tốc độ động cơ được thực hiện bằng cách giảm điện áp cung cấp thông qua cuộn cảm kháng, thường được quấn chung với cuộn dây từ cực.
Câu 1: Em hãy trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ vạn năng ?
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 16
……… Câu 2: Em hãy trình bày đặc tính và công dụng của động cơ vạn năng ?
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 17
CƠ SERVO
Khái niệm
2 Cấu tạo máy biến áp Error! Bookmark not defined.
2.1 Lõi thép Error! Bookmark not defined.
2.2 Dây quấn Error! Bookmark not defined.
2.3 Vỏ máy Error! Bookmark not defined.
3 Các đại lượng định mức Error! Bookmark not defined.
3.1 Điện áp định mức Error! Bookmark not defined.
3.2 Dòng điện định mức Error! Bookmark not defined.
3.3 Công suất đinh mức Error! Bookmark not defined.
4 Nguyên lý làm việc của máy biến áp Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 2: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Error! Bookmark not defined.
1 Khái niệm chung về máy điện không đồng bộ Error! Bookmark not defined.
1.1 Khái niệm Error! Bookmark not defined.
1.2 Phân loại Error! Bookmark not defined.
1.3 Các đại lượng định mức Error! Bookmark not defined.
1.4 Công dụng của máy điện không đồng bộ Error! Bookmark not defined.
2 Cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha Error! Bookmark not defined.
2.1 Stator (phần tĩnh) Error! Bookmark not defined.
2.2 Rotor (phần quay) Error! Bookmark not defined.
2.3 Khe hở Error! Bookmark not defined.
3 Từ trường của máy điện không đồng bộ Error! Bookmark not defined.
3.1 Từ trường đập mạch của dây quấn một pha Error! Bookmark not defined.
3.2 Từ trường quay của dây quấn ba pha Error! Bookmark not defined.
3.3 Từ trường quay của dây quấn hai pha Error! Bookmark not defined.
4 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ Error! Bookmark not defined.
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 5
4.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ Error! Bookmark not defined. 5 Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ Error!
Máy điện một chiều là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng Cấu tạo của máy điện một chiều bao gồm các thành phần chính như stato, roto, và bộ chổi than, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Nguyên lý làm việc của máy điện một chiều dựa trên tương tác giữa từ trường và dòng điện, cho phép tạo ra mô-men xoắn và chuyển động quay.
3.1 Máy phát điện Error! Bookmark not defined.
4 Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều 10
5 Tổn hao trong máy điện một chiều 11
CHƯƠNG 4: ĐỘNG CƠ VẠN NĂNG 14
1.Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của động cơ vạn năng 14
1 Hệ thống servo là gì? 17
2 servomotor Error! Bookmark not defined. 3 Servo Amplifiers Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 6:ĐỘNG CƠ BƯỚC 28
2 Cấu tạo động cơ bước 28
3 Đặc điểm của động cơ bước 28
4.Phương pháp điều khiển động cơ 30
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 6
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Cơ sở lý thuyết máy điện
Thời gian thực hiện môn học: 30 giờ; (Lý thuyết: 28 giờ; kiểm tra: 2 giờ)
I Vị trí, tính chất của môn học:
Môn học cơ sở lý thuyết máy điện được tổ chức giảng dạy sau khi sinh viên hoàn thành môn học cơ sở lý thuyết mạch điện, và trước khi tham gia vào các mô đun chuyên môn nghề.
- Tính chất: Là môn học cơ sở
II Mục tiêu môn học:
Bài viết trình bày các khái niệm cơ bản về máy điện, bao gồm định luật điện từ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động Nó cũng đề cập đến các đại lượng định mức, phân loại và ứng dụng của các loại máy như máy biến áp, máy điện không đồng bộ, máy điện một chiều, động cơ vạn năng, động cơ servo và động cơ bước.
Giải thích được nguyên lý làm việc của từ trường trong máy điện không đồng bộ, động cơ một chiều và động cơ vạn năng
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Làm việc độc lập hoặc làm việc theo nhóm, giải quyết công việc, vấn đề phức tạp trong điều kiện làm việc thay đổi;
+ Hướng dẫn, giám sát những người khác thực hiện nhiệm vụ xác định; chịu trách nhiệm cá nhân trách nhiệm đối với nhóm;
+ Đánh giá chất lượng công việc sau khi hoàn thành và kết quả thực hiện của các thành viên trong nhóm
III Nội dung môn học:
1 Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian:
Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập
1 Bài mở đầu: Khái niệm chung về máy điện
1 Các định luật điện từ dùng trong máy điện
1.2 Hiện tượng cảm ứng điện từ
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 7
1.3 Tự cảm và hổ cảm
2 Định nghĩa và phân loại máy điện
2.1 Khái niệm về máy điện xoay chiều
2 Cấu tạo của máy biến áp
3 Các đại lượng định mức của máy biến áp
4 Nguyên lý làm việc của máy biến áp
5 Phân loại và ứng dụng
3 Chương II: Máy điện không đồng bộ
1 Khái niệm chung về máy điện không đồng bộ
2 Cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha
3 Từ trường của máy điện không đồng bộ
4 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ
5 Phân loại và ứng dụng 1
4 Chương III: Máy điện một chiều 5 5
1 Đại cương về máy điện một chiều
2 Cấu tạo của máy điện một chiều
3 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một chiều
4 Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều
5 Ứng dụng của động cơ một chiều
5 Chương IV: Động cơ điện vạn năng
1 Cấu tạo động cơ điện vạn năng
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 8
2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện vạn năng
3 Nguyên lý từ trường trong động cơ điện vạn năng
4 Ứng dụng của động cơ điện vạn năng
1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
2 Điều khiển động cơ servo
3 Ứng dụng của động cơ servo
1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
2 Điều khiển động cơ bước
3 Ứng dụng của động cơ bước
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 9
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
- Phát biểu được các định luật điện từ trong máy điện;
- Phân tích được nguyên lý hoạt động của máy phát và động cơ điện;
- Giải thích được quá trình phát nóng và làm mát của máy;
- Phát huy tính tích cực, chủ động, cẩn thận trong công việc;
1 Định nghĩa và phân loại máy điện
Máy điện là thiết bị điện từ hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, bao gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây cuốn) Nó có khả năng biến đổi năng lượng, chẳng hạn như chuyển đổi cơ năng thành điện năng trong máy phát điện, hoặc ngược lại, chuyển đổi điện năng thành cơ năng trong động cơ điện Ngoài ra, máy điện còn được sử dụng để điều chỉnh các thông số điện năng như điện áp, dòng điện, tần số và số pha.
Máy điện là máy thường gặp nhiều trong công nghiệp, giao thông vận tải, sản xuất và đời sống
Máy điện có nhiều loại và có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, như công suất, cấu tạo, chức năng, và dòng điện (xoay chiều hoặc một chiều) Trong giáo trình này, chúng ta sẽ phân loại máy điện dựa trên nguyên lý biến đổi năng lượng.
Máy điện tĩnh hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, xảy ra khi có sự biến đổi từ trường giữa các cuộn dây mà không cần chuyển động tương đối giữa chúng.
Máy điện tĩnh là thiết bị quan trọng trong việc biến đổi thông số điện năng, nhờ vào tính chất thuận nghịch của quy luật cảm ứng điện từ Quá trình này cho phép máy biến áp chuyển đổi hệ thống điện từ thông số U1, f sang U2, f và ngược lại, đảm bảo hiệu quả trong việc điều chỉnh và quản lý năng lượng điện.
Máy bao gồm một khung dây abcd kết nối với hai phiến góp, được quay quanh trục với vận tốc không đổi trong từ trường của hai cực nam châm Các chổi than A và B được đặt cố định và luôn tì sát vào phiến góp.
Hình 4-6 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện
Khi cho khung quay theo định luật cảm ứng điền từ trong thanh dẫn sẽ cảm ứng nên sức điện động theo định luật Faraday ta có: e = B.l.v (V) (4-1)
B: Từ cảm nơi thanh dẫn quét qua; T
L: Chiều dài của thanh dẫn nằm trong từ trường; m
V: Tốc độ dài của thanh dẫn; m/s
Chiều của sức điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải Cụ thể, sức điện động của thanh dẫn cd nằm dưới cực S có chiều đi từ d đến c, trong khi thanh ab nằm dưới cực N có chiều đi từ b đến a Khi mạch ngoài khép kín qua tải, sức điện động sẽ được hình thành.
Giáo trình cơ sở lý thuyết máy điện 10 trình bày rằng, khi có động cơ hoạt động trong khung dây, sẽ sinh ra dòng điện chạy từ A đến B Nếu từ cảm B phân bố theo hình sin, thì sức điện động cảm ứng trong khung dây sẽ có dạng sóng hình sin Tuy nhiên, do chổi than và thanh dẫn nằm dưới cực S, dòng điện chỉ chạy theo chiều từ A đến B Sức điện động xoay chiều cảm ứng trong thanh dẫn và dòng điện tương ứng được chỉnh lưu thành sức điện động và dòng điện một chiều nhờ hệ thống vành góp và chổi than, tạo ra dạng sóng sức điện động một chiều ở hai chổi than Đây chính là nguyên lý hoạt động của máy phát điện một chiều.
Từ cảm hay sức điện động hình sin a) Quy tắc bàn tay
Trong khung dây trước chỉnh lưu phải a) S.đ.đ và dòng điện đã được chỉnh b) Quy tắc bàn tay lưu trái
Hình 4-7 Các dạng sóng sức điện động Hình 4-8 Quy tắc bàn tay trái và phải
Khi dòng điện một chiều được cung cấp vào chổi than A và ra ở B, nó chỉ đi vào thanh dẫn dưới cực N và ra ở các thanh dẫn dưới cực S Dưới tác động của từ trường, mô men quay với chiều không đổi sẽ được sinh ra, làm cho máy quay Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái, đó chính là nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.
4 Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều
Sức điện động cảm ứng trong dây quấn phần ứng được sinh ra khi dòng điện kích thích được đưa vào dây quấn, tạo ra một từ thông Φδ trong khe hở Khi phần ứng quay với tốc độ nhất định, suất điện động sẽ được cảm ứng trong dây quấn Sức điện động này tương ứng với mạch nhánh song song và bằng tổng sức điện động cảm ứng của các thanh dẫn nối tiếp trong mạch nhánh đó.
Sức điện động cảm ứng của một thanh dẫn: ex = Bδx.lδ.v (4-2)
Bδx: Từ cảm nơi thanh dẫn x quét qua lδ: Chiều dài tác dụng của thanh dẫn v: Tốc độ dài của thanh dẫn
Hình 17-05-9 Xác định s.đ.đ phần ứng
Nếu thanh dẫn của một mạch nhánh là a
Nếu số thanh dẫn đủ lớn thì
bằng trị số trung bình Btb nhân với tổng số thanh dẫn trong mạch nhánh:
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 11
Với v là tốc độ dài của phần ứng Φδ: từ thông dưới mỗi cực từ trong khe hở không khí: Φδ = Bδ.lδ.τ
Trong đó: p: Số dư cực từ kích thích
N: Tổng số thanh dẫn của phần ứng n: Tốc độ quay của phần ứng (vòng/phút) a: Số đôi mạch nhánh song song Đặt CE a pN
60 : Hệ số kết cấu của máy điện
5 Tổn hao trong máy điện một chiều a) Tổn hao cơ p cơ
Tổn hao trong hệ thống bao gồm tổn hao ở ổ bi, ma sát giữa chổi than và vành góp, cũng như ma sát của không khí với cánh quạt Những tổn hao này chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ quay của máy, thường dao động trong khoảng 2-4% công suất định mức Bên cạnh đó, tổn hao sắt cũng cần được xem xét để đánh giá hiệu suất tổng thể của máy.
Do trễ từ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên Được xác định bằng công thức:
Hệ số kinh nghiệm kδ, thường được chọn là 3,6, được sử dụng để xem xét sự gia tăng tổn hao thép do gia công và lắp ghép lõi thép, cũng như từ thông phân bố không đều Suất tổn hao của thép được tính khi từ cảm B đạt 1T và tần số dòng điện f là 50Hz, trong đó 1T tương đương với 10^4 Gauss.
GC: trọng lượng của sắt tính bằng kg β: số mũ thép hợp kim thấp β = 1,5; với thép hợp kim cao thì β = 1,2-1,3
Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải
Nó sinh ra mô men không tải mang tính chất hãm
Cấu tạo động cơ bước
Động cơ bước bao gồm các bộ phận chính như stato và roto, với roto thường là nam châm vĩnh cửu hoặc các khối răng bằng vật liệu nhẹ có từ tính trong động cơ biến từ trở Động cơ này được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài, cho phép nó giữ vị trí cố định hoặc quay đến vị trí mong muốn Động cơ bước có thể được áp dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản hoặc vòng kín, tuy nhiên, khi sử dụng trong hệ thống vòng hở, nếu gặp quá tải, tất cả các giá trị của động cơ sẽ bị mất và cần phải nhận diện lại.
Đặc điểm của động cơ bước
Động cơ bước hoạt động dựa trên các xung điện liên tiếp Khi dòng điện hoặc điện áp được cung cấp cho cuộn dây phần ứng, roto của động cơ sẽ quay một góc xác định, được gọi là bước của động cơ.
Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển, được xác định bởi cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển.
Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ
Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây
2.1 Phân loại động cơ bước Động cơ bước được chia thành 3 loại chính là:
- Động cơ bước biến từ trở
- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Động cơ bước hỗn hợp, hay còn gọi là động cơ bước nam châm vĩnh cửu, được thiết kế với roto là nam châm vĩnh cửu và stato có nhiều răng, mỗi răng được quấn các vòng dây Các cuộn dây pha trong động cơ này có cực tính khác nhau, giúp tăng cường hiệu suất hoạt động.
GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 30
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ hai cặp cuộn pha, với nguyên lý hoạt động bắt đầu từ vị trí của stato và roto ở phase A Khi có điện, động cơ sẽ hoạt động theo cơ chế tuần tự giữa các pha.
Khi cuộn dây pha B và D hoạt động, cực tính sẽ xuất hiện, khiến roto di chuyển đến vị trí tương ứng với hình phase B on Khi cuộn dây B và D ngắt điện, cuộn dây A và B được cấp điện, làm cho roto di chuyển đến vị trí như hình phase C on.
Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Sđc, góc bước của động cơ này được tính theo công thức sau:
2.2 Động cơ bước biến từ trở Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Góc bước của stato là Ss Roto của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn
Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ được thể hiện như hình:
Nguyên lý hoạt động động cơ bước biến trừ trở
Khi cấp điện cho pha A, các cuộn dây A được bố trí đối xứng với cực tính giống nhau, tạo thành các vòng từ đối xứng.
Khi cấp điện cho pha B, từ trở trong động cơ tăng cao, tạo ra momen tác động lên trục roto, khiến roto quay theo chiều giảm từ trở Roto tiếp tục quay cho đến khi từ trở đạt giá trị nhỏ nhất, tại thời điểm momen bằng không, trục động cơ dừng lại và roto đạt vị trí cân bằng mới.
Khi cấp điện cho pha C, động cơ hoạt động theo nguyên tắc nhất định và roto sẽ ở vị trí như hình c Quá trình này lặp lại, giúp động cơ quay liên tục theo thứ tự pha A, B, C Để thay đổi chiều quay của động cơ, chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược lại.
Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Zr, góc bước của động cơ bước biến từ trở là S ta tính được công thức sau:
2.3 Động cơ bước hỗn hợp
Động cơ bước hỗn hợp, hay còn gọi là động cơ bước lai, kết hợp đặc trưng của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ Cấu trúc của stato và roto tương tự như động cơ bước biến từ, nhưng số răng của chúng không bằng nhau Roto của động cơ bước bao gồm hai phần: phần trong là nam châm vĩnh cửu gắn chặt lên trục động cơ, trong khi phần ngoài gồm hai đoạn roto được chế tạo từ lá thép non với các răng của chúng được đặt lệch nhau.
Cấu tạo động cơ bước hỗn hợp
Góc bước của động cơ bước hỗn hợp được tính theo công thức:
S là góc bước của động cơ
Sr là góc giữa 2 răng kề nhau
Động cơ bước hỗn hợp, với Zs là số cặp cực trên stato, được sử dụng phổ biến nhờ kết hợp những ưu điểm của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ trở.
Hiện nay, động cơ bước 2 pha đang trở nên phổ biến với cấu trúc tương tự như động cơ bước hỗn hợp và động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Động cơ bước 2 pha được phân loại thành hai loại dựa trên cách đấu dây các cặp cực: động cơ bước đơn cực và động cơ bước lưỡng cực Động cơ bước đơn cực có cuộn dây pha với ba dây đầu ra, trong đó dây trung tâm được nối với nguồn dương, trong khi hai đầu dây còn lại kết nối với nguồn âm Ngược lại, động cơ bước lưỡng cực chỉ có hai đầu ra, với một đầu nối với nguồn dương và đầu còn lại nối với nguồn âm Mặc dù động cơ bước lưỡng cực có cấu trúc đơn giản hơn, nhưng việc điều khiển nó lại phức tạp hơn so với động cơ bước đơn cực.
4.Phương pháp điều khiển động cơ
Hiện nay có 4 phương pháp điều khiển động cơ bước
Phương pháp điều khiển động cơ bước
- Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương pháp điều khiển cấp xung điều khiển lần lượt theo thứ tự chon từng cuộn dây pha
- Điều khiển bước đủ (Full step): là phương pháp điều khiển cấp xung đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau
Điều khiển nửa bước (Half step) là phương pháp điều khiển kết hợp giữa hai phương pháp: điều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ, mang lại độ chính xác cao hơn trong việc điều khiển chuyển động.
Phương pháp điều khiển động cơ bước này cho phép giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ tăng gấp đôi so với phương pháp điều khiển bước đủ Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu bộ phát xung điều khiển phức tạp.