Báo cáo Máy điện đặc biệt

BÁO CÁO MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT NHÓM 3 Permanent-Magnet Synchronous Motors Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Nguyễn Công Chánh 10102012 Bùi Thành Đạt 10102029 Trần Hiếu Để 10102033 Máy điện đặc biệt Nhóm 3 39.13. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (a)cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ rô-to lồng sóc có các cực từ làm bằng nam châm vĩnh cửu chứ không dùng cuộn kích từ (nam châm điện). 1 động cơ khởi động kiểu cảm ứng điện từ khi được cấp nguồn từ 1 tần số không đổi. mặt cắt các kiểu roto 2 cực và 4 cực tiêu biểu được biểu diễn trên hình 39.14. Vì roto không cần nguồn dc kích thích nên động cơ loại này có thể hoạt động mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn . những động cơ này có công suất từ 100 w đến 100 kw. Momen tối đa của máy được thiết kế không vượt quá 150% momen định mức. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 If loaded beyond this point, the motor loses synchronism and will run either as an induction motor or stall. These motors are usually designed for direct-on-line (DOL) starting. The efficiency and power factor of the permanent-magnet excited synchronous motors are each 5 to 10 points better than their . nếu máy hoạt động vượt quá momen max thỳ sẽ mất tính đồng bộ và sẽ không hoạt động như 1 động cơ cảm ứng hoặc ngưng hoạt động. những động cơ này thường được chế tạo để khởi động trực tiếp. công suất và hệ số công suất của mỗi động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thường tốt hơn 5 đến 10 lần động cơ từ trở tương ứng Máy điện đặc biệt Nhóm 3 Máy điện đặc biệt Nhóm 3 ( b) Advantages Since there are no brushes or slip- rings, there is no sparking. Also, brush maintenance is eliminated. Such motors can pull into synchronism with inertia loads of many times their rotor inertia. (b) Ưu điểm động cơ không có chổi than hoặc vành trượt trên roto thỳ không sinh ra tia lửa điện khi hoạt động. lúc này công việc bảo dưỡng chổi than đã được loại trừ. những động cơ này có thể kéo vào đồng bộ các tải có mức quán tính lơn hơn quán tính roto của chúng nhiều lần . Máy điện đặc biệt Nhóm 3 ( c) Applications These motors are used where precise speed must be maintained to ensure a consistent product. With a constant load, the motor maintains a constant speed Hence, these motors are used for synthetic-fibre drawing where constant speeds are absolutely essential (c) Ứng dụng các động cơ này được sử dụng tại những nơi yêu cầu duy trì tốc độ chính xác để đảm bảo cho ra sản phẩm đồng đều. với 1 tải không đổi, động cơ duy trỳ 1 tốc độ không đổi. do đó nó được ứng dụng trong công nghiệp kéo sợi tổng hợp, nơi mà tốc độ không đổi cực kỳ quan trọng. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 39.14 Synchros It is a general name for self-synchronizing machines which, when electrically energized and electrically interconnected, exert torques which cause two mechanically independent shafts either to run in synchronism or to make the rotor of one unit follow the rotor position of the other. They are also known by the trade names of selsyns and autosyns. Synchros, in fact, are small cylindrical motors varying in diameter from 1.5 cm to 10 cm depending on their power output. 39.14 MÁY ĐIỆN TỰ ĐỒNG BỘ Trên đây là tên gọi chung của các máy điện tự đồng bộ. khi được cấp điện và liên kết với nhau sẽ sinh ra momen. Các momen này gây ra 2 tác động cơ khí độc lập trên trục động cơ, hoặc khiến máy chạy ở chế độ đồng bộ hoặc khiến roto máy này sinh ra sự quay roto máy khác. Các máy điện loại này được biết đến dưới tên thương mại là sensyl và autosyn (tự đồng bộ). thực tế, chúng là các máy điện nhỏ dạng hình trụ với đường kính thay đổi từ 1,5 đến 10 cm phụ thuộc vào công suất đầu ra. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 They are low-torque devices and are widely used in control systems for transmitting shaft position information or for making two or more shafts to run in synchronism. If a large device like a robot arm is to be positioned, synchros will not work. Usually, a servomotor is needed for a higher torque. Chúng có momen nhỏ và được dùng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển để truyền tín hiệu vị trí trục động cơ hoặc điều khiển 2 hay nhiều động cơ chạy đồng bộ. nếu có 1 thiết bị lớn , như cánh tay robot được nối vào, hệ thống đồng bộ sẽ không hoạt động. muốn sử dụng ở momen cao hơn, cần 1 động cơ trợ lực (servo motor). Máy điện đặc biệt Nhóm 3 39.15 Types of Synchros There are many types of synchros but the four basic types used for position and error-voltage applications are as under: Control Transmitter (denoted by CX) – earlier called generator (ii ) Control Receiver (CR) – earlier called motor (iii) Control-Transformer (CT) and (iv) Control Differential (CD). It may be further subdivided into control differential transmitter (CDX) and control differential receiver (CDR). All of these synchros are single-phase units except the control differential which is of three-phase construction 39.15 Các loại máy điện tự đồng bộ Có nhiều loại mđđb nhưng có 4 loại cơ bản để định vị và ứng dụng sai số điện áp được giới thiệu sau đây : Máy phát điều khiển tự đồng bộ ( ký hiệu CX) Máy thu điều khiển tự đồng bộ ( ký hiệu CR) – tên gọi đầu tiên là động cơ (motor) Máy biến áp điều khiển tự đồng bộ ( ký hiệu CT) Khối tín hiệu vi sai điều khiển tự đồng bộ ( ký hiệu CD). nó có thể được chia nhỏ hơn nữa thành máy phát vi sai điều khiển tự đồng bộ (CDX) và máy thu vi sai điều khiển tự đồng bộ (CDR). tất cả các loại mddb trên đều có cấu tạo 1 pha, ngoại trừ khối CD cấu tạo 3 pha. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 1. Constructional Features (a) Control Transmitter Its constructional details are shown in Fig. 39.15 (a). It has a three-phase stator winding similar to that of a three-phase synchronous generator. The rotor is of the projecting-pole type using dumbbell construction and has a single-phase winding. When a single-phase ac voltage is applied to the rotor through a pair of slip rings, it produces an alternating flux field along the axes of the rotor. This alternating flux induces three unbalanced single phase/voltage in the three stator windings by transformer action. If the rotor is aligned with the axis of the stator winding 2, flux linkage of this stator winding is maximum and this rotor position is defined as the electrical zero. In Fig. 39.15 (b), the rotor axis is displaced from the electrical zero by an angle displaced 120º apart 1. Đặc điểm cấu tạo (a) Máy phát điều khiển tự đồng bộ ( ký hiệu CX) cấu tạo của máy được trình bày trong hình 39.15 a. nó có 1 cuộn dây stator 3 pha tương tự như trong máy phát đồng bộ 3 pha. Roto của máy có cực từ nhô ra ngoài được tạo thành từ cuộn dây 1 pha. Khi điện áp xoay chiều 1 pha đặt vào roto thông qua cặp vành trượt, nó tạo ra 1 trường từ thông biến thiên dọc theo trục roto. trường từ thông biến thiên này tạo nên 1 sức điện động cảm ứng 3 pha không cân bằng trong dây quấn 3 pha stato.khi vị trí roto trùng với trục đối xứng cuộn dây stato 2, từ thông móc vòng trong cuộn dây này đạt max và vị trí này của roto gọi là điểm “0” điện. trong hình 39.15 b trục quay roto thay đổi từ vị trí “0” điện đến điểm cách đó 120º Máy điện đặc biệt Nhóm 3 (b ) Control Receiver (CR) Its construction is essentially the same as that of the control transmitter shown in Fig. 39.15 (a). It has three stator windings and a single-phase salient-pole rotor. However, unlike a CX, a CR has a mechanical viscous damper on the shaft which permits CR rotor to respond without overshooting its mark. In normal use, both the rotor and stator windings are excited with single-phase currents. When the field of the rotor conductors interacts with the field of the stator conductors, a torque is developed which produces rotation. (b)Máy thu điều khiển tự đồng bộ ( ký hiệu CR) về cơ bản, cấu tạo của CR cũng tương tự như CX trên hình 39.15 a. nó có 3 cuộn dây stato và 1 roto cực từ lồi 1 pha. Tuy nhiên, CX có thêm 1 bộ giảm xóc dùng dầu nhớt gắn trên trục quay cho phép roto hoạt động không vượt quá mức cho phép. ở chế độ định mức, cả cuộn dây roto và stato đều được kích thích bởi dòng điện 1 pha. Khi từ trường dây quấn roto tương tác với từ trường dây quấn stato sẽ tạo ra 1 momen quay, kéo roto chuyển động. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 Máy điện đặc biệt Nhóm 3 ( c) Control Transformer (CT) As shown in Fig. 39.15 (b) its stator has a three-phase winding whereas the cylindrical rotor has a single-phase winding. In this case, the electrical zero is defined as that position of the rotor that makes the flux linkage with winding 2 of the stator zero. This rotor position has been shown in Fig. 39.15 (b) and is different from that of a control transmitter. (C) Máy biến áp điều khiển tự đồng bộ (CT) Như thể hiện trong hình. 39.15 (b) nó là stator có cuộn dây ba pha trong khi roto hình trụ có một cuộn dây một pha. Trong trường hợp này, điểm không điện được định nghĩa là vị trí của rotor mà làm cho mối liên kết dòng với cuộn dây thứ 2 của stato không. Vị trí roto này được thể hiện trong hình. 39.15 (b) và là điểm khác biệt của một máy biến áp điều khiển đồng bộ Máy điện đặc biệt Nhóm 3 ( d) Control Differential (CD) The differential synchro has a balanced three-phase distributed winding in both the stator and the rotor. Moreover, it has a cylindrical rotor as shown in Fig. 39.16 (a). Although three-phase windings are involved, it must be kept in mind that these units deal solely with single-phase voltages. The three winding voltages are not polyphase voltages. Normally, the three-phase voltages are identical in magnitude but are separated in phase by 120º. In synchros, these voltages are in phase but differ in magnitude because of their physical orientation (d) Khối tín hiệu vi sai điều khiển tự đồng bộ (CD) Máy phát điện tự đồng bộ vi sai có cân bằng ba pha phân bố trong cả rotor và stator. Hơn nữa, nó có một rotor hình trụ như hình. 39.16 (a). Mặc dù cuộn dây ba pha được có liên quan, phải nhớ rằng chúng xử lý điện áp một pha Điện áp ba cuộn dây không phải là điện áp nhiều pha. Thông thường, điện áp ba pha là giống nhau về độ lớn nhưng lệch pha nhau 120 º. Trong máy điện tự động bộ, điện áp này la cùng độ lớn nhưng khác nhau về góc pha bởi vì kết cấu vật lý của chúng. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 Máy điện đặc biệt Nhóm 3 (e) Voltage Relations Consider the control transmitter shown in Fig. 39.17. Suppose that its rotor winding is excited by a single-phase sinusoidal ac voltage of rms value Er and that rotor is held fast in its displaced position from the electrical zero. If K = stator turns / rotor turns, the rms voltage induced in the stator winding is E = KEr . However, if we assume K = 1, then E = Er (e) Quan hệ điện áp Xét máy phát điều khiển trong hình 39.17. giả sử rằng nó là rotor được kích thích bởi điện áp xoay chiều hình sin của giá trị hiệu dụng là Er và rotor được tổ chức nhanh chóng, nó là sự điều chỉnh điểm không điện. Nếu K = (số vòng dây stator) / (số vòng dây rotor) , điện áp hiệu dụng gây ra trong stator cuộn dây là E = KEr. Tuy nhiên, nếu giả sử K=1 thì E = Er. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 The rms value of the induced emf in stator winding 2 when the rotor displacement is ‘a’ is given by E2s=E cosα Since the axis of the stator winding 1 is located 120º ahead of the axis of winding 2, the rms value of the induced emf in this winding is E1s=E cos (α−120º). In the same way since winding 3 is located behind the axis of winding 2 by 120º, the expression for the induced emf in winding 3 becomes E3s= E cos (α+ 120º). Giá trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng gây ra trong cuộn dây thứ 2 của stator khi rotor chuyển 1 góc α được cho bởi E2s = E cosα Kể từ khi trục cuộn dây thứ nhất của stator nằm 120 º so với trên trục của cuộn dây 2, giá trị hiệu dụng của dức điện động cảm ứng gây ra trong này cuộn dây là E1s = E cos (α-120 º). Tương tự cuộn dây thứ 3 nằm phía sau trục cuộn dây thứ 2 120 º,biểu diễn cho sức điện động cảm ứng gây ra trong cuộn dây thứ 3 trở thành E3s = E cos (α + 120 º). Máy điện đặc biệt Nhóm 3 We can also find the values of terminal induced voltages as Ta có thể tính giá trị điện áp đây gây ra như sau Máy điện đặc biệt Nhóm 3 Example 39.5. The rotor of a control transmitter (CX) is excited by a single-phase ac voltage of rms value 20 V. Find the value of E1s, E2s and E3s for rotor angle α = + 40º and −40º. Assume the stator/rotor turn ratio as unity. Also, find the values of terminal voltages when α= + 30º Ví dụ 39.5. Rôto của một máy phát điều khiển (CX) được kích thích bởi một điện áp xoay chiều một pha có  giá trị hiệu dụng là 20 V. Tìm giá trị của E1s, E2s và E3S cho góc của rotor là α = + 40 º và -40 º. Giả sử số vòng dây stator/số vòng dây rotor là như nhau. Ngoài ra, tìm các giá trị của hiệu điện thế khi α = + 30 º Máy điện đặc biệt Nhóm 3 Máy điện đặc biệt Nhóm 3 39.16 Applications of Synchros The synchros are extensively used in servomechanism for torque transmission, error detection and for adding and subtracting rotary angles. We will consider these applications one by one. 39.16 CÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ TỰ ĐỘNG BỘ Các động cơ đồng bộ sử dụng rộng rãi trong các cơ cấu servo để truyền mô-mem xoắn, phát hiện lỗi và cộng trừ các góc quay. Chúng ta sẽ xem xét từng ứng dụng một. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 ( a) Torque Transmission Synchros are used to transmit torque over a long distance without the use of a rigid mechanical connection. Fig. 39.18 represents an arrangement for maintaining alignment of two distantly-located shafts. The arrangement requires a control transmitter (CX) and a control receiver (CR) which acts as a torque receiver. As CX is rotated by an angle α, CR also rotates through the same angle α As shown, the stator windings of the two synchros are connected together and their rotors are connected to the same single-phase ac supply (a)Truyền mô-men xoắn : Hệ thống đồng bộ sử dụng để truyền moment xoắn trên một quãng đường dài mà không cần sử dụng một cách cứng nhắc các lien kết cơ khí. Hình 39.18, thể hiện sự sắp xếp và duy trì liên kết của hai trục nằm xa nhau. Việc bố trí một máy phát điều khiển (CX) và bộ tiếp nhận điều khiển (CR) có tác dụng như một bộ phận tiếp nhận moment xoắn. khi CX được quay bỡi một góc α, thì CR cũng quay cùng một góc α. Khi hiển thị, các cuộn dây stator và rotor của hai máy đồng bộ được kết nối với nhau được cấp điện bỡi điện áp xoay chiều một pha. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 Working. Let us suppose that CXrotor is displaced by an angle α and switch SW is closed to 1 energize the rotor winding. The rotor winding flux will induce an unbalanced set of three single-phase voltages (in time phase with the rotor voltage) in the CXstator phase windings which will circulate currents in the CR stator windings. These currents produce the CR stator flux field whose axis is fixed by the angle α. If the CR rotor winding is now energized by closing switch SW , its flux field will 2 interact with the flux field of the stator winding and thereby produce a torque. Nguyên lý hoạt động: giả sử rotor CX được quay một góc α và SW1 đóng lại để đóng điện cho cuộn dây rotor. Từ thông trong cuộn day stator sẽ làm mất cân bằng điện áp 3 pha trong rotor ( vào thời điểm rotor có điện áp) trong CX cuộn dây pha stator sẽ có dòng vào trong cuộn dây sator của CR. Dòng điện trong CR sẽ sinh ra từ thông trong stator có trục cố định là α. Nếu cuộn dây rotor của CR được đóng điện bỡi SW2, thì sẽ sinh ra một từ trường, từ trường đó sẽ tương tác với từ trường của cuộn dây sator do đó sẽ sinh ra một moment xoắn. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 This torque will rotate the freely-moving CR rotor to a position which exactly corresponds with the CT rotor i.e. it will be displaced by the same angle α as shown in Fig. 39.18. It should be noted that if the two rotors are in the same relative positions, the stator voltages in the two synchros will be exactly equal and opposite. Hence, there will be no current flow in the two stator windings and so no torque will be produced and the system will achieve equilibrium. Moment này sẽ làm quay rotor của CR đến vị trí tương ứng với rotor của CT có i,e giống nhau. Do đó nó sẽ được quay một góc α như hình 39.18. Nên 2 rotor sẽ có vị trí giống nhau, điện áp trên stator của hai máy đòng bộ bằng nhau và ngược pha nhau. Do đó, sẽ không có dòng điện trong hai cuộn dây stator và như vậy sẽ không có moment quay và hệ thống sẽ được đưa về trạng thái cân bằng. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 If now, the transmitter rotor angle changes to a new value, then new set of voltages would be induced in the transmitter stator windings which will again drive currents through the receiver stator windings. Hence, necessary torque will be produced which will turn the CR rotor through an angle corresponding to that of the CT rotor. That is why the transmitter rotor is called the master and the receiver rotor as the slave, because it follows its master. It is worth noting that this master-slave relationship is reversible because when the receiver rotor is displaced through a certain angle, it causes the transmitter rotor to turn through the same angle Nếu bây giờ, bộ truyền của rotor thay đổi giá trị của góc quay, sau đó thay đổi điện áp mới cho cuộn dây stator thì sẽ có dòng điện chay trong các cuộn dây stator. Do đó, moment quay được tạo ra làm quay rotor của CR và rotor của CT sẽ quay một góc tương ứng. Đó là lý do tại sao rotor truyền được gọi là nguồn và các rotor nhận được gọi là tải, bỡi vì nó hoạt động theo nguồn. Cần lưu ý mối quan hệ chủ - tớ có thể bị đảo ngược bỡi vì rotor thu được dời đến 1 góc nào đó, nó làm cho rotor phát chuyển đến cùng một góc Máy điện đặc biệt Nhóm 3 Máy điện đặc biệt Nhóm 3 ( b) Error Detection Synchros are also used for error detection in a servo control system. In this case, a command in the form of a mechanical displacement of the CX rotor is converted to an electrical voltage which appears at the CT rotor winding terminals which can be further amplified by an amplifier. For this purpose, we require a CX synchro and a CTsynchro as shown in Fig. 39.19. Only the CX rotor is energized from the single-phase ac voltage supply which produces an alternating air-gap flux field. This time-varying flux field induces voltages in the stator windings whose values for α= 30º are as indicated in the Fig. 39.19. (b) Phát hiện lỗi: Hệ thống đồng bộ cũng được để phát hiện lỗi trong hệ thống điều khiển servo. Trong trường hợp này, lệnh chuyển đổi cơ học của rotor CX được biến đổi thành điện áp xuất hiện của rotor CT ở thiết bị cuối có thể được khuếch đại them bỡi một bộ phận khuếch đại. Vì mục đích này, yêu cầu sự đồng bộ của CX và CT như hình 39.19. Điện áp một pha xoay chiều cung cấp cho rotor CX sẽ sinh ra từ trường vòng quanh các vòng dây. Điện áp trên stator sinh ra từ trường thay đổi theo thời gian có α=30º như hình 39.19. Máy điện đặc biệt Nhóm 3 The CXstator voltages supply magnetizing currents in the CT stator windings which, in turn, create an alternating flux field in their own air-gap. The values of the CT stator phase currents are such that the air-gap flux produced by them induces voltages that are equal and opposite to those existing in the CXstator. Hence, the direction of the resultant flux produced by the CXstator phase currents is forced to take a position which is exactly identical to that of the rotor axis of the CT Điện áp stator của CX cung cấp dòng từ hóa cho stator của CT, lần lượt, tạo ra một từ trường trong không khí của riêng mỗi stator. Dòng điện trong stator của CT tạo ra từ thông trong không khí, từ thông này gây ra điện áp bằng và ngược chiều với điện áp tồn tại trong stator CX. Do đó, từ thông sinh ra bỡi dòng điện của stator CX có vị trí giống như trục của rotor CT Máy điện đặc biệt Nhóm 3 Máy điện đặc biệt Nhóm 3 If the CTrotor is assumed to be held fast in its electrical zero position as shown in Fig.39.19, then the rms voltage induced in the rotor is given by E = Emax sinα, where E max is the maximum voltage induced by the CT air-gap flux when coupling with the rotor windings is maximum and α is the displacement angle of the CT rotor. on general, the value of the rms voltage induced in the CT rotor winding when the displacement of the CXrotor is